Profa. Dra. Eliane ComoliDepto de Fisiologia da FMRP-USP

Transporte através da Membrana

ROTEIRO DE AULA TEÓRICA: TRANSPORTE ATRAVÉS DE MEMBRANAS E OSMOSE

1. Constituição da Membrana Plasmáticaa. proteínas transmembrana: canais iônicos, proteínas transportadorase receptores celulares

2. Mecanismos de transporte através das membranasa. transporte passivo: difusão simples e facilitada, e suas propriedades(gradiente de concentração);b. transporte ativo e a bomba de sódio e potássio;c. transporte transepitelial

3. Osmose e equilíbrio osmótico

4. Tonicidade

5. Distribuição dos solutos nos fluidos corporais

Membrana Celular

A membrana celular é barreira que separa o compartimento intracelular dos sinais exteriores da célula (do compartimento extracelular).

Funções gerais: isolamento físicoregulação de trocas com o meiocomunicação entre célula e o meio suporte estrutural com o citoesqueleto e junções especializadas

entre células adjacentes

Modelo de Mosaico Fluido da Membrana

A membrana consiste da bicamada de fosfolipídeos com uma variedade de proteínas inseridas parcial ou completamente na bicamada; carboidratos encontram-se na superfície externa.A razão entre proteínas e lipídeos varia amplamente dependendo da origem da membrana.

Constituição das Membranas

Proteínas das Membranas

A composição da membrana confere suas características de sua permeabilidade.

Proteínas Transmembrana

Proteínas transmembrana podem mover-se lateralmente direcionadas por fibras do citoesqueleto; algumas são imóveis.Essa restrição confere polaridade à membrana, portanto diferentes propriedades.

Transportadores: Proteínas de Canais

Os canais de íons podem ser específicos para um ou mais íons; podem permitir que íons de tamanho e carga similares passem.A seletividade do canal é dada pelo diâmetro e pelos aminoácidos que compõem o canal.

Estados dos Canais Proteicos

Os canais podem ser classificados em abertos ou fechados.Abertos passam a maior parte do tempo aberto permitindo que íons se movam sem restrições (poros = passagem contínua).Fechados permitem regulação do movimento das moléculas entre o fluido intracelular e extracelular (estados: fechado, aberto e inativo).

canal aberto canal fechado

estado fechado estado aberto estado inativo

O controle desses canais é feito por:

a) moléculas mensageiras intracelulares ou por ligantes extracelulares (quimicamente sensível);

b) por estado elétrico da célula (eletricamente sensível);

c) por mudança física (ex: mudança de temperatura ou tensão.

O que controla a abertura e fechamento de canais?

Transportadores: Proteínas Carreadoras

Proteínas carreadoras possuem sítios de ligações específicos para determinados substratos. “Formam canais com duas portas” (2 portões de barreira entre os meios intra e extracelulares = lentificação do transporte).Não criam passagem contínua como os canais iônicos.

Membrana Celular divide a parte interna

do corpo em Compartimentos:fluido intracelular e fluido extracelular

Comportamento dos Fluidos Corporais através das Membranas

Movimento através das Membranas

Água, oxigênio, dióxido de carbono e lipídeos movem-se facilmente através das membrana.

Íons, moléculas polares muito grandes como as proteínas encontram dificuldades de atravessar a membrana.

Permeabilidade da MembranaSe uma molécula cruza a membrana por qualquer via = a membrana é permeável à essa molécula.

Se uma molécula não cruza a membrana = a membrana é impermeável à essa molécula.

Propriedades da Molécula que influenciam o movimento através da membranaTamanho da moléculaSolubilidade em lipídeos (polaridade)

Mecanismos de transporte através da Membrana

Transporte Passivo através da Membrana

É um processo passivo não exige gasto de energia de outra origem (como ligações de fosfato provenientes do ATP),usa apenas a energia cinética das moléculas.

Fluid mosaic and Membrane Transport

https://www.youtube.com/watch?v=mnE_hT3eN6g

Membrane Transport

https://www.youtube.com/watch?v=I1MZG6508IM

Difusão de Cristais de Permanganato de Potássio em Água

A difusão é processo de movimentação de moléculas a partir de uma área de maior concentração para uma área de menor concentração.

Espalhamento gradual das moléculas no espaço

Propriedades da Difusão

a) Existência de Gradiente de concentração;

b) É um processo passivo, pois não exige gasto de energia de outra origem (como ATP),usa apenas a energia cinética das moléculas;

c) Ao se equalizar as concentrações há equilíbrio e a difusão para;

d) A difusão é rápida em distâncias curtas e mais lenta em distâncias maiores;

e) Está diretamete relacionada com temperatura;

f) A difusão é inversamente proporcional ao tamanho da molécula;

g) A difusão pode acontecer em um sistema aberto ou através de uma separação entre dois sistemas.

A difusão é interrompida quando as concentração dos dois meios se equalizam, atingindo o equilíbrio.

