02. MEMBRANA PLASMÁTICA
A membrana plasmática além de controlar a entrada e a saída de substâncias também tem participação essencial na comunicação celular, como veremos adiante. O modelo “mosaico-fluido” descreve a estrutura da membrana plasmática cuja disposição molecular se assemelha a um mar de lipídios onde muitas proteínas diferentes estão inseridas. Estas proteínas podem flutuar livremente no mar de lipídios como se fossem icebergs. Os lipídios atuam como barreira contra a passagem de substâncias com carga, enquanto algumas proteínas atuam como “porteiros” que possibilitam que essas substâncias possam atravessar a membrana.
➢ OS LIPÍDIOS DA MEMBRANA
A membrana plasmática é formada por dois tipos principais de moléculas lipídicas: fosfolipídios e colesterol. Cerca de 80% dos lipídios da membrana são fosfolipídios e 20% são colesterol.
O arcabouço básico da membrana plasmática é a bicamada de fosfolipídios. Os fosfolipídios são moléculas anfipáticas, o que significa que têm partes polares (ou hidrofílicas) e partes apolares (ou hidrofóbicas). Nos fosfolipídios, a parte polar é a cabeça que contém um radical fosfato e parte apolar é formada por duas longas caudas de ácidos graxos. Como semelhante atrai semelhante, as moléculas de fosfolipídios se orientam na bicamada com suas cabeças polares voltadas para fora e para dentro da célula. Deste modo, as cabeças polares estão em contato com um líquido aquoso nos dois lados: com o citosol, no lado de dentro da célula e com o líquido extracelular no lado de fora. As caudas hidrofóbicas de ácidos graxos estão voltadas para o centro da membrana, formando uma extensa região apolar o que faz que a dupla camada de fosfolipídios seja altamente repulsiva a substâncias polares. Observe as figuras abaixo que mostram a molécula de fosfolipídio e sua disposição para formar a dupla camada.
As moléculas de colesterol também são anfipáticas e a parte polar do colesterol se interage com as cabeças polares dos fosfolipídios e a porção apolar do colesterol se liga às caudas apolares dos fosfolipídios da dupla camada (observe a figura a seguir).
➢ AS PROTEÍNAS DA MEMBRANA
As proteínas da membrana são divididas em duas categorias: integrais e periféricas. As proteínas integrais estão inseridas na bicamada lipídica, algumas atravessando totalmente a bicamada, só podendo ser removidas por métodos que rompam a estrutura da membrana. Por outro lado, as proteínas periféricas se associam fracamente à membrana, tanto na superfície interna, como na superfície externa. As proteínas integrais que atravessam toda a bicamada, projetando-se nos dois lados, são as principais proteínas da membrana plasmática e são chamadas proteínas transmembranas (observe a figura a seguir).
Algumas proteínas transmembranas possuem carboidratos voltados para o líquido extracelular formando glicoproteínas. Alguns fosfolipídios da dupla camada também possuem carboidratos ligados do lado externo da membrana e são denominados glicolipídios. As partes dos carboidratos das glicoproteínas e dos glicolipídios formam uma extensa capa externa chamada glicocálice. O fato dos carboidratos do glicocálice estarem voltados somente do lado externo da membrana faz com que a membrana seja assimétrica. Um exemplo de um constituinte importante do glicocálice são as glicoproteínas denominadas complexo de histocompatibilidade principal (MHC), inicialmente denominadas de antígeno leucocitário humano (HLA), que possuem funções importantes para o sistema imune mas podem desencadear rejeição de tecido ou órgãos transplantados. Por isso são as principais substâncias analisadas para averiguar compatibilidade antes de se realizar um transplante. O glicocálice pode também participar da aderência entre as células como acontece em alguns tecidos que precisam que suas células se mantenham bem ligadas umas às outras.
• FUNÇÕES DAS PROTEÍNAS DA MEMBRANA
As principais proteínas da membrana são as transmembranas. Algumas são canais contendo um poro ou orifício pelo qual íons podem fluir para dentro ou para fora da célula. A maioria dos canais é seletiva permitindo passagem de um tipo único de íon. Outras proteínas da membrana atuam como transportadores que se ligam a uma substância polar em um dos lados e transportam-na para o outro lado onde é liberada. Proteínas transmembranas podem também servir como receptores que recebem e se ligam a moléculas específicas como, por exemplo, os hormônios
Algumas proteínas integrais e periféricas são enzimas facilitando reações químicas que ocorrem na membrana ou nas suas proximidades. Proteínas da membrana podem também servir como proteínas ligadoras que se ligam a filamentos dentro das células contribuindo para a realização de movimento celular ou para a manutenção da forma das células.
