O documento resume os principais conceitos sobre membranas biológicas, incluindo sua estrutura, propriedades e funções. Aborda tópicos como modelos de membranas, transporte iônico, potencial de membrana, canais iônicos, bomba de sódio-potássio, potencial de ação e transmissão sináptica.
2. Objetivos
●
Revisar propriedades básicas das membranas biológicas
● Conceituar compartimentalização e descrever o papel termodinâmico das membranas
●
Descrever e esquematizar modelos de membranas biológicas
●
Diferenciar as ligações químicas prevalentes nas membranas biológicas
● Descrever os poros e canais, exemplificando algumas de suas propriedades e funcionamento
● Descrever o princípio de transporte em zonas de difusão facilitada e sua cinética de transporte
●
Diferenciar gradientes elétrico e osmótico, calculando energia e resultante desses gadientes
3. Processos de troca celular
https://dfs.vwi.com.br/publicacao/download/id/1794
4. Difusão
●
Movimento aleatório de partículas em uma solução, resultante da energia
interna das próprias partículas
●
Irreversível
● A difusão tende a levar as partículas de regiões de maior concentração para
regiões de menor concentração (i.e., a favor do gradiente de concentração),
até atingir o equilíbrio.
● A taxa de difusão depende de fatores como diferença de concentração,
tamanho e carga elétrica das partículas, área de superfície e permeabilidade
da barreira entre os compartimentos, distância, temperatura.
https://dfs.vwi.com.br/publicacao/download/id/1794
6. Compartimentalização
A)Trocas de energia e matéria livres em espaço livre
B)A presença de uma barreira qualquer seleciona o trânsito pelo tamanho, mas pode
haver passagem livre pelos lados
C)Se parte do espaço é completamente envolvido pela barreira, temos dois
compartimentos; as trocas se fazem obrigatoriamente através da barreira
Heneine, 2010
7. Compartimentalização
● Estabelecimento de duas regiões no espaço,
separadas fisicamente por uma barreira e
funcionalmente por um trânsito seletivo
● “Sem compartimentação, não há seres vivos. A
estrutura fundamental para a
compartimentação, nos seres vivos, é a
membrana biológica”
8. Membranas biológicas
● Estabelecem um gradiente entrópico entre interior (entropia
baixa) e exterior da célula (entropia alta), permitindo que o
interior mantenha-se em estado estacionário
● Bicamadas lipídicas
– Membrana plasmática
● Membrana celular
● Envelope nuclear
● Complexo de Golgi
– Membranas mitocondriais
– Membranas de lisossomos
9. Modelos estruturais da membrana
A)Membrana paucimolecular (Davson e Danielli): dupla camada
lipídica, com proteínas globulares adjacentes aos terminais
hidrofílicos
B)Membrana unitária (Roberston): Proteína “esticada”, cada cadeira
polipeptídica associada aos lipídios
C) e D) Modelo de mosaico fluido (Singer e Nicholson): Proteínas de
membrana engastadas na bicamada; fluidez condicionada pelos
tipos de ligação intermoleculares na membrana
Heneine, 2010
10.
11. Estrutura eletrostática da membrana
● Em relação ao meio extracelular e ao citoplasma, a
membrana celular apresenta resistência elétrica alta e
constante dielétrica baixa
● A membrana é uma interface hidrofóbica extremamente
fina que isola duas fases aquosas
● A membrana é um capacitor
12.
13. Capacitância e separação
de cargas
● Como a membrana têm propriedades de
capacitância, é capaz de separar cargas
● Essa separação de cargas produz uma
diferença de potencial através da
membrana
● A alta capacitância da membrana implica
que uma pequena quantidade de
separação de cargas é suficiente para
gerar uma grande diferença de potencial
Glazer, 1999
14. Potencial eletrostático
da membrana
●
Pontos de descontinuidade na força
do campo podem ocorrer, com uma
reversão da direção do campo.
– A razão para essas descontinuidades
são as cargas de superfície nos limites
da fase (camada de Helmholtz).
