Biofísica de membrana

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Origem da membrana 
Micéla: agregado de moléculas anfipáticas 
 Hidrofílica fora: interage com água 
 Hidrofóbica dentro: interage com 
gordura 
 
Propriedades da membrana 
• Permeabilidade seletiva: com ou 
sem gasto de energia 
• Delimitação de espaço 
• Mantém condições adequadas 
para que ocorram as reações 
metabólicas 
• Comunicação celular (receptores 
na membrana) 
 
Modelo 
• Mosaico fluído 
Bicamada lipídica 
Moléculas anfipáticas: parte polar voltada 
para meio extracel. e intracel. 
• Porcentagem de lipídios e 
proteínas variam mediante a 
função celular 
 
 
Lipídios 
A geometria das cadeias favorece a 
estrutura da bicamada 
• Mistura de Ácidos graxos 
saturados e insaturados: menor 
interação entre moléculas ↑ 
fluidez 
• Ácidos graxos saturados: maior 
interação entre moléculas ↓ 
fluidez 
• ↑Temperatura: ↑ insaturação dos 
Ácidos graxos e ↑ a fluidez 
 
 
• Assimetria da bicamada lipídica: 
as composições int. e ext. são 
diferentes 
 
Proteínas integrantes ou intrínsecas 
• Partes intracelular e extracelular 
hidrofílica 
• Parte que passa pela 
bicamada hidrofóbica 
 
 
• Atravessam camada: moléculas 
hidrofóbicas e moléculas apolares 
pequenas 
 H20: passa, mas lentamente – 
utiliza de outros recursos que ↑ a 
passagem 
• Transporte específico: molécula 
grandes e íons 
 
Transporte através da membrana 
• Passivos: difusão e osmose 
 - Moléculas se movem a favor do 
gradiente de concentração 
 - Sem gasto de energia 
 Biofísica de membranas 
• Ativos: bomba de Na e K 
(principalmente) 
 - Moléculas se movem contra 
gradiente de concentração 
 - Tem gasto de energia 
 
Gradiente de concentração: as moléculas 
vão se movendo formando um gradiente 
(diferença de concentração), um ponto tem 
determinada [] e o outro ponto outra [] 
 
• Difusão: moléculas se movem 
espontaneamente da área ↑ [] 
para ↓ [] 
 - Difusão simples: não há necessidade 
de proteína transportadora 
 - Difusão facilitada: precisa de proteína 
transportadora (carreador) 
 - Sítio específico para o ligante 
(molécula a ser transportada) 
 Ex: Glicose → insulina ↑ velocidade 
da difusão por até 10 a 20 vezes 
Glicose, galactose, frutose e a.a 
 
Lei de difusão de Flick 
 Fluxo de difusão de uma molécula 
 
 J= -DA*(delta C/ delta X) 
 D= coeficiente de difusão 
 A= área onde ocorre a difusão 
 Delta C= gradiente de [] 
 Delta X= distância ao longo do qual 
ocorre difusão 
 
 
 A: transporte mediado (facilitado) 
 *Estabiliza por que fica saturada 
 B: transporte não mediado (simples) 
 
Diferença entre transporte mediado e não 
mediado 
• Velocidade 
• Saturação 
• Especificidade (proteína 
carreadora) 
• Inibição por competição (por 
causa da especificidade) 
Proteínas transportadoras de membrana 
• Proteínas formadoras de canal 
iônico 
Categorização dos canais: através da 
direção 
 - Uniporte: um sentido 
 - Simporte: 2 moléculas diferentes na 
mesma direção 
 - Antiporte: 2 moléculas diferentes em 
direções contrárias 
 
Propriedades dos canais iônicos 
• Seletividade 
 
 A) Alta seletividade: a interação canal 
iônicos e íon ocorre via sítio específico 
 Canal apresenta 4 subunides 
 Por conta do raio atômico e ligações com 
água e carbonila (K, Na, MG) → 
incompatível com a passagem 
 
