Biofísica das Membranas Biológicas

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Biofsica das Membranas Biolgicas

Prof.Ms.Raphael Cezar C. Martins

Membranas BiolgicasA A Clula Em conceito muito amplo pode ser considerada como: 1 A unidade fundamental dos seres vivos. 2 A menor estrutura biolgica capaz de ter vida autnoma. # Com relao a sua suficincia alimentar os seres vivos e tambm suas clulas constituintes se dividem em duas grandes classes: a) Auttrofos (auto por si mesmo; trophos nutrio). Aqueles que sintetizam todos os componentes moleculares que precisam para viver. b) Hetertrofos (hetero diferente; trophos nutrio). Aqueles que necessitam receber algumas molculas de outros seres vivos ou de outras fontes.

As clulas tanto de seres uni, como pluricelulares, so classificadas em trs tipos de acordo com seu refinamento estrutural. 1 Procariontes: As mais rudimentares, sem membrana nuclear. 2 Eucariontes: As mais sofisticadas, com membrana nuclear. 3 Fotossintticas: Clulas de desenvolvimento intermedirio entre as precedentes. Utilizam energia radiante para sintetizar biomolculas. B A Membrana Biolgica: # Conceito de compartimentalizao: A formao de compartimento se d quando parte do espao completamente envolvido por uma barreira (definindo dois setores), neste caso, as trocas se fazem obrigatoriamente pela barreira. o estabelecimento de duas regies no espao, separadas fixicamente por uma barreira e funcionalmente por um transporte seletivo

# Membranas Biolgicas: So estruturas altamente diferenciadas, destinadas a uma compartimentalizao nica na natureza. Elas so capazes de selecionar por mecanismos de Transporte Passivo e Ativo, os Ativo, ingredientes que devem passar tanto para dentro, como para fora da cula. # Estruturas da Membrana Biolgica: A evoluo do conceito estrutural da membrana citoplasmtica pode ser sumarizada em trs modelos principais: a) Membrana Paucimolecular de Davson e Danielli. b) Membrana Unitria de Robertson. c) Modelo Mosaico Fluido de Singer e Noscholson Mais aceito, onde as protenas de membrana esto engastadas na camada lipdica, do lado interno, do lado externo ou atravessando completamente a membrana.

# A Membrana Morfofuncional: O estudo das funes da membrana do ponto de vista biofsico, pode simplificar bastante o seu complexo funcionamento. Para efeito didtico, a membrana pode ser considerada como tendo quatro estruturas bsicas. 1 Poros ou Canais: Os canais podem possuir carga negativa, positiva ou serem destituidos de carga eltrica. A natureza da carga seleciona os ons: * Canais positivos repelem ctions (+) e deixam passar nions (-). (* Canais negativos repelem nions (-) e deixam passar (ctions (+). H canais sofisticados que possuem, alm da barreira da carga, um ou dois portes que se abrem sob comando. O canal de Na+ desse tipo.

O porto fica fechado durante o potencial de repouso e se abre durante a passagem do potencial de ao. Apesar do mecanismo do porto ser acionado ativamente, o transito ainda passivo nesses canais. H tambm canais sem carga que no devem ser considerados como um simples orifcio, ou conduto que fica permanentemente aberto. Essas molculas se afastam pela presso das substncias que possuem passe livre atravs da membrana. Alm da carga, o dimetro dos canais seleciona os passantes conforme o volume dos ons

Concentrao de ons e Direo de Transporte O trnsito, nos canais, passivo e se faz de acordo com o gradiente de concentrao. Sempre do lado mais concentrado para o lado menos concentrado.

2 Zonas de Difuso Facilitada: So regies que possuem alta concentrao de molculas da mesma espcie qumica. Nesses locais, a passagem de molculas de composio semelhante, por esse motivo, facilitada e se abreviam ZDF. As molculas afins se dissolvem nas afins e passam pela membrana.

3 Receptores: So stios que possuem estrutura adequada ligao de certas molculas que, ao se ligarem deslancham uma srie de processos celulares. O receptor insulino dependente ao receber esta molcula inicia o processo de absoro da glicose pela clula alm de outros processos fisiolgicos.

# Mecanismo de Funcionamento de um Receptor: A molcula mensageira M se acopla ao receptor que muda sua conformao abrindo uma fenda interna para conexo da adenilciclase. adenilciclase. A adenilciclase recebe a energia da hidrlise de um ATP (adenosina trifosfato) e sintetiza AMPc, que ser o segundo mensageiro, j no citosol.

PodePode-se imaginar vrios modos de funcionamento para receptores. O mensageiro tendo carga eltrica + atrair as cargas eltricas do canal, obstruindo o trnsito. No necessrio imaginar que esse mecanismo ocorra somente atravs de cargas. Mudanas conformacionais teriam efeitos semelhantes.

4 Operadores: So mecanismos capazes de realizar transporte Ativo, isto , contra gradientes de concentrao, eltrico ou ambos. Os operadores utilizam ATP como fonte de energia.

