O transporte de substâncias através das membranas celulares (Cap 4 Guyton)

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Fisiologia
Capítulo 4 Guyton&Hall
O transporte de substâncias através das membranas celulares
- O líquido extracelular contém grande quantidade de sódio e pouca quantidade de potássio, o oposto é válido para o líquido intracelular.
- O líquido extracelular contém grande quantidade de íons cloreto e o líquido intracelular tem pouco.
- As concentrações de fosfato e proteínas são maiores no líquido intracelular que no extracelular.
- Essas diferenças de concentrações são muito importantes para a vida das células e esse capítulo vai explicar como essas diferenças são produzidas.
ESTRUTURA DA MEMBRANA CELULAR
Consiste quase inteiramente em uma bicamada lipídica, contendo grande número de moléculas de proteínas incrustadas nos lipídios. As substâncias lipossolúveis podem atravessar essa bicamada dispersando-se, de modo direto, através da substância lipídica.
As proteínas representam uma via alternatica através da membrana celular, muitas dessas proteínas penetrantes podem funcionar como proteínas transportadoras. Algumas contêm espaços aquosos por toda extensão da molécula, permitindo o livre movimento da água, bem como de íons ou de moléculas selecionadas, essas são as proteínas canais. Outras conhecidas como proteínas carreadoras, se ligam às moléculas ou aos íons a serem transportados e alterações estruturais nas moléculas da proteína movem a substância através dos interstícios da proteína até o outro lado da membrana. As proteínas canais e as carreadoras são, via de regra, seletivas para os tipos de moléculas ou de íons que poderão atravessar a membrana.
· Difusão x Transporte ativo
Difusão significa o movimento molecular aleatório de substâncias, molécula a molécula, através dos espaços intramoleculares da membrana ou em combinação com proteína carreadora. A energia causadora da difusão é a energia da movimentação cinética normal da matéria. Como contraste, transporte ativo significa o movimento dos íons ou de outras substâncias, através da membrana em combinação com uma proteína carreadora, de modo tal que a proteína carreadora faz com que a substância se mova em direção oposta à de um gradiente de energia, como passando de um estado de baixa concentração para um estado de alta concentração. Esse movimento requer uma fonte adicional de energia, além da energia cinética.
DIFUSÃO
Quando a molécula em movimento, A, se aproxima da molécula estacionária, B, a força eletrostática e outras forças nucleares da molécula A repelem a molécula B, transferindo parte da energia do movimento da molécula A para a molécula B. Consequentemente, a molécula B ganha energia cinética do movimento, enquanto a molécula A passa a se mover mais lentamente, perdendo parte de sua energia cinética. Em solução, uma só molécula colide violentamente com as outras moléculas, primeiro em uma direção, e depois em outra, e assim por diante, sempre aleatoriamente, colidindo milhares de vezes a cada segundo. Esse movimento contínuo de moléculas umas contra as outras, nos líquidos ou nos gases, é chamado difusão e pode ser dividida em difusão simples e difusão facilitada.
Difusão simples
A difusão simples significa que o movimento cinético das moléculas ou dos íons ocorre através de abertura na membrana ou através dos espaços intermoleculares, sem que ocorra qualquer interação com as proteínas carreadoras da membrana. A intensidade da difusão é determinada pela quantidade de substância disponível, pela velocidade do movimento cinético, e pelo número e tamanho das aberturas na membrana, pelas quais as moléculas e os íons podem se mover. A difusão simples pode ocorrer através da membrana celular por duas vias: (1) pelos interstícios da bicamada lipídica, no caso da substância que se difunde ser lipossolúvel; e (2) pelos canais aquosos que penetram por toda a espessura da membrana, por meio de alguma das grandes proteínas transportadoras
Difusão facilitada
A difusão facilitada requer a interação com uma proteína carreadora. A proteína carreadora ajuda a passagem das moléculas ou dos íons, através da membrana, por meio de ligação química com eles, transportando-os, dessa forma, em movimento de vaivém através da membrana.
