1 Resumo Fisiologia - membrana, transportes, comunicação e sinalização celular

Prévia do material em texto

Introdução a Fisiologia Humana
O objetivo da fisiologia é explicar os fatores físicos e químicos responsáveis pela origem, desenvolvimento e continuação da vida. Na fisiologia humana, a preocupação é com as características e mecanismos específicos do corpo humano, que o fazem um ser vivo.
	Fisiologia é o estudo das funções do organismo vivo e de suas partes componentes, incluindo processos químicos e físicos (Silverthon).
	A unidade viva básica do corpo é a célula, e cada órgão é um agregado de muitas células diferentes, mantidas juntas por estruturas intercelulares de sustentação. Cada tipo de célula é especialmente adaptado a desempenhar uma ou algumas funções determinadas.
	Embora as muitas células do corpo muitas vezes se difiram acentuadamente entre si, todas elas apresentam determinadas características semelhantes.
	Todas as células estão envolvidas por uma membrana que separa seu interior do exterior. Essa barreira permite que as células criem um ambiente interno otimizado para proporcionar as reações bioquímicas para um funcionamento normal. A composição desse ambiente interno varia pouco de célula para célula.
	As células são banhadas por um líquido extracelular (LEC) onde ficam os íons e nutrientes necessários para que as células mantenham a vida celular. O LEC contém grandes quantidades de íons de sódio (Na+), potássio (K+), magnésio (Mg²+), cloreto (Cl-) e bicarbonato (HCO³), mais os nutrientes para as células como oxigênio (O²), glicose, ácidos graxos e aminoácidos. Esse líquido também contém Cálcio livre (Ca²+), que é essencial para a vida e muitas das reações bioquímicas requeridas pelas células podem ocorrer somente se as concentrações de cálcio livre forem rebaixadas. 
O envoltório celular chamado de membrana plasmática, uma barreira impermeável aos íons para separar o LEC do líquido que está em seu interior e então modificar seletivamente a composição do seu conteúdo interno para facilitar as reações bioquímicas que mantém a vida. O líquido intracelular (LIC ou CITOSOL) é caracterizado por baixas concentrações de íons de cálcio (Ca²+), sódio (Na+) e cloreto (Cl-), porém com alta concentração de potássio (K+) em comparação ao LEC.
Membrana Celular ou Membrana Plasmática
A membrana celular, que envolve toda a célula, é composta em grande parte por lipídeos (fosfolipídeos, glicolipídeos), proteínas (integrais e periféricas – intra ou extracelular) e colesterol.
Os lipídeos nas membranas formam uma barreira mecânica que impede a livre movimentação de água e das substâncias hidrossolúveis de um compartimento celular para outro. E as moléculas de proteínas nessas membranas, atravessam muitas vezes toda espessura da membrana formando assim vias especializadas para a passagem de substâncias específicas e outras proteínas da membrana são enzimas que catalisam um grande número de reações químicas diferentes.
A estrutura básica da membrana é formada por uma bicamada lipídica, composta por uma dupla camada de moléculas de fosfolipídeos. Todos os fosfolipídeos são anfipáticos por natureza, pois possuem uma região polar chamada de cabeça hidrofílica (hidrofílica ou hidrossolúvel, ou seja, solúvel em água) e uma região não polar composta por uma “cauda” de ácidos graxos (lipofílica ou lipossolúvel, ou seja, solúvel em gordura).
Os Fosfolipídeos são o tipo de lipídeo mais comum na membrana. Possuem uma cauda de ácido graxos acoplada a uma cabeça hidrossolúvel (fosfato e um álcool ligado) por meio do glicerol.
Os Glicolipídeos são um tipo de lipídeo pequeno localizado no folheto externo da bicamada, composto por uma cauda de ácidos graxos associada a uma cabeça hidrossolúvel de carboidrato por meio da esfingosina. Os glicolipídeos criam uma “capa” de carboidrato celular que está envolvida nas interações entre as células (célula-célula) e apresenta antigenicidade.
