Em formação

6.8: Transporte Passivo - Biologia


objetivos de aprendizado

Explique como as substâncias são transportadas diretamente através de uma membrana

As formas mais diretas de transporte por membrana são passivas. Transporte passivo é um fenômeno que ocorre naturalmente e não requer que a célula exerça nenhuma de sua energia para realizar o movimento. No transporte passivo, as substâncias se movem de uma área de maior concentração para uma área de menor concentração. Um espaço físico no qual existe uma gama de concentrações de uma única substância é considerado como tendo um gradiente de concentração.

Permeabilidade seletiva

As membranas plasmáticas são assimétricas: o interior da membrana não é idêntico ao exterior da membrana. Na verdade, há uma diferença considerável entre a matriz de fosfolipídios e proteínas entre os dois folhetos que formam uma membrana. No interior da membrana, algumas proteínas servem para ancorar a membrana às fibras do citoesqueleto. Existem proteínas periféricas no exterior da membrana que ligam os elementos da matriz extracelular. Os carboidratos, ligados a lipídios ou proteínas, também são encontrados na superfície externa da membrana plasmática. Esses complexos de carboidratos ajudam a célula a ligar as substâncias de que necessita no fluido extracelular. Isso aumenta consideravelmente a natureza seletiva das membranas plasmáticas (Figura 1).

Lembre-se de que as membranas plasmáticas são anfifílicas: elas têm regiões hidrofílicas e hidrofóbicas. Essa característica facilita a movimentação de alguns materiais através da membrana e dificulta a movimentação de outros. O material lipossolúvel com baixo peso molecular pode deslizar facilmente através do núcleo lipídico hidrofóbico da membrana. Substâncias como as vitaminas lipossolúveis A, D, E e K passam facilmente pelas membranas plasmáticas no trato digestivo e em outros tecidos. As drogas solúveis em gordura e os hormônios também entram facilmente nas células e são facilmente transportados para os tecidos e órgãos do corpo. Moléculas de oxigênio e dióxido de carbono não têm carga e, portanto, passam através das membranas por difusão simples.

As substâncias polares apresentam problemas para a membrana. Embora algumas moléculas polares se conectem facilmente com o exterior de uma célula, elas não podem passar facilmente através do núcleo lipídico da membrana plasmática. Além disso, embora pequenos íons possam deslizar facilmente através dos espaços no mosaico da membrana, sua carga os impede de fazê-lo. Íons como sódio, potássio, cálcio e cloreto devem ter meios especiais de penetração nas membranas plasmáticas. Açúcares simples e aminoácidos também precisam de ajuda no transporte através das membranas plasmáticas, alcançado por várias proteínas transmembrana (canais).

Difusão

Difusão é um processo de transporte passivo (veja a Figura 2). Uma única substância tende a se mover de uma área de alta concentração para uma área de baixa concentração até que a concentração seja igual em um espaço. Você está familiarizado com a difusão de substâncias pelo ar.

Por exemplo, pense em alguém abrindo uma garrafa de amônia em uma sala cheia de pessoas. O gás amônia está em sua concentração mais alta na garrafa; sua concentração mais baixa está nas bordas da sala. O vapor de amônia se difundirá ou se espalhará da garrafa e, gradualmente, mais e mais pessoas sentirão o cheiro da amônia conforme ela se espalha. Os materiais se movem dentro do citosol da célula por difusão, e certos materiais se movem através da membrana plasmática por difusão (Figura 3). A difusão não gasta energia. Ao contrário, gradientes de concentração são uma forma de energia potencial, dissipada à medida que o gradiente é eliminado.

Cada substância separada em um meio, como o fluido extracelular, tem seu próprio gradiente de concentração, independente dos gradientes de concentração de outros materiais. Além disso, cada substância se difundirá de acordo com esse gradiente. Dentro de um sistema, haverá diferentes taxas de difusão das diferentes substâncias no meio.

Transporte Facilitado

No transporte facilitado, também chamado de difusão facilitada, os materiais se difundem através da membrana plasmática com a ajuda de proteínas de membrana. Existe um gradiente de concentração que permitiria que esses materiais se difundissem na célula sem gastar energia celular. No entanto, esses materiais são íons ou moléculas polares que são repelidas pelas partes hidrofóbicas da membrana celular. Proteínas de transporte facilitado protegem esses materiais da força repulsiva da membrana, permitindo que eles se difundam na célula.

