Membranas Biológicas e Transporte

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Membranas Biológicas e Transporte 
Considerações Gerais 
Membranas definem os limites externos das 
células e controlam o trafego molecular por 
esses limites. Nas células eucarióticas, o espaço 
interno é dividido em compartimentos para 
separar processos e componentes. As atividades 
realizadas pela membrana devem-se as suas 
propriedades físicas notáveis: 
• Flexibilidade que permite acompanhar o 
crescimento e o movimento da célula. 
• Capacidade de se romper se resselar, 
duas membranas podem se fundir, como 
na exocitose. 
• Seletivamente permeáveis, as 
membranas retêm certos compostos e 
íons dentro das células, enquanto 
excluem outros. 
Composição e Arquitetura das membranas 
Cada tipo de membrana tem proteínas e lipídeos 
característicos e sua quantidade vai variar de 
acordo com o papel e o local da membrana.
 
 
 
Todas as membranas biológicas compartilham 
algumas propriedades fundamentais. São 
impermeáveis para a maioria dos solutos polares 
ou carregados, mas são permeáveis a 
compostos apolares. 
• Modelo mosaico fluido 
 
 
A bicamada lipídica é o elemento estrutural 
básico das membranas. Os 
glicerofosfolipídeos, os esfingolipídeos e os 
esteróis são praticamente insolúveis em 
água, eles acabam se agrupando nas porções 
hidrofóbicas da membrana. Dependendo das 
condições e da natureza do lipídeo, quando 
esses lipídeos anfipáticos são misturados com 
água, é possível formar alguns agregados: 
• Micelas: estruturas esféricas que se dispõem 
com suas regiões hidrofóbicas, agregadas na 
parte interna, enquanto a água é excluída, e 
com os grupos polares hidrofílicos na 
superfície. 
• Bicamada: duas camadas monolipidicas 
formam uma lâmina bidimensional. 
• Vesícula: formada através da instabilidade da 
bicamada que se dobra espontaneamente. 
Os lipídeos das membranas plasmáticas são 
distribuídos de forma assimétrica entre as duas 
lâminas da bicamada. 
Bianca Oliveira - Medicina UNP 
 
Três tipos de proteínas de membrana diferem 
quanto as suas associações com a membrana. 
• Proteínas integrais da membrana são 
firmemente associadas à bicamada lipídica, 
sendo removíveis apenas por agentes que 
interferem com reações hidrofóbicas, como 
detergentes, solventes orgânicos, ou agentes 
desnaturantes. 
• Proteínas periféricas de membrana que se 
associam à membrana por interações 
eletrostáticas e ligações de hidrogênio com 
domínios hidrofílicos de proteínas integrais e 
com grupos polares dos lipídeos de 
membrana. 
• Proteínas anfitrópicas são encontradas tanto 
no citosol quanto em associação com 
algumas membranas. 
 
Muitas proteínas de membrana atravessam a 
bicamada lipídica 
As proteínas integrais são mantidas na 
membrana por meio de interações hidrofóbicas 
com lipídeos. 
 
