Figure 1. Os gradientes electroquímicos resultam dos efeitos combinados dos gradientes de concentração e dos gradientes eléctricos. (crédito: modificação do trabalho por “Synaptitude”/Wikimedia Commons)
Discutimos gradientes de concentração simples – concentrações diferenciais de uma substância através de um espaço ou uma membrana – mas em sistemas vivos, os gradientes são mais complexos. Como as células contêm proteínas, a maioria das quais são carregadas negativamente, e como os íons entram e saem das células, há um gradiente elétrico, uma diferença de carga, através da membrana plasmática. O interior das células vivas é eletricamente negativo em relação ao fluido extracelular no qual são banhadas; ao mesmo tempo, as células têm maiores concentrações de potássio (K+) e menores concentrações de sódio (Na+) do que o fluido extracelular. Assim, em uma célula viva, o gradiente de concentração e o gradiente elétrico de Na+ promove a difusão do íon na célula, e o gradiente elétrico de Na+ (um íon positivo) tende a impulsioná-lo para dentro do interior carregado negativamente. A situação é mais complexa, no entanto, para outros elementos como o potássio. O gradiente elétrico de K+ promove a difusão do íon dentro da célula, mas o gradiente de concentração de K+ promove a difusão para fora da célula (Figura 1). O gradiente combinado que afeta um íon é chamado de gradiente eletroquímico, e é especialmente importante para as células musculares e nervosas.
Moving Against a Gradient
Para mover substâncias contra uma concentração ou um gradiente eletroquímico, a célula deve usar energia. Esta energia é colhida do ATP que é gerado através do metabolismo celular. Mecanismos ativos de transporte, coletivamente chamados de bombas ou proteínas portadoras, funcionam contra gradientes eletroquímicos. Com exceção dos íons, pequenas substâncias passam constantemente através das membranas de plasma. O transporte ativo mantém as concentrações de íons e outras substâncias necessárias às células vivas diante dessas mudanças passivas. Grande parte do fornecimento de energia metabólica de uma célula pode ser gasto mantendo estes processos. Como os mecanismos ativos de transporte dependem do metabolismo celular para energia, eles são sensíveis a muitos venenos metabólicos que interferem com o fornecimento de ATP.
Existem dois mecanismos para o transporte de material de pequeno peso molecular e macromoléculas. O transporte primário ativo move íons através de uma membrana e cria uma diferença na carga através dessa membrana. O sistema de transporte primário ativo usa ATP para mover uma substância, como um íon, para dentro da célula, e muitas vezes ao mesmo tempo, uma segunda substância é movida para fora da célula. A bomba de sódio-potássio, uma importante bomba nas células animais, gasta energia para mover íons de potássio para dentro da célula e um número diferente de íons de sódio para fora da célula (Figura 2). A ação desta bomba resulta em uma diferença de concentração e carga através da membrana.
Figure 2. A bomba de sódio-potássio move potássio e íons de sódio através da membrana plasmática. (crédito: modificação do trabalho de Mariana Ruiz Villarreal)
Transporte ativo secundário descreve o movimento do material utilizando a energia do gradiente eletroquímico estabelecido pelo transporte ativo primário. Usando a energia do gradiente eletroquímico criado pelo sistema de transporte primário ativo, outras substâncias como aminoácidos e glicose podem ser trazidas para a célula através de canais de membrana. O próprio ATP é formado através do transporte ativo secundário usando um gradiente de íons de hidrogênio na mitocôndria.