O Colesterol é o segundo lipídeo mais comum na membrana. É lipossolúvel mas por conter um grupo de hidroxila polar, acaba sendo puxado para a superfície externa da bicamada onde se aloja entre os fosfolipídeos próximos. A molécula de colesterol é formada por um grupo hidroxila, um núcleo esteroide e a cauda de hidrocarboneto. É em grande parte responsável pelo grau de permeabilidade da bicamada aos constituintes hidrossolúveis dos líquidos corporais e também controla o grau de fluidez da membrana. Os quatro anéis de carbono do esteroide o tornam relativamente inflexível, de forma que a adição de colesterol a membrana reduz sua fluidez e a torna mais forte e rigída.
O eixo lipídico da membrana veda a célula, pelo qual apenas materiais lipossolúveis como o oxigênio (O²), o dióxido de carbono (CO²) e o álcool conseguem cruzar a bicamada sem ajuda. Como as células estão imersas em um meio aquoso, e a maioria das moléculas que elas necessitam são hidrossolúveis e não conseguem penetrar o eixo lipídico sem auxílio das proteínas. 
As proteínas tem a função de auxiliar os íons e outras moléculas carregadas a passarem através da barreira lipídica da bicamada, também permitem a comunicação intercelular e fornecem informações sensoriais sobre o ambiente externo (LEC). 
Existem dois tipos de proteínas: as proteínas integrais proeminentes através de toda a espessura da membrana, e as proteínas periféricas que são fixas às superfícies interna ou externa da membrana mas não a atravessam.
Muitas das proteínas integrais formam canais (ou poros) estruturais, pelos quais as substâncias hidrossolúveis – em especial os íons, podem difundir entre o LEC e o LIC. Esses canais proteicos também apresentam propriedades seletivas, realizando difusão preferencial de algumas substâncias em quantidade maior que outras. 
Outras proteínas integrais atuam como proteínas carreadoras para transporte de substâncias na direção oposta à direção natural de difusão, o que é chamado de transporte ativo. E ainda outras atuam como enzimas.
As proteínas periféricas, localizam – se em quase sua totalidade na face interna da membrana onde se fixam a uma das proteínas integrais. Essas proteínas periféricas atuam quase exclusivamente como enzimas ou como outros tipos de controladores do funcionamento intracelular.
PROTEÍNAS PERIFÉRICAS
São encontradas na superfície da membrana, onde possuem uma ligação relativamente fraca que pode facilmente ser liberada utilizando soluções salinas simples. Podem ser classificadas como intracelulares ou extracelulares.
Proteínas Periféricas Intracelulares se localizam em direção a superfície intracelular. Incluem muitas enzimas, subunidades reguladoras de canais iônicos (receptores e transportadores) e também proteínas envolvidas no transporte de vesículas e na fusão de membranas, assim como proteínas que ancoram a membrana a uma densa rede de fibrilas composta por espectrina, actina, anquirina e muitas outras moléculas que se unem para formar um citoesqueleto subcortical.
Proteínas Periféricas Extracelulares estão localizadas na superfície extracelular, e incluem enzimas e moléculas de adesão. Muitas dessas proteínas estão ligadas a membrana por meio da molécula de glicofosfatidilinositol (um tipo de fosfolipídeo glicosilado) chamado de GPI, sendo assim essas proteínas são conhecidas como proteínas ancoradas ao GPI.
PROTEÍNAS INTEGRAIS
São as proteínas que penetram o eixo lipídico da bicamada. Elas estão ancoradas a membrana por ligações covalentes (compartilham elétrons) com as estruturas ao redor, e só podem ser removidas por um tratamento experimental da membrana com um agente detergente.
Algumas proteínas integrais podem permanecer localizadas de um lado ou do outro no folheto da membrana sem na realidade cruzar toda sua estrutura. Outro tipo de proteína pode cruzar a membrana muitas vezes e são chamadas de proteínas transmembrana, como exemplo os canais iônicos, transportadores e receptores.
Transporte de íons e de moléculas através da membrana
Transporte Transmembrana
O transporte através da membrana celular, seja diretamente através da bicamada lipídica ou por meio das proteínas, ocorre por um de dois processos básicos: Difusão (tambémchamado de transporte passivo) e Transporte Ativo.
A difusão significa o movimento aleatório de substâncias, molécula a molécula, seja pelos espaços intermoleculares da membrana ou em combinação com uma proteína carreadora. A energia produtora da difusão é a energia do movimento cinético normal da matéria. 
