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Membrana Celular É uma estrutura de 7,5 a 10 nm de espessura, formada por uma bicamada lipídica, onde existem grandes moléculas globulares de proteínas e pequenas estruturas de carboidratos intercalados em suas moléculas fosfolipídicas. A estrutura básica é formada por esses fosfolipídios, nos quais possuem uma parte hidrofóbica somente solúvel em lipídios-pertencente a face interna da membrana e uma parte hidrofílica, que pertence a camada externa da membrana. A parte hidrofílica externa é onde fica o grupo fosfato, já a parte interna hidrofóbica é onde se encontra o grupo dos ácidos graxos. A estrutura é mantida por uma força chamada de “Interação Hidrofóbica”, nas quais as partes apolares hidrofóbicas repelem a água, ao mesmo tempo que se atraem, dessa forma a estrutura da membrana é mantida, e por ser apenas forças de atração e repulsão, sem ligamentos propriamente ditos, a membrana apresenta uma estrutura fluida. Entre as estruturas encontradas na membrana plasmática estão: Colesterol: responsável pelo grau de fluidez da membrana, desse modo também regula sua permeabilidade. O glicocalix (glicocálice): um frouxo revestimento esterno de carboidratos que podem ocorrem em combinação com lipídios (glicolipídios) ou com proteínas (glicoproteínas), entre suas funções está: a rotulação de carga negativa no exterior das células, fazendo com que elas tenham um grau de separação; a capacidade de receber estímulos-como estímulos hormonais-que após reconhecimento ativam as proteínas fixadas a ela iniciando certo ciclo enzimático; e alguns carboidratos participam das reações imunológicas. Proteínas: entre suas diversas funções elas são os mecanismos de passagem pela membrana celular. As proteínas da membrana são divididas em dois tipos: as integrais (intrínsecas), que estão fortemente ligadas à membrana e cuja sua retirada só pode ser feita danificando o mosaico fluido membranoso, muitas dessas proteínas atravessam a membrana (transmebranicas), podendo ocorrer passagens múltiplas, e as proteínas periféricas (extrínsecas) que não estão firmemente presas à membrana assim não a atravessam. Tipos de membranas quanto a sua permeabilidade: Permeável: permite a passagem do solvente e do soluto. Impermeável: não permite a passagem do solvente nem do soluto. Semipermeável: permite a passagem do solvente, mas não do soluto. Seletivamente permeável: permite a passagem do solvente e de alguns tipos de soluto. (A membrana plasmática das células são seletivamente permeáveis) Graus de facilidade de penetração celular: Hidrofílicos (solúveis em H2O): Maior dificuldade. Hidrofóbico (solúveis em lipídio): Maior facilidade. H2O: Muito permeável graças a presença de aquaporinas. Gases (CO2, O2, Azoto): Muito permeáveis. Penas moléculas: Passagem facilitada pela solubilidade em água. Mecanismos de transporte A membrana celular tem a principal função de separar os meios intra e extracelular, porém são diversas as substancias que estão em um meio mas que são necessárias no outro. Dessa forma a separação da membrana não pode ser definitiva (impermeável). Com isso, a membrana tem a função de, além de separar, regular a troca de substancias entre o citosol (intracelular) e o liquido extracelular. Este controle é feito de maneira seletivamente permeável, ou seja, a passagem de solvente é livre ( osmose), mas a passagem de soluto é controlada. Esse controle é feito pelos diferentes mecanismos de transporte da membra, que são divididos em transporte ativo e transporte passivo. Transporte Passivo: O transporte passivo é caracterizado por ser um tipo de troca de substancias sem gasto de energia, dessa forma o transporte de soluto ocorre a favor de seu gradiente de concentração (diferença de quantidade de soluto entre os meios). O transporte passivo pode ser dividido em dois tipo: Difusão – que por sua vez se divide em simples e facilitada – e Osmose. Osmose: É o processo da passagem do solvente através de uma membrana. Esse modo de transporte depende apenas da propriedade coligativa do solvente, dependendo apenas da concentração do soluto e não de sua natureza. Dessa forma, esse transporte tem como finalidade o equilíbrio nas concentrações de diferentes soluções. O processo de osmose apresenta a pressão osmótica, que é a força da passagem do solvente por uma determinada área da membrana, resultante da diferença de concentração. Difusão: É o processo espontâneo de transporte de massa (soluto) num sistema físico-quimico, por efeito do gradiente de concentração eletroquímico. A difusão é dividida em dois tipos: Difusão Simples (transporte passivo não mediado): pequenas moléculas