TRANSPORTE DE SUBSTÂNCIAS ATRAVÉS

DAS MEMBRANAS CELULARES

Prof. M.Sc. Hugo D. Hoffmann Santos

MEDICINA

A CÉLULA

• Cada um dos 100 trilhões de células do ser humano é estrutura viva que pode sobreviver por meses ou vários anos, desde que os líquidos que as banham contenham os nutrientes adequados.

• O principal meio da célula é a água, presente na maioria das células, exceto nas células de gordura, na concentração de 70-85%.

OS ÍONS

• Os íons mais importantes na célula são: potássio, magnésio, fosfato, sulfato, bicarbonato.

• Em menores quantidades: sódio, cloreto e cálcio.• Os íons são componentes inorgânicos para as

reações celulares, necessários também para a operação de alguns dos mecanismos de controle celular, como a transmissão de impulsos eletroquímicos nos nervos e fibras musculares.

COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS

LÍQUIDOS EXTRA E

INTRACELULAR

Essas diferenças são produzidas

pelos mecanismos de transporte das

membranas celulares

FASES DO POTENCIAL DE AÇÃO DO MÚSCULO VENTRICULAR CARDÍACO

MEMBRANA CELULAR

• A bicamada lipídica não é miscível nos líquidos extra e intracelular.

• Constitui barreira para os movimentos das moléculas de água e de substâncias hidrossolúveis entre os compartimentos dos líquidos intra e extracelular.

• Por meio de mecanismos específicos, permite a passagem de algumas substâncias pela camada bilipídica de modo direto (lipossolúvel).

PROTEÍNAS DA MEMBRANA

• Apresentam propriedades totalmente diferentes para o transporte de substâncias.

• Suas estruturas moleculares interrompem a continuidade da bicamada lipídica, representando via alternativa.

• Em sua maioria, as proteínas da membrana podem funcionar como transportadoras de substâncias entre os compartimentos intra e extracelular.

PROTEÍNAS DA MEMBRANAContém espaços aquosos por toda a extensão da molécula, permitindo o livre movimento da água, bem como de íons ou de moléculas selecionadas.

CANAIS

Se ligam às moléculas ou aos íons a serem transportados. Alterações estruturais nas moléculas da proteína movem a substância através dos interstícios da proteína até o outro lado da membrana.

TRANSPORTE

AQUAPORINASSão uma classe proteínas

integrais de membrana que formam poros na

membrana. Defeitos genéticos envolvendo

genes que as codificam têm sido associados a

várias doenças humanas. O Prémio Nobel da Química

do ano de 2003, foi atribuído a Peter Agre por

sua descoberta.

TRANSPORTE ATRAVÉS DE MEMBRANA

O transporte através da membrana celular, tanto diretamente (bicamada lipídica) como por meio de proteínas ocorre por um de dois processos básicos,

embora existam muitas variações desses mecanismos básico:

DIFUSÃO TRANSPORTEATIVO

TRANSPORTE ATRAVÉS DE MEMBRANA

Movimento molecular aleatório de

substâncias cuja energia causadora é a

da movimentação cinética normal da

matéria.DIFUSÃO TRANSPORTE

ATIVO

Movimento molecular de substâncias em direção

oposta à de um gradiente de energia que requer fonte adicional de

energia.

DIFUSÃO• Todas as moléculas e íons no corpo, inclusive as

moléculas de água e as substâncias dissolvidas nos líquidos corporais, estão em constante movimento, cada partícula movendo-se por seu percurso distinto.

A B A Bestacionári

arepelida

(ganha energia cinética)

DIFUSÃO• Esse movimento contínuo de moléculas colidindo

milhares de vezes por segundo umas contra as outras nos líquidos ou nos gases é chamado difusão.

• Pode ser dividida em dois tipos:

DIFUSÃO SIMPLES

DIFUSÃO FACILITADA

DIFUSÃO SIMPLES• Quando o movimento cinético de moléculas ou íons

ocorre através de abertura da membrana ou através de espaços intermoleculares sem que ocorra qualquer interação com as proteínas transportadoras da membrana.

• A intensidade da difusão é determinada pela:• Quantidade de substância disponível• Velocidade do movimento cinético• Número e tamanho das aberturas da membrana

DIFUSÃO SIMPLES

DIFUSÃO SIMPLES• Pode ocorrer através da

membrana celular por duas vias:• Pelos interstícios da

bicamada lipídica no caso de substância que se difunde ser lipossolúvel.

• Pelos canais aquosos que penetram por toda a espessura da membrana.

DIFUSÃO DE SUBSTÂNCIAS LIPOSSOLÚVEIS

• A lipossolubilidade é determinante para uma rápida difusão pela bicamada lipídica.

• O2, N2, CO2 e álcool tem alta lipossolubilidade (lipofílicas) e se difundem através da membrana celular do mesmo modo que ocorre a difusão de solutos hidrossolúveis em soluções aquosas.

