TRANSPORTE DE SOLUTOS NA MEMBRANA PLASMÁTICA

demo-portal1 maio 23, 2024novembro 26, 2024

As condições no interior da célula podem ser consideravelmente diferentes das condições fora da célula, pelo fato de a membrana plasmática ser uma barreira bastante eficaz. No entanto, a barreira não pode ser absoluta, porque as células não são autossuficientes e suas atividades devem ser coordenadas. Nesta seção, vamos considerar como a membrana plasmática regula seletivamente a movimentação de materiais para dentro e fora da célula.

CÉLULA

A permeabilidade é a propriedade da membrana plasmática que determina, com precisão, quais substâncias podem entrar ou sair do citoplasma. A permeabilidade da célula baseia-se no tamanho, na carga elétrica, na forma molecular, na solubilidade lipídica ou outros fatores. As células diferem em suas permeabilidades dependendo de quais lipídios e proteínas estão presentes na membrana plasmática e como esses componentes estão organizados.

MEMBRANA

1. A difusão é o movimento impulsionado por diferenças de concentração

Os íons e as moléculas estão em constante movimento em líquidos e gases, chocando e ricocheteando-se uns aos outros e com os obstáculos de seu caminho. O movimento é aleatório: uma molécula pode saltar em qualquer direção. O resultado desse movimento aleatório contínuo é que, ao longo do tempo, as moléculas tendem a ficar uniformemente distribuídas em qualquer espaço delimitado. Esse processo de distribuição é chamado difusão. Quando as moléculas não estão distribuídas de maneira uniforme, ocorre uma diferença ou um gradiente de concentração. A menos que haja algum impedimento, após um período a difusão eliminará o gradiente de concentração. Após a eliminação do gradiente, o movimento molecular continuará, mas o movimento diferencial não acontecerá mais em nenhuma direção específica.

DIFUSÃO

GRADIENTE

A difusão no ar e na água é lenta e é mais importante ao longo de distâncias muito pequenas. Uma demonstração simples – observe um cubo de açúcar colorido colocado em um copo de água – pode dar uma ideia do que acontece no nível celular. No entanto, se comparado a uma célula, um copo de água é enorme.

A água e os solutos dissolvidos difundem-se livremente em fluídos extracelulares. A membrana plasmática, no entanto, atua como uma barreira que restringe seletivamente a difusão: algumas substâncias passam por ela facilmente, enquanto outras não conseguem penetrar a membrana. Um íon ou uma molécula pode difundir-se através de uma membrana plasmática apenas se passar através da porção lipídica da membrana ou passar através de um canal da membrana.

Os fluidos intracelulares e extracelulares são soluções que contêm uma variedade de materiais dissolvidos. Cada soluto difunde-se como se fosse o único material em solução. Se ignorarmos as identidades dos solutos e considerarmos apenas os íons e as moléculas descobrimos que a concentração total de íons e moléculas dissolvidos, de ambos os lados da membrana plasmática, permanece a mesma. Esse estado de equilíbrio da membrana persiste porque a membrana plasmática típica é livremente permeável à água. A difusão da água através de uma membrana é tão importante que esse processo recebe um nome especial: Osmose (osmos, empurrão).

2. Os processos ativos e passivos movem materiais para dentro e para fora das células

A membrana plasmática isola a célula do ambiente extracelular, mas esse isolamento não é total. Para sobreviver, a célula precisa continuamente absorver nutrientes e oxigênio e liberar dióxido de carbono e resíduos de produtos. Esse intercâmbio envolve os processos ativos e passivos.

2.1 Fisiologia de membranas

Cada uma dos trilhões de células do corpo compartilha os mesmos componentes básicos.

O limite exterior da célula é a membrana plasmática – é o que a separa do líquido extracelular. Dentro dela, há o núcleo, onde está a informação genética, e o citoplasma, que inclui tudo que não é núcleo – e se divide em citosol (o líquido intracelular em forma de gel) e as organelas.

2.3 Estrutura das membranas

A membrana plasmática pode ser descrita como um mosaico líquido de biomoléculas: fosfolipídios, colesterol, proteínas e carboidratos, que descreveremos a seguir.

