Biofisica artigo membrana plasmática

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Biofisica artigo membrana plasmática

  1. 1. BIOFÍSICA Profa Juliana do Valle Fisiologia Humana - 2006 MEMBRANA A ÁGUA Os sistemas biológicos contêm grande quantidade de água. De fato, cerca de 60% do corpo humano adulto é composto de líquido distribuído no interior das células e no exterior das mesmas. A água é considerada um solvente universal, atuando como dispersante de inúmeros compostos orgânicos e inorgânicos das células. A água é uma molécula assimétrica e tem caráter polar (Fig. 1-A). Sua forma é aproximadamente tetraédrica e muito pequena. Sua estrutura favorece a formação de pontes de hidrogênio e cada molécula de água pode formar duas pontes de hidrogênio (Fig. 1-B). Figura 1: A - Molécula de água e representação do dipolo. B - Pontes de H na água. ORIGEM: A água do organismo pode ser de origem endógena ou exógena. Endógena - Aquela proveniente das reações químicas que ocorrem no próprio organismo, com liberação de água. Exemplo: água liberada durante a síntese de proteínas, polissacarídeos, lipídios e ácidos nucléicos e, ainda, no final da respiração celular. Exógena - Aquela proveniente da ingestão. Exemplo: água contida nos alimentos ingeridos A quantidade de água em um organismo depende de três fatores básicos: atividade do tecido ou órgão, idade do organismo e espécie estudada. Normalmente, quanto maior a atividade metabólica de um tecido, maior é a taxa de água que nele se encontra (Ex.: Músculos 83,0%, Ossos 48,2%, Dentina 12,0%). Geralmente, a taxa de água decresce com o aumento da idade. Assim, um feto humano de três meses tem 94% de água e um recém-nascido tem aproximadamente 69%. No homem, a água representa 65% do peso corporal; em certos fungos, 83% do peso é de água. OBS.: A quantidade de água num organismo desenvolvido não pode variar muito, sob pena de acarretar a morte. Calcula-se que nos mamíferos uma desidratação de mais de 10% já é fatal. A água é considerada o solvente universal porque possui capacidade de realizar a solução de substâncias iônicas, covalentes e anfipáticas. Isso favorece, nos sistemas biológicos, a excreção de substâncias, o transporte de substâncias, etc. 1. SUBSTÂNCIAS IÔNICAS: Sendo uma molécula polar a água apresenta alta constante dielétrica (≅ 80). Ou seja, na água a força de atração de um ânion por um cátion é diminuída em cerca de 80 vezes, permitindo que cada partícula fique "envolvida" pela água, isto é, fique em solução. As macromoléculas (ex.: proteínas, carboidratos, lipídios) são poli-íons e por isso 1
  2. 2. BIOFÍSICA Profa Juliana do Valle Fisiologia Humana - 2006 MEMBRANA atraem várias moléculas de água. Toda proteína, por exemplo, fixa (atrai) certa quantidade de água denominada água de hidratação. 2. SUBSTÂNCIAS COVALENTES: Substâncias desse tipo dissolvem-se na água através da formação de pontes de H com moléculas de água. Quando as pontes não perturbam a estrutura da água a substância é chamada de solúvel. Já quando a perturbação ocorre a substância é chamada insolúvel. 3. SUBSTÂNCIAS ANFIPÁTICAS: Moléculas desse tipo de substância (ex.: fosfolipídio de membrana) orientam-se, na água, com a parte covalente para dentro e a parte polar para fora, ficando envolvidas por moléculas de água. Esse tipo de organização é chamado de micela (Fig. 2) Figura 2: Representação esquemática de uma micela. COMPARTIMENTOS LÍQUIDOS Cerca de 60% do corpo humano adulto são representados por líquidos. A maior parte desse líquido (2/3) encontra-se dentro das células - LÍQUIDO INTRACELULAR (LIC)- e o terço restante fica nos espaços no exterior