Transporte celular: tipos e suas características

O transporte celular envolve o movimento de moléculas e o tráfego entre o interior e exterior das células. A troca de moléculas entre esses compartimentos é um fenômeno essencial para o bom funcionamento do organismo e medeia uma série de eventos, como o potencial da membrana, para mencionar um.

As membranas biológicas não são apenas responsáveis ​​pela delimitação da célula, mas também desempenham um papel indispensável no tráfico de substâncias. Eles possuem uma série de proteínas que atravessam a estrutura e, de maneira muito seletiva, permitem ou não a entrada de certas moléculas.

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Fonte: LadyofHats [CC0], via Wikimedia Commons

O transporte celular é classificado em dois tipos principais, dependendo de o sistema usar ou não energia diretamente.

O transporte passivo não necessita de energia, e as moléculas são capazes de atravessar a membrana por difusão passiva através de canais aquosos ou por meio de moléculas transportadas. A direção do transporte ativo é determinada exclusivamente por gradientes de concentração entre os dois lados da membrana.

Por outro lado, o segundo tipo de transporte requer energia e é chamado de transporte ativo . Graças à energia injetada no sistema, as bombas podem mover as moléculas contra seus gradientes de concentração. O exemplo mais notável na literatura é a bomba de sódio-potássio .

Base teórica

-Membranas celulares

Para entender como ocorre o tráfego de substâncias e moléculas entre a célula e os compartimentos adjacentes, é necessário analisar a estrutura e composição das membranas biológicas.

-Lípidos nas membranas

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Por Jpablo cad [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], do Wikimedia Commons

As células são cercadas por uma membrana fina e complexa de natureza lipídica. O componente básico é fosfolipídios.

Estes são compostos de uma cabeça polar e caudas apolares. As membranas são compostas por duas camadas de fosfolipídios – “bicamadas lipídicas” – nas quais as caudas são agrupadas no interior e as cabeças estão voltadas para as faces extra e intracelulares.

Moléculas que possuem zonas polar e apolar são chamadas anfipáticas. Esta propriedade é crucial para a organização espacial dos componentes lipídicos nas membranas.

Essa estrutura é compartilhada pelas membranas que circundam os compartimentos subcelulares. Lembre-se de que também as mitocôndrias , cloroplastos , vesículas e outras organelas são cercadas por membranas.

Além dos fosfoglicerídeos ou fosfolipídios, as membranas são ricas em esfingolipídios, que têm esqueletos formados por uma molécula chamada esfingosina e esteróis. Neste último grupo, encontramos o colesterol, um lipídeo que modula as propriedades da membrana, como sua fluidez.

-Proteínas nas membranas

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Figura 1. Diagrama do modelo de mosaico de fluidos. Fonte: Por LadyofHats Mariana Ruiz, tradução Pilar Saenz [Domínio público], via Wikimedia Commons

A membrana é uma estrutura dinâmica, que contém várias proteínas no interior. As proteínas da membrana agem como uma espécie de “goleiros” ou “guardas” moleculares, que definem com grande seletividade quem entra e quem sai da célula.

Por esse motivo, diz-se que as membranas são semipermeáveis, uma vez que alguns compostos conseguem entrar e outros não.

Nem todas as proteínas na membrana são responsáveis ​​por mediar o tráfego. Outros são responsáveis ​​pela captura de sinais externos que produzem uma resposta celular a estímulos externos.

Seletividade da membrana

O lipídio no interior da membrana é altamente hidrofóbico, o que torna a membrana uma entidade altamente impermeável à passagem de moléculas polares ou hidrofílicas (este termo significa “apaixonado pela água”).

Isso implica uma dificuldade adicional para a passagem de moléculas polares. No entanto, é necessário o trânsito de moléculas solúveis em água, para que as células possuam uma série de mecanismos de transporte que permitam o deslocamento efetivo dessas substâncias entre a célula e seu ambiente externo.

Da mesma forma, moléculas grandes, como proteínas, devem ser transportadas e requerem sistemas especializados.

-Difusão e osmose

O movimento de partículas através das membranas celulares ocorre seguindo os seguintes princípios físicos.

Esses princípios são difusão e osmose e se aplicam ao movimento de solutos e solventes em uma solução através de uma membrana semipermeável – como as membranas biológicas encontradas nas células vivas.

Difusão é o processo que envolve o movimento térmico aleatório de partículas em suspensão de regiões de altas concentrações para regiões de menor concentração. Existe uma expressão matemática que procura descrever o processo e é chamada de equação de difusão de Fick, mas não vamos nos aprofundar nele.

Com esse conceito em mente, podemos definir o termo permeabilidade, que se refere à taxa na qual uma substância pode penetrar passivamente na membrana sob uma série de condições concretas.

