Transporte de substâncias através da Membrana celular

Resumo baseado no Capítulo 4 do livro Tratado de Fisiologia Médica do Guyton e Hall.

As proteínas integrais de membrana que podem ser chamadas de carreadoras de substâncias são de dois tipos: aquelas que formam literalmente um canal (um poro) e as que são chamadas transportadoras, que se ligam às moléculas e sofrem alterações conformacionais (de forma), para conseguir mover a substância de um lado da membrana para o outro.

Existem dois tipos principais de transporte através da membrana: a Difusão e o Transporte Ativo.

• Difusão: baseada no movimento molecular aleatório das substâncias, também conhecido como resultado do movimento das moléculas, derivado de sua energia cinética. Carrega substâncias de um lado para o outro da membrana, diretamente no espaço entre os fosfolipídeos (simples) ou com ajuda de proteínas carreadoras (facilitado), sem gasto de energia. Ocorre do meio MAIS para o meio MENOS concentrado.
• Transporte Ativo: movimento de íons ou outras substâncias, através da membrana celular, sempre ligado a proteínas carreadoras. Aqui, a proteína faz com que a substância se mova contra seu gradiente de concentração, ou seja, do meio MENOS para o MAIS concentrado. Para fazer isso, necessita de energia, que é advinda da Adenosina trifosfato (ATP).

- Difusão:

Para entendermos o significado de Difusão, basta lembrarmos de um conceito universal da física, o calor. Na física, calor define o movimento aleatório das moléculas, que nunca param de se movimentar, a não ser que expostas ao zero absoluto.

Voltando para a fisiologia, todas as moléculas e íons do corpo, inclusive as moléculas de água e as substâncias dissolvidas nos líquidos corporais, estão em constante movimento.

Esse movimento contínuo das moléculas, que se chocam continuamente uma contra as outras nos líquidos corporais é o que chamamos de difusão. Representada na figura abaixo:

• Difusão através da membrana celular:

Existem dois tipos de difusão mais conhecidos: A difusão simples e a difusão facilitada.

1. Difusão simples: movimento cinético das moléculas ou íons ocorre através da membrana (substâncias lipossolúveis - passam pelos interstícios ou canais aquosos) sem o contato com proteínas carreadoras. A intensidade desse tipo de difusão é determinado pela quantidade (concentração) da substância que vai ser transportada e pela velocidade do movimento cinético delas. Sempre do meio MAIS para o MENOS concentrado.

2. Difusão Facilitada: requer a interação com uma proteína transportadora, agindo como uma ponte aérea entre os dois lados da membrana celular. Também acontece do meio MAIS para o MENOS concentrado. Um exemplo clássico de transporte por difusão facilitada é o da glicose.

A difusão facilitada, como qualquer outro tipo de transporte que depende de proteínas carreadoras, está sujeito a três regras básicas: Saturação (existe um número x de proteínas, independente da quantidade de substâncias), Estereoespecificidade (essas proteínas carreadoras são extremamente seletivas) e Competição (se aceitar o transporte de mais de uma substância, elas podem competir entre si para passar). 
Por isso, quando falamos sobre velocidade de difusão, a difusão facilitada é mais eficiente que a simples quando a concentração da substância transportada não for muito grande. Quando a concentração da substância sobe, ela vai ficando mais lenta que a difusão facilitada, visto que as proteínas ficam saturadas (todas ocupadas), enquanto a difusão facilitada não sofre com esse problema, podendo atravessar a membrana mais facilmente.

- Seletividade dos canais de transporte:

Os poros são compostos por proteínas integrais da membrana celular, que formam tubos abertos através da membrana. Apesar de sempre abertos, o diâmetro do poro e sua carga elétrica fornecem seletividade, permitindo a passagem de somente algumas moléculas.

Para se ter ideia, as aquaporinas, que transportam moléculas de água, possuem um poro tão estreito que as moléculas de água passam em fila única.

Podemos afirmar, então, que as proteínas carreadoras são altamente seletivas para o transporte de uma ou mais substâncias específicas.

- Comportas das proteínas canais: alguns canais possuem comportas, chamadas de comportas das proteínas canais, que ajudam no controle da permeabilidade iônica desses canais.

Essas comportas costumam ser prolongamentos da própria proteína, os quais deixam o canal fechado, se abrindo apenas quando ocorrem conformações (alterações de forma) na proteína. A abertura e fechamento desses canais podem ser controlados por dois mecanismos:

1. Por variações de voltagem: conhecidos como canais dependentes de voltagem. A conformação do canal proteico reage ao potencial elétrico através da membrana. Como exemplo, os canais de sódio permanecem fechado quando o interior da membrana está negativo (normalmente), se o lado interno perder carga negativa, o canal de sódio abre sua comporta e o sódio consegue entrar na célula. Essa é a base do potencial de ação nos neurônios, que estudaremos mais a frente no curso.
2. Por ligantes químicos: conhecidos como canais dependentes de ligantes. Ao se ligar ao canal, a substância química gera uma alteração na forma do canal, permitindo sua abertura e a passagem de íons ou moléculas. Um exemplo clássico, que também estudaremos mais adiante, são os canais que dependem da ligação da Acetilcolina. Quando a acetilcolina se liga ao canal, abre suas comportas e permite a passagem de moléculas sem carga ou de íons menores que seu diâmetro.

- Osmose:

De longe, a substância mais abundante que se difunde através da membrana celular é a água. 

