Composição iónica de eletrólitos

• A Figura 4.1 mostra as concentrações aproximadas de eletrólitos importantes e outras substâncias nos líquidos extracelular e intracelular.
• O líquido extracelular contém grande quantidade de sódio, mas pouca quantidade de potássio.
• O oposto é verdadeiro para o líquido intracelular.
• O líquido extracelular contém grande quantidade de íons cloreto, enquanto o líquido intracelular tem pouco desses íons.
• As concentrações de fosfatos e proteínas no líquido intracelular são maiores que no líquido extracelular
• Essas diferenças são importantes para a vida da célula e são provocadas pelos mecanismos de transporte da membrana celular.

Composição iónica aproximada

• Sódio (Na+):
• Extracelular: 142 mEq/l
• Intracelular: 10 mEq/l
• Potássio (K+):
• Extracelular: 4 mEq/l
• Intracelular: 140 mEq/l
• Cálcio (Ca2+):
• Extracelular: 2,4 mEq/l
• Intracelular: 0,0001 mEq/l
• Magnésio (Mg2+):
• Extracelular: 1,2 mEq/l
• Intracelular: 58 mEq/l
• Cloreto (Cl-):
• Extracelular: 103 mEq/l
• Intracelular: 4 mEq/l
• Bicarbonato (HCO3-):
• Extracelular: 24 mEq/l
• Intracelular: 10 mEq/l
• Fosfatos:
• Extracelular: 4 mEq/l
• Intracelular: 75 mEq/l
• Sulfato (SO42-):
• Extracelular: l mEq/l
• Intracelular: 2 mEq/l
• Glicose:
• Extracelular: 90 mg/dl
• Intracelular: 0-20 mg/dl
• Aminoácidos:
• Extracelular: 30 mg/dl
• Intracelular: 200 mg/dl
• Colesterol, Fosfolipídios, Gordura neutra:
• Extracelular: 0,5 g/dl
• Intracelular: 2-95 g/dl
• Pressão parcial de oxigênio (PO2):
• Extracelular: 35 mmHg
• Intracelular: 20 mmHg
• Pressão parcial de dióxido de carbono (PCO2):
• Extracelular: 46 mmHg
• Intracelular: 50 mmHg
• pH:
• Extracelular: 7,4
• Intracelular: 7,0
• Proteínas:
• Extracelular: 2 g/dl (5 mEq/l)
• Intracelular: 16 g/dl (40 mEq/l)

A membrana celular

• A membrana celular é composta por uma bicamada lipídica com proteínas de transporte.
• A membrana que reveste cada célula do corpo consiste principalmente em uma bicamada lipídica com muitas moléculas de proteína.
• A bicamada lipídica não é miscível com os líquidos extracelular ou intracelular, funcionando como uma barreira ao movimento de moléculas de água e substâncias solúveis em água.
• Substâncias lipossolúveis podem se difundir diretamente através da substância lipídica.
• As moléculas de proteína da membrana interrompem a continuidade da bicamada lipídica, constituindo uma via alternativa através da membrana celular.
• Muitas das proteínas atuam como proteínas de transporte
• Algumas proteínas têm espaços aquosos por toda a molécula, permitindo o movimento livre da água, bem como de íons ou moléculas selecionadas: proteínas de canal.
• Outras proteínas, as proteínas transportadoras ou carreadoras, ligam-se a moléculas ou íons que devem ser transportados.
• As mudanças conformacionais nas moléculas proteicas movem as substâncias através dos interstícios da proteína.
• Proteínas de canal e proteínas transportadoras são seletivas para os tipos de moléculas ou íons que podem atravessar a membrana.

Difusão e transporte ativo

• O transporte através da membrana celular ocorre por difusão ou transporte ativo.
• Difusão é o movimento molecular aleatório de substâncias, molécula por molécula, através de espaços intermoleculares ou em combinação com uma proteína transportadora.
• Difusão é causada pela energia do movimento cinético normal da matéria.
• Transporte ativo é o movimento de íons ou outras substâncias através da membrana em combinação com uma proteína transportadora.
• A proteína transportadora faz com que a substância se mova contra um gradiente de energia, necessitando de uma fonte adicional de energia além da energia cinética.
• Moléculas e íons nos líquidos corporais estão em movimento constante; esse movimento é chamado de "calor."
• Quando uma molécula em movimento se aproxima de uma molécula estacionária, as forças eletrostáticas e nucleares da molécula A repelem a molécula B, transferindo energia.
• Este movimento contínuo de moléculas entre si em líquidos ou gases é denominado difusão.
• Íons e partículas coloidais suspensas se difundem de maneira semelhante, mas os coloides se difundem menos rapidamente devido ao seu tamanho.

