O que limita a velocidade de difusão facilitada?

Na difusão, uma substância migra da região mais concentrada para a menos concentrada. Esse processo pode ser simples ou facilitado.

Difusão é um processo físico em que substâncias são transportadas de uma região mais concentrada para outra menos concentrada (a favor do gradiente de concentração) de maneira aleatória e espontânea. Esse processo pode ser observado, por exemplo, ao se colocar um corante em um copo com água. Com o tempo, o corante espalha-se (difunde-se) de maneira homogênea, deixando toda a água com a mesma quantidade de soluto.

A difusão é um processo que ocorre na célula quando esta é colocada em um meio com diferente concentração de soluto. Sem que haja consumo de energia pela célula (transporte passivo), o soluto migra da região mais concentrada para a menos concentrada. Esse processo pode ser classificado em dois tipos principais: difusão simples e facilitada.

→ Difusão simples

Na difusão simples, as substâncias entram e saem da célula por meio da membrana apenas pela força do gradiente de concentração. A velocidade do processo depende do tamanho das moléculas a serem transportadas e da solubilidade delas em lipídios. Quanto mais lipossolúvel uma molécula for, mais rápida será a sua penetração.

Entre as substâncias que entram na célula por difusão simples, podemos citar o O2, CO2, ácido graxo e hormônios esteroides.

→ Difusão facilitada

Na difusão facilitada, as substâncias entram e saem com a ajuda de proteínas especiais que transferem moléculas de um lado a outro da membrana. Existem dois grupos de proteínas que realizam esse transporte: a proteína canal e a proteína carreadora.

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A proteína canal atua como poros que permitem a passagem de substâncias na membrana. Nesse caso, também não há gasto de energia e as moléculas movimentam-se do meio mais concentrado para o meio menos concentrado. Observa-se nesse tipo de difusão facilitada que o soluto a ser transportado interage fracamente com as proteínas de canais.

Existem ainda as chamadas proteínas carreadoras, que, diferentemente dos poros, que pouco interagem, sofrem mudanças estruturais para garantir a passagem de um determinado soluto. A substância a ser transportada liga-se à proteína e esta sofre mudanças que garantem o transporte da substância até o outro lado da membrana. Vale destacar que existe um número limitado de proteínas carreadoras na célula, assim sendo, existe uma capacidade máxima de transporte de cada partícula.

Podemos citar como exemplo de difusão facilitada o transporte de glicose, aminoácidos e íons.

ATENÇÃO:A osmose é considerada por muitos autores como um caso especial de difusão. Nesse processo, no entanto, apenas água difunde-se através da membrana semipermeável. Saiba mais sobre osmose clicando aqui!

Por Ma. Vanessa dos Santos

Por Vanessa Sardinha dos Santos

São conhecidos dois subtipos de difusão através das membranas biológicas, denominados difusão simples e difusão facilitada. Na difusão simples, o transporte se processa sem envolver proteínas carreadoras, sendo, em verdade, a única forma de transporte, através da membrana, que não é mediada por essas proteínas, haja vista que elas são requeridas na difusão facilitada e no transporte ativo, como veremos mais adiante. Não há, dessa forma, na difusão simples, necessidade de fixação das moléculas ou dos íons, a serem transportados, às proteínas carregadoras. Nesta difusão, as substâncias passam de um meio a outro (do intracelular para o extracelular ou vice-versa), indo de uma região de maior concentração para outra com concentrações menores, não havendo “gasto” de energia por parte da célula, sendo, portanto, um transporte passivo. A difusão simples ocorre de forma “espontânea”, determinada, basicamente, pela quantidade de substância disponível e pela velocidade do movimento cinético. A velocidade (ou intensidade) com que essa difusão se processa é diretamente proporcional à diferença de concentração (ou gradiente) do soluto entre um e outro lado da biomembrana. As trocas gasosas entre o sangue e os tecidos, por exemplo, ocorrem graças a esse tipo de transporte.   