das células - LÍQUIDO EXTRACELULAR (LEC). O LEC permanece em movimentação constante indo do interstício (espaço entre as células dos tecidos) para o sangue e vice-versa, e constitui o ambiente de onde as células do organismo retiram os nutrientes necessários para a manutenção da vida celular. Sabendo disso, Claude Bernard, um grande fisiologista do século XIX, elaborou a expressão "meio (ambiente) interno do corpo" para descrever o sistema de células "sobrevivendo" no líquido extracelular. Assim, enquanto as condições do meio interno forem favoráveis (presença de quantidades adequadas de O2, glicose, vários íons, aminoácidos, substâncias gordurosas e outros componentes), as células têm condições de viver, crescer e realizar suas funções no organismo. O LEC contém grande quantidade de íons, nutrientes para as células, substâncias que serão excretadas e gases sendo transportados (Tabela 1). O LIC difere do LEC no que diz respeito a quantidade e qualidade dos íons, nutrientes, excretas e gases (Tabela 1). Essas diferenças entre LIC e LEC são mantidas pelos mecanismos de transporte através da membrana das células que serão discutidos adiante. O LIC contido em cada célula tem sua mistura particular de componentes, mas as concentrações dessas substâncias são muito similares de uma célula para outra. Por isso, LIC contido nas diferentes células de um ser vivo é encarado como um único COMPARTIMENTO LÍQUIDO Os dois maiores COMPARTIMENTOS de LEC são o líq. INTERSTICIAL (3/4) e o PLASMA SANGUÍNEO (1/4). O PLASMA é a porção não celular do sangue e comunica-se continuamente com o líq. INTERSTICIAL através dos poros da parede dos capilares sangüíneos (pequenos vasos) o que mantém o LEC sempre em movimento (os poros dos capilares são muito permeáveis aos solutos do LEC menos à proteínas) 2
  3. 3. BIOFÍSICA Fisiologia Humana - 2006 MEMBRANA Profa Juliana do Valle LEC ↑ [Na+] ↓ [K+] ↑ [Ca++] ↑ [Cl-] ↑ [HCO3-] O2 / CO2 glicose ácidos graxos aminoácidos excretas LIC ↓ [Na+] ↑ [K+] ↓ [Ca++] ↓ [Cl-] ↑ [Mg+2] fosfato Tabela 1: Comparação entre a composição do LEC e do LIC O termo HOMEOSTASIA é utilizado para descrever a "manutenção das condições estáticas ou constantes do meio interno" (Guyton e Hall, 2002). Todos os órgãos e tecidos do corpo desempenham funções que auxiliam a manter essas condições constantes. Por exemplo, o trato gastrintestinal fornece nutrientes para o meio interno; os pulmões fornecem O2 e removem CO2 do meio interno mantendo suas quantidades constantes; o sistema renal mantém concentrações iônicas constantes e remove excretas e substâncias tóxicas. Assim, é essencial que o volume e a composição dos líquidos corporais (LIC e LEC) permaneçam relativamente constantes para manutenção da HOMEOSTASIA. A MEMBRANA CELULAR Figura 3: Representação esquemática da membrana celular (modelo do mosaico fluido) A membrana celular, ou plasmática, é composta basicamente por dois tipos de moléculas: LIPÍDIOS e PROTEÍNAS. Devido à sua composição a membrana é chamada de LIPOPROTÉICA. O principal lipídio presente na membrana plasmática é denominado FOSFOLIPÍDIO (Fig 4). Os fosfolipídios são moléculas ANFIPÁTICAS, ou seja, apresentam características físico-químicas distintas na mesma molécula. 3
