Em formação

3.3: Transporte através da membrana celular - Biologia


3.3: Transporte através da membrana celular

Transporte através da membrana

OBJETIVO
Estudar os efeitos das soluções hipotônicas, hipertônicas e isotônicas nas células vegetais e animais.

INTRODUÇÃO
Em biologia celular, o termo transporte por membrana refere-se ao conjunto de mecanismos que regulam a passagem de solutos como íons e pequenas moléculas através das membranas biológicas, que são bicamadas lipídicas que contêm proteínas embutidas nelas. A regulação da passagem através da membrana é devido à permeabilidade seletiva da membrana & # 8211 uma característica das membranas biológicas que lhes permite separar substâncias de natureza química distinta.

Em outras palavras, eles podem ser permeáveis ​​a certas substâncias, mas não a outras. Os movimentos da maioria dos solutos através da membrana são mediados por proteínas de transporte de membrana que são especializadas em vários graus no transporte de moléculas específicas.

Como a diversidade e fisiologia das células distintas estão altamente relacionadas às suas capacidades de atrair diferentes elementos externos, postula-se que exista um grupo de proteínas de transporte específicas para cada tipo de célula e para cada estágio fisiológico específico.

Essa expressão diferencial é regulada pela transcrição diferencial dos genes que codificam essas proteínas e sua tradução, por exemplo, por mecanismos genético-moleculares, mas também no nível da biologia celular: a produção dessas proteínas pode ser ativada por vias de sinalização celular, no nível bioquímico, ou mesmo por estar situado em vesículas citoplasmáticas. Hipotônico se refere a uma concentração menor. Uma solução hipotônica tem uma concentração mais baixa de solutos em seu entorno, então, em uma tentativa de equilibrar as concentrações, a água entrará na célula, causando inchaço. Alguns organismos desenvolveram métodos complexos de contornar a hipotonicidade. Por exemplo, a água salgada é hipertônica para os peixes que nela vivem. Eles precisam de uma grande área de superfície em suas guelras em contato com a água do mar para a troca gasosa, portanto, perdem água osmoticamente para o mar a partir das células branquiais. Eles respondem à perda bebendo grandes quantidades de água salgada e excretando ativamente o excesso de sal. Este processo é denominado osmorregulação.

Uma solução isotônica é aquela em que sua concentração de osmole efetiva é a mesma que a concentração de soluto de outra solução com a qual é comparada. Isso ocorre, por exemplo, quando a concentração de ambas as moléculas de água e de soluto total são as mesmas em uma solução externa e no conteúdo da célula. As moléculas de água se difundem através da membrana plasmática em ambas as direções e, como a taxa de difusão da água é a mesma em cada direção, a célula não ganhará nem perderá água. Por exemplo, a osmolaridade do soro fisiológico normal, 9 gramas de NaCl dissolvidos em água até um volume total de um litro, é uma grande aproximação da osmolaridade do NaCl no sangue, isto é, o soro fisiológico é quase isotónico em relação ao plasma sanguíneo. Hipertônico refere-se a uma maior concentração. Em biologia, uma solução hipertônica é aquela com uma concentração mais alta de solutos do lado de fora da célula. Quando uma célula é imersa em uma solução hipertônica, a tendência é que a água flua para fora da célula para equilibrar a concentração dos solutos.

Quando as células vegetais estão em uma solução hipertônica, a membrana celular flexível se afasta da parede celular rígida, mas permanece unida à parede celular em pontos chamados plasmodesmos. A célula assume a aparência de uma almofada de alfinetes, e os plasmodos quase param de funcionar porque ficam contraídos: uma condição conhecida como plasmólise. Em células vegetais, os termos isotônico, hipotônico e hipertônico não podem ser usados ​​estritamente com precisão porque a pressão exercida pela parede celular afeta significativamente o ponto de equilíbrio osmótico. Uma solução hipertônica é usada em osmoterapia para tratar hemorragia cerebral

Materiais
Aparelho.
Cebola
batata
açúcar de mesa / sacarose
sal de cozinha / NaCl2
água destilada
Etanol 70%

faca pequena
lâmina de vidro
lamínula
microscópio
Tubos de ensaio
copos (250 ml e 500 ml)
filtro de papel
algodão
lanceta
balança digital de bancada (2)
agitador magnético / haste de agitação
espátula

Célula de cebola em água destilada

Célula de cebola em solução de sacarose a 5% (p / v)

Célula de cebola em solução de sacarose a 30% (p / v)

Sal conc.
(w / v)
Peso inicial
de batata em pau (g)
Peso final
de batata em pau (g)
Mudança em
Peso (g)
Mudança em
Peso (%)
Posição relativa
Perda ou ganho de água.

