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Rafael Felippe Valverde
[email protected] Laboratório de Físico-Quimica Biológica G-37 Fisiologia Celular para Psicologia IBCCFº UFRJ
Agosto – 2014
Composição Iônica dos Meios Intra e Extracelular “memória do mar” (alto Na+!!) manutenção da diferença iônica = acumulo de energia potencial (gradiente eletroquímico!) move diversos processos de transporte e transmite sinais elétricos
natureza anfipática da membrana plasmática cria uma barreira de permeabilidade seletiva
composição iônica diferenciada no meio intra e extracelular Table 11-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
células desenvolveram formas intercambiar através da membrana para obter substâncias hidrofílicas, nutrientes, ions além de secretar rejeitos e outras substâncias proteínas de transporte espcializadas
Permeabilidade seletiva das membranas permeabilidade da membrana é maior para substâncias hidrofóbicas e apolares de pequeno tamanho
pequenas moléulas polares como glicerol e urea atravessam lentamente e grandes moléculas demoram muito íons, não importando o tamanho não são capazes de atravessar a membrana
Figure 11-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
a carga e grande camada de hidratação dos íons impede que estes entrem na camada hidrofóbica da bicamada lipídica
H2O também atravessa a membrana por proteína transportadora mas a bicamada lipídica é cerca de 109 vezes mais permeável a H2O do que a íons
Figure 11-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
transportadores de membrana: proteínas multipass
Transportadores e Canais
substância hidrofílica atravessa a membrana sem contato com sua parte hidrofóbica dois tipos: transportadores e canais
transportadores podem ser carreadores ou permeases ligam de um lado da membrana, mudam de conformação e entregam a carga do lado oposto célula requer diversas substâncias hidrofílicas, de grande tamanho e grande quantidade de íons transportadores de membrana transferem estes solutos através da bicamada
são de diversas formas e especificidades existindo em todas as membranas biológicas Figure 11-3a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
mutações em transportadores específicos podem levar a doenças baseadas em suas cargas transportadas
ex: Cisteinuria (mutação no transportador de cisteína gerando acúmulo)
Transportadores e Canais canais formam poros aquosos por onde o soluto atravessa sem interagir fortemente com a proteína (≠ de transportadores) canais permitem passagem de solutos específicos em maior quantidade e mais rápido do que através de um transportador
Ex: todas as células possuem canais para passagem de água, aquaporinas que aumentam a permeabilidade da membrana a H2O
Figure 11-3b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Transporte Ativo é Acoplado a uma Fonte de Energia
canais e vários transportadores permitem que os solutos atravessem a membrana de forma passiva: TRANSPORTE PASSIVO (difusão facilitada)
na direção de seu gradiente de concentração (de onde há mais para onde há menos soluto) Figure 11-4a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
células requerem proteínas que bombeam ativamente solutos contra seu gradientes (TRANSPORTE ATIVO) ATP como fonte de energia metabólica Movimento através de transportadores pode ser ATIVO ou PASSIVO e através de canais é sempre PASSIVO
O Gradiente Eletroquímico
se o soluto tem carga, tanto a sua concentração quanto a sua carga influenciam o transporte (gradiente eletroquímico) potencial de membrana (diferença de carga entre a superfície interna negativa e a externa positiva) favorece a entrada de íons positivos Figure 11-4b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Mudança Conformacional de um Transportador
o transporte é uma reação enzimática sem modificação da molécula transportada transportadores tem um ou mais sítios específicos de ligação para seus substratos, transportados graças a mudança conformacional reversível da proteína quando os sítios de ligação aos solutos estão saturados (ocupados) a velocidade de transporte é máxima Figure 11-5 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
insulina ativa a captação de glicose através de translocação da proteína transportadora de glicose 4 (GLUT4) para a membrana da célula
Três Formas de Suprir Energia para o Transporte Ativo Contra Gradiente Eletroquímico
transporte ativo em três formas principais: 01. no co-transporte a proteína transportadora acopla o gradiente de concentração de um íon para co-transportar uma outra substância contra seu gradiente 02. hidrólise de ATP fornece energia para a o transporte contra o gradiente eletroquímico Figure 11-7 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
03. energia para o transporte é fornecida pela conversão da energia luminosa
uniporte: transporte de um único soluto em uma única direção baseado totalmente na Vmax e Km do transportador
