Ashcroft, F.M. (2006) From molecule to malady. Nature 440, 440-447.
Pequena revisão de muitos casos conhecidos nos quais os defeitos genéticos em canais iônicos levam a doenças em humanos.
Doyle, D.A., Cabral, K.M., Pfuetzner, R.A., Kuo, A., Gulbis, J.M, Cohen, S.L., Chait, B.T., & MacKinnon, R. (1998) The
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A primeira estrutura cristalina de um canal iônico é descrita.
Gadsby, D.C., Vergani, P., &Csanady, L. (2006) The ABC protein
turned chloride channel whose failure causes cystic fibrosis. Nature
440, 477-483.
Essa é uma entre as sete excelentes revisões de canais iônicos publicada nessa edição da Nature.
Gouaux, E. & MacKinnon, R. (2005) Principles of selective íon
transport in channels and pumps. Science 310, 1461-1465.
Pequena revisão de características arquitetônicas de canais e bombas que dão a cada proteína a sua especificidade iônica.
Guggino, W.B. & Stanton, B.A. (2006) New insights into cystic
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Texto de nível intermediário enfatizando a função dos canais iônicos.
Jiang, Y., Lee, A., Chen, J., Ruta, V., Cadene, M., Chait, B.T., & MacKinnon, R. (2003) X-ray structure of a voltage-dependent K1
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King, L.S., Kozono, D., & Agre, P. (2004) From structure to
disease: the evolving tale of aquaporin biology. Nat. Rev. Cell Mol. Biol. 5, 687-698.
Revisão de nível intermediário da localização das aquaporinas nos tecidos de mamíferos e dos impactos dos defeitos das aquaporinas na fisiologia.
Lee, A.G. & East, J.M. (2001) What the structure of a calcium
pump tell us about its mechanism. Biochem J. 356 665-683. Long, S.B., Campbell, E.B., & MacKinnon, R. (2005) Crystal
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Neher, E. & Sakmann, B. (1992) The patch clamp technique. Sci.
Am. (March) 266, 44-51.
Descrição clara dos métodos eletrofisiológicos usados para medir a atividade de um único canal iônico, pelos vencedores do Prêmio Nobel que desenvolveram essa técnica.
Tombola, F., Pathak, M.M., & Isacoff, E.Y. (2006) How does
voltage open an íon channel? Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 22, 23-52.
Revisão avançada dos mecanismos de portão controlado por voltagem dos canais iônicos.
Verkman, A.S. (2011) Aquaporins at a glance. J. Cell Sci. 124, 2107-
2112.
Revisão de nível intermediário, em estilo pôster, da estrutura e função da aquaporina.
Problemas
1. Determinando a área de secção transversal de uma molécula lipídica. Quando fosfolipídeos são dispostos sua-
vemente na superfície da água, eles se orientam na interface ar-água com seus grupos polares na água e suas caudas hi- drofóbicas no ar. Um dispositivo experimental (a) foi criado
de forma a reduzir a área da superfície disponível para uma camada de lipídeos. Medindo-se a força necessária para agru- par os lipídeos, é possível determinar quando as moléculas estão compactadas firmemente em uma monocamada contí- nua; ao se aproximar dessa área, a força necessária para uma posterior redução da área da superfície aumenta repentina- mente (b). Como você usaria esse dispositivo para determi-
nar a área média ocupada por uma única molécula lipídica na monocamada?
Força (dina/cm)
Força aplicada aqui para comprimir a monocamada (a) (b) Área (nm2/molécula) 10 20 30 40 0,2 0,6 1,0 1,4
2. Evidência de uma bicamada lipídica. Em 1925, E.
Gorter e F. Grendel usaram um dispositivo como o descrito no Problema 1 para determinar a área da superfície de uma mo- nocamada lipídica formada pelos lipídeos extraídos de eritró- citos de várias espécies de animais. Usaram um microscópio para medir as dimensões das células individuais, e a partir daí, calcularam a média da área da superfície de um eritrócito. Ob- tiveram os dados mostrados na tabela. É justificada a conclu- são desses investigadores de que “os cromócitos (eritrócitos) estão cobertos por uma camada de substâncias gordurosas com espessura correspondente a duas moléculas” (ou seja, a bicamada lipídica)? Animal Volume de células empacotadas (mL) Número de células (por mm3) Área total da superfície da monocamada lipídica das células (m2) Área total da superfície de uma célula (mm2 ) Cachorro 40 8.000.000 62 98 Ovelha 10 9.900.000 6,0 29,8 Homem 1 4.740.000 0,92 99,4
Fonte: Dados obtidos de Gorter, E. & Grendel, F. (1925) On bimolecular layers of lipoids on the chromocytes of the blood. J. Exp. Med. 41, 439-443.
