Biologia Molecular e Celular II: Transporte através da membrana
Princípios do transporte Há diferenças entre a composição dentro e fora da célula; A distribuição de íons dentro e fora da célula é controlada por proteínas integrais de membrana (transportadoras e de canal) e, em parte, pelas características de permeabilidade da própria bicamada.
As bicamadas são impermeáveis a solutos e íons... A taxa de difusão relativa de uma substância qualquer através da bicamada é proporcional: Ao seu gradiente de concentração pela bicamada; À sua hidrofobicidade e seu tamanho Para moléculas carregadas, o potencial elétrico da membrana também influi. Em geral: Quanto menor e + hidrofóbico, > taxa de difusão Quanto > o gradiente de [ ], > taxa de difusão Transportadores proteicos são necessários!!
As proteínas de membrana podem ser: Proteínas transportadoras (carreadoras): Podem mediar o transporte passivo e ativo. Carregam moléculas específicas encaixe no sítio de ligação e transferência através da membrana por alteração conformacional. Bombas ativadas por ATP ATPases que usam a energia da hidrólise de ATP para o transporte de íons e peq. moléculas através da membrana Proteínas de canal Formam poros hidrofílicos e fazem transporte passivo Se o canal está aberto, moléculas de tamanho e carga apropriados podem passar.
Transporte passivo ou ativo? TRANSPORTE PASSIVO = moléculas fluem de regiões [ ] para [ ] TRANSPORTE ATIVO = moléculas vão contra um gradiente de [ ]
Para moléculas carregadas... A maioria das membranas possui uma diferença no potencial elétrico entre cada lado Potencial de membrana Em geral: Essa diferença de potencial exerce uma força em qualquer molécula eletricamente carregada... o lado citoplasmático está com potencial negativo em relação ao exterior, Há uma tendência a atrair cátions e impelir ânions, mas o soluto também tende a mover-se de acordo com seu gradiente de [ ].
Assim: As forças do gradiente de [ ] + potencial de membrana geram Gradiente eletroquímico de soluto (força motriz líquida) Determina a direção do transporte passivo através da membrana O transporte ativo move solutos contra seu gradiente eletroquímico
Proteínas transportadoras (=carreadoras) Transportam moléculas orgânicas pequenas (açúcares, aminoácidos, nucleotídeos, etc.); Altamente seletivas; Cada membrana têm seu conjunto próprio; Facilitam transportes ativo e passivo; Carreador de glicose: mudança conformacional da proteína carreadora pode mediar o transporte passivo da glicose a favor do gradiente de concentração
Transportador de glicose da membrana plasmática de células hepáticas de mamíferos Numa conformação, expõe sítios de ligação p/ glicose no exterior da célula, noutra expõe sítios no interior... Embora passivo, o transporte é seletivo! A direção é dada pelo gradiente de [ ] (pode ser reversível) É uniportador: transporta um único tipo de molécula
Transportadores uniporte From Structural biology: Bundles of insights into sugar transporters Peter J. F. Henderson & Stephen A. Baldwin Nature 490, 348 350 (18 October 2012) doi:10.1038/490348a
Transportadores acoplados Proteínas transportadoras nas quais o movimento favorável do 1 o soluto fornece energia para o transporte desfavorável do 2 o soluto. É dito transporte ativo secundário ou acoplado. SIMPORTADOR (ou cotransportador) = se as 2 moléculas vão para a mesma direção ANTIPORTADOR (ou permutador) = se deslocam-se em direções opostas Bicamada lipídica UNIPORTE SIMPORTE ANTIPORTE transporte acoplado
Lactose permease de E. coli: um simporte de lactose dirigido por H+ Science 1 August 2003: Vol. 301 no. 5633 pp. 610-615 DOI: 10.1126/science.1088196
O transporte ativo Se dá em 3 formas principais: Transportadores acoplados: ligam o transporte desfavorável de um soluto ao transporte favorável de outro soluto; Bombas ativadas por ATP: acoplam o transporte desfavorável à hidrólise de ATP; Bombas movidas à luz: unem o transporte desfavorável a uma entrada de energia luminosa.