O princpio operacional do operador simples: a molcula a ser transportada se encaixa no operador, que muda sua conformao segurandosegurando-a. Uma molcula de ATP se encaixa na fenda que resultou da mudana conformacional do operador, hidrolisada e libera energia para outra mudana maior, com realizao de trabalho, que o transporte para dentro ou para fora da molcula desejada. O operador volta ao estado normal. O sentido normal do trnsito unidirecional, ou seja, operadores que introduzem substncias na clula no so os mesmos que excretam essas substncias.

POTENCIAL DE REPOUSOAs membranas das clulas vivas esto submetidas uma diferena de potencial eltrico existente entre a superfcie interna e a superfcie externa. Os fluidos dentro e fora das clulas so sempre neutros, isto , a concentrao de ctions em qualquer local sempre igual de nions, no podendo haver um acmulo local de cargas eltricas nesses fluidos. As cargas eltricas em excesso +Q e Q, que provocam a formao do potencial de repouso se localizam em torno da membrana celular. Esse potencial tambm se desenvolve na membrana celular, a superfcie interna da membrana coberta pelo excesso de nions (-Q) (e a superfcie externa da membrana coberta pelo excesso de ctions (+Q).

Bomba de Na+ e K+Se, atravs da membrana, houvesse apenas o transporte passivo, a clula teria suas concentraes inicas alteradas. Como estas concentraes so constantes, deve haver um outro tipo de transporte, denominado ativo, por ocorrer com dispndio de energia, no sentido contrrio ao determinado pela fora eltrica da membrana celular e pela diminuio da concentrao inica. Existem dois tipos de transporte ativo, atravs da membrana das clulas. Um deles o transporte para o interior da clula de nutrientes orgnicos essenciais, como a glicose e os aminocidos, o outro o transporte de ons para manter a concentrao intracelular da Na+ e K+ necessrio clula. O transporte ativo de Na+ e K+ atravs da membrana celular realizado por uma protena complexa, existente na membrana denominada sdio potssio adenosina trifosfatase, ou simplesmente Bomba de Sdio. Sdio.

Nos neurnios do crebro humano, a energia armazenada em uma molcula de ATP liberada pela reao ATP = ADP + P + energia, utilizada para retirar 3 ons Na+ da clula e levar 2 ons K+ para seu interior. Cada bomba de sdio desses neurnios (um pequeno neurnio possui cerca de 1 milho de bombas de sdio) pode transportar por segundo, at 200 Na+ para fora e 130 K+ para dentro da clula.

Como est assinalado na figura, os ons Na+ na superfcie interna da membrana se combinam com as molculas transportadoras Y e o complexo NaY pode atravessar a membrana, esse complexo pode se desfazer, liberando o on Na+, com a ajuda da molcula transportadora Y, os ons Na+ atravessam a membrana contra suas quedas de concentrao e potencial. Aps se dissociar do Na+, a molcula transportadora Y transformada em molcula transportadora X. Essa reao acelerada por uma enzima contida na membrana. A molcula X une-se a um on uneextracelular K+, formando KX, que atravessa a membrana para dentro da clula. Na superfcie interna da membrana, KX se desfaz, tendo como resultado o transporte de K+ para o interior da clula. O transporte de NaY para fora da clula e de KX para seu interior ocorre por difuso devido aos seus gradientes de concentrao. Um novo ciclo de transporte iniciado quando a molcula transportadora X, utilizando energia celular, se transforma na molcula transportadora Y. O complexo NaY eletricamente neutro. Durante o processo de transporte, nenhuma carga eltrica atravessa a membrana. Assim o transporte acoplado da Na+ e K+ permite economizar energia. As clulas dependem de at 20% de sua energia metablica para manter o funcionamento das bombas de sdio e potssio. Esse dispndio de energia seria ainda maior se no fosse o acoplamento mencionado.

POTENCIAL DE AO Na ausncia de perturbaes externas, os potenciais de membrana Vm das clulas permanecem constantes e so denominados potenciais de repouso (Vo). Entretanto, um (Vo). estmulo externo s clulas nervosas e musculares produz uma variao v em seus potenciais de membrana. Vm = Vo + v Essa variao rpida, que se propaga ao longo de uma dessas clulas, denominado potencial de ao. O potencial de repouso pode ser anulado pela aplicao de um potencial de mesma magnitude e polaridade inversa.

