Resumo Transporte Transmembrana

Prévia do material em texto

Biologia Celular e Molecular 
 
O Transporte Transmembrana de Íons e Moléculas 
 
Capítulo 11 
Introdução 
Por meio da prevenção do movimento 
livre de moléculas e íons para dentro e 
para fora das células, a membrana 
plasmática mantém diferenças 
essenciais entre a composição do líquido 
extracelular e do citosol. 
A combinação de lipídeos e proteínas 
que confere às membranas celulares 
suas propriedades de permeabilidade 
seletiva. Se as membranas celulares 
fossem compostas apenas pela 
bicamada de lipídeos, elas seriam 
excelente barreiras químicas, 
impermeáveis a praticamente todos os 
íons, aminoácidos, açucares e outras 
moléculas solúveis em água. No entanto, 
as membranas celulares devem atuar 
não apenas como barreiras, mas 
também como condutoras, 
transportando seletivamente moléculas 
e íons de um lado ao outro da 
membrana. Moléculas de glicose ricas 
em energia, por exemplo, devem ser 
importadas pela célula e os resíduos 
devem ser eliminados. 
O movimento de praticamente todos os 
íons e pequenas moléculas pelas 
membranas celulares é mediado por 
proteínas transportadoras de membrana 
– proteínas integrais de membrana, 
 
embebidas nas membranas celulares por 
múltiplos domínios transmembrana.. 
Essas proteínas transmembrana atuam 
como balsas, canais ou bombas para o 
transporte de moléculas e íons através 
do interior hidrofóbico da membrana. 
Em alguns casos, moléculas e íons são 
transportados de locais de alta 
concentração para locais de baixa 
concentração, processo 
termodinamicamente favorável, 
facilitado pela entropia. Exemplos 
incluem o transporte de água e de 
glicose do sangue para as células do 
corpo. Em outros casos, moléculas e íons 
devem ser transportados de locais de 
baixa concentração para locais de alta 
concentração, processo 
termodinamicamente desfavorável que 
só pode ocorrer quando uma fonte 
externa de energia estiver disponível 
para deslocar as moléculas contra o 
gradiente de concentração. Um exemplo 
é a capacidade da célula de concentrar 
prótons no interior dos lisossomos para 
gerar o baixo Ph no seu lúmen.. 
Frequentemente, a energia necessária é 
fornecida pelo acoplamento mecânico 
da liberação de energia pela hidrólise da 
ligação fosfoanidro terminal do ATP com 
o movimento de uma molécula ou íon 
pela membrana. Outras proteínas 
acoplam o movimento de íons ou 
moléculas contra seu gradiente de 
concentração com o movimento de 
outros a favor do seu gradiente, 
utilizando a energia liberada pelo 
movimento favorável de certos íons e 
moléculas para promover 
termodinamicamente o movimento 
desfavorável de outros íons e moléculas. 
O funcionamento adequado de qualquer 
célula depende do equilíbrio preciso 
entre a importação e exportação de 
diversos íons e moléculas. 
 