transporte acoplado: simporte ou antiporte quando o fenômeno de transporte de uma substância requer o transporte de uma segunda no mesmo sentido (simporte) ou no inverso (antiporte) Figure 11-8 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
simporters são também chamados cotransportadores e antiporters são chamados trocadores a energia livre liberada no transporte de um íon a favor de seu gradiente eletroquímico é utilizada no transporte de uma outra substância contra seu gradiente Na+ é frequentemente utilizado como moeda de troca!! (alto Na+ extracelular)
Transporte de Glicose Pode ser Dirigido pelo Gradiente de Na+
os epitélio intestinal e renal possuem grande quantidade de simporters na membrana plasmática que utilizam o gradiente de Na+ (captação de açúcares, aa, etc)
quanto > o gradiente de Na+ maior será o cotransporte de glicose e outros solutos pelos cotransportadores específicos Figure 11-9 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
gradientes de Na+ e de glicose são inversos ao transportar glicose para dentro da célula contra seu gradiente de concentração o simporter utiliza a força do gradiente eletroquímico de Na+
Transporte Ativos são Primários ou Secundários Primário
Secundário transportadores ativos primários: utilizam energia para criar um gradiente eletroquímico transportadores ativos secundários utilizam este gradiente gerado para realizar seu transporte
ATPases: P,V e F
Na+ e H+
Em Bactérias o Gradiente de H+ serve de Força Motriz no Co-Transporte Ativo
em bactérias o maior gradiente eletroquímico é o estabelecido pela distribuição dos H+ nos meios intra e extracelular nutrientes, como a lactose, são co-transportados por transportadores ativos secundários utilizando o gradiente gerado por bombas de H+ abundantes na membrana da bactéria Figure 11-10a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Distribuição Assimétrica de Transportadores Em Epitélios a distribuição dos transportadores é assimétrica em células epiteliais: fundamental na absorção de nutrientes e outros solutos (transporte transcelular) na face apical (contato com a luz do intestino): simporters Na+/glicose na face baso-lateral: transportador passivo de glicose e Na+/K+-ATPase (transporta a glicose para a corrente sanguínea e restaura o gradiente de Na+!!)
Figure 11-11 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Reabsorção por Transporte Ativo Secundário na Membrana Tubular de Néfrons glicose e aminoácidos são reabsorvidos por transporte ativo secundário
co-transportadores específicos na membrana apical (com microvilli) usam o gradiente de Na+ para obter toda a glicose e aas do lúmen do túbulo na célula, glicose e aas atravessam a membrana basolateral por difusão facilitada (permeases) gradiente de Na+ mantido pela Na+K+ATPase transporte ativo secundário serve também para secreção nos túbulos
(ex: trocador Na+/H+ na membrana apical)
Existem Três Tipos de Bombas Dirigidas pela Quebra de ATP
transportadores ativos que requerem energia da quebra de ATP para efetuar o transporte de solutos são chamadas ATPases três tipos 01. ATPase de tipo P: transportam formando um intermediário fosforilado de alta energia durante o ciclo catalítico (mantém boa parte dos gradientes de Na+, Ca2+, H+, K+ etc) Figure 11-12 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
02. ATPase de tipo F: funcionam como turbinas nas membranas internas da mitocondria e nas membranas de bactérias (utilizam o gradiente de H+ para sintetizar ATP) 03. transportadores ABC: bombeiam pequenas substâncias das mais diversas mas não íons
A Ca2+ATPase é a ATPase de tipo P Mais Conhecida
eucariotos mantém uma baixa concentração de Ca2+ intracelular estabelecendo um forte gradiente eletroquímico manutenção do gradiente graças a Ca2+ATPase (bombeia o íon pra fora) e do trocador (antiporter) Na+/Ca2+ que utiliza energia do gradiente de Na+ para bombear Ca2+ no sentido inverso Figure 11-13a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
a ATPase de tipo P mais bem conhecida é a Ca2+ATPase do retículo sarcoplasmático (SERCA) que bombeia o Ca2+ pra dentro do RE nas células musculares estrutura 3D determinada com alta resolução cristalografica de raios-X (modelo para todas as ATPases de tipo P)
Uma ATPase de tipo P tem uma Estrutura Dinâmica
a semelhança estrutural entre as ATPases de tipo P pressupõe que funcionem de forma semelhante ao modelo proposto para SERCA na presença do íon, este se liga em seu sítio de ligação permitindo a autofosforilação da ATPase (intermediário fosforilado de alta energia com fosforila doada pelo ATP|||) Figure 11-13b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
esta energia química de posse da ATPase é utilizada para realizar uma mudança dramática de sua conformação que permite transportar o íon entre compartimentos diferentes através de uma bicamada
