A Membrana Plasmática: Funções e Estrutura

 ORGANIZAÇÃO ESTRUTURAL

A membrana celular é uma camada com apenas 7,5 a 10 nm de espessura, constituída por lipídios intercalados com proteínas que define os limites de cada célula. Funciona como uma barreira de permeabilidade que permite à célula manter um meio químico apropriado para os seus processos metabólicos, regular o volume citoplasmático e transferir informação sob a forma de sinais químicos e eléctricos. As membranas que revestem as várias organelas (núcleo, mitocôndria, retículo endoplasmático, lisossomas e aparelho de Golgi) permitem a compartimentalização funcional da célula, com possibilidade de limitar processos bioquímicos a certos locais.

Apesar das particularidades individuais, todas as membranas biológicas são formadas por uma dupla camada fosfolipídica e por proteínas unidas por ligações covalentes e que se comportam segundo o Modelo , Mosaico Fluído (figura 1). A maioria dos lipídios e das proteínas movem-se livremente no plano da membrana. Em alguns casos, há restrição deste movimento de forma a permitir à célula a realização de algumas funções em partes seletivas da sua membrana. É o caso da sequestração de receptores de acetilcolina ao nível da placa motora das células musculares esqueléticas. Os principais lipídios presentes na membrana celular são os fosfolipídios, o colesterol e os glicolipídios. A sua distribuição pelas duas camadas é assimétrica, o que pode refletir as diferentes funções das duas superfícies da membrana. Os fosfolipídios são moléculas antipáticas e dispõem-se em bicamada com a porção hidrófoba não polar (caudas de ácidos gordos) dirigida para o centro da membrana e com a porção hidrofílica polar (cabeça com terminal fosfato) direcionada para o exterior ou interior da célula. Os fosfolipídios mais abundantes são os fosfolipídios ligados à colina (fosfatidilcolina e esfingomielina) e os aminofosfolípidos (fosfatidilserina e fosfatidiletanolamina). O fosfatidilglicerol, o fosfatidilinositol e a cardiolipina são também importantes mas estão presentes em menores quantidades. Os fosfolipídios que a constituem podem-se mover rapidamente na sua monocamada por difusão lateral, rotação e flexão. Os movimentos de flip- flop entre as duas camadas são um fenómeno raro. O colesterol interpõe-se na bicamada fosfolipídica com o seu núcleo esteroide disposto paralelamente às cadeias de ácidos gordos. Atua no sentido de reduzir a fluidez membranar a temperaturas fisiológicas ou de a 4 aumentar face a descidas de temperatura, funcionando como um 'tampão de fluidez'. Contribui para o grau de permeabilidade da bicamada fosfolipídica dos :fluídos corporais. Enquanto que a bicamada lipídica determina a estrutura básica das membranas biológicas, as proteínas são responsáveis pela maioria das funções da membrana celular. As proteínas membranares dividem-se, com base na força de interação com os fosfolipídios, em intrínsecas e extrínsecas. As proteínas extrínsecas ou periféricas ligam-se às superfícies interna ou externa por forças eletrostáticas e podem ser removidas por procedimentos químicos fracos (ex.: alterações na composição iónica do meio). As proteínas intrínsecas ou integrais interatuam com os lipídios membranares por ligações hidrófobas e só detergentes potentes ou solventes orgânicos as removem. Os seus domínios hidrófobos têm uma estrutura secundária α-helicoidal e os domínios hidrofílicos estendem-se para o citoplasma ou para o fluído extracelular. Tal como os lipídios, muitas proteínas podem difundir-se rapidamente no plano da membrana. As proteínas membranares podem classificar-se, funcionalmente, em seis categorias. Os Receptores estão envolvidos na conversão de sinais químicos extracelulares em respostas intracelulares (ex.: receptor da acetilcolina). As Proteínas de Reconhecimento funcionam como marcadores, permitindo que o sistema imune distinga as células normais de células cancerígenas e células do próprio de células estranhas (ex.: antígenos de histocompatibilidade MHC). As Proteínas de Transporte conferem permeabilidade a solutos polares específicos e a íons. Algumas funcionam também como receptores que respondem a alterações na permeabilidade dos solutos (ex.: bomba de sódio e potássio, canal de sódio). As Proteínas de Junção permitem a adesão entre células adjacentes ou à matriz extracelular (ex.: integrinas). No caso das junções do hiato, permitem também a comunicação entre o citoplasma das células. As Enzimas catalisam reações específicas de substratos no fluído intra e extracelular (ex.: Acetilcolinesterase). A ancoragem ao Citoesqueleto permite que o citoesqueleto altere a forma da célula e que certas proteínas fiquem restritas a certos locais (ex.: Anquirina).