●
As cargas fixas na superfície da
membrana devem ser consideradas
cargas em um espaço, não em uma
superfície.
15. Potencial eletrostático da
membrana
● O potencial eletrostático influencia todas as
moléculas polares, ou polarizáveis, em sua
região de influência.
● A DESPOLARIZAÇÃO de uma célula excitável
altera o potencial de difusão Δψ, e a
modificação resultante na força do campo muda
a permeabilidade de canais de sódio e potássio,
que influenciam o potencial de membrana.
17. Permeabilidade seletiva:
Poros ou canais
● A energia necessária para inserir um íon em uma
bicamada lipídica é tão grande que esperaríamos que
a membrana fosse impermeável a íons
● Experimentalmente, a permeabilidade a cátions e
ânions é finita
● Essa permeabilidade é mediada por CANAIS
IÔNICOS que produzem condutâncias (Gi
)
18. Poros ou canais
● Podem ou não possuir carga
– A carga se origina de grupos laterais de proteínas
– A natureza da carga seleciona íons:
● Canais positivos repelem cátions e deixam passar ânions
● Canais negativos repelem ânions e deixam passar cátions
● Alguns canais possuem, além da barreira da carga, um ou mais portões que se abrem sob
comando
– Canais iônicos regulados por ligantes
– Canais iônicos regulados por voltagem
● Substâncias sem carga não são permeáveis por substâncias sem carga
● Os canais sem carga devem ser considerados flutuações mecânicas das moléculas vizinhas,
que se afastam pela pressão das substâncias que possuem passagem livre pela membrana
21. Seleção por volume
● O volume hidratado dos íons também é um mecanismo
de seleção; os canais permitem a permeação de íons
até determinado tamanho
22. Concentração dos íons
e direção de transporte
● O trânsito, nos canais, é passivo, seguindo o gradiente de concentração
● O movimento do íon na direção de seu gradiente de concentração produz
um aumento na ΔΨ através da membrana
● Eventualmente, um campo elétrico forte irá impedir a difusão posterior do
íon A
● Assim, o íon A está sujeito a duas forças opostas: o gradiente de seu
potencial químico e uma força eletrostática opositora que surge como
resultado de sua própria difusão.
23. Exemplo 1
● Uma solução de KCl 10 mM no lado 1 e 1 mM no lado 2
● A membrana hipotética só é permeável ao potássio
● O KCl é eletricamente neutro (i.e., nas condições iniciais o
número de cátions e ânions em cada compartimento é igual).
POR ISSO, A DIFERENÇA DE CARGAS ATRAVÉS DA
MEMBRANA É ZERO
24. Exemplo 1
1. Os canais de potássio estão fechados (GK+
= 0)
– O movimento térmico dos íons fará com que eles se movimentem, mas não cruzam
a membrana
2. Os canais se abrem
– O movimento do potássio segue o potencial químico (gradiente de concentração)
– Quando um íon potássio atravessa a membrana, deixa para trás um íon cloreto,
aumentando a carga positiva do lado A e a carga negativa do lado B
3. Esse movimento gera uma nova força eletrostática não-aleatória
– Essa força age sobre os íons, que opõe o movimento na direção do gradiente
– Essa separação de cargas produz um potencial ( V = Q/C) que aumenta até que o
equilíbrio seja alcançado
25. Fluxos iônicos
● O fluxo total de íons é uma função dos gradientes elétricos e
químicos
● Os íons são atraídos para o lado de carga oposta com uma
Energia Elétrica (EE
) igual a
– n = valência do íon
– ΔΨ = diferença de potencial entre os lados da membrana
– F = constante de Farady (9,65 x 104
C·mol-1
)
26. Fluxos iônicos
● O gradiente de concentração (gradiente osmótico)
empurra os íons com a Energia Osmótica (EO
) de
– R = Constante Universal dos Gases (8,31 J·K-1
·mol-1
)
– T = Temperatura absoluta (em K)
