Permeabilidade Celular: Canais Iônicos e Proteínas Trasnportadoras

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UNIDADE DE APRENDIZADO 3 – MATERIAL DE ESTUDO 1
PERMEABILIDADE CELULAR: CANAIS IÔNICOS E PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS
Se membranas celulares fossem compostas apenas pela bicamada fosfolipídica, elas seriam excelentes barreiras químicas e não permitiriam a passagem de íons e moléculas, fundamentais para o funcionamento e a sobrevivência celular. No entanto, as membranas celulares não atuam apenas como barreiras, mas também como condutoras, transportando seletivamente moléculas e íons de um lado a outro da membrana graças à presença de proteínas transportadoras de membranas, que formam caminhos através dos lipídios e viabilizam a passagem desses compostos.
Desafio
A glicose, principal fonte de energia celular, é transportada na maioria das células por difusão facilitada, por meio de proteínas transportadoras presentes na membrana plasmática. Entre os transportadores de glicose, podemos destacar o GLUT1 (do inglês glucose transporter 1), que facilita o transporte de glicose pela membrana plasmática de células de mamíferos. 
Vamos supor que você está participando de uma seleção para concorrer a uma bolsa de pesquisa que está vinculada a um projeto que estudará o GLUT1 em ratos com uma doença renal. Esses animais receberão um novo tratamento cujo objetivo é a melhoria do transporte de glicose para dentro das células renais. Durante a entrevista, um dos participantes da banca pergunta se você tem conhecimentos de biologia celular e molecular. Você responde que tem algum conhecimento. Então, o entrevistador pede para você falar como faria para avaliar a presença do GLUT1 em amostras de tecido renal de ratos com doença renal, após o tratamento. 
Com base nas informações acima, faça um texto resumido abordando os seguintes tópicos: 
1) Qual seria a sua resposta diante da pergunta do entrevistador? Descreva qual metodologia você utilizaria para avaliar a presença do GLUT1 em amostras de tecido renal de ratos com doença renal, após o tratamento. 
Resposta: Utilizaria uma técnica de biologia molecular, como a Western blot, por exemplo, que detecta proteína em tecido biológico.
2) Descreva brevemente a técnica escolhida.
Resposta: Para a realização da técnica de Western blot, o tecido renal deve ser homogeneizado (triturado) para ficar como um extrato de tecido biológico. Após, as amostras são aplicadas em gel de poliacrilamida e submetidas a eletroforese para separar as proteínas desnaturadas por massa. As proteínas são, então, transferidas do gel para uma membrana (geralmente de nitrocelulose);foram usados, como sonda, anticorpos específicos à proteína anti-GLUT1.
Se a membrana plasmática não fosse constituída por lipídios e proteínas, moléculas importantes e íons não chegariam ao citosol. A presença de proteínas transportadoras de membrana permite o movimento de substâncias, pois formam caminhos através dos lipídios que viabilizam a passagem de compostos como glicose e íons. As duas principais classes de proteínas transportadoras de membrana são as proteínas transportadoras (também chamadas de permeases ou carreadoras), que se ligam seletivamente a pequenas moléculas específicas (são responsáveis pelo transporte de uma grande variedade de íons e de moléculas), e as proteínas de canal, que formam um estreito poro hidrofílico, permitindo o movimento passivo de pequenas moléculas inorgânicas (água, íons específicos ou moléculas hidrofóbicas pequenas).
Exercícios
1) A permeabilidade seletiva é uma característica fundamental da membrana plasmática. No que consiste essa propriedade?
a) Consiste em regular a entrada de substâncias na célula e nas organelas, mantendo uma composição química específica.
b) Consiste em regular a saída de substâncias da célula e das organelas, mantendo uma composição química específica.
c) Consiste em atuar apenas como barreiras.
d) Consiste em regular a entrada e a saída de substâncias na célula e nas organelas, mantendo uma composição química específica.
e) Ligar o soluto específico a ser transportado.
Resposta: B. Essas são as propriedades que definem a membrana plasmática para manter permeabilidade seletiva.