Difusão das substâncias lipossolúveis
A velocidade de difusão de cada uma dessas substâncias através da membrana é diretamente proporcional à sua lipossolubilidade. De modo especial, grandes quantidades de oxigênio podem ser transportadas dessa maneira; por essa razão, o oxigênio pode ser levado para o interior das células quase como se não existisse a membrana celular. As lipossolubilidades do oxigênio, do nitrogênio, do dióxido de carbono e do álcool, por exemplo, são altas.
Difusão de água e de outras moléculas insolúveis em lipídios
Muitas das membranas celulares do corpo contêm “poros” proteicos chamados aquaporinas que permitem, seletivamente, a passagem rápida de água através da membrana celular. As aquaporinas são altamente especializadas, e existem pelo menos 13 tipos diferentes delas nas várias células dos mamíferos. Outras moléculas insolúveis em lipídios podem passar pelos canais dos poros das proteínas do mesmo modo que as moléculas de água, caso sejam hidrossolúveis e suficientemente pequenas. Todavia, à medida que suas dimensões aumentam, sua penetração diminui acentuadamente. Por exemplo, o diâmetro da molécula da ureia é somente 20% maior do que o da de água, e mesmo assim sua penetração, através dos poros da membrana celular, é cerca de 1.000 vezes menor do que a da água. Ainda assim, considerando-se a incrível velocidade de penetração da água, essa intensidade da penetração da ureia ainda permite o rápido transporte da ureia através da membrana em poucos minutos.
PROTEÍNAS CANAL
As proteínas canais são distinguidas por duas características importantes:
1. Elas, em geral, são seletivamente permeáveis a certas substâncias; específicas. Essa seletividade resulta das características do canal propriamente dito, como seu diâmetro, sua forma, e a natureza das cargas elétricas e das ligações químicas ao longo de suas superfícies internas.
2. Muitos dos canais podem ser abertos ou fechados por comportas que são reguladas por sinais elétricos (canais dependentes de voltagem) ou químicos que se ligam a proteínas do canal (canais dependentes de ligantes).
Permeabilidade seletiva das proteínas canais
Exemplo: Foi descoberto que os canais de potássio têm a estrutura tetramérica, consistindo em quatro subunidades proteicas idênticas, envolvendo o poro central. No topo do poro do canal existem alças que formam filtro de seletividade estreita. Revestindo o filtro de seletividade encontram-se oxigênios carbonílicos. Quando íons potássio hidratados entram no filtro de seletividade, eles interagem com os oxigênios carbonílicos e perdem a maioria das suas moléculas de água ligadas, permitindo a passagem dos íons potássio desidratados pelo canal. Os oxigênios carbonílicos estão muito afastados, porém, para permitir que eles interajam de perto com os íons sódio menores e que são, portanto, eficazmente excluídos pelo filtro de seletividade na passagem pelo poro.
As comportas das proteínas canais
A A abertura e o fechamento desses canais podem ser controlados por dois modos:
· Por variações da voltagem.: a conformação molecular do canal ou das suas ligações químicas reage ao potencial elétrico através da membrana celular. Por exemplo, no painel superior da Figura 4-5, uma forte carga negativa no lado interno da membrana celular, poderia presumivelmente fazer com que as comportas externas do canal do sódio permanecessem fechadas; de modo inverso, se o lado interno da membrana perdesse sua carga negativa, essas comportas poderiam de modo abrupto se abrir, permitindo que o sódio entrasse na célula, passando pelos poros de sódio. Esse processo é o mecanismo básico para a geração de potenciais de ação nas fibras nervosas responsáveis pelos sinais nervosos. No painel inferior da Figura 4-5, as comportas para o potássio ficam localizadas na extremidade intracelular dos canais de potássio e se abrem quando a parte interna da membrana
celular fica positivamente carregada. A abertura desses canais é responsável, em parte, pelo término do potencial de ação.
