Membranas celulares e transporte

Toda célula é envolvida por uma membrana plasmática 细胞膜. Descrevemos sua estrutura usando o modelo do mosaico fluido 流动镶嵌模型.

A bicamada fosfolipídica

A membrana é construída principalmente de fosfolipídios 磷脂. Cada fosfolipídio tem uma cabeça hidrofílica 亲水 ("que ama água") e duas caudas hidrofóbicas 疏水 ("que temem água"). Há água de ambos os lados da membrana, então os fosfolipídios se alinham em duas camadas — uma bicamada 双层 — com as cabeças voltadas para a água externa e interna, e as caudas escondidas no meio, longe da água. Essa disposição forma-se espontaneamente devido às interações hidrofílicas e hidrofóbicas.

O modelo é chamado de "fluido" porque os fosfolipídios não são fixos: eles deslizam uns sobre os outros, permitindo que a membrana se mova e se dobre. É chamado de "mosaico" porque muitas proteínas 蛋白质 estão distribuídas por ela, como azulejos em uma imagem.

O que flutua na membrana

Assim, as moléculas da membrana conferem à membrana sua estabilidade 稳定性, sua fluidez, sua permeabilidade 通透性 (controle sobre o que passa), suas funções de transporte, suas funções de sinalização e seu reconhecimento celular.

A membrana é parcialmente permeável 半透膜: permite que algumas substâncias passem facilmente, mas bloqueia outras.

As células comunicam-se entre si por sinalização celular 细胞信号传递. As etapas principais são:

1. uma célula secreta uma substância sinalizadora chamada ligante 配体 (por exemplo, um hormônio 激素).
2. o ligante é transportado (frequentemente no sangue) até uma célula-alvo 靶细胞.
3. o ligante liga-se a um receptor 受体 específico na membrana plasmática da célula-alvo. A forma do receptor corresponde apenas àquele ligante. A ligação desencadeia uma resposta específica dentro da célula-alvo.

Existem seis processos. Alguns são passivos 被动 (não exigem energia 能量), e outros são ativos (usam energia da ATP).

Difusão simples

Difusão 扩散 é o movimento líquido de partículas de onde estão em alta concentração 浓度 para onde estão em baixa concentração, até se espalharem uniformemente. Difusão simples 简单扩散 ocorre quando partículas passam diretamente pela bicamada, descendo o gradiente de concentração 浓度梯度. Apenas moléculas pequenas ou apolares podem fazer isso — como oxigênio 氧气 e dióxido de carbono 二氧化碳. É passivo.

Difusão facilitada

Íons carregados ions 离子 e moléculas polares grandes (como glicose 葡萄糖) não conseguem atravessar a bicamada oleosa sozinhas. Na difusão facilitada 易化扩散, elas atravessam por proteínas canal ou proteínas carreadoras, ainda movendo-se descendo o gradiente de concentração. Também é passivo.

Osmose

Osmose 渗透 é a difusão da água através de uma membrana parcialmente permeável, de um maior potencial hídrico 水势 para um menor potencial hídrico. É passivo.

Transporte ativo

Transporte ativo 主动运输 move uma substância contra seu gradiente de concentração — de baixa para alta concentração. Isso requer proteínas carreadoras e energia da ATP.

Endocitose e exocitose

Estes transportam grandes quantidades de material em massa, usando ATP.

• na endocitose 胞吞作用, a membrana dobra-se para dentro ao redor do material e pinça-se formando uma vesícula 囊泡 para trazê-la para dentro da célula.
• na exocitose 胞吐作用, uma vesícula funde-se com a membrana e libera seu conteúdo para fora da célula.

Uma célula absorve e remove substâncias através de sua superfície. À medida que um objeto cresce, seu volume 体积 aumenta mais rapidamente que sua área de superfície 表面积. Assim, a relação área de superfície por volume torna-se menor à medida que o tamanho aumenta.

Para um cubo de lado $L$:

Um grande $L$ resulta em uma pequena razão. É por isso que células pequenas (e formas finas e planas) trocam materiais rapidamente, enquanto células grandes não podem confiar apenas na difusão.

Exemplo resolvido. Compare a relação área de superfície : volume de uma célula em forma de cubo de lado $4$ com uma de lado $10$.

Para lado $4$: área de superfície $= 6 \times 4^2 = 96$ e volume $= 4^3 = 64$, então a razão é $96 : 64 = 1.5 : 1$. Para lado $10$: área de superfície $= 6 \times 10^2 = 600$ e volume $= 10^3 = 1000$, então a razão é $600 : 1000 = 0.6 : 1$. A célula maior tem a razão menor, então troca materiais através de sua superfície mais lentamente para seu tamanho — o que explica por que organismos grandes necessitam de superfícies especializadas de troca, como pulmões e brânquias.

Você pode demonstrar isso com blocos de agar 琼脂 de diferentes tamanhos mergulhados em corante ou ácido: o bloco menor, com a maior relação área de superfície por volume, muda de cor completamente mais rápido. A difusão em materiais não vivos também pode ser estudada com tubos de diálise 透析袋 (Visking tubing).

Potencial hídrico mede a probabilidade de a água sair de uma solução. Água pura tem o maior potencial hídrico. Adicionar um soluto 溶质 (uma substância dissolvida) o reduz. A água sempre se move por osmose de um potencial hídrico maior para um menor.

Para estimar o potencial hídrico de tecido vegetal, você coloca pedaços em soluções de sacarose com diferentes potenciais hídricos. A solução que causa nenhuma mudança em massa ou comprimento tem aproximadamente o mesmo potencial hídrico que o tecido.

Efeito em células vegetais

• em uma solução de potencial hídrico mais alto (por exemplo, água destilada 蒸馏水), a água entra na célula. A célula incha e torna-se turgida 膨胀, mas a parede celular forte impede que ela estoure.
• em uma solução de potencial hídrico mais baixo, a água sai. O conteúdo da célula encolhe e a membrana se afasta da parede celular — isso é plasmólise 质壁分离.

Efeito em células animais

Células animais não possuem parede celular para protegê-las.

• em uma solução de potencial hídrico mais alto, a água entra e a célula pode estourar. Em um glóbulo vermelho, esse estouro é chamado de hemólise 溶血.
• em uma solução de potencial hídrico mais baixo, a água sai e a célula encolhe.

• Descreva a membrana como um mosaico fluido: uma bicamada fosfolipídica com proteínas, colesterol e glicoproteínas.
• Classifique cada processo: difusão, difusão facilitada e osmose são passivos (a favor do gradiente); transporte ativo e endo/exocitose precisam de ATP e podem ocorrer contra ele.
• Para osmose, use sempre potencial hídrico ($\Psi$): a água move-se de alto (menos negativo) para baixo (mais negativo) $\Psi$; a água pura é $0$, o valor mais alto.
• Indique o resultado por tipo de célula: célula vegetal turgida/plasmolisada; célula animal lisa/crenada — relacione isso ao gradiente de potencial hídrico.