A Ca2+ATPase é Fundamental no Tecido Muscular o tônus muscular é determiando pela concentração de Ca2+ intracelular movimento do músculo depende da ativação de proteínas Ca2+dependentes que interagem com o citoesqueleto de actina e miosina controle de diferentes transportadores de Ca2+ como a SERCA e canais de Ca2+ são a chave da alteração do tônus de contração muscular eficiência ao restabelecer as condições basais de Ca2+ determina a capacidade de recomeçar a contração
A Na+K+ATPase Estabelece o Gradiente de Na+ Através da Membrana Na+K+ATPases, ubiquas, deixam a concentração de K+ bem maior no meio intracelular enquanto o inverso acontece com o Na+ a bomba de Na+ e K+ vence ambos os gradientes eletroquímicos mediante a quebra de ATP em animais 1/3 do ATP é dedicado a manutenção da atividade da Na+K+ATPases (manter o gradiente eletroquímico de Na+ é crucial a vida)
Figure 11-14 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Regulação da Osmolaridade pela Na+K+ATPase
Na+K+ATPases tem papel importante na regulação do volume celular controlando a concentração de solutos intracelulares aquaporinas facilitam a passagem de água através da membrana: água flui pra dentro e fora da célula por osmose Figure 11-16 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
alta concentração de solutos celular cria um forte gradiente osmótico direcioando a água para o interior da célula Na+K+ATPases compensa bombeando solutos para fora tendo papel importante na manutenção do volume celular
A Mucovicidose é Resultado da Mutação de CFTR CFTR transporta Cl- para regular formação do muco (pulmão, pâncreas, intestino, fígado e etc) mutação em CFTR: mal funcionamento e acúmulo de muco viscoso nos pulmões e intestino (tosse constante, baixa absorção de nutrientes) Cl- no lúmen destes epitélios aumenta o gradiente eletroquímico de ions positivos como o Na+ o NaCl que se forma no meio extracelular atrai H2O, diluindo o muco (muco espesso protege microorganismos do ataque pelo sistema imune)
Rafael Felippe Valverde
[email protected] Laboratório de Físico-Quimica Biológica G-37 Fisiologia Celular para Psicologia IBCCFº UFRJ
Fevereiro - 2014
Introdução Diferente de transportadores como as permeases (passivo) e carreadoras (ativo)
os canais formam poros hidrofílicos através da membrana Todos os animais possuem porinas que permeabilizam algumas membranas (ex: mitocôndria): alta permissividade e pouca especificidade, deixando entrar
variadas substâncias (seria desastroso na membrana plasmática) Na membrana plasmática (e em outras membranas): canais de alta seletividade! Passagem de até 108 íons/seg (muito mais rápido que qualquer
transportador) seguindo seu gradiente de concentração (transporte passivo) Função dos canais é permitir que um íon específico se difunda rapidamente. A habilidade de algumas células em controlar o fluxo através destes canais é
essencial para as células (neurônios se especializaram nisso!!)
Canais Iônicos são Seletivos e Alternam entre Estado Aberto e Fechado
canais diferem de porinas:
canais são íon-específicos (estreitos, permitindo contato das paredes com os íons e reconhecimento!) são filtros de seletividade! (íons perdem sua camada de água para atravessar) de íons aumenta o fluxo através do canal até um ponto de saturação quando passam em velocidade constante Figure 11-20 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
canais não estão constitutivamente abertos (abertura transitória)
despolarização
canais mecânicos se conectam ao citoesqueleto da célula
mais de 100 tipos de canais descritos ≠s estimulos abrem os canais: mudança na voltagem da membrana (canais sensíveis a voltagem), stress mecânico (canais mecânicos), ligação de uma substância (íons ou neurotransmissores) sob constante estímulo os canais se dessensibilizam (inativos até que o fim do estímulo) canais são ainda modulados (fosforilação etc)
responsáveis pela excitabilidade elétrica das células musculares e pela comunicação entre neurônios
neurônios possuem diversos canais iônicos (mas todas as células tem canais) alguns canais de K+ (canais vazantes de K+): permitem pequeno fluxo de K+ mesmo inativos (mantém potencial)
potencial de membrana: diferença na carga elétrica entre os dois lados da membrana (excesso de íons positivos de um lado e falta do outro) diferença causada tanto pelo transporte ativo quanto pelo passivo (em mitcôndrias e bactérias: H+ATPases) transporte passivo é o principal responsável pelo potencial de membrana em animais
O Potencial de Membrana Depende Principalmente do Gradiente de K+ e dos canais vazantes
a Na+K+ATPase é responsável por manter ativamente, o Na+ intracelular baixo e o K+ alto
movimento de íons (poucos) através da bicamada altera o balanço de cargas nas suas imediações
para compensar a perda de Na+ a célula capta outros íons de carga positiva (K+ principalmente através da Na+K+ATPase e canais vazantes)
carga negativa é fruto da saída de K+ através dos canais vazantes (equilibrio da tendência do K+ em sair devido ao seu gradiente de concentração!!) (POTENCIAL DE REPOUSO)
canais vazantes permitem entrada e saída de K+
a alteração do potencial de repouso é sinal para a abertura de diversos canais!!