· Por controle químico: Algumas comportas das proteínas canais dependem da ligação de substâncias químicas (ou ligante) com a proteína, que causa alteração conformacional da proteína ou de suas ligações químicas na molécula da proteína que abre ou fecha sua comporta. Um dos mais importantes exemplos de controle químico é o efeito da acetilcolina no chamado canal de acetilcolina. A acetilcolina abre a comporta desse canal, formando poro negativamente carregado, com diâmetro de cerca de 0,65 nanômetro, que permite a passagem de moléculas sem carga ou de íons positivos menores que seu diâmetro. Esse tipo de comporta é extremamente importante para a transmissão dos sinais nervosos de célula nervosa para outra e das células nervosas para as células musculares, para causar a contração muscular.
DIFUSÃO FACILITADA
Também conhecida como difusão mediada por carreador. A difusão facilitada difere da difusão simples pelo seguinte modo: apesar de a velocidade da difusão simples, através de um canal aberto, aumentar em proporção direta à concentração da substância difusora, na difusão facilitada a velocidade da difusão tende a um máximo, designado como Vmáx, à medida que a concentração da substância difusora aumenta. Essa diferença entre a difusão simples e a difusão facilitada é demonstrada na Figura 4-7. Essa figura mostra que, enquanto a concentração da substância difusora aumenta, a intensidade da difusão simples continua a aumentar proporcionalmente, mas na difusão facilitada a velocidade da difusão não pode aumentar acima do nível do Vmáx.
A velocidade, com que moléculas podem ser transportadas por esse mecanismo nunca, pode ser maior do que a velocidade, com que a molécula de proteína carreadora, pode se alterar entre suas duas conformações. Entre as várias substâncias, que atravessam a membrana das células por difusão facilitada, estão a glicose e a maioria dos aminoácidos. No caso da glicose, pelo menos 14 membros de uma família de proteínas de membrana (chamadas de GLUT) que transportam moléculas de glicose foram já descobertas em vários tecidos. Algumas de estas GLUT podem também transportar vários outros monossacarídeos com estruturas semelhantes à da glicose, incluindo a galactose e a frutose. Uma delas, a molécula transportadora de glicose 4 (GLUT4), é ativada pela insulina, que pode aumentar em 10 a 20 vezes a velocidade da difusão facilitada da glicose nos tecidos sensíveis à insulina. Esse é o principal mecanismo pelo qual a insulina controla o uso da glicose pelo organismo.
Fatores que afetam a velocidade efetiva da difusão
1. A intensidade da difusão efetiva é proporcional à diferença de concentração através da membrana: A velocidade com que a substância vai se difundir para o lado interno é proporcional à concentração das moléculas no lado externo, porque essa concentração determina quantas moléculas atingem a parte externa da membrana a cada segundo. Ao contrário, a velocidade com que as moléculas se difundem para o lado externo é proporcional à sua concentração no lado interno da membrana. Por essa razão, a velocidade efetiva da difusão para dentro da célula é proporcional à concentração externa menos a concentração interna, ou:
Difusão efetiva Cexterna – Cinterna
2. Efeito do potencial elétrico da membrana sobre a difusão dos íons — O “Potencial de Nernst” 
Se um potencial elétrico for aplicado através da membrana, a carga elétrica dos íons faz com que eles se movam através da membrana mesmo que não exista diferença de concentração para provocar esse movimento. Assim, no painel esquerdo da figura, a concentração iônica negativa é a mesma em ambos os lados da membrana, mas aplicou-se carga positiva ao lado direito da membrana e carga negativa ao lado esquerdo, criando gradiente elétrico através da membrana. A carga positiva atrai os íons negativos, ao passo que a carga negativa os repele. Portanto, a difusão efetiva ocorre da esquerda para a direita. Depois de algum tempo, grandes quantidades de íons negativos se moveram para a direita, criando a condição mostrada no painel direito, no qual se desenvolveu diferença da concentração iônica na direção oposta à diferença de potencial elétrico. Agora, a diferença de concentração tende a mover os íons para a esquerda, enquanto a diferença elétrica tende a movê-los para a direita. Quando a diferença da concentração aumenta o bastante, os dois efeitos se contrabalançam. Na temperatura normal do corpo (37 °C), a diferença elétrica que vai contrabalançar dada diferença de concentração de íons univalentes — como íons Na+ — pode ser determinada pela fórmula a seguir, chamada equação de Nernst.