2) Marque a alternativa INCORRETA.
a) A difusão simples ocorre quando uma substância passa do meio onde ela está em maior concentração para um meio onde ela se encontra em menor concentração, portanto, a favor de um gradiente de concentração, sem gasto de energia. (Esse é o conceito de difusão simples.)
b) A membrana plasmática é formada por diferentes lipídios e moléculas proteicas. (A membrana plasmática é formada por uma bicamada de moléculas fosfolipídicas e proteínas que atravessam essa camada.)
c) A difusão facilitada utiliza proteínas transportadoras para o transporte de açúcares simples e aminoácidos através da membrana, constituindo, por essa razão, um processo de transporte ativo.
d) A membrana plasmática é fracamente permeável à água; assim, a água move-se lentamente para o interior ou para o exterior das células a favor do seu gradiente de concentração. (Essa afirmativa refere-se à denominação de osmose.)
e) Combinação de lipídios e proteínas confere às membranas celulares suas propriedades seletivas. (Todas as membranas celulares são comportas por uma bicamada de fosfolipídios onde outros lipídios e tipos específicos de proteínas estão embebidos. É essa combinação de lipídios e proteínas que confere às membranas celulares suas propriedades seletivas.)
Resposta: C. A difusão facilitada utiliza proteínas transportadoras para o transporte de açúcares simples e aminoácidos através da membrana, constituindo, por essa razão, um processo de transporte passivo (sem gasto de energia).
3) Como é denominada a passagem de substâncias através da membrana plasmática, sem necessidade de proteínas transportadoras?
a) Osmose. (Osmose é o movimento do solvente (água), através da membrana plasmática, do interior ou para o exterior das células a favor do seu gradiente de concentração.)
b) Hidrólise. (Hidrólise é uma reação química de quebra de ligação química de uma molécula com a adição de uma molécula de água.)
c) Difusão simples.
d) Difusão facilitada. (Difusão facilitada necessita de proteínas carreadoras específicas.)
e) Hipotônico. (Hipotônico é uma solução que apresenta menor concentração de solutos do que outra solução que se encontra separada da primeira por uma membrana semipermeável.)
Resposta: C. Difusão simples é a tendência das moléculas se distribuírem uniformemente ao meio a favor do gradiente de concentração (sem necessidade de proteína transportadora de membrana).
4) Marque a alternativa INCORRETA.
a) A função dos canais iônicos é permitir a difusão rápida de íons inorgânicos. (É função dos canais iônicos permitir a difusão rápida de íons inorgânicos, principalmente Na+ , K+ , CA++ ou Cl-.)
b) Foram identificados três tipos de transportadores: proteínas de uniporte, proteínas antiporte e simporte. (As proteínas de uniporte transportam um único tipo de molécula a favor do seu gradiente de concentração. Proteínas antiporte e simporte acoplam o movimento de um tipo de íon ou molécula contra seu gradiente de concentração com o movimento de um ou mais íons diferentes a favor do seu gradiente de concentração, na mesma direção (simporte) ou em direções opostas (antiporte).)
c) Diferentemente das proteínas transportadoras, as proteínas de canal formam passagens hidrofóbicas através das membranas.
d) São exemplos de proteínas de canais os canais de íons que possibilitam a passagem de íons como o Na+ , K+ , Ca++ e Cl-. (São exemplos de proteínas de canais os canais de íons que possibilitam a passagem de íons como o Na+ , K+ , Ca++ e Cl-.)
e) A combinação de lipídios e proteínas confere às membranas celulares suas propriedades seletivas. (Todas as membranas celulares são compostas por uma bicamada de fosfolipídios em que outros lipídios e tipos específicos de proteínas estão embebidos. É essa combinação de lipídios e proteínas que confere às membranas celulares suas propriedades seletivas.)
Resposta: C. Diferentemente das proteínas transportadoras, as proteínas de canalformam passagens hidrofílicas através das membranas.
5) Com relação à osmose, marque a alternativa correta.
a) Diz-se que uma solução é isotônica quando ela tem menor concentração de solutos em relação ao citosol da célula. (Diz-se que uma solução é isotônica quando a concentração de soluto na célula e no meio são iguais.)
b) Diz-se que uma solução é hipertônica quando ela tem menor concentração de solutos em relação ao citosol da célula. (Diz-se que uma solução é hipertônica quando ela tem maior concentração de solutos em relação ao citosol da célula.)
c) Diz-se que uma solução é isotônica quando a concentração de soluto na célula e no meio são diferentes. (Diz-se que uma solução é isotônica quando a concentração de soluto na célula e no meio são iguais.)
d) A osmose é responsável pelo transporte de gases entre o sangue e as células do corpo e entre o sangue e o ar no interior dos pulmões, durante a respiração e pelo transporte de nutrientes. (A difusão simples é responsável pelo transporte de gases entre o sangue e as células do corpo e entre o sangue e o ar no interior dos pulmões, durante a respiração e pelo transporte de nutrientes.)
e) Diz-se que uma solução é hipertônica quando ela tem maior concentração de solutos do que o citosol da célula.