Grosso
Afinar
Grosso
Afinar
Grosso
Afinar
Grosso
Afinar
Grosso
Afinar
10% NaCl
2.00
0.52
1.68
0.45
-0.32
-0.07
-16.00
-13.46
Perda de água
Perda de água
3,5% NaCl
1.97
0.52
1.80
0.47
-0.17
-0.05
-8.63
-9.62
Perda de água
Perda de água
0,88% NaCl
2.06
0.53
2.15
0.56
0.09
0.03
4.37
5.66
Ganho de água
Ganho de água
Água destilada
2.00
0.56
2.21
0.64
0.21
0.08
10.50
14.29
Ganho de água
Ganho de água

Célula sanguínea em água destilada

Fig 3.1
Célula sanguínea em 4% (w / v) NaCl

Célula sanguínea em NaCl 0,85% (w / v)

A camada epidérmica de uma cebola é colocada sobre um líquido em diferentes concentrações. A estrutura de uma célula da cebola varia de acordo com a concentração conforme examinamos ao microscópio. Na água destilada, as células da cebola ficam túrgidas. Isso ocorre porque a água do fluido extracelular entra na célula por osmose, fazendo com que a célula inche sem estourar devido à presença da parede celular. O aumento da pressão empurra o citoplasma contra a parede celular e as células tornam-se túrgidas, conforme mostrado na figura 1.1. Água destilada é considerada solução hipotônica. Em solução de sacarose a 5% (p / v), as células da cebola se retêm na forma normal. Isso ocorre porque a água do fluido extracelular se move para dentro e para fora da célula na mesma taxa, portanto, não há movimento líquido da água. A célula mantém sua forma normal, conforme mostrado na figura 1.2. Portanto, a solução de sacarose a 5% (p / v) é considerada uma solução isotônica. Na solução de sacarose a 30% (p / v), as células da cebola se plasmolisam à medida que a água sai da célula por osmose, o citoplasma se afasta da parede celular e a célula se torna flácida. Diz-se que foi plasmolisado como mostrado na figura 1.3. Portanto, a solução de sacarose a 30% (p / v) é considerada uma solução hipertônica.

As células da batata também apresentam os mesmos efeitos das células epidérmicas da cebola quando colocadas em soluções hipotônicas, isotônicas e hipertônicas.
Em NaCl a 10% (p / v), o peso dos palitos de batata diminui em grande porcentagem em torno de 16% e # 8211 13%. Isso mostra que a água nas células sai por osmose para o fluido extracelular, que é hipertônico. A célula é considerada flácida devido à perda de água.

Em NaCl a 3,5% (p / v), o peso dos palitos de batata diminui em cerca de 9% -8%. Isso mostra que a água nas células sai por osmose para o fluido extracelular, que é hipertônico. A célula é considerada flácida devido à perda de água.

Em NaCl a 0,88% (p / v), o peso dos palitos de batata é ligeiramente aumentado em cerca de 4% -5%. Isso mostra que a água no fluido extracelular entra nas células por osmose. Pode-se dizer que a célula não muda de forma como uma mudança mínima de peso. Portanto, nenhuma mudança na forma das células e a solução é considerada isotônica.

Na água destilada, o peso dos palitos de batata aumenta bastante em torno de 10% a 14%. Isso mostra que a água no fluido extracelular entra nas células por osmose. Pode-se dizer que a célula se tornou túrgida e a água destilada é hipotônica.

O tubo de ensaio A, B e C é preenchido com solução de concentração diferente e algumas gotas de sangue foram adicionadas a cada tubo de ensaio. A estrutura das células sanguíneas varia de acordo com a concentração conforme examinamos ao microscópio. Na água destilada, as células do sangue explodem. Isso ocorre porque a água do fluido extracelular entra na célula, a célula aumenta de tamanho e finalmente explode. A membrana celular não pode suportar a alta pressão dentro da célula e isso é mostrado na figura 3.1. Este processo é denominado hemólise. Água destilada é considerada solução hipotônica. Em 4,0% (w / v) NaCl, o
as células sanguíneas tornam-se plasmolisadas. A plasmólise ocorre onde a água da célula sai. As células encolhem e tornam-se crenadas. Isso é mostrado na figura 3.2. Portanto, 4,0% (p / v) de NaCl é considerado solução hipertônica. Em NaCl a 0,85% (p / v), as células sanguíneas se retêm na forma normal. Isso ocorre porque a água se move para dentro e para fora da célula na mesma taxa, portanto, não há movimento líquido de água. A célula mantém sua forma normal, conforme mostrado na figura 3.3. Portanto, 0,85% (p / v) de NaCl é considerado isotônico.


O efeito de soluções hipotônicas, hipertônicas e isotônicas em células animais e vegetais

1) Ao comparar três soluções com diferentes concentrações de soluto:

Hipertonia

Uma solução hipertônica é uma solução que possui uma concentração de soluto maior do que o citosol. Ele contém uma concentração maior de solutos impermeáveis ​​no lado externo da membrana. Quando o citoplasma de uma célula é banhado em uma solução hipertônica, a água será puxada para dentro da solução e para fora da célula por osmose. Se as moléculas de água continuarem a se difundir para fora da célula, isso fará com que a célula encolha ou crenate.

Uma solução hipertônica é usada na osmoterapia [1] para tratar hemorragia cerebral.