Muitas proteínas de membrana atravessam 
várias vezes a bicamada lipídica, com sequências 
hidrofóbicas de cerca de 20 resíduos de 
aminoácidos formando hélices alfa 
transmembrana. Barris beta de muitas fitas 
também são comuns em proteínas integrais em 
membrana de bactérias. Resíduos de Tyr e Trp 
de proteínas transmembrana são comumente 
encontrados na interface lipídeo-água. 
Algumas proteínas de membrana contêm um ou 
mais lipídeos ligados covalentemente, que 
podem ser de vários tipos: ácidos graxos de 
cadeia longa, isoprenoides, esteróis ou derivados 
glicosilados do fosfatidilinositol (GPIs). O lipídeo 
pode ter um papel mais especifico além de 
meramente ancorar a proteína à membrana. Na 
membrana plasmática, proteínas com ancora de 
GPI estão exclusivamente na face interna. Um 
dos exemplos usados é nas células epiteliais 
polarizadas (intestinais), nas quais as superfícies 
apicais e basais têm papeis diferentes, as 
proteínas ancoradas por GPI são direcionadas 
especificamente à superfície apical. A ligação de 
um lipídeo especifico a uma proteína tem a 
função de orientar a proteína para sua 
localização correta na membrana. 
Dinâmica da membrana 
Uma das características marcantes da membrana 
que já foi mencionada, é sua flexibilidade, a base 
dessa propriedade está nas interações não 
covalentemente ancorados uns aos outros. 
Embora a estrutura da bicamada seja estável, 
suas moléculas individuais de fosfolipideos tem 
muita liberdade de movimento. Abaixo de 
temperaturas fisiológicas normais, os lipídeos 
formam um estado líquido ordenado (Lo) 
semissólido na bicamada, no qual todo sos tipos 
de movimento de moléculas individuais estão 
fortemente limitados; a bicamada é paracristalina.. 
Acima de temperaturas fisiológicas, cadeias 
individuais de hidrocarbonetos de ácidos graxos 
estão em movimento constante produzido, esse 
é o estado liquido desordenado (Ld). Em 
temperaturas na faixa fisiológica, ácidos graxos 
saturados de cadeia londa tendem a se agrupar 
em uma fase gel Lo. 
O movimento de lipídeos transbicamada requer 
catalise. Em temperaturas fisiológicas, a difusão 
transbicamada ou movimento de ponta-cabeça 
(flip-flop) ocorre muito lentamente ou nem 
ocorre na maioria das membranas, esse 
movimento requer que um grupo polar ou 
carregado deixe seu meio aquoso e mova-se 
para o interior hidrofóbico da bicamada. Esse 
movimento é essencial no reticulo 
endoplasmático (RE), glicerofosfolipídeos de 
membrana são sintetizados na superfície 
citosólica, enquanto esfingolipídeos são 
sintetizados ou modificados na superfície luminal. 
A disposição assimétrica de tipos lipídicos na 
bicamada prevê a existência de flipases, flopases 
e flip-flopases 
• As flipases catalisam o traslado dos 
aminofosfolipídeos fosfatidiletanolamina e 
fosfatidilserina da lâmina extracelular para 
a citosólica. Manter essa fosfatidilserina na 
lamina extracelular é importante: sua 
exposição na superfície celular externa 
desencadeia apoptose. 
• As flopases movimentam fosfolipídeos da 
membrana plasmática da lâmina citosólica 
para a extracelular e, assim como as 
flipases, são dependentes de ATP. As 
flopases são membros da família de 
transportadores ABC. 
• As flip-flopases são proteínas que movem 
qualquer fosfolipídeo da membrana 
através da bicamada a favor do gradiente 
de concentração (da lâmina com maior 
concentração para a lâmina com menor 
concentração); sua atividade não 
depende de ATP. Sua atividade leva a 
uma distribuição aleatória e controlada da 
composição dos grupos polares nas duas 
faces da bicamada. 
 
 
 
Lipídeos e proteínas se difundem lateralmente 
na bicamada. Elas possuem movimento 
browniano dentro da bicamada. 
Esfingolipideos e colesterol agrupam-se em 
balsas de membrana. (associações estáveis de 
esfingolipideos e colesterol na lâmina externa) Foi 
constatado que a difusão de lipídeos de 
membrana de uma lâmina da bicamada para a 
outra é muito lenta, a menos que seja catalisada, 
e que diferentes espécies lipídicas da membrana 
são assimetricamente distribuídas nas duas 
lâminas da bicamada. 
 
Essas balsas lipídicas são notavelmente 
enriquecidas em duas classes de proteínas 
integrais de membrana: aquelas ancoradas a 
membrana por duas cadeias longas de ácidos 
graxos saturados ligados covalentemente por 
resíduos cys (dois grupos palmitoil e um grupo 
miristoil) e proteínas ancoradas por GPI. 
A caveolina é uma proteína integral de 
membrana com dois domínios globulares 
conectados por um domínio hidrofóbico em 
forma de grampo de cabelo, que liga a proteína 
ao domínio globular carboxiterminal. A caveolina 
forma dímeros e associa-se a regiões 
enriquecidas com colesterol na membrana, a 
presença dessa caveolina força a camada lipídica 
a se curvar para dentro, formando cavéolas na 
superfície da célula. As cavéolas são balsas 
incomuns, elas envolvem as duas lâminas da 
bicamada, uma lâmina esfingolipídeo/colesterol 
típica associada com proteínas ancoradas GPI, 
elas também estão envolvidas no trafego de 
membrana no interior celular e a transdução de 
sinais externos em respostas celulares. 
 
A curvatura da membranae a fusão são 
fundamentais para muitos processos biológicos: a 
capacidade de se fundir com outras membranas 
sem perder suas continuidades. Vesículas brotam 
do RE para carregar lipídeos e proteínas recém-
sintetizados para organelas e para a membrana 
plasmática. Exocitose, endocitose, divisão celular, 
fusão do óvulo com espermatozoide e entrada 
de vírus envolto por membrana na sua célula 
hospedeira envolvem a reorganização de 
membrana, na qual a operação fundamental é a 
fusão de dois segmentos de membrana sem 
perda de continuidade. Para a fusão de duas 
membranas é necessário: 
1. Reconhecimento mutuo 
2. Superfícies justapostas 
3. Estruturas da bicamada rompidas 
4. Fusão das bicamadas 
5. Processo desencadeado em tempo 
adequado ou em sinal especifico. 
 