A difusão facilitada, por seu turno, embora ocorra sem mobilização de energia da célula, sendo, dessa forma, um tipo de transporte passivo, como a difusão simples, requer a interação de proteínas carreadoras ou carregadoras (ver proteínas carreadoras, em PROTEÍNAS DA MEMBRANA, matéria publicada neste blog no dia 05/09/2015), presentes na membrana, denominadas permeases (figura abaixo), com as moléculas e os íons a serem transportados. Por essa razão, esse transporte é também conhecido como difusão mediada por carreador. Essa interação forma um complexo soluto-permease, semelhante ao complexo enzima-substrato, que facilita a passagem das substâncias através da biomembrana. Dentre essas semelhanças citamos a sua inibição por alguns inibidores enzimáticos e ser bastante afetada pelo baixar da temperatura.

A difusão facilitada é interpretada como consequência de uma interação entre um soluto penetrante e um constituinte da membrana, levando a que o soluto atravesse a biomembrana combinado com um transportador específico, sendo a velocidade de penetração do complexo soluto + transportador maior que a do soluto não combinado. Isto se deve, basicamente, ao fato das substâncias a serem transportadas não travessarem, literalmente, a bicamada fosfolipídica. Assim sendo, um grande número de compostos atravessa as membranas biológicas com uma taxa maior que a esperada em relação ao seu tamanho, carga elétrica ou concentração.

Como se pode verificar na figura a seguir, no caso da difusão simples, a velocidade do transporte aumenta em proporção direta com a concentração da substância a ser difundida. A inclinação da reta depende do grau de permeabilidade da biomembrana ao soluto. Na difusão facilitada, contudo, a velocidade do transporte tende a um valor máximo (limitante), denominado Vmáx (velocidade máxima), à medida que aumenta a concentração da substância a ser transportada.

Entre as substâncias mais importantes que atravessam a biomembrana, por difusão facilitada, estão a glicose e a maioria dos aminoácidos. No caso da glicose, em particular, sabe-se que a permease que atua no transporte desse carboidrato tem peso molecular de cerca de 45.000. Sabe-se, também, que ela pode transportar outros monossacarídeos com estrutura semelhante à glicose, como a galactose. A intensidade da difusão facilitada da glicose pode ser aumentada de 10 a 20 vezes, graças à ação da insulina (produzida nas células beta das ilhotas de Langerhans, do pâncreas endócrino). No geral, cada tipo de célula admite, com menor ou maior facilidade certos tipos de substância (“permeabilidade seletiva”).

As proteínas carreadoras se comportam, em última análise, como enzimas especializadas no reconhecimento e no transporte de diversas substâncias, tais como carboidratos, aminoácidos, vitaminas, nucleotídeos, bem como certos íons como o sódio (Na+), o potássio (K+) e o cálcio (Ca++), a favor de um gradiente de concentração (do local de maior concentração para o de menor concentração, de conformidade com a lei da difusão). As permeases que abrem espaço (ver primeira figura contida nesta publicação), graças a mudanças conformacionais sem “gasto” de energia por parte da célula, para passagem dessas substâncias, possuem um “canal” interno no qual há sítios específicos para a união com as substâncias a serem carreadas. Dessa forma, existem vários tipos de permeases, cada uma relacionada com o transporte de uma determinada substância. A especificidade é tamanha, que em membranas plasmáticas diferentes, há diferentes transportadores. O complexo soluto-permease, referido anteriormente, mostra características de especificidade e saturabilidade semelhantes às do complexo enzima-substrato, como veremos mais adiante. Dessa forma, representando em um sistema de coordenadas, a velocidade do fluxo em função da concentração do soluto, obteremos uma curva hiperbólica, semelhante à obtida na atividade enzimática em função da concentração do substrato (figura abaixo), que evidencia uma marcante diferença com a relação linear direta da difusão simples (ver gráfico anterior). Esse comportamento apresentado pela difusão facilitada indica que o processo é saturável. Assim sendo, quando, em uma permease, é alcançada a velocidade máxima de fluxo, ela não mais aumenta por mais que se aumente a concentração do soluto. Do exposto, conclui-se que, neste processo, a velocidade de difusão é controlada e limitada pela disponibilidade das permeases e não pela concentração de soluto. Neste contexto, se todos carreadores estiverem com seus sítios ocupados, em atividade máxima de transporte, a concentração do soluto não terá influência na velocidade da difusão facilitada. Mesmo comportamento é observado nos sistemas enzimáticos.