• A velocidade de difusão para cada substâncias é diretamente proporcional à sua lipossolubilidade (O2 é levado para o interior como se não existisse membrana).

DIFUSÃO DE SUBSTÂNCIAS LIPOSSOLÚVEIS

• Outras moléculas insolúveis em lipídios (lipofóbicas) podem passar pelos canais dos poros das proteínas do mesmo modo que as moléculas de água, caso sejam hidrossolúveis e suficientemente pequenas.

• Quanto maior a dimensão menor a entrada. A molécula de ureia é 20% maior que a da água e sua entrada pelos poros da membrana é 1.000 vezes menor que a da água.

DIFUSÃO FACILITADA• Requer a interação com uma proteína

transportadora que ajuda a passagem das moléculas ou dos íons, através da membrana, por meio de ligação química com eles.

DIFUSÃO FACILITADA• É também conhecida como difusão mediada por

transportador, porque a substância que é transportada por esse processo se difunde através da membrana usando uma proteína transportadora específica para auxiliar.

• O transportador facilita a difusão da substância para o outro lado.

DIFUSÃO FACILITADA

Na difusão simples a velocidade da difusão através de um canal aberto aumenta

em proporção direta à concentração da substância

difusora.Na difusão facilitada a

velocidade da difusão tende a um máximo á medida que a concentração da substância

difusora aumenta.

OSMOSE ATRAVÉS DE MEMBRANA

• Nas hemácias a água se difunde nas duas direções de forma precisamente balanceada em volume correspondente a cerca de 100x o volume da própria célula, por segundo.

PRESSÃO OSMÓTICA

Quantidade exata de pressão

necessária para

interromper a osmose.

TRANSPORTE ATIVO• Útil quando é necessário grande concentração de

uma substância no líquido intracelular, embora o líquido extracelular só a tenha em baixa concentração (K+).

• Importante também para manter baixas concentrações de outros íons dentro das células, mesmo que sua concentração no líquido extracelular seja alta (Na+).

• Nenhum desses dois efeitos pode ocorrer por difusão simples que, com o passar do tempo, tende a equilibrar a concentração nos dois lados da membrana.

TRANSPORTE ATIVO• Dessa forma, alguma fonte de energia deve causar

maior deslocamento dos íons potássio para o interior da célula e deslocamento mais intenso de íons sódio para fora das células.

• Um transporte ativo ocorre quando a membrana celular transporta as moléculas ou os íons contra um gradiente de concentração.

• É o que ocorre também com vários açúcares e a maioria dos aminoácidos.

TRANSPORTE ATIVO

PRIMÁRIO SECUNDÁRIO

A energia é derivada diretamente da

degradação de ATP ou qualquer outro

composto de fosfato com alta energia.

A energia é derivada secundariamente da

energia armazenada na forma de diferentes

concentrações iônicas de substâncias moleculares.

TRANSPORTE ATIVO• Nos dois casos o transporte depende de proteínas

transportadoras que penetram por toda a membrana celular, como ocorre na difusão facilitada.

• Mas difere desse tipo de transporte pois no transporte ativo as proteínas transportadoras são capazes de transferir energia para a substância transportada para movê-la contra o gradiente eletroquímico.

TRANSPORTE ATIVO

PRIMÁRIO

A energia é derivada diretamente da

degradação de ATP ou qualquer outro

composto de fosfato com alta energia.

BOMBA DE SÓDIO-POTÁSSIO• Essa bomba é também a base para a função

nervosa, transmitindo sinais por todo sistema nervoso.

• O mecanismo de transporte ativo mais estudado em seus detalhes é a bomba Na+-K+: bombeia íons sódio para fora ao mesmo tempo que bombeia íons potássio para dentro.

• Bomba responsável pela manutenção das diferenças de concentração e estabelecimento de voltagem elétrica negativa dentro das células.

FASES DO POTENCIAL DE AÇÃO DO MÚSCULO VENTRICULAR CARDÍACO

BOMBA DE SÓDIO-POTÁSSIO• Possui três receptores para ligação de íons sódio

na porção interna da proteína transportadora.• Possui dois receptores para ligação de íons

potássio na porção externa da proteína transportadora.

• A porção interna da proteína transportadora tem atividade ATPase (enzimas que catalisam a decomposição do ATP).

BOMBA DE SÓDIO-POTÁSSIO• Pode funcionar de forma inversa. Ou seja, ela pode

sintetizar ATP a partir do ADP e do fosfato.• As concentrações relativas de ATP, ADP e fosfato,

assim como os gradientes eletroquímicos de sódio e potássio determinam a direção da reação da bomba.

• 70% da necessidade de energia das células nervosas eletricamente ativas é direcionada para bombear sódio para fora e potássio para dentro.

BOMBA DE SÓDIO-POTÁSSIO• Outra importante função é controlar o volume

celular, sem o qual a maioria delas incharia até estourar.