FEM é a força eletromotriz (voltagem) entre o lado 1 e o lado 2 da membrana, C1 é a concentração no lado 1, e C2 é a concentração no lado 2. Essa equação é extremamente importante para a compreensão da transmissão dos impulsos nervosos.
3. Efeitos da diferença de pressão através da membrana
Algumas vezes, diferenças consideráveis de pressão se desenvolvem entre os dois lados de membrana difusível. Essa diferença de pressão ocorre, por exemplo, na membrana capilar sanguínea, em todos os tecidos do corpo. A pressão é de cerca de 20 mmHg, maior dentro do capilar do que fora. Na maioria das vezes, essa situação é causada por grande número de moléculas se chocando a cada segundo com um dos lados da membrana do que no outro lado. O resultado é quantidade maior de energia disponível para causar o movimento efetivo das moléculas do lado de alta pressão para o lado de menor pressão.
OSMOSE
A substância mais abundante que se difunde através da membrana é a água. Ela se difunde geralmente nas duas direções, essa quantidade de água é tão balanceada que o movimento real da água é zero (volume da célula cte). Algumas circunstâncias podem fazer com que haja uma diferença da concentração da água através da membrana. Quando isso acontece há um movimento efetivo da água e a célula incha ou murcha. Esse processo de movimentação da água por conta da diferença de concentração é denominado osmose.
Pressão osmótica
A quantidade de pressão necessária para interromper a osmose é denominada pressão osmótica. A pressão osmótica exercida pelas partículas em solução é determinada pelo número das partículas por unidade de volume do líquido e não pela massa das partículas. Isso porque cada partícula independente de sua massa exerce a mesma quantidade de pressão contra a membrana. Partículas maiores se movem mais lentamente e partículas menores se movem mais rapidamente. Como energia cinética é , a concentração é determinada em termos de quantidade e não de massa.
Osmolalidade
Serve para expressar a concentração em termos de número de partículas, usa essa unidade osmol ao invés de gramas. Um osmol é igual ao peso de 1 molécula grama de soluto. Por exemplo: 
180g de glicose = 1 molécula grama de glicose = 1 osmol
Relação entre osmolalidade e pressão osmótica
Em condições normais, 1 osmol/L vai causar 19.300mmHg de pressão osmótica na solução. A pressão osmótica total dos líquidos corporais é de 5.790mmHg, mas o valor medido é em torno de 5.500mmHg. Há essa diferença porque muitos íons (como Na e Cl) são atraídos um pelo outro e não se movem tão livremente e consequentemente não geram a pressão osmótica potencial. Por isso, a pressão osmótica real dos líquidos corporais é em torno de 0,93 vezes o valor calculado.
Osmolaridade
É a concentração osmolar expressa em osmóis por litro de solução ao invés de por quilograma de água. A diferença quantitativa entre a osmolalidade e a osmolaridade é menos de 1 %. É mais fácil medir a osmolaridade que a osmolalidade.
TRANSPORTE ATIVO
Às vezes é necessário ter uma grande quantidade de uma substância dentro da célula, mesmo que fora dela tenha pouca concentração dessa substância (exemplo os íons K). O mesmo acontece para os íons sódio, mas de forma contrária. Esses dois efeitos não podem acontecer através da difusão simples, já
que com o passar do tempo as concentrações do LIC e do LEC se igualariam. Assim, quando a membrana celular transporta as moléculas contra um gradiente de concentração, o processo é chamado transporte ativo. Diversas substâncias são transportadas através desse mecanismo como os íons sódio, potássio, cálcio, ferro, hidrogênio, cloreto, urato, vários açúcares e a maioria dos aminoácidos.
O transporte ativo é dividido em transporte ativo primário e secundário. No primário, a energia deriva diretamente da degradação do trifosfato de adenosina (ATP) ou de qualquer outro composto de fosfato com alta energia. No secundário, a energia é derivada secundariamente da energia armazenada de substâncias secundárias ou iônicas em diferentes concentrações dos dois lados da membrana, originada inicialmente pelo transporte ativo primário. Nos dois casos, o transporte depende de proteínas carreadoras.
