Membranas Biológicas. Transporte transmembranar

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1 Membranas Biológicas Transporte transmembranar

2 Membranas biológicas Permeabilidade da bicamada fosfolipídica artificial (sem proteínas) Devido ànatureza hidrófoba da sua bicamada fosfolipídica, a membrana celular constitui uma barreira extremamente impermeável àmaioria das moléculas orgânicas e impede a maioria dos componentes hidrosolúveis de escapar da célula.

3 Membranas biológicas Transporte transmembranar de pequenas moléculas e iões Transporte Passivo (a favor do gradiente) Difusão simples Difusão facilitada Transporte Activo (contra o gradiente) Transporte activo primário Bombas Transporte activo secundário Cotransporte Transporte em massa Endocitose Exocitose Fagocitose

4 Membranas biológicas Transporte transmembranar de pequenas moléculas e iões Difusão Simples (compostos apolares a favor do gradiente) Difusão Facilitada (a favor de gradiente) Transporte Activo Primário (contra o gradiente) Transporte de iões mediado por Ionóforos (a favor do gradiente de concentração) Canais Iónicos (a favor do gradiente) Transporte Activo Secundário (contra o gradiente usando o movimento de iões a favor do seu gradiente)

5 Membranas biológicas Os diferentes tipos de transporte transmembranar Difusão simples Éo mecanismo mais simples de transporte transmembranar. Neste transporte, as moléculas simplesmente difundem se na bicamada fosfolipídica,atravessam na e finalmente dissolvem se no fluido intracelular. A direcção do transporte é determinada pelas concentrações relativas das moléculas dentro e fora da célula: o fluxo ésempre do compartimento mais concentrado para o menos concentrado. Ocorre sem consumo de energia (passivo). São transportadas por difusão passiva as moléculas pequenas (O2, CO2, benzeno, H2O, etanol,...) Éum transporte pouco específico. O coeficiente de difusão de uma molécula é proporcional ao seu gradiente de concentração através da membrana e a sua hidrofobicidade.

6 Os diferentes tipos de transporte transmembranar Difusão facilitada Membranas biológicas A direcção do transporte é determinada pelas concentrações relativas das moléculas dentro e fora da célula: o fluxo ésempre do compartimento mais concentrado para o menos concentrado. Ocorre sem consumo de energia (passivo). São transportadas moléculas de maior dimensão (glúcidos, aminoácidos, nucleótidos). Émais rápido e mais selectivo do que a difusão simples. Utiliza proteínas transportadoras (carregadoras) e canais proteicos.

7 Os diferentes tipos de transporte transmembranar Difusão facilitada proteínas transportadoras As proteínas transportadoras adoptam alternativamente 2 conformações de modo que o sítio de ligação do soluto esteja sucessivamente acessível nos 2 lados da membrana. As proteínas transportadoras são responsáveis pelo transporte de açucares, aminoácidos e nucleosídeos. Exemplo: Transportador da glucose a proteína transportadora da glucose tem 12 hélices α transmembranares A direcção do transporte écondicionada pelo gradiente de concentração da glucose Membranas biológicas

8 Os diferentes tipos de transporte transmembranar Difusão facilitada Canais iónicos Sistema de transporte passivo. Ocorre a favor do gradiente de concentração. Transporte muito rápido. São altamente selectivos. Membranas biológicas Formam poros na membrana permitindo que moléculas de tamanho e carga apropriada passem através da membrana.

9 Membranas biológicas Os diferentes tipos de transporte transmembranar Difusão facilitada Aquaporinas Poro passivo (passagem água movida pelo gradiente osmótico). Permitem transportar, rapidamente, grandes quantidades de água, comparativamente ao transporte de água por difusão simples A água é seleccionada pelo tamanho e pela carga eléctrica Passagem livre de água sem afectar o gradiente electroquímico através da membrana celular

10 Membranas biológicas Os diferentes tipos de transporte transmembranar Difusão facilitada Canais iónicos Os canais ligand gated : abrem se após a ligação a um neurotransmissor ou a outra molécula de sinalização. Os canais voltage gated : abrem se após uma alteração no potencial eléctrico da membrana.

