3.2: A membrana celular

objetivos de aprendizagem

Ao final desta seção, você poderá:

• Descreva os componentes moleculares que compõem a membrana celular
• Explicar as principais características e propriedades da membrana celular
• Diferencie entre materiais que podem e não podem se difundir pela bicamada lipídica
• Compare e contraste diferentes tipos de transporte passivo com transporte ativo, fornecendo exemplos de cada um

Apesar das diferenças de estrutura e função, todas as células vivas em organismos multicelulares têm uma membrana celular circundante. À medida que a camada externa da pele separa o corpo do ambiente, a membrana celular (também conhecida como membrana plasmática) separa o conteúdo interno de uma célula do ambiente externo. Essa membrana celular fornece uma barreira protetora ao redor da célula e regula quais materiais podem entrar ou sair.

Estrutura e composição da membrana celular

A membrana celular é uma estrutura extremamente flexível composta principalmente por fosfolipídios consecutivos (uma “bicamada”). O colesterol também está presente, o que contribui para a fluidez da membrana, e existem várias proteínas embutidas na membrana que têm uma variedade de funções.

Uma única molécula fosfolipídica tem um grupo fosfato em uma extremidade, chamado de “cabeça”, e duas cadeias lado a lado de ácidos graxos que compõem as caudas lipídicas (Figura 3.2). O grupo fosfato tem uma carga negativa, tornando a cabeça polar e hidrofílica — ou “amante da água”. Uma molécula hidrofílica (ou região de uma molécula) é aquela que é atraída pela água. As cabeças de fosfato são, portanto, atraídas pelas moléculas de água dos ambientes extracelular e intracelular. As caudas lipídicas, por outro lado, não são carregadas ou não polares e são hidrofóbicas — ou “temem a água”. Uma molécula hidrofóbica (ou região de uma molécula) repele e é repelida pela água. Algumas caudas lipídicas consistem em ácidos graxos saturados e outras contêm ácidos graxos insaturados. Essa combinação aumenta a fluidez das caudas que estão constantemente em movimento. Os fosfolipídios são, portanto, moléculas anfipáticas. Uma molécula anfipática é aquela que contém uma região hidrofílica e uma hidrofóbica. Na verdade, o sabão funciona para remover manchas de óleo e graxa porque tem propriedades anfipáticas. A porção hidrofílica pode se dissolver em água, enquanto a porção hidrofóbica pode reter graxa em micelas que podem ser lavadas.

Figura 3.2 Estrutura dos fosfolipídios Uma molécula fosfolipídica consiste em uma “cabeça” de fosfato polar, que é hidrofílica, e uma “cauda” lipídica não polar, que é hidrofóbica. Os ácidos graxos insaturados resultam em dobras nas caudas hidrofóbicas.

A membrana celular consiste em duas camadas adjacentes de fosfolipídios. As caudas lipídicas de uma camada estão voltadas para as caudas lipídicas da outra camada, encontrando-se na interface das duas camadas. As cabeças dos fosfolipídios estão voltadas para fora, uma camada exposta ao interior da célula e uma camada exposta ao exterior (Figura 3.3). Como os grupos fosfato são polares e hidrofílicos, eles são atraídos pela água no fluido intracelular. O fluido intracelular (ICF) é o fluido interno da célula. Os grupos fosfato também são atraídos pelo fluido extracelular. O fluido extracelular (ECF) é o ambiente fluido fora do invólucro da membrana celular. Fluido intersticial (FI) é o termo dado ao fluido extracelular não contido nos vasos sanguíneos. Como as caudas lipídicas são hidrofóbicas, elas se encontram na região interna da membrana, excluindo o fluido aquoso intracelular e extracelular desse espaço. A membrana celular tem muitas proteínas, assim como outros lipídios (como o colesterol), que estão associados à bicamada fosfolipídica. Uma característica importante da membrana é que ela permanece fluida; os lipídios e proteínas da membrana celular não estão rigidamente presos no lugar.

Figura 3.3 Bicamada de fosfolipídios A bicamada fosfolipídica consiste em duas camadas adjacentes de fosfolipídios, dispostas da cauda à cauda. As caudas hidrofóbicas se associam umas às outras, formando o interior da membrana. As cabeças polares entram em contato com o fluido dentro e fora da célula.