  4. 4. BIOFÍSICA Profa Juliana do Valle Fisiologia Humana MEMBRANA2006 Figura 4: Representação de uma molécula de fosfolipídio com indicação das porções polar e apolar da molécula. Os fosfolipídios de membrana possuem uma "cabeça" polar (hidrofílica) e uma porção apolar (hidrofóbica). Em solução aquosa as moléculas de fosfolipídio se organizam formando as chamadas "micelas" (Fig. 2). Na estrutura da membrana plasmática os fosfolipídios organizam-se em dupla camada (bicamada) com as extremidades hidrofílicas em contato com o LIC e o LEC e a porção hidrofóbica central longe do contato com a H2O (Fig. 3). Embora os lipídios influenciem as propriedades de várias membranas, a atividade metabólica das membranas depende principalmente das proteínas. Cada tipo de membrana tem suas proteínas características. A membrana palsmática tem proteínas que podem ser divididas em: PERIFÉRICAS ou EXTRÍNSECAS: isoladas facilmente usando solução salina, não reagem com a porção hidrofóbica da bicamada. Encontram-se apenas associadas a uma das faces da membrana. INTEGRAIS ou INTRÍNSECAS: firmemente associadas à camada lipídica, só saem com o uso de técnicas drásticas (detergentes). constituem 70% das proteínas da membrana plasmática algumas delas atravessam inteiramente a bicamada lipídica e são chamadas de proteínas TRANSMEMBRANA que podem ser de vários tipos diferentes: 1. PROTEÍNAS DE CANAL: Algumas proteínas transmembrana formam POROS (ou CANAIS) estruturais através dos quais as moléculas de água e outras substâncias hidrossolúveis podem se difundir de um lado para outro da membrana (Fig. 5). Tais canais têm propriedades seletivas e permitem a passagem de substâncias específicas. 4
  5. 5. Fisiologia Humana MEMBRANA 2006 BIOFÍSICA Profa Juliana do Valle Figura 5: Representação de alguns tipos de proteínas de membrana As proteínas de canal podem ser de vários tipos. Alguns canais formam verdadeiros poros na membrana e estão sempre abertos (canais de vazamento); outros possuem comportas que podem estar abertas ou fechadas (canais regulados por comportas) (Fig. 5). Quando abertos substâncias podem atravessar seu canal passando através da membrana, quando fechados impedem a passagem das substâncias. Vários são os fatores que podem determinar a abertura ou o fechamento destas comportas. Algumas proteínas somente abrem suas comportas quando uma substância química específica liga-se covalentemente a elas, alterando sua estrutura e permitindo a abertura da comporta (canais dependentes de ligantes). 2. PROTEÍNAS CARREADORAS: Algumas proteínas transmembrana atuam transportando substâncias de um lado para outro da membrana o que, sem auxílio das mesmas, não ocorreria. Estas proteínas também são seletivas e carregam somente substâncias específicas. Para carregar uma substância a proteína deve inicialmente ligar-se a ela. Para tanto, tais proteínas possuem um sítio de ligação, ou seja, um local específico para que a substância a ser transportada se ligue (Fig 6.) Algumas carreadoras realizam um tipo específico de transporte, levando a substância contra a sua tendência natural de movimento (ver 2ª lei da termodinâmica mais adiante) e, por isso, são chamadas de BOMBAS. O que as torna aptas a realizar esse tipo de transporte é a sua capacidade em utilizar energia proveniente da quebra do ATP. Entretanto, essas carreadoras só conseguem usar o ATP pois, além de todas as características comuns às proteínas carreadoras; elas possuem função de enzima. Enzima esta que cliva (quebra) o ATP e libera energia (ATPase). (Fig 6) A B Figura 6: Representação esquemática de uma proteína carreadora (A) e uma bomba (B). 5