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Por outro lado, a água também se move em favor de seu gradiente de concentração em um fenômeno chamado osmose. Embora pareça incerto se referir à concentração de água, precisamos entender que o líquido vital se comporta como qualquer outra substância, em termos de difusão.

-Tonicidade

Levando em conta os fenômenos físicos descritos, as concentrações que existem tanto dentro como fora da célula determinarão a direção do transporte.

Assim, a tonicidade de uma solução é a resposta das células imersas em uma solução. Há certa terminologia aplicada a este cenário:

Isotônico

Uma célula, tecido ou solução é isotônica em relação a outra se a concentração for igual nos dois elementos. Em um contexto fisiológico, uma célula imersa em um ambiente isotônico não sofrerá nenhuma alteração.

Hipotônico

Uma solução é hipotônica em relação à célula se a concentração de solutos for menor do lado de fora – ou seja, a célula tiver mais solutos. Nesse caso, a tendência da água é entrar na célula.

Se colocarmos os glóbulos vermelhos na água destilada (livre de solutos), a água entrará até explodir. Este fenômeno é chamado de hemólise.

Hipertônica

Uma solução é hipertônica em relação à célula se a concentração de solutos for maior no exterior – isto é, a célula possui menos solutos.

Nesse caso, a tendência da água é sair da célula. Se colocarmos os glóbulos vermelhos em uma solução mais concentrada, a água nas células do sangue tende a sair e a célula fica enrugada.

Esses três conceitos têm relevância biológica. Por exemplo, os ovos de um organismo marinho devem ser isotônicos em relação à água do mar, para não estourar e não perder água.

Da mesma forma, os parasitas que vivem no sangue de mamíferos devem ter uma concentração de soluto semelhante ao ambiente em que se desenvolvem.

-Influência elétrica

Quando falamos de íons, que são partículas carregadas, o movimento através das membranas não é dirigido exclusivamente por gradientes de concentração. Nesse sistema, as cobranças de soluto devem ser levadas em consideração.

O íon tende a se afastar de regiões onde a concentração é alta (como descrito na seção de osmose e difusão), e se o íon for negativo, ele se moverá em direção a regiões onde há um potencial negativo crescente. Lembre-se de que cobranças diferentes atraem e cobranças iguais se repelem.

Para prever o comportamento do íon, devemos adicionar as forças combinadas do gradiente de concentração e do gradiente elétrico. Este novo parâmetro é chamado de gradiente eletroquímico líquido.

Os tipos de transporte celular são classificados de acordo com o uso – ou não – de energia pelo sistema em movimentos passivos e ativos. A seguir, descreveremos cada um em detalhes:

Transporte transmembranar passivo

Os movimentos passivos através das membranas envolvem a passagem de moléculas sem a necessidade direta de energia. Como esses sistemas não envolvem energia, depende exclusivamente dos gradientes de concentração (incluindo os elétricos) que existem através da membrana plasmática .

Embora a energia responsável pelo movimento das partículas seja armazenada em tais gradientes, é apropriado e conveniente continuar considerando o processo como passivo.

Existem três vias elementares pelas quais as moléculas podem passivamente passivas de um lado para o outro:

Transmissão simples

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A maneira mais simples e intuitiva de transportar um soluto é atravessar a membrana seguindo os gradientes mencionados acima.

A molécula difunde-se através da membrana plasmática, deixando a fase aquosa de lado, dissolve-se na porção lipídica e finalmente entra na porção aquosa do interior da célula. O mesmo pode acontecer na direção oposta, do interior da célula para o exterior.

A passagem eficiente através da membrana será determinada pelo nível de energia térmica que o sistema possui. Se for alta o suficiente, a molécula pode atravessar a membrana.

Visto com mais detalhes, a molécula deve quebrar todas as ligações de hidrogênio formadas na fase aquosa para poder passar para a fase lipídica. Este evento requer 5 kcal de energia cinética para cada link presente.

O próximo fator a ser levado em consideração é a solubilidade da molécula na área lipídica. A mobilidade é influenciada por vários fatores, como peso molecular e formato da molécula.

A cinética do passo de difusão simples exibe uma cinética de não saturação. Isso significa que a entrada aumenta proporcionalmente à concentração do soluto a ser transportado na região extracelular.

Canais aquosos

A segunda alternativa da passagem de moléculas pela via passiva é através de um canal aquoso localizado na membrana. Esses canais são uma espécie de poros que permitem a passagem da molécula, evitando o contato com a região hidrofóbica.