Proteínas de membrana

A bicamada lipídica forma a base da membrana celular, mas é preenchida por toda parte com várias proteínas. Dois tipos diferentes de proteínas comumente associadas à membrana celular são as proteínas integrais e a proteína periférica (Figura 3.4). Como o próprio nome sugere, uma proteína integral é uma proteína incorporada na membrana. Uma proteína de canal é um exemplo de proteína integral que permite seletivamente que materiais específicos, como certos íons, entrem ou saiam da célula.

Figura 3.4 Membrana celular A membrana celular da célula é uma bicamada fosfolipídica contendo muitos componentes moleculares diferentes, incluindo proteínas e colesterol, alguns com grupos de carboidratos conectados.

Outro grupo importante de proteínas integrais são as proteínas de reconhecimento celular, que servem para marcar a identidade de uma célula para que ela possa ser reconhecida por outras células. Um receptor é um tipo de proteína de reconhecimento que pode se ligar seletivamente a uma molécula específica fora da célula, e essa ligação induz uma reação química dentro da célula. Um ligante é a molécula específica que se liga e ativa um receptor. Algumas proteínas integrais desempenham funções duplas como receptoras e canais iônicos. Um exemplo de interação receptor-ligante são os receptores nas células nervosas que se ligam aos neurotransmissores, como a dopamina. Quando uma molécula de dopamina se liga a uma proteína receptora de dopamina, um canal dentro da proteína transmembrana se abre para permitir que certos íons fluam para a célula.

Algumas proteínas de membrana integral são glicoproteínas. Uma glicoproteína é uma proteína que tem moléculas de carboidratos unidas, que se estendem até a matriz extracelular. As etiquetas de carboidratos anexadas às glicoproteínas ajudam no reconhecimento celular. Os carboidratos que se estendem das proteínas da membrana e até mesmo de alguns lipídios da membrana formam coletivamente o glicocálix. O glicocálix é um revestimento de aparência difusa ao redor da célula formado por glicoproteínas e outros carboidratos ligados à membrana celular. O glicocálix pode ter várias funções. Por exemplo, pode ter moléculas que permitem que a célula se ligue a outra célula, pode conter receptores para hormônios ou pode ter enzimas para decompor os nutrientes. Os glicocálicos encontrados no corpo de uma pessoa são produtos da composição genética dessa pessoa. Eles dão a cada um dos trilhões de células do indivíduo a “identidade” de pertencer ao corpo da pessoa. Essa identidade é a principal forma pela qual as células de defesa imunológica de uma pessoa “sabem” não atacar as células do próprio corpo, mas também é a razão pela qual os órgãos doados por outra pessoa podem ser rejeitados.

As proteínas periféricas são normalmente encontradas na superfície interna ou externa da bicamada lipídica, mas também podem ser ligadas à superfície interna ou externa de uma proteína integral. Essas proteínas normalmente desempenham uma função específica para a célula. Algumas proteínas periféricas na superfície das células intestinais, por exemplo, atuam como enzimas digestivas para decompor os nutrientes em tamanhos que podem passar pelas células e entrar na corrente sanguínea.

Transporte através da membrana celular

Uma das grandes maravilhas da membrana celular é sua capacidade de regular a concentração de substâncias dentro da célula. Essas substâncias incluem íons como Ca ⁺⁺, Na ⁺, K ⁺ e Cl ^—; nutrientes, incluindo açúcares, ácidos graxos e aminoácidos; e resíduos, particularmente dióxido de carbono (CO ₂), que devem sair da célula.

