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