BiofÃ_sica das Membranas Biológicas 2

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Biofísica das Membranas Biológicas
Prof.MSc.Raphael Cezar C. Martins
Membranas Biológicas
A – A Célula
 Em conceito muito amplo pode ser considerada como:
 1 – A unidade fundamental dos seres vivos.
 2 – A menor estrutura biológica capaz de ter vida autônoma.
 # Com relação a sua suficiência alimentar os seres vivos e também suas células constituintes se dividem em duas grandes classes:
 a) Autótrofos – (auto – por si mesmo; trophos – nutrição). Aqueles que sintetizam todos os componentes moleculares que precisam para viver.
 b) Heterótrofos – (hetero – diferente; trophos – nutrição). Aqueles que necessitam receber algumas moléculas de outros seres vivos ou de outras fontes.
 
 As células tanto de seres uni, como pluricelulares, são classificadas em três tipos de acordo com seu refinamento estrutural.
 1 – Procariontes: As mais rudimentares, sem membrana nuclear.
 2 – Eucariontes: As mais sofisticadas, com membrana nuclear.
 3 – Fotossintéticas: Células de desenvolvimento intermediário entre as precedentes. Utilizam energia radiante para sintetizar biomoléculas.
 B – A Membrana Biológica:
 # Conceito de compartimentalização:
 A formação de compartimento se dá quando parte do espaço é completamente envolvido por uma barreira (definindo dois setores), neste caso, as trocas se fazem obrigatoriamente pela barreira.
 “É o estabelecimento de duas regiões no espaço, separadas fixicamente por uma barreira e funcionalmente por um transporte seletivo
# Membranas Biológicas:
 
 São estruturas altamente diferenciadas, destinadas a uma compartimentalização única na natureza. Elas são capazes de selecionar por mecanismos de Transporte Passivo e Ativo, os ingredientes que devem passar tanto para dentro, como para fora da céula.
 
# Estruturas da Membrana Biológica: 
 A evolução do conceito estrutural da membrana citoplasmática pode ser sumarizada em três modelos principais:
 a) Membrana Paucimolecular de Davson e Danielli.
 b) Membrana Unitária de Robertson.
 c) Modelo Mosaico Fluido de Singer e Nicholson – Mais aceito, onde as proteínas de membrana estão engastadas na camada lipídica, do lado interno, do lado externo ou atravessando completamente a membrana. 
 
# A Membrana Morfofuncional:
 O estudo das funções da membrana do ponto de vista biofísico, pode simplificar bastante o seu complexo funcionamento.
 Para efeito didático, a membrana pode ser considerada como tendo quatro estruturas básicas.
 1 – Poros ou Canais:
 Os canais podem possuir carga negativa, positiva ou serem destituidos de carga elétrica.
 A natureza da carga seleciona os íons:
 * Canais positivos repelem cátions (+) e deixam passar ânions (-).
 * Canais negativos repelem ânions (-) e deixam passar cátions (+).
 Há canais sofisticados que possuem, além da barreira da carga, um ou dois portões que se abrem sob comando. 
 O canal de Na+ é desse tipo.
 
 
 
 O portão fica fechado durante o potencial de repouso e se abre durante a passagem do potencial de ação. Apesar do mecanismo do portão ser acionado ativamente, o transito é ainda passivo nesses canais.
 
 Há também canais sem carga que não devem ser considerados como um simples orifício, ou conduto que fica permanentemente aberto. Essas moléculas se afastam pela pressão das substâncias que possuem passe livre através da membrana. Além da carga, o diâmetro dos canais seleciona os passantes conforme o volume dos íons 
 
Concentração de Íons e Direção de Transporte
 O trânsito, nos canais, é passivo e se faz de acordo com o gradiente de concentração. 
 “Sempre do lado mais concentrado para o lado menos concentrado.”
 