A estrutura de bicamadas lipídicas da membrana fornece o primeiro nível de controle. Os fosfolipídios estão bem compactados e a membrana tem um interior hidrofóbico. Essa estrutura faz com que a membrana seja permeável seletivamente. Uma membrana com permeabilidade seletiva permite que somente substâncias que atendam a determinados critérios passem por ela sem ajuda. No caso da membrana celular, somente materiais não polares relativamente pequenos podem se mover através da bicamada lipídica (lembre-se de que as caudas lipídicas da membrana são não polares). Alguns exemplos disso são outros lipídios, gases de oxigênio e dióxido de carbono e álcool. No entanto, materiais solúveis em água, como glicose, aminoácidos e eletrólitos, precisam de alguma ajuda para atravessar a membrana porque são repelidos pelas caudas hidrofóbicas da bicamada fosfolipídica. Todas as substâncias que se movem pela membrana o fazem por um dos dois métodos gerais, que são categorizados com base na necessidade ou não de energia. O transporte passivo é o movimento de substâncias através da membrana sem o gasto de energia celular. Em contraste, o transporte ativo é o movimento de substâncias através da membrana usando energia do trifosfato de adenosina (ATP).

Transporte passivo

Para entender como as substâncias se movem passivamente através de uma membrana celular, é necessário entender os gradientes de concentração e difusão. Um gradiente de concentração é a diferença na concentração de uma substância em um espaço. As moléculas (ou íons) se espalharão ou se difundirão de onde estão mais concentradas para onde estão menos concentradas até que estejam igualmente distribuídas nesse espaço. (Quando as moléculas se movem dessa maneira, diz-se que elas descem seu gradiente de concentração.) A difusão é o movimento de partículas de uma área de maior concentração para uma área de menor concentração. Alguns exemplos comuns ajudarão a ilustrar esse conceito. Imagine estar dentro de um banheiro fechado. Se um frasco de perfume fosse pulverizado, as moléculas do perfume se difundiriam naturalmente do local onde deixaram o frasco para todos os cantos do banheiro, e essa difusão continuaria até que não restasse mais gradiente de concentração. Outro exemplo é uma colher de açúcar colocada em uma xícara de chá. Eventualmente, o açúcar se difundirá por todo o chá até que nenhum gradiente de concentração permaneça. Em ambos os casos, se a sala estiver mais quente ou o chá mais quente, a difusão ocorre ainda mais rápido, pois as moléculas se chocam umas com as outras e se espalham mais rápido do que em temperaturas mais baixas. Ter uma temperatura corporal interna em torno de 98,6 ^° F também ajuda na difusão de partículas dentro do corpo.

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Visite este link para ver a difusão e como ela é impulsionada pela energia cinética das moléculas em solução. Como a temperatura afeta a taxa de difusão e por quê?

Sempre que uma substância existe em maior concentração em um lado de uma membrana semipermeável, como as membranas celulares, qualquer substância que possa descer seu gradiente de concentração através da membrana o fará. Considere substâncias que podem se difundir facilmente pela bicamada lipídica da membrana celular, como os gases oxigênio (O ₂) e CO ₂. O ₂ geralmente se difunde nas células porque está mais concentrado fora delas, e o CO ₂ normalmente se difunde para fora das células porque está mais concentrado dentro delas. Nenhum desses exemplos requer energia por parte da célula e, portanto, eles usam transporte passivo para se mover pela membrana.

Antes de prosseguir, você precisa revisar os gases que podem se difundir pela membrana celular. Como as células consomem oxigênio rapidamente durante o metabolismo, normalmente há uma menor concentração de O ₂ dentro da célula do que fora. Como resultado, o oxigênio se difundirá do fluido intersticial diretamente através da bicamada lipídica da membrana e para o citoplasma dentro da célula. Por outro lado, como as células produzem CO ₂ como subproduto do metabolismo, as concentrações de CO ₂ aumentam dentro do citoplasma; portanto, o CO ₂ se moverá da célula através da bicamada lipídica para o fluido intersticial, onde sua concentração é menor. Esse mecanismo de moléculas se movendo através de uma membrana celular do lado onde estão mais concentradas para o lado onde estão menos concentradas é uma forma de transporte passivo chamada difusão simples (Figura 3.5).

Figura 3.5 Difusão simples pela membrana celular (plasma) A estrutura da bicamada lipídica permite que substâncias pequenas e não carregadas, como oxigênio e dióxido de carbono, e moléculas hidrofóbicas, como lipídios, passem pela membrana celular, para baixo seu gradiente de concentração, por simples difusão.