  6. 6. BIOFÍSICA Profa Juliana do Valle Fisiologia Humana MEMBRANA2006 TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR O movimento dos componentes de uma mistura segundo com a 2ª lei da termodinâmica é denominado DIFUSÃO. A 2ª lei da termodinâmica (aqui de forma bastante simplificada) demonstra a tendência de um componente ir "de onde tem mais, para onde tem menos". Quando uma substância se movimenta dessa forma, seguindo sua tendência natural, diz-se que o movimento ocorre "à favor do gradiente"; se o sentido for o oposto, ou seja, de onde tem menos para onde tem mais, diz-se que o movimento ocorre "contra o gradiente". Tais movimentos ocorrem em meios gasosos, líquidos e mesmo sólidos, o que muda é apenas a velocidade com que os componentes se movimentam. A DIFUSÃO depende de vários fatores como o número, o tamanho e a forma das partículas que estão se movimentando: NÚMERO: A concentração (C=m/V) de uma mistura mede justamente a quantidade (número) de uma determinada substância ou partícula em relação ao volume total da solução. Durante a DIFUSÃO, as substâncias tendem a passar da solução de MAIOR concentração (ou seja, maior quantidade de substância) para a de MENOR concentração, de acordo com a 2ª lei da termodinâmica. Quanto maior a diferença (gradiente) de concentração maior será a velocidade de difusão. VOLUME: O tamanho das partículas também influência a difusão. Assim, partículas menores difundem-se mais rapidamente que partículas maiores. A uréia, por exemplo, por ser menor que a sacarose, tende a difundir-se de forma mais rápida. Para um exemplo mais claro, imaginem dois sacos furados (furos de mesmo tamanho), um de açúcar e outro de feijão, qual ficará vazio primeiro? O de açúcar, pois as partículas sendo menores se difundirão para fora do saco mais rapidamente do que o feijão. (Heneine, 2000) FORMA: O formato da partícula também influencia na difusão. Algumas formas difundem-se mais rapidamente do que outras e isso pode alterar a dinâmica dos movimentos na solução. A DIFUSÃO de substâncias através da membrana pode ser dividida em dois tipos: SIMPLES e FACILITADA DIFUSÃO SIMPLES: ocorre sem gasto de energia e à favor do gradiente (Fig 7) • • • • O SOLUTO passa por um CANAL PROTÉICO ou através da BICAMADA LIPÍDICA (se for lipossolúvel) Seu movimento segue sempre a 2ª lei da termodinâmica e ele passa de onde a sua quantidade é maior (maior concentração) para onde sua quantidade é menor (menor concentração) Várias moléculas podem passar por canais protéicos desde que sejam moléculas pequenas o suficiente, portanto, quanto maior o diâmetro de uma molécula mais difícil será sua passagem pela membrana Esse processo de transporte não envolve gasto energético, por isso, também pode ser denominado de transporte passivo. DIFUSÃO FACILITADA: ocorre sem gasto de energia e à favor do gradiente (Fig 7) • • • Esse tipo de difusão exige a interação entre uma PROTEÍNA DE MEMBRANA (CARREADORA) e o SOLUTO a ser transportado Tal proteína facilita a passagem do SOLUTO prendendo-se quimicamente a eles e assim transportando-o pela membrana Seu movimento segue sempre a 2ª lei da termodinâmica e ele passa de onde a sua quantidade é maior (maior concentração) para onde sua quantidade é menor (menor concentração) 6
  7. 7. BIOFÍSICA Fisiologia Humana MEMBRANA2006 Profa Juliana do Valle • • Na difusão facilitada o transporte do soluto ocorre numa VELOCIDADE MAIOR que na difusão simples Esse processo de transporte não envolve gasto energético, por isso, também pode ser denominado de transporte passivo. A B C Figura 7: Representação das diferentes formas de transporte passivo: A- difusão através da bicamada lipídica, B- difusão simples; C- difusão facilitada. Quando uma substância é transportada em direção oposta à sua tendência natural, ou seja, "contra o gradiente", tal processo é denominado TRANSPORTE ATIVO. A denominação "ativo" vem do fato de ser necessário gasto de energia para levar uma substância de um lado a outro da membrana contra a sua tendência natural. O TRANSPORTE ATIVO é dividido em PRIMÁRIO