Baixe Estudo da Na+,K+-ATPase: fosfolipídios, proteínas de membrana e transporte iónico e outras Provas em PDF para Energia, somente na Docsity!
O sistema biológico
Membrana Biológica
Toda célula é caracterizada por uma membrana plasmática, que encapsula o citoplasma e cria compartimentos internos. Além de seu papel como barreira física que mantém a integridade da célula, a membrana plasmática fornece funções necessárias para a sobrevivência da célula, incluindo exclusão de substâncias em desuso ou tóxicas, aquisição de nutrientes e fontes de energia, reprodução, locomoção e interações com componentes no ambiente. A membrana biológica é seletivamente permeável, o que permite que substâncias específicas a atravessem. Tipicamente a membrana biológica contém lipídios, proteína e carboidratos em razões que variam com o tipo de membrana. Quase sempre o carboidrato está covalentemente associado com a proteína (glicoproteína) ou com o lipídio (glicolipídio e lipo-polissacarídeos). Assim, a membrana pode ser pensada como uma matriz lipídio-protéica na qual funções especificas são levadas a cabo pelas proteínas, enquanto os lipídios são responsáveis pela barreira de permeabilidade e integridade estrutural da membrana (MIT Biology Hipertextbook, 2001).
2.1. Modelo de mosaico fluido
O modelo de membranas biológicas conhecido como mosaico fluido (mosaico porque inclui proteínas, colesterol e outros tipos de moléculas além dos fosfolipídios), proposto inicialmente por Singer e Nicolson em 1972, é o aceito atualmente. As bicamadas de lipídios são fluidos cujos fosfolipídios individuais se difundem rapidamente por toda a superfície bidimensional da membrana. Os fosfolipídios, numa membrana de célula bacteriana, podem mover-se lateralmente percorrendo-a em poucos minutos à temperatura ambiente. O tamanho da célula é
milhares de vezes maior do que o tamanho do fosfolipídio. Proteínas de membranas se difundem pela membrana da mesma forma, mas em um ritmo mais lento por causa de seu grande tamanho (um fosfolipídio pode ter 650 Da e uma proteína de tamanho médio pode ter 100.000 Da). De vez em quando um fosfolipídio faz um "flip-flop" atravessando a membrana para o lado oposto, mas isto não é comum. Isto requer que a cabeça hidrofilica do fosfolipídio passe inteiramente através do interior altamente hidrofóbico da membrana e que as caudas hidrofóbicas estejam expostas ao ambiente aquoso.
Figura 2.1 Esquema da estrutura de uma membrana biológica. Modelo de mosaico fluido (www.biof.ufrj.br/fisbio/Aula_membranas_I.pdf).
O colesterol é um componente importante das membranas biológicas. O colesterol quebra as interações de Van der Waals e diminui o empacotamento das caudas dos fosfolipídios. Este rompimento torna a membrana mais fluida. Conseqüentemente, um modo de a célula controlar a fluidez de sua membrana é regulando seu nível de colesterol. Uma outra maneira para a célula controlar a fluidez de sua membrana é regular o grau de saturação das cadeias de hidrocarbonetos dos fosfolipídios. Os hidrocarbonetos saturados são cadeias retas somente com ligações simples ("saturadas" com hidrogênio), e os hidrocarbonetos insaturados têm uma ou mais ligações duplas e não são retos (não "saturadas" com
Figura 2.2 Esquema de níveis de estrutura das proteínas.
