Aula 13 Sebenta Bq

Aula 13 – Transporte Biológico

Gradientes Importantes em Fisiologia

Figura 13.1 – Gradientes mais importantes na Fisiologia.

Permeabilidade selectiva das bicamadas lipídicas A permeabilidade selectiva das biomembranas para pequenas moléculas permite que a célula mantenha a sua composição interna. A maioria das moléculas polares difunde-se para dentro das células muito lentamente ou nem se difunde, enquanto que as moléculas não-polares se difundem mais rapidamente através das membranas plasmáticas. A razão para isso acontecer é que as moléculas não-polares podem dissolver-se nas regiões não-polares da membrana – regiões ocupadas pelas cadeias de ácidos gordos dos fosfolípidos da membrana. Ao contrário, as moléculas polares têm uma solubilidade muito menor nos lipídos da membrana.

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Ou seja: •

O aumento da lipossolubilidade de uma substância aumentará o número de moléculas dissolvidas na membrana lipídica e com isso aumenta o seu fluxo através da membrana.

Sistemas de Transporte Passivo Como se vê na imagem 13.2, através da membrana podem passar pequenas moléculas sem carga (por ex. oxigénio e dióxido de carbono) e pequenas moléculas polares não carregadas (como a água e o etanol), além das tais moléculas hidrofóbicas. Moléculas de maiores dimensões polares e não carregadas, como por exemplo a glucose, não podem passar. Os iões também não podem passar através da membrana.

Figura 13.2 – Permeabilidade da bicamada lipídica.

O transporte das moléculas pequenas sem carga faz-se por transporte passivo, mais precisamente por difusão simples (dá-se só através da bicamada podendo a permeabilidade ser prevista pela solubilidade de S 2

em lipídos). Este transporte faz-se a favor do gradiente químico, utilizando este gradiente como fonte de energia para o mesmo transporte. Embora as moléculas polares grandes e os iões não possam passar “oficialmente” pela membrana, eles fazem-no, através de Difusão Facilitada. Este transporte faz-se através de proteínas membranares específicas que actuam como transportadoras e que vão determinar a permeabilidade

selectiva

das

biomembranas.

As

proteínas

transportadoras têm várias regiões de cruzamento na membrana que formam uma passagem (um canal hidrofílico) através da bicamada lipídica permitindo que moléculas polares ou carregadas atravessem a membrana através de um poro proteico sem interagir com as cadeias hidrofóbicas dos ácidos gordos dos fosfolípidos da membrana. A energia de activação para o transporte baixa visto que as moléculas passam a ter acesso a um meio hidrofílico que é propício à sua passagem. Por Difusão Facilitada podem passar pela bicamada, moléculas como por exemplo, açúcares, aminoácidos, nucleósidos, iões. Existem dois tipos de proteínas transportadoras da membrana : as proteínas de canal (canais proteicos ) e as “carrier proteins” ou proteínas transportadoras. As “carrier proteins” ligam-se selectivamente a pequenas moléculas específicas (como por exemplo a molécula de glucose), transportandoas. Estas proteínas agem como enzimas para facilitar a passagem de moléculas

específicas através

moléculas

específicas,

as

das membranas.

“carrier

proteins”

Ao ligarem-se sofrem

a

mudanças

conformacionais que abrem os canais através dos quais a molécula a ser transportada pode passar a membrana e ser libertada do outro lado.

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Figura 13.3 – Mecanismo das proteínas transportadoras. Há uma alternância entre 2 estados conformacionais. Este é um mecanismo reversível. As moléculas transportadas por canais ou por “carrier proteins” atravessam a membrana na direcção energeticamente favorável, como determinado pelos gradientes de concentração e electroquímico. As “carrier proteins” também prevêem um mecanismo, pelo qual as mudanças de energia associadas com o transporte de moléculas através das membranas, podem estar associadas ao uso ou produção de outras formas de energia metabólica, assim como as reacções enzimáticas podem estar acopladas à hidrólise ou síntese de ATP. Já os canais proteicos formam poros abertos na membrana, permitindo a difusão livre de moléculas de tamanho e carga apropriada.

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Figura 13.4 – Mecanismo de funcionamento dos canais proteicos. Os canais iónicos, por exemplo, permitem a passagem de iões inorgânicos, como o Na+, K+, Ca2+ e Cl-, através das membranas. Este tipo de transporte é muito rápido e altamente selectivo. Eles estão muito presentes no nervo e no músculo. Podem ser activados por ligandos (neurotransmissores) ou por voltagem.

Figura 13.5 – Este tipo de transporte é muito selectivo. Os poros destes canais não estão permanentemente abertos, eles alternam entre o estado aberto ou fechado em resposta a sinais

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extracelulares, permitindo à célula controlar o movimento de iões através da membrana (regulando assim o potencial de membrana).

Nos anos 80, foi desenvolvida uma técnica que permite monitorizar as propriedades de canais iónicos individualizados. A técnica, conhecida como Patch Clamp, envolve a colocação da ponta de uma pipeta de vidro numa pequena região da superfície da membrana plasmática e a aplicação de uma leve sucção, de modo a que um retalho de membrana fique selado nas bordas da pipeta e permaneça aí quando a pipeta é tirada. Visto que os iões têm uma carga eléctrica, o fluxo de iões através de um canal iónico nesse retalho produz uma corrente eléctrica que pode ser monitorizada. Verificou-se que: •

O fluxo decorrente era intermitente  corresponde à abertura e fecho do canal iónico;

•

A amplitude da corrente dependia do grau de permeabilidade do canal.