Difusão através da membrana celular

• A difusão através da membrana celular é dividida em difusão simples e difusão facilitada.
• Difusão simples é o movimento cinético de moléculas ou íons através de uma abertura ou espaços intermoleculares sem interação com proteínas transportadoras.
• A taxa de difusão é determinada pela substância disponível, a velocidade do movimento cinético e o número e o tamanho das aberturas.
• A difusão facilitada requer interação com uma proteína transportadora, que auxilia na passagem ligando-se quimicamente a eles.
• A difusão simples pode ocorrer através dos interstícios da bicamada lipídica (se lipossolúvel) ou através de canais aquosos de grandes proteínas.
• Lipossolubilidade é importante para determinar a rapidez da difusão.
• Oxigênio, nitrogênio, dióxido de carbono e álcoois são altamente lipossolúveis e se difundem diretamente.
• A taxa de difusão é diretamente proporcional à lipossolubilidade.
• A água atravessa prontamente por canais em moléculas de proteína, incluindo aquaporinas, que permitem a passagem rápida de água.
• Existem pelo menos 13 tipos diferentes de aquaporinas.
• A rapidez com que as moléculas de água se difundem é impressionante, cerca de 100 vezes maior que o volume das hemácias por segundo.
• Outras moléculas insolúveis em lipídios também podem atravessar os canais.

Poros e canais proteicos

• Reconstruções tridimensionais de poros e canais proteicos mostram vias tubulares desde o líquido extracelular até o líquido intracelular.
• Substâncias podem se mover por difusão simples ao longo desses poros e canais.
• Os poros são compostos de proteínas integrais que formam tubos abertos através da membrana, com seletividade baseada no diâmetro e nas cargas.
• As aquaporinas permitem a passagem rápida de água, mas excluem outras moléculas devido a um poro estreito.
• Canais proteicos distinguem-se por serem seletivamente permeáveis e terem comportas reguladas por sinais elétricos ou produtos químicos (ligantes).

Permeabilidade seletiva

• A permeabilidade seletiva resulta de características como diâmetro, formato e a natureza das cargas elétricas e ligações químicas.
• Canais de potássio permitem alta passagem de íons potássio através da membrana, devido a estrutura tetramérica com um filtro de seletividade.
• Os canais de sódio têm diâmetro de 0,3 a 0,5 nanômetro e são alinhados com resíduos de aminoácidos fortemente carregados negativamente
• Comportas dos canais proteicos controlam a permeabilidade iônica dos canais, e são controladas por variação de voltagem ou variação química (ligante).
• O canal pode permanecer fechado ou aberto de acordo com a voltagem, demonstrando mudanças na abertura e fechamento.

Difusão facilitada

• Difusão facilitada também é chamada de difusão mediada por transportador, por intermédio de uma proteína transportadora.
• A taxa de difusão aproxima-se de um máximo, chamado Vmáx pois a proteína transportadora sofre mudanças para a frente e para trás entre seus dois estados.
• Glicose e a maioria dos aminoácidos atravessam as membranas celulares por difusão facilitada, com famílias de proteínas de membrana (GLUT) transportando glicose.

Fatores da velocidade efetiva da difusão

• A velocidade efetiva de difusão é proporcional à diferença de concentração através da membrana
• Contudo, sob certas condições, pode haver uma diferença de concentração de água através de uma membrana. Quando essa diferença de concentração de água se desenvolve, ocorre o movimento efetivo da água através da membrana celular, fazendo com que a célula inche ou encolha, dependendo da direção do movimento da água. Esse processo de movimento efetivo da água causado por uma diferença de concentração de água é denominado osmose.
• Se pressão for aplicada à solução de cloreto de sódio, a osmose da água nesta solução seria diminuída, interrompida ou mesmo revertida. A quantidade de pressão necessária para interromper a osmose é chamada de pressão osmótica da solução de cloreto de sódio.
• A pressão osmótica exercida por partículas em uma solução é determinada pelo número de partículas por unidade de volume de líquido, e não pela massa das partículas.
• Para expressar a concentração de uma solução em termos de número de partículas (osmolalidade), uma unidade chamada osmol é usada no lugar de gramas.

Termos

• Osmol: o peso de 1 molécula-grama de soluto osmoticamente ativo
• Osmolalidade: uma solução que tem 1 osmol de soluto dissolvido em cada quilograma de água
• Osmolaridade: a concentração osmolar expressa em osmols por litro de solução
• À temperatura corporal normal (37°C), uma concentração de 1 osmol por litro causará uma pressão osmótica de 19.300 mmHg na solução.

