UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO INSTITUTO DE BIOFÍSICA CARLOS CHAGAS FILHO NOTAS DE AULA - FUNDAMENTOS DE BIOFÍSICA II

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO INSTITUTO DE BIOFÍSICA CARLOS CHAGAS FILHO NOTAS DE AULA - FUNDAMENTOS DE BIOFÍSICA II FISICO-QUÍMICA DE BIOMEMBRANASç EQUILÍBRIO ELETROQUÍMICO E TRANSPORTE Glbrto Wssmullr Nc Mara Amrcano Costa Paulo Mascarllo Bsch INTRODUÇÃO No âmbto da célula, um dos procssos mas mportants para a vda é o transport d matéra através das mmbranas clulars daqulas ntraclulars. A mmbrana plasmátca, por xmplo, funcona como uma barrra sltvamnt prmávl ntr o mo ntraclular o xtraclular, assgurando qu moléculas íons ssncas, tas como glcos, amnoácdos, lpídos, K +, Na + Ca 2+, pntrm na célula, qu compostos mtabólcos prmançam no su ntror, também, qu o produto tóxco do mtabolsmo sja xpldo. Através da mmbrana ntrna da mtocôndra, são transportados prótons, para a rgão ntrmmbranar, (íons H + ), mprscndívs na sínts do ATP, bm como as própras moléculas d ATP rcém snttzadas. Pla carotca mmbrana qu nvolv o núclo da célula atravssam moléculas vtas: nuclotídos, RNA, ATP protínas. Os transports transmmbranars controlam tudo aqulo qu pod passar ntr células ntr compartmntos dntro d uma célula, garantndo com sso qu o mtabolsmo sja rgulado drgdo. Em sínts, os transports xstm para garantr o funconamnto d nossas usnas, controlando o fluxo d sus nsumos também d sus djtos anda para crar condçõs d armaznamnto d nrga ncssára para ralzação d mutos procssos clulars. À luz d fnômnos físco-químcos, aqu, vamos ddcar nossa atnção à análs das possbldads das condçõs d transport d matéra d armaznamnto d nrga através d mmbranas. Prlmnarmnt, farmos uma rvsão d alguns conctos báscos d Eltrcdad, ndspnsávs à comprnsão da orgm bológca dos fnômnos 1

létrcos constatados na célula d como ls ntrfrm nos procssos vtas d transport transmmbranar. Em sguda, dscutrmos como o qulíbro químco s stablc quando os solutos são ltrcamnt carrgados quando a própra mmbrana smprmávl é carrgada, tal como ocorr para mmbranas clulars. Estas, consttuídas por lpídos, podm tr a cabça polar ltrcamnt carrgada, sparando soluçõs ôncas d dfrnts concntraçõs. Nst tópco, analsarmos como a dfusão d íons através d mmbranas smprmávs provoca o aparcmnto d um potncal létrco através da mmbrana. Fnalmnt, no trcro tópco, srão dscutdos os conctos d transport passvo do transport atvo, sob a prspctva trmodnâmca do qulíbro ltroquímco (qulíbro químco ntr spécs carrgadas ltrcamnt). REVISÃO DE ELETRICIDADE L d Coulomb Exstm dos tpos d carga létrca: postva ngatva. As partículas lmntars qu possum carga são os létrons (ngatvos) os prótons (postvos). Quando uma partícula composta por mutos átomos ou moléculas, ncalmnt nutra, torna-s ltrcamnt carrgada, é porqu la rcbu ou prdu létrons. Partículas carrgadas até msmo létrons prótons são chamadas íons. Os postvos são chamados cátons os ngatvos, ânons. As partículas carrgadas ntragm por mo d forças atratvas ou rpulsvas d acordo com a rgra: cargas guas s rplm opostas s atram. A ntnsdad da força létrca é dada pla l d Coulomb: a força ntr duas cargas létrcas é proporconal ao produto das cargas nvrsamnt proporconal ao quadrado da dstânca ntr las. Formalmnt, sta l s xprssa por: Q1Q2 F = k, 2 d 2 Nm ond, k é a constant d Coulomb, qu val k = 9 10 9 2, Q1 Q 2 são as cargas C d é a dstânca ntr las. As forças létrcas são forças ntnsas; na prsnça dstas, as forças gravtaconas podm sr dsconsdradas; um númro rlatvamnt pquno d létrons gra forças norms. Um xmplo smpls lustra ss fato. 2