Ou seja, esta técnica permite acompanhar o comportamento de um único canal no decorrer do tempo.

Gradientes de iões e potencial de membrana Todas as células em condições de repouso têm uma diferença de potencial entre um lado e outro das suas membranas plasmáticas, com o lado de dentro negativamente carregado em relação ao lado de fora – este é o chamado potencial de membrana. Geralmente, a magnitude do potencial de membrana de células em repouso é de – 60 mV.

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A magnitude do potencial de repouso da membrana é determinada principalmente por dois factores: •

Diferenças nas concentrações iónicas específicas entre os líquidos intra e extracelular;

•

Diferenças nas permeabilidades da membrana aos diferentes iões, os quais reflectem o número de canais abertos para os diferentes iões na membrana plasmática.

Podem haver mudanças no potencial da membrana, por exemplo de membranas excitáveis, por obra de um estímulo nervoso  Potencial de acção. Os potenciais de acção ocorrem nessas membranas porque essas membranas possuem canais de sódio dependentes de voltagem e canais de potássio também dependentes de voltagem. À medida que a célula despolariza, os canais de sódio dependentes de voltagem abrem-se, causando uma retroalimentação positiva que abre mais canais de sódio dependentes de voltagem e move o potencial de membrana em direcção ao potencial de equilíbrio do sódio. O potencial de acção termina quando os canais de sódio se fecham e os canais de potássio se abrem, restabelecendo a condição de equilíbrio.

Sinalização por neurotransmissor

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Selectividade dos canais de Na+

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Selectividade dos canais de K+

Sistemas de Transporte Activo Estes sistemas transportam substâncias contra o seu gradiente químico ou electroquímico, utilizando outra fonte de energia para esse transporte. •

Transporte Activo Primário o Bombas – utilizam como fonte de energia o ATP celular e acoplam o movimento das espécies à hidrólise 1 ATP, dando origem a gradientes.

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Exemplos: •

Bomba de Na+/K+ - retira Na + e introduz K+ nas células criando gradientes. K+ muito concentrado no meio intracelular e Na+ no extracelular.

•

Bomba de Ca2+ - Retira Ca2+ do citoplasma

•

Bomba de H+ - Retira H+ do citoplasma.

A Bomba de Na+/K+ é uma forma de transporte activo primário. Alguns factos a reter sobre esta bomba: •

A bomba utiliza cerca de 25% do ATP das células animais;

•

Uma consequência dos gradientes de Na+ e K+ é a propagação de sinais eléctricos no nervo e no músculo (como visto anteriormente – potenciais de acção);

•

O papel da bomba é manter o equilíbrio osmótico;

•

O gradiente de Na+ formado pela bomba é utilizado como energia para outros transportes activos.

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Figura 13.6 – Bomba Na+/K+. Há hidrólise de 1 ATP. 3 Na+ são libertados para fora e 2 K+ libertados para dentro da célula. •

Transporte Activo Secundário o Sistemas Dissipadores -

utilizam uma fonte de energia

secundária que deriva directamente da actuação das bombas. Dissipam gradientes iónicos criados após actuação das bombas, acoplando o movimento a favor do gradiente desses iões ao movimento contra o gradiente da espécie S a transportar. Exemplos: •

Simporte – ou Cotransportadores – Quando ião e S vão na mesma direcção.

•

Antiporte – ou contransportadores – Quando ião e S vão em direcções opostas.

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Figura 13.7 – Exemplos de Transporte Activo. O transporte de substâncias como a glucose, é feito por transporte activo secundário utilizando a energia produzida pelo gradiente de sódio (formado pela bomba), para a transportar contra o seu gradiente de concentração. Este sistema é responsável pela absorção de glucose no lúmen intestinal. Ao se ligar, transporta 1 molécula de glucose e 2 de Na+ para dentro da célula – SIMPORTE. Neste caso, a glucose passa do lúmen intestinal para as células epiteliais do intestino através de uma proteína

específica

Na+-glucose

localizada

na

face

apical

das

membranas das microvilosidades.

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Figura 13.8 – Fenómeno de Simporte. Um exemplo do antiporte é o do Ca2+/ Na+ nas células cardíacas.

Aquaporinas

Os órgãos tubulares como o intestino ou o rim, que têm como função absorção

ou

secreção,

têm

uma

distribuição

assimétrica

de

transportadores. No rim existem aquaporinas que são um grupo de proteínas de membrana que formam canais através dos quais a água se pode difundir. A existência destas aquaporinas no rim é essencial para que haja reabsorção de água (há reabsorção conjunta de Na+ também, visto que só assim se poderá manter o balanço osmótico normal, de modo a que seja controlado o volume da célula).

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Estrutura do Canal de Água

Figura 13.9 – Estrutura da aquaporina.

- AQP1 – Tetrâmero em que os monómeros estão muito empacotados.

- Há um canal em cada monómero e estes estão paralelos uns aos outros (4 canais por aquaporina).

- Cada monómero tem 6 hélices α que atravessam totalmente a membrana e 2 meias hélices.

- As 2 hélices (amarela e verde, na imagem com fundo escuro) encontram-se no centro do canal encontram-se no centro do canal, formando dipólos + -.

- AQP1 – selectivo para H20, excluindo iões bem como todas as moléculas de diâmetro superior ao da H20.

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Regulação do Transporte Celular

Figura 13.10 – Regulação do transporte celular por vários factores, tais como hormonas, pressão, etc.

Vanessa Leonardo

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