Visão Geral do Transporte 
Transmembrana 
Apenas Gases e Pequenas Moléculas não 
carregadas atravessam a membrana por 
difusão simples 
Com sua densa região central 
hidrofóbica, a bicamada fosfolipídica é 
amplamente impermeável a moléculas 
solúveis em água e íons. Apenas gases 
como o O2 e o CO2, e moléculas 
pequenas polares sem carga, como ureia 
e etanol, conseguem atravessar por 
difusão simples uma membrana artificial 
composta apenas por fosfolipídeos ou 
fosfolipídeos e colesterol. Essas 
moléculas também podem difundir pelas 
membranas celulares sem o auxílio das 
proteínas de transporte. Nenhuma 
energia metabólica é despendida, 
porque o movimento é de uma região de 
alta concentração para uma região de 
baixa concentração da molécula, a favor 
do seu gradiente de concentração 
químico. 
A taxa de difusão relativa de qualquer 
substancia através de uma bicamada de 
fosfolipídeos é proporcional ao seu 
gradiente de concentração pela 
bicamada e à sua hidrofobicidade e 
tamanho; o deslocamento de moléculas 
carregadas também é afetado por 
qualquer potencial elétrico de 
membrana. 
Quanto maior o gradiente de 
concentração da substancia, mais rápida 
será a sua taxa de difusão através da 
bicamada. 
A hidrofobicidade de uma substância é 
determinada pela mensuração de seu 
coeficiente de partição K, que é a 
constante de equilíbrio para a sua 
partição entre o óleo e a água. Quanto 
maior o coeficiente de partição de uma 
substância, mais solúvel ela é em 
lipídeos e, portanto, mais rápida será sua 
difusão através de uma bicamada. 
O primeiro passo, que também é a etapa 
limitante do transporte por difusão 
simples é o movimento da molécula da 
solução aquosa para o interior 
hidrofóbico da bicamada de 
fosfolipídeos, que tem propriedades 
químicas semelhantes à do azeite de 
oliva. É por essa razão que quanto mais 
hidrofóbica for uma molécula, mais 
rapidamente ela difundirá por meio de 
uma bicamada de fosfolipídeos. 
 
De maneira similar, os ácidos graxos de 
cadeia longa são mais hidrofóbicos do 
que aqueles com cadeias menores e irão 
difundir mais rapidamente através de 
uma bicamada de fosfolipídeos, 
independente da sua concentração. 
Se a substancia transportada tiver uma 
carga elétrica efetiva, seu movimento 
através de uma membrana será 
influenciado tanto pelo gradiente de 
concentração quanto pelo potencial de 
membrana (o potencial elétrico da 
membrana.). A combinação dessas 2 
forças, chamada de gradiente 
eletroquímico, determina a direção 
energicamente favorável ao transporte 
de uma molécula carregada pela 
membrana. 
Três principais classes de proteínas 
transportam moléculas e íons através de 
biomembranas 
O transporte da maioria das moléculas 
para dentro e para fora das células 
requer o auxílio de proteínas de 
membrana especializadas. Mesmo no 
caso de moléculas com coeficiente de 
partição relativamente alto, o transporte 
é frequentemente acelerado por 
proteínas específicas, porque seu 
transporte por difusão simples não é 
suficientemente rápido para satisfazer as 
necessidades celulares. 
Todas as proteínas de transporte são 
proteínas transmembrana que contem 
vários segmentos que cruzam a 
membrana e que são, geralmente, 
hélices α. Ao formar uma passagem 
delimitada por proteínas através de 
membrana, acredita-se que as proteínas 
de transporte permitam o movimento 
das substancias hidrofílicas sem entrar 
em contato com o interior hidrofóbico 
da membrana. Serão apresentados os 3 
tipos principais de proteínas de 
transporte 
Comentado [IA1]: Isso pq a bicamada fosfolipídica é 
hidrofóbica? 
Comentado [IA2R1]: 
 
• As bombas movidas por ATP (ou 
simplesmente bombas) são ATPases que 
usam a energia da hidrólise do ATP para 
mover íons ou moléculas pequenas por 
uma membrana contra um gradiente de 
 