Consdr duas pqunas sfras d frro, com rao d 1 cm, cada uma contndo, ncalmnt crca d um mol d frro (6,02 x 10 23 átomos), ntr as quas ocorr uma transfrênca d létrons. Suponha qu um númro d létrons, muto mnor qu 10 23, tnha sdo transfrdo d uma sfra para a outra: um létron a cada blhão d átomos (1ppb). S a dstânca ntr as sfras for 10 cm, pla l d Coulomb, calculamos qu o valor dsta força é quvalnt ao pso d 0,8 tonladas. Ess xmplo é útl para mostrar como uma pquna altração ntr cargas provoca o surgmnto d uma força muto grand. Em uma solução ltrolítca, os íons podm s movr d um ponto ao outro faclmnt; quando um íon s dstanca rlatvamnt dos outros, a força ltrostátca qu surg por sta sparação d cargas atuará d modo a anulá-la, mantndo a solução ltrcamnt nutra m todos os pontos a todo nstant. Campo létrco potncal létrco Toda carga Q létrca modfca as proprdads do spaço a sua volta d tal forma qu uma outra carga q trazda a um ponto dss spaço xprmnta uma força létrca. Dz-s ntão qu a carga Q cra um campo létrco a sua volta. Com st concto d campo létrco, podmos consdrar qu a força qu a carga q xprmnta é dvda a l, tornando-s dsncssáro nos rfrrmos drtamnt à carga Q. Dzmos qu F = q E A força é o produto da carga q plo campo létrco na posção da carga ond la s ncontra. Claramnt, o valor do campo dv sr tal qu rproduza xatamnt o valor da força calculada pla l d Coulomb. Trabalhar com o concto d campo létrco é vantajoso. Uma noção d campo análoga,, m partcular, uma stuação ond o campo é constant, é o campo gravtaconal. Para st campo, dzmos qu a força pso d um corpo é gual a sua massa multplcada pla aclração da gravdad, P = mg ond g = 10 m/s 2 (nas proxmdads da suprfíc da trra); stamos fazndo o msmo racocíno: a trra gra nas proxmdads d sua suprfíc um campo gravtaconal a força é a massa multplcada pla ntnsdad do campo (g). A analoga com a stuação gravtaconal pod anda sr usada para ntndr uma outra grandza létrca mportant: o potncal létrco. Para tanto, vamos lançar mão da noção d trabalho ralzado por uma força. 3

O trabalho W ralzado por uma força F, ao longo d uma dstânca x é W = F x. S pnsarmos no trabalho ralzado pla força pso sobr um corpo cando d uma altura h da suprfíc da trra, calculamos qu st trabalho srá W = m g h. Dsta rlação, podmos ntão conclur qu o campo gravtaconal cra, m rlação à suprfíc da Trra, uma nova proprdad: uma capacdad potncal d ralzar trabalho a partr d cada altura h. Esta capacdad potncal val gh, qu multplcada pla massa m, rsultará no trabalho ralzado. Not qu a capacdad d ralzar trabalho dpnd apnas do campo gravtaconal da altura, proprdads do spaço. Vamos utlzar stas noçõs para analsar a stuação d uma confguração d cargas, como a da Fgura 1: duas suprfícs condutoras parallas carrgadas com cargas contráras. Ela srá mportant para a dscussão d fnômnos létrcos nas células. E Fgura 1 Suprfícs condutoras parallas carrgadas com cargas opostas. A atração ltrostátca ntr as cargas opostas, numa placa noutra, a rpulsão ntr as cargas guas na msma placa lvará a uma dstrbução unform dssas cargas nas suprfícs condutoras, xprssa pla dnsdad suprfcal d cargas σ (undads m Coulomb por mtros quadrados). Pod-s mostrar qu tal dstrbução gra um campo létrco constant confnado à rgão ntr as placas E = 4π kσ ond k é a constant d Coulomb, já ctada. Uma carga q colocada ntr as placas sofr a ação d uma força dvdo ao campo létrco E, dada por F = q E. O trabalho dsta força, ao longo d uma dstânca x = x - x 0 srá, portanto, mddo m N x m = Joul. W = q E x, 4

Usando a analoga dscutda antrormnt para o campo gravtaconal, podmos conclur qu o campo létrco E também cra, m rlação a uma posção d rfrênca, uma capacdad d ralzar trabalho, agora, d orgm létrca. Esta capacdad potncal qu o campo létrco tm d ralzar trabalho por undad d carga é chamada d potncal létrco. Como la é smpr mdda m rlação a um ponto d rfrênca, la é dada por V - V 0 = E x ond V 0 é o potncal no ponto d rfrênca. Novamnt, assm como para o campo, sta é uma proprdad atrbuída ao spaço. O snal ngatvo ndca qu o potncal létrco crsc no sntdo contráro ao sntdo do campo létrco. Obsrv qu st valor é apnas uma capacdad d ralzar trabalho não o trabalho ralzado, o qual dpnd da carga qu srá dslocada plo campo (not qu a acpção da palavra potncal ndca xatamnt qu não sja um trabalho, mas uma possbldad dl). Com stas noçõs, vamos analsar a stuação para a dstrbução d cargas m placas parallas da Fgura 1, por mo da Fgura 2. V E V c = V d V a = V b l a b c d x Fgura 2 Prfl do potncal létrco através d placas carrgadas. A dstânca ntr as placas é l. Entr os pontos a b, o campo létrco é nulo. Portanto a capacdad d ralzar trabalho ntr sts dos pontos também é nula. Pla rlação antror, scrvmos ntão Vb - Va = 0, o qu sgnfca qu o potncal não s altra, V b = Va. Entr os pontos c d, como o campo létrco também é zro, ocorr o msmo, V c = V d. Entrtanto, no trcho bc, sto é, ntr as placas,o campo tm um valor 5