Hipotonicidade

Uma solução hipotônica é uma solução com menor concentração de soluto do que o citosol. Ele contém uma concentração menor de solutos impermeáveis ​​no lado externo da membrana. Quando o citoplasma de uma célula é banhado em uma solução hipotônica, a água será retirada da solução e para dentro da célula por osmose. Se as moléculas de água continuarem a se difundir na célula, isso fará com que a célula inche, até o ponto em que pode ocorrer citólise (ruptura). Nas células vegetais, a célula nem sempre se rompe. Quando colocada em uma solução hipotônica, a célula terá pressão de turgor e continuará com suas funções normais.

Isotonicidade

Uma condição ou propriedade de uma solução em que sua concentração de soluto é igual à concentração de soluto de outra solução com a qual é comparada.


2.3 Questões do exame Transporte através das membranas celulares | A Level Biology AQA

Professor de Biologia de nível e tutor on-line, graduado em Ciências Biomédicas e aluno A * recente. Fornecer notas de revisão concisas e pontuais com base em esquemas de notas projetados para ajudar os alunos a entender exatamente o que os examinadores estão procurando. Para obter mais recursos e aulas de técnicas de exame, visite meu website biologywitholivia.co.uk

Compartilhar isso

  • 35 páginas de perguntas do exame e esquemas de notas
  • Especificação AQA A Level biology 2015, unidade 2, seção 3, ‘transporte através das membranas celulares’
  • Perguntas do exame retiradas de trabalhos anteriores de biologia de nível de especificação e biologia humana
  • Pode ser usado como uma atividade em sala de aula, dado como lição de casa ou para revisão

Avaliações

Sua classificação é necessária para refletir sua felicidade.

É bom deixar algum feedback.

Algo deu errado, tente novamente mais tarde.

JackC10H15N

Resposta vazia não faz sentido para o usuário final

Rpatel1425

Resposta vazia não faz sentido para o usuário final

Jilly Pinchin

Ótimo recurso, obrigado por compartilhar.

Resposta vazia não faz sentido para o usuário final

Os melhores recursos que já encontrei para uma biografia de nível A! Eu juro por essa conta! Ótimos livretos de exame q para usar depois de revisar um tópico específico usando as notas disponíveis aqui. Tão grato!

Resposta vazia não faz sentido para o usuário final

Resposta vazia não faz sentido para o usuário final

Relate este recurso para nos informar se ele viola nossos termos e condições.
Nossa equipe de atendimento ao cliente analisará seu relatório e entrará em contato.


Transporte de células bacterianas

Cada célula viva requer de seus arredores matérias-primas para a biossíntese e produção de energia e deve liberar para seu ambiente os subprodutos do metabolismo. Alguns compostos não polares podem se dissolver na bicamada lipídica e cruzar a membrana sem assistência, mas para compostos ou íons polares ou carregados, uma proteína de membrana é essencial para o movimento transmembranar. Em alguns casos, uma proteína de membrana simplesmente facilita a difusão de um soluto em seu gradiente de concentração, mas o transporte geralmente ocorre contra um gradiente de concentração, carga elétrica ou ambos, caso em que os solutos devem ser "bombeados" em um processo que requer energia . Os íons também podem se mover através das membranas por meio de canais iônicos formados por proteínas, ou podem ser transportados por ionóforos, pequenas moléculas que mascaram a carga dos íons e permitem que eles se difundam através da bicamada lipídica. Com muito poucas exceções, o tráfego de pequenas moléculas através da membrana plasmática é mediado por proteínas, como canais transmembranares, transportadores ou bombas.

A) Difusão passiva

O movimento das moléculas através de uma membrana por transporte passivo não requer uma entrada de energia metabólica. A molécula passa de uma concentração alta para uma concentração mais baixa. O transporte passivo por difusão simples não requer a presença de proteínas integrais de membrana. A taxa de movimento de uma molécula (por exemplo, água, gases e ureia) por difusão simples é diretamente proporcional ao seu gradiente de concentração através da membrana.

B) Difusão facilitada

O transporte passivo por difusão facilitada requer a presença de proteínas de membrana integrais específicas para facilitar o movimento da molécula (por exemplo, glicose, outros açúcares, aminoácidos, etc.) através da membrana. A proteína de transporte (por exemplo, o transportador de glicose eritrocitária) é específica para uma molécula particular, é saturável, exibe cinética de ligação e é influenciada pela temperatura, pH e inibidores.

A difusão facilitada (ou mediada por transportador) de uma molécula através de uma membrana biológica depende de proteínas integrantes específicas da membrana, freqüentemente chamadas de uniporters. A molécula se liga à proteína em um lado da membrana - a proteína então sofre uma mudança conformacional, transporta a molécula através da membrana e a libera do outro lado. As moléculas transportadas através das membranas incluem moléculas hidrofílicas, como glicose, outros açúcares e aminoácidos. As proteínas de transporte são específicas para uma determinada molécula ou um grupo de moléculas estruturalmente semelhantes. As proteínas de transporte são capazes de ser saturadas e são influenciadas pela temperatura, pH e moléculas inibidoras.

