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RESUMO DE BIOFÍSICA BASEADO NA MONITORIA DO 2º SEMESTRE/2018- ministrada por HENRIQUE GUIMARÃES MONITOR MARCONE DOS SANTOS 1º SEMESTRE/2019

BIOFÍSICA - MEMBRANA CELULAR As membranas celulares apresentam diferenças de composição e função. De modo geral, as membranas celulares são bicamadas lipídicas não miscíveis em água (hidrofóbicas) com basicamente 2 funções:

 Fazer uma compartimentalização da célula.  Funcionar como um resistor elétrico devido à sua composição de lipídios, que tornam a membrana um isolante. A permeabilidade seletiva e a capacidade de ser um isolante elétrico tornam algumas membranas capazes de transmitirem informações. A bicamada lipídica se apresenta ao eletrônico como uma microscópio camada trilaminar (escuro- claro-escuro) que pode ser explicada como a disposição de 2 camadas em direções opostas de fosfolípides de membrana. O fosfolípide de membrana é composto por uma extremidade com 2 “perninhas” que correspondem aos ácidos graxos. Geralmente, a estrutura do fosfolípide é uma molécula de glicerol ligada a 2 ácidos graxos. O outro carbono do glicerol se liga a um fosfato ou álcool. O fosfolípide apresenta 2 regiões distintas. A região dos ácidos graxos é hidrofóbica. A parte que possui o glicerol, fosfato ou álcool é hidrofílica. O fosfolípide de membrana é anfipático. Com isso, o interior é hidrofóbico, mas as extremidades intra e extra citoplasmáticas são hidrofílicas. Coisas que não passam livremente pela membrana celular -> íons (moléculas eletricamente carregadas), moléculas grandes e moléculas polares (hidrofílicas).

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Através do gasto de energia, a célula irá gerar uma diferença de concentração de substâncias em diferentes compartimentos. As leis da termodinâmica explicam como surge essa diferença de concentração.  1ª lei da termodinâmica: “Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”.  2ª lei da termodinâmica (lei da entropia e da desorganização): Tudo no universo tende ao menor grau de energia, ao maior grau de desorganização. Impossibilidade X Improbabilidade -> não são sinônimos. Improbabilidade -> algo que nunca conseguiremos provar. Ex: Atravessar a parede devido ao correto alinhamento dos espaços dos átomos do seu corpo com os átomos da parede. O número de tentativas necessárias para que isso ocorra excede a idade do universo. Células não conseguem utilizar temperatura para gerar trabalho. Para gerar trabalho, deve-se ter uma diferença. Ao transformar sua energia em calor, essa energia é inevitavelmente perdida para o meio ambiente. As reações metabólicas evoluíram para maximizar a extração de energia, pois se a energia dos alimentos fosse retirada de uma vez, a maior parte dessa energia seria perdida na forma de calor. Equilibrar -> trata-se de probabilidade matemática. Ex: A chance de algo passar do compartimento A para o B é a mesma de passar do B para o A. A concentração das substâncias tem que se equiparar. Quando as substancias não podem passar, o solvente passará. Difusão -> transporte de soluto.

Osmose -> passagem de solvente.

Por que a água não passa completamente para o compartimento que está com todo o soluto? Devido à pressão, que ao se tornar equivalente em ambos os lados, impedirá a água de passar. Ex: Água com glicose. Lipídeos passam facilmente pela membrana e o que determinará onde eles ficarão é a diferença de concentração. A testosterona (composição lipídica) passa tão facilmente pelas membranas que, ao se aplicá-la na forma de gel, já é absorvida pelo organismo. Quando fosforilamos a glicose, a prendemos dentro da célula, deixando sua concentração intracelular sempre maior, pois o transportador de glicose não a reconhece com o fosfato.

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 Difusão simples -> sem canal.  Difusão facilitada -> com canal, sem gasto energético.  Transporte ativo -> o próprio canal pode ser uma ATPase, que gera energia suficiente para impulsionar o transporte contra o gradiente de concentração.  Difusão simples “com canal” -> a molécula não é específica para o canal, é muito pequena e a taxa de passagem dessa molécula através do canal é mesma da difusão simples. Ex: Água. Os canais são moléculas especializadas em transportar moléculas ou íons. Além disso, são formados por proteínas, através de polímeros de aminoácidos que, se alterados, podem gerar doenças. A maioria dos canais são específicos para certas substâncias e podem apresentar estados diferentes de funcionamento.

