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Fisiologia I Dr. Rafael Teles preceptor em Medicina da Família e Comunidade Médico de PSF da SMS de Goianésia-GO Célula: Fenômenos de Membrana 1 Estruturas e características da membrana intra e extracelulares 2 4 Composição dos líquidos intra e extracelulares 3 Temas abordados: Introdução a Fisiologia A ciência da fisiologia humana tenta explicar as características e mecanismos específicos do corpo humano que o tornam um ser vivo. O fato de permanecermos vivos é o resultado de sistemas de controle complexos. A fisiologia humana vincula as ciências básicas à medicina e integra várias funções das células, tecidos e órgãos às funções do ser humano vivo. Essa integração requer comunicação e coordenação por uma vasta gama de sistemas de controle que operam em todos os níveis, desde os genes que programam a síntese de moléculas até os complexos sistemas nervoso e hormonal que coordenam as funções das células, tecidos e órgãos por todo o corpo. 1 2 4 3 A membrana celular (também chamada membrana plasmática) envolve a célula e é uma estrutura fina, flexível e elástica com apenas 7,5 a 10 nanômetros de espessura. É composta quase inteiramente de proteínas e lipídios. A composição aproximada é de 55% de proteínas, 25% de fosfolipídios, 13% de colesterol, 4% de outros lipídios e 3% de carboidratos. 1 2 4 3 A barreira lipídica da membrana celular impede a penetração de substâncias solúveis em água. A figura ao lado, mostra a estrutura da membrana celular. Sua estrutura básica é uma bicamada lipídica, um filme fino de duas camadas de lipídios – cada camada com apenas uma molécula de espessura – que é contínua por toda a superfície celular. Intercaladas nesse filme lipídico estão grandes proteínas globulares. A bicamada lipídica básica é composta por três tipos principais de lipídios – fosfolipídios, esfingolipídios e colesterol. Os fosfolipídios são os lipídios mais abundantes da membrana celular. Uma extremidade de cada molécula de fosfolipídio é hidrofílica e solúvel em água. A outra extremidade é hidrofóbica e solúvel apenas em gorduras. A extremidade fosfato do fosfolipídio é hidrofílica, e a porção de ácido graxo é hidrofóbica. Como as porções hidrofóbicas das moléculas de fosfolipídios são repelidas pela água, mas são mutuamente atraídas uma pela outra, elas têm uma tendência natural de se ligarem uma à outra no meio da membrana. As porções de fosfato hidrofílico constituem, então, as duas superfícies da membrana celular completa, em contato com a água intracelular no interior da membrana e a água extracelular na superfície externa. A camada lipídica no meio da membrana é impermeável às substâncias usuais solúveis em água, como íons, glicose e ureia. Por outro lado, as substâncias solúveis em gordura, como oxigênio, dióxido de carbono e álcool, podem penetrar essa parte da membrana com facilidade. Os esfingolipídios, derivados do aminoálcool esfingosina, também possuem grupos hidrofóbicos e hidrofílicos e estão presentes em pequenas quantidades nas membranas celulares, principalmente nas células nervosas. Acredita-se que os esfingolipídios complexos nas membranas celulares tenham várias funções, incluindo proteção contra fatores ambientais prejudiciais, transmissão de sinais e locais de adesão para proteínas extracelulares. As moléculas de colesterol nas membranas também são lipídios porque seus núcleos de esteroides são altamente solúveis em gordura. Essas moléculas, de certo modo, estão dissolvidas na bicamada da membrana. Elas ajudam, principalmente, a determinar o grau de permeabilidade (ou impermeabilidade) da bicamada aos constituintes solúveis em água dos líquidos corporais. O colesterol também controla grande parte da fluidez da membrana. Proteínas integrais e periféricas da membrana celular Há também massas globulares flutuando na bicamada lipídica. Essas proteínas de membrana são, principalmente, glicoproteínas. Existem dois tipos de proteínas da membrana celular, as proteínas integrais, que se projetam por todo o caminho através da membrana, e as proteínas periféricas, que estão fixadas somente em uma superfície da membrana e não penetram totalmente. Muitas dessas proteínas formam canais/poros seletivos para água e substâncias hidrofílicas (mais especificamente íons) se difundirem entre os meios intra e extracelular. 