E em contraste, o transporte ativo significa o movimento de íons, ou de outras substâncias, através da membrana em combinação com uma proteína carreadora contra um gradiente de energia (de baixa concentração para alta concentração) e por isso exige uma fonte adicional de energia, além da cinética para produzir o movimento.
Difusão
A difusão através da membrana celular é dividida em dois subtipos:
Difusão Simples é quando o movimento cinético das moléculas ou íons ocorre pelos orifícios ou pelos espaços intermoleculares da membrana sem a necessidade de fixação a proteína transportadora da membrana. A velocidade dessa difusão é determinada pela quantidade de substância disponível, velocidade do movimento cinético e o número de orifícios na membrana pelos quais as moléculas ou íons podem passar. Tende a equilibrar as concentrações nas duas faces da membrana – equilíbrio osmótico (concentração ideal).
A difusão simples pode ocorrer por dois percursos:
1) Pelos interstícios da bicamada lipídica, especialmente se a substância difusora for lipossolúvel
2) Por canais aquosos de algumas proteínas de transporte
Esses canais das proteínas de transporte se diferenciam por duas importantes características: 
1) Permeabilidade seletiva a determinadas substâncias
2) Os canais podem ser abertos ou fechados por comportas – controlados por voltagem ou por substâncias químicas.
A maioria dos canais proteicos é extremamente seletivo pelas características do próprio canal, como seu diâmetro, sua forma e a natureza das cargas elétricas da sua superfície interna.
Como exemplo: o chamado canal de sódio tem sua superfície interna revestida intensamente por cargas negativas. Essas cargas negativas puxam os pequenos íons de sódio para dentro do canal, removendo suas moléculas de água (desidratados). Uma vez dentro do interior do canal, eles se difundem em qualquer direção de acordo com as leis da difusão.
Outro exemplo de canal proteíco é o seletivo para o transporte de potássio. Esses canais são ligeiramente menores que os canais de sódio, e se caracterizam por não terem cargas negativas, sendo assim não existe força de atração forte puxando os íons para dentro, e os íons são sofrem desidratação por não serem afastados das suas moléculas de água. O íon de potássio hidratado tem a sua forma muito menor que o íon de sódio nesta condição. Como resultado, os íons de potássio por serem menores podem passar com facilidade por esses canais menores, enquanto os íons de sódio são rejeitados – o que produz uma permeabilidade seletiva para um íon específico.
Difusão Facilitada ou Difusão mediada por carreador exige a interação de uma proteína carreadora específica com as moléculas ou íons, facilitando a passagem através da membrana por se prenderem quimicamente. A molécula a ser transportada entra no canal e se fixa a esse receptor, ocorre uma alteração conformacional dessa proteína de modo que o canal se abre para a face oposta da membrana (comporta). Entre as substâncias mais importantes que atravessam a membrana por difusão facilitada estão a glicose e a maioria dos aminoácidos.
A velocidade da difusão facilitada é menor em relação a difusão simples, pois conforme aumenta a concentração da substância a intensidade da difusão simples aumenta proporcionalmente enquanto a difusão facilitada a velocidade do transporte nunca pode ser maior que a velocidade com que a molécula da proteína carreadora pode sofrer alterações entre os seus dois estados conformacionais.
As difusões simples e facilitada ocorrem sempre a favor do gradiente de concentração (do mais concentrado para o menos concentrado) e sem gasto de energia.
Transporte Ativo
O transporte ativo acontece quando é necessário levar uma substância contra o gradiente de concentração ou contra a corrente, utilizando algum transportador e com alguma fonte de energia para gerar o movimento. 
O transporte ativo é dividido em dois tipos, de acordo com a fonte de energia usada para provocar o transporte: transporte ativo primário ou transporte ativo secundário. Nos dois tipos de transporte ativo, o transporte depende de proteínas carreadoras (ou transportadoras) que atravessam toda a espessura da membrana.
Transporte Ativo Primário – a energia utilizada é diretamente o ATP ou algum composto de fosfato com alta energia. 
O movimento de uma substância contra o seu gradiente eletroquímico (“morro acima” - bombeando contra a corrente) requer energia. O transportador ou carreador é chamado de ATPase, que são enzimas que catalisam a quebra do ATP (adenosina TRIfosfato) em ADP (adenosina Difosfato) + um íon de fosfato livre.