FOSFOLIPIDIOS

2.4 Bicamada fosfolipídica

Os fosfolipídios aparece 1n em uma camada dupla. As cabeças hidrofílicas estão voltadas para os líquidos intra (o citosol) e extracelulares, e as caudas hidrofóbicas estão olhando uma para a outra. É a estrutura básica da membrana. Os fosfolipídios podem se mover livremente, e se deslizar lateralmente pela bicamada. Essa fluidez só é atrapalhada pelo colesterol, que “prende” as caudas.

A bicamada impede a movimentação de grandes moléculas polares, a exceção da água, que tem canais específicos de passagem (as aquaporinas, que abordaremos mais adiante).

Aquaporina

2.5 Proteínas de membrana

Dispersas pela bicamada, as proteínas de membrana são de dois tipos:

Integrais – o lado polar da proteína está voltado para o ambiente aquoso (citosol, liquido extracelular); e o lado apolar está embutido na bicamada lipídica. Se estiverem em contato com os dois ambientes aquosos, são chamadas transmembranas. Estas têm canais que possibilitam aos íons permearem a membrana, e outros que levam moléculas de um lado a outro da membrana. Podem agir, também, como enzimas, catalisando reações no(s) meio(s) para o(s) qual(is) se voltam. Ou ainda, servirem como mensageiras a outras proteínas.

Periféricas – frouxamente ligadas a membrana, podem inclusive se soltar dela. Costumam estar no lado voltado ao citosol, reforçando a estrutura da célula.

2.6 Carboidratos de membrana

Os carboidratos unem-se a membrana por ligações covalentes aos lipídios ou as proteínas – formando glicolipídios e glicoproteínas. A maioria está na superfície extracelular, e ajuda a formar o glicocálice, com duas funções: a de manter as células unidas e a de “identificar” a célula. É lá, por exemplo, que está a informação de que a célula pertence ao sangue, e de qual tipo sanguíneo ela é.

2.7 Junções das membranas

JUNÇÕES

As células só precisam estar uma ao lado da outra, e essa tarefa é das proteínas de membrana – como já vimos. Funções mais especializadas estão a cargo das junções especiais, divididas em três tipos:

Oclusivas – costumam ficar no tecido epitelial, especializado no transporte de moléculas. Nas junções, proteínas chamadas ocludinas unem as células vizinhas, formando uma barreira quase impermeável a movimentação de substâncias entre células. Assim, elas permitem apenas que os solutos fluam atravessando a célula epitelial. As células epiteliais revestem estruturas ocas, como os órgãos do trato gastrintestinal, cuja parte interna forma o lúmen, este por sua vez e separado do citosol de cada célula epitelial pela membrana apical. A membrana voltada para o liquido extracelular e a basolateral.

Desmossomos – são encontrados em tecidos sujeitos à tensão mecânica, como o coração e a pele. Tem uma espécie de rede entrelaçada entre as células vizinhas. Essa “armação”, feita por filamentos de proteína (caderinas), evita o rompimento das células sob tensão.

Junções comunicantes – estão em diversos tecidos, com destaque para os músculos liso e cardíaco, que são o que possibilita sua contração coordenada. Aqui, as células vizinhas conectam-se pelas conexonas, um “cano” de proteínas de membrana (conexinas), que permite o transito de íons e moléculas menores entre as células, fazendo com que tenham um efeito sincronizado. Por exemplo, as células cardíacas, cujo movimento é coordenado graças as junções.

3. TRANSPORTES TRANSMEMBRANARES (FORMAS MOTRIZES)

Qualquer diferença de energia existente em uma membrana age como uma força motriz, que tende a empurrar as moléculas em uma direção – sempre da maior energia para a menor – e orienta a direção que elas tomarão se puderem se mover espontaneamente. As forças motrizes podem surgir em decorrência de diferenças de concentração ou de outros fatores que afetem as energias moleculares. Podem ocorrer três forças motrizes:

Químicas – quando uma substância está em concentrações diferentes nos dois lados da membrana, existe um gradiente (diferença) de concentração, ou melhor, a velocidade de mudança da concentração com a distância. Moléculas que se movem de uma concentração maior para uma menor estão a favor do gradiente. Se fizerem o contrário, vão contra o gradiente. Pode-se dizer que o gradiente “empurra” as moléculas em uma direção. Quanto maior ele for, mais rápido as moléculas fluem.