Especificidade por K+ no Filtro de Seletividade de um Canal
interação do Na+ com o filtro de um canal vazante de K+ requer mais energia pois íon é pequeno demais para interagir com o filtro!!
íon se encontra circundado de água e deve perder esta agua para ser reconhecido pelo filtro de seletividade no filtro, ele contata os átomos de oxigênio das alças proteicas do canal Figure 11-24 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
estes átomos de oxigênio tem o espaçamento exato para acomodar um átomo de K+ o Na+ não pode entrar no filtro de um canal vazante de K+ pois os oxigênios estão espaçados demais para seu pequeno diâmetro
Aquaporinas são Permeáveis a Água mas Impermeáveis a Íons pro e eucariotos possuem canais de água (aquaporinas) que permitem a passagem da água através da membrana problema molecular inverso ao dos canais iônicos: permitir passagem de água bloqueando a passagem de íons! estrutura 3D da aquaporina revela como ela obtém sua seletividade o poro é estreito demais para que qualquer íon hidratado possa passar
aa hidrofílicos nas cores azul e vermelho e aa hidrofóbicos em amarelo Figure 11-27 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Função de um Neurônio Depende de sua Estrutura Alongada
neurônios recebem, conduzem e transmitem sinais, possuindo até 1 metro de extensão (ex: neurônio que se entende da espinha dorsal até um musculo do pé) axônio transmitem o sinal a longas distâncias e dendritos integram neurônios vizinhos axônio se bifurca passando o sinal simultaneamente a diversas células Figure 11-28 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
neurônios transmitem sinais através de mudanças no potencial elétrico da sua membrana
sinal se propaga pois distúrbio no potencial em um ponto é propagado ao longo da célula um estímulo elétrico que ultrapassa um limiar de força leva a uma explosão de atividade elétrica ao longo de sua membrana
POTENCIAL DE AÇÃO (100 m/seg)
Canais Sensíveis a Voltagem geram Potenciais de Ação em Tecidos Excitáveis todos os tecidos excitáveis possuem canais sensíveis a voltagem (CSV) responsáveis por gerar potenciais de ação potenciais de ação são gerados pela DESPOLARIZAÇÃO da membrana (mudança no potencial de membrana para carga menos negativa no interior)
despolarização causa abertura dos CSV de Na+ (entrada de pequena quantidade de Na+) entrada de Na+ (cargas positivas) leva a uma despolarização ainda maior (feedback positivo) amplificação do sinal perdura até o equilibrio do Na+ (gradiente eletroquímico quase zero) resgate do espasmo: canais de Na+ se inativam enquanto membrana ainda está despolarizada (se reabrindo após normalização do potencial de membrana negativo) Figure 11-29 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
3 estados: fechado, aberto, inativado
A Propagação de um Potencial de Ação ao Longo de um Axônio o feedback positivo leva a amplificação do sinal pela despolarização para regiões vizinhas da membrana que passam a perpetuar o ciclo ao longo do axônio potencial de ação varre toda a membrana como uma onda
se eletrodos intracelulares fossem posicionados ao longo de um axônio teríamos um perfil regular de picos
Figure 11-30a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
mudanças nos canais de Na+ e na corrente que caracterizam a onda do potencial de ação (região com a membrana despolarizada em azul claro)
potencial de ação se move apenas em uma direção: dessensibilização impede a volta da onda Figure 11-30b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Ca2+ATPase é Fundamental no Tecido Muscular o tônus muscular é determinado pela concentração de Ca2+ intracelular movimento muscular depende da ativação de proteínas pelo Ca2+ interagindo com o citoesqueleto de actina e miosina controle de diferentes transportadores de Ca2+ como a Ca2+ATPase do retículo sarcoplasmático (SERCA) e canais de Ca2+ são a chave para a alteração do tônus de contração do músculo cardíaco
eficiência no restabelecimento das condições basais de Ca2+ determina capacidade de recomeçar a contração