3. Número de moléculas de detergente por micela.
Quando uma pequena quantidade do detergente dodecil sulfa- to de sódio (SDS; Na1CH3(CH2)11OSO3
2
) é dissolvida em água, os íons do detergente entram na solução como espécies mo- noméricas. À medida que mais detergente é adicionado, uma concentração é alcançada (concentração micelar crítica) na qual os monômeros se associam para formarem micelas. A con- centração micelar crítica de SDS é 8,2 mM. As micelas têm uma massa média de partícula (a soma das massas moleculares dos monômeros constituintes) de 18.000. Calcule o número de mo- léculas do detergente na micela média.
4. Propriedades dos lipídeos e das bicamadas lipídi- cas. Bicamadas lipídicas formadas entre duas fases aquosas
têm essa propriedade importante: elas formam lâminas bidi- mensionais, a borda de cada uma se fecha sobre a outra e elas sofrem autosselamento para formar vesículas (lipossomos).
(a) Que propriedades dos lipídeos são responsáveis por essa propriedade das bicamadas? Explique.
(b) Quais são as consequências dessa propriedade para a estrutura de membranas biológicas?
5. Comprimento da molécula de ácido graxo. A distância
na ligação carbono-carbono para carbonos em ligação simples, como em uma cadeia acil graxa saturada, é de cerca de 1,5 Å. Es- time o comprimento de uma única molécula de palmitato na sua forma completamente estendida. Se duas moléculas de palmita- to forem colocadas alinhadas e com as extremidades em contato, como o seu comprimento total poderia se comparar com a espes- sura da bicamada lipídica em uma membrana biológica?
6. Dependência da temperatura na difusão lateral. O
experimento descrito na Figura 11-18 foi realizado a 37ºC. Se o experimento tivesse ocorrido a 10ºC, que efeito você esperaria na taxa de difusão? Por quê?
7. Síntese de suco gástrico: energética. O suco gástri-
co (pH 1,5) é produzido pelo bombeamento de HCl do plasma sanguíneo (pH 7,4) para o estômago. Calcule a quantidade de energia livre requerida para concentrar o H1 em 1 L de suco gástrico a 37ºC. Nas condições celulares, quantos moles de
ATP devem ser hidrolisados para prover essa quantidade de energia livre? A variação na energia livre da hidrólise de ATP em condições celulares é de aproximadamente 258 kJ/mol (como explicado no Capítulo 13). Ignore os efeitos do poten- cial elétrico transmembrana.
8. Energética da Na1K1-ATPase. Dada uma célula de ver-
tebrado típica com potencial de membrana de 20,070 V (nega- tivo dentro), qual é a variação na energia livre para transportar 1 mol de Na1 da célula para o sangue a 37 ºC? Suponha que a concentração de Na1 dentro da célula seja de 12 mM e que no
plasma sanguíneo seja de 145 mM.
9. Ação da ouabaína no tecido renal. A ouabaína inibe
especificamente a atividade da Na1K1-ATPase de tecidos ani- mais, mas não se sabe quanto à inibição de qualquer outra en- zima. Quando a ouabaína é adicionada a fatias finas de tecido renal vivo, ela inibe o consumo de oxigênio em 66%. Por quê? O que essa observação nos diz sobre o uso de energia respira- tória pelo tecido renal?
10. Energética do simporte. Suponha que você tenha
determinado experimentalmente que o sistema de transporte celular para a glicose, conduzido pelo simporte de Na1, possa acumular glicose até atingir concentrações 25 vezes maiores do que aquela do meio externo, quando a [Na1] externa era apenas 10 vezes maior do que a [Na1] no meio intracelular. Isso violaria as leis da termodinâmica? Se não, como você explicaria essa observação?
11. Localização de uma proteína de membrana. As se-
guintes observações se referem a uma proteína de membrana desconhecida, X. Ela pode ser extraída a partir da ruptura de membranas de eritrócitos em uma solução salina concentrada, podendo ser hidrolisada em fragmentos por enzimas proteolí- ticas. O tratamento de eritrócitos com enzimas proteolíticas, seguido pela ruptura e a extração dos componentes da mem- brana, produz uma X intacta. Entretanto, o tratamento de “fan- tasmas” de eritrócitos (que consistem em apenas membranas plasmáticas, produzidas pela ruptura de células e a remoção da hemoglobina) com enzimas proteolíticas, seguido pela ruptu- ra e a extração, produz X extensivamente fragmentada. O que essas observações indicam sobre a localização de X na mem- brana? As propriedades de X se parecem com as das proteínas integrais de membrana ou com as periféricas?
12. Autosselamento da membrana. Membranas celula-
res são autosselantes – se elas forem perfuradas ou rompidas mecanicamente, elas resselam rápida e automaticamente. Que propriedades da membrana são responsáveis por essa caracte- rística importante?
13. Temperatura de fusão de lipídeos. Lipídeos de mem-
brana em amostras de tecidos obtidos de diferentes partes da perna de um veado apresentam diferentes composições de áci- dos graxos. Os lipídeos de membrana de tecido próximo aos cascos contêm uma proporção maior de ácidos graxos insa- turados do que aqueles de tecido da parte superior da perna. Qual é o significado dessa observação?