A estrutura primária é dada pela seqüência de aminoácidos e ligações peptídicas do esqueleto covalente da molécula A estrutura secundária consiste de regiões de estruturas ordenadas examinadas pela cadeia de proteína: a alfa-hélice, que consiste de bobinar a cadeia de proteína tal que as ligações peptídicas que fazem o esqueleto são capazes de formar ligações de hidrogênio entre elas. Essas ligações de hidrogênio estão dirigidas ao longo do eixo da hélice. Os resíduos dos aminoácidos se projetam para o exterior em ângulos retos da hélice; a folha beta pregueada, é uma extensão de camada de cadeias de proteínas, uma sobre a outra. Aqui também, a estrutura é estabilizada por pontes de hidrogênio entre as cadeias peptídicas. Os resíduos estão situados em ângulos retos às folhas. A estrutura terciária é a forma tridimensional total duma proteína. As proteínas que contêm mais de uma cadeia polipeptídica exibem mais de um nível de organização estrutural. Cada cadeia polipeptídica em tal proteína é chamada de uma subunidade. Uma estrutura quaternária se refere ao arranjo espacial de subunidades e a natureza de seus contatos. Nas proteínas os resíduos dos aminoácidos ao longo do comprimento da cadeia podem interagir com outros, atraindo-se ou repelindo-se. Assim a proteína torcerá e girará para minimizar as interações desfavoráveis e maximizar as favoráveis até encontrar a forma mais favorável. As principais interações a
considerar são: ligações covalentes, são as mais fortes forças de ligações disponíveis: a força de ligação de dois átomos de enxofre (S-S) é igual a 250 kJ/mol; ligações iônicas, são fortes forças de ligação entre grupos que tem cargas elétricas opostas: 20 kJ/mol; ligações de hidrogênio são formadas entre átomos eletronegativos, tal como o oxigênio, e prótons unidos a átomos eletronegativos: 4 a 7 kJ/mol; interações de Van der Waals, toma lugar entre moléculas hidrofóbicas: 1,9 kJ/mol (Graham, 2001).
A Enzima Na+, K+- ATPase
A bomba de sódio e potássio, Na+,K+-ATPase é um membro da família de enzimas denominadas ATPases tipo P, que apresentam um estado intermediário fosforilado. O estado atual do conhecimento sobre sua estrutura e mecanismos relacionados à sua função aparece bem descrito em alguns artigos de revisão recentes (Jorgensen et al., 2003; Kühlbrandt, 2004). ATPases tipo P são bombas de íons que realizam muitos processos fundamentais na biologia e na medicina, variando desde a geração de potencial de membrana até a contração muscular e a remoção de íons tóxicos das células. Fazendo uso da energia armazenada em ATP, elas transportam íons específicos através da membrana da célula contra um gradiente de concentração. Todas as ATPases tipo P são proteínas integrais de membrana, de múltiplos domínios transmembranares, com massas moleculares de 70-150 kDa. Tanto o terminal carboxila como o terminal amina estão no lado citoplasmático da membrana, assim todas elas têm um número igual de segmentos transmembranares. Com base na homologia de seqüências, a família de ATPases tipo P pode ser dividida em cinco membros, referidos como tipos I a V. Dentre os membros mais investigados da família de ATPases tipo P, estão as enzimas que criam e mantêm o potencial de membrana nas células animais e vegetais, resultante das diferentes concentrações iônicas em cada lado da membrana. Este gradiente de concentração iônica é um dos atributos mais indispensáveis de células vivas e aciona o transporte secundário de açúcar e aminoácidos, assim como de outras pequenas moléculas e íons. O membro II da família de ATPases tipo P tais como as enzimas Ca2+-ATPase, que bombeia
Figura 2.3 Modelo da subunidade α de ATPase tipo P, mostrando os domínios citoplasmáticos N (de ligação do nucleotídeo), P (de fosforilação) e A (atuador), bem como o domínio membranar (M) (Werner Kühlbrandt, 2004).
Figura 2.4 Modelos da formas E 1 e E 2 da subunidade “α” da Na+, K+-ATPase, baseado na estrutura de alta resolução da Ca-ATPase (1EUL) na forma E 1 (2Ca) e um modelo de estrutura (1KJU) baseado na estrutura por microscopia eletrônica de 6 Å da forma E 2 da Ca-ATPase (Jorgensen et al., 2003).
Subunidade “ββββ”, é um glicoproteína com um peso molecular de ~ 35kDa que, juntamente com os açúcares, pode atingir a ~ 55kDa. Ela é uma proteína integral que possui um único segmento transmembranar. A subunidade “β” é importante na biogênese da enzima, parecendo desempenhar um papel na formação e maturação da holoenzima, na translocação e incorporação à membrana plasmática, na regulação da estabilidade conformacional e na atividade da subunidade “α”. Além disso, ela pode estar envolvida na modulação da afinidade da enzima por Na+^ e K+^ (Shan Ping Yu et al., 2003; Kawakami e Nagano, 1988; Kawakami et al., 1985; Pedersen et al., 1987; S.R. Guynn, M.A. Scofield, D.H. Petzel, 2002).