– C1
= Concentração de origem
– C2
= Concentração de destino
28. Em equilíbrio...
● A 37 ºC, para íons monovalentes, usando log
decimal, a equação se reduz para
● Voltando ao exemplo 1
29. Exemplo 2
● A célula ao lado tem
potencial de -85 mV
● Os números representam a
concentração iônica em
moles
● Vamos calcular o potencial
de equilíbrio para esses íons
31. Vamos verificar alguns parâmetros
da equação de Nernst
http://www.nernstgoldman.physiology.arizona.edu/
32. Equação de Goldman-Hodgkin-Katz
● Uma das consequências do exemplo 2 é que o potencial da célula
resulta do somatório de vários íons
●
A membrana celular das células excitáveis é permeável a mais de
um tipo de espécie iônica através de CANAIS específicos
● Assim, a situação j = 0 não depende do gradiente de concentração
de um único íon, mas de outros íons permeantes e de suas
permeabilidades relativas
● Ou seja, temos que considerar os fluxos individuais jNa
, jK
, jCl
, etc.
33. Equação de Goldman-Hodgkin-Katz
● onde PA
é permeabilidade para um dado íon e a
concentração é determinada dentro e fora da célula
● Voltaremos a essa equação quando falarmos sobre
mudanças de potencial
34. Trabalho realizado
no gradiente eletroquímico
● Quando o trabalho de transporte é máximo, EE
e EO
representam a mudança de energia livre
do sistema
● O trabalho ΔGT
realizado no transporte é a
soma algébrica dessas energias
35. Voltando ao exemplo 2
● No caso da célula anterior, qual seria o trabalho de expulsar o íon sódio,
a 37 ºC?
– Qual a direção do gradiente elétrico? Qual a direção do gradiente osmótico?
Qual a direção favorecida do movimento?
● No caso do íon potássio, o cálculo para a expulsão seria
– Qual a direção do gradiente elétrico? Qual a direção do gradiente osmótico?
Qual a direção favorecida do movimento?
37. Alguns tipos de canais iônicos
● CANAL DE K+
DE VAZAMENTO (passivos) – DETERMINA O POTENCIAL DE REPOUSO,
comum a todas as células excitáveis ou não. É encontrado em toda a membrana plasmática.
● CANAL DE Na+
DEPENDENTE DE VOLTAGEM – permite fase de DESPOLARIZAÇÃO do
potencial de ação. É encontrado apenas ao longo do axônio.
● Canal de K+
dependente de voltagem – permite rápida REPOLARIZAÇÃO do neurônio de volta
ao potencial de repouso.
●
Canal de Na+
dependente de estímulo mecânico – presente nas células receptoras do tato.
● CANAIS DEPENDENTES DE LIGANTE – são abertos apenas na presença de uma determinada
molécula.
38. Outras proteínas de membrana
envolvidas no potencial
●
Bomba de sódio/potássio: Retira 3 ÍONS Na+
para o meio extracelular E joga para o citoplasma 2 ÍONS K+
.
● ELETROGÊNICA: gera UMA CONCENTRAÇÃO ALTA DE K+
E BAIXA DE Na+
no citoplasma.
43. Eventos eletroquímicos na geração
do potencial de ação
Canais de vazamento
Bomba de Na+
/K+
Abertura de canais de Na+
Abertura de canais de K+
Canais de vazamento
Bomba de Na+
/K+
45. Eventos eletroquímicos na geração
do potencial de ação
● A abertura dos canais implica na mudança
da permeabilidade (P)
● Voltemos à simulação, na equação GHK
(http://www.nernstgoldman.physiology.arizona.edu/)
49. Integração sináptica
● Os neurônios recebem muitas
informações provenientes de
outros neurônios que se conectam
com seu CORPO CELULAR ou
com seus DENDRITOS.
● Estes contatos entre neurônios
diferentes são pontos onde a
informação neural é repassada de
uma célula para outra.
● Tais contatos são as chamadas
SINAPSES.