Biofísica das Membrana

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO ACADÊMICO DE VITÓRIA
Biofísica das Membranas e Bioeletrogênese
Profa. Dra. Simey de Souza Leão Pereira Magnata
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SSLPM
A eletricidade animal
	A geração de eletricidade de certos peixes já era conhecida quando Luigi Galvani, descreveu sobre a contração da pata de rã. Segundo Galvani, (1780):
 
“ nos músculos se reúne o fluido elétrico que logo se difunde pelo corpo mediante a rede de nervos, os quais são condutores naturais do fluido elétrico (1871)”
GARCIA, (1998) 
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SSLPM
A eletricidade animal
	Alejandro Volta, (1800) construiu o primeiro gerador químico de eletricidade e afirma que os músculos são apenas condutores de eletricidade e que a fonte geradora de eletricidade estava no par bimetálico.
 
“ WALLER (1887, 1889) relacionou os batimentos cardíacos com correntes elétricas e EINTHOVEN (1913) registrou essas correntes obtendo os primeiros eletrocardiogramas”
GARCIA, (1998) 
“ HELHOLTZ (1850) mediu a velocidade de propagação da onda de excitação do nervo gastrocnêmico de rã e BERNSTEIN (1868) observou o potencial de injúria do nervo lesado, essa corrente de injúria contribuiu para a descoberta do potencial de membrana”
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SSLPM
Fundamentos Físico-químicos
A matéria e a carga elétrica.
Coulomb (C). A carga do elétron é –1,6 x 10-19 C.
1 Faraday = 105 C/mol. 1 mol de K+= 1 F, de Ca++= 2 F e de Cl-= -1 F.
O campo elétrico (fc/Q). ddp (W/Q), J/C = V.
Corrente (Q/t), C/s = A. Ânodo  cátodo. A corrente depende da ddp e da condutância do material.
Condutância (G = I/V ou I = G/V), A/V = S.
Resistência (R = 1/G, R = V/I ou V = R*I), V/A = .
Resistência e canal iônico, .
Capacitância (C = Q/V), C/V = F.
Capacitância e a bicamada lipídica, ,  = 8,85 x 10-12 F/m (permissividade do vácuo).
GARCIA, (1998) 
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Conceitos Básicos de Eletricidade
 Carga e Matéria
Carga Elétrica Fundamental
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Origem
Coacervados
COSTA, (1997) 
“ OPARIN (1967) afirma o surgimento da vida a partir de agregados de moléculas orgânicas, acoplados em vesículas lipídicas espalhadas nos mares primitivos”
“ A primeira célula viva seria aquela vesícula que reunisse as biomoléculas e tivesse capacidade de auto-replicação. ”
“ Os lipídios têm a capacidade de formar “barreiras” físico-químicas, as membranas biológicas, isso ocorre graças a sua anfipaticidade.”
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Membranas- Modelos
GORTER e GRENDEL (1925), lipídios de eritrócitos
DAVSON e DANIELLI (1935), membrana com 40 a 50% de lipídios e 50 a 60% de proteínas
ROBERTSON (1956), modelo de membrana unitária
GARCIA, (1998); COSTA, (1997) 
Modelo de Robertson
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Membranas- Modelos
Modelo de Stein e Danielli
GARCIA, (1998); COSTA, (1997) 
STEIN e DANIELLI (1956), dupla camada descontínua com proteínas inseridas
LUCY e GLAUERT (1964), lípídios formando micelas globulares revestidas por proteínas
BENSON (1966), matriz protéica com lipídios dispersos entre os sítios hidrofóbicos das proteínas
LENARD e SINGER (1966), sarcolema com dupla camada descontínua de lipídios com proteínas fixadas
SINGER e NICOLSON (1972), modelo do mosaico fluido”
Modelo de Lenard e Singer
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Membranas- Modelos
GARCIA, (1998); COSTA, (1997) 
SINGER e NICOLSON (1972), modelo do mosaico fluido”
Modelo de Singer e Nicolson
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Composição da Membrana
Lipídios
Proteínas
Fosfolipídios, Glicolipídios e Esteróides (colesterol)
Fluidez(zona central) Ca +2 e Mg+2
mielina, nas mitocôndrias e cloroplastos 
Receptores, enzimas e proteínas transportadoras
GARCIA, (1998); COSTA, (1997) 
Glicocálix
Polissacarídeos
Propriedades imunológicas
ROUSER, NELSON E FLEISCHER, (1968) 
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Fluidez da Membrana
Fosfolipídios e altas temperaturas
Aumentam a fluidez da membrana
Colesterol, baixas temperaturas, Ca+2 e Mg+2
Diminuem a fluidez da membrana ao reduzir a repulsão elétrica nos fosfolipídios
A distrofia Muscular Pseudo-hipertrófica (Duchenne), o Câncer e a Distrofia miotônica
Alteram a fluidez da membrana
JAIN, (1972) 
HERMAN E FERNANDEZ, (1976); APPEL E ROSES, (1976)
GARCIA, (1998); COSTA, (1997) 
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Comportamento elétrico da Membrana