Resposta: E. Diz-se que uma solução é hipertônica quando ela tem maior concentração de solutos em relação ao citosol da célula.
Você já ouviu falar em analisar a viabilidade celular? Não!? Então, vamos aprender um pouco sobre esse assunto! Existem vários métodos de avaliar a viabilidade celular. Um deles é a citometria de fluxo. Por esse método, podemos observar a morte celular que acarreta em perda da integridade da membrana e pode ser avaliada utilizando-se uma molécula chamada iodeto de propídeo (PI). 
Lembre-se que a membrana plasmática é seletiva e regula a entrada e a saída de substância na célula, mas, para que ela exerça essa função, as células devem estar vivas. O PI é capaz de penetrar somente em células cuja membrana plasmática não esteja mais íntegra, isto é, células mortas. Por esse motivo, o PI é utilizado como um corante vital, de forma que as células negativas para a marcação com PI estejam viáveis. 
Vamos ver um exemplo da análise da viabilidade celular de uma cultura de células que foi exposta a um tratamento e queremos saber se ele causa morte celular.
1 - Para isso, precisaremos de uma cultura de células não tratada e uma cultura de células submetidas ao tratamento em questão. 
2 - Após o cultivo, tanto a cultura de células não tratada quanto a tratada, serão marcadas com PI e analisadas no citômetro de fluxo. 
3 - O resultado da citometria de fluxo mostra que as células cultivadas sem tratamento não morreram, pois o PI não conseguiu entrar nas células (elas são negativas para o PI). Em relação ao tratamento, podemos observar que ele causou morte (pois algumas células estão marcadas com o PI) em algumas células, mas não em todas, pois existem células não marcadas.
UNIDADE DE APRENDIZADO 3 – MATERIAL DE ESTUDO 2
PERMEABILIDADE CELULAR: SISTEMA DE TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA
Nesta Unidade de Aprendizagem, veremos que as membranas biológicas permitem a passagem de algumas substâncias, mas impedem o trânsito de outras. Essa característica das membranas é referida como permeabilidade seletiva. Veremos que existem processos, fundamentalmente diferentes, através dos quais substâncias podem atravessar as membranas biológicas.
Desafio
Para realizar este desafio, você deverá explicar por que o soro caseiro é mais eficaz para hidratação do que a água. Para isso, você deverá relacionar o transporte das substâncias (sal, água e açúcar) que são colocadas no soro caseiro e que contribuem para a hidratação do paciente. 
Muitos de nós já passamos ou cuidamos de alguém com doença diarreica. Entre as características da doença estão o aumento do número de evacuações e a perda de consistência das fezes, sendo que uma das principais complicações é a perda de água e eletrólitos, resultando em uma grande desidratação, que pode até levar à morte. 
Uma das formas de evitar o agravamento da desidratação é fazer uso oral de uma solução chamada soro caseiro, a qual contém quantidades apropriadas de água (H2O), sal (NaCl) e açúcar (sacarose - C12H22O11). A função do soro caseiro, por via oral, é a reposição da perda de água e sais minerais perdidos pelo organismo. Dica: a sacarose é transformada em glicose e frutose no intestino. 
Com base no texto acima, responda de forma objetiva: 
1) Por que o soro caseiro é mais eficaz para hidratação do que a água? 
Resposta: O soro caseiro é mais eficaz do que a água porque sua composição (água, sacarose e cloreto de sódio) simula o líquido interno do nosso corpo. Só beber água não é suficiente, pois ela é excretada pelo trato gastrintestinal logo após sua ingestão.
2) Qual ou quais os tipos de transporte de membrana envolvidos nessa situação? 