A difusão pode ocorrer entre dois diferentes sistemas como o compartimento intracelular e extracelular, mas somente se a barreira entre os dois compartimentos permitir a difusão das moléculas.

Substâncias que conseguem atravessar o centro lipídico da membrana celular move-se por difusão. A difusão direta através da bicamada fosfolipídica de uma membrana é denominada difusão simples.

Propriedades da Difusão Simples através da Membrana Celular

a) A taxa de difusão depende da capacidade da molécula de se dissolver na camada lipídica da membrana: molécula lipofílica;

b) A taxa de difusão através da membrana é diretamente proporcional à área de superficie da membrana (quanto maior área de superfície mais moléculas podem se difundir por unidade de tempo; ex doença enfisema pulmonar reduz a área de superfície disponivel.

c) A taxa de difusão através da membrana é inversamente proporcional à espessura da membrana.

Lei de Difusão de Fick: a taxa de difusão é proporcional à

área de superfície disponível x gradiente de concentração resistência da membrana x espessura da membrana

As propriedades podem ser combinadas matematicamente pela lei de Fick

Transporte mediado por carreadores pode ser passivo ou ativo

O transporte por carreador for passivo as moléculas movem-se a favor do seu gradiente de concentração e para quando o equilíbrio é estabelecido = difusão facilitada.

O transporte por carreador precisa de energia proveniente do ATP e as moléculas movem-se contra o seu gradiente de concentração = transporte ativo.

Transporte mediato passivo ou ativo apresentam 3 propriedades pois dependem da interação do substrato com uma proteína: especificidade, competição e saturação.

Transporte de hexoses (glicose, manose, galactose e frutose) pelo transportador GLUT. Os GLUTs são específicos para monossacarídeos de 6 carbonos; não transportam dissacarídeos como a maltose.

1) Especificidade por moléculas intimamente relacionadas.

Propriedades do Transporte mediato passivo ou ativo

2) Competição: propriedade intimamente relacionada à especificidade.

Cada um dos tipos de transportadores GLUT apresentam preferência por uma das hexoses baseada na afinidade da ligação. No exemplo a afinidade é maior pela glicose que a galactose = redução da taxa de transporte de galactose quando a glicose é adicionada.

Inibição Competitiva: a molécula competidora não é transportada, porém bloqueia o transporte. Maltose compete pelo sítio de ligação, mas é grande demais para ser transportada através da membrana.

Propriedades do Transporte mediato passivo ou ativo

3) Saturação

Ocorre quando os carreadores estão transportando o substrato em sua taxa máxima. A saturação depende da concentração do substrato e do número de moléculas carreadoras disponíveis.

Propriedades do Transporte mediato passivo ou ativo

Como as células podem impedir que o transporte chegue à saturação?

Em algumas circunstâncias as células podem inserir carreadores adicionais nas membranas.

Em outras as células podem retirar para diminuir o movimento de uma molécula para dentro ou fora da célula.

O transporte da glicose tende ao Equilíbrio, mas as células podem impedir que a difusão

chegue ao equilíbrio pela diminuição da concentração do substrato na célula.

Difusão Facilitada tem as mesmas propriedades da difusão simples

Transporte Ativo através da MembranaUsa energia que vem direta ou indiretamente da ligação fosfato de alta

energia do ATP

O transporte ativo é um processo que transporta moléculas contra um gradiente de concentração; a partir de áreas de baixa concentração para áreas de alta concentração.

O transporte ativo cria um estado de desequilíbrio porque torna as diferenças de concentração mais pronunciadas.

Muitos dos carreadores ativos são conhecidos como ATPases. Algumas ATPases são denominadas bombas.

Transporte Ativo através da MembranaUsa energia que vem direta ou indiretamente da ligação

fosfato de alta energia do ATP

Uniporte

Transporte Ativo através da MembranaUsa energia que vem direta ou indiretamente da ligação

fosfato de alta energia do ATP

Simporte

Transporte Ativo através da MembranaUsa energia que vem direta ou indiretamente da ligação

fosfato de alta energia do ATP

Antiporte

Bomba de Sódio-Potássio ou Na+-K+-ATPase

A bomba de sódio-potássio é o transportador proteico mais importante das células animais porque ela mantém o gradiente de concentração de

Na+ e K+ através da membrana celular.

Em algumas células essa bomba usa cerca de 30% de todo o ATP produzido pela célula para exportar 3Na+ e importar 2K+.

Co-transporte de sódio e glicose (simporte) Bomba de sódio-potássio (antiporte)

Todos os processos descritos movem moléculas através de uma única membrana = membrana plasmática.

Moléculas que entram e saem do corpo cruzando o epitélio devem atravessar duas membranas celulares.

As moléculas cruzam a primeira membrana (membrana apical) quando elas se movem para dentro da célula epitelial, proveniente do ambiente externo; e a segunda quando elas deixam as células epiteliais (membrana basolateral) para entrar no fluido extracelular

Transporte transepitelialAs moléculas movem-se através do epitélio usando transporte ativo e passivo

Células polarizadas do epitélio de transporte = membranas apical e basolateral com diferentes propriedades.

