Transporte em membranas, Osmose e Biosinalização

Temática: Transporte em membranas

Hoje começaremos uma discussão que só terminará na próxima aula. Vamos começar a estudar os tipos de transporte de substância por meio de membranas celulares.

Como vimos na aula anterior, uma das características necessárias de uma membrana celular, além de isolar o meio interno, deve ser a possibilidade de comunicação desse meio isolado com o meio que o cerca. Isso é importante não só para a manutenção das boas condições celulares, mas também para a manutenção do organismo como um todo, uma vez que a multicelularidade proporcionou o poder de especialização celular. Assim, determinadas células especializadas na produção de uma determinada substância ficariam totalmente sem função, se não houvesse uma comunicação entre elas e outras células por meio de mensageiros químicos. Por outro lado, a entrada de substâncias é vital para a manutenção das condições celulares, uma vez que essas condições dependem diretamente dessas substâncias, como a glicose, que serve como fonte química para a produção de ATP.

O transporte de substâncias através da membrana plasmática pode ocorrer com ou sem gasto de energia. Chamamos transporte ativo o tipo de transporte que necessita de energia para ocorrer, e é chamado transporte passivo, o tipo de transporte que ocorre sem gasto de energia.

Transporte passivo

 Algumas substâncias possuem tamanho diminuto, e, por esse motivo, conseguem atravessar a membrana diretamente. Essa passagem é conhecida como difusão e, longe de ser apenas uma simples passagem, ela necessita de algumas condições para ocorrer. Primeiro, a membrana deve ser permeável a essa substância. Segundo, deve haver uma diferença de concentração entre os dois lados da membrana. Como a natureza tende ao equilíbrio, onde se gasta a menor quantidade de energia para se manter, as partículas (moléculas, íons, etc.) que estão do lado mais concentrado se difundem para o lado menos concentrado, até o equilíbrio. Atingindo o equilíbrio tem-se a impressão de uma total monotonia microscópica. Entretanto, o equilíbrio alcançado não é estático, mas sim dinâmico. Assim, nesse momento, há uma troca em igual quantidade entre os dois lados da membrana.

Onde k é a dimensão do sistema e pode assumir os valores 1, 2 ou 3, D é o coeficiente de difusão das partículas e t é o tempo. Quando queremos assumir um sistema tridimensional, usamos a equação:

 <x²>+ <y²>+ <z²>+=<r²₃>=6Dt

Algumas partículas não possuem características necessárias para atravessar a membrana sozinha. Essas partículas se difundem com a ajuda de proteínas especializadas no transporte de substâncias, tanto para dentro quanto para fora da célula. Esse tipo de difusão é conhecido como difusão facilitada.

Transporte ativo

Determinadas substâncias devem ser mantidas em concentrações diferentes dentro e fora da célula, o que pode ocorrer mesmo dentro da célula, onde essas substâncias podem estar em concentrações diferentes entre uma dada organela e o citoplasma. Essas diferenças de concentração são conseguidas por meio de “bombas” que lançam essas substâncias para o local onde devem ficar em maior concentração. Esse tipo de transporte demanda um gasto de energia e é por isso chamado de transporte ativo. O clássico exemplo de transporte ativo é a bomba de sódio-potássio.

Essa bomba funciona lançando para fora da célula três átomos de sódio e enviando para dentro da célula dois átomos de potássio. Os átomos de sódio se ligam à proteína (bomba) e causam uma alteração conformacional nela, o que faz com que uma molécula de ATP se ligue a ela. Nesse momento, o ATP é quebrado, formando ADP e Pi (fosfato inorgânico), o que causa uma nova alteração conformacional na proteína, fazendo-a fechar o lado citoplasmático e abrir o lado voltado para o exterior, por onde os átomos de sódio irão sair. Ao sair, os átomos de sódio causam uma nova alteração conformacional na proteína, o que aumenta a afinidade de outros dois sítios da bomba por átomos de potássio. Novamente, ao se ligarem, os átomos de potássio alteram a conformação da proteína e são liberados no interior da célula.

Para ilustrar a importância do bom funcionamento do transporte de membrana vamos falar um pouco sobre uma doença chamada Fibrose Cística.