Elétricas – surgem em virtude do potencial de membrana, que aprofundaremos adiante, uma diferença do potencial elétrico que há através das membranas das células. O potencial de membrana reflete uma distribuição desigual de íons positiva e negativamente carregados através da membrana plasmática.

Eletroquímicas – são as duas forças motrizes anteriores agindo conjuntamente.

3.1 Transporte passivo

No transporte passivo, as moléculas se movem pela membrana a favor dos seus gradientes de concentração. Não é preciso usar energia alguma. Os principais tipos são as difusões: simples, facilitada e através de canais iônicos.

PASSIVO

Iônicos

3.2 Difusão simples

É o transporte passivo de moléculas através da bicamada lipídica da membrana, na qual uma população de moléculas se move a favor do seu gradiente de concentração. Sua velocidade de transporte é afetada por três fatores:

A magnitude da força motriz – na difusão simples, a velocidade de transporte está diretamente relacionada a magnitude da força motriz. Imagine uma situação na qual a membrana separa duas soluções em uma câmara.

A princípio, o lado 1 tem soluto em uma concentração 1M, e o outro tem o mesmo volume de água pura. O gradiente de concentração gera um fluxo de moléculas do soluto do lado 1 para o 2. Resultado: a concentração de soluto de 1 diminui e a do 2 aumenta, até que elas se tornem iguais. Ou seja, o fluxo resultante diminuiu na mesma medida do gradiente de concentração.
Na difusão simples, o fluxo resultante também é diretamente proporcional a magnitude do gradiente eletroquímico, no caso de a substancia ser carregada.

A área de superfície da membrana – regra básica: a velocidade em que as moléculas são transportadas varia em proporção direta com a área de superfície da membrana. E uma analogia simples: se a porta de uma garagem por onde saia apenas um carro por vez for duplicada, o dobro de carros sairá dela agora. Assim, também dobra a velocidade com a qual eles deixam a garagem.

Esse truque é utilizado por vários tecidos especializados em transporte, como os vasos capilares e o epitélio intestinal, cujas áreas de superfície são enormes, graças a recursos como ramificações e dobraduras, respectivamente. Isso aumenta a capacidade desses tecidos de transportar grandes quantidades de substância ao mesmo tempo.

A permeabilidade da membrana – esse fator depende tanto do tipo da substância quanto das propriedades da membrana, que influenciam a facilidade com a qual as moléculas conseguem penetra-la. No transporte passivo: permeabilidade maior = velocidade de transporte maior.

A permeabilidade de uma membrana a uma substancia X é simbolizada assim: Px, e é influenciada por alguns fatores importantes:

Solubilidade lipídica da substância em difusão – considerando-se que as moléculas devem cruzar a bicamada lipídica em difusão simples pela membrana celular, normalmente as moléculas lipossolúveis atravessam a camada com mais facilidade. Na maioria dos casos essa é a regra.

Tamanho e forma das moléculas em difusão – moléculas variam bastante em tamanho e formatos. As maiores e/ou de formatos mais irregulares tem certa dificuldade em atravessar a bicamada.

Temperatura – quanto maior a temperatura, mais rápido as moléculas se movem e atravessam a membrana. Mas isso não é comum, já que a temperatura corporal, como vimos, é constante.

Espessura da membrana – a espessura das membranas celulares não varia muito. O mesmo não se diz da espessura dos tecidos, esta sim é bem variada. Tecidos especializados em transporte, como epitélios pulmonares, tendem a ter paredes finas, o que aumenta a permeabilidade e acelera o transporte através dos tecidos.

3.3 Difusão facilitada

Se a substância não atravessa as membranas por difusão simples, tem de ser “ajudada” por transportadores, proteínas que se ligam as moléculas em um lado da membrana e as transportam para o outro.
O transportador tem um ou mais locais de ligação, normalmente específicos para cada tipo de molécula. “Usuários” comuns deles são monossacarídeos e aminoácidos.
Para atravessar a membrana, a molécula precisa chegar ao sitio de ligação, no transportador. O funcionamento lembra a porta giratória de uma agência bancária: ao se encostar no sitio, o transportador muda de posição e expõe a molécula ao liquido do outro lado da membrana. Lá, a molécula se solta e é liberada no liquido.
Essas mudanças de posição ocorrem aleatoriamente, quando a proteína transportadora se agita e expõe o(s) sitio(s) de ligação ao liquido, primeiro de um lado da membrana, depois do outro. É tão aleatório que isso pode acontecer mesmo quando não há moléculas para levar, e a “porta” gira à toa. Quando a molécula já entrou na célula, o sitio de ligação fica imediatamente livre para transportar outra. Na difusão facilitada, a afinidade do sitio para o soluto não difere se ele está voltado ao liquido extracelular ou ao intracelular.

