Biofísica das membranas
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BIOFÍSICA DAS MEMBRANAS: MECANISMOS DE TRANSPORTE E
TRANSDUÇÃO DE SINAIS
DISCIPLINA: FÍSICA E BIOFÍSICA PROFª. MARGARETH MAYER
FUNÇÕES NAS CÉLULAS
As membranas biológicas são essenciais
para a vida pois:
Definem os limites celulares (membrana
plasmática);
Dividem as células em compartimentos
discretos (organelas);
Organizam sequências de reações complexas;
Atuam na recepção de sinais internos e
externos;
Participam de transformações de energia;
ESTRUTURA DAS MEMBRANAS
• COMPARTIMENTALIZAÇÃO DE ORGANELAS E ENZIMAS;
• REGULAÇÃO DO TRANSPORTE;
• DETECÇÃO E TRANSMISSÃO DE SINAIS INTRA E INTERCELULARES.
MODELO DE SINGER & NICHOLSON – MOSAICO FLUIDO
COMPOSIÇÃO
• As membranas são compostas de proteínas e lipídios,
em combinações variáveis que são específicas para
cada espécie, tipo celular e organela;
• A bicamada lipídica é a unidade estrutural básica das
membranas biológicas;
• As bicamadas se organizam nas membranas com
as cadeias de ácidos graxos dos fosfolipídios
orientados para o interior da bicamada
• As interações hidrofóbicas dos lipídios tornam as bicamadas
estruturas estáveis e flexíveis;
• As células necessitam manter a fluidez da membrana constante
mesmo quando as condições externas são alteradas;
• A fluidez depende da temperatura, composição
de ácidos graxos e conteúdo de esterol;
• Os lipídios e a maioria das
proteínas pode se difundir
lateralmente na membrana;
COMPOSIÇÃO - LIPÍDIOS
Molécula ANFIPÁTICA
ESTRUTURA DAS MEMBRANAS
A FLUIDEZ DA MATRIZ LIPÍDICA É AFETADA POR FATORES COMO: CALOR QUE AUMENTA A
ENERGIA CINÉTICA DAS MOLÉCULAS E POR EXCESSO LIGAÇÕES INSATURADAS NOS ÁCIDOS
GRAXOS QUE DIMINUEM A PROXIMIDADE DAS CAUDAS HIDROFÓBICAS.
A TRANSMISSÃO NERVOSA É GERADA PELO
BOMBEAMENTO DE ÍONS. QUANDO A MEMBRANA
É MUITO FLÚIDA ISSO INTERFERE COM OS
CANAIS IÔNICOS (PROTEÍNAS TRANSMEMBRANA)
E EVITAM A PASSAGEM RÁPIDA DE ÍONS. ESSE
É O MECANISMO DE AÇÃO DE ANESTÉSICOS
LOCAIS COMO A LIDOCAÍNA.
As proteínas de membrana são de dois tipos: INTEGRAIS E
PERIFÉRICAS;
As proteínas integrais estão ligadas firmemente à membrana,
enquanto as proteínas periféricas ligam-se mais frouxamente;
As proteínas de membrana estão inseridas na bicamada
lipídica com ladeamento específico (assimetria estrutural) o
que torna a membrana funcionalmente assimétrica;
COMPOSIÇÃO - PROTEÍNAS
ESTRUTURAS FUNCIONAIS
ESTRUTURAS FUNCIONAIS
ESTRUTURAS FUNCIONAIS
PERMEABILIDADE DAS MEMBRANAS-
TRANSPORTE E DIFUSÃO
POROS SÃO FORMADOS POR PROTEÍNAS
INTEGRAIS, HIDROFÓBICAS JUNTO À MATRIZ
LIPÍDICA E HIDRÓFILAS NO INTERIOR –
PERMITEM A PASSAGEM ÁGUA
E SUBSTÂNCIAS HIDROSOLÚVEIS
A bicamada lipídica é impermeável a substâncias polares;
Substâncias polares cruzam as membranas biológicas apenas através
de interação com moléculas específicas;
Proteínas podem formar canais iônicos que apresentam poros
hidrofílicos através dos quais íons selecionados podem se difundir,
movimentando-se na direção de seus gradientes eletroquímicos
Proteínas transportadoras específicas
(transportadores) podem movimentar íons
e compostos através das membranas
biológicas;
O transporte através dessas proteínas
pode ser passivo (independente de energia
metabólica) ou ativo (dependente de
energia metabólica);
TRANSPORTE E DIFUSÃO
AS MEMBRANAS SÃO MUITO HIDROFÓBICAS ENTÃO, COMO A ÁGUA E AS MOLÉCULAS
HIDROSSOLÚVEIS A CRUZAM ? EXISTEM TRÊS PRINCIPAIS FORMAS:
DIFUSÃO SIMPLES: SUBSTÂNCIAS PASSAM POR SIMPLES DIFUSÃO (NÃO MEDIADA)
IMPULSIONADAS PELO GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO;
DIFUSÃO FACILITADA : O TRÂNSITO OCORRE COM A AJUDA DE PROTEÍNAS DA MEMBRANA,
MAS IMPULSIONADAS PELO GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO;
TRANSPORTE ATIVO: O TRÂNSITO OCORRE COM A AJUDA DE PROTEÍNAS DA MEMBRANA
CONTRA O GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO.
