BIOFSICA CELULAR 2015/16

Professores: Rosa Maria Santos e Lus Martinho do Rosrio

TEMAS PRINCIPAIS

1. Difuso e permeabilidade em membranas (LMR)

2. Transporte activo: bombas e trocadores (LMR)

3. Transduo de sinais (LMR)

4. Canais inicos (RMS)

5. Electrognese da excitabilidade celular e propagao de sinais elctricos (RMS)

Clula

Membrana plasmtica

Citoplasma

Organelos

Citoesqueleto

Citossol

Membrana plasmtica

- Compartimentalizao

- Transporte (transportadores)

- Reconhecimento (receptores)

- Actividade enzimtica (enzimas)

- Excitabilidade (canais inicos, etc)

- Exocitose, endocitose

TEMA 1: Difuso e permeabilidade

em membranas

Fluxo num meio homogneo Primeira lei de difuso de Fick e coeficiente de difuso Distncia mdia percorrida por difuso e lapso de tempo difusional Difuso atravs de uma barreira / bicamada lipdica Coeficiente de permeabilidade membranar e coeficiente de partio Difuso facilitada e transportadores de glicose Difuso facilitada de ies e ionforos

Bibliografia recomendada para o TEMA 1

Sperelakis (Caps. 1, 5 e 11)

Hille (Cap. 11)

Atkins (Cap. 24)

Fontes complementares* (no mencionadas na bibliografia geral recomendada)

Eckert (Cap. 4)

Vander (Cap. 6)

Gil Ferreira (Caps. 3 e 5)

*Human Physiology - The Mechanisms of Body Function (A.J. Vander, J.H. Sherman, D.S. Luciano - McGraw-Hill, Inc.)

*The Biophysical Basis of Excitability (H. Gil Ferreira, M.W. Marshall - Cambridge University Press)

FLUXO DE PARTCULAS NUM MEIO HOMOGNEO

Fluxo (J) : quantidade de matria que fli por unidade de reapor unidade de tempo

Gradiente de concentrao

(dN/dz)

Experimentalmente: J prop. dN/dz

N = n de partculas por unidade de volume

dN/dz < 0, J > 0 J = -D dN/dzPrimeira Lei de Difuso de Fick

D = constante ou coeficiente de difuso

Em fase condensada (soluo):

J = -D dC/dz

C = concentrao do soluto

[J] = mole.cm-2.s-1

[D] = cm2.s-1

BC/#01

ASPECTOS TEMPORAIS DA DIFUSO EM SOLUO LIVRE

Equao de difuso

(segunda lei de difuso de Fick)

Problema unidimensional (x)

C/t = D 2C/x2

C = C(x,t)

x

gua

camada de acar

(t = 0)

CA/n0

x

Dt = 0.05

0.1

0.3

1.0

C = n0/A (Dt)-1/2 exp(-x2/4Dt)

A = rea da base do vaso

n0 = nmero total de molculas deacar

BC/#02

DISTNCIA MDIA PERCORRIDA POR DIFUSO

(problema unidireccional)

Difuso nos dois sentidos a partir

da origem

2Dt

= distncia ao quadrado mdiapercorrida por difuso

t = lapso de tempo difusional

t 2/2D

= distncia mdia percorridapor difuso

Terminal nervoso

Clula muscular

ACh

20 nmD (ACh) = 7.6x10-6 cm2.s-1

t 0.3 s

glicose

capilar

fenda

sinptica

tecido

D (gli) = 6.7x10-6 cm2.s-1

t 70 ms

neurnio

glicose

??

?

glicose

? ?

1 cm

t 21 horas !!

BC/#03

Exerccios

1 verdadeira ou falsa a seguinte afirmao? Porqu?O tempo mdio que uma molcula demora a percorrer por difuso simples uma distncia de 30 m trs vezes superior ao quedemora a percorrer 10 m

2 Calcule o lapso de tempo difusional para a glicose ao longo de um internodo (segmento entre nodos de Ranvier consecutivos) num

axnio mielinizado. Como ocorre a distribuio de transportadores

de glicose nestes axnios e qual a possvel consequncia desta

distribuio? Formule uma hiptese.