Grandes moléculas polares ou iônicas, que são hidrofílicas, não conseguem atravessar facilmente a bicamada fosfolipídica. Moléculas polares muito pequenas, como a água, podem se cruzar por meio de difusão simples devido ao seu tamanho pequeno. Átomos carregados ou moléculas de qualquer tamanho não podem atravessar a membrana celular por meio de difusão simples, pois as cargas são repelidas pelas caudas hidrofóbicas no interior da bicamada fosfolipídica. Os solutos dissolvidos em água em ambos os lados da membrana celular tendem a se difundir em seus gradientes de concentração, mas como a maioria das substâncias não pode passar livremente pela bicamada lipídica da membrana celular, seu movimento é restrito aos canais de proteína e mecanismos de transporte especializados no membrana. A difusão facilitada é o processo de difusão usado para aquelas substâncias que não conseguem atravessar a bicamada lipídica devido ao seu tamanho, carga e/ou polaridade (Figura 3.6). Um exemplo comum de difusão facilitada é o movimento da glicose para dentro da célula, onde ela é usada para produzir ATP. Embora a glicose possa estar mais concentrada fora de uma célula, ela não pode atravessar a bicamada lipídica por meio de difusão simples porque é grande e polar. Para resolver isso, uma proteína transportadora especializada chamada transportador de glicose transferirá moléculas de glicose para a célula para facilitar sua difusão interna.

Figura 3.6 Difusão facilitada (a) A difusão facilitada de substâncias que atravessam a membrana celular (plasma) ocorre com a ajuda de proteínas, como proteínas de canal e proteínas transportadoras. As proteínas do canal são menos seletivas do que as proteínas transportadoras e geralmente discriminam levemente entre sua carga com base no tamanho e na carga. (b) As proteínas transportadoras são mais seletivas, geralmente permitindo que apenas um tipo específico de molécula se cruze.

Como exemplo, embora os íons de sódio (Na ⁺) estejam altamente concentrados fora das células, esses eletrólitos são carregados e não podem passar pela bicamada lipídica não polar da membrana. Sua difusão é facilitada por proteínas de membrana que formam canais de sódio (ou “poros”), de modo que os íons ^Na+ podem descer seu gradiente de concentração de fora das células para dentro das células. Existem muitos outros solutos que devem passar por difusão facilitada para entrar em uma célula, como aminoácidos, ou para sair de uma célula, como resíduos. Como a difusão facilitada é um processo passivo, ela não requer gasto de energia da célula.

A água também pode se mover livremente pela membrana celular de todas as células, seja por meio de canais de proteína ou deslizando entre as caudas lipídicas da própria membrana. A osmose é a difusão da água através de uma membrana semipermeável (Figura 3.7).

Figura 3.7 Osmose A osmose é a difusão da água através de uma membrana semipermeável em seu gradiente de concentração. Se uma membrana for permeável à água, mas não a um soluto, a água igualará sua própria concentração difundindo-se para o lado da menor concentração de água (e, portanto, para o lado da maior concentração de soluto). No copo à esquerda, a solução no lado direito da membrana é hipertônica.

O movimento das moléculas de água não é regulado por algumas células, por isso é importante que essas células sejam expostas a um ambiente no qual a concentração de solutos fora das células (no fluido extracelular) seja igual à concentração de solutos dentro das células (no citoplasma). Diz-se que duas soluções que têm a mesma concentração de solutos são isotônicas (tensão igual). Quando as células e seus ambientes extracelulares são isotônicos, a concentração das moléculas de água é a mesma fora e dentro das células, e as células mantêm sua forma (e função) normais.

A osmose ocorre quando há um desequilíbrio de solutos fora de uma célula versus dentro da célula. Diz-se que uma solução que tem uma concentração maior de solutos do que outra solução é hipertônica, e as moléculas de água tendem a se difundir em uma solução hipertônica (Figura 3.8). As células em uma solução hipertônica murcharão à medida que a água sai da célula por osmose. Em contraste, diz-se que uma solução com menor concentração de solutos do que outra solução é hipotônica, e as moléculas de água tendem a se difundir para fora de uma solução hipotônica. As células em uma solução hipotônica absorvem muita água e incham, com o risco de eventualmente estourar. Um aspecto crítico da homeostase nos seres vivos é criar um ambiente interno no qual todas as células do corpo estejam em uma solução isotônica. Vários sistemas orgânicos, principalmente os rins, trabalham para manter essa homeostase.

