TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA

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Biologia Molecular e Celular
Isabel Lima
TRANSPORTE ATRAVÉS DA
MEMBRANA
Está perdido?
As anotações que eu fiz durante a aula estão em preto.
Já as anotações feitas durante a leitura do Alberts estão em azul! Aproveite.
Referências utilizadas:
ALBERTS, B.; JOHNSON, A.; LEWIS, J.; et al. Biologia molecular da célula. Artmed, 2010.
INTRODUÇÃO
Com o auxílio das proteínas, muitas moléculas que antes não atravessariam
a bicamada lipídica conseguem agora alcançar o lúmen da célula. É importante
ressaltar que existe uma especificidade entre a proteína e o seu soluto transportado
(598, albertão).
● Moléculas hidrofóbicas atravessam
livremente a m.p.
● Pequenas moléculas polares não
carregadas atravessam com dificuldade a
bicamada, com uma velocidade baixa.
● Grandes moléculas polares não
carregadas não são capazes de
atravessar com facilidade. Às vezes rola,
mas com uma velocidade muito baixa.
● Íons (Na+, Ca++...) também não são
capazes.
Se fornecido tempo suficiente praticamente qualquer molécula se difundirá
através da membrana sem a interferência proteica. Os íons são as únicas moléculas
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que você vai esperar uma eternidade e eles nunca irão passar you shall not pass.
(598, albertão)
Ou seja, hidrofóbico —> passa // polar/grande —> não passa/passa
com dificuldade // carregada —> não passa.
O uso das proteínas para controlar o trânsito de íons é uma maneira das
células eucarióticas controlar o seu BALANÇO OSMÓTICO (Caso os íons
simplesmente não entrassem, o meio extracelular ficaria hipertônico e a célula desidrataria,
caso os íons entrassem livremente, o meio extracelular ficaria hipotônico e a célula ia
papocar). Outras células usam de outras estratégias, os protozoários, por exemplo,
usam dos vacúolos pulsáteis e a célula vegetal usa da parede celular + vacúolo.
TIPOS DE PROTEÍNAS
Existem:
1. As PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS/CARREADORAS/PERMEASES
a. Funciona via chave-fechadura em que o contato de um soluto em
específico com um receptor gera uma série de alterações
conformacionais da proteína.
b. Menor velocidade
c. A ordem das alterações conformacionais é:
i. Ligação soluto-proteína (chave fechadura). Essa afinidade reflete no
Km da reação. Km = [Soluto] quando a tx de transporte = Vmax/2.
ii. Estado intermediário (Vmax) em que o transportador está saturado e o
soluto está preso na proteína
iii. Abertura para o exterior/interior. (601, albertão)
d. Podem ter inibidores
i. Competitivos —> Se liga ao sítio
ii. Não competitivos —> se liga a qualquer parte do transportador
2. As PROTEÍNAS DE CANAL
a. Não exige essa alteração conformacional e a interação com o soluto é
mais fraca.
b. A seleção do soluto é feito a partir do seu tamanho e carga (599,
albertão)
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c. Mais rápida (10^3 a 10^5x mais veloz)
d. As aquaporinas são canais
TIPOS GERAIS DE TRANSPORTE SEGUNDO O GASTO DE
ENERGIA
1. TRANSPORTE PASSIVO
a. DIFUSÃO SIMPLES
i. Passa direto pela bicamada sem a interferência de uma proteína
ii. Ocorre com as moléculas hidrofóbicas e polares pequenas (com
muita falta de vontade, muita lerdeza)
b. DIFUSÃO FACILITADA
i. Mediado por canal
1. Não exige a alteração conformacional
2. Ocorre com as moléculas polares, grandes ou carregadas
ii. Mediada por transportador
1. Exige uma série de alterações conformacionais
2. Ocorre com as moléculas polares, grandes ou carregadas
2. TRANSPORTE ATIVO
a. Exige a interferência de uma proteína que use de ENERGIA para ir de
encontro ao gradiente de concentração.
