1-transporte através da membrana

UNIVERSIDADE DOS AÇORESDEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS

NEUROFISIOLOGIA

TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA

Fernando Pires

TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA PLASMÁTICATRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA PLASMÁTICA

Membrana plasmática:Membrana plasmática:

1- Separa o meio exterior do interior1- Separa o meio exterior do interior

2- Célula pode regular a sua composição interna com 2- Célula pode regular a sua composição interna com independênciaindependência

COMPARTIMENTOS DOS FLUIDOSCOMPARTIMENTOS DOS FLUIDOS

Compartimentos:Compartimentos:

1- Intracelular1- Intracelular

2- Extracelular:2- Extracelular:

a- Intersticiala- Intersticial

b- Plasmab- Plasma

O compartimento intersticial e o plasmático formam o compartimento

extracelular

ESPAÇO INTERSTICIAL, ESPAÇO INTERSTICIAL, EXTRACELULAR E VASCULAREXTRACELULAR E VASCULAR

COMPARTIMENTOS DOS FLUIDOSCOMPARTIMENTOS DOS FLUIDOS

Citoplasma(Intracelular)

Fluido intersticial

Extracelular

Fluido intersticialPlasma

Capilar

COMPARTIMENTOS DOS FLUIDOSCOMPARTIMENTOS DOS FLUIDOS

Separados por membranas semi-permeáveis:

- Parede dos capilares

- Membrana celular

COMPARTIMENTO INTRACELULAR

Mais estável

Sem grandes alterações volumétricas

Sem grandes variações compartimentais

Intracelular: Inclui a totalidade da água e electrólitos dentro das células

COMPARTIMENTO EXTRACELULAR

Mais instável

Mais dinâmico

Fluido intersticial: 80%

Plasma: 20%

FLUIDO EXRACELULARFLUIDO EXRACELULAR

Pode ser dividido em:

a- Fluido transcelular

b- Fluido intersticial

c- Plasma sanguíneo

FLUIDO TRANSCELULARFLUIDO TRANSCELULAR

Separa-se do plasma por outro epitélio para além do endotélio dos vasos:

1- Fluido cerebrospinal

2- Humores aquosos e vítreos

3- Fluidos serosos das cavidades potenciais

4- Fluidos sinoviais

5- Secreções do tracto digestivo

6- Urina no tracto uro-genital

CONSTITUINTES DOS FLUIDOS ORGÂNICOSCONSTITUINTES DOS FLUIDOS ORGÂNICOS

COMPOSIÇÃO DOS FLUIDOS ORGÂNICOSCOMPOSIÇÃO DOS FLUIDOS ORGÂNICOS

10

141

0

31

4

10

11

1

137

4.7

2.4

1.4

112.7

28.3

2

.5

144

5

2.5

1.5

107

27

2

.5

Sódio

Potássio

Cálcio

Magnésio

Cloro

Bicarbonato

Fosfato

Sulfato

IntracelularIntersticial

(extracel.)

Plasma

(extracel.)

Constituintes

mOsm/l

COMPOSIÇÃO DOS FLUIDOS ORGÂNICOSCOMPOSIÇÃO DOS FLUIDOS ORGÂNICOS

Constituintes

mOsm/l

Plasma Intersticial Intracelular

Fosfocreatinina

Carnosina

Aminoácidos

Creatinina

Lactato

ATP

Hexose fosfato

Glucose

Proteínas

Ureia

-

-

2

.2

1.2

-

-

5.6

1.2

4

-

-

2

.2

1.2

-

-

5.6

.2

4

45

14

8

9

1.5

5

3.7

-

4

4

COMPOSIÇÃO DOS FLUIDOS ORGÂNICOSCOMPOSIÇÃO DOS FLUIDOS ORGÂNICOS

As grandes partículas representam:

- 60% da massa dos constituintes intersticiais

- 90% do plasma

- 97% do fluido intracelular

COMPOSIÇÃO DO FLUIDO INTRACELULARCOMPOSIÇÃO DO FLUIDO INTRACELULAR

Grandes quantidades (k+, PO43-)

Quantidades moderadas (Mg2+, SO42-)

Pequenas quantidades (Na+, Cl-)

4 x + proteínas do que o plasma (enzimas e proteínas estruturais)

Moléculas orgânicas de pequena dimensão (metabolismo e transmissão de sinal: AA, ATP, ácidos gordos)