Figura 3.8 Concentração de soluções Uma solução hipertônica tem uma concentração de soluto maior do que outra solução. Uma solução isotônica tem uma concentração de soluto igual a outra solução. Uma solução hipotônica tem uma concentração de soluto menor do que outra solução.

Outro mecanismo além da difusão para transportar passivamente materiais entre os compartimentos é a filtração. Ao contrário da difusão de uma substância de onde ela está mais concentrada para menos concentrada, a filtração usa um gradiente de pressão hidrostática que empurra o fluido - e os solutos dentro dele - de uma área de pressão mais alta para uma área de pressão mais baixa. A filtração é um processo extremamente importante no corpo. Por exemplo, o sistema circulatório usa filtração para mover plasma e substâncias através do revestimento endotelial dos capilares e para os tecidos circundantes, fornecendo nutrientes às células. A pressão de filtração nos rins fornece o mecanismo para remover resíduos da corrente sanguínea.

Transporte ativo

Para todos os métodos de transporte descritos acima, a célula não gasta energia. As proteínas de membrana que auxiliam no transporte passivo de substâncias o fazem sem o uso de ATP. Durante o transporte ativo, o ATP é necessário para mover uma substância através de uma membrana, geralmente com a ajuda de transportadores de proteína e geralmente contra seu gradiente de concentração.

Um dos tipos mais comuns de transporte ativo envolve proteínas que servem como bombas. A palavra “bomba” provavelmente evoca pensamentos sobre o uso de energia para bombear o pneu de uma bicicleta ou de uma bola de basquete. Da mesma forma, a energia do ATP é necessária para que essas proteínas de membrana transportem substâncias - moléculas ou íons - através da membrana, geralmente contra seus gradientes de concentração (de uma área de baixa concentração para uma área de alta concentração).

A bomba de sódio-potássio, também chamada de Na ^{+/K +} ATPase, transporta o sódio para fora de uma célula enquanto move o potássio para dentro da célula. A bomba Na ^{+/K +} é uma importante bomba de íons encontrada nas membranas de muitos tipos de células. Essas bombas são particularmente abundantes nas células nervosas, que estão constantemente bombeando íons de sódio e puxando íons de potássio para manter um gradiente elétrico em suas membranas celulares. Um gradiente elétrico é uma diferença na carga elétrica em um espaço. No caso das células nervosas, por exemplo, o gradiente elétrico existe entre o interior e o exterior da célula, com o interior sendo carregado negativamente (em torno de -70 mV) em relação ao exterior. O gradiente elétrico negativo é mantido porque cada bomba Na ^{+/K +} move três íons Na ⁺ para fora da célula e dois íons K ⁺ para dentro da célula para cada molécula de ATP usada (Figura 3.9). Esse processo é tão importante para as células nervosas que é responsável pela maior parte do uso de ATP.

Figura 3.9 Bomba de sódio-potássio A bomba de sódio-potássio é encontrada em muitas membranas celulares (plasma). Alimentada por ATP, a bomba move os íons sódio e potássio em direções opostas, cada uma contra seu gradiente de concentração. Em um único ciclo da bomba, três íons de sódio são extrudados e dois íons potássio são importados para a célula.

As bombas de transporte ativo também podem trabalhar em conjunto com outros sistemas de transporte ativos ou passivos para mover substâncias pela membrana. Por exemplo, a bomba de sódio-potássio mantém uma alta concentração de íons de sódio fora da célula. Portanto, se a célula precisar de íons de sódio, tudo o que ela precisa fazer é abrir um canal de sódio passivo, pois o gradiente de concentração dos íons de sódio os levará a se difundir na célula. Dessa forma, a ação de uma bomba de transporte ativa (a bomba de sódio-potássio) alimenta o transporte passivo de íons de sódio criando um gradiente de concentração. Quando o transporte ativo alimenta o transporte de outra substância dessa maneira, ele é chamado de transporte ativo secundário.

