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Função das Membranas Celulares
2_Difusão e Permeabilidade em Membranas
Licenciatura em Engenharia Biomédica
Luís Martinho do Rosário[Depto. de Bioquímica / FCTUC]
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 prop. 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
#07
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
#08
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 !!
#09
Exercícios
1 – É verdadeira ou falsa a seguinte afirmação? Porquê?“O tempo médio que uma molécula demora a percorrer por difusão simples uma distância de 30 µm é três vezes superior ao quedemora a percorrer 10 µm”
2 – Calcule o lapso de tempo difusional para a glicose ao longo de um internodo (segmento entre nodos de Ranvier consecutivos) num axónio mielinizado. Como poderá ocorrer a distribuição de transportadores de glicose nestes axónios e qual a possível consequência desta distribuição? Formule uma hipótese.
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
#10
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
#11
Exercícios
1 – Derive formalmente a equação de fluxo em #11
Sugestão: aplique condições-fronteira à variação linear da concentração
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
#12
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
#13
Exercícios
1 – Proponha um método para determinar experimentalmente o coeficiente de partição
2 – Demonstre que o influxo inicial de uma molécula que atravessa a membrana celular por difusão simples é directamente proporcional à sua concentração extracelular, assumindo que esta se mantém constante ao longo da experiência
Ci
Co > Ci influxo
Ci
Tempo
Ci = C0
Co = 0
J(influxoinicial)
Co
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)
#14
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)
#15
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
Esquema de sinalização: http://3e.plantphys.net/images/ch19/we1902a.jpg
Artigs de revisão recentes: Watson & Pessin (2006) Trends Biochem. Sci. 31: 215-222Chang et al. (2004) Mol. Medicine 10: 7-12
(acessíveis para download na página WOC) #16
TRANSLOCAÇÃO DE GLUT-4 E ACTIVAÇÃO DO RECEPTOR DE INSULINA
Myc: an engineered epitope tagEGFP: enhanced green fluorescent protein
Adipócitovia TC10 via PPIn 3-cinase
IRS: insulin receptor substratePDK1: phosphoinositide-dependent kinase 1
Watson & Pessin (2006) Bridging the gap between insulin signaling and GLUT4 translocation.Trends Biochem. Sci. 31: 215-222 #17
TRANSPORTE DE ÁCIDOS GORDOS
fatia int. delgado
anti-FATP4
enterócitos, íleo
anti-FATP4
fatia fígado
anti-FATP2
Transporte transmembranar de LCFAs
■ Difusão passiva (“flip-flop”)■ Transporte mediado
>> Proteínas de transporte de FAs (FATP1-6)>> Translocases de FAs (FAT/CD36)>> Proteínas ligantes de FAs associadas
à membrana (FABPpm) #18
Stahl et al. (2001) TRENDS Endocrinol. Metabol. 12: 266-273Bonen et al. (2007) Am. J. Physiol. 292: E1740-E1749
FABPcProteínas ligantesde FAs citoplasmáticas
Proteínas ligantes de acil-CoA
FAT/CD36
#19
DIFUSÃO FACILITADA DE IÕES
P = DK/δ
D = uRT/zFu = mobilidade do ião(m2.s-1.V-1)
s = uE
velocidade do ião em solução
campo eléctrico
Para a bicamada lipídica
u ≃ 0 e K ≃ 0ε (H2O) ≃ 80 >> ε (lípidos) ≃ 2-5
K e u podem ser aumentados:
◘ fisiologicamente (canais iónicos nativos)● artificialmente (ionóforos)
K+
Ionóforos difusíveis
Ex: valinomicina(antibiótico macrocíclico polipeptídico)
Cavidade hidrofílicaExterior hidrofóbico
Altamente selectivo para K+
(K+ >> Na+ > H+)
Outros exemplos: desacopladoresmitocondriais (FCCP, DNP) #20
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