concentração químico, um potencial 
elétrico, ou ambos. Esse processo, 
chamado de transporte ativo, é um 
exemplo de reação química acoplada. 
Nesse caso, o transporte de íons ou de 
moléculas pequenas contra gradientes 
eletroquímicos, que exige energia, é 
acoplado à hidrólise do ATP, que libera 
energia. A reação total – hidrólise do ATP 
e o movimento contra o gradiente dos 
íons ou das moléculas pequenas – é 
energicamente favorável. 
• Canais transportam a água, íons 
específicos ou moléculas hidrofóbicas 
pequenas através de membranas a favor 
dos seus gradientes de concentração ou 
potencial elétrico.. Como esse processo 
requer a participação de proteínas de 
transporte, mas não requer energia, ele 
é, algumas vezes, chamado de 
“transporte passivo” ou “difusão 
facilitada”, mas é mais apropriadamente 
denominado transporte facilitado. Os 
canais formam um “tubo”, ou passagem 
hidrofílica, que atravessa a membrana e 
pelo qual múltiplos íons ou moléculas de 
água se deslocam simultaneamente, em 
fila única e a taxas bastante rápidas. 
Alguns canais, denominados canais não 
controlados, ficam abertos a maior parte 
do tempo. A maioria dos canais iônicos, 
entretanto, abresomente em resposta a 
sinais químicos ou elétricos específicos. 
São os denominados canais controlados, 
pois uma proteína de “controle” 
alternadamente bloqueia o canal ou se 
desloca para abri-lo. 
• Transportadores (também chamados 
carreadores) são responsáveis pelo 
deslocamento de grande variedade de 
íons e de moléculas através de 
membranas celulares, mas em taxas 
mais lentas que os canais. Foram 
identificados 3 tipos de transportadores. 
As proteínas de uniporte transportam 
um único tipo de molécula a favor do 
seu gradiente de concentração. Ex: 
glicose e aminoácidos cruzam a 
membrana plasmática para o interior da 
maioria das células dos mamíferos com o 
auxílio do uniporte. Coletivamente, o 
transporte por meio de canais e de 
proteínas de uniporte é denominado 
transporte facilitado, indicando o 
movimento a favor do seu gradiente de 
concentração ou do gradiente 
eletroquímico 
Em contrapartida, as proteínas de 
antiporte e de 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). Essas proteínas são 
frequentemente denominadas 
cotransportadoras, em referencia a sua 
capacidade de transportar dois ou mais 
solutos simultaneamente. 
Assim como as bombas de ATP, as 
proteínas de cotransporte fazem a 
mediação de reações acopladas, nas 
quais uma reação energicamente 
desfavorável é acoplada a uma reação 
energicamente favorável. Contudo, a 
natureza das reações que fornecem 
energia para o transporte ativo nessas 
duas classes de proteínas é diferente. As 
bombas de ATP utilizam a energia da 
hidrólise do ATP, ao passo que o 
cotransporte utiliza a energia 
armazenada em um gradiente 
eletroquímico. Esse último processo é, às 
vezes, denominado transporte ativo 
secundário. 
Mudanças conformacionais são 
essenciais para a função de todas as 
proteínas de transporte. As bombas de 
ATP e as proteínas de transporte passam 
por um ciclo de mudanças 
conformacionais, expondo um sítio (ou 
sítios) de ligação em um lado da 
membrana em uma conformação, e para 
outro lado noutra conformação. 
Resumindo: bombas movidas por ATP 
(transporte ativo); Canais (difusão 
facilitada); Transportadores – Uniporte 
(difusão facilitada); Simporte e Antiporte 
(transporte ativo secundário/ou 
cotransporte) 
Comentado [IA3]: Não entendi porque essenciais mas ok 
 