DIFUSÃO SIMPLES: SUBSTÂNCIAS DE BAIXO
PESO MOLECULAR E SEM CARGA ELÉTRICA
COMO GASES E PEQUENAS MOLÉCULAS
ORGÂNICAS COMO:
• O2
• CO2
• ALCOOL
• ANESTÉSICOS
• PESTICIDAS
PERMEABILIDADE DAS MEMBRANAS
TRANSPORTE E DIFUSÃO
A TAXA DE DIFUSÃO DEPENDE:
• DO GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO
ENTRE O MEIO INTERNO E O EXTERNO
•DO TAMANHO DA MOLÉCULA
•DA SOLUBILIDADE DA MOLÉCULA NA
MATRIZ LIPÍDICA
•DA VISCOSIDADE DA FASE HIDROFÓBICA
•DA ESPESSURA DA MEMBRANA.
A VELOCIDADE DO FLUXO É DESCRITO PELA
LEI DE FICK QUE RELACIONA OS SEGUINTES
PARÂMETROS:
dN ⁄ dt = − D A ∆C ⁄ x
dN ⁄ dt = TAXA DE DIFUSÃO POR UNIDADE DE ÁREA
D= COEFICIENTE DE DIFUSÃO
A =ÁREA
∆C= VARIAÇÃO DE CONCENTRAÇÃO
X = ESPESSURA DA FASE HIDROFÓBICA
O SINAL NEGATIVO INDICA O MOVIMENTO DO LADO MAIS
CONCENTRADO PARA O MAIS DILUÍDO.
BIOFÍSICA DAS MEMBRANAS
DIFUSÃO FACILITADA – PORO
ESPECÍFICO PARA A ÁGUA – CANAL
HIDROFÍLICO - SELETIVIDADE PELO
TAMANHO
DIFUSÃO FACILITADA DIFERE DA DIFUSÃO SIMPLES POR:
• ENVOLVE A AÇÃO DE UMA MOLÉCULA DE PROTEÍNA ESPECÍFICA
• EXISTE ESPECIFICIDADE PARA A MOLÉCULA TRANSPORTADA EX. NÃO PASSA ALCOOL
• MAIS RÁPIDA E APRESENTA CINÉTICA DE SATURAÇÃO
• PODE SER REGULADO
• MOLÉCULAS CARREGADAS DIFUNDEM A UMA TAXA MENOR E NÃO OBEDECEM À LEI DE
FICK POIS RESPONDEM A DOIS GRADIENTES, O ELÉTRICO E O DE CONCENTRAÇÃO. EXISTE
UM POTENCIAL ELÉTRICO ENTRE OS LADOS DA MEMBRANA SE NDO NEGATIVO O
POTENCIAL DO LADO INTERNO DA MEMBRANA . ESSE POTENCIAL É MENOR EM CÉLULAS
ANIMAIS -50 mV, QUE NAS CÉLULAS DE PLANTAS -200 mV. OS ÍONS DIFUNDEM POR CANAIS
IÔNICOS IMPULSIONADOS PELO GRADIENTE ELETROQUÍMICO.
• ESSES CANAIS SÃO ALTAMENTE SELETIVOS
• A DIFUSÃO DO SÓDIO ATRAVÉS DA MEMBRANA É FACILITADA POR UM CANAL IÔNICO
SELETIVO PELO TAMANHO DO PORO E CARGAS ELÉTRICAS EM AMINO ÁCIDOS DENTRO DO
PORO.
• K+ É MUITO GRANDE PARA PASSAR E O Cl− É MUITO NEGATIVO. O Li+ PASSA POIS É
MENOR QUE O Na+. ELE É USADO PARA TRATAMENTO DE TRANSTORNOS MANÍACO
DEPRESSIVOS QUE SÃO CAUSADOS POR PROBLEMAS NOS CANAIS DE Na+ e K+.
BIOFÍSICA DAS MEMBRANAS
ÍON CÉLULA
(mM)
SANGUE
(mM)
K+ 139 4
Na+ 12 145
Cl− 4 116
Ca2
+ 0.0002 1.8
BIOFÍSICA DAS MEMBRANAS
TRANSPORTE ATIVO A CONCENTRAÇÃO DE ÍONS ATRAVÉS DA MEMBRANA
NÃO ESTÁ EM EQUILÍBRIO TERMODINÂMICO – A CÉLULA
GASTA ENERGIA (ATP) PARA MANTER ESSES GRADIENTES.
TRANSPORTE ATIVO DIFERE DA DIFUSÃO FACILITADA EM :
BOMBEIA MOLÉCULAS CONTRA GRADIENTE ELETROQUÍMICO
REQUER CONSUMO DE ENERGIA
É SEMELHANTE EM:
PRECISA DE PROTEÍNAS ESPECÍFICAS COMO CARREADORAS
A ATPase (Na+/k+) EXPORTA 3 NA+ E IMPORTA 2 K+
ATRAVÉS DA MEMBRANA POR ATP. OS ÍONS SÃO
TRANSPORTADOS CONTRA GRADIENTE
ELETROQUÍMICO. ESSA BOMBA MULTIFUNCIONAL
É A PRINCIPAL GERADORA DO POTENCIAL
DA MEMBRANA EM CÉLULAS ANIMAIS.