Existem três tipos principais de ‘bombas’ – Bomba de sódio potássio (Na+ - K+ ATPase), Bomba de Cálcio (Ca²+ATPase) e a Bomba de Próton Potássio (H+ - K+ ATPase).
- Bomba de Sódio-Potássio: é comum a todas as células e utiliza 1 molécula de ATP para transportar 3 moléculas de sódio (Na+) para fora da célula e simultaneamente traz 2 moléculas de potássio (K+) para dentro da célula. Ambos os íons vão contra o seu gradiente de concentração. 
Os gradientes gerados pela bomba de sódio-potássio permitem a sinalização elétrica entre os neurônios e os miócitos, e é utilizada para direcionar a passagem de outras substancias para dentro ou fora da célula pelo transporte ativo secundário.
 
- Bomba de Cálcio: Ca+ATPase tem a função de regular as concentrações de cálcio dentro e fora da célula e é um dos eletrólitos mais importantes para a contração muscular. Funciona de forma muito parecida com a bomba de sódio-potássio, onde sua função é bombear os íons de cálcio para o exterior da célula pela hidrólise de uma molécula de ATP, com a finalidade de manter baixas concentrações de cálcio no LIC cerca de 10 mil vezes que o LEC.
- Bomba de Próton-Potássio: ocorre nas células parietais do revestimento do estômago, onde a H+-K+ATPase bombeia prótons (H+) para o citoplasma do exterior da célula. 
	Transporte Ativo Secundário – quando o movimento de uma substância independe diretamente do ATP, mas está associado à diferença de concentração de íons estabelecida pelo transporte ativo primário. Dois modos de transporte secundário são possíveis: O Cotransporte e o Contratransporte.
- Contratransporte: o trocador (chamado de ANTIPORTE) usa o gradiente eletroquímico de um soluto para direcionar o fluxo de um segundo soluto na direção oposta. A passagem de eletrólitos de cargas iguais se direcionam de forma oposta. 
 
- Cotransporte: o cotransportador (chamado de SIMPORTES) utiliza o gradiente eletroquímico de um soluto para direcionar o fluxo de um segundo ou terceiro soluto na mesma direção. A passagem de eletrólitos de cargas diferentes na mesma direção.
Comunicação Intercelular
É a troca de informações entre as células, por meio de sinais elétricos ou mensageiros químicos. 
	A comunicação por contato direto é feito pelas junções comunicantes (poros – canais proteícos) pode ocorrer de modo químico ou elétrico direto. Exemplo: a excitação e contração cardíaca.
	A maior parte da comunicação é feita por sinais químicos, que têm sido tradicionalmente classificados de acordo com a distância e a rota que percorrem para exercer um efeito fisiológico. 
	Os hormônios são substâncias químicas produzidas pelas glândulas endócrinas e alguns tecidos não endócrinos, onde as mensagens químicas são transportadas até seus alvos pelos vasos sanguíneos. Por exemplo, a insulina é produzida no pelas ilhotas pancreáticas e são levadas pela corrente sanguínea para os músculos, tecido adiposo e para o fígado.
	As moléculas do mensageiro parácrino são liberadas próximo da célula alvo, por isso possuem uma amplitude de sinalização muito limitada porque são captadas ou degradadasrapidamente pelas células vizinhas.
	Já os mensageiros autócrino ligam-se a mesma célula que o produziu, gerando uma ‘autoresposta’.
	Uma vez que a mensagem química enviada chega ao seu destino, ela deve ser reconhecida pela célula alvo e então gerar a modificação na função celular. A maioria dos mensageiros possuem carga, e são reconhecidos por receptores na superfície das células. Essa ligação aciona um comando, que faz surgir um conjunto de instruções pré-programadas para gerar uma resposta celular. 
Sinalização Intracelular
É a resposta gerada pela comunicação! Os mensageiros se ligam aos receptores, que geralmente são proteínas integrais, que podem ser do tipo: 
A) Canais dependentes de ligante – facilitam a comunicação entre os neurônios e as suas células alvo, incluindo outros neurônios por provocar como resposta mudanças no potencial de membrana ou na concentração iônica intracelular. Por exemplo, os receptores nicotínicos do neurotransmissor acetilcolina é um canal iônico que permite as células do músculo esquelético responder ao comando excitatório do neurônio motor, permitindo a abertura do canal para a entrada de íons onde esse movimento de cargas é um sinal elétrico que influencia a atividade da célula alvo diretamente.
