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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
Essa diferença de potencial exerce uma força em qualquer molécula eletricamente carregada...
Em geral: 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 1o
soluto fornece energia para o transporte desfavorável do 2o 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
SIMPORTE ANTIPORTE transporte acoplado
UNIPORTE
Bicamada lipídica
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++
Bomba de Ca++
Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. Biochemistry. 5th edition. New York, 2002.
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.
COMPONENTE CONCENTRAÇÃO INTRACELLULAR (mM)
CONCENTRAÇÃO EXTRACELLULAR (mM)
Cations Na+ 5-15 145 K+ 140 5 Mg2+ 0.5 1-2 Ca2+ 10-4 1-2 H+ 7 × 10-5
(10-7.2 M ou pH 7.2) 4 × 10-5
(10-7.4 M ou pH 7.4)
Anions* Cl- 5-15 110
Comparação de concentrações de íons no interior e exterior de uma célula típica de mamífero.
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
Vista lateral do poro em uma única subunidade
Modelo es t ru tura l da prote ína homotetramérica: cada subunidade forma um canal de água. Um dos monômeros é mostrado com a superfície molecular destacando o poro.
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
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