lipossolúveis como o oxigênio, o gás carbônico, e hormônios esteroides, podem passar livremente pela membrana plasmática. Difusão Facilitada (transporte passivo mediado): Muitos nutrientes essenciais para as células ( carboidratos, nucleotídeos, bases orgânicas) são constituídos de moléculas hidrofílicas, por isso tem dificuldade de passar pela membra e suprir a célula. Sendo assim, as membranas possuem mecanismos de transporte para facilitar a passagem dessas substancias. As duas maiores categoria de facilitadores de passagem são as proteínas carreadoras e as canais. As principais diferenças entre os dois tipos é que as canais formam vias permanentes entre os meios e por isso são mais utilizada, já as carreadoras são utilizadas por modo de acoplamento e desacoplamento (Ex: soluto acoplado no meio extra e desacoplado no meio intra), dessa forma este tipo tem o grau de transporte limitado pela velocidade de mudanças conformacionais (alteração estrutural sofrida no transporte) da proteína. Proteína Canal: São responsáveis pela passagem de íons entre os meios, e são altamente especificas, já que cada íon tem seu próprio tipo de proteína canal. Essas proteínas possuem um tipo de mecanismos de abertura e fechamento para o controle das trocas. Proteínas Carreadoras: São, também, especificas e dependem do acoplamento do soluto no sitio de fixação. Um exemplo de proteínas de transporte facilitado são as proteínas de transporte da glicose (GLUT). Isso ocorre após a insulina dar o sinal de absorção.Proteína canal Proteína carreadora Tipos de transporte É comum classificar o transporte mediado por transportadores nas seguintes categorias: Uniporte: O transportador movimenta apenas um tipo de substrato. Exemplo o GLUT1 que transporta a glicose nos eritrócitos (hemácias). Nota: “esses dois próximos tipos (simporte e atiporte) vão ser mais bem explicados no transporte ativo, porém é interessante um pré-conhecimento antes do assunto”. Simporte (ou cotransporte): Move dois ou mais tipos de soluto, acopladamente, em um mesmo sentido. Esse tipo de transporte é um mecanismo de transporte ativo, porém não diretamente ligado ao uso de ATP, pois, esse transporte vai usar a energia potencial (energia armazenada) eletroquímica gerada no transporte ativo do Na+ (Sódio) para mover outros substratos ( exemplo da glicose) contra o seu gradiente de concentração, dessa maneira o transporte do substrato é secundário. Antiporte (ou contratrasporte ou trocador): Move dois tipos de soluto, acopladamente, porém em sentidos opostos. Esse tipo de transporte também e classificado como secundário (igual o cotrasporte), já que utiliza a energia potencial(energia armazenada) do Na+ para mover o substrato. Exemplo o antiporte de Na+/H+ nos túbulos proximais dos rins, pra regulação do pH. Hidrolise do ATP: A compreensão desse sistema é fundamental para entender o transporte ativo. De maneira resumida, é constituído do seguinte processo: As células guardam energia por meio das ligações covalentes nas moléculas. A principal molécula utilizada pelos organismos é a ATP (trifosfato de adenosina), esta molécula possui três grupos fosfatos (PO4-) que se ligam e armazenam muita energia, quando essas ligações são rompidas há a liberação da energia armazenada. O processo de rompimento dessas ligações chama-se hidrólise e é feitapor um complexo enzimático chamado ATPase divididos em 4 classes (“vistas mais a frente”). Após o rompimento e a liberação de energia, um dos três fosfatos é integrado a outra molécula e o ATP é convertido em ADP (agora, como sobram apenas 2 fosfatos é difosfato de adenosina). Transporte Ativo: Este transporte é sempre necessitário de uma proteína carreadora e gera acumulo de soluto. O transporte ativo é definido como movimento de substancias contra um gradiente eletroquímico, dessa forma é uma reação termodinamicamente desfavorável impulsionada por um processo exergônico (processo em que os nutrientes são desagregado pra produção de energia), em pela geral hidrólise do ATP. Assim, de acordo com a fonte de energia, o transporte ativo pode ser subdividido em três tipos: Transporte ativo primário: Utiliza energia direta liberada na hidrólise do ATP pela ATPase, por esse motivo esses processos são conhecidos como bombas. Cada tipo de ATPase age em um tipo de bomba: ATPase classe P: Bomba de cátions. ATPase classe F e V: Bomba de prótons. Superfamília ABC: transporte de fosfolipídios, colesterol e outras moléculas pequenas. Um dos exemplos de transporte ativo primário, e o mais importante, é a bomba Na+/K+ (sódio e potássio). Esta bomba transporta íons de sódio para fora da celular e íons de potássio para dentro, em um proporção