B) Receptores acoplados a proteína G (GPCRs) – esses receptores geram uma mensagem que é traduzida como resposta intracelular, liberando moléculas de segundos mensageiros que retransmitem a mensagem traduzida pela proteína G amplificando a resposta.
C) Receptores de atividade enzimática – Receptores Catalíticos: são os receptores de membrana que possuem atividade enzimática (catalítica). Podem ser de 2 tipos: ou eles são uma enzima, onde na porção intracelular desse receptor existem domínios catalíticos que é a região enzimática do receptor catalítico; ou eles não são enzimas mas se associam à uma enzima e na sua porção intracelular não vai apresentar nenhum domínio catalítico. 
D) Receptores Intracelulares – estão localizados dentro da célula, inclui os receptores para o hormônio da tireóide e hormônios esteroides. O receptor induz a transcrição gênica, e o produto altera a função celular.
Questões de fisiologia celular
1) Quais são os tipos de proteínas que constituem as membranas celulares e quais as suas funções? R: Existem 2 tipos de proteínas – as integrais são as que penetram todo o eixo lipídico da bicamada e tem a função de transporte como carreadores, receptores ou formando canais iônicos; já as proteínas periféricas estão situadas na superfície intra ou extracelular e atuam como enzimas ou outros tipos de controladores do funcionamento celular.
2) Explique a diferença entre difusão simples, difusão facilitada e transporte ativo. R: A difusão ocorre por diferenças no gradiente de concentração e não necessita de gasto energético para ocorrer, pois seu movimento é causado pelo movimento cinético. A difusão simples é feita pelos espaços intermoleculares ou canais iônicos e a difusão facilitada é feita em combinação com um proteína carreadora. Porém no transporte ativo, a substância necessita ser transportada contra o seu gradiente de concentração, em combinação com uma proteína carreadora em um processo que exige uma fonte adicional de energia para realizar o movimento.
3) O transporte ativo é dividido entre primário e secundário. Qual a diferença entre eles? R: a diferença entre eles é a fonte de energia utilizada para provocar o transporte. No transporte ativo primário a energia vem diretamente da degradação do ATP e no transporte ativo secundário a energia vem das diferenças de concentrações iônicas entre as duas faces da membrana causadas pelo transporte ativo.
4) O transporte ativo secundário ainda é subdividido em cotransporte e contratransporte. Comente sobre as diferenças dessas subdivisões. R: O contratransporte utiliza o gradiente eletroquimíco de um soluto para direcionar o fluxo de um segundo soluto na direção oposta. E o cotransporte, utiliza o gradiente para forçar o movimento de um segundo ou terceiro soluto na mesma direção do primeiro soluto.
5) Explique de forma objetiva os quatro tipos de comunicação intercelular. R: os quatro tipos de comunicação são: a primeira é a comunicação por contato direto célula-célula através de junções comunicantes onde há trocas de informações químicas e elétricas; a segunda comunicação é a hormonal onde a mensagem é transportada pela corrente sanguínea onde o receptor da célula alvo está longe da célula mensageira; o terceiro tipo de comunicação é por mensageiro parácrino onde a célula mensageira está muito próxima da célula alvo e o último tipo é o mensageiro autócrino onde a mensagem é enviada liga-se na mesma célula que a enviou.
6) A maioria das células recebem mensagem através de mensageiros químicos onde os mesmos interagem com os receptores (proteínas de membrana) promovendo uma sinalização/resposta biológica. Temos 4 tipos de receptores, comente sobre eles. R: temos os canais iônicos ativados por ligante que é responsável pela mudança no potencial da membrana ou na concentração iônica intracelular; o segundo tipo é o receptor acoplado a proteína G onde por uma resposta intracelular gera a fosforilação de proteínas; o terceiro tipo são os receptores catalíticos ou enzimáticos que realizam a fosforilação de proteínas para causar a resposta necessária e o quarto e ultimo tipo são os receptores intracelulares onde sua função está ligada diretamente ao DNA e a alteração da expressão gênica.