Normalmente, em equilíbrio, a quantidade de água que se difunde para dentro e para fora da célula é tão precisamente balanceada que o movimento efetivo de água é zero, o que permite à célula permanecer em um volume constante.

Porém, caso ocorra alguma alteração de concentração de água entre os dois lados da membrana, começa acontece o movimento efetivo de água. Observem os dois exemplos abaixo e depois prestem atenção na discussão do texto:

Ambos os exemplos demonstram um processo de osmose, que é a difusão da água. Aqui, podemos observar que existem dois pontos de vista para entender o processo:

1. Se pensarmos que a concentração de água se altera de uma lado pro outro da membrana por conta da presença de substâncias, como nos exemplo o cloreto de sódio ou a glicose, a água está indo do meio MENOS concentrado para o MAIS concentrado.
2. Se pensarmos que a ao adicionarmos sal ou glicose em um dos lados da membrana, essas moléculas deslocam as moléculas de água, a água vai então passar do meio mais concentrado de água para o meio menos concentrado de água (processo de difusão tradicional).

Prestem atenção nesses dois pontos de vista, o que acontece é a mesma coisa, a mudança é o que usamos para descrever o processo, se é a concentração do soluto ou a concentração do solvente (a própria água).

- Pressão Osmótica: se aplicarmos uma pressão contraria à osmose, o processo de osmose da água pode diminuir, cessar ou inverter. A quantidade exata de pressão necessária para interromper a osmose é o que conhecemos como pressão osmótica.

A pressão osmótica exercida pelas partículas em solução, sejam elas moléculas ou íons, é determinada pelo número de partículas por unidade de volume de líquido, e não pela massa das partículas. A razão para isso é que cada partícula em solução, independente da sua massa, exerce em média a mesma quantidade de pressão contra a membrana (movimento aleatório).

• Osmolalidade: conhecido como osmol, expressa a concentração da solução em termos do número de partículas. Um osmol é o peso de uma molécula grama de soluto osmoticamente ativo.
• Osmolaridade: é a concentração osmolar expressa em osmóis por litro de solução, ao invés de osmóis por kg de água.

- Transporte Ativo de Substâncias através da Membrana Celular:

Algumas vezes, é necessária grande concentração de um íon dentro da célula, embora ele esteja em pequena quantidade no LEC (fora da célula) - por exemplo, o potássio. De forma contrária, é necessário manter baixa a concentração de outros íons dentro da célula, mesmo que o LEC possua uma grande concentração dele - exemplo  o sódio.

Nesses dois casos, existe a necessidade de um transporte contra o gradiente de concentração da substância, ou seja, do meio MENOS concentrado para o MAIS concentrado, o que exige gasto de energia (difusão não funciona nesses casos). Por isso, por utilizarem o ATP (adenosina trifosfato) esse tipo de transporte recebe o nome de Transporte Ativo.

Existem dois tipos:

1. Transporte Ativo Primário: a energia para esse transporte é derivada diretamente da degradação do ATP;
2. Transporte Ativo Secundário: utiliza energia derivada da diferença de concentração de íons criada pelo transporte ativo primário. Assim, utiliza indiretamente (ou secundariamente) a energia do ATP.

Em ambos os casos, há a presença de proteínas carreadoras.

- Transporte Ativo Primário:

O exemplo mais comum, por ser o mecanismo primário mais estudado, é a conhecida Bomba de Sódio e Potássio (NA+-K+), que bombeia três moléculas de sódio para fora da célula e duas moléculas de potássio para dentro da célula, ao mesmo tempo. Essa bomba é a responsável pela manutenção das diferenças de concentração entre sódio e potássio através da membrana celular, bem como pelo estabelecimento da voltagem elétrica negativa dentro da célula.

Notem que gerar a voltagem elétrica negativa dentro da célula é devido ao fato de ser um processo eletrogênico, pois tira da célula três moléculas de sódio e trás para a célula apenas duas de potássio. Assim, a cada ciclo da bomba, o interior celular fica mais negativo.

Como mostrado na figura acima, quando três moléculas de sódio se ligam na parte de dentro da célula da proteína carreadora (bomba) e duas moléculas de potássio se ligam na porção exterior da proteína, ocorre ativação de suas enzimas ATPases que quebram o ATP em ADP, liberando um de seus fosfatos altamente energéticos. A energia permite a mudança de conformação da proteína e assim ela consegue enviar para fora da célula as três moléculas de sódio e para dentro da célula as duas moléculas de potássio.

As bombas de sódio e potássio são as grandes responsáveis por manter o controle do volume celular. Sem ela, com a grande entrada de sódio e outras moléculas positivas no interior negativo das células (o que aumentaria a concentração e geraria osmose para dentro da célula), as células inchariam constantemente devido à entrada de água e acabariam por explodir.

- Transporte Ativo Secundário:

Quando o sódio é transportado para fora da célula pela bomba de sódio e potássio, cria-se um gradiente de concentração dos íons sódio, através da membrana celular (concentração alta fora da membrana e baixa dentro). Esse gradiente representa um reservatório de energia porque o excesso de sódio do lado de fora está sempre tentando entrar na célula. Quando consegue, gera uma energia de difusão que pode gerar, junto ao sódio, o transporte de outras substâncias. Quando esse movimento ocorre para dentro da célula, ou seja, a substância (exemplo a glicose) entra na célula junto ao sódio, chamamos esse processo de Cotransporte ou Simporte. Quando a substância sai da célula com a entrada do sódio (movimento contrário - um exemplo é o cálcio), chamamos de Contratransporte ou Antiporte.

Obrigado pela atenção pessoal,

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