As integrinas são proteínas transmembrana da 
membrana plasmática que agem tanto para ligar 
as células entre si, quanto para conduzir 
mensagens entre a matriz extracelular e o 
citoplasma. 
Transporte de solutos através da membrana 
 
O transporte passivo é facilitado por proteínas de 
membrana, quando dois compartimentos 
aquosos contendo concentrações desiguais de 
um composto solúvel ou íon são separados por 
uma membrana permeável, o soluto vai se 
mover por difusão simples da região de maior 
concentração, para a de menor concentração. 
Quando íons de cargas opostas são separados 
por uma membrana permeável, existe um 
gradiente elétrico transmembrana, um potencial 
de membrana. Esse comportamento de solutos 
está de acordo com a segunda lei da 
termodinâmica moléculas tendem a assumir 
espontaneamente a distribuição de maior 
aleatoriedade e mais baixa energia. Quando 
proteínas de membrana reduzem a energia de 
ativação para o transporte de compostos polares 
e íons, é promovida uma difusão facilitada ou 
transporte passivo 
Transportadores e canais iônicos são 
fundamentalmente diferentes 
• Os transportadores de moléculas e íons ligam 
seus substratos com uma especificidade 
muito alta 
• Canais permitem movimento transmembrana 
de íons em velocidades com ordens de 
magnitude maiores do que aquela típica dos 
transportadores. Os canais geralmente 
mostram geralmente alguma especificidade 
para um íon, mas não são saturáveis pelo íon. 
 
O transportador de glicose de eritrócitos controla 
o transporte passivo. O metabolismo produtor de 
energia em eritrócitos depende de um 
suprimento constante de glicose no plasma 
sanguíneo. A glicose entra no eritrócito por 
difusão facilitada por meio de um transportador 
especifico, o GLUT1 
 
O trocador de cloreto-bicarbonato catalisa o 
cotransporte eletroneuro de ânions através da 
membrana plasmática. O eritrócito contém outro 
sistema de difusão facilitada, um trocador de 
ânion que é essencial ao transporte de CO2 de 
tecidos como o musculo esquelético e o fígado 
para os pulmões. O CO2 eliminado a partir da 
respiração dos tecidos e liberado no plasma 
sanguíneo entra no eritrócito, onde é convertido 
em bicarbonato (HCO3-) pela enzima anidrase 
carbônica. Nos pulmões, o HCO3- reentra no 
eritrócito e é convertido em CO2, quando então 
é finalmente liberado no espaço pulmonar e 
exalado. Para ser efetivo, esse transporte requer 
um movimento muito rápido de HCO3- através 
da membrana do eritrócito. O trocador de 
cloreto-bicarbonato, também chamado de 
proteína trocadora de ânion (TA), aumenta a 
taxa de transporte através da membrana do 
eritrócito em mais de um milhão de vezes. 
 
Defeito no transporte de glicose e água em duas 
formas de diabetes: No diabetes melito do tipo I 
(dependente de insulina), a incapacidade em 
liberar insulina (mobilizar transportadores de 
glicose) resulta em baixas taxas de captação de 
glicose pelo músculo e tecido adiposo. Na doença 
relativamente rara de diabetes insípido, um 
defeito genético na AQP2 leva a uma deficiência 
na reabsorção de água pelo rim. O resultado é a 
excreção de volumes copiosos de urina muito 
diluída. Se o indivíduo beber água suficiente para 
repor o que foi perdido pela urina, não há 
consequências sérias do ponto de vista médico, 
porém a ingestão insuficiente de água leva à 
desidratação e desequilíbrio nos eletrólitos 
sanguíneos, que pode levar à fadiga, dor de 
cabeça, dor muscular ou até mesmo à morte. 
 
Quando dois substratos se movem em direções 
opostas, o processo é antiporte. No simporte, 
dois substratos se movem simultaneamente na 
mesma direção. Transportadores que carregam 
apenas um substrato, como o transportador de 
glicose do eritrócito, são conhecidos como 
sistemas uniporte. No transporte ativo primário, 
e energia liberada pela hidrolise de ATP 
impulsiona o movimento de soluto (S1), contra o 
gradiente eletroquímico. No transporte ativo 
secundário, o gradiente de um íon X (S1) a favor 
de seu gradiente eletroquímico provê agora 
energia para impulsionar o cotransporte de um 
segundo soluto (S2) contra seu gradiente 
eletroquímico. 
 