OBS: TRANSPORTE CONSIDERANDO O SEU GRADIENTE ELÉTRICO
● É feito via proteína e nesse caso se leva em consideração não só o gradiente
de concentração eletroquímico, mas também o potencial da membrana.
● Sem DDP, há uma passagem equivalente de portadores de carga
negativos e positivos
● Com a DDP de repouso e passagem de cátions—> passagem massiva
de portadores de carga positivos para dentro
○ Indo em direção a bicamada negativamente carregado
● Com DDP de repouso e passagem de ânions —> passagem fraca de
portadores de carga negativos para dentro
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○ Vai a favor do gradiente, mas como a bicamada citosólica é
negativamente carregada, há uma repulsão elétrica entre cargas iguais
Ou seja:
i. V=0 —> Passa os dois
ii. DDP COM + —> Passa muito +
iii. DDP COM - —> Passa pouco -
OBS: Porque a bicamada interna é negativamente carregada em situações
normais? A fosfatidilserina, presente majoritariamente na interna, tem carga
negativa! Sobretudo, existe o desbalanço de cargas positivas geradas pela bomba
de Na+/K+.
TIPOS GERAIS DE TRANSPORTE SEGUNDO A DIREÇÃO
● UNIPORTE
○ Só há uma direção e uma única molécula transportada
● TRANSPORTE ACOPLADO
○ SIMPORTE / COTRANSPORTADORES
i. Há o transporte de duas moléculas seguindo a mesma direção
○ ANTIPORTE / PERMUTADORES
i. Há o transporte de duas moléculas seguindo direções opostas
O Na+ normalmente é vítima do transporte acoplado devido ao seu gradiente
de concentração ser muito forte e isso facilitará o T.A. por Transp. Acoplado. Em
plantas, leveduras e bactérias, essa vítima é o H+. (604, albertão)
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TRANSPORTE ATIVO
Há uma semelhança entre as proteínas que medeiam o T.A. e o T.P.,
sinalizando uma relação evolutiva entre ambos os transportes. (601, big alb)
TIPOS DE T.A. SEGUNDO A ORIGEM DA ENERGIA GASTA
● Transporte acoplado
a. A passagem de uma molécula seguindo o seu gradiente de
concentração cede energia para uma outra molécula também ser
transportada contra o seu gradiente.
b. Essa energia altera a proteína, permitindo a passagem do soluto.
● Bomba dirigida por ATP
a. Hidrólise de ATP
b. São chamadas de bombas
c. Bomba de Sódio e Potássio
A Bomba por ATP controla a T.A. por Transp Acoplado, haja vista que é a Bomba de
Na+/K+ que cria o gradiente eletroquímico que permite a entrada do Na+ com tanta força no
transporte acoplado. Essa passagem que permite o trânsito de uma outra molécula contra o
gradiente de concentração, como a glicose. Então a Bomba medeia o transporte ativo
primário e o T.A. por Transp Acoplado medeia o transporte ativo secundário.
Portanto a ordem é:
1. Transporte Ativo Primário —> Bomba de Na+/K+ cria gradiente eletroquímico
com meio extracelular hipertônico para Na+ (energia potencial alta pelo
acúmulo de água na represa).