A constante Km, mostrada na figura anterior, pode ser definida como a concentração de soluto, na qual se alcança metade (Vmáx/2) da velocidade máxima (Vmáx) do fluxo. O Km, via de regra, tem relação inversa com a afinidade do transportador pelo soluto, ou seja, quanto menor o valor do Km maior é essa afinidade e vice-versa. Neste contexto, a velocidade do fluxo do soluto pode ser expressa através de uma equação semelhante à utilizada para as enzimas:

onde:

– J é a velocidade do fluxo;

– Jmáx, é a velocidade máxima do fluxo;

– [S] é a concentração do soluto;

– Km é a concentração de soluto na qual o fluxo é igual à metade do máximo.

A exemplo, ainda, do que ocorre com as enzimas, existem substâncias dotadas de estruturas moleculares semelhantes às dos solutos, que podem se ligar às permeases, acarretando inibições competitivas. Lembramos que na inibição competitiva, substrato e inibidor competem pelo mesmo sítio e que o excesso de substrato desloca o inibidor e vice-versa.  Igualmente, inibições não competitivas também são observadas na difusão facilitada. Neste caso, o inibidor se liga a uma região que não é o sítio de ligação específico, que no caso das enzimas, é denominado sítio ativo (sítio catalítico).

Reiteramos, que no caso da difusão facilitada (figura a seguir), a velocidade de transporte atinge seu valor máximo (Vmáx) quando os sítios de ligação presentes nos carreadores estão ocupados pelas substâncias a serem transportadas. Existe, portanto, uma determinada concentração de substância transportável, na qual o parâmetro Vmáx é atingido.

Dentre as principais características dos carreadores, como participantes da difusão facilitada, citamos:

I. Velocidade de transporte: deve ser maior do que a constatada na difusão simples. Essa velocidade, todavia, não é proporcional à concentração do soluto, exceto em concentrações muito baixas. Embora a difusão facilitada, que pode controlar o tipo de substância que entra e sai da célula, proporcione um movimento mais rápido que as outras formas de transporte passivo, ela não é capaz de carrear substâncias, através da membrana, contra um gradiente de concentração, como ocorre no transporte ativo, que atua com “gasto” de energia. Reiteramos que a exemplo da difusão facilitada, o transporte ativo requer a presença de proteínas carregadoras (figura abaixo).

II. Saturação: é preciso que a curva de transporte da substância seja semelhante àquela representada no gráfico anterior, onde se mostra que existe uma concentração de moléculas a serem transportadas acima da qual a velocidade de transporte não mais aumenta. Assim sendo, elevando-se, gradativamente, a concentração do elemento penetrante, chega-se a um ponto de saturação, acima do qual a velocidade de penetração não aumenta. Neste ponto, todas as moléculas transportadoras estão mobilizadas (“ocupadas”). Podemos dizer que todos os carreadores presentes na membrana estão “trabalhando” em atividade máxima (participando, no limite, do transporte de substância).

III. Competição: estando um carreador envolvido em um processo de transporte, deve ser possível inibir esse transporte, acrescentando-se, ao sistema, moléculas que possuam semelhança estrutural com o soluto alvo do transporte. Assim sendo, solutos de estrutura química muito semelhante podem competir entre si pelos centros ativos da permease. Por esta razão, na difusão facilitada, muitas vezes a presença de um soluto dificulta a difusão de outro.