Figura 2.5 Diagrama esquemático da subunidade α do complexo enzimático Na+, K+
- ATPase, mostrando os sítios de ligações dos cátions, os resíduos envolvidos nas mudanças conformacionais e os resíduos que afetam a seletividade de Na+^ e K+^ (Vilsen, B., www.fi.au.dk/bv/presentation.html).
O Domínio “M”, membranar, consiste de 10 hélices “α” transmembranares (M1-M10) ou 5 pares de hélices inseridas do lado citoplasmático (Fig. 2.7), que cercam os sítios de ligação iônica na membrana, assim como curtos laços conetivos na superfície membranar exterior. Três destes pares helicoidais (M3- M4, M5-M6, M7-M8) contribuem à ligação do cátion através dos resíduos em M4, M5, M6, e M8 (Figura 2.6 e 2.7). As hélices M2, M4, e M5 são estendidas, com várias voltas no lado citoplasmático, onde elas se conectam com os domínios citoplasmáticos. O par M9-M10 não contribui diretamente para a ancoragem dos domínios ou ligação dos cátions, e suas duas hélices não são empacotadas conjuntamente, mas envoltas ao redor de M8. As regiões transmembranares de ATPases tipo P diferem das de canais iônicos pela ausência de um trajeto óbvio de transporte, na forma de canal aberto preenchido por água. Presumivelmente, isto reflete a diferença entre os mecanismos de transporte ativo e passivo e a necessidade de oclusão dos cátions nas bombas de íons.
Figura 2.6 Representação em esfera e bastão dos sítios de ligação ao Na+^ I e II; modelo de homologia das cadeias laterais da bomba de Na,K-ATPase sobre o esqueleto da estrutura de alta resolução da Ca-ATPase SR (1EUL). (Jorgensen et al., 2003).
Figura 2.7 Um modelo de homologia da Na,K-ATPase com hélices transmembranares, visto do lado extracelular. Observam-se os resíduos destacados nos laços extracelulares, particularmente L9/10. (Jorgensen et al., 2003).
Características Funcionais
Destacam-se como importantes funções fisiológicas da enzima a sua influência sobre (Skou, 1988):
- o potencial de membrana: a enzima é responsável pela manutenção do gradiente transmembranar de Na+^ e K+^ que gera o potencial de repouso ou fornece energia para o potencial de ação de células excitáveis;
- a manutenção de altas concentrações intracelulares de íons K+: altas concentrações intracelulares de K+^ são de importância para que aconteça um número de reações enzimáticas dentro das células, por exemplo glicólise;
- a regulação osmótica: com um potencial de membrana negativo a concentração intracelular de ânions difusíveis é menor que a extracelular. Isto compensa o efeito osmótico de ânions intracelulares que não podem passar através da membrana;
- o transporte ativo: o gradiente de Na+^ é usado como energia livre para o co- transporte de outras substâncias como açúcares, aminoácidos, Cl−^ e para conter o transporte de Ca2+^ ou H+^ contra gradiente através da membrana celular.
Figura 2.9 Esquema simplificado de Post-Albers (1969) do ciclo da bomba de sódio. E 1 e E 2 são as conformações da enzima com os sítios de ligação.
Os passos do mecanismo de transporte iônico são (Jorgensen P. L. et al., 2003): a. Ligação de três íons Na+^ em sítios orientados para o citoplasma. ATP.E 1 + 3Na+cit ↔ E 1 ATP.3Na+ b. Fosforilação dependente de Na+^ citoplasmático, a partir do ATP, e oclusão de três íons Na+. E 1 ATP.3Na+^ ↔ E 1 -P[3Na] + ADP c. O transporte de três íons Na+^ para a região extracelular, acoplado à transição conformacional E 1 -P ↔ E 2 -P. E 1 -P[3Na] ↔ E 2 -P[2Na] + Na+exc d. Ligação de dois íons de K+^ aos sítios orientados para a região extracelular. E 2 -P[2Na] + 2K+exc ↔ E 2 -P.2K+^ + 2 Na+exc e. Desfosforilação ativada por K+^ extracelular e oclusão de dois íons K+. E 2 -P[2K] ↔ E 2 [2K] + Pi.