• Dentro da célula, proteínas e moléculas orgânicas fixas tem carga negativa atraindo grande número de potássio, sódio e outros íons positivos, provocando osmose de água para o interior da célula.

• Essa bomba impede que isso ocorra com seu saldo positivo (sai 3 Na+ entra 2 K+) de envio de íons positivos para o exterior “puxando” água junto com o soluto para fora.

BOMBA DE SÓDIO-POTÁSSIO• O fato de a bomba Na+-K+ transferir três íons para o

exterior e dois para o interior significa na realidade que uma carga positiva é transportada do interior da célula para o exterior.

• Isso resulta em positividade do lado externo da célula, mas cria um déficit interno de íons positivos (função eletrogênica).

• Produz potencial elétrico através da membrana celular, mecanismo essencial para a transmissão dos sinais musculares nas fibras desse tecido.

DIGOXINA• Fármaco nefrotóxico utilizado no tratamento de

insuficiência cardíaca e taquicardia.• Aumenta a força de contração cardíaca por meio da

reversão da bomba Na+-K+ que aumenta a quantidade de sódio no cardiomiócito.

• Diminuindo a eficiência do trocador de sódio-cálcio, aumentando a concentração celular de cálcio armazenado no retículo sarcoplasmático que aumenta a força da contração cardíaca (efeito inotrópico positivo) e diminui a frequência cardíaca (aumento do período refratário).

BOMBA DE CÁLCIO• Sob condições normais os íons Ca++ estão em

quantidade extremamente baixa (10.000 vezes menor) no ambiente intracelular de todas as células do corpo.

• Em grande parte isso é um efeito do transporte ativo primário por duas bombas de cálcio. • Uma na membrana transportando Ca++ para o

exterior.• A outra bombeia cálcio para dentro de organelas

(retículo sarcoplasmático das células musculares e as mitocôndrias).

BOMBA DE CÁLCIO• Em cada um desses casos, a proteína

transportadora atravessa a membrana e atua como enzima ATPase.

• Ela tem a mesma capacidade de clivar o ATP como a ATPase da proteína transportadora do sódio.

• A diferença é que essa proteína contém local de ligação extremamente específico para o cálcio, em vez de para o sódio.

VERAPAMIL• Fármaco bloqueador dos canais de cálcio do grupo

dos antiarrítmicos da classe IV.• Prolonga o tempo de condução de casa impulso

cardíaco diminuindo a FC.• É vasodilatador, suprime batimentos ectópicos

(contração atrial/ventricular prematura) e reduz dor de cabeça causada por hipertensão.

• Está na lista da OMS de medicamentos essenciais em um serviço de saúde.

TRANSPORTE ATIVO

SECUNDÁRIO

A energia é derivada secundariamente da

energia armazenada na forma de diferentes

concentrações iônicas de substâncias moleculares.

COTRANSPORTE• O excesso de sódio no líquido extracelular está

sempre tentando se difundir para o interior da célula e essa energia cinética pode empurrar outras substâncias, junto com o sódio, através da membrana celular (cotransporte).

• Uma outra proteína transportadora é necessária e, no caso do sódio, precisa ter um local de ligação para este íon e outro local de ligação para a substância a ser cotransportada.

• O gradiente de energia do sódio faz com que ele e a outra substância acoplada entrem para o interior da célula.

COTRANSPORTE SÓDIO-GLICOSE

COTRANSPORTE SÓDIO-GLICOSE

• A glicose e muitos aminoácidos são transportados para dentro das células contra grandes gradientes de concentração.

• Essas bombas são especialmente importantes no transporte de glicose através do epitélio de células renais e intestinais.

• Nos túbulos renais promove a importante absorção de glicose pelo sangue.

CONTRATRANSPORTE• Neste tipo o sódio de liga na proteína

transportadora no lado externo da célula enquanto que a substância a ser transportada se liga no sítio localizado na parte interna da célula.

• Uma vez que ambos já se ligaram, ocorre alteração conformacional e a energia liberada pelo sódio, em sua difusão para dentro da célula, faz com que a outra substância seja transportada para o exterior.

CONTRATRANSPORTE SÓDIO-CÁLCIO

• Ocorre através de todas ou quase todas as membranas celulares, permitindo a movimentação de íons sódio para o interior e cálcio para o exterior da célula, ambos ligados à mesma proteína transportadora.

• Esse mecanismo é complementar ao transporte ativo primário de cálcio.

E.G. White. Educação, p. 195

“Apesar de serem hoje os fatos da fisiologia tão geralmente compreendidos, há uma indiferença

alarmante em relação aos princípios da saúde. Mesmo dentre os que conhecem estes princípios, poucos há

que os ponham em prática. Seguem a inclinação ou o impulso tão cegamente, como se a vida fosse dirigida por mero acaso em vez de o ser por leis definidas e

invariáveis.”