constant E, a dfrnça d potncal srá Vc - Vb = E l, ond l é a dstânca ntr as placas. Como s vê, a dfrnça d potncal m um campo létrco constant, como no caso das placas parallas, vara lnarmnt com a dstânca, como mostra a Fgura 2. Em sínts, o potncal létrco prmanc constant fora das placas, ond o campo létrco é nulo (o campo stá confnado ntr as placas) vara lnarmnt ntr as placas dvdo ao campo constant. Um íon postvo (cáton) tndrá a s movr spontanamnt d uma rgão d maor para uma rgão d mnor potncal létrco. Rtomando a analoga mcânca, é o qu ocorr quando um corpo ca d uma altura h. Não s dv sr confundr potncal létrco com a nrga potncal létrca. Em casa dspomos d tomadas qu dsponblzam 120 Volts. A nrga létrca consumda dpndrá do aparlho qu s lga na tomada. No msmo ntrvalo d tmpo, uma lâmpada d 100 Watts consom mas nrga do qu uma lâmpada d 40 Watts mas, é claro, lumna mas. Campos létrcos podm sr grados na naturza por dos mcansmos dfrnts: sparação d cargas varação d campo magnétco. Em uma hdrolétrca, a força da água é usada para movmntar grands magntos próxmos a fos. O movmnto dos ímãs gra campos létrcos a dfrnça d potncal qu chga até a sua casa plos fos. Como vmos no studo das raçõs d ox-rdução, m plhas batras, raçõs químcas provocam a sparação d cargas ntr os dos pólos grando a dfrnça d potncal. Vrmos, a sgur, qu nas células o potncal é prncpalmnt rsultado da sparação d cargas provocado plo procsso d dfusão. Protínas qu transportam carga líquda para um dos lados da mmbrana, como a Na/K-ATPas, também causam sparação d cargas através da mmbrana las também contrbum para o surgmnto do potncal létrco. Corrnt létrca Corrnts létrcas são cargas m movmnto; ou sja, um fluxo d cargas létrcas qu pod s dar plo dslocamnto d létrons lvrs, as corrnts létrcas m um mtal, também, plo movmnto d íons, m uma solução. A água pura é má condutora d ltrcdad, porém, íons dssolvdos na água a tornam boa condutora. 6

EQUILÍOBRIO QUÍMICO EM SOLUÇÕES ELETROLÍTICAS A dfusão promov o procsso d homognzação dos solutos m uma solução aquosa. O msmo procsso ocorr para solutos carrgados ltrcamnt. Como dscutdo antrormnt, um númro rlatvamnt pquno d cargas gra grands forças; os íons m uma solução s dstrbum d forma qu macroscopcamnt o líqudo sja nutro; quasqur sparaçõs d cargas no líqudo causadas plo movmnto alatóro são compnsadas por forças d atração /ou rpulsão ltrostátca. Portanto, ao colocarmos sal m um copo d água, m qualqur rgão do líqudo, o sódo o cloro starão prsnts m guas concntraçõs. O qu acontc quando a solução é posta m contato com uma dstrbução d cargas: por xmplo, quando uma suprfíc plana carrgada ngatvamnt é mrgulhada na solução? Os íons postvos srão atraídos pla suprfíc os ngatvos srão rpldos, portanto, a solução fcará com uma fna camada d cargas nas proxmdads da suprfíc, d spssura da ordm d 10Å. Eltro-osmos a orgm do potncal d mmbrana através d uma mmbrana smprmávl Vamos dscutr agora como uma mmbrana smprmávl nutra ao sparar duas soluçõs ôncas (também ncalmnt nutras), porém d dfrnts concntraçõs, lva ao surgmnto d uma dfrnça d potncal létrco ntr as duas soluçõs. Na Fgura 3, stá dlnado um xprmnto smpls, no qual uma mmbrana smprmávl lva ao aparcmnto d uma dfrnça d potncal ntr dos compartmntos. Uma cuba com água é dvdda ao mo por uma mmbrana prmávl apnas ao íon potásso (K + ). No compartmnto squrdo, colocamos uma grand quantdad d clorto d potásso (KCl),, no da drta, apnas uma pquna quantdad, lvando, portanto, a uma grand dfrnça d concntração dgamos 10 para 1. Esta stuação smula a dfrnça d concntração ntr os mos ntra- xtra-clular. 7