Atravs de uma pilha e de um resistor varivel para controlar a voltagem, aplica-se um choque eltrico de potencial aplicaigual ao da clula com polaridade trocada: o plo positivo no interior e o plo negativo no exterior da clula. O local fica despolarizado, sem cargas eltricas que so anuladas pelas cargas da pilha. Em certos tecidos chamados excitveis, aps a aplicao deste choque, uma srie de eventos pode ocorrer, envolvendo toda a clula. Esse fenmeno se passa em trs fases que se sucedem rapidamente: # Despolarizao (D) # Polarizao Invertida (PI) # Repolarizao (R)

Na figura A, a onda de despolarizao (D) se inicia no local da membrana que recebe a excitao. Ela se propaga sendo seguida imediatamente pela onda de polarizao invertida (I) que comea no mesmo local B. Imediatamente aps, comea a onda de repolarizao (R), que a volta ao normal da polaridade C. Vrios estmulos podem deflagrar o potencial de ao: qumicos, eltricos, eletromagnticos e at mecnicos. H clulas especiais, autoauto-excitveis, que geram ritmicamente o potencial de ao. Essas clulas so responsveis pelo incio dos movimentos repetitivos biolgicos, como batimentos cardacos e frequncia respiratria. H uma relao entre as variaes eltricas do potencial de ao e os movimentos inicos transmembrana. Um resumo dessas relaes : 1# Despolarizao: Abertura dos canais de Na+, com penetrao de uma diminuta quantidade de ons Na+, suficiente para anular a diferena de potencial transmembrana. 2# Polarizao invertida: Continua a entrada da Na+, e com um pouco mais desses ons, a parte interna da clula fica positiva. 3# Repolarizao: Logo em seguida fecham-se os canais de Na+ e o fechamon K+ sai da clula repolarizando-a. A bomba de sdio se encarrega repolarizandode expulsar o pequeno excesso de Na+ que estava no interior da clula, e tudo volta ao estado inicial.

Conduo Ortodrmica e AntidrmicaQuando um nervo estimulado, o impulso eltrico caminha igualmente nos dois sentidos.

A conduo no sentido naturalmente programado para o nervo chamada de ortodrmica (ortos certo; dromos (ortos pista). A que se propaga em sentido contrrio a antidrmica (anti contra; dromos pista). Entre os mecanismos naturais que impedem a conduo antidrmica, existem as sinapses. Tanto as sinapses inibitrias quanto as sinapses excitatrias, bloqueiam os impulsos antidrmicos.

Sinapses Inibitrias e ExcitatriasA transmisso de impulso nervoso entre dois nervos, ou entre o nervo e seu efetor, como o msculo, feita atravs de estruturas denominadas sinpses. Em toda sinapse, h uma juno da parte terminal de um axnio de uma clula pr-sinptica, com os dendritos ou a prsoma de uma clula ps-sinptica. psA transmisso da informao da fibra pr para a fibra psps-sinptica realizada atravs de um mediador qumico (na grande maioria das sinapses), ou atravs de contato eltrico (tipo especial de sinapse). Existe ainda a sinapse mista, onde h conduo qumica e eltrica.

# Funcionamento das Sinapses: Nas sinapses eltricas, o pulso que chega rapidamente transmitido fira ps-sinptica, com um mnimo de perodo de pslatncia. Nas sinapses onde a mediao do impulso atravs da liberao de uma substncia qumica, h sempre uma latncia maior para o aparecimento do pulso ps-sinptico. Essa latncia pspode chegar a 1,5 ms, tendo um tempo mnimo de 0,5 ms para saltar da fibra pr para a ps-sinptica. psA substncia liberada pela vescula, o mediador qumico que capaz de transmitir o impulso, chama-se geralmente de chamaneurotransmissor. A natureza do neurotransmissor determina se o impulso que chega na fibra pr-sinptica vai passar (sinapse prexcitatria), ou se vai ser bloqueado (sinapse inibitria).

Na sinapse excitatria, o PA chega extremidade prexcitatria, prsinptica, e libera o neurotransmissor das vesculas. Esse mediador liberado atravessa a fenda sinptica e se localiza em receptores especficos, resultando em aumento da permeabilidade da membrana pequenos ons, especialmente ao on Na+. psA penetrao dos ons Na+ despolariza a membrana pssinptica e quando suficientemente intensa, inicia um PA que continua no mesmo sentido do anterior. Na sinapse inibitria o processo semelhante, mas o neurotransmissor liberado aumenta a pemeabilidade aos ons K+, e especialmente ao on Cl-, que penetra na membrana Clpsps-sinptica, provocando uma hiperpolarizao: o interior fica hiperpolarizao: mais negativo, e o exterior fica mais positivo. Assim, o PA que chega no consegue despolarizar a clula e no passa. Nervos Mielnicos e Nervos Amielnicos Existem dois tipos de nervos bem estudados histolgicamente: 1# Amielnicos ou amielinados: A membrana do axnio amielinados: est em contato direto com os tecidos vizinhos.

2# Mielnicos ou Mielinados: Mielinados: A membrana do axnio envolvida pela clula de Schwam, cuja membrana rica em uma lipoproteina chamada mielina. mielina. As partes descobertas so os ndulos de Ranvier.

Nos nervos mielnicos a troca inica se faz apenas nos ndulos de Ranvier e o impulso salta sobre as bainhas de mielina. Nesses nervos, a velocidade de conduo maior que nos nervos amielnicos, podendo chegar a 50X +. Os nervos mielnicos representam uma evoluo sobre os amielnicos. A conduo saltatria tambm mais econmica que a contnua em nervos amielnicos, pois o dispndio de energia metablica menor.