A diferença depende, sim, do gradiente de concentração (ou eletroquímico, em uma solução carregada). Se há gradiente, mais soluto se liga aos transportadores quando seus sítios de ligação voltam-se ao lado com mais soluto, e o seu fluxo segue o gradiente.

Se o soluto estiver em concentração igual nos dois lados da membrana, este se ligara igualmente quando o transportador estiver voltado para cada lado da membrana, e assim não haverá fluxo. Nesse ponto, o soluto está em equilíbrio difusional pela membrana.

A difusão facilitada tem sua velocidade afetada por três fatores. Aumentos em um ou mais fatores tornam o processo mais rápido:

Facilitada

3.4 A velocidade dos transportadores

O número de transportadores presentes na membrana.
A magnitude do gradiente de concentração (ou eletroquímico) da substância transportada.

Transportadores individuais carregam moléculas a velocidades diferentes de acordo com seu tipo. Pode haver uma saturação, quando os sítios e transportadores estão todos ocupados, deixando moléculas de fora. Assim, um aumento na concentração do soluto não mais influirá na velocidade de transporte. Agora, se o número de transportadores aumentar – o que pode ser coordenado pela célula -, aumenta a probabilidade de o soluto se ligar a eles e ser transportado através da membrana. Certos hormônios exercem suas ações alterando o número de transportadores.

3.5 Difusão por canais

Um canal é uma proteína transmembrana que leva moléculas por meio de um “cano” (o poro), que se estende de um lado a outro da membrana. Os canais são restritos a certos tipos e classes de substâncias. São dois os tipos mais comuns de canais:

Aquaporinas – são poros altamente seletivos que permitem que, exclusivamente, a água atravesse a membrana por difusão. Não são o único meio de difusão da água. Ela também atravessa as membranas celulares por meio dos canais iônicos e da osmose.

Difusão por canais iônicos – em alguns canais, o poro parece agir simplesmente como um “corredor” para a água. Em outros, há um ou mais sítios de ligação para íons dentro do poro. Se há muitos sítios, os íonsíons ficam “pulando” entre eles. Ser o gradiente eletroquímico, e igualmente provável que um canal transporte íons (ou outras moléculas) nas duas direções, e assim não há fluxo resultante. Com gradiente, o fluxo segue a seu favor. Diferente da “porta giratória” dos transportadores, aqui os sítios de ligação dos canais vazios estão abertos sempre ao mesmo tempo.
O movimento dos íons através dos canais depende da rapidez no transporte dos canais individuais e da sua quantidade na membrana.

Para os canais que funcionam como poros, o caminho dos íons segue o modelo da difusão simples, com a diferença de seguirem o gradiente eletroquímico. Nos canais com sítios de ligação, o transporte é mais lento, e pode haver saturação, como acontece na difusão facilitada.
Canais iônicos podem ser regulados para variar a velocidade de transporte. Lembrando que só podem estar “abertos” ou “fechados”, e quanto mais canais “abertos” na membrana, maior será a velocidade de transporte.

4. Osmose

Em certos locais do corpo, o movimento da água entre membranas celulares e comum. Por exemplo, ao bebermos água, ela se move pelas células epiteliais do intestino até serem absorvidas pela corrente sanguínea. E este movimento de água é importante: afeta volume e composição dos líquidos corporais.
Ainda que não seja tão diferente de outros tipos de transporte já estudados aqui – na verdade, e até mais simples, por ser sempre um processo passivo – a osmose é a “queridinha” da fisiologia por ser crucial no volume celular. E, também, por ter terminologia própria.
Genericamente, a osmose permite a passagem do fluxo de qualquer solvente em uma membrana semipermeável em resposta a uma diferença no potencial químico através da membrana.
A osmose, no entanto, não é afetada pelos potenciais das membranas, e segue a favor do seu gradiente de concentração.
Um exemplo do efeito da osmose é a hemólise: nos eritrócitos colocados em água pura, esta flui para o interior das células, que incham, rompendo-se e liberando hemoglobina na água.