Transporte ativo primário
· Bomba de sódio-potássio
Processo em que há o bombeamento de íons potássio para dentro e ao mesmo tempo de sódio para fora. Essa bomba é responsável por manter a diferença de concentração entre sódio e potássio e por estabelecer a voltagem elétrica negativa dentro das células, ela é também a base para a função nervosa.
A proteína carreadora é um complexo de duas proteínas globulares distintas: a maior é a subunidade α e a menor é chamada subunidade β, a função da menor não é conhecida ao certo, mas a α tem três características importantes:
1. Contém três locais receptores para a ligação de íons sódio na porção da proteína que se projeta para dentro da célula.
2. Contém dois locais receptores para os íons potássio na sua porção externa
3. A porção interna dessa proteína, tem atividade adenosina trifosfatase (ATPase).
Quando os 2 potássios e os 3 sódios se ligam à parte interna, a função de ATPase é ativada. Isso leva à clivagem de uma molécula de ATP, que se divide em difosfato de adenosina (ADP) e libera uma ligação fosfato de alta energia. Essa energia liberada gera uma alteração conformacional na proteína, que libera os íons.
Assim como outras enzimas, a comba de Na-K ATPase pode funcionar de forma inversa. Caso a energia armazenada dos gradientes de Na e K seja maior que a energia química da hidrólise de ATP, esses íons vão reduzir seus gradientes e a bomba de Na-K vai sintetizar o ATP a partir do ADP e fosfato. As concentrações relativas de ATP, ADP, fosfato, bem como os gradientes de Na e K, determinam a direção da reação das enzimas.
Uma das funções mais importantes da bomba é controlar o volume celular, sem ela a maioria das células inchariam até estourar. Esse mecanismo funciona da seguinte forma: o interior da célula possui diversas proteínas e moléculas orgânicas que não podem sair da célula, em sua maioria elas possuem carga negativa e são responsáveis por atrair íons positivos (sódio, potássio etc). Essas moléculas provocarão a osmose e a menos que esse processo seja interrompido, a célula vai inchar.
A membrana é bem menos permeável ao sódio que ao potássio, assim ele tem tendência de permanecer fora da célula, ao colocar 3 sódios para fora, a osmose para fora da célula é iniciada. Caso a célula comece a inchar por alguma razão, a bomba é ativada automaticamente, transferindo ainda mais íons para fora da célula e, consequentemente, levando água junto com ela.
O fato de a bomba colocar 3 sódios para fora e 2 potássios para dentro, significa que apenas uma carga positiva é transportada do interior para o exterior da célula. Isso resulta em positividade no LEC, mas produz um déficit intracelular de íons positivos. Assim, a bomba é eletrogênica por produzir potencial elétrico na membrana, isso é pré-requisito para que haja a transmissão dos sinais nervosos e musculares.
Transporte ativo primário dos íons cálcio
Os íons cálcio são mantidos nas condições normais em concentração extremamente baixa no citosol intracelular (cerca de 10.000 vezes menor que no LEC). Esse nível existe devido à duas bombas de cálcio. Uma está na membrana, transportando cálcio para fora e a outra bombeia o cálcio para dentro de organelas vesiculares, como o retículo sarcoplasmático das células musculares e as mitocôndrias de todas as células. Nos dois casos, a proteína funciona como enzima ATPase, da mesma forma que na proteína carreadora de sódio.
Transporte ativo primário dos íons hidrogênio
Esse transporte é importante em duas situações: nas glândulas gástricas do estômago e nos túbulos distais finais e nos ductos coletores corticais dos rins. Nas glândulas gástricas, as células parietais das camadas mais profundas apresentam o mecanismo ativo primário mais potente para transportar os íons hidrogênio de qualquer parte do corpo. Esse mecanismo é a base para a secreção de ácido clorídrico das secreções digestivas do estômago. Nas extremidades secretoras das células parietais da glândula gástrica, a concentração de íons hidrogênio aumenta por até um milhão de vezes, sendo, então, liberada no estômago, junto com íons cloreto, para formar o ácido clorídrico. Nos túbulos renais existem células intercaladas especiais, nos túbulos distais finais e nos ductos coletores corticais que também transportam íons hidrogênio por transporte ativo primário. Nesse caso, grandes quantidades de íons hidrogênio são secretadas do sangue para a urina, para promover a eliminação do excesso de íons hidrogênio dos líquidos corporais. Os íons hidrogênio podem ser secretados na urina contra gradiente de concentração de cerca de 900 vezes.