➢ FLUIDEZ DA MEMBRANA
As membranas são estruturas fluidas. Sendo assim, a bicamada fosfolipídica automaticamente fecha o buraco causado por ruptura por intervenção mecânica. Quando uma agulha é empurrada através da membrana celular e, em seguida, removida, o local desta punção se fecha e a célula não se rompe. O colesterol faz com que a membrana plasmática fique menos fluida. Quando nossas membranas acumulam quantidades excessivas de colesterol, elas se tornam mais rígidas e menos flexíveis. Uma das consequências da aterosclerose, doença caracterizada pelo acúmulo de colesterol nas membranas plasmáticas das células que revestem internamente os vasos sanguíneos, contribuindo, desta forma, para que eles fiquem menos flexíveis e, consequentemente, mais susceptíveis às lesões. Pequenas lesões que ocorrem na parede interna dos vasos sanguíneos já são suficientes para desencadear respostas inflamatórias. As reações inflamatórias nos vasos sanguíneos, mesmo quando não há hemorragia, podem provocar formação de coágulo. O coágulo formado dentro de um vaso sanguíneo funciona como um êmbolo
que viaja na corrente sanguínea até encontrar um vaso de diâmetro menor, interrompendo a circulação. Quando o vaso bloqueado for um vaso pulmonar, dissemos que ocorreu uma embolia pulmonar.
➢ PERMEABILIDADE DA MEMBRANA
As membranas celulares permitem que algumas substâncias possam atravessá-las com mais facilidade do que outras, propriedade chamada permeabilidade seletiva. A bicamada de fosfolipídios é permeável à maioria das moléculas apolares, como por exemplo, o gás oxigênio (O2), o gás carbônico (CO2)
e os esteroides, mas é impermeável aos íons e às moléculas polares como, por exemplo, a glicose e a água. As moléculas de água, por exemplo, conseguem atravessar a bicamada lipídica devido a existência de proteínas transmembranas denominadas aquoporinas que atuam como canais de transporte específico para as moléculas de água.
As proteínas transmembranas que atuam como canais e transportadores, aumentam a permeabilidade a outras numerosas substâncias polares e com carga (além da água) com dimensões pequenas, que não conseguem atravessar a bicamada lipídica. As grandes moléculas, como proteínas, são incapazes de atravessar a membrana plasmática exceto por transporte vesicular que será discutido adiante.
➢ GRADIENTE ATRAVÉS DA MEMBRANA PLASMÁTICA
A diferença entre as concentrações de um composto químico, nos dois lados da membrana, é chamada gradiente de concentração. Muitos íons e moléculas são mais concentrados no fluido citoplasmático (citosol) ou no líquido extracelular. Por exemplo, as moléculas de O2 e os íons sódio (Na+)
são mais concentrados no líquido extracelular, enquanto que as moléculas de CO2 e os íons potássio (K+)
estão em maior concentração no citosol. A membrana plasmática também cria uma diferença entre a distribuição dos íons com carga positiva e negativa entre os dois lados da membrana plasmática que é chamada gradiente elétrico ou potencial de repouso da membrana. Uma modificação do potencial de repouso ocorre, por exemplo, quando os neurônios geram e conduzem impulsos nervosos. O valor típico do potencial de repouso é -70 milivolts (mV) esse valor negativo significa que o meio intracelular possui mais cargas negativas do que o meio extracelular o que equivale dizer que o meio extracelular possui mais cargas positivas do que o meio intracelular.
➢ TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA PLASMÁTICA
O transporte de materiais através da membrana plasmática é essencial à vida da célula. Certas substâncias se movem para o interior da célula para manter as reações metabólicas enquanto outras devem ser removidas porque são produtos finais do metabolismo (escórias). Como já mencionado, algumas substâncias podem cruzar a bicamada lipídica enquanto outras usam canais ou transportadores formados pelas proteínas da membrana. As substâncias cruzam as membranas celulares por meio de processos de transporte que são classificados segundo dois critérios: (1) se são mediados ou não-mediados e (2) se são passivos ou ativos. No transporte mediado, as moléculas se movem através da membrana se ligando a uma proteína transportadora, enquanto que no transporte não-mediado as moléculas são transportadas diretamente sem se ligar a nenhuma proteína transportadora. No transporte passivo, uma substância se move do seu local de maior concentração para o seu local de menor concentração (a favor do gradiente de concentração ou ladeira abaixo), enquanto no transporte ativo a energia celular sob a forma de ATP é usada para levar a substância do seu local de menor concentração para o seu local de maior concentração (contra o gradiente de concentração ou ladeira acima).