Vejamos as etapas:
A água seguiu seu gradiente de concentração, que resultou da presença de diversos solutos dentro da célula a uma concentração combinada em torno de 300 miliosmolares (mOsm), e que “expulsaram” parte da água do interior da célula. Resultado: a concentração de água dentro da célula é menor do que fora dela. Podemos comprovar com números: na temperatura corporal, a concentração de água pura e de 55,5 molares e a concentração normal de soluto no liquido intracelular e de 0,3 molar. Assim, a concentração da água intracelular e de aproximados (55,5 – 0,3) = 55,2 molares, menor que a de fora. A água de fora segue o gradiente de concentração, inchando e rompendo a célula.
A direção do fluxo de água passivo, para dentro ou para fora, depende sempre da direção do gradiente de concentração da água. Por exemplo: se uma célula é colocada em uma solução de sucrose (ou sacarose) a uma concentração de 1 molar, a célula murcha porque a água se move para fora.
As concentrações de soluto e de solvente variam inversamente. Assim, na osmose, o movimento da água ocorre de uma concentração baixa para outra alta de soluto.

Osmolaridade

A concentração total de partículas de soluto em uma solução e a osmolaridade. Temos que 1 mol de partículas de soluto está na concentração de 1 osmolar (I Osm), ou seja, um osmol. O termo partícula de soluto é usado para refletir a noção de que certos solutos se separam em mais de uma partícula, quando em uma solução. Cada uma delas terá influência osmótica no movimento do solvente, maior do que quando o soluto não se separa.
A osmolaridade também depende do total de todas as partículas do soluto. Assim, 1 L com 0,1 mol de glicose e 0,1 mol de NaCl e uma solução 0,3 osmolar.
Na fisiologia, usamos mais os termos miliosmol e miliosmolar, porque a concentração de soluto dos líquidos corporais é só uma fração de 1 osmolar. Uma solução 1 miliosmolar (mOsm) tem 1 milios1nol (1/1000 de osmol) de partículas de soluto/L.
Soluções com mesma osmolaridade são isosmóticas. Assim, uma solução de glicose com 300 miliosmolares e isosmótica em relação ao líquido intracelular, e não só compartilha a mesma concentração de soluto, mas também a de água.
Se a solução tiver osmolaridade maior que outra, e hiperosmótica, com menos água e mais soluto. Se for menor, hiposmótica, com mais água e menos soluto.

4.2 Pressão osmótica

Indicada pelo símbolo π, a pressão osmótica é uma medida indireta da concentração de soluto, e é expressa em unidades de pressão, como atmosferas e milímetros de mercúrio (mmHg). A pressão osmótica aumenta na mesma proporção da osmolaridade. Assim, quando a água sai da solução menos para a mais concentrada de soluto, ela está indo contra um gradiente de pressão osmótica.
Quando uma membrana permeável apenas a água (e não ao soluto) separa duas soluções em uma câmara, a água segue o seu gradiente de concentração em direção ao lado com mais soluto. Mas, quando π vai aumentando na mesma medida da concentração de soluto, a água flui do menor para o maior – ou seja, contra o gradiente de pressão osmótica.
Isso não viola as regras dos gradientes – afinal, a água está contra o gradiente da pressão osmótica, mas segue a favor do seu.

4.3 Tonicidade

Em una hemorragia maciça, é comum que a equipe medica administre uma solução salina (NaCl), por via endovenosa. Isto repõe o volume de sangue perdido até que possa ser feita uma transfusão.
O segredo: a concentração de soluto total nessa solução é exatamente a mesma do líquido extracelular. Por isso, não vai alterar volumes celulares quando injetada na corrente sanguínea, em vez de murchar células, pela saída de água (se fosse mais concentrada, hipertônica), ou inchar, com a entrada de água (se fosse menos concentrada, hipotônica).
A Figura 1.10 mostra a diferença entre osmolaridade e tonicidade. Nela, a célula é colocada em uma solução de 300 mOsm de ureia, substância que permeia muitas membranas celulares. Ela é isosmótica em relação ao liquido intracelular, e por isso a água nem entra, nem sai da célula.
Mas, com o tempo, a ureia vai entrando na célula graças a um gradiente de concentração direcionado para dentro. Os solutos intracelulares não saem, porque não conseguem permear a membrana. Resultado: a célula ganha soluto, aumentando a osmolaridade do líquido intracelular, cujo valor passa dos 300 mOsm. Como o soluto está mais concentrado dentro da célula, ela incha – mesmo com a solução extracelular sendo isosmótica de início e agora, como descobrimos, hipotônica.
A solução pode inchar, murchar ou nada fazer na célula unicamente pela concentração de solutos impermeantes intracelulares. Se a solução tiver 300 mOsm de concentração, e isotônica.