 
O transporte facilitado da glicose e da 
água 
A maior parte das células animais utiliza 
glicose como substrato para produção 
de ATP; essas células geralmente 
utilizam o uniporte de glicose para sua 
absorção a partir do sangue e outros 
líquidos extracelulares. 
O transporte uniporte é mais rápido e 
mais específico que a difusão simples 
O transporte mediado por proteínas de 
um único tipo de molécula, como a 
glicose ou outras moléculas hidrofílicas 
pequenas, a favor do gradiente de 
concentração através de uma membrana 
celular é conhecido como uniporte. 
Diversas características distinguem o 
uniporte da difusão simples: 
1. A taxa de movimento de substrato 
no uniporte é muito maior que a 
difusão simples através de uma 
bicamada de fosfolipídeos puros. 
2. Como as moléculas transportadas 
nunca entram no núcleo 
hidrofóbico 
da bicamada de fosfolipídeos, o 
coeficiente de partição K é 
irrelevante. 
3. O transporte é feito por um 
numero limitado de moléculas de 
uniporte 
4. O transporte é reversível, e a 
direção do transporte irá mudar 
se a direção do gradiente de 
concentração for alterada. 
5. O transporte é específico. Cada 
proteína de uniporte transporta 
apenas um único tipo de molécula 
ou um único grupo de moléculas 
relacionadas. 
Uma das proteínas de uniporte mais 
bem entendidas é a transportadora 
de glicose chamada GLUT1, 
encontrada na membrana plasmática 
da maioria das células de mamíferos. 
GLUT1 é especialmente abundante 
na membrana plasmática dos 
eritrócitos. A GLUT2 é expressa no 
fígado e nas células BETA do 
pâncreas, que secretam insulina. 
O genoma humano codifica uma 
família de proteínas GLUT 
transportadoras de açúcar 
O genoma humano codifica ao menos 
14 proteínas GLUT de alta hemologia, 
GLUT1 a GLUT14, e todas parecem 
conter 12 hélices alfa 
transmembrana, sugerindo que todas 
evoluíram de uma única proteína 
ancestral de transporte. 
Acredita-se que as estruturas de 
todas as isoformas das proteínas 
GLUT sejam bastante semelhantes, e 
todas transportam açúcares. 
A proteína GLUT3 é observada nas 
células neuronais do cérebro. Os 
neurônios dependem de um influxo 
constante de glicose para o seu 
metabolismo. 
Outra isoforma da proteína GLUT, 
GLUT4, é expressa somente nas 
células de gordura e nos músculos, as 
células que respondem à insulina 
com o aumento de absorção da 
glicose, removendo a glicose do 
sangue. Na ausência da insulina, a 
GLUT4 é encontrada nas membranas 
intracelulares e não na membrana 
plasmática., portanto, não é capaz de 
facilitar a absorção da glicose a partir 
do líquido extracelular. 
A insulina induz a fusão dessas 
membranas internas ricas em GLUT4 
com a membrana plasmática, 
aumentando o número de moléculas 
de GLUT4 presentes na superfície 
celular e, desse modo, a taxa de 
absorção de glicose. Esse é um dos 
principais mecanismos pelo qual a 
insulina reduz a glicose no sangue; 
defeito no deslocamento da GLUT4 
para a membrana plasmática é uma 
das causas de diabetes em adulto, ou 
diabetes tipo II, doença caracterizada 
pela concentração alta contínua de 
glicose no sangue. 
GLUT5 é a única proteína GLUT com 
alta especificidade (preferencia) por 
frutose; o seu principal local de 
expressão é a membrana apical das 
células do epitélio do intestino, onde 
é responsável pelo transporte de 
frutose da dieta do lúmen do 
intestino até o interior das células. 
 
 
A pressão osmótica causa o 
movimento da água através de 
membranas 
 
O movimento da água para dentro e 
para fora das células é uma 
propriedade importante da vida dos 
microrganismos, plantas e animais. As 
aquaporinas são uma família de 
proteínas que permitem que a água e 
outras poucas pequenas moléculas 
não carregadas, como glicerol, 
atravessem as biomembranas de 
modo eficiente. 
A água se move espontaneamente, 
por uma membrana semipermeável, 
de soluções de baixa concentração de 
soluto (alta concentração relativa de 
água) para regiões de alta alta 
concentração de soluto (baixa 
concentração relativa de água), 
processo denominado osmose ou 
Comentado [IA4]: Membranas intracelulares (?) 
 