C) Transporte Ativo

O transporte ativo ocorre contra os gradientes de concentração e é mediado por proteínas transportadoras. A energia metabólica é usada para mover íons ou moléculas contra o gradiente de concentração. O transporte ativo resulta no acúmulo de soluto em um lado da membrana. O transporte ativo é de dois tipos de transporte ativo primário e transporte ativo secundário.

Transporte ativo secundário

O transporte ativo secundário também é conhecido como transporte indireto. É a transformação de moléculas e íons mediada por proteína transportadora. Ocorre quando o transporte endergônico (para cima) de um soluto é acoplado ao fluxo exergônico (para baixo) de soluto diferente que foi originalmente bombeado pelo transporte ativo primário. O transporte ativo secundário é simporte ou antiporta, dependendo se dois solutos se movem na mesma direção ou na direção oposta.

Conceito de uniport, symport e antiport

Esses são tipos de transporte ativo que precisam de proteína transportadora para moléculas de transformação de um lado a outro da membrana.

Symport & # 8211 Quando a molécula transportada e o íon co-transportado se movem na mesma direção, o processo é chamado de simporte.

Antiport & # 8211 Quando a molécula transportada e o íon co-transportado se movem na direção oposta, o processo é denominado antiporta.

Uniport & # 8211 Os transportadores carregam apenas uma substância de um lado para o outro lado da membrana, que é conhecida como uniport.

Transportador de Na + -glicose: Um exemplo de transporte ativo secundário

Um exemplo comum de transporte ativo secundário é o simporte de Na 'e glicose. O transportador de glicose-Na da proteína transmembranar, também conhecido como co-transportadores ou simportadores de Na-glicose, permite que o Na e a glicose entrem na célula juntos. Simportadores de Na-glicose são uma família de transportadores de glicose presentes na superfície apical (voltada para o lúmen) da célula epitelial do intestino delgado e transporta ativamente moléculas de glicose do intestino para a célula. O Na + flui para baixo em seu gradiente de concentração, enquanto as moléculas de glicose são transportadas contra seu gradiente de concentração para dentro da célula.

Mais tarde, o Na + é bombeado de volta para fora da célula pela Na + -K + ATPase, mantendo assim o gradiente de Na + para dentro. O GLUT confinado às superfícies basolaterais (basais e laterais) da célula permite que a mesma molécula deixe a célula por difusão facilitada no fluido extracelular no outro lado do epitélio.

Da mesma forma, a lactose permease (também conhecida como galactosídeo permease), presente na membrana plasmática de bactérias como a E. coli, utiliza o gradiente de prótons através da membrana para co-transportar prótons e lactose (simporte de prótons de lactose).

D) Translocação de grupo

Transporte inativo, as moléculas de soluto se movem através de uma membrana sem modificação. Muitos procariotos também absorvem moléculas por translocação de grupo, um processo no qual uma molécula é transportada para a célula enquanto é quimicamente alterada. Por exemplo, Fosfoenolpiruvato: Sistema de fosfotransferase de açúcar (PTS). Ele transporta uma variedade de açúcares enquanto os fosforila usando fosfoenolpiruvato (PEP) como o doador de fosfato.

PEP + Açúcar (fora) - & gt Piruvato + Açúcar-P (dentro)

Em E. coli e Salmonella typhimurium, consiste em duas enzimas e uma proteína estável ao calor de baixo peso molecular (HPr). HPr e enzima I (EI) são citoplasmáticas. A enzima II (EII) é mais variável na estrutura e freqüentemente composta de três subunidades ou domínios. EIIA é citoplasmático e solúvel. EIIB também é hidrofílico, mas frequentemente ligado a EIIC, uma proteína hidrofóbica que está embutida na membrana. Um fosfato de alta energia é transferido da PEP para a enzima II (EII) com a ajuda da enzima I (EI) e HPr. Em seguida, uma molécula de açúcar é fosforilada à medida que é transportada através da membrana pela enzima II (EII). A enzima II (EII) transporta apenas açúcares específicos e varia com o PTS, enquanto a enzima I (EI) e o HPr são comuns a todos os PTS & # 8217s.


3.3: Transporte através da membrana celular - Biologia

3.3 & # 9 Movimento através da membrana plasmática

A membrana celular separa a célula do ambiente externo. A fim de se comunicar com o ambiente externo para fins de sobrevivência (por exemplo, para o consumo de alimentos, minerais, etc.), há movimento no citoplasma e na membrana plasmática. Esse movimento ocorre por meio de diversos mecanismos que estão listados a seguir:

Osmose: Um método de movimento através da membrana é a osmose. Osmose é o movimento da água. A osmose geralmente ocorre através de uma membrana semipermeável. Uma membrana semipermeável permite que apenas certas moléculas passem, enquanto mantém outras moléculas de fora. Osmose é realmente um tipo de difusão envolvendo apenas moléculas de água.

Difusão: Outro método de movimento através da membrana é a difusão. A difusão é o movimento das moléculas de uma região de maior concentração para uma de menor concentração. Este movimento ocorre devido a moléculas que constantemente colidem umas com as outras. O momento efetivo total das moléculas vai da região de alta concentração para a região de baixa concentração.