2. Transporte Ativo Secundário —> Transporte Acoplado usando da alta energia
cinética do Na+ para transportar uma outra molécula secundária. (a represa
estoura e junto com a água vai madeira e as porra toda do lado). (602, big
beto)
● Bombas dirigidas por luz/redox
a. São proteínas fotossensíveis
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b. Bactérias rodopsinas, mitocôndrias, cloroplastos
TIPOS DE BOMBA GUIADAS PELA HIDRÓLISE DE ATP
● BOMBA TIPO P
a. Usam uma única molécula de ATP
b. Transporta íons (H+, K+, Na+ e Ca+)
● TRANSPORTADOR ABC
a. Usam de 2 moléculas de ATP
b. Transporta uma molécula pequena (abc é a música do Michael
Jackson pequeno kkkk)
● BOMBAS DE PRÓTONS DO TIPO V
a. É uma bomba hipotética que reverte a ATP sintase (tipo F)
b. Hidrolisa ATP
c. Expulsa o H+ para fora do citosol
● BOMBAS DE PRÓTONS DO TIPO F ou ATP sintetase tipo F
a. Produz ATP
b. Puxa o H+ para dentro do citosol, usando da energia cinética para ligar
o Pi + ADP ⇒ Isso acontece no sítio seco, haja vista que a presença
de água impede a reação
c. É um tipo reverso da bomba tipo V
BOMBA DE SÓDIO E POTÁSSIO
É uma bomba dirigida por ATP. É uma bomba que transporta 2 íons, na+ e
k+ em que são transportados para cada 2 de K+, 3 de Na+, ambos contra o
gradiente de concentração. Justamente por isso, é uma bomba eletrogênica, ou
seja, cria uma corrente elétrica dentro a membrana.
Ela deve ser entendida como uma concentradora de energia potencial,
aguentando-a com o gasto de energia (ATP) como se fosse uma represa suportando
a energia potencial gravitacionaldo peso da água.
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TRANSPORTE DA GLICOSE
É uma proteína que utiliza do transporte acoplado simporte. Há uma
passagem do sódio seguindo o seu gradiente de concentração eletroquímico
disponibilizando energia para a passagem da glicose contra o seu gradiente.
Há uma ligação cooperativa entre o Na+ e a glicose que se unem à proteína
liberando energia térmica (por ser uma lig cooperativa, quando ambos estão ligados isso aumenta
a afinidade da proteína pelo conjunto. Os dois separados não se prendem muito bem a proteína).
Essa energia altera a conformação da proteína que abre para fora ou para dentro
aleatoriamente. Quando essa proteína abre para dentro, há a passagem do sódio que
“corre” para o ambiente hipotônico a proteína também solta a glicose.
Isso ocorre no epitélio entérico no lado apical da célula. Posteriormente,
nesta célula, há o transporte por difusão facilitada da glicose para o meio
extracelular e a retirada do Na+ via bomba de sódio e potássio.
BOMBAS DE CÁLCIO E HIDROGÊNIO
1. A entrada dos 2 Ca++ promove a fosforilação da bomba
2. Há uma mudança na conformidade da proteína abrindo-a para fora da
célula, levando os 2Ca++ para o meio extracelular
3. Com isso, há a entrada de 2H+ que novamente promove a fosforilação da
bomba
4. Há novamente a reorganização da conformidade proteica abrindo-a para
dentro da célula levando os 2H+ para o citosol
Essa bomba é útil a célula já que a concentração de cálcio no citosol é muito
baixa e qualquer influxo de Ca++ causa uma grande alteração citosólica, sendo um
bom alarme para a célula. (606, albertão)
TRANSPORTADORES ABC BACTERIANOS
Usam de 2 ATPS para a aquisição de moléculas que vão nutrir a bactéria,
levando-as, obviamente, para dentro.
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Para bactérias gram-negativas (que possuem duas camadas) na membrana
externa há a passagem do soluto por uma porina, soluto este que será levado ao
ABC, presente na membrana interna, por uma proteína periplasmática.
TRANSPORTADORES ABC EUCARIOTOS
Usam de 2 ATPs para expulsar moléculas. Os transportadores MDR
(Proteína de Resistência à Múltiplas Drogas) tem o fito de eliminar substâncias
tóxicas da célula. Eles atrapalham tratamentos quimioterápicos, já que em algumas
células cancerosas eles estão superexpressos e eliminam a substância
quimioterápica.
Outra aplicação do ABC em eucariotos é a resistência ao fármaco cloroquina
(b*ls*nar* está lendo este resumo) nos P. falciparum, protozoários causadores da
malária, gerada pela hiperexpressão dos ABC.