 B) Moderada seletividade: a interação 
canal iônicos ocorre devido a carga 
 Canal apresenta 5 subunidades 
 Seletividade por conta das cargas iônicas 
 
 C) Baixa seletividade: a interação canal 
iônico e íon é mediada pelo tamanho 
 Canal apresenta 6 subunidades 
 Por conta do diâmetro (tamanho 
moléculas) 
 
 
 
Mecanismos que ativam o canal iônico 
• Regulável por estímulos: 
mecânico, voltagem, 
fosforilação/proteína intracelular, 
ligante químico 
Modelos físicos para fechar os canais 
iônicos 
A) Alteração estrutural generalizada 
(literalmente fecha) 
B) Partícula bloqueadora 
Modelos físicos para aberturas dos canais 
iônicos 
A) Ligante-dependente 
B) Depende de fosforilação 
C) Voltagem-dependente (alteração do 
potencial da membrana) 
D) Dependente de estiramento ou pressão 
mecânica 
 
 
 
 
Modelos pelos quais o canal se torna 
inativo 
 B) Variação do potencial de 
membrana 
 Estados do canal (Na): fechado – abre- inativa 
 
 
Modelos físicos para a abertura e o 
fechamento dos canais dependentes de 
ligantes 
 Antagonistas encaixa no sitio dos 
agonistas: pode ser reversível ou 
irreversível 
 
 
 
1) Quais os tipos de estado que o canal iônico 
pode assumir? 
 Aberto/fechado 
 Abeto/fechado/inativado 
2) Como ocorre a seletividade do canal 
iônico? 
 Interação específica (poro específico) - 
altamente seletivo 
 Interação por carga – moderadamente 
seletivo 
 Interação por tamanho – baixa 
seletividade 
3) Quais são os mecanismos que operam 
(regulam) os canais iônicos? 
 4 mecanismos: 
 1- Depende do ligante 
 2- Voltagem dependente 
 3- Mecanismo de pressão 
 4- Fosforilação ou sinalização 
intracelular 
 
Transporte ativo 
 Transporte contra gradiente de 
concentração 
 Ocorre somente quando acoplado a um 
processo com hidrólise do ATP 
 
Bomba de sódio e potássio - proteína 
integrante 
 
 
 
 
1) A bomba de Na+ /K+, com ATP ligado, 
liga-se a 3 íons de Na+ intracelulares. 
2) ATP é hidrolisado, causando a 
fosforilação de um resíduo de Asp, da 
bomba de Na+ /K+ com a liberação de ADP e 
um fósforo. 
3) A mudança conformacional, da bomba de 
Na+ /K+, expõe os íons de Na+, que por 
apresentarem baixa afinidade pela bomba 
de Na+ /K+, são liberados para o meio 
extracelular. 
4) A bomba de Na+ /K+ liga-se a 2 íons de 
K+ extracelulares, isto causa 
a desfosforilação da bomba, trazendo-a de 
volta à sua conformação anterior, 
transportando K+ para dentro da célula. 
5) A forma desfosforilada da bomba de Na+ 
/K+ apresenta afinidade mais alta por íons 
de Na+, os íons de K+ são liberados, a 
molécula de ATP liga-se à bomba. 
6) O sistema está pronto para um novo 
ciclo. 
 
Canais de K+ são os canais usualmente 
abertos na membrana plasmática de 
neurônios em repouso. Assim, ocorre saída 
de íons K+, o que deixa um excesso de 
carga negativa no interior da célula e, 
como resultado, um potencial negativo. A 
ação conjunta da bomba de Na+ /K+ e do 
canal de K+ leva a um acúmulo de carga 
positiva no meio extracelular. Tal situação, 
tem como consequência, uma diferença de 
potencial negativa do meio intracelular 
com relação ao meio extracelular. Se 
colocarmos um eletrodo no interior de um 
neurônio em repouso, teremos um 
potencial elétrico de algumas dezenas de 
milivolts negativos, tal potencial é 
chamado potencial de repouso. 
 