 
Transportadores ABC usam ATP para 
impulsionar o transporte ativo de uma grande 
variedade de substratos. Um transportador ABC 
em humanos, o transportador multifármacos 
(MDR1, de multidrug transporter, também 
chamado de glicoproteína P), é responsável pela 
impressionante resistência de certos tumores a 
alguns fármacos antitumor geralmente eficazes. 
O MDR1 tem especificidade ampla para 
compostos hidrofóbicos, incluindo, por exemplo, 
os fármacos quimioterápicos adriamicina, 
doxorrubicina e vinblastina. Ao bombear esses 
fármacos para fora da célula, o transportador 
impede o seu acúmulo no tumor e assim 
bloqueia seus efeitos terapêuticos. 
Um canal iônico defeituoso na fibrose cística: A 
fibrose Cística é causada devido à falha de um 
gene CFTR, responsável pelo controle de 
secreções do organismo, o que compromete o 
funcionamento das glândulas exócrinas, que 
produzem substâncias (muco, suor ou enzimas 
pancreáticas) mais espessas e de difícil 
eliminação. 
 
Devido ao papel essencial dos gradientes iônicos 
no transporte ativo e na conservação de energia, 
compostos que colapsam gradientes iônicos 
através da membrana são venenos efetivos, e 
aqueles específicos para microrganismos 
infecciosos podem servir como antibióticos. Uma 
substância desse tipo é a valinomicina, um 
pequeno peptídeo cíclico que neutraliza a carga 
do K1 ao circundá-lo com seis oxigênios 
carbonílicos (Figura 11-44). O peptídeo hidrofóbico 
age então como lançadeira, carregando o K1 a 
favor de seu gradiente de concentração e 
reduzindo aquele gradiente. Compostos que 
lançam íons através da membrana dessa forma 
são chamados de ionóforos (transportadores de 
íons). Tanto a valinomicina quanto a monensina 
(um ionóforo carregador de Na1) são antibióticos; 
eles matam células microbianas por desacoplar o 
processo de transporte ativo secundário das 
reações de conservação de energia. A 
monensina é amplamente utilizada como agente 
antifúngico e antiparasitário. 
As aquaporinas formam canais 
hidrofílicostransmembrana para a passagem de 
água. Elas provem canais para movimentos 
rápidos de moléculas de água através de todas 
as membranas plasmáticas. 
Canais iônicos seletivos permitem o movimento 
rápido de íons através das membranas. 
Primeiramente reconhecidos em neurônios, 
estando presentes na membrana plasmática de 
todas as células, proporcionam outro mecanismo 
para deslocar íons inorgânicos através da 
membrana. 
• Em canais controlados por ligante 
(geralmente oligoméricos), a ligação de 
uma pequena molécula extracelular ou 
intracelular força uma transição alostérica 
na proteína, que abre ou fecha o canal. 
• Em canais iônicos controlados por 
voltagem, uma mudança no potencial 
elétrico transmembrana (Vm) causa uma 
movimentação no domínio da proteína 
carregada em relação à membrana, 
abrindo ou fechando o canal. 
A função do canal iônico é medida eletricamente! 
Canais iônicos provêm poros hidrofílicos pelos 
quais íons selecionadospodem se difundir, 
diminuindo seus gradientes elétricos ou químicos; 
eles têm a característica de serem insaturáveis, 
têm velocidades de fluxo muito altas, e são 
altamente específicos para um determinado íon. 
A maioria funciona com portão controlado por 
voltagem ou ligante. O canal de Na1 neuronal é 
controlado por voltagem, e o canal iônico 
receptor de acetilcolina é controlado por esse 
neurotransmissor, o qual desencadeia mudanças 
conformacionais que abrem e fecham o caminho 
transmembrana. 
Canais iônicos dependentes de portão são 
fundamentais na função neuronal. Praticamente 
toda a sinalização rápida entre neurônios e seus 
tecidos-alvo (como o músculo) é mediada pela 
abertura e o fechamento rápido de canais iônicos 
nas membranas plasmáticas. 
Canais iônicos defeituosos podem ter 
consequências fisiológicas graves 
Defeitos genéticos em canais de Na+ controlados 
por voltagem da membrana plasmática de 
miócito resultam em doenças em que os 
músculos são periodicamente paralisados (como 
na paralisia periódica hipercalêmica) ou enrijecidos 
(como na paramiotonia congênita). A fibrose 
cística é o resultado de uma mutação que altera 
um aminoácido na proteína CFTR, um canal 
iônico de Cl -; o processo defeituoso, aqui, não 
está na neurotransmissão, mas na secreção de 
várias células glandulares exócrinas com 
atividades vinculadas ao fluxo de íons Cl -.