As células vivas utilizam quatro processos de transporte passivo, três deles não-mediados (osmose, difusão pela bicamada e difusão por canal) e um processo mediado (difusão facilitada). Entre os processos de transporte ativo, todos são mediados. A figura a seguir mostra os principais tipos de transportes (passivo e ativo) realizados por uma célula.
• TRANSPORTE PASSIVO
Osmose
A osmose é o movimento efetivo de um solvente através de membrana seletivamente permeável. Nos sistemas vivos, o solvente é a água que se move, por osmose, através da membrana plasmática da região de menor concentração do soluto para a região de maior concentração do soluto.
Difusão pela Bicamada Lipídica
As moléculas hidrofóbicas, apolares, difundem-se através da bicamada lipídica da membrana para dentro ou para fora das células. Estas moléculas incluem o O2, o CO2, os ácidos graxos, os esteroides, as
vitaminas lipossolúveis (A, E, D e K), os álcoois pequenos e a amônia. A difusão pela bicamada lipídica é importante no movimento do O2 e do CO2 entre o sangue e as células corporais, e entre o sangue e o ar dos
pulmões durante a respiração. Ela também é a via para a absorção de alguns nutrientes e para a excreção de algumas escórias pelas células corporais.
Difusão por Canal
A maioria dos canais da membrana são canais iônicos e permitem a passagem de pequenos íons que são demasiadamente hidrofílicos para atravessar o interior apolar da membrana plasmática. Cada íon só pode difundir-se através da membrana plasmática nos locais onde existam canais que permitam a sua passagem. Na membrana plasmática, os canais iônicos mais numerosos são para os íons potássio (K+) e
um número menor de canais estão disponíveis para os íons sódio (Na+). Além disto, como pode ser
observado na figura abaixo, alguns canais possuem comportas e podem estar abertos ou fechados dependendo de certas condições. Estes canais com comportas são importantes, por exemplo, na geração e condução do impulso nervoso nos neurônios.
Difusão Facilitada
Diversos solutos que são demasiadamente polares para se difundir pela bicamada lipídica, ou muito grandes para se difundir por canais da membrana, podem atravessar a membrana por difusão facilitada. Um soluto se liga a um transportador específico em um dos lados da membrana e é liberado no outro após o transportador alterar a sua conformação. Como na difusão, o movimento do soluto ocorre da região de maior concentração para a região de menor concentração. Isto acontece porque o soluto se fixa com maior frequência ao transportador no lado da membrana onde ele está mais concentrado. Os solutos que se movem através da membrana plasmática por difusão facilitada incluem a glicose, a ureia, a frutose, a galactose e algumas vitaminas. A glicose, por exemplo, entra em muitas células do nosso corpo por difusão facilitada. A glicose no líquido extracelular se fixa a uma proteína transportadora de glicose chamada Glu-T que transporta a glicose para dentro da célula. A quantidade de Glu-T na membrana é aumentada quando o hormônio insulina se liga no seu receptor, deixando as células mais permeáveis à glicose.
A diabetes tipo 1 ocorre quando as células β do pâncreas começam a se degenerar diminuindo a liberação de insulina na corrente sanguínea. Assim, a falta de insulina faz com que a quantidade de Glu-T na membrana das células seja pequena e a quantidade de glicose no sangue começa a subir, o que caracteriza a diabetes. Assista aos vídeos sobre diabetes e a ação do hormônio insulina sobre a glicose nos endereços eletrônicos:
http://www.youtube.com/watch?v=X0ezy1t6N08). http://www.youtube.com/watch?v=E78NsX75Qgo
Após a glicose ter entrado na célula, uma enzima prende nela um radical fosfato impedindo que a glicose seja transportada de volta para o meio externo pela Glu-T (observe a figura a seguir).
• TRANSPORTE ATIVO
O transporte ativo é um processo mediado, consumidor de energia, no qual proteínas transportadoras movem solutos através da membrana contra o gradiente de concentração, ou seja, do local de menor concentração para o local de maior concentração de soluto. Os solutos transportados ativamente através da membrana plasmática incluem diversos íons como Na+, K+, H+, Ca++, I-, Cl-, e ainda alguns aminoácidos e
monossacarídeos. Algumas destas substâncias também cruzam a membrana por difusão por canal ou difusão facilitada quando os canais e transportadores adequados estão presentes.