1 2 4 3 Outras proteínas integrais atuam como proteínas carreadoras para o transporte de substâncias que, de outra forma, não poderiam penetrar a bicamada lipídica. Às vezes, essas proteínas carreadoras chegam a transportar substâncias na direção oposta a seus gradientes eletroquímicos para difusão, o que é chamado de transporte ativo. Outras ainda atuam como enzimas e até como mensageiras do meio exterior para o interior da célula. As moléculas de proteínas periféricas são frequentemente ligadas às proteínas integrais. Essas proteínas periféricas funcionam quase inteiramente como enzimas ou como controladores do transporte de substâncias através dos poros da membrana celular. Os carboidratos da membrana ocorrem quase invariavelmente em combinação com proteínas ou lipídios na forma de glicoproteínas ou glicolipídios. Na verdade, a maioria das proteínas integrais é glicoproteína e cerca de um décimo das moléculas de lipídios da membrana é glicolipídio. As porções glico dessas moléculas quase invariavelmente se projetam para fora da célula, pendendo para o exterior da superfície celular. Muitos outros compostos de carboidratos, chamados proteoglicanos – que são principalmente carboidratos ligados a pequenos eixos proteicos – também estão frouxamente ligados à superfície externa da célula. Assim, toda a superfície externa da célula frequentemente tem uma camada frouxa de carboidrato chamada glicocálix. Carboidratos da Membrana Carboidratos da Membrana O glicocálix da célula 1. Muitos deles têm uma carga elétrica negativa, o que dá à maioria das células uma carga superficial negativa geral que repele outros objetos carregados negativamente. 2. O glicocálix de algumas células se liga ao glicocálix de outras células, ligando, assim, as células umas às outras. 3. Muitos dos carboidratos atuam como receptores para os hormônios de ligação, como a insulina. Quando ligados, essa combinação ativa proteínas internas anexadas que, por sua vez, ativam uma cascata de enzimas intracelulares. 4. Algumas frações de carboidratos entram em reações imunológicas As porções de carboidrato ligadas à superfície externa da célula têm várias funções importantes: Constituintes da Membrana Celular 1. Isolamento físico. A membrana celular é uma barreira física que separa o líquido intracelular, dentro da célula, do líquido extracelular que a circunda. 2. Regulação das trocas com o seu ambiente externo (líquido extracelular). A membrana celular controla a entrada de íons e nutrientes na célula, a eliminação de resíduos celulares e a liberação de produtos da célula. 3. Comunicação entre a célula e o seu ambiente externo. A membrana celular contém proteínas que permitem à célula reconhecer e responder a moléculas ou a mudanças no seu meio externo. Qualquer alteração na membrana celular pode afetar as atividades celulares. 4. Suporte estrutural. Proteínas na membrana celular fixam o citoesqueleto para manter a forma da célula. Proteínas de membrana também criam junções especializadas entre células adjacentes ou entre células e a matriz extracelular. Junções que estabilizam a célula. Resumo das Funções da Membrana Existem dois sinônimos para o termo membrana celular: membrana plasmática e plasmalema. As funções gerais da membrana celular incluem: Na fisiologia, muitas vezes estamos mais interessados em compartimentos funcionais do que em compartimentos anatômicos. A maioria das células do corpo não está em contato direto com o mundo exterior. Em vezdisso, o seu ambiente externo é o líquido extracelular. Pode-se dividir o corpo em dois compartimentos: (1) o líquido extracelular (LEC), fora das células, e (2) o líquido intracelular (LIC), dentro das células. A parede que divide o LEC e o LIC é a membrana celular. O LEC subdivide-se ainda em plasma, a porção fluida do sangue, e em líquido intersticial (“estar entre”), que circunda a maioria das células do corpo. LÍQUIDOS EXTRACELULAR E INTRACELULAR Constituintes do líquido intracelular O líquido intracelular separa-se do extracelular por uma membrana celular altamente permeável à água, porém não à maioria dos eletrólitos do organismo. Ao contrário do líquido extracelular, o intracelular contém somente pequenas