! a bomba de K+/Na produz um gradiente 
de concentração para o sódio e para o 
potássio, através da membrana nervosa em 
repouso 
 
Processo de osmose através da membrana 
semipermeável 
 Passagem de solvente para o meio ↑ [] 
 Pressão osmótica: se a pressão osmótica é 
igual dos dois lados não ocorre osmose 
 P = nCRT 
 N = n° de partículas dissociáveis 
 C= 
 R= 
 T = temperatura em Kelvin 
 
 
 
 
 
 Região intersticial 
 
Bioeletricidade 
 Célula observada como pilha 
 
2 polos → 1 com excesso de elétron e um 
com menos 
Diferença de partículas gera fluxo de 
partículas 
 
Corrente elétrica → fluxo de movimento de 
elétrons do ponto em excesso para o outro 
com falta 
 Corre a menor distância possívelentre os 
2 polos 
 Medida está relacionada ao tanto de 
partículas que flui em um momento 
 
Voltagem → diferença de partícula de uma 
extremidade para outra (concentração de 
'é' entre os dois polos) 
 Determina a força ou a velocidade com a 
qual os elétrons potencialmente vão 
trafegar 
 
Gerador → produz diferença de potencial 
elétrico entre seus dois polos através de 
diferentes formas de energia (mecânica ou 
luminosa) 
 Produz DDP através de uma outra forma 
de energia 
 Pilha e corrente 
 
Capacitor → composto por placas 
condutoras, com cargas diferentes, 
separadas por um meio isolante capaz de 
armazenar carga 
 Como uma pilha de descarga imediata 
 
Comportamento elétrico da Membrana Celular 
Célula tem potencial de –70mV 
 
• Da onde vem esse valor? 
Existe diferença de concentração de 
eletrólitos na célula (em todas) 
 → eletrólitos mais importantes: Na e K (K 
mais importante dos dois) 
 
Bomba de Na e K 
 → 3 moléculas de Na para o m. extrac. e 2 
moléculas de K para o intrac. 
 
Membrana semipermeável* 
 → normalmente os canais de Na estão 
fechados enquanto os canais de K (canais 
vazantes) estão abertos (mais permeável 
para K) 
 
Quando os canais se abrem o K passa para 
o m. extrac. por difusão passiva → respeita 
gradiente de [] → gradiente químico 
Quando o K sai forma também 
um gradiente elétrico (polaridade) 
 
Repouso → quando 2 forças mantém o K 
- força difusional e força elétrica* - mantém 
a célula em equilíbrio (equilíbrio entre as 
forças) 
 O potencial de repouso é fixo – os íons 
estão em equilíbrio 
! Quando os canais abrem o K sai por que 
tem pouco K fora (gradiente químico - 
força de difusão) e consequentemente vão 
ter mais cargas positivas fora da célula 
(gradiente elétrico - força elétrica) e mais 
cargas negativas dentro da célula - essas 
cargas ficam próximas a superfície da 
membrana (atração). O K que ainda está no 
meio intracelular recebe a força da 
diferença de concentração e da carga 
negativa a mais. Quando as forças se 
compensarem vai haver um equilíbrio. 
 
*vai depender dos canais que abrem 
 
→ [] real de K+: 150mEq/L 
→ passa para fora 4mEq/L 
 
Excesso de 
cargas → as cargas ficam pairando a 
membrana 
Potencial de repouso da membrana (mV) → 
depende da célula (neurônio, cél. 
muscular...) e da espécie 
 
Resistência Elétrica das Membranas 
 
Resistência → oposição do meio à 
passagem da corrente 
 
“A inclusão de proteínas nas membranas 
artificiais reduz consideravelmente a 
resistência elétrica das membranas 
artificiais, que ressalta o papel das 
proteínas nos modelos de membranas" 
 
Força de Difusão e Elétrica 
 Determinam a voltagem/equilíbrio 
 
Equação de Nernst - Potencial de equilíbrio 
Potencial de difusão para 1 íon em 
particular → por que a célula possui 
permeabilidade seletiva para cada íon 
 
 
 