Comentado [IA5]: Quais membranas internas? 
 
fluxo osmótico. Na realidade, a 
osmose é equivalente à “difusão” da 
água através de uma membrana 
semipermeável. A pressão osmótica é 
definida como a pressão hidrostática 
necessária para impedir o fluxo 
efetivo de água por uma membrana 
que separa soluções com diferentes 
concentrações de água. 
Em outras palavras, a pressão 
osmótica equilibra a força 
termodinâmica regida pela entropia 
do gradiente de concentração de 
água. Nesse contexto, a “membrana” 
pode ser uma camada de células ou 
uma membrana plasmática 
permeável à agua, mas não aos 
solutos. 
As aquaporinas aumentam a 
permeabilidade das membranas 
celulares à água 
Em sua forma funcional, a aquaporina 
é um tetrâmero de subunidades 
idênticas de 28kDa. Cada subunidade 
contem 6 hélices alfa que cruzam a 
membrana e formam um poro central 
pelo qual a água pode se deslocar em 
ambas as direções, dependendo do 
gradiente osmótico. Uma vez que as 
aquaporinas não passam por 
alterações conformacionais durante o 
transporte da água, elas são capazes 
de transportar água com mais rapidez 
do que a proteína GLUT1 é capaz de 
transportarglicose. 
Os mamíferos expressam uma família de 
aquaporinas: 
11 desse genes foram identificados no 
homem. 
A aquaporina 1 é expressa em 
abundancia nos eritrócitos; 
A aquaporina 2 homóloga é encontrada 
nas células epiteliais dos rins, que 
reabsorvem a água da urina, controlando 
a quantidade de água no corpo. A 
atividade da aquaporina 2 é regulada pela 
vasopressina, também chamada de 
hormônio antidiurético. A regulação da 
atividade da aquaporina 2 nas células 
renais em repouso é similar à regulação 
da proteína GLUT 4 nas células adiposas e 
musculares, de modo que a sua atividade 
não é necessária quando as células estão 
no seu estado de repouso e a água é 
excretada na urina, a aquaporina 2 é 
sequestrada na membrana das vesículas 
intracelulares, incapaz de mediar o 
transporte de água para as células. 
Quando o hormônio peptídico 
vasopressina se liga ao receptor de 
vasopressina na superfície das células, ele 
ativa uma via de sinalização que utiliza 
AMPc como sinalizador intracelular, 
induzindo a fusão dessas vesículas que 
contem aquaporina 2 com a membrana 
plasmática, aumentando a taxa de 
retirada de água e o seu retorno para a 
circulação, em vez de ir para a urina 
Mutações que causam a perda de função 
dos genes do receptor de vasopressina ou 
da aquaporina 2 causam diabetes 
insípido, doença marcada pela excreção 
de grandes volumes de urina diluída. 
Esses resultados demonstram que o nível 
de aquaporina 2 é um fator limitante para 
a reabsorção de água a partir da urina 
formada nos rins. 
Comentado [IA6]: Anotar que a atividade da aquaporina 2 
é regulada pela vasopressina 
 
 
As bombas movidas por ATP e o 
ambiente iônico intracelular 
Em uma das principais classes de 
proteínas – as bombas movidas por ATP 
– que utilizam energia liberada pela 
hidrolise da ligação fosfoanidro terminal 
do ATP para o transporte de íons e 
diversas moléculas pequenas através de 
membranas contra o seu gradiente de 
concentração. Todas as bombas movidas 
por ATP são proteínas transmembrana 
com um ou mais sítios de ligação para 
ATP, localizados nas subunidades ou nos 
segmentos da proteína e sempre 
voltados para o citosol.. Essas proteínas, 
comumente chamadas de ATPases, 
normalmente não hidrolisam ATP em 
ADP e 
 
 
Pi, a menos que íons ou outras 
moléculas sejam transportadas 
simultaneamente. 
 