Alta concntraçã Baxa concntraçã K K Cl Cl Fgura 3 Orgm do potncal létrco m mmbranas smprmávs. A mmbrana é prmávl apnas ao íons K +. No lado squrdo da mmbrana () tmos uma maor concntração d KCl, smulando o mo ntraclular o lado drto smula o mo xtraclular (). Nsta stuação, o sstma não stá m qulíbro. O potásso, por xstr m muto maor concntração do lado squrdo, dfundrá pla mmbrana m busca do qulíbro. O cloro não atravssa porqu a mmbrana não lh é prmávl. Entrtanto, quando os íons K + atravssam a mmbrana, dxam dsmparlhados os contra-íons Cl - do lado squrdo, fazndo surgr aí uma carga líquda ngatva, no lado drto, uma carga postva d msmo valor. Lmbrando qu xst a atração ntr os pars d cargas contráras através da mmbrana, podmos também conclur qu as cargas prmancm próxmas à suprfíc da mmbrana; as ngatvas na fac squrda as postvas na fac drta. A mmbrana carrga-s, ntão, d forma análoga às placas mtálcas parallas dscutdas antrormnt. Tal dstrbução d cargas cra uma dfrnça d potncal létrco através da mmbrana o potncal d mmbrana smlar à aprsntada na Fgura 2. Nssas crcunstâncas, íons K + qu stão do lado squrdo xprmntarão a ação compttva d duas forças opostas: ) a tndênca à dfusão pla dfrnça d concntração ) a atração ltrostátca pla carga líquda ngatva. Quando stas duas forças s compnsarm, o sstma stará no qulíbro ltroquímco. Como vsto no níco, uma pquna sparação d cargas lva ao surgmnto d grands forças ltrostátcas. No qulíbro ltroquímco, apnas uma pquna fração dos íons K + trá atravssado a mmbrana, o qu é nsufcnt para altrar sgnfcatvamnt as concntraçõs dos compartmntos da Fgura 3, mas o bastant para grar uma dfrnça d potncal mnsurávl através da mmbrana. Obsrv qu quanto maor a dfrnça ncal ntr as concntraçõs dos compartmntos, maor srá a dfrnça d potncal stablcda ao fm do procsso, pos maor srá o fto da dfusão, lvando a uma maor sparação d cargas. 8

As células anmas aprsntam uma dfrnça d potncal létrco através da mmbrana plasmátca, qu surg pla dfusão d K + por sus canas sltvos. O modlo do nosso xprmnto smpls dscrv bm o fnômno. Em 1890, o físco-químco almão Wlhlm Ostwald mostrou qu a rlação ntr a dfrnça d potncal a concntração, no qulíbro ltroquímco, tm a forma V = V V RT C = 2,3 log zf C ond, os índcs ndcam os compartmntos ntra xtraclular, V é o potncal létrco, C é a concntração, R é a constant dos gass, T é a tmpratura absoluta (mdda m Klvn), z é a valênca do íon (+1 para o íon potásso) F é a constant d Faraday. Essa quação é um caso partcular, para a stuação d qulíbro, da quação d Nrnst. Exstm duas possívs manras d s ntrprtar tal quação: 1. S, d alguma manra, mantmos uma dfrnça d concntração d uma spéc d íon através da mmbrana C C ), surgrá, através dla, uma ( dfrnça d potncal létrco, V, cujo valor é calculado pla quação d Nrnst; 2. S, d alguma manra, uma dfrnça d potncal létrco é mposta ntr os lados da mmbrana, o íon m qustão assumrá uma dfrnça d concntração ntr os lados da mmbrana. Como um xmplo, podmos calcular a dfrnça d potncal qu surgrá através da mmbrana, caso o mo ntraclular sja 10 vzs mas concntrado qu o xtraclular. À tmpratura ambnt, T=298K, R=8.314 Jmol -1 K -1 a constant d Faraday F=96 492C mol -1, portanto, a 25 C, para um íon monovalnt, calculamos, para o potncal d mmbrana: C V V = 59,2log = 59. 2 mv C Potncal ltroquímco 9

A quação d Nrnst pod sr dduzda a partr do potncal químco, s na sua dfnção consdrarmos o fto produzdo pla prsnça d cargas létrcas. Como vmos antrormnt, o potncal químco, para uma solução dluída fo dfndo por µ = 0 + RT ln C µ 0 ond, µ é o potncal químco padrão C a concntração da spéc. Lmbrando qu o potncal químco md a varação da nrga lvr d Gbbs d um sstma, por mol d substânca acrscda (ou rtrada), mantdas constants as dmas varávs trmodnâmcas, sndo as spécs carrgadas, l dv sr acrscdo d um trmo qu rsponda plo comportamnto da spéc susctívl a stímulos létrcos. O potncal químco, chamado agora potncal ltroquímco, passa a sr xprsso, ntão, como 0 µ = + RT lnc + z µ FV ond z é a carga do íon da spéc, F a constant d Faraday V o potncal létrco mddo m rlação a um nívl d rfrênca. Consdrando, qu nas condçõs do nosso modlo da Fgura 3, o potncal ltroquímco dos dos lados da mmbrana não é o msmo dvdo à dfrnça d concntraçõs também à dos potncas létrcos, ls são dados: no lado ntrno (), por, no xtrno (), por µ = + RT ln C + z 0 µ 0 µ µ = + RT lnc + z FV FV O qulíbro ltroquímco, ntão, s xprssará por ou RT ln C µ =. µ + z FV = RT lnc + z FV 10