Transporte Transepitelial da Glicose

A polarização de transportadores resulta numa única via de movimento

de certas moléculas através do epitélio.

As células do epitélio renal e intestinal podem alterar sua permeabilidade por

seletivamente inserir ou retirar proteínas da membrana.

O transporte da glicose pelo epitélio intestinal ou renal envolve

transporte ativo com o sódio e difusão facilitada.

A distribuição de água e solutos do corpo

Difusão acontece até gerar um estado de equilíbrio.

Poucas substâncias no corpo são mantidas em estado de equilíbrio porque a membrana celular e o epitélio capilar atuam como uma barreira seletiva que impede a difusão de solutos livremente pelo corpo.

E o transporte ativo ajuda a criar ou manter as diferenças na concentração dos solutos.

Distribuição dos solutos nos compartimentos de fluidos corporais

A permeabilidade seletiva das membranas celulares cria um corpo em que os compartimentos intracelular e extracelular são quimicamente e eletricamente diferenciados, porém com igual concentração total de solutos.A água movimenta-se livremente entre os compartimentos. O corpo pode manter seu equilíbrio osmótico.

A água é essencialmente a única molécula que movimenta-se livremente entre os compartimentos e alcança um estado de equilíbrio.

A distribuição uniforme da água através dos compartimentos corporais é conhecida como Equilíbrio Osmótico.

A água move-se através de uma membrana semipermeável em resposta a um gradiente de concentração = processo denominado Osmose

Água: a molécula mais importante do organismo.

Idade Homem MulherBebê 65% 65%1-9 62% 62%10-16 59% 57%17-39 61% 51%40-59 55% 47%60+ 52% 46%

Percentagem do Peso Corporal Total de Água por Idade e Sexo

A água move-se para diluir a região mais concentrado do soluto até que ambos compartimentos entre em equilíbrio de concentrações = equilíbrio osmótico

conhecendo as concentrações (Molar = número de moles/litro)

1 mol de glicose = 6,02 x 1023 partículas1 mol de glicose = 180g

1 mol de NaCl = 2 x 6,02 x 1023 partículasNaCl em água dissocia-se em 1 mol de Na+

1 mol de Cl-

Concentrações fisiológicas são expressas como osmolaridade = número de partículas /litro de solução.

A osmolaridade é expressa em osmoles /litro (Osmol /litro ou OsM).

Para soluções fisiológicas muito diluídas miliosmoles /litro (mOsM).

A osmolaridade normal no corpo humano varia de 280 a 296 osmoles /litro (mOsM).

A osmolalidade é a concentração expressa como miliosmoles de soluto por quilograma de água. Muito usado em clínica pela facilidade de se estipular volume de água corporal de um a pessoa.

As duas soluções são isosmóticas.

Se A fosse 2.0 OsM e B fosse 3.0 OsM.A seria hiposmótica em relação a BB seria hiperosmótica em relação a A

A) B)

O que acontece com uma célula quando ela é colocada

numa solução?

Tonicidade é um termo fisiológico que se refere a soluções e descreve o que acontece com o volume celular se uma célula é colocada na solução.A tonicidade não possui unidade.

Se a célula não muda o seu tamanho no equilíbrio = solução isotônicaSe a célula ganha água e incha = solução hipotônicaSe a célula perde água e murcha = solução hipertônica

Tonicidade

Os solutos das soluções são não-penetrantes.

O que causou a Osmose?

A célula e a solução têm concentrações iguais; são isosmóticas.

Distribuição dos solutos nos compartimentos de fluidos corporais

Os compartimentos do corpo estão em equilíbrio osmótico, mas em desequilíbrio químico. Os solutos carregam cargas positivas ou negativas = há um pouco de excesso de carga negativa no fluido intracelular; enquanto a célula é rodeada por íons positivos do fluido extracelular.

A membrana celular permite a separação das cargas

Sistema encontra-se osmoticamente, quimicamente e eletricamente em equilíbrio

Inserção de uma proteína de transporte na membrana celular

Equilíbrio elétrico é interrompido; cria-se um

gradiente elétrico e um gradiente químico = gradiente

eletroquímico.O equilíbrio osmótico é mantido

porque a água pode passar livremente em resposta ao

movimento do soluto.

O gradiente elétrico entre o fluido extracelular e o fluido intracelular é conhecido como diferença de potencial de membrana em repouso ou potencial de membrana

Potencial porque o gradiente elétrico criado é uma fonte de energia armazenada ou potencial.

Repouso porque o gradiente elétrico é observado em todas as células vivas, mesma aquelas que aparentam não ter atividade elétrica.

Potencial de Membrana

O eletrodo de referência é colocado no meio extracelular e tem uma carga de 0mV.Quando o eletrodo de registro é colocado do lado de dentro da célula viva, o

voltímetro mede o potencial de membrana (Vm), que é a diferença elétrica entre o fluido extracelular e o intracelular.