Não suficiente, o ABC é importante para o sistema de reconhecimento de
antígenos dos linfócitos T citotóxicos. O fagócito degrada os peptídeos de um
antígeno e o ABC bombeia os peptídeos para o lúmen do RE, sendo transportados
para a mp e lá os Linf T os reconhecerão.
Além disso, o CFTR, transportadora ABC, controla o canal em que passa o
Cl-. Uma alteração nessa proteína causa a fibrose cística. (610 e 611, big beto)
TRANSPORTE PASSIVO POR DIFUSÃO
FACILITADA
O contato da proteína transportadora com o soluto gera uma série de
alterações conformacionais que não exigem gasto de energia para acontecer, já que
segue o gradiente de concentração. Caso seja um canal, não são necessárias as
mudanças conformacionais, tornando esse transporte mais rápido podendo ser até
10^5 vezes mais rápida. (612, albertão).
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As aquaporinas, por exemplo, são canais de difusão facilitada compostos por
4 subunidades idênticas que fazem o transporte da água organizando-as em
fileirinhas. Isso é possível devido as ligações de Hidrogênio feitas entre a Água e os
aminoácidos das subunidades. As aquaporinas devem passar a água sem permitir a
passagem dos íons e essa seleção é feita pelo tamanho do poro que é muito estreito
para a passagem de qualquer íon hidratado. Esse canal também impede a
passagem do H+ que se transporta quebrando as ligações de hidrogênio entre as
moléculas de água e se ligando com o oxigênio, formando o H3O+. A aquaporina
evita a sua passagem fazendo 2 ligações de Hidrogênio entre o asparaginas
(aminoácido polar) e o Oxigênio da água, impedindo a ligação do H+ com o O,
bloqueando a formação do H3O+. (612, 613, big alberts)
CANAIS IÔNICOS
FORMAS DE ABRIR UM CANAL
● VOLTAGEM —> A inversão na polaridade abriu o canal
● CONTROLE POR LIGANTE —> Há um sinalizador
○ Extracelular
○ Intracelular
● CONTROLE MECÂNICO —> Feito a partir das tensões na bicamada
○ É o caso dos estereocílios do ouvido interno. Com a passagem das
ondas sonoras, há a distensão dos cílios que abre, via um filamento,
um canal. Assim, há a entrada massiva de íons sódio que cria um
impulso nervoso.
○ No caso das plantas carnívoras, há o contato do inseto com os seus
cílios, causando uma despolarização da bicamada e abrindo diversos
canais iônicos que fazem a contração da sua “boca”.
OBS: As aquaporinas estão quase sempre abertas, sendo raramente fechadas ou
inativadas. (614, albertão).
OBS2: Os canais podem estar fechados, abertos ou inativados.
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SELETIVIDADE DO CANAL IÔNICO
● RAIO ATÔMICO —> O tamanho da molécula define se ele passa ou não pelo
canal (como uma peneira).
○ Canais de sódio em que o K+ não passa, haja vista que o RA do Na+ é
menor.
● SELETIVIDADE IÔNICA —> O contato com a parede do poro seleciona
alguns íons de carga e tamanhos específicos
○ Para os canais de potássio, na parede interna do canal há carbonilas
que se sensibilizam ao entrar em contato com o K+ (grande o
suficiente para alcançá-las) e deixa esse composto passar. O Na+, por
ser muito pequeno, não sensibiliza essas carbonilas e o canal o
bloqueia. (Na+ é o famoso bate fofo). O K+ perde a água de solvatação
nesse processo, passando.
A INFLUÊNCIA DA BOMBA DE Na+/K+ NOS CANAIS IÔNICOS
A passagem de 3 Na+ para fora da célula cria em seu exterior um acúmulo de
prótons e como só 2 K+ entram, há então um desequilíbrio nos portadores de
carga, sendo mais negativo na bicamada interna e positivo na bicamada
externa.