quantidades de sódio e cloreto e praticamente nenhum cálcio. Em vez desses íons, contém grandes quantidades de potássio e fosfato, os quais são pouco concentrados no líquido extracelular. Ademais, as células possuem grandes quantidades de proteínas – quase quatro vezes a concentração do plasma. LÍQUIDOS EXTRACELULAR E INTRACELULAR Como o plasma e o líquido intersticial são separados somente por membranas capilares altamente permeáveis, sua composição iônica é similar. A diferença mais importante entre esses dois compartimentos é a maior concentração de proteínas do plasma; visto que os capilares apresentam menor permeabilidade às proteínas plasmáticas, somente pequenas quantidades destas extravasam para os espaços intersticiais na maioria dos tecidos. 1Constituinte líquido extracelular Pode-se observar que o líquido extracelular, incluindo o plasma e líquido intersticial, contém grandes quantidades de sódio e cloreto, bem como quantidades razoáveis de bicarbonato, porém apenas pequenas quantidades de potássio, cálcio, magnésio, fosfato e ácidos orgânicos. A composição desse líquido é cuidadosamente regulada por diversos mecanismos, mas especialmente pelos rins. Essa regulação permite que as células permaneçam continuamente banhadas em um líquido que contém a quantidade adequada de eletrólitos e nutrientes para sua função celular ideal. 1Constituinte líquido extracelular Substâncias osmoticamente ativas nos líquidos extracelular e intracelular. Continua -> Fenômenos das Membranas O corpo tem dois compartimentos de fluido distintos: as células e o fluido que circunda as células. O líquido extracelular (LEC) fora das células é o tampão entre as células e o meio externo do corpo. Tudo o que entra ou sai da maioria das células passa através do LEC. A água é essencialmente a única molécula que se move livremente entre as células e o líquido extracelular. Devido ao movimento livre da água, os compartimentos intracelular e extracelular alcançam um estado de equilíbrio osmótico, no qual as concentrações nos líquidos são iguais dos dois lados da membrana celular. Embora as concentrações do LIC e do LEC, no geral, sejam iguais, alguns solutos estão mais concentrados em um dos compartimentos do corpo. Isso significa que o corpo se encontra em um estado de desequilíbrio químico. Pequenas moléculas e íons, como Na+ e Cl– são suficientemente pequenas para passar livremente entre as células endoteliais e, portanto, têm as mesmas concentrações no plasma e no líquido intersticial. As diferenças de concentração do desequilíbrio químico são uma característica de um organismo vivo, visto que apenas a entrada contínua de energia mantém o corpo nesse estado. Se escapam solutos através da membrana celular que divide os compartimentos intracelular e extracelular, é necessária energia para fazê-los retornar aos compartimentos nos quais eles estavam. Muitos dos solutos do corpo são íons, e, por essa razão, também devemos considerar a distribuição da carga elétrica entre os compartimentos intracelular e extracelular. Como consequência, o interior das células é ligeiramente negativo em relação ao líquido extracelular. Este desbalanço iônico resulta em um estado de desequilíbrio elétrico. As mudanças nesse desequilíbrio criam sinais elétricos. Os compartimentos intracelular e extracelular do corpo estão em equilíbrio osmótico, porém estão em desequilíbrio químico e elétrico. Além disso, o equilíbrio osmótico e os dois desequilíbrios são estados estacionários dinâmicos. O transporte de solutos pode ser passivo, sem gasto de energia, ou ativo, com gasto de energia. O transporte passivo não consome energia (ATP) pois transporte ocorre a favor de um gradiente de concentração, isto é, as moléculas ou íons, também denominados de soluto, atravessam a membrana do lado MAIS concentrado para o lado MENOS concentrado. Esse tipo de transporte pode ocorrer através da difusão simples e difusão facilitada. O transporte ativo é o contrário: o soluto é transportado do MENOS concentrado para o lado MAIS concentrado com o uso de energia. Tipos de transporte quanto à necessidade de energia Tipos de transporte quanto à necessidade de energia A distribuição de solutos no corpo depende do fato de uma substância poder, ou não, atravessar as membranas