O material a ser transportado é primeiro ligado a receptores de proteína ou glicoproteína na superfície externa da membrana plasmática. Isso permite que o material necessário à célula seja removido do fluido extracelular. As substâncias são então passadas para proteínas integrais específicas que facilitam sua passagem. Algumas dessas proteínas integrais são coleções de folhas beta pregueadas que formam um poro ou canal através da bicamada fosfolipídica. Outras são proteínas transportadoras que se ligam à substância e auxiliam sua difusão através da membrana.

Canais

As proteínas integrais envolvidas no transporte facilitado são coletivamente referidas como proteínas de transporte, e funcionam como canais para o material ou transportadores. Em ambos os casos, são proteínas transmembrana. Os canais são específicos para a substância que está sendo transportada. Proteínas de canal têm domínios hidrofílicos expostos aos fluidos intracelulares e extracelulares; além disso, possuem um canal hidrofílico através de seu núcleo que fornece uma abertura hidratada através das camadas de membrana (Figura 4). A passagem pelo canal permite que os compostos polares evitem a camada central não polar da membrana plasmática que, de outra forma, retardaria ou impediria sua entrada na célula. Aquaporinas são proteínas de canal que permitem que a água atravesse a membrana em uma taxa muito alta.

As proteínas do canal estão sempre abertas ou são “bloqueadas”, que controlam a abertura do canal. A ligação de um íon particular à proteína do canal pode controlar a abertura, ou outros mecanismos ou substâncias podem estar envolvidos. Em alguns tecidos, os íons sódio e cloreto passam livremente por canais abertos, enquanto em outros tecidos uma porta deve ser aberta para permitir a passagem. Um exemplo disso ocorre no rim, onde ambas as formas de canais são encontradas em diferentes partes dos túbulos renais. As células envolvidas na transmissão de impulsos elétricos, como células nervosas e musculares, possuem canais para sódio, potássio e cálcio em suas membranas. A abertura e o fechamento desses canais mudam as concentrações relativas nos lados opostos da membrana desses íons, resultando na facilitação da transmissão elétrica ao longo das membranas (no caso das células nervosas) ou na contração muscular (no caso das células musculares).

Proteínas Carreadoras

Outro tipo de proteína embutida na membrana plasmática é um proteína transportadora. Essa proteína apropriadamente chamada liga-se a uma substância e, ao fazer isso, desencadeia uma mudança em sua própria forma, movendo a molécula ligada de fora da célula para seu interior (Figura 5); dependendo do gradiente, o material pode se mover na direção oposta. As proteínas transportadoras são tipicamente específicas para uma única substância. Esta seletividade aumenta a seletividade geral da membrana plasmática. O mecanismo exato para a mudança de forma é mal compreendido. As proteínas podem mudar de forma quando suas ligações de hidrogênio são afetadas, mas isso pode não explicar totalmente esse mecanismo. Cada proteína transportadora é específica para uma substância, e há um número finito dessas proteínas em qualquer membrana. Isso pode causar problemas no transporte de material suficiente para que a célula funcione adequadamente. Quando todas as proteínas estão ligadas a seus ligantes, elas ficam saturadas e a taxa de transporte está no máximo. Aumentar o gradiente de concentração neste ponto não resultará em um aumento da taxa de transporte.

Um exemplo desse processo ocorre no rim. Glicose, água, sais, íons e aminoácidos necessários ao corpo são filtrados em uma parte do rim. Esse filtrado, que inclui glicose, é então reabsorvido em outra parte do rim. Como há apenas um número finito de proteínas carreadoras para a glicose, se houver mais glicose do que as proteínas podem suportar, o excesso não é transportado e é excretado do corpo na urina. Em um indivíduo diabético, isso é descrito como “derramar glicose na urina”. Um grupo diferente de proteínas transportadoras chamadas proteínas transportadoras de glicose, ou GLUTs, está envolvido no transporte de glicose e outros açúcares hexose através das membranas plasmáticas dentro do corpo.

O canal e as proteínas transportadoras transportam o material em taxas diferentes. As proteínas do canal se transportam muito mais rapidamente do que as proteínas carreadoras. As proteínas do canal facilitam a difusão a uma taxa de dezenas de milhões de moléculas por segundo, enquanto as proteínas transportadoras funcionam a uma taxa de mil a um milhão de moléculas por segundo.

Osmose

Osmose é o movimento da água através de uma membrana semipermeável de acordo com o gradiente de concentração de água através da membrana, que é inversamente proporcional à concentração de solutos. Enquanto a difusão transporta o material através das membranas e dentro das células, a osmose transporta só água através de uma membrana e a membrana limita a difusão de solutos na água. Não surpreendentemente, as aquaporinas que facilitam o movimento da água desempenham um grande papel na osmose, mais proeminentemente nas células vermelhas do sangue e nas membranas dos túbulos renais.