A difusão é o movimento aleatório das moléculas. A troca de moléculas (ocorrendo de uma região de concentração mais alta para uma região de concentração mais baixa) leva à formação de gradiente de concentração. O fenômeno de difusão pode ser visto deixando uma gota de corante na água. A cor da tinta se espalha pela água.

Difusão facilitada : Um terceiro método é a difusão facilitada que ocorre através da membrana plasmática. Este tipo de difusão é muito especializado. Isso ocorre apenas nos casos em que proteínas específicas na membrana permitem apenas certas moléculas através da membrana. Essas proteínas de membrana permitem o movimento na direção que a difusão normalmente tomaria de uma região com maior concentração de moléculas para uma região com menor concentração de moléculas. Nenhum uso de energia é necessário para difusão facilitada.

Transporte Ativo : Um quarto método para movimento através da membrana é o transporte ativo. Quando o transporte ativo ocorre, uma proteína move uma determinada substância através da membrana, geralmente de uma região de menor concentração para uma região de maior concentração. Como você sabe, este movimento é contra o gradiente de concentração, portanto, a energia é necessária para este movimento. Normalmente, a célula obtém sua energia do ATP (trifosfato de adenosina). Por exemplo, nos músculos cardíacos, ocorre o transporte ativo. Nessas células, os íons de sódio são constantemente transportados para fora da célula. O compartimento celular é uma região de alta concentração de íons sódio. O acúmulo de íons carregados eletricamente permite mudanças na voltagem sobre a membrana celular, o que afeta a contração das células musculares.

Endocitose: Este outro mecanismo de movimento através da membrana plasmática. Nesse tipo, um pequeno pedaço de membrana plasmática envolve partículas ou pequenos volumes de fluido que estão na superfície da célula ou próximos a ela. O invólucro da membrana então afunda no citoplasma e se separa da membrana, formando uma vesícula que se move para o citoplasma. Quando a vesícula contém partículas, o processo é denominado fagocitose. Quando a vesícula contém líquidos ou gotículas de líquidos, o processo é denominado pinocitose.


Transporte de moléculas através da membrana celular

Os pontos a seguir destacam os cinco processos envolvidos no transporte de moléculas através da membrana celular. Os processos são: 1. Difusão passiva 2. Difusão facilitada 3. Transporte ativo 4. Translocação de grupo 5. Transporte de íons através de ionóforos.

Processo # 1. Difusão Passiva:

Por difusão passiva, as moléculas se movem através da membrana sem interagir com nenhuma proteína transportadora específica na membrana celular. O movimento é sempre de uma concentração mais alta para uma mais baixa e esse movimento continua até que a concentração do soluto em ambos os lados da membrana seja a mesma.

Nessa concentração, um equilíbrio é alcançado. No entanto, se a molécula dentro da célula for consumida, o movimento para dentro continua, e. o oxigênio transportado para a célula é continuamente consumido para a respiração ou o dióxido de carbono para a fotossíntese. As moléculas que podem entrar nas células por difusão passiva são geralmente de tamanho pequeno e não polares por natureza.

Processo # 2. Difusão facilitada:

Este processo de transporte difere da difusão passiva por ter a necessidade de um transportador ou proteína transportadora. Essas proteínas - também conhecidas como permeases - estão localizadas na membrana e acredita-se que se estendam por toda a largura da bicamada lipídica.

As proteínas transportadoras são específicas para um tipo particular de molécula, ou às vezes um grupo de moléculas intimamente relacionadas. A função dos transportadores é ligar a molécula transportável de um lado da membrana e liberá-la do outro lado. Presumivelmente, essa função está associada à mudança conformacional da molécula da proteína transportadora.

Isso é esquematicamente mostrado na Fig. 8.81:

Três tipos de proteínas transportadoras foram reconhecidos. São unipórteres que transportam apenas um tipo de molécula em uma única direção, de fora para dentro ou na direção oposta. Simportadores podem transportar dois tipos diferentes de moléculas na mesma direção e os anti-porters carregam duas moléculas diferentes em direções opostas.

As funções desses três tipos de transportadores são mostradas esquematicamente na Fig. 8.82:

As proteínas de transporte se assemelham às enzimas até certo ponto. Tanto os transportadores quanto as enzimas apresentam especificidade ou seletividade em relação ao tipo de molécula ou grupo de moléculas com as quais podem interagir. Além disso, ambos exibem uma cinética de saturação, o que significa que pelo aumento gradual da concentração das moléculas com as quais reagem, um ponto de saturação é atingido, além do qual um aumento posterior resulta em nenhum aumento da velocidade. Mas existe uma diferença importante. Enquanto as enzimas transformam as moléculas do substrato em produtos, as proteínas transportadoras entregam as moléculas inalteradas através da membrana.

A cinética de saturação observada no caso de difusão facilitada está ausente na difusão passiva. Na difusão passiva, o fator decisivo é o gradiente de concentração e a taxa de transporte aumenta com a diferença nas concentrações das moléculas transportáveis ​​nos dois lados da membrana.