Transporte ativo

• O transporte ativo é necessário quando grandes concentrações são necessárias adentro ou fora da célula.
• Alguma fonte de energia deve causar movimento excessivo de íons potássio para o interior das células e movimento excessivo de íons sódio para o exterior das células.
• Nesse processo (transporte ativo), uma membrana celular move moléculas ou íons contra um gradiente de concentração ou elétrico
• O transporte ativo é dividido em transporte ativo primário e transporte ativo secundário, de acordo com a fonte de energia utilizada.
• No transporte ativo primário, a energia é derivada diretamente da quebra do ATP ou de algum outro composto de fosfato de alta energia.
• No transporte ativo secundário, a energia vem da energia armazenada em diferenças de concentração iônica.
• Em ambos os casos, o transporte depende de proteínas transportadoras

Transporte ativo primário

• Certas substâncias são transportadas ativamente, incluindo sódio, potássio, cálcio, hidrogênio e cloreto.
• O mecanismo de transporte ativo que foi estudado em maiores detalhes é a bomba de sódio-potássio (Na+/K+), um transportador que bombeia íons sódio para fora através da membrana celular de todas as células e, ao mesmo tempo, bombeia íons potássio de fora para dentro
• Essa bomba é responsável por manter as diferenças de concentração de sódio e potássio através da membrana celular e também base para a função nervosa
• A proteína transportadora (bomba de sódio-potássio) é um complexo de duas proteínas globulares separadas
• A bomba de Na+/K+ ATPase pode funcionar ao contrário. Se os gradientes eletroquímicos para sódio e potássio forem experimentalmente aumentados, desses íons sintetizará ATP a partir de ADP e fosfato.
• A bomba de sódio/potássio é importante para o controle do volume celular movendo três íons Na+ para o exterior da célula para cada dois íons K+ bombeados para o interior

Natureza eletrogênica da bomba de Na+/K+

• O fato de que a bomba de sódio/potássio move três íons Na+ para o exterior para cada dois íons K+ que são movidos para o interior significa que uma carga positiva é movida.
• A bomba é considerada eletrogênica porque cria um potencial elétrico através da membrana celular.

Transporte ativo primário de íons cálcio

• Os íons cálcio são normalmente mantidos em uma concentração extremamente baixa no citosol intracelular
• A bomba de cálcio mantém esse nível baixo.
• A bomba bombeia íons cálcio em organelas vesiculares intracelulares da célula.

Transporte ativo primário de íons hidrogênio

• O transporte ativo primário de íons hidrogênio é especialmente importante nas glândulas gástricas do estômago e túbulos contorcidos distais e ductos coletores corticais dos rins.
• Células parietais das glândulas gástricas transportam íons hidrogênio para a secreção de ácido clorídrico.
• Células intercaladas nos túbulos renais também transportam íons hidrogênio por transporte ativo primário.

Energética do transporte ativo primário

• Quantidade de energia necessária para transportar ativamente substância através de uma membrana:
• Energia (em calorias por osmol) = 1.400 log(C1/C2); C=concentração

Transporte ativo secundário

• Transporte ativo secundário | Contransporte e contratransporte
• Contransporte se baseia em um mecanismo de acoplamento
• Uma proteína transportadora na membrana celular serve como um ponto de fixação tanto para o íon sódio quanto para a substância a ser cotransportada.
• O gradiente de energia do íon sódio faz com que o íon sódio e a outra substância sejam transportados juntos para o interior da célula.
• O primeiro liga-se à proteína transportadora, onde ela se projeta para a superfície externa da membrana, e o segundo se liga à sua projeção interna.
• Então, a energia liberada pela ação do íon sódio que se move para o interior faz com que a outra substância se mova para o exterior.

Cotransporte de glicose e aminoácidos

• A glicose e muitos aminoácidos são transportados por cotransporte, a proteína transportadora tem um sítio de ligação (Na+ e aminoácidos).
• Uma propriedade especial da proteína transportadora glicose também se fixe na proteína transportadora para o transporte se realizar.
• Os contratransportadores de sódio-glicose são especialmente importantes para o transporte de glicose pelas células epiteliais renais e intestinais
• O contratransporte de sódio-aminoácidos ocorre da mesma maneira, entretanto, usa um conjunto diferente de proteínas transportadoras
• Contratransporte de sódio e de íons cálcio e hidrogênio e o contratransporte de sódio-cálcio ocorre através de todas as membranas celulares.