Mecanismo

A osmose é um caso especial de difusão. A água, como outras substâncias, passa de uma área de alta concentração para uma de baixa concentração. Uma questão óbvia é o que faz a água se mover? Imagine um béquer com uma membrana semipermeável separando os dois lados ou metades (Figura 6). Em ambos os lados da membrana, o nível de água é o mesmo, mas existem diferentes concentrações de uma substância dissolvida, ou soluto, que não pode cruzar a membrana (caso contrário, as concentrações em cada lado seriam equilibradas pelo soluto cruzando a membrana). Se o volume da solução em ambos os lados da membrana for o mesmo, mas as concentrações de soluto forem diferentes, então haverá diferentes quantidades de água, o solvente, em cada lado da membrana.

Para ilustrar isso, imagine dois copos cheios de água. Um contém uma única colher de chá de açúcar, enquanto o segundo contém um quarto de xícara de açúcar. Se o volume total das soluções em ambos os copos for o mesmo, qual copo contém mais água? Como a grande quantidade de açúcar na segunda xícara ocupa muito mais espaço do que a colher de chá de açúcar na primeira xícara, a primeira xícara contém mais água.

Voltando ao exemplo do copo, lembre-se de que ele tem uma mistura de solutos em cada lado da membrana. Um princípio de difusão é que as moléculas se movem e se espalharão uniformemente por todo o meio, se puderem. No entanto, apenas o material capaz de passar pela membrana se difundirá por ela. Neste exemplo, o soluto não pode se difundir através da membrana, mas a água pode. A água tem um gradiente de concentração neste sistema. Assim, a água se difundirá descendo seu gradiente de concentração, cruzando a membrana para o lado onde está menos concentrada. Essa difusão de água através da membrana - osmose - continuará até que o gradiente de concentração de água chegue a zero ou até que a pressão hidrostática da água equilibre a pressão osmótica. A osmose ocorre constantemente em sistemas vivos.

Tonicidade

Tonicidade descreve como uma solução extracelular pode alterar o volume de uma célula, afetando a osmose. A tonicidade de uma solução muitas vezes se correlaciona diretamente com a osmolaridade da solução. Osmolaridade descreve a concentração total de soluto da solução. Uma solução com baixa osmolaridade possui um maior número de moléculas de água em relação ao número de partículas de soluto; uma solução com alta osmolaridade tem menos moléculas de água em relação às partículas de soluto. Em uma situação em que as soluções de duas osmolaridades diferentes são separadas por uma membrana permeável à água, mas não ao soluto, a água se moverá do lado da membrana com osmolaridade mais baixa (e mais água) para o lado com osmolaridade mais alta (e menos água). Esse efeito faz sentido se você lembrar que o soluto não pode se mover através da membrana e, portanto, o único componente no sistema que pode se mover - a água - se move ao longo de seu próprio gradiente de concentração. Uma distinção importante que diz respeito aos sistemas vivos é que a osmolaridade mede o número de partículas (que podem ser moléculas) em uma solução. Portanto, uma solução turva com células pode ter uma osmolaridade mais baixa do que uma solução límpida, se a segunda solução contiver mais moléculas dissolvidas do que células.

Soluções hipotônicas

Três termos - hipotônico, isotônico e hipertônico - são usados ​​para relacionar a osmolaridade de uma célula à osmolaridade do líquido extracelular que contém as células. Em uma situação hipotônica, o líquido extracelular tem osmolaridade mais baixa do que o líquido dentro da célula e a água entra na célula. (Em sistemas vivos, o ponto de referência é sempre o citoplasma, então o prefixo hipopótamo- significa que o fluido extracelular tem uma concentração mais baixa de solutos, ou uma osmolaridade mais baixa, do que o citoplasma da célula.) Isso também significa que o fluido extracelular tem uma concentração mais alta de água na solução do que a célula. Nessa situação, a água seguirá seu gradiente de concentração e entrará na célula.

Soluções Hipertônicas

Quanto a uma solução hipertônica, o prefixo hiper- refere-se ao fluido extracelular com uma osmolaridade mais alta do que o citoplasma da célula; portanto, o fluido contém menos água do que a célula. Como a célula tem uma concentração relativamente maior de água, a água deixará a célula.

Soluções Isotônicas

Em uma solução isotônica, o líquido extracelular tem a mesma osmolaridade da célula. Se a osmolaridade da célula corresponder à do fluido extracelular, não haverá movimento líquido de água para dentro ou para fora da célula, embora a água ainda se mova para dentro e para fora. As células sanguíneas e as células vegetais (Figura 7) em soluções hipertônicas, isotônicas e hipotônicas assumem aparências características.