e SECUNDÁRIO de acordo com a fonte de energia utilizada para realizar o transporte. TRANSPORTE ATIVO PRIMÁRIO: com gasto de energia e contra o gradiente (Fig 8) • • • • • • O SOLUTO é transportado contra o gradiente com auxílio de uma proteína CARREADORA COM FUNÇÃO DE ATPase (Bomba) Seu movimento é sempre contrário à 2ª lei da termodinâmica e ele passa de onde a sua quantidade é menor (menor concentração) para onde sua quantidade é maior (maior concentração) A energia utilizada no processo é derivada diretamente da quebra de ATP (trifosfato de adenosina) ou de algum outro composto de fosfato de alta energia TRANSPORTE ATIVO SECUNDÁRIO: com gasto de energia e contra o gradiente (Fig 9) O SOLUTO é transportado contra o gradiente e com auxílio de proteína CARREADORA a energia utilizada no processo é derivada da energia que foi armazenada (energia potencial) sob a forma de diferença de concentração criada por TRANSPORTE ATIVO PRIMÁRIO - vide obs. abaixo Existem dois tipos básicos de transporte ativo secundário: o a) COTRANSPORTE (ou SINPORTE) e o b) CONTRATANSPORTE (ou ANTIPORTE) a) O COTRANSPORTE é um mecanismo de transporte ativo através do qual uma substância é transportada contra um gradiente eletroquímico, aproveitando a "carona energética" de uma outra substância que é transportada a favor de seu gradiente eletroquímico, ambas sendo transportadas no mesmo sentido. Ex.: Na+ e glicose (Fig 9) b) O CONTRATANSPORTE é um mecanismo de transporte ativo através do qual uma substância é transportada contra um gradiente eletroquímico, aproveitando a "carona energética" de uma outra substância que é transportada a favor de seu gradiente eletroquímico, sendo as duas substâncias transportadas em sentidos opostos. Ex.: Na+ e H+ (Fig 9) Obs.: Quando um soluto qualquer sofre TRANSPORTE ATIVO PRIMÁRIO através da membrana, suas concentrações ficarão muito diferentes em ambos os lados (um lado ficará hipertônico em relação ao outro). Isso fornece ENERGIA ao sistema no sentido de que a tendência desse soluto será a de difundir-se à favor do seu gradiente de concentração. Nos processos de TRANSPORTE ATIVO SECUNDÁRIO é essa tendência à difusão que fornece energia para o transporte CONTRA o gradiente de concentração. 7
  8. 8. BIOFÍSICA Fisiologia Humana MEMBRANA2006 Profa Juliana do Valle Figura 8: Representação do processo de transporte ativo primário. A B Figura 9: Representação de: A- Cotransporte e B- Contratransporte EXEMPLOS DE TRANSPORTE ATIVO 1. TRANSPORTE ATIVO PRIMÁRIO: 1.1) Na+/K+ - ATPase (ou Bomba de Na+/K+): O LIC das células animais contém concentração de K+ 20x maior do que o LEC. Entretanto, o LEC contém concentração de Na+ 10x maior do que o LIC. Essas diferenças de concentração são estabelecidas através do transporte ativo desses dois íons realizado por uma mesma proteína, denominada, Bomba de Na+/K+. Essa proteína usa energia da quebra do ATP para transportar ativamente 3 íons Na+ para fora da célula e 2 íons K+ para dentro da célula. Ela está presente em todas as células do organismo e contribui para algumas funções vitais que serão discutidas posteriormente. A Na+/K+ - ATPase é um complexo formado por duas proteínas globulares distintas (Fig 10): uma menor (subunidade α) e outra maior (subunidade β). A subunidade α ancora o complexo da BOMBA na membrana lipídica e a subunidade β tem 3 características específicas: a) tem 3 sítios para a fixação de Na+ ; b) tem dois sítios para a fixação de K+ ; c) as porções dessa proteína que ficam próximas aos sítios de fixação têm função de ATPase (enzima com capacidade de quebrar ATP). 8