Essa doença decorre de uma alteração genética de caráter recessivo e possui uma frequência de 1 em 2000 em caucasianos (pessoas de origem européia e adjacências). Em geral, a vida média das pessoas afetadas é de cerca de 26 anos, embora aproximadamente 10% morram antes de completar 10 anos de idade. Essa doença é caracterizada por distúrbios nos pulmões e pâncreas.

Nas pessoas afetadas, o muco produzido pelos pulmões e pelo pâncreas é mais viscoso do que o normal, o que dificulta o seu fluxo nos ductos das glândulas, acabando por bloqueá-las. Essas secreções viscosas não conseguem ser varridas eficientemente da superfície dos órgãos e acabam se acumulando, o que favorece infecções. Descobriu-se que o gene mutante que causa a doença é responsável por bombear íons cloro (Cl-) através da membrana. Como essa proteína não funciona, há um desequilíbrio nas concentrações internas e externas de cloro nas células glandulares, com a concomitante diminuição da quantidade de água no muco, tornando-o mais concentrado e adquirindo a consistência viscosa.

Temática: Osmose

Anteriormente estudamos os dois tipos de transporte de substâncias que existem: um com gasto de energia (transporte ativo) e outro sem gasto de energia (transporte passivo). Hoje vamos estudar um tipo especial de transporte passivo que, por sua importância, foi separado da aula anterior: a osmose.

A osmose é definida como a passagem de água por através de uma membrana. Nesse caso, a membrana é impermeável aos solutos (substâncias que estão dissolvidas na água), o que impossibilita o processo de difusão ou difusão facilitada. Assim, ao invés de as partículas se moverem através da membrana, quem se move é a água.

Existem três tipos de meios possíveis de concentração para os solutos, a saber:

1. meio hipotônico: o meio onde a célula se encontra possui uma concentração de determinada partícula menor do que dentro da célula.

2. meio isotônico: o meio onde a célula se encontra possui a mesma concentração de determinada partícula existente dentro da célula.

3.  meio hipertônico: o meio onde a célula se encontra possui uma concentração de determinada partícula maior do que dentro da célula.

Lembre-se de que concentração é a relação entre massa e volume ou número de mols e volume:

Agora que já conhecemos os tipos de meios que existem, podemos verificar o que ocorre com uma célula, quando é colocada em cada um deles. Quando uma célula é colocada em meio hipotônico (água destilada, por exemplo) existe uma concentração de solutos maior dentro da célula do que fora.

Como esses solutos não podem sair, porque a membrana é impermeável a eles, a água entra na célula a fim de diminuir a concentração interna. Com a entrada de água na célula ela fica túrgida. Células que não possuem uma estrutura externa à membrana plasmática que seja resistente, como a parede celular das células vegetais e de algumas bactérias, ela pode se romper, como ocorre nas células animais quando colocadas nesses meios. A ruptura de uma célula por tal motivo é conhecido como plasmoptise.

Se uma célula é colocada em meio isotônico (soro fisiológico, Ringer lac-tato, por exemplo) a água entra e sai em quantidades iguais, não alterando o volume celular. Nunca imagine que por possuírem concentrações iguais, a água nem entra nem sai; lembre-se de que na natureza todo e qualquer tipo de equilíbrios é dinâmico.

Quando uma célula é colocada em meio hipertônico, a água existente no seu interior deixa a célula, o que faz com que a concentração de solutos no interior da célula aumente, indo em direção ao equilíbrio com o meio exter-no. Essa saída de água provoca uma diminuição no volume celular, conhe-cido como plasmólise, e a célula encontra-se, portanto, plasmolisada. Se essa célula for colocada em um meio hipotônico, ela retoma seu volume original, processo conhecido como desplasmólise. Agora talvez faça um pouco mais de sentido o porquê de quando ficamos em uma piscina (meio hipertônico para o Cl-) ou no mar (meio hipertônico para vários íons) nossa pele fica enrugada, principalmente mãos e pés. Tente descobrir por que náufragos não devem beber água do mar!