Canal de K+ Voltagem Dependente canais de K+ voltagemdependentes ajudam neurônios a trazer o potencial de membrana de volta repouso (negativo) abertura após despolarização (assim como os de Na+) leva a saída de K+ permitindo volta do potencial ao repouso (e restaura a negatividade) cinética é mais lenta pois o gradiente de K+ não é tão forte quanto o de Na+
canais de K+ voltagem dependentes também passam por dessensibilização automática no caso de despolarização persistente
Nas Sinapses os Canais Sensíveis a Transmissores Transformam o Estímulo Químico em Elétrico os sinais neuronais são regiões especializadas denominadas sinapses
transmissão indireta: liberação na fenda sináptica de neurotransmissores graças a despolarização na membrana pré-sináptica do neurônio neurotransmissores ativam receptores que funcionam como canais iônicos, se abrindo: uma mudança no potencial elétrico da membrana pós-sináptica neurotransmissores na fenda sináptica são retirados por co-transportadores ativos (que utilizam o gradiente de Na+) ou degradados por enzimas na fenda (controle espaço/temporal do estímulo) potencial de ação pode ser gerado se existirem canais sensíveis a voltagem próximos a estes canais receptores de neurotransmissores Figure 11-35a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
microscopia eletrônica duas sinapses em contato com o dendrito de outra célula do sistema nervoso
Figure 11-35b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Receptores de Acetilcolina nas Junções Neuromusculares são Canais Iônicos Ligados pelo Neurotransmissor exemplo mais bem conhecido de canal iônico acionado por neurotransmissor é do receptor de actilcolina (ACh) liberação de Ach na sinapse da junção neuromuscular leva a abertura do canal nas células do tecido muscular esquelético receptor de Ach tem importância histórica (primeiro a ser purificado, cristalizado, que teve sua condutância estudada, etc) (peixe elétrico como grande fonte!!)
Figure 11-36 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
As Três Conformações do Receptor de Acetilcolina duas subunidades da estrutura do receptor são capazes de ligar Ach
quando isto ocorre há mudança conformacional que abre o canal ele ainda assim transita entre aberto (90% das vezes) e fechado (10%) enquanto há ACh na fenda quando a concentração cai ele reverte para seu estado fechado
na presença persistente de ACh (20 mseg) eles são também inativados mas, mais comumente, a ACh é rapidamente degradada (1 mseg)
Figure 11-37 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
aa negativos atraem íons positivos. aqueles com diâmetro inferior a 0,65 nm passam (Na+, K+ e Ca2+)
entrada de grande quantidade de Na+ através da abertura no receptor de Ach leva a despolarização e contração muscular
pouca seletividade: contribuição de cada cátion para a corrente depender dos gradientes eletroquímicos de cada um na abertura
receptores de neurotransmissores são alvo de diversas drogas: relaxamento muscular com curare (inibe rACh)
no musculo em repouso o gradiente de eletroquímico de Na2+ e de Ca2+ é alto
drogas para tratar depressão, ansiedade, Valium e Librium agem em receptores de GABA, permitindo maior entrada de Cl-
Figure 11-38 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Transmissão Neuro-muscular Depende da Ativação Sequencial de Diferentes Canais o processo em que um estímulo nervoso leva a contração muscular requer a ativação sequencial de receptores diferentes
Neurônios São Unidades Complexas de Computação
corpo celular e dendrito coberto por sinapses de outros neurônios
no SNC um neurônio recebe informação de milhares de outros neurônios e faz sinapses com outros milhares algumas destas sinapses transmitem sinais do cérebro ou espinha dorsal, outras, trazem informação sensorial dos músculos ou da pele
neurônios motores devem ser capazes de responder a estas informações disparando um potencial de ação ou então permanecerem quietos Figure 11-40a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Table 11-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
