Fisiologia-Transporte atraves de membranas

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Biologia Molecular e Celular II: 
Transporte através da membrana 
Princípios do transporte 
•  Há diferenças entre a 
composição dentro e fora 
da célula; 
 
•  A distribuição de íons 
dentro e fora da célula é 
controlada por proteínas 
integrais de membrana 
(transportadoras e de 
canal) e, em parte, pelas 
características de 
permeabilidade da própria 
bicamada. 
As bicamadas são impermeáveis a solutos e íons ... 
•  A taxa de difusão relativa de uma substância qualquer 
através da bicamada é proporcional: 
•  Ao seu gradiente de concentração pela bicamada; 
•  À sua hidrofobicidade e seu tamanho 
•  Para moléculas carregadas, o potencial elétrico da 
membrana também influi. 
Em geral: 
 Quanto menor e + hidrofóbico, > taxa de difusão 
Quanto > o gradiente de [ ], > taxa de difusão 
•  Transportadores proteicos são necessários!! 
 
As proteínas de membrana podem ser: 
•  Proteínas transportadoras (carreadoras): 
–  Podem mediar o transporte passivo e ativo. 
–  Carregam moléculas específicas 
 ↓ 
encaixe no sítio de ligação e transferência através da membrana 
por alteração conformacional. 
 
Bombas ativadas por ATP 
–  ATPases que usam a energia da hidrólise de ATP para o 
transporte de íons e peq. moléculas através da membrana 
•  Proteínas de canal 
–  Formam poros hidrofílicos e fazem transporte passivo 
–  Se o canal está aberto, moléculas de tamanho e carga 
apropriados podem passar. 
 
Transporte passivo ou ativo? 
–  TRANSPORTE PASSIVO = moléculas fluem de regiões ↑ [ ] para ↓[ ] 
–  TRANSPORTE ATIVO = moléculas vão contra um gradiente de [ ] 
 
Para moléculas carregadas... 
A maioria das membranas possui uma diferença no 
potencial elétrico entre cada lado 
 
Potencial de membrana 
 
Essa diferença de potencial exerce uma força 
 em qualquer molécula eletricamente carregada... 
Em geral: 
o lado citoplasmático está com potencial negativo em 
relação ao exterior, 
Há uma tendência a “atrair” cátions e impelir ânions, mas o soluto 
também tende a mover-se de acordo com seu gradiente de [ ]. 
 
Assim: 
•  As forças do gradiente de [ ] + potencial de membrana 
geram 
 
Gradiente eletroquímico de soluto (força motriz líquida) 
 
Determina a direção do transporte passivo 
através da membrana 
 
O transporte ativo move solutos contra seu gradiente 
eletroquímico 
Proteínas transportadoras (=carreadoras) 
•  Transportam moléculas orgânicas pequenas (açúcares, 
aminoácidos, nucleotídeos, etc.); 
•  Altamente seletivas; 
•  Cada membrana têm seu conjunto próprio; 
•  Facilitam transportes ativo e passivo; 
 
Carreador de glicose: mudança conformacional da proteína carreadora pode 
mediar o transporte passivo da glicose a favor do gradiente de concentração 
Transportador de glicose da membrana plasmática 
de células hepáticas de mamíferos 
•  Numa conformação, expõe sítios de ligação p/ glicose 
no exterior da célula, noutra expõe sítios no interior... 
•  Embora passivo, o transporte é seletivo! 
•  A direção é dada pelo gradiente de [ ] (pode ser 
reversível) 
É uniportador: transporta um único tipo de molécula 
Transportadores uniporte 
From 
Structural biology: Bundles of insights into sugar transporters 
Peter J. F. Henderson & Stephen A. Baldwin 
Nature 490, 348–350 (18 October 2012) doi:10.1038/490348a 
Transportadores acoplados 
•  Proteínas transportadoras nas quais o movimento favorável do 1o 
soluto fornece energia para o transporte desfavorável do 2o soluto. 
 É dito transporte ativo secundário ou acoplado. 
•  SIMPORTADOR (ou cotransportador) = se as 2 moléculas vão para 
a mesma direção 
•  ANTIPORTADOR (ou permutador) = se deslocam-se em direções 
opostas 
 
SIMPORTE ANTIPORTE 
transporte acoplado 
UNIPORTE 
Bicamada 
lipídica 
Lactose permease de 
E. coli: um simporte de 
lactose dirigido por H+ 
Science 1 August 2003: 
Vol. 301 no. 5633 pp. 610-615 
DOI: 10.1126/science.1088196 
O transporte ativo 
Se dá em 3 formas principais: 
–  Transportadores acoplados: ligam o transporte desfavorável de um 
soluto ao transporte favorável de outro soluto; 
–  Bombas ativadas por ATP: acoplam o transporte desfavorável à 
hidrólise de ATP; 
–  Bombas movidas à luz: unem o transporte desfavorável a uma 
entrada de energia luminosa. 
Bombas ativadas pelo ATP 
•  Todas são proteínas transmembrana com um ou + sítios 
de ligação para o ATP na face citosólica da membrana; 
•  ATPases que normalmente não hidrolisam ATP a não 
ser que os íons ou outras moléculas sejam 
transportados simultaneamente. 
•  São enquadradas em classes principais: 
 