Resposta: Dentro do tubo intestinal, o sódio e a glicose interagem com uma proteína transportadora e são cotransportados através da membrana. O aumento da concentração de sódio (Na+), dentro da célula faz com que o meio intracelular torne-se hipertônico em relação ao meio externo e, assim, a água é difundida por osmose para dentro da célula. Em seguida, o potássio (K+) sai da célula por meio de permease (difusão facilitada). A glicose e o sódio entram na célula por meio de transporte ativo (simporte). À medida que o sódio se difunde a favor de seu gradiente de concentração, a energia eletroquímica liberada é utilizada para transportar a glicose para dentro da célula e, então, a glicose é transportada para o interstício e, posteriormente, para o organismo por difusão facilitada. O sódio é transportado de volta ao meio extracelular pela bomba Na+ -K+ ATPase. Dessa forma, a água entra mais rápido na célula devido ao fenômeno da osmose, estimulada pela entrada do sódio. Todo esse processo proporciona hidratação ao paciente
Algumas substâncias trafegam livremente através da membrana plasmática, necessitando apenas de um gradiente de concentração diferencial entre o meio extra e o intracelular, chamado de transporte passivo (osmose e difusão simples). No entanto, algumas moléculas e íons necessitam de transportadores (proteínas transportadoras e proteínas de canal) e de aporte de energia para serem transportadas, chamado de transporte ativo.
Exercícios
1) Assinale a alternativa INCORRETA.
a) Uniporte é um tipo de difusão facilitada responsável pelo transporte de um único tipo de molécula a favor do seu gradiente de concentração que transporta, por exemplo, a glicose. (Esse é a definição de uma uniporte)
b) A difusão simples é um tipo de transporte passivo através da membrana plasmática que ocorre quando existem condições de gradiente de concentração sem haver gasto de energia. (A difusão simples é um tipo de transporte passivo através da membrana plasmática que ocorre quando existem condições de gradiente de concentração sem haver gasto de energia.)
c) A difusão facilitada utiliza proteínas transportadoras para o transporte de açúcares simples e aminoácidos através da membrana constituindo, por essa razão, um processo de transporte ativo.
d) A difusão facilitada utiliza proteínas transportadoras para o transporte de açúcares simples e aminoácidos através de membrana constituindo, por essa razão, um processo de transporte passivo. (A difusão simples utiliza proteínas transportadoras para o transporte de açúcares simples através de membrana constituindo, por essa razão, um processo de transporte passivo.)
e) Difusão simples é um processo passivo, responsável pelo transporte de CO2, N2 e O2. (Difusão simples é um processo passivo, sem gasto de energia, pois é a favor do gradiente de concentração e é responsável pelo transporte de CO2, N2 e O2.)
Resposta: C. A difusão facilitada utiliza proteínas transportadoras para o transporte de açúcares simples e aminoácidos através da membrana constituindo, por essa razão, um processo de transporte passivo.
2) Quando temperamoshortaliças com antecedência, por que elas murcham?
a) Porque as células das hortaliças não possuem bomba de Na+ -K+.
b) Porque estamos tornando o meio externo às células das hortaliças hipertônico, ou seja, com alta concentração de soluto (sais) e com baixa quantidade de água.
c) Porque estamos tornando as concentrações das soluções de soluto do meio externo e as do citosol das células isotônicas.
d) Porque estamos tornando a concentração de soluto do meio externo da célula hipotônica em relação ao citosol da célula.
e) Murcham porque as células precisam gastar energia.
Resposta: B. Murcham porque tornamos o meio externo às células dos vegetais hipertônico, ou seja, com alta concentração de soluto (sais) e com baixa quantidade de água. Dessa forma, as hortaliças perdem água para o meio, processo conhecido como osmose.
3) Marque a alternativa INCORRETA.
a) A difusão simples ocorre quando uma substância passa do meio onde ela está em maior concentração para um meio onde ela se encontra em menor concentração, portanto, a favor de um gradiente de concentração, sem gasto de energia. (Esse é o conceito de difusão simples.)
b) A membrana plasmática é formada por diferentes lipídios e moléculas proteicas. (A membrana plasmática é formada por uma bicamada de moléculas fosfolipídicas e proteínas que atravessam essa camada.)
c) A difusão facilitada utiliza proteínas transportadoras para o transporte de açúcares simples e aminoácidos através da membrana, constituindo, por essa razão, um processo de transporte ativo.
d) A membrana plasmática é fracamente permeável à água; assim, a água move-se lentamente para o interior ou para o exterior das células a favor do seu gradiente de concentração. (Essa afirmativa refere-se à denominação de osmose.)
e) Combinação de lipídios e proteínas confere às membranas celulares suas propriedades seletivas. (Todas as membranas celulares são comportas por uma bicamada de fosfolipídios onde outros lipídios e tipos específicos de proteínas estão embebidos. É essa combinação de lipídios e proteínas que confere às membranas celulares suas propriedades seletivas.)