BC/Q1

Clculo para molculas

com D = 5x10-6 cm2.s-1

A difuso simples um processo:

rpido escala microscpica

lento escala macroscpica

Mistura por conveco Fluxo sanguneo distncia Irrigao capilar de tecidos Tamanho das clulas

Recuperao de um episdio isqumico

no se efectua por difuso de O2 e

nutrientes

BC/#4

DIFUSO ATRAVS DE UMA BARREIRA PERMEVEL

AO SOLUTO E SOLVENTE

C1

C2

Barreira(ex: papel de filtro)

Perfil linear de variao da concentrao

do soluto na barreira dC/dz = cte

J = -D C/ = D/ (C1 C2)

P = D/: constante ou coeficiente de permeabilidade

[P] = cm.s-1

BC/#5

Exerccios

1 Derive formalmente a equao de fluxo em BC/#5

Sugesto: aplique condies-fronteira variao linear da concentrao

BC/Q2

DIFUSO SIMPLES ATRAVS DE UMA MEMBRANA(BICAMADA LIPDICA)

C1

C2

k1k1

k-1k-1

(1)(3)

(2)

(1) Partio entre a fase aquosa (comp.1) e lipdica

K = k1/k-1: coeficiente de partio

(2) Difuso atravs da membrana

Dm: coeficiente de difuso membranar

(3) Partio entre a fase lipdica e aquosa (comp.2)

Considerando (2) como o passo determinante,

J = DmK/ (C1 C2)

Pm = DmK/ : coeficiente de permeabilidadeda membrana

[Pm] = cm.s-1

BC/#6

RELAO ENTRE A PERMEABILIDADE DA MEMBRANA

E O COEFICIENTE DE PARTIO

Pm = DmK/

Pm radioistopos K e Dm simulao utilizando outros lpidos

K = (conc. soluto em lpido)/(conc. soluto em gua)

microscopia electrnica ou medio da capacidade elctrica da membrana

Equao de Stokes-Einstein

Dm = kT/6a

viscosidade raio da partcula

hidratada

Glicerol C3H8O3 MW=92

muito polar (=42.5)

Uretano NH2COOC2H5 MW=89

pouco polar (=3.2)

BC/#7

Exerccios

1 Proponha um mtodo para determinar experimentalmente o coeficiente de partio

2 Demonstre que o influxo inicial de uma molcula que atravessa a membrana celular por difuso simples directamente proporcional

sua concentrao extracelular, assumindo que esta se mantm

constante ao longo da experincia

BC/Q3

Ci

Co > Ci influxo

Ci

Tempo

Ci = C0

Co = 0

J(influxo

inicial)

Co

TRANSPORTE MEDIADO

Transportadores

Molculas ou ies transportados

Factores que determinam a magnitude do fluxo:

- Concentrao, afinidade

- Nmero de transportadores

- Velocidade da alterao conformacional

difuso simples

transporte

mediadoTransporte mediado

Difuso facilitada: transporte de acordo como gradiente electroqumico

Transporte activo: transporte contra o gradiente electroqumico (fonte de energia)

BC/#8

DIFUSO FACILITADA

Transportadores de monossacardeos,aminocidos, cidos gordos, gua,

ies, etc

Transportadores de glicose

[glicose]i < [glicose]o (metabolismo)

Isoformas: GLUT-1, 2, 3, 4, 5, etc

Diferem em (i) km (afinidade); (ii) Vmax(capacidade); (iii) regulao

GLUT-1: tr. basal (crebro, eritrcitos, etc)

GLUT-2: tr. vs. homeostasia (hepatcitos,clula )

GLUT-4: tr. vs. homeostasia, dep. insulina(adipcitos, msculo esqueltico)

Substratos (GLUT-1): hexoses (ex:D-glicose, D-manose, D-galactose);

pentoses (ex: D-xilose, L-arabinose,

D-ribose)

No-substratos: L-glicose, L-galactose,L-xilose

Inibidores: competitivos (substratos); no-competitivos (citocalasina B,

floretina)

BC/#9

REGULAO DE GLUT-4 POR INSULINA

Regulao por recrutamento de

transportadores para a membrana

Rpida (ocorre em minutos)

No requer sntese de novos transportadores

Essencial para a homeostasia da glicose

Artigos de reviso: Watson & Pessin (2006) Trends Biochem. Sci. 31: 215-222Chang et al. (2004) Mol. Medicine 10: 7-12

BC/#10

TRANSLOCAO DE GLUT-4 E ACTIVAO DO RECEPTOR DE INSULINA

Myc: an engineered epitope tag

EGFP: enhanced green fluorescent protein

Adipcito

via TC10 via PPIn 3-cinase

IRS: insulin receptor substrate

PDK1: phosphoinositide-dependent kinase 1

Watson & Pessin (2006) Bridging the gap between insulin signaling and GLUT4 translocation.