14. Difusão flip-flop. A lâmina interna (monocamada) da
membrana de eritrócito humano consiste predominantemente em fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina. A lâmina externa consiste predominantemente em fosfatidilcolina e esfingomie- lina. Embora os componentes fosfolipídicos da membrana pos- sam difundir na bicamada fluida, essa lateralidade é sempre preservada. Como?
15. Permeabilidade da membrana. Em pH 7, o triptofano atravessa a bicamada lipídica com cerca de um milésimo da taxa do indol, um composto estreitamente relacionado.
N H Sugira uma explicação para essa observação.
16. Fluxo de água através de uma aquaporina. Um eri-
trócito humano tem aproximadamente 2 3 105
monômeros de AQP1. Se moléculas de água fluírem através da membrana a uma taxa de 5 3 108 por tetrâmero de AQP1 por segundo, e o volume de um eritrócito for 5 3 10211 mL, o quão rapidamente poderia um eritrócito reduzir seu volume à metade como encon- trado em alta osmolaridade (1 M) no fluido intersticial da medula renal? Suponha que o eritrócito consista unicamente em água.
17. Marcação do transportador de lactose. Um trans-
portador bacteriano de lactose, altamente específico para a lactose, contém um resíduo de Cys que é essencial para a sua atividade de transporte. A reação covalente de N-etilmaleimida
(NEM) com este resíduo de Cys inativa irreversivelmente o transportador. Uma alta concentração de lactose no meio im- pede a inativação pela NEM, presumivelmente por proteger estericamente o resíduo de Cys, que se encontra no sítio de ligação da lactose ou próximo a ele. Você não sabe mais nada sobre a proteína transportadora. Sugira um experimento que possa permitir a determinação da Mr do polipeptídeo transpor- tador contendo Cys.
18. Previsão da topologia da proteína de membrana a partir da sequência. Você clonou o gene para uma proteína
de eritrócito humano, que suspeita ser uma proteína de mem- brana. A partir da sequência de nucleotídeos do gene, você co- nhece a sequência de aminoácidos. A partir desta sequência somente, como você avaliaria a possibilidade de que a proteína seja uma proteína integral de membrana? Suponha que a pro- teína seja uma proteína integral, do tipo I ou II. Sugira experi- mentos bioquímicos ou químicos que permitiriam determinar qual é o seu tipo.
19. Captação intestinal de leucina. Você está estudando
a captação de L-leucina pelas células epiteliais do intestino de camundongo. Medidas da taxa de captação de L-leucina e vá- rios de seus análogos, com ou sem Na1 no tampão do ensaio, produzem os resultados dados na tabela. O que você pode con- cluir sobre as propriedades e o mecanismo do transportador de leucina? Você esperaria que a captação de L-leucina fosse
inibida pela ouabaína?
Substrato Captação na presença de Na1 Captação na ausência de Na1 Vmáx Kt (mM) Vmáx Kt (mM) L-Leucina 420 0,24 23 0,2 D-Leucina 310 4,7 5 4,7 L-Valina 225 0,31 19 0,31
20. Efeito de um ionóforo no transporte ativo. Consi-
dere o transportador de leucina descrito no Problema 19. A
Vmáx e/ou Kt mudaria se você adicionasse um ionóforo de Na 1
à solução do ensaio contendo Na1? Explique.
21. Densidade de superfície de uma proteína de membrana. A E. coli pode ser induzida a produzir aproxi-
madamente 10.000 cópias do transportador de lactose (Mr
31.000) por célula. Considere a E. coli como um cilindro de
1 mm de diâmetro e 2 mm de comprimento. Que fração da su-
perfície da membrana plasmática é ocupada pelas moléculas transportadoras de lactose? Explique como você chegou a essa conclusão.
22. Uso do diagrama da roda helicoidal. Uma roda heli-
coidal é uma representação em duas dimensões de uma héli- ce, uma visão ao longo de seu eixo central (ver Figura 11-30b; ver também a Figura 4-4d). Use o diagrama da roda helicoidal mostrado aqui para determinar a distribuição de resíduos de aminoácidos em um segmento de hélice com a sequência -Val- -Asp-Arg-Val-Phe-Ser-Asn-Val-Cys-Thr-His-Leu-Lys-Thr-Leu- -Gln-Asp-Lys-
1
O que você pode dizer sobre as propriedades da superfície dessa hélice? Que orientação da hélice você esperaria na estru- tura terciária da proteína integral de membrana?
23. Espécies moleculares na membrana da E. coli. A
membrana plasmática da E. coli é composta por cerca de 75%
de proteína e 25% de fosfolipídeo em relação ao peso. Quantas moléculas de lipídeos de membrana estão presentes para cada molécula de proteína de membrana? Considere uma Mr média
de proteína de 50.000 e uma Mr média de fosfolipídeo de 750. O
que mais você precisaria saber para estimar a fração da super- fície da membrana que é coberta por lipídeos?