IV. Inibição: deve ser possível inibir um processo de transporte inativando-se o carreador, como ocorre nos processos enzimáticos, que podem ser inibidos, por exemplo, por inibidores enzimáticos e pelo baixar da temperatura, como vimos anteriormente.

V. Estereoespecificidade: os sítios de ligação de soluto nas proteínas carreadoras são estereoespecíficos. O transportador de glicose no túbulo proximal renal, por exemplo, reconhece e transporta o isômero D-glicose, mas não o isômero L-glicose.

Como se pode constatar, essas características são, em última análise, semelhantes às observadas para as enzimas. Inclusive, a combinação e a separação da substância penetrante com a molécula transportadora equivalem à combinação e a separação entre uma enzima e seus substrato/produto. Igualmente, as permeases aceleram o transporte, favorecem a seletividade e permanecem inalteradas após cumprida a sua função. Pode-se, portanto, utilizar a mesma abordagem cinética das enzimas para o transporte com a participação de carreadores. Deve-se, contudo, ressaltar que no processo de transporte, o soluto permanece inalterado, enquanto que na ação enzimática o substrato sofre modificações químicas, fazendo com que as permeases não sejam, realmente, enzimas, no sentido usual.

Como exemplo de difusão facilitada, citamos o transporte de glicose, em células do fígado humano. Estando a concentração de glicose maior fora das células do que no seu interior, as moléculas desse monossacarídeo penetram nas células graças à difusão facilitada, onde o excesso é convertido em glicogênio hepático. Havendo redução da concentração de glicose no meio extracelular, o glucagon (hormônio secretado pelas células alfa das ilhotas de Langerhans, situadas na porção endócrina do pâncreas) atua estimulando a degradação do glicogênio (glicogenólise), aumentando a concentração de glicose no interior das celulas em relação ao exterior. Nessa condição, a glicose, graças à difusão facilitada, é carreada para fora da célula. Constata-se, portanto, que ocorre fluxo de glicose em ambas as direções, dependendo do gradiente de concentração desse carboidrato. Para se ter uma ideia, a glicose transportada para o interior da hemácia ocorre com uma rapidez de cerca de 50.000 a 100.000 vezes maior do que seria se o processo ocorresse por difusão simples. Analogamente, o transporte desse carboidrato ao nível da mucosa intestinal é mais eficiente do que o previsto para a difusão simples.

A figura a seguir é um esquema da permease da glicose, que tem, como vimos acima,  sua penetração facilitada por uma proteína integral da membrana que modifica sua forma ao capturar esse monossacarídeo, no meio extracelular. Sofrendo alterações conformacionais, a referida proteina libera a glicose no outro lado da membrana, funcionando como enzima. Lembramos que na membrana das células humanas, há uma grande quantidade da permeases que transportam a glicose.

Para se ter uma ideia da importância clínica da difusão facilitada, citamos a cistinúria, doença hereditária autossômica recessiva, na qual há formação recorrente de cálculos renais, resultantes da cristalização e precipitação do aminoácido cistina. Os portadores dessa doença são desprovidos de permeases normais associadas ao transporte desse aminoácido. Não retornando para a corrente sanguínea, ele fica retido nos rins, levando à formação dos referidos cálculos nos rins, na bexiga e na uretra, bloqueando o trato urinário e desenvolvendo, ocasionalmente, insuficiência renal. Do ponto de vista genético, a cistinúria está relacionado a mutações nos genes SLC3A1 e SLC7A9, que comandam a síntese da permease associado ao transporte do referido aminoácido.

Quais os fatores que podem interferir na velocidade da difusão?

Qual a principal característica da difusão facilitada?

Qual a influência da concentração do soluto na velocidade da difusão?

Como funciona o processo de difusão facilitada?