Os carboidratos ligam-se predominantemente à superfície externa das proteínas membranares e dos lipídios, formando as glicoproteínas e os glicolipídios, respectivamente. A camada resultante de carboidratos na superfície membranar externa constitui o glicocálice, que desempenha importantes funções. Alguns glicolipídios e glicoproteínas têm ácido siálico que confere uma carga negativa à célula, permitindo-lhe repelir substâncias carregadas negativamente; participa na adesão entre células e em reações imunes e algumas funcionam como receptores para ligação de hormonas como é o caso da insulina. A composição relativa de unia membrana celular é cerca de 55% em proteínas, 25 % em fosfolipídios, Yo em colesterol, 4% em outros lipídios e 3% em carboidratos. A membrana celular possibilita diferentes nposições iónicas entre os fluídos intra e extracelular: elevada concentração de sódio e cloreto no fluído extracelular e de potássio e fosfatos no fluído intracelular.

TRANSPORTE DE SUBSTÂNCIAS ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR

A concentração de substâncias no meio extracelular e intracelular é diferente. O líquido extracelular possui maiores concentrações de sódio, cálcio, bicarbonato, cloro e glicose, ao passo que o líquido intracelular possui maiores concentrações de potássio, magnésio, fosfato, aminoácidos e proteínas. Essas diferenças de concentrações são explicadas pelos processos de transportes. Os 3 tipos de transportes mais estudados são difusão simples, osmose e transporte ativo, embora existam outros transportes.

A primeira observação relevante é que a bicamada lipídica impede que substâncias hidrossolúveis se movimentem entre os meios intra e extracelular. As proteínas formadoras da membrana plasmática atuam, de diversos modos, auxiliando no transporte de substâncias para o interior celular. Existem proteínas que atuam formando canais e existem outras proteínas outras atuam carregando substâncias. Todas as proteínas possuem sua especificidade e, portanto, são capazes de selecionar quais substâncias devem entrar no meio intracelular.

     

Difusão: o conceito de difusão significa movimento aleatório de moléculas. A energia proveniente para a realizar a difusão é a própria energia cinética normal das moléculas. O movimento das moléculas ocorre do meio mais concentrado para o meio menos concentrado (portanto observar a relação solvente/soluto em cada compartimento). É um processo no qual não há gasto de energia. As propriedades das moléculas alteram a velocidade de difusão, por exemplo, quanto maior a molécula e mais viscoso o meio, menor será a velocidade de difusão A difusão através da membrana é dividida em 2 substipos, simples e facilitada. 

        

Difusão simples: pode ocorrer por espaços na bicamada lipídica - no caso de substâncias lipossolúveis atravessarem - ou por proteínas, as quais formam canais aquosos por toda a extensão da membrana. A difusão simples de substâncias lipossolúveis é diretamente proporcional a lipossolubilidade da substância, por exemplo: o gás carbônico é um gás cerca de 20 vezes mais lipossolúvel que o oxigênio, logo atravessa a membrama plasmática por difusão simples mais facilmente do que o oxigênio. As vitaminas lipossolúveis (A, D, E e K) são absorvidas no epitélio intestinal por difusão simples, tamanha a sua lipossolubilidade. A água, por sua vez, penetra rapidamente no meio intracelular através das proteínas de membranas. 

Atuação das proteínas na difusão simples: as proteínas que atravessam a membrana literalmente formam canais, os quais possuem características seletivas: podem ser permeáveis seletivamente a certas substâncias e podem possuir comportas, que regulam a abertura e o fechamento dos canais. A seletividade de um canal formado por uma proteína ocorre através do seu formato, diâmetro e natureza elétrica que ele possui. Em relação as comportas, suas aberturas (ou mudanças de formato para permitir a passagem de substâncias) são controladas através de variações na voltagem elétrica da membrana celular ou por controle químico (algumas substâncias químicas se ligam com a proteína formadora do canal, o que permite a alteração do formato do canal). A nomenclatura dos canais é dada em relação a sua dependência para abrir: voltagem-dependente e ligante-dependente. Os canais mais famosos existentes são os sódio e potássio e serão abordados no tópico "potenciais de ação".

