Gradientes eletromecânicos e o potencial de membrana. Transporte ativo primário e secundário. Bomba Na+/K+.

Introdução

Transporte passivo é uma ótima estratégia para mover moléculas para dentro ou para fora da célula. É barato, fácil e tudo que as células precisam fazer é parar e deixar as moléculas se difundirem. Mas,...ele também não funciona em todas as situações. Por exemplo, suponha que o açúcar glicose seja mais concentrado no interior da célula do que no exterior. Se a célula precisar de mais açúcar para seus processos metabólicos, como ela pode obter esse açúcar?
Aqui, a célula não pode importar glicose gratuitamente usando difusão, porque a tendência natural da glicose é de difundir-se para fora, ao invés de fluir para dentro. Em vez disso, a célula precisa trazer mais moléculas de glicose via transporte ativo. No transporte ativo, ao contrário do transporte passivo, a célula gasta energia (por exemplo, sob a forma de ATP) para mover uma substância contra seu gradiente de concentração.
Aqui, nós iremos olhar mais detalhadamente para os gradientes moleculares que existem através das membranas celulares, como eles podem ajudar ou atrapalhar o transporte, e como os mecanismos de transporte ativo permitem às moléculas moverem-se contra seus gradientes.

Gradientes eletroquímicos

Já discutimos gradientes de concentração simples, nos quais uma substância é encontrada em concentrações diferentes numa região do espaço ou em lados opostos de uma membrana. No entanto, devido à capacidade dos átomos e moléculas formarem íons e carregar cargas elétricas positivas ou negativas, também pode haver um gradiente elétrico ou diferenças de carga, através de uma membrana plasmática. Na verdade, as células vivas tipicamente possuem o que é chamado um potencial da membrana, uma diferença de potencial elétrico (voltagem) através de sua membrana celular.
Uma diferença de potencial elétrico existe sempre que houver uma separação de cargas no espaço. No caso da célula, cargas negativas e positivas são separadas pela barreira da membrana celular, com o interior da célula tendo cargas negativas a mais que as do exterior. O potencial da membrana de uma célula típica é de -40 a -80 milivolts, com o sinal de menos significando que o interior da célula é mais negativo que o exterior1^1. A célula mantém ativamente seu potencial da membrana, e veremos como ele se forma na seção sobre a bomba de potássio (abaixo).
Como um exemplo de como o potencial de membrana pode afetar o movimento dos íons, vamos ver os íons de sódio e potássio. Em geral, o interior de uma célula tem concentração maior de potássio (K+^+) e uma concentração menor de sódio (Na+^+) do que o fluido extracelular ao seu redor.
  • Se os íons de sódio estão fora da célula, eles tenderão a se mover para dentro da célula com base tanto em seu gradiente de concentração (a concentração menor de Na+^+ na célula) quanto na voltagem através da membrana (a carga mais negativa no interior da membrana).
  • Como K+^+ é positivo, a voltagem através da membrana vai encorajar seu movimento para dentro da célula, mas seu gradiente de concentração vai tender a empurrá-la para fora da célula (em direção à região de concentração mais baixa). As concentrações finais de potássio nos dois lados da membrana serão um equilíbrio entre estas duas forças opostas.
A combinação do gradiente de concentração e da voltagem que afetam o movimento de um íon é chamada de gradiente eletroquímico.

Transporte ativo: movendo-se contra um gradiente

Para mover substâncias contra um gradiente de concentração ou eletroquímico, uma célula precisa gastar energia. Os mecanismos de transporte ativo fazem exatamente isto, despendendo energia (muitas vezes na forma de ATP) para manter a concentração certa de íons e moléculas nas células vivas. De fato, as células gastam muito da energia que elas coletam no metabolismo, para manter seus processos de transporte ativo funcionando. Por exemplo, a maior parte da energia das células vermelhas do sangue é usada para manter os níveis internos de sódio e potássio que diferem dos níveis do ambiente ao seu redor.
Os mecanismos de transporte ativo podem ser divididos em duas categorias. O transporte ativo primário usa uma fonte de energia química diretamente (por exemplo, o ATP) para mover as moléculas através da membrana contra seu gradiente. O transporte ativo secundário (co-transporte), por outro lado, usa um gradiente eletro-químico - gerado pelo transporte ativo - como fonte de energia para mover as moléculas contra seu gradiente, e assim não requer uma fonte química de energia como o ATP. Veremos abaixo cada tipo de transporte ativo em detalhes.

Transporte ativo primário

Uma das bombas mais importantes das células animais é a bomba de sódio-potássio, que move Na+^+ para fora das células, e K+^+ para dentro. Como o processo de transporte usa ATP como fonte de energia, ele é considerado um exemplo de transporte ativo primário.
A bomba sódio-potássio não apenas mantém as concentrações apropriadas de Na+^+ e K+^+ nas células vivas, como também desempenha um papel importante na geração de voltagem através da membrana celular dos animais. Bombas como esta, que estão envolvidas no estabelecimento e manutenção da voltagem das membranas, também são conhecidas como bombas eletrogênicas. A bomba eletrogênica primária das plantas bombeia íons de hidrogênio (H+^+) ao invés de sódio e potássio2,3^{2,3}.