Trends Biochem. Sci. 31: 215-222BC/#11

DIFUSO FACILITADA DE IES

P = DK/

D = uRT/zF

u = mobilidade do io(m2.s-1.V-1)

s = uE

velocidade do io

em soluo

campo elctrico

Para a bicamada lipdica

u 0 e K 0 (H2O) 80 >> (lpidos) 2-5

K e u podem ser aumentados:

fisiologicamente (canais inicos nativos) artificialmente (ionforos)

K+

Ionforos difusveis

Ex: valinomicina(antibitico macrocclico polipeptdico)

Cavidade hidroflica

Exterior hidrofbico

Altamente selectivo para K+

(K+ >> Na+ > H+)

Outros exemplos: desacopladores

mitocondriais (FCCP, DNP) BC/#12

IONFOROS-CANAIS

ies e H2O

Mon.1 Mon.2

cadeias laterais

de AAs (hidrofbicas)

poro hidroflico

( 4A)

Gramicidina A

Bacillus brevis

Poro: 2 hemicanais, ligados topo

a topo por ligaes H

Hemicanal: 15 AAs neutros

Sequncia de selectividade

(solues simtricas):

H+ > Cs+ Rb+ > NH4+ > Tl+ > Na+ > Li+

9.31 2.06 2.07 1.96 1.98 1.33 1.03

D (x10-5 cm2/s)

Selectivo para caties

= 100 mV fluxo de ~ 4x106 ies/s

Outros ionforos-canais:

Nistatina (caties monovalentes e anies)

Alameticina (K+, Na+ e Cl-)

BC/#13

Tema de suporte

Polaridade da gua e de

biomolculas

gua como solvente biolgico Polaridade e momento dipolar permanente. Unidades Polarizao do dielctrico por aco de um campo elctrico: polarizao

por orientao e induo

Momento dipolar induzido e polarizabilidade Permissividade do meio e constante dielctrica Relao entre momento dipolar e constante dielctrica Constante dielctrica da gua e dissoluo de sais e molculas polares

Bibliografia recomendada para este tema

Sperelakis (Caps. 1, 3 e 4)

Hille (Caps. 1 e 10)

Fontes complementares* (no mencionadas na bibliografia geral recomendada)

Eckert (Caps. 2 e 4)

Atkins (Caps. 22 e 24)

Moore (Caps. 10 e 15)

*Animal Physiology: Mechanisms and Adaptations (R. Eckert, D. Randall e G. Augustine

- W.H. Freeman)

*Physical Chemistry (P.W. Atkins - Oxford University Press)

*Physical Chemistry (W.J. Moore - Longman Group limited)

Citossol

- Solubilizao / acumulao de ies, molculas polares

- Gradientes ( exterior, organelos)- Papel central da gua

Aglomerados lbeis

Ligaes de hidrognio

Momento dipolar

permanente,

d

-q

= q.d

e d = 0.1 nm

qe = 4.8x10-10 esu

= 4.8x10-18 esu.cm1 D = 10-18 esu.cm

= 4.8 D

[D = debye] (D)

H2O 1.85

CH3OH 1.71

NH3 1.47

HCl 1.08

CHCl3 1.01

HI 0.42

CCl4 0

O

H

H

2-

+

+

+q

Questes

1 Qual a razo por que o momento dipolar do tetracloreto de carbono nulo?

2 Por que razo que os momentos dipolares dos cidos clordrico e ioddrico so to diferentes?

E=0- +

Cl- Na+

-P+PCl- Na+

Dielctrico

Polarizao do dielctrico

por aco de um campo

elctrico (par Na+/Cl-)P

P: Polarizao do dielctrico

(momento dipolar mdio por

unidade de volume)

E>0

Reduz a fora do campo E em

qualquer ponto do dielctrico

dq-

Cl- Na+

Lei de Coulomb

Vcuo:

Soluo:

0 = permissividade do vcuo = permissividade do meio

Constante dielctrica(ou permissividade relativa)

r = /0>0

q+

Lei de Coulomb para o par Na+/Cl-

num dielctrico

F = q+q-/(40rd2)

0 = permissividade do vcuor = constante dielctrica

perm (D) r

Vcuo - 1

Ar - 1.00054

Benzeno 0 2.28

CHCl3 1.01 4.8

NH3 1.47 16.9

Etanol 1.69 24.3

CH3OH 1.71 32.6

H2O 1.85 78.5 r

r reflecte a atenuao da intensidade de Ecausada pela polarizao por orientao ( perm)e pela polarizao induzida ( ind)

ind = .E = polarizabilidade da molcula

Questes

1 - Por que razo que molculas simtricas (ex: benzeno) tm uma

constante dielctrica diferente de zero?

Exerccios

1 Proponha um mtodo para determinar experimentalmente a constantedielctrica