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Certas moléculas carregadas conseguem entrar na célula após seu gradiente de concentração. Graças a este sistema de canais cheios de água, as membranas são altamente impermeáveis ​​aos íons. Dentro dessas moléculas, destacam-se sódio, potássio, cálcio e cloro.

Molécula transportadora

A última alternativa é a combinação do soluto de interesse com uma molécula de transporte que mascara sua natureza hidrofílica, de modo que ela passa pela porção rica em lipídios da membrana.

O transportador aumenta a solubilidade lipídica da molécula que precisa ser transportada e favorece sua passagem em favor do gradiente de concentração ou do gradiente eletroquímico.

Essas proteínas de transporte funcionam de maneiras diferentes. No caso mais simples, um soluto é transferido de um lado da membrana para outro. Esse tipo é chamado uniporte. Pelo contrário, se outro soluto for transportado simultaneamente ou acoplado, o transportador será chamado acoplado.

Se o transportador acoplado move as duas moléculas na mesma direção, é uma simpatia e, se o faz em direções opostas, o transportador é antiportal.

Osmose

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Osmose2-fr.png: PsYcHoTiKderivative trabalho: Ortisa [CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) ou GFDL (http://www.gnu.org/copyleft /fdl.html)], via Wikimedia Commons

É o tipo de transporte celular no qual um solvente passa seletivamente através da membrana semipermeável.

A água, por exemplo, tende a passar para o lado da célula, onde sua concentração é menor. O movimento da água ao longo desse caminho gera uma pressão chamada pressão osmótica.

Essa pressão é necessária para regular a concentração das substâncias na célula, o que afeta o formato da célula.

Ultrafiltração

Nesse caso, o movimento de alguns solutos é causado por uma pressão hidrostática, da área de maior pressão para a área de menor pressão. No corpo humano, esse processo ocorre nos rins graças à pressão sanguínea gerada pelo coração.

Desse modo, a água, a uréia etc. passa das células para a urina; e hormônios, vitaminas, etc., permanecem no sangue. Esse mecanismo também é conhecido como diálise.

Difusão facilitada

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Difusão facilitada

Existem substâncias com moléculas muito grandes (como glicose e outros monossacarídeos), que precisam de uma proteína transportadora para se espalhar.Essa difusão é mais rápida que a difusão simples e depende de:

  • O gradiente de concentração da substância.
  • A quantidade de proteínas de transporte presentes na célula.
  • A velocidade das proteínas presentes.

Uma dessas proteínas de transporte é a insulina, que facilita a difusão da glicose, diminuindo sua concentração no sangue.

Transporte ativo transmembranar

Até agora discutimos a passagem de diferentes moléculas por canais sem custo de energia. Nesses eventos, o único custo é gerar a energia potencial na forma de concentrações diferenciais nos dois lados da membrana.

Dessa maneira, a direção do transporte é determinada pelo gradiente existente. Os solutos começam a ser transportados seguindo os princípios mencionados de difusão, até chegarem a um ponto em que a difusão líquida termina – nesse ponto, um equilíbrio foi alcançado. No caso dos íons, o movimento também é influenciado pela carga.

No entanto, no único caso em que a distribuição dos íons nos dois lados da membrana está em equilíbrio real é quando a célula está morta. Todas as células vivas investem uma grande quantidade de energia química para manter as concentrações de soluto longe do equilíbrio.

A energia usada para manter esses processos ativos é geralmente a molécula de ATP . O trifosfato de adenosina, abreviado como ATP, é uma molécula de energia fundamental nos processos celulares.

Características do transporte ativo

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O transporte activo pode actuar contra a gradientes de concentração, não importa quão marcado que eles são – esta propriedade fica claro com a explicação da bomba de sódio – potássio (ver abaixo).

Mecanismos de transporte ativo podem mover mais de uma classe de molécula por vez. Para o transporte ativo, a mesma classificação mencionada é usada para o transporte de várias moléculas simultaneamente no transporte passivo: symport e anti-transport.

O transporte realizado por essas bombas pode ser inibido pela aplicação de moléculas que bloqueiam especificamente locais cruciais na proteína.

A cinética de transporte é do tipo Michaelis-Menten. Ambos os comportamentos – sendo inibidos por algumas moléculas e cinéticas – são características típicas de reações enzimáticas.

Finalmente, o sistema deve ter enzimas específicas que hidrolisam a molécula de ATP, como as ATPases. Este é o mecanismo pelo qual o sistema obtém a energia que o caracteriza.

Seletividade de transporte

As bombas envolvidas são extremamente seletivas nas moléculas que serão transportadas. Por exemplo, se a bomba for um
transportador de íons de sódio, ela não precisará de íons de lítio, embora ambos os íons tenham tamanho muito semelhante.