11 Canal de estimulação mecânica Canal ligand gated (sinais intracelulares) Membranas biológicas Os diferentes tipos de transporte transmembranar Difusão facilitada Canais iónicos Canal ligand gated (sinais extracelulares) Canal voltage gated Estado Fechado Estado Aberto

12 Membranas biológicas Gradientes iónicos e potencial eléctrico da membrana Selectividade dos canais iónicos poro estreito (filtro de tamanho) Ø Na+ = 0.95 Å; Ø K+ = 1.33 Å

13 Selectividade dos canais iónicos Membranas biológicas Gradientes iónicos e potencial eléctrico da membrana grupos C=O (filtro de selectividade) entra K+ desidratado

14 Selectividade dos canais iónicos Membranas biológicas Gradientes iónicos e potencial eléctrico da membrana Exemplo: Receptor da acetilcolina Este receptor é composto por 5 subunidades: 2α, 1β, 1γ, 1δ. Cada subunidade α contém um sítio de ligação da acetilcolina. Quando esta molécula se liga ao receptor, o canal iónico abre se, permitindoa entrada de iões Na+ na célula. Interacção célula nervosa e célula muscular acetilcolina receptor activação canal Na+ activado por ligando influxo Na+ despolarização membrana abertura canal Ca2+ activado por voltagem aumento do do Ca2+ intracelular contracção muscular

15 Os diferentes tipos de transporte transmembranar Transporte activo primário Bombas Membranas biológicas éum transporte contra o gradiente electroquímico éum transporte que necessita de energia sob a forma de ATP dá origem a gradientes iónicos nas células molécula transportada Canal proteico proteína portadora FORA Bicamada lipídica Gradiente de concentração Difusão simples Difusão através dum canal Difusão através dum transportador DENTRO Transporte passivo (difusão facilitada) Transporte activo

16 Transporte activo primário Bombas Membranas biológicas Os diferentes tipos de transporte transmembranar Bomba Na + K + (ou ATPase Na + K + ): éuma ATPase que permite manter o gradiente iónico de sódio e de potássio. A manutenção deste gradiente necessita da hidrólise do ATP, uma vez que a bomba transporta os iões Na + e K + contra o seu gradiente de concentração. A bomba Na + K + permite transferir 3 iões Na + para fora da célula contra 2iõesK + para dentro. [Na + ]ex =(10 20) x [Na + ]in Face extracelular Gradiente electroquímico do sódio Face citoplasmática Sítio de ligação de Na + Sítio de ligação de K + e da ouabaína [K + ]in =(10 20) x [K + ]ex Gradiente electroquímico do potássio

17 Membranas biológicas Os diferentes tipos de transporte transmembranar Transporte activo primário Bombas A bomba Na + K + permite transferir 3 iões Na + para fora da célula contra 2iõesK + para dentro.

18 Gradientes iónicos e potencial eléctrico da membrana A composição iónica do citosol é muito diferente da do fluido extracelular. Para evitar o fluxo de água, as bombas iónicas mantêm os gradientes iónicos através da membrana. Concentração (mm) Ião Intracelular Extracelular Axónio de lulas K Na Cl Ca 2+ Proteína (-) Célula de mamífros K Na Cl Ca Proteínas

19 Os diferentes tipos de transporte transmembranar Transporte activo primário Bombas Membranas biológicas Bomba Na + K + (ou ATPase Na + K + ) A manutenção do gradiente iónico pela bomba Na + K + éimportante para controlar o volume das células. Plasmólise normal Turgescência lise Glóbulo vermelho Concentração iónica no espaço extracelular hipertónica isotónica hipotónica muito hipotónica A membrana citoplasmática é permeável àágua. A água entra e sai das células conforme o seu gradiente de concentração. Este movimento da água através da membrana celular é chamado de OSMOSE. O volume das células édeterminado pela diferença de concentração iónica entre os espaços intra e extracelular. A água difunde se (osmose) do meio menos concentrado em iões para o meio mais concentrado.

20 Os diferentes tipos de transporte transmembranar Transporte activo primário Bombas Membranas biológicas Outras bombas iónicas: Bomba Ca 2+ : éuma ATPase que mantém o gradiente do cálcio. [Ca 2+ ]int = 0.1 μm [Ca 2+ ]ext = 1mM Bomba H + : mantém a acidez do fluido gástrico edos lisossomas

21 Os diferentes tipos de transporte transmembranar Transporte activo primário Membranas biológicas Transportadores ABC (ATP binding cassettes) Existem vários membros de transportadores ABC em procariotas e eucariotas. Possuem domínios de ligação ao ATP altamente conservados. A função principal dos transportadores ABC é eliminar os produtos tóxicos que entram na célula. Trata se dum transporte activo mediado pela hidrólise de ATP. Os transportadores ABC existem nas células do fígado, do intestino e do rim.