Quase sempre sem Ca2+

COMPOSIÇÃO DOS FLUIDOS ORGÂNICOSCOMPOSIÇÃO DOS FLUIDOS ORGÂNICOS

O espaço estracelular (intersticial e plasma) contém:

Grandes quantidades (Na+, Cl-)

Quantidades moderadas (HCO3-)

Pequenas quantidades (K+, Ca2+ ,Mg2+, PO43- ,

SO42-, aniões orgânicos)

MEMBRANA PLASMÁTICAMEMBRANA PLASMÁTICA

MEMBRANA PLASMÁTICAMEMBRANA PLASMÁTICA

- Camada bilipídica com várias proteínas no seu seio

- Permeável aos iões e às moléculas neutras

- 7,5 a 10 nm

- Quase fluida

- Elástica

COMPOSIÇÃO DA MEMBRANA PLASMÁTICACOMPOSIÇÃO DA MEMBRANA PLASMÁTICA

2 Camadas lipídicas

Anfipática:

- Um extremo hidrofílico

- Outro hidrofóbico

Radical fosfolipídico e o hidroxilo → polares

Cadeia hidrocarbonada → não polar

COMPOSIÇÃO DA MEMBRANA PLASMÁTICACOMPOSIÇÃO DA MEMBRANA PLASMÁTICA

COMPOSIÇÃO DA MEMBRANA PLASMÁTICACOMPOSIÇÃO DA MEMBRANA PLASMÁTICA

- Proteínas……………... 55%

- Lípidos…………….… 42%

- Fosfolípidos……….… 26%

- Colesterol…………… 13%

- Outros…………….…. 3%

- Glúcidos………….…. 3%

MEMBRANAS PURAMENTE LIPÍDICASMEMBRANAS PURAMENTE LIPÍDICAS

Totalmente permeáveis a gases e moléculas lipossolúveis

Significativamente permeáveis à água

Totalmente impermeáveis aos:

- Iões (Na+, K+, Cl-, etc)

- Moléculas solúveis em água (hidrofílicas ou polares)

MEMBRANAS PURAMENTE LIPÍDICASMEMBRANAS PURAMENTE LIPÍDICAS

MEMBRANAS NATURAISMEMBRANAS NATURAIS

Permeabilidade maior para moléculas hidrofílicas e iões

Elevada selectividade no transporte destas substâncias

Contém proteínas de transporte → Permeabilidade maior

Membrana plasmática (fibra muscular esquelética em repouso):

= 20 x + permeável ao K+ do que ao Na+

Explicação: Presença na membrana de proteínas específicas denominadas canais iónicos

MEMBRANAS NATURAISMEMBRANAS NATURAIS

MOLÉCULAS NEUTRASMOLÉCULAS NEUTRAS

O que determina a direcção na qual as moléculas e os iões se movem através da membrana?

Gradiente de concentração

Movimento do líquido:

Da alta concentração → para a baixa concentração

MOLÉCULAS COM CARGA ELÉCTRICAMOLÉCULAS COM CARGA ELÉCTRICA

O movimento através da membrana depende do:

- Potencial eléctrico

existente entre os 2 lados

da membrana

- Potencial de acção

POTENCIAL DE MEMBRANA DAS CÉLULASPOTENCIAL DE MEMBRANA DAS CÉLULAS

Mede-se em microeléctrodos → Perfuram a célula sem a destruir

Magnitude em repouso (dezenas de mV) varia com o tipo de célula:

1- Cél. excitáveis (nervosas e musculares): -70 a -90 mV

2- Cél. não excitáveis → + baixo (hepatócito = -40 mV)

POTENCIAL DE MEMBRANA DAS CÉLULASPOTENCIAL DE MEMBRANA DAS CÉLULAS

Negatividade do potencial da membrana (repouso):

1- Favorece a entrada de catiões

2- Opõem-se á entrada de aniões

Mesmo com gradientes de concentração elevados

MOVIMENTO ATRAVÉS DA MEMBRANA MOVIMENTO ATRAVÉS DA MEMBRANA

A direcção de deslocação dos iões e moléculas carregadas é influenciada por:

1- Potencial de membrana

2- Carga da molécula ou ião

3- Gradiente de concentração

Colectivamente estas influências constituem o

gradiente electroquímico

PERMEABILIDADE DAS MEMBRANAS CELULARESPERMEABILIDADE DAS MEMBRANAS CELULARES

Às moléculas polares

Deve-se a 2 tipos de proteínas membranares de transporte:

1- Os canais iónicos

2- As proteínas transportadoras

CANAIS IÓNICOSCANAIS IÓNICOS

- Proteínas controladoras do transporte de iões através

da membrana plasmática

- Contém poro revestido por água atravessando a

totalidade da espessura da membrana (aquaporinas)

- Passagem para o soluto de acordo com o seu gradiente

electroquímico

CARACTERÍSTICAS DOS CANAIS IÓNICOSCARACTERÍSTICAS DOS CANAIS IÓNICOS

- Grande capacidade de transporte:

- Cerca de 106 k+/segundo

- Selectivos para o tipo de ião que atravessa o poro

- Designam-se em função do ião: canais de Na+, canais

de K+, canais de Ca2+, etc.

CANAIS IÓNICOSCANAIS IÓNICOS

CANAIS IÓNICOSCANAIS IÓNICOS

PROTEÍNAS TRANSPORTADORASPROTEÍNAS TRANSPORTADORAS

Ligam-se a substâncias específicas

- Pequenas moléculas orgânicas (glucose)

- Iões inorgânicos (K+, Na+)

Cada transportador é específico para uma determinada molécula

Sofrem alteração conformacional

- Ligação do soluto faz passar de um lado para o outro da membrana

PROTEÍNAS TRANSPORTADORASPROTEÍNAS TRANSPORTADORAS

Tem menor capacidade de transporte que os canais iónicos

As mais rápidas transportam 104 mol./seg.

Em média: 102 a 103 mol./seg.

PROTEÍNAS TRANSPORTADORASPROTEÍNAS TRANSPORTADORAS

A capacidade de transporte de

uma célula depende do:

1º- Nº de proteínas

transportadoras

2º- Nº de moléculas transportadas/unidade de tempo

TRANSPORTE PASSIVOTRANSPORTE PASSIVO

Não há custo de energia para a célula

Difusão simples através da membrana (lípidos)

Através dos poros membranários (água)

Através dos canais iónicos (sódio)

Difusão facilitada (glucose)

TRANSPORTE PASSIVOTRANSPORTE PASSIVO

Quando as moléculas ou iões atravessam a membrana plasmática a favor do seu gradiente electroquímico

Faz-se principalmente através dos canais iónicos ou

proteínas transportadoras

Designa-se por isso por:

Transporte facilitado

DIFUSÃO FACILITADADIFUSÃO FACILITADA

TRANSPORTE ACTIVOTRANSPORTE ACTIVO

Contra o gradiente electroquímico

Requer consumo directo ou indirecto de energia metabólica

Envolve uma proteína transportadora cuja actividade, muitas vezes, depende da energia metabólica derivada da hidrólise do ATP (ex. Bomba de Na+)

TRANSPORTE ACTIVOTRANSPORTE ACTIVO

TRANSPORTE ACTIVOTRANSPORTE ACTIVO

TRANSPORTE ACTIVOTRANSPORTE ACTIVO

Exemplos de transporte activo:

- Fagocitose

- Exocitose

- Endocitose

TRANSPORTE ACTIVO SECUNDÁRIOTRANSPORTE ACTIVO SECUNDÁRIO

Transporte de uma substância (ex.: glucose) contra o seu gradiente electroquímico através da associação desse transporte à entrada de outra substância (ex:. Sódio) a favor do seu gradiente electroquímico

Depende da manutenção pela bomba de sódio e de uma concentração intracelular de sódio inferior à concentração extracelular

TRANSPORTE ACTIVO SECUNDÁRIOTRANSPORTE ACTIVO SECUNDÁRIO

TRANSPORTE ACTIVOTRANSPORTE ACTIVO

Mecanismos responsáveis pela manutenção da composição iónica das células:

- Bomba de sódio presente em todas as células

- Troca sódio intracelular por potássio extracelular

- Contra os respectivos gradientes de concentração

DESCOBERTA DA BOMBA DE SÓDIODESCOBERTA DA BOMBA DE SÓDIO

Eritrócitos(intracelular)

[ Na+] ↑

[ K+] ↓

Sangue armazenado a baixas temperaturas:

- Após algum tempo eritrócitos ganham Na+ e perdem K+

- Situação reverte-se com incubação do sangue a 37ºC

DESCOBERTA DA BOMBA DE SÓDIODESCOBERTA DA BOMBA DE SÓDIO

Eritrócitos que perderam K+ se incubados a 37ºC (solução ≈ ao plasma) voltam a acumular K+ intracelular, mas apenas na presença de glucose

Entrada de K+ e saída de Na+ dos eritrócitos ocorre contra o seu gradiente de concentração

Este processo necessita de glucose

O movimento destes iões depende da actividade de uma proteína de membrana que utiliza a energia libertada pela degradação metabólica da glucose

Trata-se da bomba de sódio

FUNCIONAMENTO DA BOMBA DE SÓDIOFUNCIONAMENTO DA BOMBA DE SÓDIO

Estudos realizados no axónio gigante da lula a partir da injecção de Na+ radioactivo no axónio:

Mediu-se a taxa de bombeamento de Na+ radioactivo para o exterior

Quando a taxa de ATP era bloqueada por um inibidor metabólico → taxa de bombeamento ↓ ↓ ↓

Com injecção de ATP no axónio → taxa de bombeamento ↑↑↑

FUNCIONAMENTO DA BOMBA DE SÓDIOFUNCIONAMENTO DA BOMBA DE SÓDIO

Na mesma experiência:

A remoção do K+ da solução extracelular inibia o efluxo do Na+

Há estreita ligação entre a hidrólise do ATP, o efluxo de sódio e o influxo de potássio

Por cada molécula de ATP hidrolisada:

- 3 iões de Na+ (exterior)

- 2 iões de K+ (interior)

FUNCIONAMENTO DA BOMBA DE SÓDIOFUNCIONAMENTO DA BOMBA DE SÓDIO

IMPORTÂNCIA DA BOMBA DE SÓDIOIMPORTÂNCIA DA BOMBA DE SÓDIO

Baixa [Na+] → Estabiliza volume celular

Pressão osmótica depende do nº de partículas presentes na solução

Osmolaridade no exterior da célula deve-se :

- Pequenos iões inorgânicos no fluido extracelular (Na+, K+, Ca2+)

Osmolaridade no interior da célula deve-se :

- Iões inorgânicos e ao grande nº de moléculas incapazes de atravessar a membrana plasmática (ATP e proteínas)

IMPORTÂNCIA DA BOMBA DE SÓDIOIMPORTÂNCIA DA BOMBA DE SÓDIO

●Tendência (gradiente de difusão):

[intracelular de iões] = [extracelular de iões]

●Se não fosse contrariada: (dificuldade de difusão no interior)

[intracelular de iões] > [extracelular de iões]

● A água entraria por osmose dentro das células provocando o seu aumento de volume e eventual LISE

BOMBA DE SÓDIOBOMBA DE SÓDIO

Bomba de Na+ ajuda a:

1- [intracelular de Na+] →↓↓↓

2- Osmolaridade extracelular = osmolaridade intracelular

Permitindo assim:

A manutenção dum volume celular relativamente constante

PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS QUE REGULAM PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS QUE REGULAM A CONCENTRAÇÃO INTRACELULAR DE H+A CONCENTRAÇÃO INTRACELULAR DE H+

Como consequência da respiração celular

a- Células produzem ácidos metabólicos (CO2, ácido carboxílico) que alteram [intracelular de H+]

b- Células mantém [citoplasmática de H+] ≈ 10-7 (pH = 7)

c- Este valor é ligeiramente superior ao do fluido extracelular mas bastante inferior ao que seria de esperar em função do gradiente electroquímico do H+

REGULAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO INTRACELULAR H+REGULAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO INTRACELULAR H+

Mecanismos que permitem manter o H+ intracelular relativamente constante:

1- Permuta de H+ intracelulares por Na+ extracelular

2- Co-transporte de Na+ e HCO3- para o interior das células

para aumentar a concentração intracelular de bicarbonato

3- Troca de bicarbonato intracelular por cloreto extracelular

REGULAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO INTRACELULAR H+REGULAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO INTRACELULAR H+

1 2

3

A CONCENTRAÇÃO INTRACELULAR DE CÁLCIOA CONCENTRAÇÃO INTRACELULAR DE CÁLCIO

É apertadamente regulada por vários mecanismos:

Fluido intracelular de mamífero contém muito pouco cálcio livre:

a- [Ca2+ intracelular] = 10-7 M

b- [Ca2+ extracelular] = 1-2 x 10-3 M

A CONCENTRAÇÃO INTRACELULAR DE CÁLCIOA CONCENTRAÇÃO INTRACELULAR DE CÁLCIO

A diferença do gradiente de [Ca2+]

através da membrana plasmática é utilizada por diversas células para transmitir sinais para o meio intracelular

Um aumento de Ca2+ livre intracelular serve para activar uma série de processos diferentes:

- Contracção muscular

- Iniciação da secreção

Logo, é importante que as células em repouso mantenham baixos níveis intracelulares de cálcio!!!

MECANISMOS PARA A MANUTENÇÃO DE MECANISMOS PARA A MANUTENÇÃO DE

BAIXOS NÍVEIS DE CÁLCIOBAIXOS NÍVEIS DE CÁLCIO

1- O Ca2+ pode ser bombeado desde o interior da célula através da membrana plasmática por uma Ca2+ - ATPase, ou bomba de cálcio

2- O Ca2+ intracelular pode ser permutado por Na+ extracelular pela proteína permutadora Na+ - Ca2+

3- A bomba de Ca2+ é também utilizada para transportar Ca2+ para o interior de organitos celulares (depósitos de Ca2+)

MECANISMOS PARA A MANUTENÇÃO DE MECANISMOS PARA A MANUTENÇÃO DE

BAIXOS NÍVEIS DE CÁLCIOBAIXOS NÍVEIS DE CÁLCIO

1- Ca2+ - ATPase, ou bomba de cálcio: utiliza energia derivada do ATP para bombear Ca2+ contra o seu gradiente

2- Proteína permutadora Na+ - Ca2+: A deslocação de Na+ para o interior da célula a favor do seu gradiente electroquímico liberta energia que é utilizada no transporte de Ca2+ para fora da célula (transporte activo secundário)

3- A bomba de Ca2+ é também utilizada para transportar Ca2+ para o interior das mitocôndrias e retículo endoplasmático

MECANISMOS PARA A MANUTENÇÃO DE MECANISMOS PARA A MANUTENÇÃO DE

BAIXOS NÍVEIS DE CÁLCIOBAIXOS NÍVEIS DE CÁLCIO

A BOMBA DE CÁLCIOA BOMBA DE CÁLCIO

POTENCIAL DA MEMBRANAPOTENCIAL DA MEMBRANA

Das células em repouso depende:

- Do gradiente de K+ através da membrana plasmática

Funcionamento da bomba de Na+:

- Provoca acumulação intracelular de K+

Uma parte destes iões K+ difundem-se para o exterior da célula a favor do seu gradiente de concentração através dos canais de K+

Estes K+ (exterior) não são substituídos por iões Na+:

- Membrana plasmática é menos permeável a este catião

- Em repouso membrana é 10 a 100 x + permeável ao K+ que ao Na+

POTENCIAL DA MEMBRANAPOTENCIAL DA MEMBRANA

Difusão do K+ leva à acumulação de cargas negativas no lado interior da membrana

A carga negativa dá origem a uma diferença de potencial:

- Potencial de membrana

Gradiente de [K+] → Difusão exterior

Carga negativa no interior da célula atrai esses mesmos iões

Potencial ao qual estas duas forças se anulam é designado por potencial de equilíbrio do potássio

ACTIVIDADE DOS CANAIS IÓNICOSACTIVIDADE DOS CANAIS IÓNICOS

Pode ser regulada por:

1- Voltagem da membrana

2- Sinais químicos

Canal iónico activado pelo ligando:

- Canal iónico que é activado pela ligação de um composto químico específico, o agonista ou ligando

CANAL IÓNICO ACTIVADO PELO LIGANDOCANAL IÓNICO ACTIVADO PELO LIGANDO

CANAL IÓNICO ACTIVADO PELA VOLTAGEMCANAL IÓNICO ACTIVADO PELA VOLTAGEM

Canal iónico activado pela voltagem:

Abre-se em resposta à despolarização da membrana

CANAIS IÓNICOSCANAIS IÓNICOS

Ambos os tipos encontram-se amplamente

distribuídos pelas células do organismo

apresentando um determinado tipo celular

um repertório de canais iónicos específico

da função por ele desempenhada