As células de um ser vivo precisam manter um ambiente interno estável para funcionar; esse estado de equilíbrio é chamado de homeostase. Para atingi-lo, um organismo dispõe de vários mecanismos moleculares para manter sua estabilidade química, sendo dois importantes deles: os transportes celulares, que realizam a entrada e saída de substâncias e os tampões fisiológicos, que estabilizam o pH e evitam variações perigosas para o funcionamento químico do corpo
Transportes celulares
Para seu funcionamento adequado, as células precisam da obtenção de moléculas do seu meio externo (seja para sinalização, produção de energia ou defesa) e da liberação de substâncias a partir do seu citosol (excreção de resíduos, comunicação ou manutenção de processos intercelulares).
Esses processos são possibilitados pela semipermeabilidade da membrana plasmática, ou seja, sua capacidade de selecionar o que entra e o que sai da célula. O modo pelo qual esses processos de transporte ocorrem dependem da polaridade da molécula, de sua carga, de seu tamanho e do seu gradiente de concentração entre o meio interno e externo.
Transportes passivos
O transporte passivo é caracterizado pelo movimento de substâncias a favor de seu gradiente de concentração (em termos mais simples, a molécula vai do meio onde sua concentração é maior — meio hipertônico — para o meio em que sua concentração é menor — meio hipotônico). Esse processo tem três principais tipos:
- Difusão simples
Ocorre quando moléculas pequenas e apolares atravessam a membrana plasmática diretamente, criando um movimento líquido de moléculas a favor do gradiente. Moléculas como gases (O₂, CO₂ e N₂), hormônios esteroides (cortisol, testosterona, estrógeno) e as vitaminas lipossolúveis (A, D, E, K) são os principais exemplos de compostos que realizam esse transporte. - Difusão facilitada
Ocorre nos casos em que as moléculas transportadas, mesmo se movimentando a favor do gradiente de concentração, são polares e/ou têm carga. Nesse caso, o transporte pode ser feito por canais ou carreadores. Os canais são poros proteicos na membrana seletivos por tamanho e carga que possuem ”portas” que se abrem ou fecham dependendo de estímulos externos. Um exemplo são os anais de sódio (Na⁺) responsáveis pelo potencial de ação nos neurônios, que são dependentes da voltagem para sua abertura. A difusão facilitada também pode ser realizada por carreadores, proteínas de alta especificidade que se ligam a molécula designada e mudam a própria conformação de forma a liberá-la do outro lado da membrana. São um meio menos rápido de transporte comparados aos canais e um de seus representantes é o carreador GLUT, que transporta glicose para dentro das células. - Osmose
A osmose, de forma simplificada, pode ser entendida como um caso especial de difusão do próprio solvente, a água. Nesse processo, a água vai do meio hipotônico ao meio hipertônico (mesmo parecendo contra intuitivo, pode-se pensar como um movimento do meio com maior “concentração de água” ao meio com menor “concentração de água”). A osmose é essencial para a manutenção do volume celular, excreção de urina e movimento de seiva em vegetais. Em relação ao primeiro caso, a entrada ou saída exagerada de água de uma célula devido à concentração do meio em que está tem diferentes efeitos em animais e vegetais. Em animais, uma célula em meio hipertônico perde água e entra em estado de crenação e, em meio hipotônico, seu aumento de volume exacerbado causa seu rompimento (lise). Em vegetais, a parede celular influencia os efeitos da osmose nas células, impedindo sua lise, por exemplo. Em meio hipertônicos, as células tornam-se plasmolisadas e, em meios hipotônicos, tornam-se túrgidas.
Transportes ativos
São processos de movimentação que ocorrem contra o gradiente de concentração de uma substância e, por isso, requerem um gasto energético para sua realização.
O transporte ativo pode tanto se aproveitar da energia do ATP (quebrando essa molécula em ADP de forma a fornecer um saldo energético) quanto da movimentação de outras moléculas por seus gradientes de concentração. Essas duas possibilidades são chamadas, respectivamente, de transporte ativo primário e secundário.