qu nos lva ao rsultado ncontrado por Ostwald: V = V V = RT C ln z F C Tal rsultado nos lva a conclur qu o qulíbro ltroquímco d íons para os quas a mmbrana lh sja prmávl não s caractrza pla sua homognzação, como no caso das moléculas nutras, mas sm, plo surgmnto d um potncal létrco qu contrabalança a dfusão. Em outras palavras, s o soluto porta uma carga líquda, tanto su gradnt d concntração, quanto o potncal d mmbrana, nflunca su transport, como vrmos a sgur. TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA Transport passvo A dfusão é um fnômno qu promov o movmnto d moléculas d solutos m soluçõs. Ela stá ntmamnt rlaconada com a dfrnça d concntração do soluto m duas rgõs do solvnt. Um fluxo líqudo d moléculas surg na prsnça d um gradnt d concntração. Logo, s na naturza vrfcam-s stuaçõs nas quas xst um gradnt d concntração para uma substânca, nlas, stão cradas as condçõs para qu ocorra a dfusão das moléculas dsta substânca, ou, o transport dssas moléculas da rgão d maor concntração para a d mnor concntração. A dfusão é, portanto, potncalmnt, um prmro mcansmo d transport a consdrar aqu. No nívl clular, a xstênca d gradnts d concntração através das mmbranas é fato para númras spécs químcas (tanto íons, quanto moléculas nutras), como sabmos. Conhcmos a stuação, por xmplo, para o O 2, cuja concntração no mo xtrno é maor qu no ctoplasma, ond é consumdo, para o CO 2, qu, nvrsamnt, tm a concntração maor no ctoplasma, ond é produzdo, qu no mo xtraclular. Tas moléculas são transportadas drtamnt através da mmbrana por dfusão no sntdo do gradnt d concntração corrspondnt como mostrado na Fgura 4(a). Outras spécs químcas mantêm gradnts d concntração ntr os mos ntra xtra clulars, mas dado ao su tamanho ou naturza hdrofílca, não consgum atravssar a mmbrana. Nss caso, o procsso 11

d sua dfusão é mdado por uma protína qu faclta a passagm da molécula. Na Fgura 4 (b) (c), você pod vr a lustração d duas dssas stuaçõs: dfusão facltada por um canal por uma protína transportadora. O 2 ctosol Mo xtraclular CO 2 a) b) Ocorr uma mudança conformaconal, xpondo o síto d lgação para o ctosol. A glcos é lbrada para o ctosol. Fnalmnt, uma nova mudança conformaconal, lva a protína para sua conformação ncal. Glut-1 é uma protína d mmbrana, mostrando su síto d lgação voltado para a part xtraclular. A glcos lga-s a glut-1 vnda do lado xtraclular. c) Fgura 4 Transport passvo. a) transport drto; b) transport facltado por protínas canas c) transport facltado por canas transportadors. Obsrv qu o transport d matéra nsss casos s du por dfusão (drta ou facltada por protínas) às xpnsas da nrga armaznada no gradnt d concntração. Tal nrga armaznada (nrga potncal) é dvda à dstrbução spacal da massa; um gradnt d concntração dfrnt d zro xprssa justamnt uma stuação com acúmulo d massa numa rgão frnt a uma scassz m outra. Por sso falamos d uma nrga d confguração; uma nrga armaznada m vrtud da confguração do sstma, qu é mdda m trmos da dfrnça d potncal químco. Para analsarmos o transport d spécs químcas carrgadas, íons, através da mmbrana, tmos qu lvar m conta, além da prsnça do gradnt d concntração, a xstênca do potncal létrco qu surg, como vsto ants, quando 12