 
2 – Zonas de Difusão Facilitada:
 São regiões que possuem alta concentração de moléculas da mesma espécie química. Nesses locais, a passagem de moléculas de composição semelhante, por esse motivo, é facilitada e se abreviam ZDF. 
 As moléculas afins se “dissolvem” nas afins e passam pela membrana.
 
 
 
3 – Receptores:
 
 São sítios que possuem estrutura adequada à ligação de certas moléculas que, ao se ligarem deslancham uma série de processos celulares. O receptor insulino dependente ao receber esta molécula inicia o processo de absorção da glicose pela célula além de outros processos fisiológicos.
 # Mecanismo de Funcionamento de um Receptor:
 A molécula mensageira M se acopla ao receptor que muda sua conformação abrindo uma fenda interna para conexão da adenilciclase.
 A adenilciclase recebe a energia da hidrólise de um ATP (adenosina trifosfato) e sintetiza AMPc, que será o segundo mensageiro, já no citosol.
 
 
 
 Pode-se imaginar vários modos de funcionamento para receptores.
 O mensageiro tendo carga elétrica + atrairá as cargas elétricas – do canal, obstruindo o trânsito. Não é necessário imaginar que esse mecanismo ocorra somente através de cargas. Mudanças conformacionais teriam efeitos semelhantes. 
 
 
 
 
4 – Operadores: 
 São mecanismos capazes de realizar transporte Ativo, isto é, contra gradientes de concentração, elétrico ou ambos.
 Os operadores utilizam ATP como fonte de energia.
 
 
 
 O princípio operacional do operador é simples: a molécula a ser transportada se encaixa no operador, que muda sua conformação segurando-a. Uma molécula de ATP se encaixa na fenda que resultou da mudança conformacional do operador, é hidrolisada e libera energia para outra mudança maior, com realização de trabalho, que é o transporte para dentro ou para fora da molécula desejada. O operador volta ao estado normal.
 O sentido normal do trânsito é unidirecional, ou seja, operadores que introduzem substâncias na célula não são os mesmos que excretam essas substâncias.
 POTENCIAL DE REPOUSO
 As membranas das células vivas estão submetidas à uma diferença de potencial elétrico existente entre a superfície interna e a superfície externa.
 Os fluidos dentro e fora das células são sempre neutros, isto é, a concentração de cátions em qualquer local é sempre igual à de ânions, não podendo haver um acúmulo local de cargas elétricas nesses fluidos.
 As cargas elétricas em excesso +Q e –Q, que provocam a formação do potencial de repouso se localizam em torno da membrana celular. Esse potencial também se desenvolve na membrana celular, a superfície interna da membrana é coberta pelo excesso de ânions (-Q) e a superfície externa da membrana é coberta pelo excesso de cátions (+Q).
 
 
Bomba de Na+ e K+
 Se, através da membrana, houvesse apenas o transporte passivo, a célula teria suas concentrações iônicas alteradas. Como estas concentrações são constantes, deve haver um outro tipo de transporte, denominado ativo, por ocorrer com dispêndio de energia, no sentido contrário ao determinado pela força elétrica da membrana celular e pela diminuição da concentração iônica.
 Existem dois tipos de transporte ativo, através da membrana das células. Um deles é o transporte para o interior da célula de nutrientes orgânicos essenciais, como a glicose e os aminoácidos, o outro é o transporte de íons para manter a concentração intracelular da Na+ e K+ necessário à célula.
 O transporte ativo de Na+ e K+ através da membrana celular é realizado por uma proteína complexa, existente na membrana denominada “sódio potássio adenosina trifosfatase”, ou simplesmente Bomba de Sódio.
 Nos neurôniosdo cérebro humano, a energia armazenada em uma molécula de ATP liberada pela reação ATP = ADP + P + energia, é utilizada para retirar 3 íons Na+ da célula e levar 2 íons K+ para seu interior. 
 Cada bomba de sódio desses neurônios (um pequeno neurônio possui cerca de 1 milhão de bombas de sódio) pode transportar por segundo, até 200 Na+ para fora e 130 K+ para dentro da célula.
 