celulares. A água, por outro lado, é capaz de se mover livremente para dentro e para fora de quase todas as células no corpo, atravessando os canais iônicos cheios de água e os canais especiais de água, criados pela proteína aquaporina (AQP). A distribuição de água entre os compartimentos do corpo é menos variável. Quando checamos os volumes relativos dos compartimentos do corpo, o compartimento intracelular contém aproximadamente 2/3 (67%) da água corporal. O terço restante (33%) é dividido entre o líquido intersticial (que contém cerca de 75% da água extracelular) e o plasma (que contém cerca de 25% da água extracelular). OSMOSE E TONICIDADE A água é capaz de se mover livremente, esse movimento da água através de uma membrana em resposta a um gradiente de concentração de um soluto é denominado osmose. Na osmose, a água move-se para diluir a solução mais concentrada, é um tipo de transporte passivo (sem gasto de energia). Uma vez que as concentrações são iguais, o movimento resultante da água cessa. Equilíbrio Osmótico A osmolaridade é uma propriedade de cada solução. Você pode comparar a osmolaridade de diferentes soluções desde que as concentrações sejam expressas na mesma unidade – por exemplo, como miliosmoles por litro. Se duas soluções contêm o mesmo número de partículas de soluto por unidade de volume, dizemos que as soluções são isosmóticas. Se a solução A possui uma osmolaridade maior (contém mais partículas por unidade de volume, é mais concentrada) que a solução B, dizemos que a solução A é hiperosmótica em relação à solução B. No mesmo exemplo, a solução B, com menos osmoles por unidade de volume, é hiposmótica em relação à solução Comparando a osmolaridade de duas soluções Comparando a osmolaridade de duas soluções Tonicidade é um termo fisiológico utilizado para descrever uma solução e como esta afeta o volume de uma célula se a célula for colocada nessa solução até o equilíbrio. • Se uma célula é colocada na solução e incha ao ganhar água em equilíbrio, a solução é hipotônica para a célula. • Se a célula perde água e murcha em equilíbrio, a solução é hipertônica. • Se a célula na solução não muda de tamanho em equilíbrio, a solução é isotônica. Tonicidade descreve mudança de volune da célula • A osmolaridade descreve o número de partículas de soluto dissolvidas em um volume de solução. Ela tem unidades, como osmoles/litros. Já a tonicidade, não tem unidades; ela é apenas um termo comparativo. • A osmolaridade pode ser utilizada para comparar duas soluções quaisquer, e a relação é recíproca (a solução A é hiperosmótica em relação à solução B; portanto, a solução B é hiposmótica em relação à solução A). • A osmolaridade sozinha não diz a você o que acontece com uma célula colocada em uma solução. Tonicidade, por definição,diz o que acontece com o volume celular em equilíbrio quando a célula é colocada na solução. Como diferenciar tonicidade de osmolaridade? • A osmolaridade descreve o número de partículas de soluto dissolvidas em um volume de solução. Ela tem unidades, como osmoles/litros. Já a tonicidade, não tem unidades; ela é apenas um termo comparativo. • A osmolaridade pode ser utilizada para comparar duas soluções quaisquer, e a relação é recíproca (a solução A é hiperosmótica em relação à solução B; portanto, a solução B é hiposmótica em relação à solução A). • A osmolaridade sozinha não diz a você o que acontece com uma célula colocada em uma solução. Tonicidade, por definição, diz o que acontece com o volume celular em equilíbrio quando a célula é colocada na solução. Processos de Transporte A difusão é um transporte passivo que pode ser definido como o movimento de moléculas a partir de uma área de maior concentração para uma de baixa concentração dessas moléculas. Ex: Se você deixa um frasco de perfume aberto e depois percebe sua fragrância pela sala, é porque as moléculas aromáticas do perfume se difundiram de onde estavam mais concentradas (no frasco) para onde estavam menos concentradas (na sala). Difusã o Corp o Na membrana celular o precesso se dificulta um pouco devido a característica lipofílica da membrana, onde apenas moléculas com a mesma caracteristica podem atravessar a membrana, esse transporte é chamado de difusão simples. Difusão na Membrana Celular No corpo, a