f. ATP agindo com baixa afinidade acelera o transporte para o interior de dois íons K+^ , acoplado à transição conformacional E 2 [2K] ↔ E1. E 2 [2K] ↔ E 1 2K + ATP ↔ ATP.E 1 + 2 K+cit. Nos esquemas acima, cit e exc referem-se a citoplasma e a região extracelular, respectivamente. A enzima no estado E 1 tem alta afinidade por Na+^ e ATP, porém baixa afinidade por K+. Este estado intermediário muda para E 2 , formando E 2 P. No estado E 2 a enzima tem alta afinidade para K+, mas baixa afinidade para Na+^ e ATP. Desse jeito, as mudanças conformacionais permitem que os íons Na+^ escapem para o meio externo e íons K+^ se liguem à enzima e passem para o interior da célula. Na Na+,K+-ATPase de rim de porco, o equilíbrio E 1 -P ↔ E 2 -P é fortemente inclinado a favor da forma E 2 -P. A Figura 2.10 mostra um diagrama esquemático das interações entre domínios N, P e A e sítios de ligação de Mg+2^ nos diferentes estados do ciclo catalítico da Na+,K+-ATPase. Uma característica das transições E 1 -E 2 é que o sítio ativo altera seu tamanho, devido à associação e dissociação de domínios e à inclinação destes, através de torção ou rotação do domínio P. A relação entre os domínios P e N não muda muito durante a transição, mas associação e dissociação do domínio A é um fato marcante (Jorgensen P. L. et al., 2003).
portanto é necessária a presença de Mg+2^ no solvente para iniciar a conversão E 1 -P a E 2 -P (Jorgensen et al. 2003) A antroil-ouabaína (AO) é um derivado fluorescente da ouabaína, tendo como fluoróforo o antraceno ligado ao açúcar, para minimizar a perturbação à alta afinidade, que depende principalmente da parte esteróide do glicosídio. Esta sonda fluorescente tem uma constante de dissociação à Na+,K+-ATPase igual a 2,3. 10- M e inibe a atividade desta enzima numa faixa de concentração de 0,01 – 100 μM com IC 50 = 1 μM (Fortes, 1977) (Figura 2.11). Esta sonda é usada em vários estudos de Na+,K+-ATPase, como em cinética de ligação dos glicosídios cardíacos, em estrutura e mudanças conformacionais (Lee e Fortes, 1986; Amler et al., 1992; Amler et al., 1996), assim como para detecção de estados intermediários fosforilados da enzima (Fortes e Lee, 1984). A especificidade da AO pela Na+,K+-ATPase e a sensibilidade da técnica de fluorescência fazem desse marcador uma importante ferramenta para estudo da enzima. A especificidade do marcador faz com que a purificação da enzima não seja um fator primordial para obtenção de resultados confiáveis. A alta afinidade pelo sítio específico e a sensibilidade permite utilização de concentrações baixas, semelhantes às fisiologicamente relevantes. Hellen et al. (1998), mediram as constantes cinéticas de associação e dissociação da AO à Na+,K+-ATPase fosforilada. A cinética de interação da ouabaína com a Na+,K+-ATPase é relativamente lenta e a da AO é semelhante. Isso permite que estudos de cinética sejam realizados a partir de fluorescência no estado estacionário.
Figura 2.11 Estrutura química da antroil-ouabaína (Fortes, 1977).
Fármacos heterocíclicos derivados de amina
Antidepressivos Tricíclicos
Os antidepressivos são drogas que aumentam o tônus psíquico melhorando o humor e, conseqüentemente, melhorando a performance psíquica de maneira global. A ação terapêutica das drogas antidepressivas tem lugar no sistema límbico, parte do cérebro responsável principalmente pelas emoções. O sistema límbico coordena os neurotransmissores: a serotonina, a noradrenalina (geradora das crises de enxaqueca), a acetilcolina, a prostaglandina e a dopamina, entre outros. O efeito terapêutico dos antidepressivos é conseqüência de um aumento funcional dos neurotransmissores na fenda sináptica, principalmente norepinefrina, serotonina e dopamina, bem como da alteração no número e sensibilidade dos neuro-receptores. O aumento de neurotransmissores na fenda sináptica pode se dar através do bloqueio de re-captação desses neurotransmissores no neurônio pré-sináptico ou ainda através da inibição da enzima responsável pela inativação destes neurotransmissores, a monoaminaoxidase (MAO) (Psiqweb psiquiaria geral, 2003).