Energética do transporte ativo primário
A concentração da substância durante o transporte vai determinar a quantidade de energia necessária para esse transporte. Essa energia é proporcional ao logaritmo do grau de concentração da substância (se for concentrar por 10 vezes, para poder concentrá-la em 100 vezes, será preciso 2x mais energia). Fórmula: 
Transporte ativo secundário - cotransporte e contratransporte
O transporte ativo primário gera uma alta concentração de íons sódio fora da célula, esse gradiente representa um reservatório de energia, porque o sódio em excesso está sempre tentando se difundir para o interior. Em determinadas condições, essa energia de difusão do sódio pode empurrar outras substâncias junto através da membrana.
A proteína carreadora terá um local de ligação para o sódio e outro para a substância a ser cotransportada. Quando os dois estiverem ligados é que há o transporte.
No contratransporte, os íons sódio tentam se difundir para o interior da célula, porém a substância a ser cotransportada está no interior da célula e quer ir para o exterior.
Cotransporte de glicose e aminoácidos junto com os íons sódio
Uma propriedade especial da proteína transportadora é que a alteração conformacional, para permitir que o sódio se movimente para o interior, não ocorre até que a molécula da glicose também se ligue. Cotransportadores de sódio-glicose são mecanismos especialmente importantes no transporte da glicose através do epitélio de células renais e intestinais para promover a absorção dessas substâncias para o sangue. O cotransporte de sódio com os aminoácidos ocorre da mesma forma que para a glicose, só que com outro conjunto de proteínas transportadoras. Outros mecanismos de transporte incluem o cotransporte de íons cloreto, íons iodo, íos ferro e urato.
Contratransporte de sódio e dos íons cálcio e hidrogênio
O contratransporte de sódio-cálcio acontece através de quase todas as membranas celulares. Esse mecanismo acontece em adição ao transporte ativo primário de cálcio.
O contratransporte de sódio-hidrogênio ocorre em vários tecidos, exemplo importante é o que acontece nos túbulos proximais dos rins,onde os íons sódio se movem do lúmens dos túbulos para o interior da célula tubular, enquanto os íons hidrogênio são cotransportados para o lúmen dos túbulos. Esse mecanismo é bem menos potente que o transporte primário dos íons hidrogênio pelos túbulos renais distais que é extremamente potente, mas transporta uma quantidade muito grande e é importante.
Transporte ativo através das
camadas celulares
Em vários locais do corpo, as substâncias devem ser transportadas através de toda a espessura das camadas das células, em vez de somente através da membrana celular. Isso pode ocorrer através dos epitélios intestinais, tubular renal, de todas as glândulas exócrinas, da vesícula biliar, da membrana do plexo corioide do cérebro etc.
O mecanismo básico é transporte ativo através da membrana celular de um lado das células transportadores nas camadas e então difusão simples ou difusão facilitada através da membrana no lado oposto da célula. A figura mostra as fortes conexões dos polos luminais, por meio de junções. A borda em escova da superfície luminal das células é permeável tanto aos íons sódio quanto à água. Assim, o sódio e a água se difundem prontamente do lúmen para o interior da célula. Assim, nas membranas basais e laterais da célula, os íons sódio são ativamente transportados para o líquido extracelular do tecido conjuntivo circundante e para os vasos sanguíneos. Essa ação cria um gradiente de concentração para os íons sódio através dessas membranas, que, por sua vez, provoca osmose da água. Desse modo, o transporte ativo dos íons sódio, mas também da água. É através desses mecanismos que a maioria dos nutrientes, dos íons e de outras substâncias é absorvida para o sangue pelo intestino e reabsorvida do filtrado glomerular pelos túbulos renais.