Os simportadores são transportadores ativos secundários que movem duas substâncias na mesma direção. Por exemplo, o simportador de sódio-glicose usa íons de sódio para “puxar” moléculas de glicose para dentro da célula. Como as células armazenam glicose para obter energia, a glicose normalmente está em uma concentração maior dentro da célula do que fora. No entanto, devido à ação da bomba de sódio-potássio, os íons de sódio se difundem facilmente na célula quando o simportador é aberto. A inundação de íons de sódio através do simtransportador fornece a energia que permite que a glicose se mova através do simportador e entre na célula, contra seu gradiente de concentração.

Por outro lado, os antiportadores são sistemas secundários de transporte ativo que transportam substâncias em direções opostas. Por exemplo, o antitransportador de íons sódio-hidrogênio usa a energia da inundação interna de íons de sódio para mover os íons de hidrogênio (H+) para fora da célula. O antitransportador sódio-hidrogênio é usado para manter o pH do interior da célula.

Outras formas de transporte ativo não envolvem transportadores de membrana. A endocitose (trazendo “para dentro da célula”) é o processo de uma célula ingerir material envolvendo-o em uma porção de sua membrana celular e, em seguida, comprimindo essa porção da membrana (Figura 3.10). Uma vez extraída, a porção da membrana e seu conteúdo se tornam uma vesícula intracelular independente. Uma vesícula é um saco membranoso — uma organela esférica e oca delimitada por uma membrana de bicamada lipídica. A endocitose geralmente traz materiais para a célula que devem ser decompostos ou digeridos. A fagocitose (“alimentação celular”) é a endocitose de partículas grandes. Muitas células imunes se envolvem na fagocitose de patógenos invasores. Como os pequenos Pac-men, seu trabalho é patrulhar os tecidos corporais em busca de matéria indesejada, como invadir células bacterianas, fagocitá-las e digeri-las. Em contraste com a fagocitose, a pinocitose (“consumo de células”) traz fluidos contendo substâncias dissolvidas para dentro de uma célula por meio de vesículas de membrana.

Figura 3.10 Três formas de endocitose A endocitose é uma forma de transporte ativo em que uma célula envolve materiais extracelulares usando sua membrana celular. (a) Na fagocitose, que é relativamente não seletiva, a célula absorve uma partícula grande. (b) Na pinocitose, a célula absorve pequenas partículas no fluido. (c) Em contraste, a endocitose mediada por receptores é bastante seletiva. Quando os receptores externos se ligam a um ligante específico, a célula responde endocitando o ligante.

A fagocitose e a pinocitose absorvem grandes porções de material extracelular e normalmente não são altamente seletivas nas substâncias que trazem. As células regulam a endocitose de substâncias específicas por meio da endocitose mediada por receptores. A endocitose mediada por receptores é a endocitose por uma porção da membrana celular que contém muitos receptores específicos para uma determinada substância. Uma vez que os receptores de superfície tenham ligado quantidades suficientes da substância específica (o ligante do receptor), a célula endocitará a parte da membrana celular que contém os complexos receptor-ligante. O ferro, um componente necessário da hemoglobina, é endocitado pelos glóbulos vermelhos dessa maneira. O ferro está ligado a uma proteína chamada transferrina no sangue. Receptores específicos de transferrina nas superfícies dos glóbulos vermelhos se ligam às moléculas de ferro-transferrina e a célula endocita os complexos receptor-ligante.

Em contraste com a endocitose, a exocitose (retirada “da célula”) é o processo de exportação de material de uma célula usando transporte vesicular (Figura 3.11). Muitas células fabricam substâncias que devem ser secretadas, como uma fábrica que fabrica um produto para exportação. Essas substâncias são normalmente embaladas em vesículas ligadas à membrana dentro da célula. Quando a membrana vesicular se funde com a membrana celular, a vesícula libera seu conteúdo no fluido intersticial. A membrana vesicular então se torna parte da membrana celular. As células do estômago e do pâncreas produzem e secretam enzimas digestivas por meio da exocitose (Figura 3.12). As células endócrinas produzem e secretam hormônios que são enviados por todo o corpo, e certas células imunes produzem e secretam grandes quantidades de histamina, uma substância química importante para as respostas imunes.