  9. 9. BIOFÍSICA Profa Juliana do Valle Fisiologia Humana MEMBRANA2006 Figura 10: Representação da subunidade beta da bomba de sódio e potássio, evidenciando os sítios de ligação para o sódio e para o potássio. O FUNCIONAMENTO DA Na+/K+-ATPase: (Fig 11) 1- O sódio presente no interior da célula, ao ligar-se aos sítios de ligação presentes na proteína, ativam a atividade de ATPase da mesma. Isso provoca quebra do ATP com liberação de um grupamento fosfato que se ligará à bomba (processo chamado fosforilação). 2- A fosforilação causa outra alteração estrutural da proteína o que 3- Acaba por liberar os três íons Na+ do lado de fora da célula. 4- "Aproveitando" a alteração da estrutura da proteína (e conseqüente exposição do sítio para o K+) os íons potássio ligam-se ao sítio da bomba. 5- Tal ligação causa desprendimento do grupamento fosfato (defosforilação) e nova alteração estrutural na proteína 6- Com a nova alteração os íons potássio ligados ao sítio da bomba são arrastados para dentro da célula 7- Ocorre então a liberação dos íons potássio e a bomba volta para seu estado inicial. Tal seqüência de acontecimentos é denominada de ciclo de bombeamento do Na+ e K+ e ocorrerá continuamente, desde que haja íons a serem transportados e energia (ATP) disponível. Como os íons transportados pela bomba são eletricamene carregados (ambos são cátions), o transporte contínuo e ininterrupto de três Na+ para fora da célula (três cargas positivas para fora) e dois K+ para dentro (duas cargas positivas para dentro), acaba por gerar um déficit de cargas positivas na face interna da membrana. Assim, quando comparamos a face interna e a face externa da membrana notamos excesso de cargas positivas na face externa e falta de cargas positivas na face interna, o que deixa a membrana num estado POLARIZADO, ou seja, a face externa positiva e a interna negativa (menos positiva). Essa característica da bomba de tornar a membrana polarizada é chamada de função ELETRONGÊNICA, pois gera uma diferença de potencial elétrico entre as duas faces da membrana. 9
  10. 10. Fisiologia Humana MEMBRANA2006 BIOFÍSICA Profa Juliana do Valle Figura 11: Representação esquemática do ciclo de funcionamento da bomba de Na+/K+ (parte superior dos esquemas representa o LEC e inferior o LIC) 2. TRANSPORTE ATIVO SECUNDÁRIO (Fig 12): Quando íons Na+ são transportados para fora da célula (pela bomba de Na+/K+) cria-se grande gradiente de concentração de Na+ (↑ Na+ fora, ↓ Na+ dentro) - esse gradiente representa armazenamento de ENERGIA (energia potencial) visto que o excesso de Na+ fora está sempre tendendo a difundir-se para o interior. Quanto maior a diferença de concentração entre o interior e o exterior, maior a tendência do Na+ entrar na célula por difusão. Em condições apropriadas essa energia de difusão de Na+ (tendência de entrar na célula) pode, literalmente, "puxar" outras substâncias através da membrana - COTRANSPORTE. Para que outras substâncias sejam "puxadas" com o Na+ é necessário um mecanismo de ACOPLAMENTO que é realizado por uma PTN CARREADORA que servirá como um ponto de fixação tanto para Na+ como para outras substâncias. Quando os dois estão ligados ao sistema de acoplamento (ptn carreadora), a energia do gradiente de Na+ altera a conformação da ptn e isso faz com que o Na+ e a outra substância passem para o interior - ex.: GLICOSE No CONTRATRANSPORTE o Na+ fixa-se externamente à ptn CARREADORA e a substância fixa-se na porção interna. Ocorre a alteração conformacional e a energia do gradiente de Na+ levao para DENTRO e a substância para FORA da célula. A B Figura 12: A- Cotransporte e B- Contratransporte 10

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