Quando o equilíbrio é alcançado, as concentrações são iguais nos dois lados. No caso de difusão facilitada, o aumento na concentração das moléculas transportáveis ​​em um lado da membrana também resulta em um aumento na taxa de transporte, até que todas as proteínas transportadoras estejam saturadas com tais moléculas.

Nesse ponto, a taxa de difusão é máxima e essa taxa é mantida até que as concentrações em ambos os lados sejam iguais. Assim, tanto por difusão passiva quanto por difusão facilitada, a concentração final é a mesma. Mas como a difusão facilitada é um processo mais rápido, o equilíbrio é alcançado mais rapidamente.

Isso é mostrado em diagrama na Fig. 8.83:

Processo # 3. Transporte ativo:

O transporte ativo de moléculas de nutrientes difere basicamente dos processos de difusão, seja passiva ou facilitada. No processo ativo, o transporte através da membrana ocorre contra o gradiente de concentração, isto é, de uma concentração mais baixa para uma concentração mais alta do soluto. Esse transporte só pode ocorrer com gasto de energia. Em outras palavras, o transporte ativo é sempre um processo que consome energia (endergônico). Em sistemas biológicos, o transporte ativo é frequentemente muito mais importante do que os processos de difusão.

A razão pela qual o transporte ativo de moléculas de soluto de uma concentração mais baixa para uma mais alta requer a entrada de energia é compreensível a partir dos princípios termodinâmicos. Devido ao aumento na concentração de moléculas de soluto na célula, a energia livre (G) aumenta porque a entropia (S) diminui.

A relação entre as variações da energia livre (∆G) e a entropia é expressa pela equação, ∆G = ∆H & # 8211 T∆S, onde H representa a entalpia (energia total do sistema) e T representa a temperatura absoluta. À medida que a concentração aumenta na célula, a entropia cai porque as moléculas de soluto são aproximadas umas das outras, resultando em sua perda de liberdade de movimento.

Outros fatores, isto é, H e T, permanecendo os mesmos, diminuição em S significa aumento no valor de G, isto é, energia livre. Assim, o transporte ativo leva ao ganho de energia livre (G). Um processo que leva ao aumento da energia livre não pode ocorrer espontaneamente e só pode ocorrer por meio da entrada de energia. Esta energia é fornecida pela hidrólise do ATP ou pela força motriz do próton (PMF) gerada pela concentração desigual de prótons (H +) em ambos os lados da membrana.

A quantidade de energia (expressa em calorias) necessária no transporte ativo pode ser calculada usando a equação AG = RT Em C2/ C1, onde ∆G representa a diferença na energia livre, R a constante do gás (= 1,98), T a temperatura expressa como temperatura absoluta (273 + ° C), No logaritmo natural (2,303 x log10), C2 a concentração do soluto dentro da célula e Q a concentração do soluto fora.

Agora, no transporte ativo C2 é maior que C1 e, portanto, o fator C2/ C1 é sempre um número inteiro positivo. Isso significa que ∆G tem um valor positivo. Um sistema com um ∆G positivo não pode operar espontaneamente. A partir da equação acima, a quantidade de energia necessária para o transporte de 1 mol de um soluto não ionizado através de uma membrana que é permeável à molécula de soluto, de uma concentração de 0,001 M a 0,1 M a uma determinada temperatura, digamos 30 ° C , pode ser calculado

∆G = RT em C2/ C1 = 1,98 x (273 + 30) x 2,303 log (0,1 / 0,001)

Para moléculas carregadas, isto é, íons e radicais, a equação acima deve ser modificada para acomodar outro gradiente além do gradiente de concentração, isto é, o gradiente de eletro-potencial, porque o último também contribui para a mudança de energia livre no sistema.

Assim como a difusão facilitada, o transporte ativo também envolve a mediação de proteínas transportadoras presentes na membrana celular. Essas proteínas presumivelmente funcionam da mesma maneira que aquelas envolvidas na difusão facilitada. Eles, em virtude de terem uma alta afinidade para o soluto transportável, combinam-se com ele e, assim, sofrem uma alteração conformacional perdendo afinidade para as moléculas de soluto resultando na liberação no outro lado da membrana.

Quando um determinado soluto tem que ser transportado ativamente usando a força motriz do próton, a proteína transportadora se liga tanto ao H + quanto às moléculas do soluto. Um exemplo deste tipo de transporte é fornecido pela absorção de lactose por E. coli. O transportador de lactose (lactose-permease) liga-se a ambas as moléculas de H + e lactose e as transporta simultaneamente para a célula (symport).

Outro exemplo é encontrado no caso do transporte de glutamato em E. coli. O transportador, neste caso, liga o glutamato no exterior e transporta-o para dentro, e liga o H + no interior e os expulsa para fora (anti-porta), de modo que a captação do glutamato está ligada à expulsão do H +.

(i) Transporte ativo de lactose em E. coli:

O transporte de lactose em E. coli é um sistema induzível. As bactérias cultivadas na ausência de lactose são incapazes de transportar o açúcar para as células. Mas quando a lactose é adicionada ao meio substituindo outros açúcares (como a glicose), as bactérias desenvolvem rapidamente a capacidade de transportar lactose devido à nova síntese de permease de lactose. Esta enzima é uma proteína integral da membrana que atua como transportador de lactose.