! As forças de difusão e elétrica são 
igualadas para gerar a DDP – mesmo tendo 
diferenças de gradiente químico e elétrico a 
célula entra em equilíbrio 
Equação de Goldman-Hodgkin-Katz (GHK) 
 Determinar a voltagem da membrana 
como um todo (todos os íons) 
 
 
 
 
 
Potencial de repouso 
-70mV em neurônios 
• Maior permeabilidade da 
membrana ao K 
• Alta [] intracelular de proteínas → 
A- 
• Alta [] de K intracelular 
• Bomba de sódio e potássio → 
coloca 3 Na pra fora e 2 K pra 
dentro 
 
Fatores que alteram o Potencial de 
repouso 
• Diminuição da atividade da 
bomba Na/K como ocorre na 
intoxicação digitálicas 
(medicamentos) 
• Diminuição da produção de ATP, 
como no envenenamento com 
cianeto 
• Ações de drogas que alteram a 
permeabilidade da membrana aos 
íons 
• Estimulo do impulso elétrico 
levando a variações do potencial 
de repouso (em células 
excitáveis) 
 
Para a célula cumprir suas funções ela 
precisa da DDP 
 
! Potencial eletroquímico → além da massa 
das substâncias, conta com os íons 
Potencial químico → massa das 
substâncias 
 
 
Fatores que determinam o potencial de 
repouso 
• Bomba de Na/K: regulam valores de 
Na e K na membrana, ajudando 
manter a voltagem 
• Alta permeabilidade da membrana à 
íons 
• Proteínas (-) 
Potencial de ação 
Inversão de polaridade (carga) em uma 
célula decorrente do potencial de repouso 
 Interior da célula fica positivo e exterior 
negativo 
Ocorre rapidamente, a membrana recobra 
seu potencial de repouso 
 
• Ocorre apenas em células 
excitáveis 
Altera ativamente o potencial da 
membrana em resposta a algum estímulo 
 Neurônios e células musculares 
 
• Ocorre em resposta a algum 
estímulo (elétrico, mecânico ou 
químico) 
 
Como ocorre 
1. Abre canais de Na+ e entra os 
cátions 
2. Muda carga da face intra e 
extracelular (+ e -) 
3. Inverte polarização (-70mV → 
+40mV) - despolarização 
4. Canais de Na+ são inativados por 
enzimas (não entra mais) 
5. Canais de K+ se abrem e K+ sai 
- repolarização (volta ao 
potencial 
 
Gráfico 
 Onda ascendente → despolarização 
(aumenta permeabilidade de NA+) 
 Onda decrescente → repolarização 
(aumenta permeabilidade de K+) 
 
 
 
A- Despolarização relacionada a abertura 
de canais Na+ (influxo – entrada) 
 B- Repolarização relacionada a abertura de 
canais de K+ (efluxo) e inativação dos de 
Na+ 
 C- Hiperpolarização relacionada a fuga 
excessiva de Ka+ (intra→extra) fazendo a 
célula ficar mais negativa ainda (canais de 
K+ ainda abertos) 
 D- Retornar ao potencial de repouso - 
auxílio da bomba Na+ K+ 
 
Limiar de excitabilidade do Pa (binário) 
 Tudo ou Nada – Para ocorrer o potencial 
de ação é necessário que a voltagem atinja 
o limiar limite, portanto nem todas 
voltagens que ocorrem na célula vão levar 
ao potencial de ação 
 
Em célula de –70mV o limiar será -55mV → 
normalmente a diferença é de 15mV 
 
canais dependentes de voltagem → permite 
um fluxo iônico apenas após a 
despolarização atingir o limiar 
 
Propagação de ação 
 
Zona de gatilho → promove potencial de 
ação por todo axônio (onde começa) 
 Nos dendritos não ocorre 
 Condução eletrônica → onde não ocorre o 
potencial de ação, transmissão de uma 
corrente de íons que ocorre ao longo da 
membrana 
Propagação saltatória: 
 - Bainha de mielina 
 - Maior diâmetro de axônio 
(aumentam a propagação) 
 
 
 