Pergunta Prática

Um médico injeta em um paciente o que ele pensa ser uma solução salina isotônica. O paciente morre e uma autópsia revela que muitos glóbulos vermelhos foram destruídos. Você acha que a solução que o médico injetou foi realmente isotônica?

[linhas da área de prática = ”2 ″] [/ área de prática]
[revelar-resposta q = ”619831 ″]Mostre a resposta[/ revelar-resposta]
[resposta oculta a = ”619831 ″] Não, deve ter sido hipotônico, pois uma solução hipotônica faria com que a água entrasse nas células, fazendo-as explodir. [/ resposta oculta]

objetivos de aprendizado

Assista a esta revisão sobre osmose e difusão

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Em Resumo: Transporte Passivo

Nenhuma energia é necessária. A “força motriz” é a diferença na concentração de uma substância de um lado da membrana em comparação com a do outro lado.

  • Difusão simples (O2, CO2, H20. Água e moléculas não polares).
    • A osmose é um tipo especial de difusão simples apenas para água.
  • Familiarize-se com os termos hipotônico, isotônico, e hipertônico, e ser capaz de indicar a aparência de uma planta ou de uma célula animal se colocada em um determinado tipo de solução.
    • Exemplo: uma célula vegetal tem uma parede celular e fica cheia e feliz quando colocada na água (uma solução hipotônica). Uma célula animal não tem parede celular e vai inchar e estourar se for colocada na água. É por isso que um paciente nunca deve receber uma injeção intravenosa de água: isso fará com que seus glóbulos vermelhos explodam.
  • Difusão facilitada (açúcares, íons, aminoácidos, etc. Moléculas carregadas ou polares).
    • Proteínas transportadoras
    • Proteínas de canal (como canais iônicos ou aquaporina)

Transporte celular - coloração de transporte passivo

Esta é uma atividade de 2 páginas que pode ser usada como uma ferramenta introdutória ou como reforço para o transporte passivo. A primeira página é uma atividade de coloração que cobre osmose, difusão simples e difusão facilitada. A segunda página é uma página de análise que inclui tabelas True ou False e preenchimentos. Também está incluída uma versão diferenciada que você pode usar a seu critério.

Assuntos abordados:

Porção para colorir: os alunos devem colorir a membrana celular, as moléculas de água, as moléculas de dióxido de carbono, as moléculas de açúcar, os íons, as proteínas transportadoras e os canais iônicos. Os alunos também devem determinar em que direção as moléculas estão se difundindo e rotular as proteínas.

Parte de análise: os alunos determinam se as declarações relativas ao transporte passivo são verdadeiras ou falsas, preenche uma tabela para definir / descrever cada tipo de transporte passivo e, finalmente, preenche o espaço em branco. Existem algumas diferenças entre a versão diferenciada.

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Vanessa Jason Biology Roots

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Difusão simples

Difusão é o movimento de uma substância devido a uma diferença de concentração. Isso acontece sem qualquer ajuda de outras moléculas. A substância simplesmente se move da área onde está mais concentrada para a área onde está menos concentrada. Imagine alguém espalhando perfume no canto de uma sala. As moléculas do perfume ficam no canto? Não, eles se espalham ou se espalham pela sala até que estejam uniformemente espalhados. A Figura 4.7.2 mostra como a difusão funciona através de uma membrana celular. As substâncias que podem se espremer entre as moléculas de lipídios na membrana plasmática por difusão simples são geralmente moléculas muito pequenas e hidrofóbicas, como as moléculas de oxigênio e dióxido de carbono.

Figura 4.7.2 As moléculas se difundem através da membrana de uma área de maior concentração para uma área de menor concentração até que a concentração seja a mesma em ambos os lados da membrana.

Figura 4.7.3 Osmose é um tipo de difusão em que apenas água pode atravessar a membrana plasmática.

4.8 Resumo

  • O transporte ativo requer energia para mover as substâncias através da membrana plasmática, geralmente porque as substâncias estão se movendo de uma área de concentração mais baixa para uma área de concentração mais alta, ou devido ao seu grande tamanho. Dois tipos de transporte ativo são as bombas de membrana (como a bomba de sódio-potássio) e o transporte de vesículas.
  • A bomba de sódio-potássio é um mecanismo de transporte ativo que move íons de sódio para fora da célula e íons de potássio para dentro da célula contra um gradiente de concentração, a fim de manter as concentrações adequadas de íons, tanto dentro como fora da célula, e assim controlar o potencial da membrana.
  • O transporte de vesículas é um tipo de transporte ativo que usa vesículas para mover moléculas grandes para dentro ou para fora das células.