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Presume-se que as proteínas possam distinguir entre duas características de diagnóstico: a facilidade de desidratação da molécula e a interação com as cargas no interior do poro do transportador.

Sabe-se que íons grandes conseguem se desidratar facilmente, se os compararmos com um pequeno íon. Assim, um poro com centros polares fracos usará íons grandes, de preferência.

Pelo contrário, em canais com centros fortemente carregados, a interação com o íon desidratado predomina.

Exemplo de transporte ativo: a bomba de sódio-potássio

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Para explicar os mecanismos de transporte ativo, é melhor fazê-lo com o modelo mais bem estudado: a bomba de sódio-potássio.

Uma característica marcante das células é a capacidade de manter gradientes pronunciados dos íons sódio (Na + ) e potássio (K + ).

No ambiente fisiológico, a concentração de potássio dentro das células é 10 a 20 vezes maior do que fora das células. Por outro lado, os íons sódio são muito mais concentrados no ambiente extracelular.

Com os princípios que governam o movimento de íons passivamente, seria impossível manter essas concentrações, de modo que as células requerem um sistema de transporte ativo e essa é a bomba de sódio-potássio.

A bomba consiste em um complexo de proteínas do tipo ATPase ancorado à membrana plasmática de todas as células animais. Isso possui locais de ligação para os dois íons e é responsável pelo transporte com injeção de energia.

Como a bomba funciona?

Neste sistema, existem dois fatores que determinam o movimento de íons entre os compartimentos celular e extracelular. O primeiro é a taxa na qual a bomba de sódio-potássio atua, e o segundo fator é a taxa na qual o íon pode entrar na célula novamente (no caso do sódio), devido a eventos de difusão passiva.

Dessa maneira, a velocidade na qual os íons entram na célula determina a velocidade na qual a bomba deve trabalhar para manter uma concentração de íons apropriada.

O funcionamento da bomba depende de uma série de alterações conformacionais na proteína responsável pelo transporte dos íons. Cada molécula de ATP é hidrolisada diretamente, no processo três íons de sódio deixam a célula e ao mesmo tempo dois íons de potássio entram no ambiente celular.

Transporte de massa

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É outro tipo de transporte ativo que ajuda no movimento de macromoléculas, como polissacarídeos e proteínas. Pode ocorrer através de:

-Endocitose

Existem três processos de endocitose: fagocitose, pinocitose e endocitose mediada por ligantes:

Fagocitose

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Fagocitose

A fagocitose tipo de transporte, em que uma partícula sólida é coberto por uma vesícula ou fagossoma consistindo de pseudopodia fundido.Essa partícula sólida que permanece dentro da vesícula biliar é digerida por enzimas e, portanto, atinge o interior da célula.

Dessa maneira, os glóbulos brancos trabalham no corpo; fagocitar bactérias e corpos estranhos como mecanismo de defesa.

Pinocitose

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Nutrição dos Protozoários. Pinocitose Imagem de: Jacek FH (derivado de Mariana Ruiz Villarreal). Tirada e editada em https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pinocitosis.svg.

A pinocitose ocorre quando a substância a ser transportada é uma gota ou vesícula do líquido extracelular, e a membrana cria uma vesícula pinocítica na qual o conteúdo da vesícula ou gota é processado para que retorne à superfície da célula.

Endocitose através de um receptor

É um processo semelhante à pinocitose, mas, neste caso, a invaginação da membrana ocorre quando uma determinada molécula (ligante) se liga ao receptor da membrana.

Várias vesículas endocíticas se ligam e formam uma estrutura maior chamada endossoma, que é onde o ligante se separa do receptor.Então, o receptor retorna à membrana e o ligante se liga a um lipossomo no qual é digerido por enzimas.

-Exocitose

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É um tipo de transporte celular no qual a substância deve ser transportada para fora da célula.Durante esse processo, a membrana da vesícula secretora se liga à membrana celular e libera o conteúdo da vesícula.

Dessa maneira, as células eliminam substâncias sintetizadas ou resíduos. É assim também que eles liberam hormônios, enzimas ou neurotransmissores.

Referências

  1. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologia: Vida na Terra . Educação Pearson.
  2. Donnersberger, AB; e Lesak, AE (2002). Livro de laboratório de anatomia e fisiologia . Editorial Paidotribo.
  3. Larradagoitia, LV (2012). Anatomofisiologia básica e patologia . Editorial Paraninfo.
  4. Randall, D., Burggren, WW, Burggren, W., Francês, K., & Eckert, R. (2002). Fisiologia animal de Eckert . Macmillan
  5. Ao vivo, À. M. (2005). Fundamentos da fisiologia da atividade física e do esporte . Pan-American Medical Ed.

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