Os íons K+ são transportados para o citosol da célula via as bombas de
Na+/K+. No entanto, existem os canais de K+ que permitem o seu efluxo ou o seu
influxo a depender do seu gradiente de concentração. A cada cátion que passa para
o meio extracelular, cria-se uma “carga negativa” no meio intracelular, criando um
potencial de membrana (campo elétrico) que interrompe o efluxo de K+, zerando o
gradiente eletroquímico do K+. Assim, temos o potencial de repouso de
membrana. (615, albertão).
O gradiente químico força a passagem do potássio para fora (citosol
hipertônico) e o gradiente elétrico força a sua passagem para dentro (campo elétrico
com face negativa na bic. interna). Isso cria o potencial de repouso da membrana.
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Como o meio extracelular é hipertônico para Na+, há uma repulsão para a
passagem do K+ para fora. Há assim a criação de uma DDP da membrana em
repouso em -60mV.
O IMPULSO NERVOSO
É unidirecional no sentido axônio-dentrido e ocorre na seguinte ordem,
quando a longa distância (para reduzir a atenuação do impulso) (621, albertão) :
1. Alteração leve da DDP de -60mV para -40mV via abertura dos canais de
Na+
a. Via as experiências de patch clamp, descobriu-se que o limiar de
abertura dos canais de Na+ é -40mV. Qualquer estímulo que faça essa
mudança de -60mV para -40mV vai gerar o potencial de ação.
2. Abertura massiva de canais de sódio, despolarizando a membrana,
criando um potencial de ação
a. A bicamada interna fica positiva e a externa fica negativa
b. Mais canais de Na+ abertos, maior a despolarização, mais canais de
sódio abertos. Isso é chamado de auto amplificação. (621, albertão)
c. Obs: nesse período, o canal de K+ está semiaberto.
3. A DDP chega a +40mV (limiar de inativação dos canais de Na+)
4. Os canais de sódio são inativados
a. Essa inativação força a unidirecionalidade do impulso.Caso os canais
fossem meramente fechados, eles voltariam a abrir pela influência da
voltagem. Inativando-os, não há esse risco.
5. Assim há uma abertura dos canais de potássio
a. Há uma hélice transmembrana no canal de K+ (S4) que possui
aminoácidos carregados positivamente. Conforme a membrana se
despolariza, essa hélice começa a se atrair para a bicamada externa
(momentaneamente negativa). Essa mudança conformacional abre o
canal. (622, albertão)
b. A passagem do K+ para fora gera um “fantasma” negativo no meio
interno. Isso repolariza a membrana.
6. Os canais de sódio são reativados, porém persistem fechados
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a. Aqui, os canais de sódio são sensíveis a voltagem de novo
b. Esse período gasto entre a inativação e a reativação é chamado de
período refratário, em que o neurônio está incapaz de transmitir outro
impulso. Isso evita a bidirecionalidade e também a repetição de um
pulso. (622, albertão)
7. Há um retorno para a DDP de repouso
OBSERVAÇÕES DO ALBERTÃO SOBRE ESSE TEMA
● Canal Rodopsina
São canais de íon fotossensíveis que podem ser expressas, via engenharia
genética, em qualquer tipo celular de vertebrados ou invertebrados. Esse canal é
sensível a pulsos de luz e começa a disparar potenciais de ação.
● A Bainha de Mielina
A bainha aumenta a velocidade de propagação do impulso nervoso. Ela é
fomada pelas células da glia em que as células de Schwann atuam no sist. periférico
e os oligodendrócitos atuam no sistema nervoso central. O espaçamento entre as
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bainhas são chamados de nódulos de ranvier. A condução aqui é saltatória. (625,
big beto)
● Tudo ou nada e o Patch Clamp
Não existe um meio termo de abertura para os canais. Portanto, o agregado
de correntes formados pelos canais iônicos não depende do seu grau de abertura,
mas sim do número de canais abertos. (626, big beto)
● Miotonia e Epilepsia
Mio = músculo, tonia = tensão. Genes mutantes que expressam canais
alterados de Na+, retardando o seu relaxamento, geram a miotonia, que causa
espasmos musculares dolorosos.