Uma membrana assemelha-se a uma associação do tipo resistor-capacitor em paralelo
Associação RC
GARCIA, (1998); FRUMENTO, (1995) 
A membrana apresenta duas vias para a passagem da corrente elétrica
Uma obedece a Lei de Ohm (canais iônicos) e outra de natureza capacitiva (dielétrico lipídico)
A membrana das células vivas estão submetidas a uma diferença de potencial elétrico entre as suas superfícies interna e externa
As células do coração, por exemplo, possuem um potencial de repouso de -60mV a -90mV.
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Comportamento elétrico da Membrana
A matriz lipídica é responsável pelas propriedades dielétricas, mostrando propriedades capacitivas.
Capacitância de 1µF/cm2
GARCIA, (1998); FRUMENTO, (1995) 
As membranas artificiais apresentam resistência muito elevadas quando comparadas aos valores das membranas celulares.
106 a 109 Ωcm2 / 103 ou 8. 103 Ω cm2
A inclusão de certas proteínas à estrutura da membrana promove uma redução da resistência.
Modelo adequado para situação in vivo
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Potencial da Membrana
“Cabeça” polar contendo fosfatos
“Calda” apolar hidrocarbono
Bicamada de fosfolipídios
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Potencial de Repouso
GARCIA, (1998); COSTA, (1997) 
É gerado devido à permeabilidade da membrana ser diferente aos íons
Devido a assimetria na distribuição iônica no meio interno e externo
A ação da bomba de sódio e potássio
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Bomba de sódio e potássio
GARCIA, (1998); COSTA, (1997) 
Eficiência: coloca 3 Na+ para o exterior e 2 K+ para o interior.
Afinidade: no citoplasma é 3 vezes maior para o Na+ e no meio extracelular é 100 vezes maior para o K+.
Regulação: K+ extracel. e Na+ intra. Em concentrações normais funciona com 10 a 15 % da capacidade.
Estrutura: uma subunidade  de 1.015 aa com função catalítica e uma subunidade  (glicoproteína) de 302 aa que estabiliza a inserção na matriz lipídica.
DEAN, (1941); HODGKIN E KEYNES, (1955) 
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Transporte através da Membrana
GARCIA, (1998); FRUMENTO, (1995) 
Tipos de transporte: 
Transporte passivo x Transporte ativo
Transporte ativo: primário e secundário
Co-transporte ocorre o transporte mediado por um cátion que carrea um ânion.
Na+/Cl- Na+/K+/2Cl- Na+/açucares Na+/a.a. para o meio intracelular
K+/Cl+ para o meio extracelular
Contra-transporte ocorre o transporte de substâncias ou íons de mesma polaridade entre meios diferentes
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Transporte através da Membrana
GARCIA, (1998); FRUMENTO, (1995) 
O transporte ativo primário:
Transporte contra a Fterm resultante do gradiente eletroquímico do íon com gasto de ATP.
A bomba Na+-K+:
A ATPase Na+-K+ junto com a ATPase H+-Ca++ (músculo) e a ATPase H+-K+ (estômago) são P-ATPases. 
As F-ATPases são ATPases reversas que sintetizam ATP nas mitocôndrias e cloroplastos. 
As V-ATPases fazem transporte de prótons com gasto de ATP em animais, plantas e fungos.
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Transporte através da Membrana
GARCIA, (1998); FRUMENTO, (1995) 
A difusão “trabalha” no sentido de equilibrar a concentração de substâncias e íons nos compartimentos intra e extracelular, todavia existe desequilíbrio, então alguns fatores “trabalham” contrapondo a difusão.
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Potencial de Ação
GARCIA, (1998); FRUMENTO, (1995) 
O sistema nervoso conduz informação com rapidez e eficiência, ao alterar abruptamente o potencial de repouso.
Estímulos (elétrica, hormonal, térmica, mecânica, eletromagnética e outros)
Os estímulos sofrem transdução nos receptores
Estímulos devem estar acima do limiar de excitabilidade
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Potencial de Ação
GARCIA, (1998); COSTA, (1997) 
Eventos
Despolarização: ocorre um influxo de íons sódio
Repolarização: é a fase final do potencial de ação com efluxode íons potássio.
despolarização
repolarização
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transporte de nutrientes até aqueles, remoção dos produtos de excreção, manter em todos os líquidos teciduais um ambiente propício à sobrevida e função ótimas das células;
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transporte de nutrientes até aqueles, remoção dos produtos de excreção, manter em todos os líquidos teciduais um ambiente propício à sobrevida e função ótimas das células;