22 Os diferentes tipos de transporte transmembranar Transporte activo primário Membranas biológicas Exemplo: o transportador MDR (multidrug resistance) Transportadores ABC (ATP binding cassettes) Trata se duma proteína multipass com 6 domínios transmembranares e um domínio de ligação de ATP. O transportador MDR funciona como dímero (12 domínios transmembranares e 2 domínios de ligação de ATP). Utilizando a hidrólise de ATP, este transportador exporta as moléculas tóxicas para o espaço extracelular. O transportador MDR encontra se altamente expresso nas células neoplásicas permitindolhes exportar fora da célula os agentes quimioterapêuticos. Isto explica, em parte, a resistência das células cancerosas à quimioterapia.

23 Os diferentes tipos de transporte transmembranar Transporte secundário Membranas biológicas Utilizando como energia o gradiente transmembranar de uma segunda molécula. Transportam compostos polares como aminoácidos, glucose, e alguns iões.

24 Os diferentes tipos de transporte transmembranar Transporte secundário Membranas biológicas No sistema uniporte, as proteínas transportadoras transportam uma só molécula. Exemplo: difusão facilitada de glucose No sistema simporte, as proteínas transportadoras transportam 2 moléculas na mesma direcção. Exemplo: transporte de glucose acoplado com o transporte de Na + No sistema antiporte, as proteínas transportadoras transportam 2 moléculas em direcções opostas. Exemplo: antiporte Na + Ca 2+ antiporte Na + H +

25 Os diferentes tipos de transporte transmembranar Transporte secundário Membranas biológicas Exemplo: o transporte de glucose através das células intestinais O transporte de glucose émediado pelo transportador de glucose que coordena o transporte de 2 iões Na + e de 1 glucose para dentro da célula. A glucose é transportada contra o seu gradiente de concentração, utilizando a energia do transporte acoplado de Na +. Lúmen do intestino Menos concentrado Simporte da glucose via Na+ microvilosidades Junção de oclusão Proteína de transporte interveniente na difusão facilitada da glucose Epitélio intestinal Mais concentrado em glucose Líquido extracelular Menos concentrado

26 Membrana Celular Transporte transmembranar de pequenas moléculas e iões Transporte Passivo (a favor do gradiente) Difusão simples Difusão facilitada Transporte Activo (contra o gradiente) Transporte activo primário Bombas Transporte activo secundário Cotransporte Transporte em massa Endocitose Exocitose Fagocitose

27 Tráfego intracelular de vesículas Endocitose Exocitose

28 Tráfego intracelular de vesículas Transporte de macromoléculas e de partículas através da membrana citoplasmática As macromoléculas (proteínas, polinucleotídeos ou polissacarídeos) não podem ser transportadas pelas proteínas transportadoras; o seu transporte faz se através de vesículas membranares, por: Endocitose Exocitose Partículas de maior tamanho (bactérias ou restos celulares) são transportadas por fagocitose. Fluidos e solutos são transportados por pinocitose. Ambos os processos são tipos de endocitose.

29 Tráfego intracelular de vesículas Endocitose Na endocitose, o material a ingerir está progressivamente rodeado por uma porção da membrana citoplasmática que, por invaginação, forma uma vesícula intracelular contendo o material ingerido designada por vesícula de endocitose. Há 3 tipos de endocitose: Pinocitose Endocitose mediada por receptores Fagocitose

30 Tráfego intracelular de vesículas Endocitose Pinocitose Um dos tipos de vesículas de endocitose são as vesículas de pinocitose, de pequeno tamanho e contendo apenas fluidos ou solutos. A pinocitose ocorre nas células permanentemente e é responsável, por exemplo, pela absorção dos lípidos após a digestão.

31 Endocitose Endocitose mediada por receptores Tráfego intracelular de vesículas As macromoléculas a interiorizar ligam se a receptores específicos que se encontram concentrados em regiões especializadas da membrana: depressões revestidas por clatrina (1); as depressões franjadas invaginam se (2) e destacam se da membrana (3) para originar pequenas vesículas de endocitose franjadas (4) Os quatros estádios da formação de uma vesícula franjada. (Microscopia electrónica de transmissão).

32 Endocitose Endocitose mediada por receptores Tráfego intracelular de vesículas Aspecto das vesículas franjadas observadas em SEM (técnica de criomoldagem). A clatrina forma uma rede de malha hexagonal e pentagonal.

