Módulo 2:Relacionamento da célula com o meio envolvente

Transporte transmembranar

TRANSPORTE NÃO MEDIADO(difusão simples)

TRANSPORTE MEDIADO

Canais (difusão facilitada)

Permeases (difusão facilitada ou transporte activo)

A difusão simples obedece à primeira lei deFick:

J = -D!c!x

J, densidade de fluxo (moles/seg/cm2)

D, constante de difusão (cm2/seg)

!C, gradiente de concentração do soluto

!x, distância percorrida pelo soluto

Através da membrana biológica:

J = -Dx !cX, espessura da membrana e

espaço envolvente não homogéneo

J = P!cP, constante de permeabilidade (cm/seg)

Um gráfico de J versus !C deve corresponder a uma linha recta cujo

declive é igual à constante de permeabilidade (P):

J

[Soluto]

(cinética de primeira ordem)

Difusão simples - cinética

PERMEASESLigam-se especificamente ao soluto (estereoespecificidade)

Sofrem alterações conformacionais que promovem o transporte do soluto

Medeiam processos de transporte do tipo passivo (difusão facilitada) ou

activo

CANAISNão se ligam especificamente ao soluto

Poros hidrofílicos na bicamada permitem a passagem de solutos específicos

(normalmente iões inorgânicos)

Transporte ocorre a taxas elevadas

O movimento do soluto ocorre unicamente a favor do seu gradiente

electroquímico (transporte passivo)

Difusão facilitada

Os seres humanos e outros mamíferos possuem váriasproteínas relacionadas (ISOFORMAS) que actuam comofacilitadores do transporte da glucose

As isoformas do tipo GLUT diferenciam-se pela localizaçãonos tecidos, parâmetros cinéticos e regulação

GLUT 1:Eritrócitos

GLUT 4:Células do músculo esqueléticoCélulas do músculo cardíacoCélulas adiposas

Difusão facilitada da glucose em humanos

492 aa12 α-hélices transmembranares45 kDaGlicosilada

Transportadores GLUT da membrana dos eritrócitos

EQUAÇÃO DE MICHAELIS-MENTEN:

vi = Vmax [S]/([S] + Km)

Difusão facilitada: cinética do transporte mediado

Modelo de um canal iónico

Ao contrário das permeases, as proteínas do tipo canalformam poros na membrana que permitem a passagem depequenas moléculas de tamanho e carga apropriados

Difusão facilitada por canais

PORINAS membrana externa das bactérias

JUNÇÕES DO TIPO GAP:- maioria das células animais

- movimento de pequenas moléculas e iões entre células adjacentes

AQUAPORINAS movimento da água

CANAIS IÓNICOS: - medeiam o transporte de iões através da membrana

- presentes em todas as células

- Nas células animais desempenham um papel fundamental na polarização e                despolarização da membrana plasmática

- nas plantas desempenham um papel  fundamental no transporte do K+

Exemplos de canais

Peter Agre – Nobel Lecture 2003

The Aquaporin Water Channels

Peter Agre held his Nobel Lecture December 8,2003, at Aula Magna, Stockholm University. He waspresented by Professor Bengt Nordén, Chairman ofthe Nobel Committee for Chemistry.

Estrutura das aquaporinas

Roderick MacKinnon – Nobel Lecture 2003

The Atomic Basis of Selective Ion Conduction inPotassium Channels

Roderick MacKinnon held his Nobel Lecture December 8,2003, at Aula Magna, Stockholm University. He waspresented by Professor Bengt Nordén, Chairman of theNobel Committee for Chemistry.

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2003/mackinnon-lecture.html

Canais iónicos: canais de K+ da bactéria Streptomyces lividans

Canais iónicos: canais de K+ da bactéria Streptomyces lividans

Taxa de transporte elevada

Exibem elevada selectividade de acordo com o tamanho e cargado ião (canais específicos para cada um dos seguintes iões Na+, K+, Ca2+ e Cl-)

A maioria dos poros não estão permanentemente abertos- voltage-gated channels- ligand-gated channels

Papel fundamental na transmissão de impulsos eléctricos aonível da membrana das células nervosas (Alan Hodgkin e Andrew Huxley, 1952 - neurónios gigantes de lula)

Canais iónicos

Canais iónicos de células vegetais

Canais iónicos e potencial de repouso emcélulas animais

(...)

Transportadores activos primários

H+

Na+

K+

drugsABC transporters

Plasma membrane proton pump(plants, fungi, bacteria)

Na+K+ATPase

H+

Light

bacteriorhodopsin

3.E. light absorption-driven transporters

H+

3.D. oxidoreduction-driven transporters

ATP

ATP

ATP

e-

3.A. P-P-bond-hydrolysis-driven transporters

cytochrome c oxidase

ATPCa2+

H+F-ATPaseV-ATPaseH+ PPase

ATP

Transporte activo primário energizado pelo ATP

purificação docomplexo F1

estudocristalográficode F1

“catáliserotacional”

Masasuke Yoshida

1997,observaçãoexperimental darotação dasubunidade γ

(1997 Nobel Prize)

“The Nobel Prize is for thepersons whoproposed a very original idea,persisted andprevailed. Boyer deserved it.”

