biofísica celular
DESCRIPTION
Biofísica CelularDifusãoTransportadoresTRANSCRIPT
-
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