Os canais de sódio e potássio apresentam estruturas e graus de importância diferentes. A especificidade dos canais se deve à diferença de carga da substância transportada, ao tamanho do poro e à forma.

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Canais de sódio -> os aminoácidos dos canais de sódio apresentam carga negativa. Quando o sódio vai ser transportado através do canal de sódio, a primeira coisa que o canal faz é excluir a água -> esse processo faz com que o canal puxe o íon sódio. Sódio não passa pelo canal de potássio, pois esse canal não tem carga elétrica. Estados do canal de sódio -> Fechado (estado excitável) -> Aberto -> Inativo (nesse estado ele não conduz, mas também não abre). Canais de potássio -> é menor, não é carregado eletricamente, o potássio passa na presença de água (solvatado). Estados do canal de potássio -> fechado (excitável, não condutante) e aberto (condutante). O que faz o canal abrir, inativar ou fechar? O canal possui um “time” que regula esse processo devido interações entre aminoácidos. Essa transição é um processo automático e sem gasto de energia.

Experimento de Patch Clamp -> uma poderosa técnica para estudar a atividade elétrica de células e determinar o estado de condutância de canais. Esse estudo consiste em dar um “beliscão” na membrana de uma célula com uma agulha fina com detectores de passagem de corrente elétrica. Com isso, coloca-se um eletrodo dentro da célula e outro por fora. Quando damos um choque na membrana, os canais podem sofrer fechamento, abertura ou inativação. Os dados são posteriormente registrados em um gráfico de potencial de ação. A abertura dos canais ocorre por 2 processos:

 Alteração de voltagem (canais de sódio e potássio).  Ligação de ligante (acetilcolina). Esse canal também transporta sódio e potássio.

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O canal de acetilcolina permite a passagem simultânea de sódio e potássio e, quando ele é ativado pelo ligante, ocorre uma alteração conformacional das proteínas e a informação é transduzida para a face citoplasmática da membrana. Com isso, ocorre o fenômeno de despolarização da membrana, alterando a voltagem. Todos os eventos de transmissão de informações por membrana são eletroquímicos -> a membrana atua como um resistor/isolante elétrico. Difusão simples (água) -> passagem livre de substâncias pela membrana celular. Essa passagem também pode ocorrer através de canais não específicos. O livro Guyton nos conta que a água entra/sai da célula por meio de aquaporinas (canais específicos), mas novos trabalhos mostram que a molécula de água consegue sofrer uma difusão simples por ser pequena demais -> uma ou outra passa pelos fosfolípides de membrana. Difusão facilitada -> necessita de uma proteína carreadora (canal) para ocorrer o transporte. As proteínas carreadoras se ligam a um ligante e sofrem uma alteração conformacional, permitindo que uma substância entre/saia da célula. A maioria desses canais é especifico. Quando se trata de uma difusão simples, o que limita a entrada das substâncias na célula é a área disponível na membrana. Ex: Se a membrana for infinita, a difusão também é infinita. Quando ocorre passagem por canal (difusão facilitada), a taxa de difusão é limitada pela quantidade de canais -> ocorre um V máximo quando todos os transportadores estão ocupados. Nas células musculares, temos proteínas do tipo receptoras e do tipo canal. A glicose não entra na célula por difusão por ser uma molécula grande e hidrossolúvel (toda membrana de célula é refratária à glicose) -> precisamos de canais (GLUT) que irão regular a entrada de glicose -> ao ser fosforilada, ela é ignorada pelos receptores e fica aprisionada no meio intracelular.

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A maior parte dos líquidos se encontra no interior da célula -> inverdade, pois essa situação se inverte em crianças. Um recém-nascido tem mais água do lado de fora do que do lado de dentro da célula, o que torna a diarreia algo fatal para essa faixa etária. A idade influencia na hidratação -> quanto mais jovem, mais hidratado. Quanto maior o percentual de gordura, menor hidratação. Nós perdemos água através da respiração e da excreção de urina e fezes principalmente.  Regulação térmica -> a água retém calor.