Foi observado que o transporte de lactose para a célula é acompanhado por um aumento no valor do pH do meio externo devido ao esgotamento dos íons H +. De acordo com a teoria quimiosmótica, a oxidação de substratos respiratórios leva à expulsão de H + para fora da célula, criando um gradiente de prótons através da membrana celular, que é utilizado para a síntese de ATP. O gradiente de prótons assim criado é utilizado pela E. coli também para a absorção de lactose.

A molécula de permease de lactose contém um local específico para a ligação da lactose e outro local para a ligação de H +, e ambos os locais devem ser engajados para que a enzima seja funcional. A proteína permease atravessa a membrana e se liga à lactose e ao próton na face externa.

Essa ligação causa uma mudança na conformação da proteína e resulta na liberação de lactose e H + dentro da célula (simporte). Após a liberação, a permease retorna à sua conformação original, permitindo que o ciclo seja repetido. O gradiente de prótons é mantido pela expansão respiratória de H +.

A função da lactose permease em E. coli é mostrada em diagrama na Fig. 8.84:

(ii) Transporte de Na + e K + :

Na maioria dos organismos biológicos, a concentração intracelular de K + é maior do que a do meio externo. O reverso é a situação no caso de Na +. A capacidade das células de manter essa concentração diferencial de Na + e K + vis-à-vis o meio externo foi encontrada para ser devido a uma enzima, Na + K + -ATPase presente na membrana.

Esta enzima requer a presença de Na + dentro da célula e K + fora para se tornar funcional. Possui um sítio de ligação de ATP e outro sítio de ligação de Na + em direção à sua face interna. Em sua face externa, a enzima possui um local de ligação ao K +. Tem sido sugerido que como a enzima se liga a Na + e ATP, ela induz uma hidrólise de ATP resultando em sua mudança conformacional.

A conformação alterada da enzima perde afinidade para o Na +, que é liberado para fora, mas, ao mesmo tempo, a conformação alterada desenvolve afinidade para o K +, que é transportado para dentro da célula. A ligação do K + com a enzima causa a desfosforilação (liberação de fosfato inorgânico) que traz de volta a conformação original da proteína da enzima e permite a ligação do Na + e do ATP. Uma Na + K + & # 8211 ATPase purificada é uma glicoproteína que consiste em duas subunidades grandes e duas pequenas.

The small subunits have carbohydrate side chains on their outer face (Fig. 8.85):

The active expulsion of Na + by the Na + K + -ATPase activity creates a Na + gradient across the membrane which is utilized by many microorganisms for active uptake of amino acids and sugars. The inward transport of these compounds is accompanied by simultaneous uptake of Na + which moves down a concentration gradient, whereas amino acids and sugars move against a concentration gradient i.e. from a lower (outside) to a higher (inside) concentration.

The higher outside concentration of Na + is maintained by active expulsion of Na + through Na + K + -ATPase activity. The transporter proteins specific for amino acids or sugars have two binding sites, one for Na + and the other for the amino acid or sugar. Only when both sites are occupied by the respective ligands, can transport occur (symport).

Process # 4. Group Translocation:

Group translocation is a type of transport in which the transportable molecule is chemically altered to an impermeable form during its passage through the cytoplasmic membrane. Due to the transformation, the molecule is trapped in the cytoplasm and cannot escape.

The best known example of group translocation is the phosphotransferase system (PTS) occurring in a wide variety of bacteria for transport of sugars. The system has been found to operate in E. coli, Salmonella, Vibrio, Staphylococcus, Clostridium, Fusobacterium etc. However, in some bacteria, like Azotobacter, Mycobacterium, Nocardia and Micrococcus, PTS is absent.

At least three different proteins have been found to be involved in group translocation system of different sugars. For some sugars, like glucose, an additional protein is required. These proteins are enzyme I, enzyme II and a heat-stable small protein, called HPr. The additional protein for glucose is enzyme III.

All these proteins except enzyme II are cytoplasmic. Enzyme II is a membrane-integral protein. It is also different for transport of different sugars, while enzyme I and HPr are common to all sugar transport systems. These proteins serve as a chain of carriers in the PTS.

The operation of this translocation system (PTS) starts with transfer of the high-energy phosphate group of phosphoenol pyruvic acid (PEP) to enzyme I (E-I) in the cytoplasm of the bacterial cell. Next, the phosphate group of the phosphorylated E-I (E-I-P) is transferred to HPr, also a cytoplasmic protein, to produce HPr-(P). The phosphate group is then transferred to the membrane-bound enzyme II (E-II) directly, or, in case of glucose transport, via enzyme III (E-III).

Finally, phosphorylated E-II or E-III donates its phosphate group to the sugar being transported and the sugar is released in the cytoplasm as its phosphate ester. For example, in case of glucose, it is glucose 6-phosphate. The negatively charged sugar phosphate in prevented from escaping through the cytoplasmic membrane.