33 Tráfego intracelular de vesículas Endocitose Endocitose mediada por receptores Exemplo: Transporte do colesterol O colesterol circula no sangue sobe a forma dum complexo: LDL ( Low Density Lipoprotein ). Cada LDL contém ~1500 moléculas de ester de colesterol envoltos por uma camada composta por 800 fosfolípidos, 500 moléculas de colesterol e 1 proteína: a apoproteína B100. apoproteína B100 Estrutura do LDL Ester de colesterol colesterol fosfolípido

34 Tráfego intracelular de vesículas Endocitose Endocitose mediada por receptores Exemplo: Transporte do colesterol As células dos mamíferos sintetizam receptores de LDL que integram a membrana citoplasmática. A interiorização do LDL por endocitose faz se através da ligação aos seus receptores, que se encontram concentrados nas depressões franjadas. A) Receptores proteicos de LDL ligados à depressão franjada numa célula normal. Receptor proteico de LDL citoplasma Membrana citoplasmática B) Uma célula mutante com receptores de LDL anormais não possuindo o sítio de ligação à depressão franjada.

35 Endocitose Tráfego intracelular de vesículas Caminhos da endocitose mediada por receptores 1) Após a interiorização do complexo receptor LDL, a clatrina dissocia se da vesícula que se funde com o endossoma; 2) O ph ácido do endossoma permite a dissociação do LDL e do receptor; 3) O endossoma forma vesículas que transportam os receptores para a membrana (reciclagem), enquanto que Vesícula franjada Vesícula não franjada endossoma Fusão com 1 o endossoma Formação de vesículas de transporte Receptores re integrando a membrana 4) o endossoma contendo o LDL é transportado para os lisossoma, a partir do qual o colesterol é libertado na célula. Colesterol libertado lisossoma Enzimas hidrolíticas

36 Tráfego intracelular de vesículas Endocitose Caminhos da endocitose mediada por receptores As moléculas contidas no endossoma seguem 3 vias: 1) Reciclagem para re integrar a membrana citoplasmática 2) Degradação no lisossoma 3) Transcitose para integrar um outro domínio da membrana citoplasmática.

37 Tráfego intracelular de vesículas Endocitose O transporte de macromoléculas em vesículas éregulado através de proteínas presentes na face citosólica da membrana vesicular. O transporte intracitoplasmático através de diferentes vesículas assegura o correcto endereço das macromoléculas. Vesículas de clatrina, participam no: i) processo de entrada de macromoléculas provenientes do meio extracelular por endocitose. ii) transporte de moléculas da rede trans de Golgi para os lisossomas. Vesículas não cobertas por clatrina i) Vesículas COPI: transporte de moléculas de Golgi para o RE. ii) Vesículas COPII: transporte de moléculas de RE para Golgi.

38 Tráfego intracelular de vesículas Fagocitose Bactéria Pseudópodos Permite a ingestão de grande partículas (micro organismos e resíduos celulares) em vesículas com dimensão superior a 250 nm de diâmetro. O material absorvido nos fagossomas é transferido para os lisossomas que passam a ser chamados de fagolisossomas. O processo de fagocitose é utilizado principalmente pelas células de defesa do organismo (macrófagos e neutrófilos) para eliminar os microorganismos e células mortas. Glóbulo branco Membrana citoplasmática Micrografia (TEM) dum neutrófilo fagocitando uma bactéria em divisão Micrografia mostrando um macrófago fagocitando 2 hemácias modificadas quimicamente. As setas indicam os bordos dos prolongamentos finos (pseudopódeos) do macrófago engolindo as hemácias. (microscopia electrónica de varrimento)

39 Tráfego intracelular de vesículas Exocitose Na exocitose, as vesículas fundem se com a membrana citoplasmática e libertam o seu conteúdo no espaço extracelular. Existem 2 tipos de exocitose: exocitose constitutiva e exocitose regulada. Na exocitose constitutiva, vesículas de transporte transportam constantemente proteínas sintetizadas pela célula. As proteínas transportadas integram a membrana, ou são segregadas na matriz extracelular. Esta via funciona em todas as células. Na exocitose regulada, as moléculas sintetizadas pela células estão armazenadas nas vesículas de secreção. Uma estimulação da célula, por um sinal extracelular, induz a fusão das vesículas de secreção com a membrana citoplasmática e, consequentemente, leva à libertação do seu conteúdo. Esta via funciona só nas células especializadas na secreção rápida de hormonas, neurotransmissores e enzimas digestivas.

40 Exocitose Tráfego intracelular de vesículas

41 Tráfego intracelular de vesículas Exocitose Exemplo: Exocitose regulada nos mastócitos do rato Figura A) mostra a célula (não estimulada) com vesículas contendo a histamina; Figura B) mostra a célula após libertação da histamina, a seguir a uma estimulação.