Figura 3.11 Exocitose A exocitose é muito parecida com a endocitose ao contrário. O material destinado à exportação é embalado em uma vesícula dentro da célula. A membrana da vesícula se funde com a membrana celular e o conteúdo é liberado no espaço extracelular.

Figura 3.12 Produtos enzimáticos das células pancreáticas As células acinares pancreáticas produzem e secretam muitas enzimas que digerem os alimentos. Os minúsculos grânulos pretos nesta micrografia eletrônica são vesículas secretoras cheias de enzimas que serão exportadas das células por meio da exocitose. LM × 2900. (Micrografia fornecida pelos Regentes da Faculdade de Medicina da Universidade de Michigan © 2012)

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Doenças do...

Célula: Fibrose cística

A fibrose cística (FC) afeta aproximadamente 30.000 pessoas nos Estados Unidos, com cerca de 1.000 novos casos relatados a cada ano. A doença genética é mais conhecida por seus danos aos pulmões, causando dificuldades respiratórias e infecções pulmonares crônicas, mas também afeta o fígado, o pâncreas e os intestinos. Apenas cerca de 50 anos atrás, o prognóstico para crianças nascidas com FC era muito sombrio - uma expectativa de vida raramente superior a 10 anos. Hoje, com os avanços no tratamento médico, muitos pacientes com FC vivem até os 30 anos.

Os sintomas da FC resultam de um canal iônico de membrana com defeito, chamado regulador de condutância transmembranar da fibrose cística, ou CFTR. ^{Em pessoas saudáveis, a proteína CFTR é uma proteína de membrana integral que transporta íons Cl para fora da célula.} Em uma pessoa com FC, o gene do CFTR sofre mutação, portanto, a célula fabrica uma proteína de canal defeituosa que normalmente não é incorporada à membrana, mas é degradada pela célula.

^{O CFTR requer ATP para funcionar, tornando seu transporte Cl uma forma de transporte ativo.} Essa característica intrigou os pesquisadores por muito tempo porque os íons Cl ^- estão, na verdade, fluindo para baixo em seu gradiente de concentração quando transportados para fora das células. O transporte ativo geralmente bombeia íons contra seu gradiente de concentração, mas o CFTR apresenta uma exceção a essa regra.

^{No tecido pulmonar normal, o movimento de Cl — para fora da célula mantém um ambiente rico em Cl e com carga negativa imediatamente fora da célula.} Isso é particularmente importante no revestimento epitelial do sistema respiratório. As células epiteliais respiratórias secretam muco, que serve para reter poeira, bactérias e outros detritos. Um cílio (plural = cílios) é um dos apêndices semelhantes a pêlos encontrados em certas células. Os cílios nas células epiteliais movem o muco e suas partículas presas pelas vias aéreas, afastando-se dos pulmões em direção ao exterior. Para ser efetivamente movido para cima, o muco não pode ser muito viscoso; ao contrário, deve ter uma consistência fina e aquosa. O transporte de Cl ^— e a manutenção de um ambiente eletronegativo fora da célula atraem íons positivos, como Na ⁺, para o espaço extracelular. O acúmulo de íons Cl ^— e Na ⁺ no espaço extracelular cria muco rico em soluto, que tem uma baixa concentração de moléculas de água. Como resultado, por meio da osmose, a água se move das células e da matriz extracelular para o muco, “diluindo-o”. É assim que, em um sistema respiratório normal, o muco é mantido suficientemente diluído para ser expelido para fora do sistema respiratório.

Se o canal CFTR estiver ausente, os íons Cl ^- não são transportados para fora da célula em números adequados, impedindo-os de extrair íons positivos. A ausência de íons no muco secretado resulta na falta de um gradiente normal de concentração de água. Assim, não há pressão osmótica puxando a água para o muco. O muco resultante é espesso e pegajoso, e o epitélio ciliado não consegue removê-lo efetivamente do sistema respiratório. As passagens nos pulmões ficam bloqueadas pelo muco, junto com os detritos que ele carrega. As infecções bacterianas ocorrem mais facilmente porque as células bacterianas não são efetivamente retiradas dos pulmões.