 
 Como está assinalado na figura, os íons Na+ na superfície interna da membrana se combinam com as moléculas transportadoras Y e o complexo NaY pode atravessar a membrana, esse complexo pode se desfazer, liberando o íon Na+, com a ajuda da molécula transportadora Y, os íons Na+ atravessam a membrana contra suas quedas de concentração e potencial.
 Após se dissociar do Na+, a molécula transportadora Y é transformada em molécula transportadora X. Essa reação é acelerada por uma enzima contida na membrana. A molécula X une-se a um íon extracelular K+, formando KX, que atravessa a membrana para dentro da célula. Na superfície interna da membrana, KX se desfaz, tendo como resultado o transporte de K+ para o interior da célula.
 O transporte de NaY para fora da célula e de KX para seu interior ocorre por difusão devido aos seus gradientes de concentração.
 Um novo ciclo de transporte é iniciado quando a molécula transportadora X, utilizando energia celular, se transforma na molécula transportadora Y.
 O complexo NaY é eletricamente neutro. Durante o processo de transporte, nenhuma carga elétrica atravessa a membrana. Assim o transporte acoplado da Na+ e K+ permite economizar energia. As células dependem de até 20% de sua energia metabólica para manter o funcionamento das bombas de sódio e potássio. Esse dispêndio de energia seria ainda maior se não fosse o acoplamento mencionado. 
 POTENCIAL DE AÇÃO
 Na ausência de perturbações externas, os potenciais de membrana Vm das células permanecem constantes e são denominados potenciais de repouso (Vo). Entretanto, um estímulo externo às células nervosas e musculares produz uma variação v em seus potenciais de membrana.
 Vm = Vo + v 
 Essa variação rápida, que se propaga ao longo de uma dessas células, é denominado potencial de ação.
 O potencial de repouso pode ser anulado pela aplicação de um potencial de mesma magnitude e polaridade inversa.
 
 
 Através de uma pilha e de um resistor variável para controlar a voltagem, aplica-se um choque elétrico de potencial igual ao da célula com polaridade trocada: o pólo positivo no interior e o pólo negativo no exterior da célula. O local fica despolarizado, sem cargas elétricas que são anuladas pelas cargas da pilha. 
 
 Em certos tecidos chamados excitáveis, após a aplicação deste choque, uma série de eventos pode ocorrer, envolvendo toda a célula. Esse fenômeno se passa em três fases que se sucedem rapidamente: 
 # Despolarização (D)
 # Polarização Invertida (PI)
 # Repolarização (R)
 
 
 
 
 Na figura A, a onda de despolarização (D) se inicia no local da membrana que recebe a excitação. Ela se propaga sendo seguida imediatamente pela onda de polarização invertida (I) que começa no mesmo local B. Imediatamente após, começa a onda de repolarização (R), que é a volta ao normal da polaridade C.
 Vários estímulos podem deflagrar o potencial de ação: químicos, elétricos, eletromagnéticos e até mecânicos. Há células especiais, auto-excitáveis, que geram ritmicamente o potencial de ação. Essas células são responsáveis pelo início dos movimentos repetitivos biológicos, como batimentos cardíacos e frequência respiratória.
 Há uma relação entre as variações elétricas do potencial de ação e os movimentos iônicos transmembrana. Um resumo dessas relações é:
 1# Despolarização: Abertura dos canais de Na+, com penetração de uma diminuta quantidade de íons Na+, suficiente para anular a diferença de potencial transmembrana.
 2# Polarização invertida: Continua a entrada da Na+, e com um pouco mais desses íons, a parte interna da célula fica positiva.
 3# Repolarização: Logo em seguida fecham-se os canais de Na+ e o íon K+ sai da célula repolarizando-a. A bomba de sódio se encarrega de expulsar o pequeno excesso de Na+ que estava no interior da célula, e tudo volta ao estado inicial.
 Condução Ortodrômica e Antidrômica
 Quando um nervo é estimulado, o impulso elétrico caminha igualmente nos dois sentidos.
 