 Ao receberem um estímulo supralimiar, a 
barreira que estava fechada se abre e os 
íons fluem através do canal. Momentos 
depois, a barreira que estava aberta no 
início se fecha, enquanto a segunda, ao se 
abrir, permanece aberta. Nesse período, o 
canal não responde a uma nova 
estimulação e não permite a passagem de 
íons. É necessário que a segunda barreira 
também se feche, e depois disso é 
necessário que a primeira, que se abriu e 
que já estava fechada, abra-se novamente 
para que o canal retorne à mesma condição 
inicial 
Canais de Na+ tem 3 modos: aberto, 
inativado, fechado 
 
Período refratário absoluto → célula não 
responde a um novo estímulo 
 necessidade de um tempo para que sua 
conformação molecular se acomode na 
situação que possuía antes de responder ao 
estímulo e ele volte a responder 
 equivale à fase de despolarização e 
repolarização da célula até os níveis 
próximos do potencial de membrana em 
repouso 
 
Período refratário relativo → a célula pode 
desenvolver um novo potencial de ação 
dependendo da intensidade de estímulo 
 aumento na intensidade e/ou na duração 
do estímulo → para atingir limiar da 
membrana 
 
 Em torno de 2 milissegundo 
em neurônios 
 Em tono de 5 milissegundos em células 
musculares 
 Em torno de 200 milissegundos em 
musculo cardíaco 
 
 
Potencial de membrana células endócrinas 
 
Caraterísticas do potencial de ação 
 
• ter a amplitudee a duração 
proporcionais à intensidade do 
estímulo que recebe 
• Sem perder energia à medida que 
se dissipa pela membrana 
 O pico do potencial de ação representa o 
gradiente elétrico que se contrapõe ao 
gradiente químico 
 
! canais de sódio dependentes de voltagem 
se abrem mais rapidamente do que os 
canais de potássio dependentes de 
voltagem → faz com que a célula 
despolarize antes 
 
! A despolarização se move ao longo da 
membrana do neurônio permitindo a 
propagação do potencial de ação (impulso 
nervoso) 
 
Sinapse 
Região de comunicação entre células ou 
órgão efetor 
 
Transmissão sináptica 
Passagem de informação de uma célula a 
outra 
 
Onde ocorre 
• Neurônio e Neurônio 
• Neurônio e Fibra muscular 
• Neurônio e Glândula 
 
 
 
• Dendritos: recebem estímulos 
vindos de outros neurônios 
• corpo celular: principal região 
metabólica da célula e, como os 
dendritos, também é responsável 
pela recepção de estímulos 
• Axônio: responsável pela 
condução e propagação do PA até 
os terminais do axônio 
• Terminal axônico: ocorre a 
liberação de mediadores para 
realização de sinapse 
 
Tipos de sinapse 
• Sinapse axodendrítica 
• Sinapse axossomática (dendrito e 
corpo celular) 
• Sinapse axoaxônica 
 
 
 
Membrana pré e pós-sináptica, fenda 
sináptica (neurotransmissores), impulso 
nervoso 
 
Passagem de informações na sinapse 
Potencial de ação chegando próximo a 
membrana estimula abertura dos canais de 
Ca (dependente de voltagem), entra cálcio 
por difusão, cálcio se liga nas vesículas de 
neurotransmissores e leva até a membrana 
pré-sináptica, a membrana pós-sináptica 
se aproxima da pré-sináptica, e Ca 
começa processo de exocitose na fenda 
sináptica (20-30nm), mediadores se fundem 
e acoplam em receptores da membrana 
pós-sináptica 
 
Mediador químico: neurotransmissores 
Potencial de ação: informação 
 
 
Tipos de sinapse 
1. Elétrica: transmissão da 
informação direta entre 2 células 
através de uma conexão física, 
por proteínas conexinas 
 - Sem mediadores químicos 
 - Impulso 
bidirecional: ortodrômico e antidrômico 
Transmissão rápida 
Ex: músculo cardíaco, musculatura uterina 
 