 Bombas de Classe-P, Bombas de Classe- F e 
Transportadores ABC 
Classes de bombas ativadas pelo ATP 
Bombas classe-P 
 
 subunidades catalíticas que ligam ATP 
+ subunidades regulatórias 
 
Uma subunidade α é fosforilada e os 
íons movem-se através dela; 
 
 
Podem ser: bombas de Na/K, H+/K e 
Ca++ 
 
Bomba de Ca++ 
Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. Biochemistry. 5th edition. New York, 2002. 
Mecanismo de ação da Ca++ATPase 
ATPase muscular de Ca++ : 
bombeia Ca++ do citosol para o R.Sarcoplasmático 
Bomba de Na+/K+ 
http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/NaKpump.htm 
Transporte transcelular de glicose 
Alberts et al. Biologia Molecular da Célula, 2010. 
COMPONENTE CONCENTRAÇÃO 
INTRACELLULAR (mM) 
CONCENTRAÇÃO 
EXTRACELLULAR (mM) 
Cations 
  Na+ 5-15 145 
  K+ 140 5 
  Mg2+ 0.5 1-2 
  Ca2+ 10-4 1-2 
  H+ 7 × 10-5 
(10-7.2 M ou pH 7.2) 
4 × 10-5 
(10-7.4 M ou pH 7.4) 
Anions* 
  Cl- 5-15 110 
Comparação de concentrações de íons no interior e 
exterior de uma célula típica de mamífero. 
Gradientes de H+ 
•  São utilizados para impelir o transporte de membrana 
em plantas, fungos e bactérias, pois 
estes não possuem bombas de Na+/K+ 
 
Contam com um gradiente eletroquímico de H+ no lugar de Na+ 
 
 
Criado por bomba de H+ na membrana plasmática 
 
A captura de muitos açúcares e aminoácidos para o interior das células 
bacterianas é conseguido por simportadores de H+ 
As bombas classes F transportam H+ 
•  Presentes na membrana plasmática 
bacteriana, membrana mitocondrial 
interna e nas membranas dos 
tilacóides; 
•  São ATPases de transporte 
trabalhando em sentido reverso: ATP 
sintases! 
•  O gradiente de H + sustenta a síntese 
de ATP 
 
Transportadores ABC (ATP Binding Cassete): 
Bombas ativadas pelo ATP 
•  Transportam aminoácidos, 
peptídeos, acúcares, íons 
inorgânicos, polissacarídeos e até 
proteínas. 
•  “Flipam” lipídeos; 
•  Em E. coli 5% dos genes 
codificam transportadores ABC 
para importação e exportação 
•  Em eucariotos a maioria é 
exportador. Ex. MDR = 
transportador ABC que dá 
resistência a multidrogas 
Proteínas de canal 
CANAIS hidrofílicos = forma + simples de permitir que uma 
molécula hidrossolúvel atravesse a membrana; 
 
-  algumas formam grandes poros, muito permissivos 
-  p.e. porinas (na membrana ext. bacteriana, 
mitocondrias e cloroplastos); 
-  Junções comunicantes (gap junctions) 
- Certas toxinas bacterianas. 
 
•  Porém, a maioria das proteínas de canal é seletiva e de 
poros estreitos…quase todas são canais iônicos (Na+, 
K+, Cl- e Ca+) 
Canais iônicos 
 
Poros estreitos e altamente seletivos; 
-  Não estão continuamente abertos... 
 estados aberto/fechado alternam por mudança conformacional. 
 
-  Taxa de transporte é muito mais rápida que aquela das proteínas 
carreadoras (até mil vezes >), 
-  mas não fazem transporte ativo... 
-  O transporte segue a favor do gradiente eletroquímico. 
 
- São seletivos (filtro de seletividade)!Estrutura do canal de K 
Somente o íon de tamanho e 
carga apropriados pode passar 
 
 Filtro de seletividade. 
Mecanismo de seletividade e 
transporte iônico 
Modelo para o controle do 
canal de K+ bacteriano 
Canais iônicos 
•  Há mais de 100 tipos de canais iônicos; 
•  Diferem quanto 1) seletividade iônica 
 2) condições que influenciam na abertura 
 
 O controle da abertura-fechamento pode ser por: voltagem, ligação 
de ligante ou pressão mecânica 
Canais iônicos 
Receptor de acetilcolina: um canal iônico 
controlado por ligante (neurotransmissor) 
O movimento da água 
•  A pressão osmótica causa o movimento da água através das 
membranas; 
•  As bicamadas lipídicas puras são semi-permeáveis à água, que 
atravessa por osmose 
parte das membranas celulares tem 
proteínas de canal de água (aquaporinas) que aumentam a 
permeabilidade da biomembrana à água 
 
 Aquaporinas: 
 são seletivas para água 
Estrutura da aquaporina 
Vista lateral do poro em uma 
única subunidade 
Modelo es t ru tura l da prote ína 
homotetramérica: cada subunidade 
forma um canal de água. 
Um dos monômeros é mostrado com a 
superfície molecular destacando o poro. 
Expressão de aquaporina por oócitos de rã 
(acima) e controle (abaixo) em solução hipotônica 
Pesquisa funcional com proteínas de membrana 
•  Dificuldades 
–  Proteínas devem estar na membrana! 
–  Há muitas proteínas de membrana diferentes numa 
dada membrana; 
–  Geralmente, estão em baixas concentrações 
relativas; 
 
O que fazer: 
1) Extrair, purificar e reincorporar em lipossomos; ou 
 2) expressar o gene de interesse