 
 A condução no sentido naturalmente programado para o nervo é chamada de ortodrômica (ortos – certo; dromos – pista). A que se propaga em sentido contrário é a antidrômica (anti – contra; dromos – pista).
 Entre os mecanismos naturais que impedem a condução antidrômica, existem as sinapses. Tanto as sinapses inibitórias quanto as sinapses excitatórias, bloqueiam os impulsos antidrômicos.
Sinapses Inibitórias e Excitatórias
 A transmissão de impulso nervoso entre dois nervos, ou entre o nervo e seu efetor, como o músculo, é feita através de estruturas denominadas sinpses.
 Em toda sinapse, há uma junção da parte terminal de um axônio de uma célula pré-sináptica, com os dendritos ou a soma de uma célula pós-sináptica. 
 A transmissão da informação da fibra pré para a fibra pós-sináptica é realizada através de um mediador químico (na grande maioria das sinapses), ou através de contato elétrico (tipo especial de sinapse). Existe ainda a sinapse mista, onde há condução química e elétrica.
 
 
 # Funcionamento das Sinapses:
 Nas sinapses elétricas, o pulso que chega à rapidamente transmitido à fira pós-sináptica, com um mínimo de período de latência.
 Nas sinapses onde a mediação do impulso é através da liberação de uma substância química, há sempre uma latência maior para o aparecimento do pulso pós-sináptico. Essa latência pode chegar a 1,5 ms, tendo um tempo mínimo de 0,5 ms para saltar da fibra pré para a pós-sináptica.
 A substância liberada pela vesícula, o mediador químico que é capaz de transmitir o impulso, chama-se geralmente de neurotransmissor. 
 A natureza do neurotransmissor determina se o impulso que chega na fibra pré-sináptica vai passar (sinapse excitatória), ou se vai ser bloqueado (sinapse inibitória). 
 
 
 Na sinapse excitatória, o PA chega à extremidade pré-sináptica, e libera o neurotransmissor das vesículas.
 Esse mediador liberado atravessa a fenda sináptica e se localiza em receptores específicos, resultando em aumento da permeabilidade da membrana à pequenos íons, especialmente ao íon Na+. 
 A penetração dos íons Na+ despolariza a membrana pós-sináptica e quando suficientemente intensa, inicia um PA que continua no mesmo sentido do anterior.
 Na sinapse inibitória o processo é semelhante, mas o neurotransmissor liberado aumenta a pemeabilidade aos íons K+, e especialmente ao íon Cl-, que penetra na membrana pós-sináptica, provocando uma hiperpolarização: o interior fica mais negativo, e o exterior fica mais positivo. 
 Assim, o PA que chega não consegue despolarizar a célula e não passa.
 Nervos Mielínicos e Nervos Amielínicos
 Existem dois tipos de nervos bem estudados histológicamente:
 1# Amielínicos ou amielinados: A membrana do axônio está em contato direto com os tecidos vizinhos. 
 2# Mielínicos ou Mielinados: 
 A membrana do axônio é envolvida pela célula de Schwam, cuja membrana é rica em uma lipoproteina chamada mielina. As partes descobertas são os nódulos de Ranvier.Nos nervos mielínicos a troca iônica se faz apenas nos nódulos de Ranvier e o impulso salta sobre as bainhas de mielina. Nesses nervos, a velocidade de condução é maior que nos nervos amielínicos, podendo chegar a 50X +. Os nervos mielínicos representam uma evolução sobre os amielínicos. A condução saltatória é também mais econômica que a contínua em nervos amielínicos, pois o dispêndio de energia metabólica é menor.