há a sltvdad da mmbrana. Para analsar o transport dos íons Na + K + através da mmbrana plasmátca, vamos consdrar uma stuação mas complxa qu a dscutda na Fgura 3, mas mas próxma do qu ocorr nas células: uma cuba contndo dos tpos dfrnts d íons postvos, como mostrado na Fgura 5. 100 mm 10 mm Na + K + 10 mm K + 100 mm Na + Cl - Cl - Fgura 5 A mmbrana é prmávl apnas aos íons K + Na +. A concntração ônca é agora dêntca m ambos os lados da mmbrana. O mo d alta concntração d potásso smula o mo ntraclular () o d alta concntração d sódo, o mo xtraclular (). Suponha qu ambos os íons passam por canas qu podm star fchados ou abrtos. S o canal d sódo stvr fchado ncalmnt, o qulíbro s stablc xatamnt como na Fgura 3 o prfl d potncal fca como mostrado na Fgura 2. Imagn agora qu o canal d potásso sja fchado o d sódo sja abrto. Nst caso, a concntração do íon Na + é maor fora da célula o potncal létrco também é maor fora, como mostrado nas Fguras 2 5. Sob tas crcunstâncas, s olhássmos só sob o aspcto do gradnt d concntração, dríamos qu um íon Na + sra compldo a ntrar na célula, lvado pla dfusão. S olhássmos só sob o aspcto do potncal létrco, dríamos qu, sndo um íon postvo, o campo létrco crado na mmbrana complra o íon a ntrar na célula, lvado pla força létrca. Como tas forças são ndpndnts uma da outra agm no msmo sntdo, o fto rsultant é d coopração, ou da soma das duas. Logo, o íon Na + pntra no ctoplasma lvado plas duas forças. Em outras palavras, o transport s dá às xpnsas da nrga armaznada no gradnt d concntração do Na +, mas também da nrga armaznada no campo létrco, o qual fo crado antrormnt plo transport do K +. Obsrv qu agora a nrga d confguração do sstma, além daqula da massa, ngloba também a confguração das cargas létrcas nl xstnts; a do íon (a sr transportado) frnt àqulas dvdas ao potncal 13

létrco. Isso mplcou m amplar o concto d potncal químco ants rfrdo (assocado apnas à confguração d massa) para qu l nglob também a contrbução d orgm létrca. Os casos dscutdos até aqu são xmplos do tpo d transport chamado passvo. O transport passvo é aqul qu ocorr pla tndênca spontâna d uma spéc químca s movr d uma posção ond a nrga armaznada é mas alta para outra mas baxa. Nos casos dscutdos para moléculas nutras, uma tal stuação fca dtrmnada plo sntdo da rgão d concntração mas alta para a mas baxa, ou a favor do gradnt d potncal químco, qu, nsts casos, s xprssa plo gradnt d concntração. No caso d íons, a stuação nrgtcamnt favorávl fca dfnda lvando-s m consdração tanto o gradnt d concntração como o do potncal létrco; ou o gradnt do potncal ltroquímco. A stuação nrgtcamnt favorávl, nsss casos, é aqula no sntdo do potncal ltroquímco mas alto para o mas baxo. Lmbrando qu o potncal ltroquímco tm duas contrbuçõs qu s somam, sndo qu uma dlas, a létrca, pod sr ngatva, é possívl vrfcar qu trmos três possbldads: a) quando o gradnt d concntração o gradnt do potncal létrco têm o msmo sntdo, como é o caso dscutdo para o Na + ; b) quando o gradnt d concntração o do potncal létrco têm ftos m sntdos contráros, a contrbução da dfrnça da concntração sobrpuja a do potncal létrco; c) quando o gradnt d concntração o do potncal létrco têm ftos m sntdos contráros, a contrbução létrca sobrpuja a dfrnça d concntração. Estas três possbldads são mostradas na Fgura 6. Fgura 6 O sntdo a ntnsdad do transport passvo são dtrmnados plo gradnt d concntração plo gradnt d potncal létrco. a) ambos no 14

msmo sntdo lvam a um ntnso transport (flcha grand); b) s m sntdos opostos, mas com o gradnt d concntração domnando, o transport ocorr no sntdo d maor para mnor concntração; c) s m sntdos opostos, mas com o gradnt d potncal létrco domnando, o transport ocorr contra o gradnt d concntração. O transport passvo ocorrrá smpr m todo sstma no qual a dstrbução da spéc, ntr os mos xtra ntraclular, dfra daqula vrfcada no qulíbro trmodnâmco. Transport atvo Voltmos agora ao nosso xmplo do Na + ntrando na célula mpldo plas forças dos dos gradnts (d concntração d potncal létrco) para analsar o outro tpo d transport. S o únco transport do Na + através da mmbrana s dss como dscutdo antrormnt, sto é, foss apnas o passvo, com passar do tmpo, a concntração do Na + no ntror da célula tndra a s gualar à concntração do mo xtraclular, fazndo dsaparcr o su gradnt d concntração cssando o transport. Entrtanto, o gradnt d concntração do Na + s mantém à razão maors qu d 1 para 10 para células mamáras d anmas, a concntração d Na + no ctosol é d 12 mm, nquanto no sangu a concntração é d 145mM. Surg ntão a qustão: como tal gradnt é mantdo, s tanto o gradnt d concntração quanto o potncal d mmbrana da ordm d -70mV favorcm a homognzação do íon nos dos mos? Em trmos d nrga, sta qustão s coloca: como um íon d Na + consgu nrga para sar da célula movndo-s contra su gradnt d potncal ltroquímco? Fazndo uma analoga com o potncal gravtaconal, sra quvalnt a prguntar: como uma pssoa faz para consgur nrga para sr lvada do térro aos andars suprors d um prédo? S a rsposta é ora, usa smplsmnt o lvador, stamos na psta crta para ntndr o transport atvo. Lmbramos, no ntanto, qu todo lvador xg ncssaramnt uma font d nrga para subr. O transport atvo d moléculas ou íons através das mmbranas da célula é aqul qu s vrfca contra sus gradnts do potncal ltroquímco às custas d uma nrga xtra forncda a ssas partículas. D uma manra gral, o transport atvo ocorr mdado por uma protína qu funcona como uma bomba. El stá smpr acoplado com uma font qu fornc a nrga ncssára para aconar a bomba. Frqüntmnt, ssa font d nrga é a ração químca da hdróls do ATP. 15