5. TRANSPORTE ATIVO

A importância do transporte ativo à vida da célula está no fato de que algumas delas gastam quase metade da energia que produzem para levar moléculas de um lado a outro de suas membranas E é disso que dependem muitos processos fisiológicos vitais, como a geração de sinais elétricos em neurônios e células excitáveis (que abordaremos adiante)
Há dois tipos de transporte ativo, cuja diferença está no tipo de energia utilizada.
Primário — usa ATP ou outra fonte de energia química diretamente para o transporte. As proteínas envolvidas no processo são as bombas.
Secundário – é acionado por um gradiente de concentração (ou eletroquímico) previamente criado pelo primário.
As bombas lembram bastante os transportadores da difusão facilitada, a não ser por um detalhe: elas conseguem aproveitar a energia para acionar o transporte de moléculas em uma direção preferencial através da membrana.
Sabemos que dois fatores afetam a ligação de um soluto e o transportador: gradiente de concentração/eletroquímico e afinidade do transportador e da molécula. Só que, diferente da difusão facilitada, na qual as proteínas têm afinidade dos dois lados, os transportadores ativos têm mais afinidade quando o sítio de ligação está exposto a um dos lados da membrana.
Proteínas que fazem transporte ativo também são enzimas. E precisam ser, pois é assim que conseguem captar a energia da hidrólise do ATP, seu “combustível”. Vamos nos concentrar na bomba de sódio-potássio (ou bomba de Na+/K+ ou Na+/K+ATPase), que está presente em quase todas as células, e que é crucial a importantes processos, como a sinalização elétrica em neurônios.

Bomba sódio-potassio

A bomba transporta íons Na+ e K+ em direções opostas através da membrana. Em cada ciclo, saem três Na+ e entram dois K+. Nos dois casos, eles seguiram contra os seus gradientes eletroquímicos, o que exige, a cada ciclo, nova hidrólise de ATP, para “abastecer” a bomba. O formato também lembra a “porta giratória” como vimos antes, mas com uma diferença importante: os sítios de ligação do transportador comum podem estar voltados aos dois lados da membrana — assim, as moléculas podem ser transportadas nas duas direções. Agora, na bomba, as afinidades dos sítios de Na+ e K+ mudam à medida que a bomba completa o ciclo — a afinidade do sítio é maior quando ele está voltado a um lado da membrana e menor no oposto.

Cada íon, portanto, é transportado em apenas uma direção. Na primeira etapa do ciclo estão voltados para dentro e livres para que os sítios de ligação o Na+ intracelular se ligue a eles. Depois que três íons Na+ se ligaram, a hidrólise do ATP resulta na fosforilação da proteína da bomba, o que induz a um “giro da porta” da proteína, fazendo com que o Na+ saia. Nesse giro, o formato dos sítios de ligação muda e eles perdem sua afinidade para Na+, impedindo que ele volte à bomba naquele momento.

Nas etapas seguintes do ciclo da bomba o mesmo processo ocorre para trazer k+ para dentro da célula. É a bomba que cria os gradientes de concentração do Na+ e do K+. Como Na+ é sempre bombeado para fora, e K+ sempre para dentro, conclui-se que o líquido intracelular é rico em K+ e pobre em Na+ – e o contrário vale para o líquido extracelular.

Secundário – Aqui, a proteína de transporte se aproveita da situação: acopla o fluxo da substância que carrega ao de outra, que se move passivamente, a favor do seu gradiente eletroquímico, e libera energia no processo. Daí essa energia é usada pela proteína para acionar o movimento da substância que carrega, agora contra o gradiente eletroquímico.