E ela gira...

Catálise rotacional

Na+ /K+-ATPase

Responsável pela distribuição assimétrica do Na+ e K+

através da membrana plasmática dos eucariontessuperiores

Evidências experimentais obtidas em estudos efectuados com membranasplasmáticas de glólulos vermelhos(concentração de Na+, K+, ATP e inibidores pode ser manipulada de ambos os lados damembrana):

1. O transporte de Na+ e K+ está fortemente acoplado à hidrólise de ATP;

2. O transporte de Na+ e K+ e a hidrólise de ATP pode ocorrer unicamente quando Na+ e o ATP    estão presentes na face citoplasmática da membrana e o K+ na face exocitoplasmática;

3. A ubaína inibe o transporte quando presente na face exocitoplasmática (compete com o K+);

4. Por cada molélula de ATP hidrolisada são bombeados 3 Na+ para o exterior e 2K+ para o     interior;

5.  A energia livre resultante do movimento do ião Na+ e do ião K+ a favor de gradiente    electroquímico pode conduzir à síntese de ATP pela Na+/K+ATPase.

Na+ /K+-ATPase

Na+ /K+-ATPase

1. Efeito electrogénico directo

2. Efeito electrogénico indirecto

3. Regulação do volume celular

4. Transporte transmembranar de nutrientes

5. Regulação do pH da célula

Relevância fisiológica da Na+/K+-ATPase

? Em que consiste oefeito electrogénicoindirecto daNa+/K+-ATPase

Transporte activo: permeases do tipo ABC

Com domínios de ligação do ATP altamente conservados (ATP-binding cassettes)

Bactérias: utilizam a energia associada à hidrólise do ATPpara transportar uma ampla variedade de moléculas incluindoiões e açúcares

Eucariontes: MDR, multidrug resistence proteinCFTR,cystic fibrosis transmembrane condutance regulator

Transporte activo: permeases do tipo ABC

pH=7

pH=5

ATPADP+ Pi

H+

+

+

+

ΔEΔpH

-

+

H+ S

H+ S

Transporte activo secundário

ΔG > 0ΔG < 0

Simportador glucose:Na+

Ampla variedade sistemas de transporte transmembranaraccionados pela energia armazenada em gradientes iónicos emprocariontes e eucariontes

A energia livre associada ao movimento do ião inorgânico (Na+,H+) a favor do seu gradiente electroquímico é usada como forçamotora para o bombeamento através da membrana de outrossolutos contra gradiente de concentração (por intermédio deuma permease específica)

Exs:Células animais

Antiportador Na+/H+

Simportador Na + /HCO3-

Simportadores aminoácido/Na+

Simportadores açúcar/Na+

Antiportador Na+/Ca2+

Células vegetaisAntiportador sacarose/H+

Simportadores açúcar/H+

Antiportador Ca2+/H+

Antiportador Na+/H+

LevedurasSimportadores açúcar/H+

Simportadores aminoácido/H+

Simportadores ác. orgânico/H+

BactériasSimportador lactose/H+

Transporte activo secundário

animais

Transporte trans-epitelial da glucose

Transportadores em plantas

Estrutura da permease da lactose de E. Coli. Domínios transmembranares (12) emα-hélice. Modificação conformacional da proteína associada com o transporte (b).Verde: Glu325 e Arg302 com cadeias laterais protonáveis. Vermelho: açúcar.

bactérias

Transportador lactose/H+ de E. coli

Potencial de membrana e transportetransmembranarPotencial de repouso da membrana das células nervosas emusculares

Potencial de acção

Canais iónicos e potencial de repouso da membrana dascélulas animais

V = (RT/zF)ln(Co/Ci)

Relacão entre a concentração de um dado ião e o potencialde membrana

V, potencial de equilíbrio em voltsR, constante dos gasesT, temperatura absolutaZ, carga do iãoF, constante de FaradayC0 e Ci, concentração do ião fora e dentro da célula

Equação de Nernst-Planck

Inversão rápida do potencial demembrana resultante da aberturasequencial seguida de fecho decanais de sódio e de potássiosensíveis à voltagem

Potencial de acção

Modelo de um receptor sensível à acetilcolina

Canais iónicos da junção neuromuscular

Família de canais de Na+, K+ e Ca2+ sensíveis à voltagem

The transporter classification system

V, classW, sub-classX, family or superfamilyY, sub-family in a family or the family in a superfamilyZ, substrate or range of substrates

A permease-specific TC number has 5 components:

V, W, X, Y, Z

http://www.tcdb.org/tcdb/index.php

Transporter classification database

http://www.tcdb.org/browse.php

Incorporação de partículas de elevadas dimensões comorestos celulares e células intactas (ex: bactérias)

Endocitose

Endocitose

Mecanismo para o transporte selectivo de macromoléculasespecíficas (ex: incorporação do colesterol em células de mamíferos)

Endocitose mediada por receptores

Endocitose mediada por receptores