Existem quatro classes principais de 
bombas movidas por ATP 
Os membros de três classes ( P, F e V) 
transportam apenas íons, assim como 
alguns membros da quarta classe, a 
superfamília ABC. A maior parte dos 
membros da superfamília ABC 
transporta pequenas moléculas como 
aminoácidos, açúcares, peptídeos, 
lipídeos e outras moléculas pequenas, 
incluindo diversos tipos de fármacos 
 • Classe P 
Todas as bombas de íons classe P são 
compostas por duas subunidades α 
catalíticas idênticas, cada uma contendo 
um sítio de ligação do ATP. A maioria 
delas também possui duas subunidades 
β menores que, normalmente, 
desempenham funções reguladoras. 
Durante o processo de transporte, ao 
menos uma das subunidades α é 
fosforilada (daí o nome classe P), e os 
íons transportados movem-se por meio 
da subunidade fosforilada. As sequencias 
de aminoácidos próximas ao resíduo 
fosforilado são conservadas em 
diferentes bombas. Essa classe inclui a 
ATPase Na+/K+ da membrana 
plasmática, que gera a baixa 
concentração citosólica de Na+ e a alta 
concentração citosólica de K+, típicas de 
células animais. Determinadas ATPases 
Ca²+ bombeiam os íons Ca²+ para fora 
do citosol, levando-os para o meio 
externo; outras bombeiam Ca²+ do 
citosol para o retículo endoplasmático 
ou para dentro do RE especializado, 
chamado retículo sarcoplasmático, 
encontrado nas células musculares. 
Outro membro da classe P, encontrado 
em células secretoras do acido do 
estomago dos mamíferos, transporta 
prótons (íons H+) para fora da célula e 
íons K+ para dentro da célula. 
 • Classe F e V 
As estruturas das bombas de íons classe 
F e classe V são semelhantes, mas não 
têm relação e são mais complicadas do 
que as bombas classe P. As bombas 
classe F e classe V contém várias 
subunidades transmembrana e 
citosólicas distintas. Todas as bombas 
classe F e V conhecidas transportam 
apenas prótons, em um processo que 
não envolve uma fosfoproteína (proteína 
fosforilada) intermediária. 
 • Classe V 
As bombas classe V geralmente 
trabalham pra manter o pH baixo dos 
vacúolos, das plantas e dos lisossomos e 
de outras vesículas ácidas nas células 
animais., pelo bombeamento de prótons 
do lado citosólico para o lado 
exoplasmático da membrana, contra um 
gradiente eletroquímico de prótons. Em 
contrapartida, as bombas H+ que geram 
e mantem o potencial elétrico da 
membrana plasmática nas células e 
plantas, fungos e diversas bactérias, 
pertencem à classe P de bombas de 
prótons. 
 • Classe F 
As bombas da Classe F são encontradas 
nas membranas plasmáticas das 
bactérias, nas mitocôndrias e nos 
cloroplastos. Ao contrário das bombas V, 
elas geralmente funcionam como 
bombas prótons reversas, onde a 
energia liberada pelo movimento 
energicamente favorável de prótons (a 
partir do lado exoplasmático rumo ao 
lado citosólico da membrana, a favor do 
gradiente eletroquímico do próton) é 
utilizada para promover a síntese 
energicamente desfavorável de ATP a 
partir de ADP e Pi. 
 • Superfamília ABC 
A última classe de bombas ativadas por 
ATP corresponde a uma grande família, 
de diversos membros, que apresenta 
maior diversidade de função que as 
demais classes. Conhecida como a 
superfamília ABC, essa classe inclui várias 
centenas de proteínas de transporte 
diferentes, encontradas em organismos 
que vão desde bactérias a humanos. 
Conforme detalhado abaixo, algumas 
dessas proteínas de transporte foram 
inicialmente identificadas como 
proteínas de resistência a múltiplos 
fármacos que, quando superexpressas 
em células de tumores, promovem a 
exportação dos fármacos contra o 
câncer, tornando os tumores resistentes 
à sua atividade. Cada proteína ABC é 
específica para um único substrato; ou 
para um grupo de substratos 
relacionados que podem ser íons, 
açúcares, aminoácidos, fosfolipídeos, 
colesterol, peptídeos, polissacarídeos ou 
até mesmo proteínas.