Transporte Ativo Primário
No transporte ativo primário, a energia derivada da hidrólise do ATP altera a forma de uma proteína transportadora que bombeia uma substância através da membrana plasmática contra o seu gradiente de concentração. Na verdade, as proteínas transportadoras responsáveis pelo transporte ativo primário são, muitas vezes, referidas como bombas. O melhor exemplo do mecanismo de transporte ativo primário é denominado bomba de sódio e potássio (ou simplesmente bomba de sódio) que expele íons sódio (Na+) das
células, trazendo íons potássio (K+) para dentro. A bomba de sódio mantém uma baixa concentração de
íons sódio no citosol ao bombeá-los para o líquido extracelular, contra o gradiente de concentração já que o Na+ é mais concentrado fora das células. Ao mesmo tempo, a bomba de sódio move os íons potássio para
dentro das células, contra o gradiente de concentração já que o K+ é mais concentrado dentro. Como o Na+
e o K+ vazam de volta por transporte passivo (difusão por canal), a bomba de sódio deve operar
continuamente para manter maior concentração de Na+ no líquido extracelular e maior concentração de K+
no citosol. A bomba opera da seguinte maneira (acompanhe a descrição observando a figura a seguir e assista ao vídeo sobre a bomba de Na+ e K+ no endereço eletrônico:
http://www.youtube.com/watch?v=puJaDiiPCQQ
1. Três Na+ do citosol se ligam na proteína da bomba não energizada e, por isso, com sua abertura
voltada para o lado de dentro da célula.
2. Ocorre hidrólise de um ATP e o radical fosfato (P) liberado também se liga na proteína da bomba tornando-a energizada e, por isso, com sua abertura voltada para fora da célula de modo que os três Na+
sejam liberados no líquido extracelular. Neste momento, a forma da proteína da bomba favorece a ligação de dois K+ do líquido extracelular.
3. A ligação dos dois K+ faz com que a proteína da bomba libere o radical fosfato, o que a torna
novamente não energizada fazendo com que a forma da proteína da bomba se volte para dentro da célula 4. A proteína da bomba na sua forma inicial poderá liberar os dois K+ no citosol. Neste momento a
proteína da bomba volta a ficar pronta para receber novamente três Na+ e o ciclo recomeça.
A diferença de concentração desses dois íons é fundamental, por exemplo, para que os neurônios possam gerar e conduzir impulsos nervosos. Sabe-se que o impulso nervoso possui inicialmente uma fase de despolarização em que o meio intracelular passa de -70 mV para +30 mV. Essa despolarização ocorre quando canais de Na+ com comportas localizados na membrana plasmática do axônio se abrem, permitindo
a entrada passiva de Na+. Após a fase de despolarização, inicia-se a fase de repolarização quando as os
canais de Na+ com comportas se fecham e os canais de K+ com comportas se abrem, permitindo a saída
também passiva de K+, o que faz com que o potencial volte ao potencial de repouso de -70 mV. A bomba de
Na+ e K+, nesse caso, é importante pois mantém sempre altas as concentrações de Na+ fora e de K+ dentro
para que sempre o Na+ possa entrar e o K+ sair e assim ser possível que os neurônios possam gerar e
conduzir impulsos nervosos. Se a concentração desses íons se igualar, os neurônios não poderão mais gerar e conduzir impulsos nervosos e o nosso organismo entraria em falência.
Outra importância da atuação constante das bombas de Na+ e K+ é que elas contribuem para que o
potencial de repouso das células seja negativo já que essas bombas transportam três cargas positivas para fora e somente duas cargas positivas para dentro. Outro fator que contribui para a maior negatividade interna é a presença de maior quantidade de canais de K+ do que de Na+ na membranas das células
fazendo que o K+ vaze mais para fora do que o Na+ para dentro ficando no líquido extracelular um excesso
de cargas positivas.
Transporte Ativo Secundário
O transporte ativo secundário aproveita o fato do Na+ se encontrar em maior concentração no líquido
extracelular. Existem dois tipos de transporte ativo secundário: simporte e antiporte. No simporte, a célula coloca na sua membrana uma proteína com dois sítios de ligação voltados para o meio externo, um para a ligação do sódio e outro para uma outra molécula. O sódio e a outra molécula só serão transportados para dentro juntos, portanto os dois deverão estar ligados nos seus respectivos sítios para que sejam transportados para dentro da célula ao mesmo tempo. No entanto, o sódio só se ligará no seu sítio se ele estiver mais concentrado no meio externo. A proteína que realiza esse transporte não recebe energia do ATP, mas para manter maior a concentração de sódio no meio externo é necessária a presença da bomba. Por isso, o transporte ativo secundário necessita indiretamente de gasto de energia. No antiporte, os processos são semelhantes, mas a proteína de membrana possui o sitio de ligação para o sódio no meio externo e o sitio de ligação para a outra molécula no meio interno de modo que quando os dois estiverem ligados nos seus respectivos sítios simultaneamente, a proteína coloca o sódio para dentro e a outra molécula para fora da célula. A figura a seguir exemplifica um antiporter (à esquerda) e dois simporters (à direita).