Temática: Biosinalização

Anteriormente discutimos as propriedades das membranas biológicas. Deixamos claro que o papel delas não é só um meio de determinar o que está dentro e o que está fora da célula. As membranas biológicas possuem um papel fundamental em diversos outros mecanismos e um deles é a comunicação da célula com o meio externo. Essa comunicação é realizada por meio de receptores encontrados na membrana, os quais enviam os sinais do meio extracelular para o interior da célula. Esses sinais são indispensáveis para a vida dos organismos multicelulares, que, como já mencionado anteriormente, possuem células altamente especializadas. Assim, uma determinada célula em uma região do corpo envia um sinal para que células encontradas do lado oposto sintetizem uma determinada substância.

 Um exemplo de biosinalização ocorre entre o sangue e o pâncreas. As células pancreáticas possuem receptores que detectam os níveis de glicose no sangue (glicemia), cujos valores devem se encontrar entre 70 a 110 mg/dl. Quando esses receptores detectam um valor acima de 110 mg/dl, as células beta do pâncreas passam a produzir insulina e a lançam no sangue, fazendo com que essa glicose em “excesso” entre nas células para gerar ATP com a concomitante diminuição dos níveis sanguíneos de glicose (efeito hipoglicemiante). Ao contrário, quando a glicemia cai abaixo dos 70 mg/dl, as células alfa do pâncreas passam a produzir um outro hormônio chamado glucagon, o qual aumenta a glicemia até níveis normais.

O exemplo acima foi apenas um dos milhares de tipos de comunicação que existem em organismos multicelulares. Obviamente, quanto mais complexo é um indivíduo, mais complexos são os tipos de biosinalização. A biosinalização pode indicar a um organismo a presença de um predador ou de um parasita e pode indicar a disponibilidade de oxigênio, luz, comida ou agentes tóxicos. Esse sistema de integração atua junto com os outros sistemas corpóreos, mantendo o equilíbrio dinâmico de um organismo (homeostase). De forma geral, os organismos recebem os sinais que ativam ou desativam determinados genes, ou seja, todo sinal de alguma forma é levado até o interior do núcleo celular onde encontramos o DNA.

As proteínas (receptores) são altamente específicas para um determinado fator, podendo identificar quantidades mínimas dele no meio circundante. Alguns receptores conseguem identificar uma concentração do seu ligante da ordem de 10-12 M (picomolar). Essas proteínas possuem uma sítio específico para o seu ligante na superfície extracelular da membrana plasmática e um outro sítio ativo na região citosólica da membrana. O tipo mais comum de enzima ligada ao receptor é uma proteína quinase que fosforila reíduos de tirosina em regiões específicas de determinadas proteínas. Já outras sintetizam um segundo mensageiro intracelular (cGMP – guanosi-na monofosfato cíclica).

Três fatores básicos fazem parte dessa extraordinária sensibilidade celular.

São eles:

1. Amplificação dos sinais: essa amplificação resulta quando uma enzima associada a um receptor é ativada, a qual irá catalisar a ativação de diversas outras moléculas de uma segunda enzima, as quais irão ativar terceiras enzimas e assim por em diante. Isso forma uma cascata enzimática até a mensagem chegar ao núcleo celular, o qual irá coordenar os passos seguintes do metabolismo celular.

2. Desensibilização: imagine um sinal que permanecesse continuamente, como a pressão que a roupa faz sobre a pele. Quando acabamos de vestir uma roupa nós sentimos a presença da roupa inicialmente, mas logo em seguida nós não a sentimos mais, a não ser que desejemos isso. Esse processo de perda da sensibilidade é conhecido como desensibilização. Quando o estímulo que produziu essa desensibilização é retirado, o sistema volta a ser ativado.

3.Integração: A integração é a característica que define toda a função da biosinalização. Por meio dela os múltiplos sinais recebidos são processados e transformados em uma resposta.

De forma geral, embora o “gatilho” que dispara cada sistema seja diferente, os outros processos são similares: o sinal interage com o receptor, que, agora ativado, interage com a maquinaria celular produzindo um novo sinal, agora interno, que poderá provocar uma alteração na atividade das proteínas celulares ou interagir diretamente com o núcleo celular, o qual enviará uma resposta que pode variar em forma e intensidade.