In case of mannitol, the phosphorylated form in which it is released is mannitol-1-phosphate. Since the membrane is generally impervious to charged molecular, the PTS can lead to high concentration of the sugar phosphate in the cytoplasm, while the concentration of sugars is much lower in the external medium. Thus, in PTS, sugars are translocate against a concentration gradient. It is therefore, a type of active transport in which the energy is supplied by the energy-rich compound PEP.

Enzyme II is a membrane-integral protein which is specific for the sugar being transported. Many different kinds of sugars can be transported by PTS. These include glucose, galactose, fructose, pentose’s, sugar alcohols like mannitol, ribitol, and galactosides. For each of these compounds, there appears to be a different enzyme II.

The small heat-stable protein (HPr) of the PTS has a molecular weight of 9,400 Daltons. When HPr is phosphorylated by E-I

(P), the phosphate group is attached through a N-atoms of a histidine residue of the HPr.

A schematic representation of the chain of carries in the operation of phosphotransferase system of bacteria is shown in Fig. 8.86:

Process # 5. Ion Transport through Ionophores:

Certain antibiotic compounds elaborated by micro

nisms can act as ionophores when they are integrated into the membrane. These agents are not, however, natural transport components of the membrane. Two of such agents are valinomycin produced by a species of Streptomyces and gramicidin produced by Bacillus brevis. Transport of ions by these ionophores has been well-studied in isolated mitochondria.

Valinomycin is a cyclic molecule consisting of 12 alternating molecules of D- or L-valine and L-lactate or D-hydroxyisovalerate. The structure of valinomycin is shown in Fig. 8.87A. The circular valinomycin molecule has a hydrophobic periphery which matches well with the hydrbphobic lipid bilayer of the membrane where valinomycin is inserted.

The central core of the valinomycin molecille is hydrophilic and negatively charged. The negatively charged core can bind positively charged cations. Valinomycin can specifically transport K + , because the size is such that it fits snugly in the central core. Na + or Li + are less efficiently transported by valinomycin, because their size does not match with the size of the central core of the molecule.

Another antibiotic compound, non-actin, has also a circular structure and is known to transport K + across mitochondrial membrane.

Its structure is shown in Fig. 8.87B:

According to one hypothesis, valinomycin acts as a carrier and the molecule diffuses back and forth across the membrane lipid bilayer transporting K + across the membrane.

The positive charge of the ion is masked by the negatively charged core of the valinomycin molecule (Fig. 8.88):

Gramicidin A is a polypeptide antibiotic consisting of a linear chain of 15 amino acid residues. Two gramicidin molecules joined by H-bonds at their N-terminal ends form a helix spanning across the membrane. Through the central channel of the helix, monovalent cations like H + , NH4 + , K + , Na + and Li + may be transported into the cell.

The order of preference of transportable ions is as mentioned i.e. H + has the highest preference and Li + the lowest.

The structure of gramicidin A molecule and the postulated helix formed by a pair of gramicidin molecules in the lipid bilayer of the membrane are shown in Fig. 8.89 A and B:


Transport across membranes:

Facilitated diffusioninvolves a carrier protein which has a special binding site for specific molecules. When the molecule is attached the carrier protein changes shape to allow the molecule to go down its concentration gradient on to the other side. As this is diffusion, this always involves certain carrier proteins so the molecules that use this carrier protein always go down their concentration gradient. Channel proteins open when a certain type of molecule binds to its receptors called acetylcholine (NB: This name does not need to be known for the exam, however it is good to know what you are talking about). This channel is called a ligand-gatted ion channel. Ions such as Na + diffuse down its concentration gradient.

Osmosis is where water molecules move from a high water potential to a low water potential through a semi-permeable membrane (NB: It is important that you say potential and not concentration at AS AQA Level as you will not get the mark. It is important that you say semi-permeable membrane and not just membrane because it does not allow all things to go through only water molecules and gases as you will not get the mark). Solutions that have a higher concentration of solutes than the cell they are surrounding are called hypertonic. Vice versa means that they are hypotonic. If the cell and the solution both have the same concentration of solutes then they are called isotonic with respect to the solution.

Transporte Ativo involves ATP being hydrolysed into ADP and Pi. The Pi controls the transport of solutes through another type of carrier protein up its concentration gradient.

Cells may be adapted also to do rapid transport where they have many proteins as part of their cell membrane.


Active Transport of Amino Acids

The active transport of amino acids is also mediated by Na + cotransport.

How many sodium ions are needed to provide the free energy to transport a molecule of glutamic acid from a concentration of 0.1 mM outside the cell to 20 mM inside the cell?

Again, assume a temperature of 37°C (310°K).

7, glutamic acid molecules carry a net charge of minus 1 [View].

  • a concentration gradient (20/0.1 = 200) and a
  • electrostatic gradient (moving a negative charge against a voltage of &minus 70 mV).

Because sodium ions release only 3.3 kcal/mole (above), at least 2 Na + are needed to cotransport one molecule of glutamic acid.


Assista o vídeo: TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA PLASMÁTICA - Mapa Mental. Biologia com Samuel Cunha (Dezembro 2021).