pela veia. Para o tratamento dos distúrbios psicóticos é utilizada uma dose usual para adultos: 10 a 50 mg, de 2 a 6 vezes por dia (Farmácia On-line).
Figura 2.13 Desenho da estrutura molecular da Clorpromazina (3-[(2-cloro-10H- fenotiazin-10-il)]-N,N-dimetil-propan-1-amina) determinada por cristalografia de raios X (Horn, 1971).
Os derivados fenotiazínicos apresentam estrutura de triplo anel, na qual 2 anéis benzênicos estão ligados por um átomo de enxofre e um de nitrogênio. A clorpromazina é um derivado aromático de cadeia lateral alifática. A natureza do radical na posição 10 tem influenza na atividade farmacológica do fenotiazínico e a presença de agrupamentos capazes de retirar elétrons na posição 2 aumenta a eficácia do neuroléptico (Silva, 2001). A clorpromazina é uma molécula que sofre fotodegradação quando é irradiada com luz ultravioleta produzindo outras espécies moleculares. As diferentes espécies encontradas na solução dependem muito da interação da CPZ com outras moléculas no tampão. A luz ultravioleta rompe ligações na molécula da CPZ permitindo desse modo formar diferentes classes de radicais livres. Os radicais livres são espécies com um ou mais elétrons não emparelhados. O elétron desemparelhado dá como resultado freqüentemente a espécies altamente instáveis. Estes, por serem muito instáveis, começam a se ligar rapidamente a outras moléculas que se encontram muito perto, para assim alcançar o equilíbrio químico formando novas espécies
mais estáveis. Os radicais livres podem ser classificados como redutores (doando um elétron a um aceptor) e oxidantes (aceitando um elétron de um doador) (Buettner et al , 2000). As reações foto-alérgicas e fototóxicas de CPZ em humanos, assim como sua capacidade de induzir fotomutagênese em bactérias, têm sido atribuídas à formação de radicais livres. Sob irradiação ultravioleta a CPZ produz uma variedade de radicais tais como o radical cátion (via foto-ionização), o radical promazinil neutro e um átomo de cloro (Cl•) (via uma ruptura homolítica), e um radical peroxil com enxofre centrado. O radical cátion é formado por meio de um mecanismo bi-fotônico por etapas para a foto-ionização da CPZ via um estado excitado triplete da CPZ (Banulescu, 2001). hv CPZ → CPZ∗^ (excitação inicial) (^1) CPZ∗ (^) → 3 CPZ∗ (^) (cruzamento intersistema)
3 hv
CPZ → CPZ•+^ + eaq-^ (excitação secundaria)
A hidrólise do radical cátion conduz a fenotiazina sulfóxido.
CPZ•+^ + H 2 O → CPZ-SO + e-^ + 2 H+
CPZ-SO + H 2 O → CPZ-SO 2 + 2 e-^ + 2 H+
A CPZ-SO é um metabólito principal da CPZ, no entanto para sua formação, há que se ter em conta que o radical cátion somente pode ocorrer quando a clorpromazina é excitada a comprimentos de ondas de irradiação menores que 280 nm. O radical promazinil é um muito provável candidato para as espécies fototóxicas in vivo e in vitro. Além este radical pode reagir covalentemente com proteínas e macromoléculas para produzir antígenos que poderiam ser responsáveis pela resposta foto-alérgica á clorpromazina (Chignell et al, 1985). O radical promazinil é capaz de extrair um átomo de hidrogênio duma variedade de doadores tais como o etanol para produzir promazina PZ, que é um conhecido fotoproduto da CPZ. O radical promazinil pode reagir com outro radical promazinil ou com a CPZ para formar dímeros ou polímeros muitos grandes (Banulescu, 2001).