  

Difusão faciiltada: compreende um processo mediado por uma proteína transportadora (carreadora ou carregadora). A difusão facilitada é um processo geralmente mais lento que a difusão simples pois depende da quantidade proteínas transportadoras e da velocidade de transporte de cada proteína, ao passo que a difusão simples possui sua velocidade associada sobretudo a quantidade disponível de substância capaz de se difundir (embora existam fatores como viscodidade do meio, tamanho das moléculas, entre outros). O mecanismo é desencadeado pela ligação da substância em um sítio específico da proteína carreadora, o que provoca sua alteração conformacional e, consequentemente, o transporte de tal substância para o interior celular.

Difusão facilitada de uma substância. Processo sem gasto de energia e ocorre com auxílio de uma proteína carreadora. Figura retirada do livro Guyton and Hall, Textbook of Medical Physiologia, v11., Elsevier. (Em português, Tratado de Fisiologia Médica, Guyton and Hall, 11º edição, editora Elsevier).

    Osmose: a água é, sem dúvida nenhuma, a substância que mais se difunde através da membrana celular. A osmose é o deslocamente efetivo de água (ou seja, deslocamento de solvente) na célula e tal processo ocorre por diferença de concentração e sem gasto energético. A osmose compreende um caso de difusão, e o deslocamente de água ocorre do meio menos concentrado para o meio mais concentrado, ou seja, em direção a diluir algo que esteja muito concentrado. Para que a osmose aconteça, é necessário, portanto, um líquido circulante, uma membrana impermeável ao soluto e permeável ao solvente. É válido lembrar que a osmose é influenciada diretamente pelo número de partículas do soluto (não importando qual a massa das partículas) e que possui diversos usos práticos, como a aplicação de soluções intravenosas (devem ser isotônicas) e anastomoses entre capilares e vênulas. 

    Osmose: ocorre o movimento da água da direto para a esquerda, no intuito de diluir o soluto, portanto deslocamente de solvente do meio menos concentrado para o meio mais concentrado. Figura retirada do livro Guyton and Hall, Textbook of Medical Physiologia, v11., Elsevier. (Em português, Tratado de Fisiologia Médica, Guyton and Hall, 11º edição, editora Elsevier).

  Transporte ativo: o transporte ativo é um processo utilizado quando um soluto precisa ir contra o seu gradiente de concentração, ou seja, quando tal soluto não consegue, por difusão, se deslocar para um lado menos concentrado. Nesse contexto, alguma fonte de energia deve estar presente a fim de promover esse deslocamente em direção ao lado menos concentrado. Assim, o transporte ativo é um processo presente quando há necessidade de transporte alguma substância contra o seu gradiente de concentração, ou seja, contra o lado que possui menos concentrado. O transporte ativo é dividido em 2 subtipos: transporte ativo primário e transporte ativo secundário, e independente do subtipo, ambos necessitam de uma proteína carreadora para acontecer.

  Transporte ativo primário: a bomba de sódio e potássio (Na⁺ K⁺ ATPase) é, notadamente, o exemplo mais significativo de transporte ativo primário. A finalidade da bomba de sódio e potássio é transportar íons sódio para fora e íons potássio para dentro da célula, ou seja, contra os respectivos gradientes de concentração, uma vez que, conforme citado no início desse tópico, o sódio é muito mais concentrado no meio extracelular e o potássio muito mais concentrado no meio intracelular. Além disso, essa bomba também é responsável pela manutenção da voltagem elétrica no interior celular, além de ser a base fisiológica para transmissão do impulso nervoso. O funcionamento global dessa bomba compreende:

             1 - Ligação na parte externa da membrana de 2 íons K⁺ e, na parte interna, de 3 íons Na⁺ na parte interna da membrana;

             2 - A molécula de ATP é clivada (em decorrência da ligação dos íons Na⁺ e K⁺) e tal quebra forma ADP e Fosfato inorgânico (Pi). A clivagem do ATP também libera energia;

             3 - A energia liberada provoca a alteração conformacional da proteína (formada pelas subunidades alfa e beta), provocando o transporte de Na⁺ para o meio extracelular e K⁺ para o meio intracelular.