 Osmose -> é a difusão de solvente de uma região de alta concentração para uma região de baixa concentração através da membrana celular com permeabilidade seletiva.  Pressão osmótica -> a força necessária para prevenir a osmose. Medida indireta da concentração do soluto em um determinado volume de solvente.  Meio isotônico -> a concentração do soluto é igual no meio intra e extracelular. Ainda ocorre osmose, mas não há um saldo positivo ou negativo.  Meio hipertônico e hipotônico -> maior ou menor concentração do soluto no meio extracelular. A pressão é calculada dividindo-se a força pela área. Quanto menor a área, maior a pressão. A pressão osmótica depende do nº de partículas e é indiferente aos seus tamanhos.  Osmolaridade -> leva em consideração o volume do solvente.  Osmolalidade -> leva em consideração o peso do solvente.

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Para calcular a molaridade usamos a fórmula:

 A pressão osmótica é diretamente proporcional à quantidade de partículas na solução, não dependendo do tamanho. Se nossas membranas são formadas por gorduras, seria o sabão capaz de lavar a gordura de nossas células? Por que não nos dissolvemos ao tomar banho? Porque temos estruturas que levam à impermeabilização dos tecidos, como a cera e a queratina (proteína insolúvel em água). A membrana é assimétrica (face interna diferente da externa) e representa uma barreira, um resistor elétrico. A membrana é composta por proteínas (periféricas e transmembranas) e lipídios, além de apresentar carboidratos na face externa. Em vermelho, está o citoesqueleto, que auxilia na ancoragem de estruturas e confere à célula a capacidade de se polarizar -> a porção apical da célula apresenta composição diferente da porção basal. Ex: Células intestinais. Como a membrana é lipídica, as moléculas devem ser lipossolúveis para atravessá-la. Moléculas grandes, polarizadas e hidrofílicas não possuem livre acesso à membrana. A força propulsora será as leis da entropia -> uma substância tente sempre a passar de uma região de alta concentração para uma de baixa concentração até atingir o equilíbrio -> não significa que a difusão parou, mas sim que a chance de passar de A para B é a mesma de passar de B para A.

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TRANSPORTE ATIVO Várias substâncias são transportadas através da membrana por transporte ativo: sódio, potássio, cálcio, cloreto, iodeto, ferro, prótons, urato, alguns monossacarídeos e a maioria dos aminoácidos. Transporte ativo primário -> transporte direcionado pela quebra de ATP diretamente. Transporte ativo secundário -> está acoplado a outro transporte. Pode-se acoplar, por exemplo, sódio com aminoácidos ou com glicose. É direcionado pela diferença de concentração de alguma substância (a qual foi gerada pelo transporte primário). Sódio/Potássio ATPase -> é uma bomba de prótons que realiza um transporte direcionado para lados opostos e em concentrações diferentes. Ela joga 3 sódios para fora e 2 potássios para dentro. Quando temos a mesma concentração de sódio e potássio no meio intra e extracelular, estamos no estado de equilíbrio (estado de morte). A bomba Na+/K+ ATPase gera 2 coisas:

 Diferença de concentração.  Potencial elétrico -> o interior da célula fica negativo em relação ao lado externo através da utilização de 2 íons positivos. Além disso, essa bomba não se relaciona com o potencial de ação, ela promove a manutenção do potencial de repouso juntamente com outros mecanismos -> o próprio interior da célula contém moléculas negativas que promovem a negativação em relação ao lado externo. O transporte ativo secundário permite transportar praticamente toda a glicose para o interior da célula, mesmo se ela estiver em baixa concentração no meio extracelular -> vantagem enorme para o organismo. Há várias possibilidades de associação de transporte -> sódio com cloreto, peptídeos com prótons, bicarbonato com sódio... Simporte -> transporte de moléculas para o mesmo lado. Ex: Glicose e sódio. Antiporte -> transporte de moléculas para o lado oposto. Ex: Cloro com sódio e prótons com sódio....