TEMA 2: Função das Membranas Celulares

Difusão e Permeabilidade em Membranas

Licenciatura em Engenharia Biomédica2005/06

Luís Martinho do Rosário(Depto. de Bioquímica / FCTUC)

BionBiom/#2-01

FLUXO DE PARTÍCULAS NUM MEIO HOMOGÉNEO

Fluxo (J) : quantidade de matéria que flui por unidade de áreapor unidade de tempo

Gradiente de concentração(dN/dz)

Experimentalmente: J ∝ dN/dzN = nº de partículas por unidade de volume

dN/dz < 0, J > 0 J = -D dN/dzPrimeira Lei de Difusão de Fick

D = constante ou coeficiente de difusão

Em fase condensada (solução):

J = -D dC/dz

C = concentração do soluto[J] = mole.cm-2.s-1

[D] = cm2.s-1

ASPECTOS TEMPORAIS DA DIFUSÃO EM SOLUÇÃO LIVRE

Equação de difusão(segunda lei de difusão de Fick)

Problema unidimensional (x)∂C/∂t = D ∂2C/∂x2

C = C(x,t)

↑x

água

camada de açúcar(t = 0)

CA/n0

x

Dt = 0.05

0.1

0.31.0

C = n0/A (πDt)-1/2 exp(-x2/4Dt)

A = área da base do vason0 = número total de moléculas de

açúcar

BionBiom/#2-02

DISTÂNCIA MÉDIA PERCORRIDA POR DIFUSÃO(problema unidireccional)

Difusão nos dois sentidos a partirda origem

<x2> ≃ 2Dδt

<x2> = distância ao quadrado médiapercorrida por difusão

δt = lapso de tempo difusional

δt ≃ <x>2/2D

<x> = distância média percorridapor difusão

Terminal nervoso

Célula muscular

ACh

<x>≃20 nmD (ACh) = 7.6x10-6 cm2.s-1

δt ≃ 0.3 µs

glicose

capilar

fenda sináptica

tecido

<x>≃

10 µ

m

D (gli) = 6.7x10-6 cm2.s-1

δt ≃ 70 ms

neurónio

glicose

??

?glicose? ?

<x> ≃ 1 cm

δt ≃ 21 horas !!

BionBiom/#2-03

Cálculo para moléculas com D = 5x10-6 cm2.s-1

A difusão simples é um processo:■ rápido à escala microscópica● lento à escala macroscópica

▪ Mistura por convecção▪ Fluxo sanguíneo à distância▪ Irrigação capilar de tecidos▪ Tamanho das células

Recuperação de um episódio isquémiconão se efectua por difusão de O2 enutrientes

BionBiom/#2-04

DIFUSÃO ATRAVÉS DE UMA BARREIRA PERMEÁVELAO SOLUTO E SOLVENTE

C1

C2

δ

Barreira(ex: papel de filtro)

Perfil linear de variação da concentraçãodo soluto na barreira dC/dz = cte

J = -D ∆C/δ = D/δ (C1 – C2)

P = D/δ: constante ou coeficiente de permeabilidade

[P] = cm.s-1

BionBiom/#2-05

DIFUSÃO SIMPLES ATRAVÉS DE UMA MEMBRANA(BICAMADA LIPÍDICA)

C1

C2

δ

k1k1

k-1k-1

(1)(3)

(2)

(1) Partição entre a fase aquosa (comp.1) e lipídica

K = k1/k-1: coeficiente de partição

(2) Difusão através da membrana

Dm: coeficiente de difusão membranar

(3) Partição entre a fase lipídica e aquosa (comp.2)

Considerando (2) como o passo determinante,

J = DmK/δ (C1 – C2)

Pm = DmK/δ : coeficiente de permeabilidadeda membrana

[Pm] = cm.s-1

BionBiom/#2-06

RELAÇÃO ENTRE A PERMEABILIDADE DA MEMBRANA E O COEFICIENTE DE PARTIÇÃO

Pm = DmK/δ

■ Pm … radioisótopos■ K e Dm … simulação utilizando outros lípidos

K = (conc. soluto em lípido)/(conc. soluto em água)

■ δ … microscopia electrónica ou medição da capacidade eléctrica da membrana

Equação de Stokes-Einstein

Dm = kT/6πηa

viscosidade raio da partícula

hidratada

Glicerol C3H8O3 MW=92muito polar (ε=42.5*)

Uretano NH2COOC2H5 MW=89pouco polar (ε=3.2**)

* Fonte: Merck Index** Fonte: www.proximitycontrols.com

BionBiom/#2-07

DIFUSÃO SIMPLES: RELAÇÃO ENTRE INFLUXO E CONCENTRAÇÃO

Ci

Co > Ci influxo

Ci

Tempo

Ci = C0

Co = 0

Ci ≪ Co ∴

J = Pm∆C = Pm(Co-Ci) ≃ PmCo

J(influxoinicial)

Co

BionBiom/#2-08

TRANSPORTE MEDIADO

Transportadores

Moléculas ou iões transportados

Factores que determinam a magnitude do fluxo:- Concentração, afinidade- Número de transportadores- Velocidade da alteração conformacional

difusão simples

transportemediadoTransporte mediado

● Difusão facilitada: transporte de acordo como gradiente electroquímico

◘ Transporte activo: transporte contra o gradiente electroquímico (fonte de energia)

BionBiom/#2-09

DIFUSÃO FACILITADA

Transportadores de monossacarídeos,aminoácidos, ácidos gordos, água,iões, etc

Transportadores de glicose

[glicose]i < [glicose]o (metabolismo)

Isoformas: GLUT-1, 2, 3, 4, 5, etc

Diferem em (i) km (afinidade); (ii) Vmax(capacidade); (iii) regulação

GLUT-1: tr, basal (cérebro, eritrócitos, etc)GLUT-2: tr. vs. homeostasia (hepatócitos,célula β)GLUT-4: tr. vs. homeostasia, dep. insulina(adipócitos, músculo esquelético)

Substratos (GLUT-1): hexoses (ex:D-glicose, D-manose, D-galactose); pentoses (ex: D-xilose, L-arabinose, D-ribose)

Não-substratos: L-glicose, L-galactose,L-xilose

Inibidores: competitivos (substratos); não-competitivos (citocalasina B,floretina)

BionBiom/#2-10

REGULAÇÃO DE GLUT-4 POR INSULINA

Regulação por recrutamento de transportadores para a membrana

● Rápida (ocorre em minutos)

◘ Não requer síntese de novos transportadores

◙ Essencial para a homeostasia da glicose

BionBiom/#2-11