difusão simples através das membranas é limitada a moléculas lipofílicas. Em sua maioria, as moléculas do corpo são lipofóbicas ou são eletricamente carregadas e, por isso, não podem atravessar a membrana por difusão simples. Em vez disso, a grande maioria dos solutos atravessa as membranas com a ajuda de proteínas da membrana, em um processo denominado transporte mediado. Processo chamado de difusão facilitada. Transporte Mediado por Proteínas As proteínas de transporte, move moléculas através da membrana. Existem diferentes formas de classificar proteínas de transporte. Seja pela forma de obtenção de energia (via ATP, transportadores ativos ou por difusão facilitada), ou pelo tipo de proteína de transporte: dois principais tipos de proteínas de transporte: canais e carreadoras. As proteínas-canal criam passagens cheias de água que diretamente ligam o meio intracelular com o compartimento extra-celular. Proteínas de Transporte As proteínas carreadoras, também chamadas de transportadoras, ligam-se aos substratos que são carreados por elas, porém nunca formam uma conexão direta entre os líquidos intracelular e extracelular. Os carreadores podem transportar moléculas maiores do que os canais transportam, embora sejam mais lentos. Proteínas de Transporte As proteínas-canal são proteínas com múltiplas subunidades que atravessam a membrana e criam um agregado cilíndrico com um túnel ou poro no centro. O movimento através desses canais menores é limitado principalmente à água e aos íons. Proteínas-canal As proteínas-canal são nomeadas de acordo com as substâncias às quais elas são permissivas. A maioria das células possui canais de água formados por uma proteína chamada de aquaporina. Além disso, mais de 100 tipos de canais iônicos foram identificados. Os canais iônicos podem ser específicos para um íon ou podem permitir a passagem de íons com tamanho e carga similares. Proteínas-canal As proteínas-canal são como portas estreitas para a célula. Se a porta está fechada, nada pode passar através dela. Se a porta está aberta, há uma contínua passagem entre as duas salas conectadas por ela. O estado aberto ou fechado de um canal é determinado por regiões das moléculas das proteínas que atuam como “portões” de vaivém. Os canais podem ser classificados de acordo com seus portões, se estão geralmente abertos ou fechados. Proteínas-canal Os canais abertos ou poros de água passam a maior parte do tempo com o seu portão aberto, permitindo aos íons moverem-se de um lado a outro através da membrana, sem regulação. Os canais com portão passam a maior parte do tempo em um estado fechado, o que permite que esses canais regulem o movimento de íons que passam através deles. Quando ele se abre movem- se os íons e quando está fechado não permite a passagem nem de íons e/ou líquidos. Proteínas-canal Para controlar a abertura e o fechamento desses canais há divisão entre controlados quimicamente (moléculas mensageiras intracelulares ou ligantes extracelulares que se ligam ao canal proteico regulam o portão), os dependentes por voltagem (se abrem quando o estado elétrico da célula muda) e os controlados mecanicamente (forças físicas que atuam na abertura do canal, como tempretura ou pressão). Proteínas-canal As proteínas carregadoras ligam-se com substratos específicos e transportam através da membrana pela modificação da sua conformação. Pequenas moléculas orgânicas (como glicose e aminoácidos), que são muito grandes para passar através de canais, cruzam as membranas utilizando carreadores. Íons como Na+ e K- podem se mover por carreadores, assim como por canais. Proteínas Carregadoras As proteínas carreadoras transportam solutos e íons para dentro e para fora das células, bem como das organelas, como as mitocôndrias. As proteínas carreadoras são proteínas grandes e complexas, com múltiplas subunidades. A mudança de conformação requerida por uma proteína carreadora torna este modo de transporte transmembrana muito mais lento que o movimento através das proteínas canal. Proteínas Carregadoras As proteínas carreadoras diferem das proteínas-canal nos seguintes aspectos: as proteínas carreadoras nunca criam uma passagem contínua entre o lado interno e o lado externo da célula. Se os canais são como portas, então os carreadores são