O ciclo da bomba de sódio-potássio

A bomba sódio-potássio transporta sódio para fora e potássio para dentro da célula num ciclo repetitivo de variações da conformação. Em cada ciclo, três íons de sódio deixam a célula, enquanto dois íons de potássio entram. Esse processo ocorre nas seguintes etapas:
  1. No início, a bomba está aberta para o interior da célula. Nessa forma, a bomba realmente quer ligar (tem uma grande afinidade pelos) íons de sódio e vai usar três deles.
  2. Quando os íons de sódio ligam-se, disparam a bomba para a hidrólise (quebra) do ATP. Um grupo fosfato do ATP é anexado à bomba, que é então chamada de fosforilada. O ADP é liberado como um sub-produto.
  3. A fosforilação faz a forma da bomba mudar, reorientando-se para abrir na direção do espaço extracelular. Nessa conformação, a bomba deixa de ligar-se aos íons de sódio (fica com baixa afinidade a eles), e então três íons de sódio são liberados para fora da célula.
  4. Em sua forma voltada para fora, a bomba muda de partido e, agora, gosta muito de se ligar (tem alta afinidade) aos íons de potássio. Ela vai se ligar a dois deles, e isso aciona a remoção do grupo fosfato ligado à bomba na etapa 2.
  5. Com a saída do grupo fosfato, a bomba vai mudar de volta para sua forma original, abrindo-se em direção ao interior da célula.
  6. Na sua forma direcionada para o interior, a bomba perde seu interesse (tem baixa afinidade) pelos íons de potássio e portanto dois íons de potássio são liberados dentro do citoplasma. A bomba agora está de volta ao que era na etapa 1 e o ciclo pode começar novamente.
Isto pode parecer um ciclo complicado, mas apenas envolve a ida e a volta da proteína entre as duas formas: uma forma voltada para dentro com alta afinidade por sódio (e baixa afinidade por potássio) e a outra forma voltada para fora, com alta afinidade por potássio (e baixa afinidade por sódio). A proteína pode alternar entre essas duas formas pela adição ou remoção de um grupo fosfato, o qual, por sua vez, é controlado pela ligação dos íons a serem transportados.

Como a bomba de sódio-potássio gera o potencial de membrana

Como, exatamente a bomba sódio potássio estabelece uma voltagem através da membrana? É tentador simplificar com um argumento baseado na estequiometria: para cada três íons de sódio que se movem para fora, apenas dois íons de potássio movem-se para dentro, resultando num interior celular mais negativo. Enquanto esta proporção de carga torna o interior celular ligeiramente mais negativo, na realidade ele representa apenas uma minúscula fração do efeito da bomba sódio potássio no potencial da membrana.
Em vez disso, a bomba sódio-potássio age principalmente pela construção de uma elevada concentração de íons de potássio dentro da célula, que faz o gradiente de concentração de potássio ficar bem acentuado. O gradiente é acentuado o suficiente para que os íons de potássio movam-se para fora da célula (pelos canais), apesar da crescente carga negativa no interior. Esse processo continua até que a voltagem através da membrana seja grande o suficiente para contrabalançar o gradiente de concentração do potássio. Nesse ponto de equilíbrio, o interior da membrana fica negativo em relação ao exterior. Esta voltagem será mantida enquanto a concentração K+^+ na célula estiver alta, mas irá desaparecer se o K+^+ parar de ser importado4,5^{4,5}.
Para mais explicações sobre como a voltagem através da membrana se estabelece, dê uma olhada no artigo sobre o potencial da membrana na seção de neurobiologia.

Transporte ativo secundário

Os gradientes eletroquímicos instituídos pelo transporte ativo primário armazenam energia, que pode ser liberada conforme os íons movem-se novamente a favor de seu gradiente. O transporte ativo secundário usa a energia armazenada nesses gradientes, para mover outras substâncias contra seus próprios gradientes.
Um exemplo: vamos supor que temos uma elevada concentração de íons de sódio no espaço intracelular (graças ao árduo trabalho da bomba sódio-potássio). Se uma rota, como uma proteína de canal ou carreadora estiverem disponíveis, os íons de sódio irão se mover a favor de seu gradiente de concentração e retornar ao interior da célulal.
No transporte ativo secundário, o movimento dos íons de sódio a favor do seu gradiente de concentração está associado ao transporte contra o gradiente de concentração de outras substâncias por uma proteína carreadora compartilhada (uma co-transportadora). Por exemplo, na figura abaixo, a proteína carreadora deixa os íons de sódio moverem-se a favor do seu gradiente, mas simultaneamente traz uma molécula de glicose, contra seu gradiente de concentração, para dentro da célula. A proteína carreadora usa energia do gradiente de sódio para dirigir o transporte das moléculas de glicose.
No transporte ativo secundário, as duas moléculas sendo transportadas podem mover-se tanto na mesma direção (i.e., ambas para dentro da célula), ou em direções opostas (i.e., uma para dentro e outra para fora da célula). Quando elas se movem na mesma direção, a proteína que as transporta é chamada de simportador, enquanto que se elas se movem em direções opostas, a proteína é chamada de antiportador.
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