Muitas células do corpo realizam antiporters e symporters. Por exemplo, os antiporters Na+/H+ ajudam
as células a regular seu pH interno eliminando o excesso de H+. A glicose e os aminoácidos filtrados nos glomérulos renais são reabsorvidos para a corrente sanguínea nos túbulos renais por symporters. Na verdade, tanto os antiporters como os symporters são capazes de realizar seu trabalho porque as bombas de sódio mantêm baixa a concentração de Na+ no citosol o que faz com que esse íon esteja sempre em
• TRANSPORTE VESICULAR
Uma vesícula é um pequeno saco membranoso que contém pequena quantidade de líquido além de partículas em solução ou em suspensão. Há dois tipos principais de transporte vesicular: (1) endocitose, no qual os materiais se movem para dentro da célula por meio de vesícula formada pela membrana plasmática e (2) exocitose, no qual os materiais se movem para fora da célula por meio de fusão de vesículas com a membrana plasmática.
Endocitoses
Há dois tipos principais de endocitoses: a endocitose mediada por receptor e a fagocitose. A endocitose mediada por receptor permite que a célula capte substâncias com funções específicas para a célula. A vesícula é formada após uma proteína receptora na membrana plasmática ter reconhecido e fixado uma substância específica no líquido extracelular. Pela endocitose mediada por receptor, algumas células podem captar colesterol a partir de uma partícula denominada lipoproteína de baixa densidade (LDL). O LDL embora seja conhecido como colesterol ruim, pois acima de certa concentração no sangue pode provocar lesões vasculares, é um dos principais distribuidores de colesterol no nosso corpo. O colesterol é um nutriente importante, pois além de fazer parte da constituição das membranas celulares é também matéria prima essencial para a síntese de vários hormônios, inclusive os hormônios sexuais masculinos e femininos. E é exatamente o LDL que será o responsável por enviar colesterol para as células sintetizarem esses hormônios. Assista ao vídeo sobre a endocitose mediada por receptor que mostra uma célula captando o LDL e extraindo dele o colesterol no endereço eletrônico:
http://www.youtube.com/watch?v=lNKKg6hIBcM
A fagocitose é a forma de endocitose na qual grandes partículas sólidas como bactérias inteiras ou vírus são captados pela célula. A fagocitose começa quando a partícula se fixa em receptor da membrana plasmática fazendo com que a célula estenda projeções da membrana plasmática e do citoplasma chamadas pseudópodos. Estes pseudópodos envolvem a partícula para formar a vesícula chamada fagossoma, que entra no citoplasma. A fagocitose só ocorre em certos tipos de células chamados fagócitos, que são células que englobam e destroem bactérias, substâncias estranhas e restos de tecidos lesionados. Os fagócitos incluem certos tipos de glóbulos brancos do sangue e os macrófagos presentes na maioria dos tecidos corporais. O processo de fagocitose é um mecanismo de defesa que ajuda a proteger o corpo contra as doenças. Tanto a fagocitose como a endocitose mediada por receptor são processos que envolvem a presença de receptores de membrana. Porém, uma das principais diferenças entre a fagocitose e a endocitose mediada por receptor é que o material englobado por fagocitose não possui nenhuma função específica para a célula ou para o organismo. Assista ao vídeo sobre a fagocitose no endereço eletrônico:
http://www.youtube.com/watch?v=7VQU28itVVw&feature=related Exocitose
A exocitose envolve o movimento de materiais para fora da célula em vesículas que se fundem com a membrana plasmática. O material ejetado pode ser uma escória, um produto útil de secreção ou um material formado por um corpo residual após uma fagocitose. Muitas células executam exocitose, mas ela é especialmente importante em dois tipos celulares: os neurônios, que liberam as substâncias chamadas neurotransmissores e as células secretoras, que secretam enzimas digestivas ou hormônios. Durante a exocitose, vesículas circundadas por membrana se formam dentro das células, fundem-se com a membrana plasmática e liberam seu conteúdo no líquido extracelular. Assista ao vídeo sobre a exocitose dos neurotransmissores provocada quando o impulso nervoso chega ao terminal axônico de um neurônio no endereço eletrônico: http://www.youtube.com/watch?v=hz0XQqT-GEc