como portas giratórias que permitem o movimento entre o lado interno e o lado externo sem nunca formar uma passagem aberta. As proteínas carreadoras podem transportar moléculas através da membrana em ambas as direções, como uma porta giratória de um hotel, ou elas podem restringir seu transporte a uma direção, como uma catraca em um parque de diversões que permite que você saia do parque, mas não permite que entre. Proteínas Carregadora s Proteínas Carregadoras Algumas moléculas polares parecem se mover para dentro e para fora das células por difusão, estas moléculas polares atravessam a membrana celular por difusão facilitada, com o auxílio de carreadores específicos. A difusão facilitada possui as mesmas propriedades da difusão simples. As moléculas transportadas movem-se a favor do seu gradiente de concentração, o processo não requer adição de energia externa e o movimento líquido cessa em equilíbrio, quando a concentração dentro da célula se iguala à de fora. A difusão facilitada sempre transporta as moléculas a favor do seu gradiente de concentração. Se o gradiente reverte, assim também o faz a direção de transporte. Um exemplo é a difusão facilitada de glucose (GLUT). Proteínas Carregadoras Proteínas Carregadoras Muitas partículas precisam ser transportadas contra o seu potencial de difusão e, para isso, será necessário consumir energia externa ao sistema como a aquela originada do metabolismo celular. Por isso, esse tipo de transporte é chamado transporte ativo. Há dois tipos de transporte ativo. Transporte Ativo O transporte ativo pode ser dividido em dois tipos: • No transporte ativo primário (direto), a energia que empurra as moléculas contra os seus gradientes de concentração vem diretamente das ligações fosfato de alta energia do ATP. • O transporte ativo secundário (indireto) usa a energia potencial armazenada no gradiente de concentração de uma molécula para empurrar outras moléculas contra os seus gradientes de concentração. Todo transporte ativo secundário depende,em última análise, do transporte ativo primário, pois o gradiente de concentração que impulsiona o transporte secundário é criado a partir da energia do ATP. Transporte Ativo Já que o transporte ativo primário usa ATP como fonte de energia, muitos transportadores ativos primários são chamados de ATPases. Há hidrolisação do ATP a ADP e fosfato inorgânico (Pi), liberando energia no processo. As ATPases são, às vezes, chamadas de bombas, como na bomba sódio-potássio, ou Na+, K-, ATPase. A bomba de sódio-potássio é provavelmente a proteína de transporte mais importante em células animais, uma vez que mantém os gradientes de concentração de Na+ e K- através da membrana celular. O transportador encontra-se disposto na membrana celular de modo que bombeia 3 Na+ para fora da célula e 2K- para dentro da célula para cada ATP consumido. Transporte Ativo Primário Transporte Ativo Primário (Bomba de Na+/K-) O gradiente de concentração de sódio, com uma concentração alta de Na+ no líquido extracelular e baixa no interior da célula, é uma fonte potencial de energia que a célula pode aproveitar para outras funções. Transporte Ativo Secundário O transporte ativo secundário utiliza a energia cinética de uma molécula que se move a favor do seu gradiente de concentração para empurrar outras moléculas contra seus gradientes de concentração. As moléculas cotransportadas podem ir na mesma direção através da membrana (simporte) ou em direções opostas (antiporte). Os sistemas de transporte ativo secundário mais comuns são impulsionados pelo gradiente de concentração do sódio. Conforme um Na+ entra na célula, ou ele leva uma ou mais moléculas com ele ou troca de lugar com moléculas que saem da célula. Transporte Ativo Secundário Transporte Ativo Secundário Obrigado! Bons estudos! Referências • HALL, John E.; HALL, Michael E. Guyton & Hall - Tratado de Fisiologia Médica. Grupo GEN, 2021. E-book. ISBN 9788595158696. Disponível em: https://integrada.minhabioteca.com.br/#/books/9788595158696/. Acesso em: 09 jul. 2024. • SILVERTHORN, Dee U. Fisiologia humana. Grupo A, [2017]. E-book. ISBN 9788582714041. Disponível em: https://integrada.minhabioteca.com.br/#/books/9788582714041/. Acesso em: 09 jul. 2024. 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