Bombas ativadas pelo ATP Todas são proteínas transmembrana com um ou + sítios de ligação para o ATP na face citosólica da membrana; ATPases que normalmente não hidrolisam ATP a não ser que os íons ou outras moléculas sejam transportados simultaneamente. São enquadradas em classes principais: Bombas de Classe-P, Bombas de Classe- F e Transportadores ABC
Classes de bombas ativadas pelo ATP Bombas classe-p subunidades catalíticas que ligam ATP + subunidades regulatórias Uma subunidade α é fosforilada e os íons movem-se através dela; Podem ser: bombas de Na/K, H+/K e Ca++
Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. Biochemistry. 5th edition. New York, 2002. Bomba de Ca ++ Mecanismo de ação da Ca ++ ATPase
ATPase muscular de Ca ++ : bombeia Ca ++ do citosol para o R.Sarcoplasmático
Bomba de Na + /K + http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/nakpump.htm
Transporte transcelular de glicose Alberts et al. Biologia Molecular da Célula, 2010.
Comparação de concentrações de íons no interior e exterior de uma célula típica de mamífero. COMPONENTE CONCENTRAÇÃO INTRACELLULAR (mm) CONCENTRAÇÃO EXTRACELLULAR (mm) Cations Na + 5-15 145 K + 140 5 Mg 2+ 0.5 1-2 Ca 2+ 10-4 1-2 H + 7 10-5 Anions* (10-7.2 M ou ph 7.2) 4 10-5 (10-7.4 M ou ph 7.4) Cl - 5-15 110
Gradientes de H + São utilizados para impelir o transporte de membrana em plantas, fungos e bactérias, pois estes não possuem bombas de Na + /K + Contam com um gradiente eletroquímico de H + no lugar de Na + Criado por bomba de H + na membrana plasmática A captura de muitos açúcares e aminoácidos para o interior das células bacterianas é conseguido por simportadores de H +
As bombas classes F transportam H + Presentes na membrana plasmática bacteriana, membrana mitocondrial interna e nas membranas dos tilacóides; São ATPases de transporte trabalhando em sentido reverso: ATP sintases! O gradiente de H + sustenta a síntese de ATP
Transportadores ABC (ATP Binding Cassete): Bombas ativadas pelo ATP Transportam aminoácidos, peptídeos, acúcares, íons inorgânicos, polissacarídeos e até proteínas. Flipam lipídeos; Em E. coli 5% dos genes codificam transportadores ABC para importação e exportação Em eucariotos a maioria é exportador. Ex. MDR = transportador ABC que dá resistência a multidrogas
Proteínas de canal CANAIS hidrofílicos = forma + simples de permitir que uma molécula hidrossolúvel atravesse a membrana; - algumas formam grandes poros, muito permissivos - p.e. porinas (na membrana ext. bacteriana, mitocondrias e cloroplastos); - Junções comunicantes (gap junctions) - Certas toxinas bacterianas. Porém, a maioria das proteínas de canal é seletiva e de poros estreitos quase todas são canais iônicos (Na +, K +, Cl - e Ca + )
Canais iônicos Poros estreitos e altamente seletivos; - Não estão continuamente abertos... estados aberto/fechado alternam por mudança conformacional. - Taxa de transporte é muito mais rápida que aquela das proteínas carreadoras (até mil vezes >), - mas não fazem transporte ativo... - O transporte segue a favor do gradiente eletroquímico. - São seletivos (filtro de seletividade)!
Estrutura do canal de K Somente o íon de tamanho e carga apropriados pode passar Filtro de seletividade.
Mecanismo de seletividade e transporte iônico
Modelo para o controle do canal de K+ bacteriano
Canais iônicos Há mais de 100 tipos de canais iônicos; Diferem quanto 1) seletividade iônica 2) condições que influenciam na abertura O controle da abertura-fechamento pode ser por: voltagem, ligação de ligante ou pressão mecânica
Canais iônicos
Receptor de acetilcolina: um canal iônico controlado por ligante (neurotransmissor)
O movimento da água A pressão osmótica causa o movimento da água através das membranas; As bicamadas lipídicas puras são semi-permeáveis à água, que atravessa por osmose parte das membranas celulares tem proteínas de canal de água (aquaporinas) que aumentam a permeabilidade da biomembrana à água Aquaporinas: são seletivas para água
Estrutura da aquaporina Modelo estrutural da proteína homotetramérica: cada subunidade forma um canal de água. Um dos monômeros é mostrado com a superfície molecular destacando o poro. Vista lateral do poro em uma única subunidade
Expressão de aquaporina por oócitos de rã (acima) e controle (abaixo) em solução hipotônica
Pesquisa funcional com proteínas de membrana Dificuldades Proteínas devem estar na membrana! Há muitas proteínas de membrana diferentes numa dada membrana; Geralmente, estão em baixas concentrações relativas; O que fazer: 1) Extrair, purificar e reincorporar em lipossomos; ou 2) expressar o gene de interesse