Um xmplo d transport atvo conhcdo é o ralzado pla bomba K/Na- ATPas, qu é justamnt o rsponsávl pla manutnção dos gradnts d concntração dsts íons através da mmbrana plasmátca. É por ss transport ralzado pla bomba qu os íons d Na + sam os d K + ntram na célula, movndos, rspctvamnt, contra sus gradnts d potncal ltroquímco. Na Fgura 7 você pod vr um squma do transport atvo ralzado pla bomba K + /Na +. ctosol mmbrana mo xtraclular Concntração d K + ADP ATP K + K + Na + Na + Na + Concntração d Na +. Fgura 7 Transport atvo da bomba Na/K-ATPas. Do ponto d vsta trmodnâmco, podmos analsar os fnômnos d transport através da mmbrana, calculando a varação da nrga lvr d Gbbs. Para o transport passvo d substânca nutra, a varação da nrga lvr d Gbbs por mol, é dada pla dfrnça ntr os potncas químcos nas soluçõs d dfrnts concntraçõs, m cada lado da mmbrana: ond G G C = µ µ = RT ln C é a dfrnça ntr o potncal químco da spéc no lado xtrno o su valor no lado ntrno da mmbrana. Para qu tnhamos G < 0, sto é, para qu a dfusão spontâna s dê d fora para dntro, é ncssáro qu tnhamos C < C, sto é, a concntração da spéc do lado xtrno sja maor qu do ntrno. Dto d outra forma, havndo um gradnt d potncal químco, a dfusão ocorrrá a favor dst gradnt. 16

S, ao contráro, C > C, o transport da spéc d fora para dntro não srá spontâno; l só ocorrrá s alguma nrga for forncda à molécula; trmos ntão o transport atvo. Para o caso da spéc sr um íon, tmos qu lvar m conta na nossa análs o potncal ltroquímco. Consdrmos a stuação spcífca da bomba d Na/K, focando nossa atnção no íon Na +, cuja concntração fora é da ordm d 10 vzs a d dntro. Vrfqumos agora qual é a varação da nrga lvr d Gbbs por mol no transport dst íon do mo ntrno para o xtrno, ou sja, calculmos. Usando a dfnção do potncal ltroquímco, tmos G G = µ Na µ Na = RT ln C Na + FV ( RT ln C Na + FV ) G C = RT ln C Na Na + F( V V ) Para a tmpratura d 37ºC lvando m conta qu a dfrnça d potncal létrco do mo xtrno para o ntrno é d 70mV, a quação acma fornc = 12,7kJ mol, um valor postvo, mostrando qu o transport nsta drção, G / contra o gradnt do potncal ltroquímco, não é spontâno, ncsstando portanto d um aport d nrga. Essa nrga ncssára pod sr provda por uma ração químca, com R G G < 0, sufcnt para tornar ngatvo. O movmnto do íon para fora da célula pod ntão sr rprsntado por C Na G = RT ln + F( V V ) CNa + G R Sabmos qu, para a hdróls d um mol d ATP, G R = 30kJ / mol. S portanto, a ração acoplada ao procsso for a hdróls do ATP, o G para o srá -17kJ/mol, mostrando qu, nssas condçõs, ss transport ocorrrá. Obsrv qu, para o Na +, o transport atvo ocorr contra o gradnt d concntração, smultanamnt, contra o gradnt d potncal létrco. Já para o K +, o transport 17

atvo ocorr contra o gradnt d concntração, mas a favor do gradnt d potncal létrco. Na Fgura 8, stá mostrado um ntrssant xmplo d transport atvo qu consgu a nrga para r contra su gradnt d potncal ltroquímco aprovtando o transport passvo d outra spéc. Trata-s da bomba Na+/glcos qu ocorr, por xmplo, nas células ptlas do ntstno para absorção da glcos nas células rnas para a rabsorção. Not qu o Na+ stá sndo transportado passvamnt a favor d su gradnt d potncal ltroquímco nquanto a molécula d glcos é transportada atvamnt contra su gradnt d potncal ltroquímco (no caso só d concntração, pos a molécula é nutra) as custas da nrga lbrada plo transport passvo do sódo. ctosol mmbrana mo xtraclular Concntração d glcos Na + Concntração d Na + Fgura 8 Transport atvo da glcos mpulsonado plo transport passvo do sódo. O gradnt d potncal ltroquímco é um mcansmo mportant do qual a célula s val para armaznar nrga. Nas mtocôndras, a nrga químca da glcos é armaznada na forma d um gradnt ltroquímco d H + ants d sr fnalmnt transfrda às moléculas d ATP. Na fotossínts, também ocorr a produção d ATP por um gradnt d prótons, com a dfrnça qu o gradnt acumula nrga provnnt da luz absorvda. A nrga acumulada no ATP volta a sr convrtda m gradnts ltroquímcos por bombas qu ralzam transport atvo, Na/K-ATPas, por xmplo. Ess gradnt é agora utlzado para, por xmplo, transportar moléculas ncssáras à célula, como a glcos. Além dsso, nas células xctávs, como as nrvosas musculars, a xstênca d gradnts prmt outro procsso bológco mportant: a snalzação por 18