de 3 sódios para 2 potássios. O mecanismo para o funcionamento dessa bomba vem da ação proteína da Na+/K+ - ATPase na hidrólise de ATP que é a mesma proteína que transporta o sódio e o potássio. A bomba de Na+/K+ opera vem várias etapas. Conforme a imagem a baixo segue-se as etapas: A proteína Na+/K+ - ATPase hidrolisa o ATP e agrega um grupamento fosfato, deixando o ADP livre, simultaneamente ocorre a ligação de 3 Na+ no interior da proteína. A fosforilação (adição do grupamento fosfato) causa transformação conformacional na proteína, que transfere o 3 Na+ para meio extracelular. Após o desacoplamento dos 3 Na+, 2 K+ ligam-se a proteína que ainda esta fosforilada. Uma segunda mudança conformacional ocorre quando a ligação da proteína com o grupamento fosfato é hidrolisada (rompida), liberando os K+ para o meio intracelular. Outro exemplo do transporte ativo primário é a ação da H+/K+ -ATPase, que também depende da hidrólise de ATP para ocorrência de seu transporte. A H+/K+ -ATPase esta presente em vesículas intracelulares nas células parietais do estomago, e mediante um sinal de transdução (sinal da parte externa da célula q modifica a parte interna), advindos ou da histamina ou da acetilcolina ou da gástrica, une-se a membrana plasmática da célula e libera o seu conteúdo no meio extracelular. Após esse processo, a H+/K+ -ATPase permite simultaneamente a liberação de H+ e a absorção de K+ que diminuem o pH estomacal, acidificando-o. Um mecanismo de inibição dessa reação é muito utilizado em casos de gastrite: o uso do omeprazol, que é um agente inibidor específico da bomba de prótons das células parietais do estômago, e age por inibição da H+/K+-ATPase. Transporte Ativo Secundário: É o processo de transporte de um soluto A, contra seu gradiente de concentração eletroquímico, em que esta acoplado um soluto B, que ocorre à favor de seu gradiente eletroquímico. Nesse processo, o soluto B fora movimentado primeiramente por um mecanismo de bomba (transporte ativo primário), por esse motivo o nome transporte ativo secundário. Um exemplo é a utilização do Na+ à favor de seu gradiente de concentração, que antes fora transportado por uma bomba de Na+/K+ -ATPase contra seu gradiente de concentração, provocando um acumulo de energia potencial eletroquímica. Dessa maneira, a energia do ATP é utilizada de maneira indireta, sendo consumida a energia potencial e não o ATP em si. Esse mecanismo só ocorre com a utilização dos dois solutos, podendo ser por meio de cotrasporte (simporte) ou contratrasporte (antiporte). Um exemplo de cotransporte ocorre na membrana luminal das células intestinais, e é feito pelas proteínas cotransportadoras Na+-glicose, denominadas de proteínas SGLT1. Essa proteína tem a função de levar a glicose para dentro dá célula quando o gradiente de concentração estiver inpedindo a difusão facilitada, dessa maneira toda glicose intestinal é aproveitada. Para isso ocorrer é necessária a utilização da energia armazenada (potencial) do Na+ que esta junto à glicose na luz intestinal. Essa energia é produzida pela ação da Na+/K+ -ATPase presente na membrana basolateral da célula intestinal, que retira os íons Na+ dá célula e produzem a diferença de concentração necessária. Após a entrada da glicose junto ao Na+ no meio intracelular, ela passa por difusão facilitada para a corrente sanguínea, devido a presença de uma proteína carreadora na lamina basolateral da célula intestinal, chamada de GLUT2. SGLT1 GLUT2 Na+/K+ -ATPase Transporte Ativo Terciário: O transporte ativo terciário é uma consequência do transporte ativo secundário, sendo muito semelhante a ralação do transporte ático secundário com o transporte ativo primário. Isso ocorre porque o transporte terciário utilizará a energia acumulada (potencial) que o secundário propicia. Por exemplo, o cotransporte Na+- monocarboxilato, que promove o influxo de monocarboxilato, e o cotransporte de H+- monocarboxilato, que utiliza a energia proveniente do gradiente de monocarboxilato para realizar o efluxo celular de H+. Importância dos sistemas de transportes: Regular o volume celular. Manter a composição iônica e o pH do meio intracelular. Captar nutrientes e compostos biologicamente importantes. Eliminar produtos finais do metabolismo. Gerar gradientes iônicos essenciais a função das células excitáveis. Bibliografia: Este foi um estudo feito por mim para prova de biofísica. Portanto, utilizai diversos sites para complementar e me ajudar a intender o exposto nesses dois livros: Fisiologia-Margarida de Mello Alves-4ª edição- Ed. Guanabara Koogan. Guyton & Hall - Tratado de Fisiologia Médica - Arthur C. Guyton; John E. Hall- Ed. Guanabara Koogan.