Tonicidade

Tonicidade descreve a quantidade de soluto em uma solução. A medida da tonicidade de uma solução, ou a quantidade total de solutos dissolvidos em uma quantidade específica de solução, é chamada de osmolaridade. Três termos - hipotônico, isotônico e hipertônico - são usados ​​para relacionar a osmolaridade de uma célula à osmolaridade do líquido extracelular que contém as células. Todos os três termos são um comparação entre duas soluções diferentes (por exemplo, dentro de uma célula em comparação com fora da célula).

Em um hipotônico solução, como água da torneira, o fluido extracelular tem uma concentração menor de solutos do que o fluido dentro da célula, e a água entra na célula. (Em sistemas vivos, o ponto de referência é sempre o citoplasma, então o prefixo hipopótamo& # 8211 significa que o fluido extracelular tem uma concentração mais baixa de solutos, ou uma osmolaridade mais baixa, do que o citoplasma da célula.) Isso também significa que o fluido extracelular tem uma concentração mais alta de água do que a célula. Nessa situação, a água seguirá seu gradiente de concentração e entrará na célula. Isso pode causar a explosão de uma célula animal, ou lyse.

Em um hipertônico solução (o prefixo hiper& # 8211 refere-se ao fluido extracelular com uma concentração mais alta de solutos do que o citoplasma da célula), o fluido contém menos água do que a célula, como a água do mar. Como a célula tem uma concentração menor de solutos, a água deixará a célula. Com efeito, o soluto está puxando a água para fora da célula. Isso pode fazer com que uma célula animal encolha, ou crenate.

Em um isotônico solução, o fluido extracelular tem a mesma osmolaridade da célula. Se a concentração de solutos da célula corresponder à do fluido extracelular, não haverá movimento líquido de água para dentro ou para fora da célula. A célula manterá sua aparência & # 8220normal & # 8221. As células sanguíneas em soluções hipertônicas, isotônicas e hipotônicas assumem aparências características (Figura 4).

Lembre-se de que todos os três termos são comparações entre duas soluções (ou seja, dentro e fora da célula). Uma solução não pode ser hipotônica, seria como dizer que Bob é mais alto. Isso não faz sentido & # 8211, você precisa dizer que Bob é mais alto do que Mike. Você pode dizer que a solução dentro da célula é hipotônica para a solução fora da célula. Isso também significa que a solução externa é hipertônica em relação à solução interna (assim como Mike seria mais curto do que Bob).

Figura 4 A pressão osmótica altera a forma dos glóbulos vermelhos em soluções hipertônicas, isotônicas e hipotônicas. (crédito: modificação da obra de Mariana Ruiz Villarreal)

Alguns organismos, como plantas, fungos, bactérias e alguns protistas, têm paredes celulares que circundam a membrana plasmática e evitam a lise celular. A membrana plasmática só pode se expandir até o limite da parede celular, de modo que a célula não sofre lise. Na verdade, o citoplasma das plantas é sempre ligeiramente hipertônico em comparação com o ambiente celular, e a água sempre entrará na célula da planta se houver água disponível. Este influxo de água produz pressão de turgor, que enrijece as paredes celulares da planta (Figura 5) Em plantas não lenhosas, a pressão de turgor apóia a planta. Se as células vegetais ficarem hipertônicas, como ocorre na seca ou se uma planta não for regada adequadamente, a água sairá da célula. As plantas perdem a pressão de turgescência nessa condição e murcham.

Figura 5 A pressão de turgescência dentro de uma célula vegetal depende da tonicidade da solução na qual ela é banhada. (Crédito: modificação do trabalho de Mariana Ruiz Villarreal)


Resumo da Seção

As formas passivas de transporte, difusão e osmose, movimentam o material sem a necessidade de energia. As substâncias se difundem de áreas de alta concentração para áreas de baixa concentração, e esse processo continua até que a substância seja uniformemente distribuída em um sistema. Em soluções de mais de uma substância, cada tipo de molécula se difunde de acordo com seu próprio gradiente de concentração. Muitos fatores podem afetar a taxa de difusão, incluindo gradiente de concentração, tamanho molecular e temperatura.

Em sistemas vivos, a difusão de substâncias para dentro e para fora das células é mediada pela membrana plasmática. Alguns materiais se difundem facilmente através da membrana, enquanto outros são impedidos. Sua passagem só é possível por meio de canais e transportadores de proteínas. A química dos seres vivos ocorre em soluções aquosas, e equilibrar as concentrações dessas soluções é um problema constante.


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