- Transporte ativo primário
Esse tipo de transporte ocorre quando há a quebra do ATP, que realiza mudanças conformacionais nos canais na membrana, fazendo com que estes se liguem à molécula e, ao receberem a energia do ATP, libere-a do outro lado da membrana plasmática. Esse processo, ao ir contra o gradiente de concentração da molécula transportada, gasta diretamente energia na forma de ATP. Um de seus principais exemplos é a bomba de Na⁺/K⁺, considerada a bomba mais importante do corpo humano, tem como papel expulsar 3 íons de sódio (Na⁺) para fora da célula e trazer 2 íons de potássio (K⁺) para dentro da célula, gastando 1 molécula de ATP em cada ciclo. Esse transporte desigual cria uma diferença de concentração (muito Na⁺ fora e muito K⁺ dentro) e, consequentemente, uma diferença elétrica (já que saem mais cargas positivas do que entram). Esses gradientes são essenciais para vários processos, como o transporte de glicose, aminoácidos e outros solutos para dentro por transporte ativo secundário, que veremos em seguida e, além disso, para a manutenção do potencial elétrico de repouso nas células, importantíssimo para neurônios e células musculares. A título de exemplo, de 20% a 40% da energia gasta pelo cérebro é unicamente gasta por essa bomba. - Transporte ativo secundário
O transporte ativo secundário é um mecanismo em que a célula consegue mover determinadas substâncias mesmo contra seus gradientes, mas sem gastar ATP diretamente no processo. A lógica por trás disso é de aproveitar a energia acumulada nos gradientes iônicos que já foram estabelecidos previamente, como o criado pela bomba de sódio e potássio. Quando uma dessas bombas mantem uma elevada concentração de sódio, por exemplo, do lado de fora, é criado uma diferença química e elétrica entre os lados da membrana que funciona como uma espécie de “potencial guardado”. O sódio tende naturalmente a voltar para dentro, e é exatamente essa tendência que certos transportadores usam como fonte de energia. No tipo de transporte ativo secundário chamado simporte, o transportador possui sítios capazes de prender tanto o sódio quanto outra molécula, como glicose ou aminoácidos. Quando o sódio se liga e entra na célula seguindo seu gradiente, ele leva à entrada de outra substância ao mesmo tempo. Assim, o gradiente de uma molécula fornece a energia necessária para outra substância ser transportada contra seu gradiente de concentração. Já no antiporte, os sentidos de movimento são contrários, ou seja, a entrada de uma molécula leva à saída de outra. Um exemplo de antiporte é trocador Na⁺/Ca²⁺, que usa a entrada do sódio nas células para expulsar cálcio de dentro da célula, mantendo baixas concentrações desse íon, essenciais para os ciclos de contração de células cardíacas e nervosas.
Tampões fisiológicos
Os mecanismos de transporte celular que vimos anteriormente controlam a entrada e saída de moléculas e o volume celular, garantindo que a manutenção da estabilidade do meio interno. Porém, essa estabilidade, não depende só da movimentação de substâncias pela membrana, mas também do estabelecimento de um pH constante e que esteja dentro de limites muito estreitos para o funcionamento correto de vários mecanismos metabólicos.
É nesse ponto que entram os tampões fisiológicos, sistemas químicos que ajudam a manter o pH do organismo relativamente constante, mesmo quando há produção ou entrada de ácidos e bases. Eles funcionam capturando ou liberando íons H⁺ conforme necessário, evitando mudanças bruscas que poderiam afetar a conformação de proteínas e a ocorrência de processos metabólicos.
Um dos tampões mais importantes para o corpo humano é o sistema tampão bicarbonato (H₂CO₃ / HCO₃⁻), que atua no sangue e no líquido extracelular. Seu funcionamento depende do equilíbrio entre CO₂, ácido carbônico (H₂CO₃) e bicarbonato (HCO₃⁻). Quando o pH cai no sangue, por exemplo, o bicarbonato reage com H⁺ formando o ácido carbônico, que rapidamente se converte em CO₂ e é eliminado pelos pulmões, o que minimiza a queda no pH. Já quando o pH do meio sobe, o ácido carbônico se ioniza, liberando H⁺, compensando a alcalinização no líquido. Uma enzima essencial para esse processo é a anidrase carbônica, que catalisa a transformação do CO₂ e da água em ácido carbônico. É um sistema essencial, já que se integra ao controle respiratório pela eliminação de CO₂ e ao controle renal, que regula excreção e formação do bicarbonato, permitindo importantes ajustes a curto e longo prazo no pH sanguíneo.
Vários outros tampões, formados por reações tanto com ácidos mais simples quanto com proteínas, formam um extenso sistema de controle do pH dentro e fora das células, garantindo a execução eficiente das reações metabólicas do nosso corpo.
Em geral, concluindo uma integração entre os transportes celulares e os tampões fisiológicos, é essencial pensar no corpo humano como um sofisticadíssimo conjunto de mecanismos químicos e biológicos que tentam manter a estabilidade e as condições ideais, a chamada homeostase, uma condição de parâmetros químicos que maximiza o funcionamento correto de nosso corpo. Os transportadores, ao permitirem e forçarem o movimento das moléculas pelas membranas de nossas células, fazem com que as intricadas reações metabólicas celulares possam ser realizadas corretamente, como, por exemplo, a sinapse e a condução dos impulsos nervosos que te estão fazendo pensar nesse instante. Os tampões fisiológicos, por sua vez, criam uma proteção contra as variações do pH que poderiam danificar esse metabolismo, promovendo uma estabilidade desse parâmetro corpóreo. Assim, ao comer, respirar, se mover e até mesmo pensar, lembre de como, naquele instante, bilhões de reações ocorrem concomitantemente dentro de você, de forma a manter a estabilidade e a existência dessa máquina tão complexa e, ao mesmo tempo, delicada chamada corpo humano.
Aula elaborada por Henrique Pongelupp Oliveira