De modo similar, alterações nos genes que expressam canais de Na+ e de
K+ no cérebro podem causar a epilepsia por pulsos excessivos e sincronizados.
(627, albertão)
● Canais despolarizantes⇒ Na+ e Ca+
● Canais hiperpolarizantes⇒ K+ e Cl-
JUNÇÃO NEUROMUSCULAR
1. O impulso nervoso, gerado pela abertura dos canais de sódio, também abre o
canal de cálcio, permitindo a sua entrada via difusão facilitada.
a. Lembrando que esse gradiente é criado pela bomba de Ca++/H+
2. O Ca++ facilita a fusão da vesícula sináptica com a membrana da célula
pré-sináptica liberando acetilcolina na fenda sináptica.
3. Essa acetilcolina se liga ao seu canal (canais íon controlados por
transmissores ou receptores ionotrópicos) de maneira específica via sítios de
ligação que possui um poro hidrofílico central com aminoácidos polares
permitindo a passagem do Na+.
a. Após essa ativação, o neurotransmissor ou será degradado por
enzimas ou será absorvido pela célula pré-sináptica, mediada por
canais simportes de Na+. A rápida remoção garante a precisão do
estímulo. (628, albertão)
b. Esses canais não são sensíveis as mudanças no potencial da
membrana, então eles aumentam a permeabilidade da mp, mudando
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assim o potencial com o fito de abrir canais de cátion, capazes de
realizarem a auto amplificação.
i. Essa mudança da permeabilidade varia em intensidade
seguindo a quantidade de neurotransmissor liberado e o tempo
que ela ficou na fenda sináptica.
4. Esse impulso atinge os túbulos T
5. O cálcio sai do lúmen do retículo sarcoplasmático, indo para o citosol.
6. Há a contração da actina com a miosina e a contração muscular.
OBSERVAÇÕES DO ALBERTÃO SOBRE ESSE TEMA
● Tipos de sinapses químicas
1. Neurotransmissores excitatórios —> Abrem Na+ e Ca+
(despolarização)
○ Acetilcolina, glutamato, serotonina
2. Neurotransmissores inibitórios —> Abrem Cl- ou K+ (repolarização ou
inibe despolarização)
○ Ácido y-aminobutírico (GABA), glicina
3. Receptores metabotrópicos
○ São estimulados por pequenas moléculas de sinal intracelular
OBS: Existem n.t. que podem ser ambos, dependendo do tipo de receptores
que se liga. É o exemplo da acetilcolina.
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Para que haja contração em uma célula muscular é necessário um aumento da
concentração intracelular de cálcio (Ca++). O relaxamento celular subsequente
se dá pela saída de cálcio, que ocorre principalmente através de um
antiportador na mp que troca Ca++ por Na+ extracelular. Algumas drogas,
como os digitálicos, são importantes para o tratamentos de pacientes com
doença cardíaca porque elas fazem o músculo cardíaco se contrair mais
fortemente. Essas drogas inibem parcialmente a bomba de Na+/K+ na mp.
Explique o funcionamento dos digitálicos.
Como há a inativação das bombas de sódio e potássio, isso reduz a
concentração de sódio no meio extracelular. Assim, há uma redução na diferença do
gradiente eletroquímico do sódio. Como há uma redução na intensidade no
transporte ativo primário (a bomba de Na+/K+), há também uma redução do
transporte ativo secundário (o transporte acoplado antiportador de Na+/Ca++), já
que um depende do outro. Assim, o Na+ passará com menos intensidade pelo
antiportador Na+/Ca++, transportando pouco cálcio para o meio extracelular,
retardando o relaxamento do músculo e intensificando a sua contração.