mpulsos létrcos. Part da nrga armaznada nos gradnts é dsspada cada vz qu um snal létrco é nvado, portanto, o gradnt rqur constant rgnração por part da Na/K-ATPas. O ATP é a moda nrgétca das células. Aqu pod-s prcbr qu as células trabalham com um complxo sstma fnancro. Os fnômnos létro(químcos) na célula têm, m sínts, as sgunts funçõs: 1. armaznamnto d nrga para procssos d transport como o da glcos ntrando com o sódo; 2. manutnção da dfrnça d concntração d solutos para mantr o qulíbro osmótco; 3. produção do ATP nas mmbranas da mtocôndra dos cloroplastos srvndo como uma forma ntrmdára d armaznamnto d nrga nas células; 4. produção d snas létrcos através d células xctávs células nrvosas musculars. CONCLUSÃO A boltrcdad é uma caractrístca d todos os tcdos vvos, anmal vgtal. Lug Galvan, profssor d Anatoma na Unvrsdad d Bolonha fz tal constatação, m 1780, quando, vrfcou uma contração do músculo dsscado da prna d um sapo ao sr tocado plo pólo d uma máquna d ltrcdad státca; a prna do sapo movmntou-s como s stvss vva. Galvan, com suas xprêncas, concluu qu ltrcdad ra também grada por corpos d anmas, xstndo uma íntma rlação ntr a vda la; dnomnou-a d ltrcdad anmal ou força vtal, consdrando-a smlar, mas algo dstnta da ltrcdad natural d raos máqunas d ltrcdad. Alssandro Volta, um físco também talano amgo d Galvan, apaxonado pla ltrcdad, rptu as xprêncas, confrmou os rsultados obtdos, mas dscordou da ntrprtação dada por Galvan; para l a ltrcdad obsrvada orgnava-s não do tcdo anmal, mas tra sdo grada plo contato ntr dos tpos d mtal manpulados por Galvan m suas xprêncas, funconando o músculo do sapo apnas como um dtctor d pqunas dfrnças d potncal. Uma contnda cntífca ntr os dos stablcu-s por mutos anos, ao longo dos quas númras xprêncas foram ftas por ambos com dfrnts anmas, cujos músculos ou nrvos ram submtdos a cargas létrcas; cada qual qura provar a sua ts. Fo no bojo dssa brga cntífca, qu, m 1800, Volta, para provar qu 19

Galvan stava rrado, construu a plha létrca, ou batra, consttuída d uma sér d dscos mtálcos d dos mtas dfrnts, sparados por paplão mbbdo m soluçõs acdas ou salnas. A plha ou batra d Volta consttu uma das mas mportants dscobrtas ou nvnçõs cntífcas, uma vz qu s trata do prmro método crado para armaznar nrga létrca, possbltando a gração manutnção d corrnt létrca. Podmos obsrvar ntão qu psqusas m Bologa, no século XVIII, dsncadaram mportants avanços no conhcmnto da Físca sobr a naturza dos fnômnos létrcos, qu, uma vz dsnvolvdos bm comprnddos, prmtram, mas modrnamnt, dntfcar o papl cntral qu a boltrcdad dsmpnha nos fnômnos vtas. A boltrcdad rspond plos procssos d transport através das mmbranas clulars, qu controlam a formação dsspação d gradnts d concntração d íons d gradnts d potncal létrco. Ests gradnts, tal como a plha ou batra d Volta, armaznam nrga ltroquímca, a qual pod sr convrtda dsponblzada m outras formas qu são usadas plos organsmos m númros procssos. O dbat Galvan vrsus Volta fo um dos psódos mas mportants da Hstóra da Cênca, prncpalmnt, plo lvado spírto cntífco com qu s travou. Galvansmo fo o trmo, gnrosamnt, cunhado por Volta, qu dss sobr o trabalho d Galvan: l contém uma das mas blas surprndnts dscobrtas. Ambos stavam crtos. Hava dos mportantíssmos fnômnos: a ltrogêns bmtal a boltrogêns anmal. REFERÊNCIAS Albrts, Bruc - Bologa Molcular da Célula, Quarta Edção, Artmd Edtora 2004. 20