Bomba de Sódio e Potássio. Notar a presença de uma proteína, formada pela subunidades alfa - maior - e beta - menor -, para funcionamento da bomba. Figura retirada do livro Guyton and Hall, Textbook of Medical Physiologia, v11., Elsevier. (Em português, Tratado de Fisiologia Médica, Guyton and Hall, 11º edição, editora Elsevier).

              

A bomba de sódio e potássio é capaz de controlar o volume celular, visto que, sem ela, a maioria das células do corpo aumentariam de volume até estourar. A explicação disso é simples: como o meio intracelular possui organelas e proteínas negativas, as quais atraem íons Na⁺ e K⁺. Toda essa quantidade de substância provoca uma pressão osmótica muito grande, o que estouraria a célula. Assim, a bomba de sódio e potássio atua para regular essa osmose, colocando 3 íons Na⁺ para fora e 2 íons K⁺ para dentro. Ademais, a permeabilidade da membrana celular é muito maior ao potássio do que ao sódio, o que significa que, quando o sódio entra no meio intracelular, dificilmente ele sairá por conta própria. Desse modo, sua presença acaba atraindo água pelo processo da osmose. Também é válido lembrar que a bomba de sódio e potássio é dita eletrogênica, uma vez que bombeia mais íons de sódio para fora do que íons de potássio para dentro, o que torna o lado externo da membrana mais positivo e o interno menos positivo.

              Existem outras bombas, como a cálcio (muito utilizada no mecanismo de contração muscular) e a bomba de hidrogênio (importante na secreção gástrica e nos túbulos renais).

  Transporte ativo secundário: o sódio, ao ser transportado para fora da célula, geralmente acumula no lado externo da membrana. Entretanto, ele ainda tende a se difunder em direção ao interior celular. A alta concentração de sódios tentando difundir-se para o interior cria um gradiente de energia, ou seja, um reservatório de energia capaz de realizar difusão. Sob condições apropriadas essa energia de difusão, pode empurrar outras substâncias com o próprio sódio para o interior celular. Esse processo é denominado transporte ativo secundário. É válido lembrar que o transporte ativo secundário é um mecanismo de ação, como todo transporte ativo, que atua contra o gradiente de concentração.

Transporte ativo secundário. O sódio produz um reservatório energético visto que o excesso desse íon, do lado de fora da membrana, está sempre tentando difundir-se para o interior celular. A outra substância entra de "carona" no processo. Figura retirada do site http://www.colorado.edu/intphys/Class/IPHY3430-200/image/05-18.jpg

             

Para que tal mecanismo funcione, é necessária uma proteína carreadora com locais de ligação para o sódio e para a outra substância a ser carregada. Assim que ambas se ligam a proteína, essa muda sua conformação estrutural e permite o transporte do sódio e da outra substância. Depende de qual lado da membrana está a referida outra substância, o transporte ativo secundário recebe uma nomenclatura diferente. Observe a figura a seguir:

Tipos de transporte ativo secundário. O cotransporte ou simporte corresponde a entrada de sódio e outra substância. Já o contratransporte ou antiporte corresponde a entra de sódio e saída de outra substância, ou seja, em direções opostas. 

            A glicose e muitos aminoácidos são transportados para o interior celular contra o gradiente de concentração e o cotransporte é o processo utilizado. O soro caseiro, por exemplo, é uma aplicação prática do cotransporte sódio-glicose, uma vez que, sem o sódio, a glicose não seria absorvida pelas células do trato gastrointestinal. Além disso, o transporte ativo secundário é extremamente importante nos túbulos renais. Outros cotransportes e contratransportes serão estudados em tópicos nos quais é necessário detalhar suas pecualiaridades.

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 Fontes de pesquisa:

GUYTON, Arthur C.; HALL, John E. Tratado de fisiologia médica. 11ª. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2002. Pág. 45-55.  COELHO, T. H.; MOREIRA, A. L. Fisiologia das membranas celulares. Porto, Serviço de Fisiologia da Faculdade de Medicina da Universidade do Porto, 2001.