2. Química: transmissão indireta 
(através de mediadores 
químicos) 
 - Fenda sináptica (sem conexão física) 
 - Presença de mediadores químicos 
 - Impulso unidirecional: ortodrômico 
 - Mais lenta e mais complexa 
Ex: abundante SNC 
 
Como ocorre (química) 
 Pós sináptico 
 
• Excitatória (PPSE) 
 
 
Despolariza normal e impulso propaga 
Ex: Serotonina, Glutamato, Acetilcolina 
• Inibitória (PPSI) 
 
 
PA na membrana pré-sináptica, liberação 
de mediadores químicos na fenda sináptica, 
se ligam a receptores da membrana pós-
sináptica, estimula abertura de canais de 
Cl- ou K+, a célula fica hiperpolarizada, se 
afastando muito do limiar de 
excitabilidade 
Ex: GABA, Glicina 
 
! O que determina se a consequência será 
um PPSE ou PPSI é o tipo de receptor ao 
qual o neurotransmissor se liga, pois 
predominará o fluxo de um íon através do 
canal. 
 
Mecanismos de ação dos NTs nos 
receptores de membrana pós sináptico 
 
• Receptor ionotrópico 
O NT abre o canal iônico diretamente 
Efeito rápido 
 
 
• Receptor metabotrópico 
O NT abre o canal iônico indiretamente 
 - Frequentemente, presença de 2° 
mensageiro para modificar a excitabilidade 
do neurônio pós-sináptico 
Efeito mais demorado 
Não é canal iônico 
*proteínas de membrana que, ao se 
associarem aos transmissores, ativam 
proteínas do tipo G, que ativam uma 
adenil-ciclase, que ativa o canal iônico 
 
 
Placa motora 
A parte terminal o axônio (membrana pré-
sináptica) se invagina na fibra muscular 
 
Síntese de NT (acetil colina) 
• Corpo celular (CG sintetiza 
numerosas vesículas) 
• Nas terminações: a enzima 
colina-o-
acetiltransferase catalisa a 
condensação de acetil Co-A com 
a colina 
• Acetil Co-A produzida pelo 
neurônio, mas a colina é obtida 
por captação ativa, a partir do 
líquido extracelular e é 
sintetizada a acetilcolina que é 
armazenada em vesículas 
 
Regulação do NT para a fibra se recuperar 
para um próximo PA 
Ex: acetilcolina / acetilcolinesterase 
 Hidrolisar a acetilcolina em colina e 
acetil-CoA 
 A colina é recapturada na membrana 
pré-sináptica 
 
Processo de transmissão sináptica 
 
 
 
Informação elétrica: PA – membrana pré-
sináptica 
Canais de Ca 
 Informação química: NT – fenda sináptica 
Receptores de membrana 
 Informação elétrica: PA – membrana pós-
sináptica 
 
Na sinapse química os neurônios se aproximam, 
porém não se tocam e ela ocorre através de 
neurotransmissores. O início da sinapse química se dá 
pelo potencial de ação que estimula a abertura dos 
canais de cálcio dependentes de voltagem, onde o 
cálcio entra no neurônio por meio de difusão. A 
entrada de cálcio estimula as vesículas sinápticas a se 
deslocarem até a membrana pré-sináptica, que se 
fundem a membrana e liberam os neurotransmissores 
por exocitose. Os neurotransmissores se ligam a 
receptores específicos da membrana pós-sináptica, 
porém os neurotransmissores podem ser excitatórios, 
que fazem o neurônio pós-sináptico ser despolarizado 
e gerar um novo potencial de ação, e inibitórios, 
que hiperpolarizam o neurônio pós-sináptico, inibindo 
o potencial de ação. 
 
Na sinapse elétrica os neurônios estão bem próximos, 
onde os neurônios possuem proteínas conexinas, que 
se unem formando canais que permitem a passagem 
dos íons diretamente de um neurônio para o outro. 
Essas passagens são chamadas de junções 
comunicantes e podem ocorrer de maneira 
bidirecional. 
 
Potencial de 
difusão 
 
Potencial de 
repouso 
-70mV 
Potencial de ação +40mV