Resposta: C. A difusão facilitada utiliza proteínas transportadoras para o transporte de açúcares simples e aminoácidos através da membrana, constituindo, por essa razão, um processo de transporte passivo (sem gasto de energia).
4) Em relação às proteínas de canal, marque a alternativa INCORRETA.
a) São exemplos de proteínas de canal os canais de íons que possibilitam a passagem de íons, como o Na+, K+, Ca++ e Cl-. (São exemplos de proteínas de canal os canais de íons que possibilitam a passagem de íons, como o Na+, K+, Ca++ e Cl-.)
b) Íons como o Na+, K+, Ca++ e Cl-, são transportados através de canais iônicos por transporte ativo. 
c) Os canais iônicos são abertos e fechados em resposta a sinais como mudança de voltagem através da membrana, estresse mecânico e interação com ligantes. (Os canais iônicos são abertos e fechados em resposta a sinais como mudança de voltagem através da membrana através de canais dependentes de voltagem, estresse mecânico através de canais controlados mecanicamente e interação com ligantes como, por exemplo, neurotransmissor.)
d) Íons como o Na+, K+, Ca++ e Cl-, são transportados através de canais iônicos sempre por transporte passivo. (Íons como o Na+, K+, Ca++ e Cl-, são transportados através de canais iônicos sempre por transporte passivo.)
e) Canais iônicos são encontrados, por exemplo, em neurônios. (Canais iônicos dependentes de voltagem são encontradas, por exemplo, em neurônios.)
Resposta: B. Íons como o Na+, K+, Ca++ e Cl-, são transportados através de canais iônicos sempre por transporte passivo.
5) A permeabilidade seletiva é uma característica fundamental da membrana plasmática. No que consiste essa propriedade?
a) Consiste em regular a entrada de substâncias na célula e nas organelas, mantendo uma composição química específica.
b) Consiste em regular a saída de substâncias da célula e das organelas, mantendo uma composição química específica.
c) Consiste em atuar apenas como barreiras.
d) Consiste em regular a entrada e a saída de substâncias na célula e nas organelas, mantendo uma composição química específica.
e) Ligar o soluto específico a ser transportado.
Resposta: B. Essas são as propriedades que definem a membrana plasmática para manter permeabilidade seletiva.
Algumas vezes, em laboratório, precisamos analisar células do sangue (linfócitos, monócitos, etc.), mas sem a presença de eritrócitos (hemácias ou células vermelhas). Para isso, alguns protocolos podem ser empregados, como a lise de eritrócitos ou lise celular. 
A solução de lise é uma solução hipotônica em relação ao meio interno dos eritrócitos, ou seja, possui menor concentração de solutos do que o meio intracelular. Dessa forma, a água move-se da solução, que está externa aos eritrócitos, para o interior do eritrócitos por osmose. 
Com o movimento da água para o meio interno dos eritrócitos, a membrana plasmática não consegue acompanhar o aumento do volume celular e acaba se rompendo, processo chamado de hemólise. Após esse protocolo, as células de interesse podem ser analisadas sem a interferência dos eritrócitos. 
Vamos ver como é feito o protocolo de lise de eritrócitos. O protocolo para a lise de eritrócitos é bastante variado e depende muito de cada laboratório. Alguns protocolos podem variar a composição do solutos, o tempo e a temperatura de incubação (com ou sem calor). Vamos ver na prática, brevemente, como ocorre a lise dos eritrócitos. 
1 - A solução de lise é colocada sobre o sangue em um tubo, o qual é agitado lentamente. Após, essa solução (sangue + lise) é incubada por 15 a 20 minutos, o tubo é centrifugado e o sobrenadante é descartado. 
2 - Sobre o sedimento celular formado, no fundo do tubo, é colocada uma solução que contem diferentes sais para lavar as células (essa é uma solução isotônica em relação ao meio intracelular). 
3 - O tubo é novamente centrifugado, o sobrenadante é descartado e as células são recolocadas em solução contendo sais e estão prontas para serem utilizadas.