São Cristóvão/SE
2009
Carla Maria Lins de Vasconcelos
Eduardo Antônio Conde Garcia
Projeto Gráfico e Capa
Hermeson Alves de Menezes
Diagramação
Lucílio do Nascimento Freitas
Ilustração
Luzileide Silva Santos Eduardo Antônio Conde Garcia
ara biólogos / Carla Maria Lins de Vasconcelos e Antônio Conde Garcia -- São Cristóvão: Universidade
Copyright © 2009, Universidade Federal de Sergipe / CESAD.
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FICHACATALOGRÁFICAPRODUZIDAPELA BIBLIOTECA CENTRAL UNIVERSIDADE FEDERALDE SERGIPE
Vasconcelos, Carla Maria Lins de.
V331b Biofísica para biólogos / Carla Maria Lins de Vasconcelos e Eduardo Antônio Conde Garcia -- São Cristóvão: Universidade Federal de Sergipe, CESAD, 2009.
1. Biofísica. 2. Eletroforese. 3. Efeitos biológicos I. Garcia Eduardo Antônio Conde. II. Título.
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AULA 1
Biofísica das membranas biológicas ... 07 AULA 2
Potencial de membrana e potencial de ação ... 27 AULA 3 Biofísica da visão ... 47 AULA 4 Biofísica da audição ... 63 AULA 5 Eletroforese ... 79 AULA 6
Biofísica das radiações ionizantes ... 97 AULA 7
Interação da radiação com a matéria ... 117 AULA 8
BIOFÍSICA DAS MEMBRANAS
BIOLÓGICAS
META
Discutir as principais propriedades biofísicas das membranas biológicas e o conhecer o mecanismo de transporte de solutos através da membrana.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá:
descrever e esquematizar os principais modelos estruturais da membrana plasmática; descrever a composição química da membrana plasmática;
compreender a importância da fluidez para a membrana e os fatores que influenciam a fluidez; discutir os tipos de transportes de solutos através da membrana plasmática e seus
transportadores;
relacionar as diferenças entre um transporte mediado por canal e carreador; e
conhecer o mecanismo de transporte mediado pela Bomba de Na+/K+ e sua importância para a célula.
PRÉ-REQUISITOS
Antes de iniciar o estudo da biofísica das membranas biológicas, faça uma leitura sobre a estrutura da membrana plasmática em um livro de Biologia Celular.
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Modelo de membrana plasmática desenvolvido por alunos do ensino médio (Fonte: http://doracyfreire12.blogspot.com).
INTRODUÇÃO
A membrana celular, também chamada de membrana plasmática, membrana citoplasmática ou plasmalema é o envoltório que toda cé-lula possui. Os compartimentos internos, as organelas, também são envoltas por uma membrana. Ela define os limites da célula e, com isso, mantém as diferenças de composição entre os meios intracelular e extracelular. A espessura varia e, geralmente, está entre 6 a 9 nm. Como tem dimensões pequenas, somente é possível visualizá-las atra-vés de um microscópio eletrônico.
Elas são constituídas basicamente de proteínas, lipídios e carboidra-tos. A membrana, por separar os meios intra e extracelular, seleciona as substâncias que devem passar, ou não, pela membrana. Essas substâncias podem ser transportadas sem gasto de energia (transporte passivo) ou com gasto de energia (transporte ativo). Neste capítulo discutiremos a evolução dos modelos de membrana até chegar no modelo mais aceito, algumas propriedades físicas da membrana e como se processa o trans-porte de pequenas moléculas através da membrana celular.
1
BIOFÍSICA DAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS
Cada célula é envolvida por uma membrana plasmática que a sepa-ra do meio extsepa-racelular. A membsepa-rana plasmática serve como uma barreisepa-ra de permeabilidade que permite com que a célula mantenha a composição citoplasmática diferente da composição do fluido extracelular. A mem-brana contém enzimas, receptores e antígenos importantes na interação com hormônios, agentes reguladores e também com outras células (Ber-ne & Levy, 2008, p.3). Além disso, muitas proteínas formam canais ou carreadores na membrana para permitir o transporte de substâncias atra-vés da membrana.
EVOLUÇÃO DOS MODELOS DE MEMBRANA
Desde o início do século XX, diversos modelos moleculares foram propostos para a membrana plasmática:
1. Gorter & Grendel (1925) – Esses pesquisadores propuseram o pri-meiro modelo estrutural para a membrana biológica. Trabalhando com eritrócitos, eles conseguiram isolar os lipídios da membrana utilizan-do um solvente orgânico. Eles verificaram que os lipídios extraíutilizan-dos, quando espalhados sobre uma superfície aquosa, ocupavam uma área duas vezes maior do que a superfície do eritrócito. Tal observação levou a hipótese de uma membrana formada por uma dupla camada de lipídios, com as extremidades apolares voltadas para os meios intra e extracelular, enquanto as extremidades polares estariam vol-tadas para o interior da membrana (Fig. 1). Os lípidos das membra-nas são moléculas longas e anfipáticas: possuem uma extremidade hidrofílica (polar) e, portanto, solúvel em água, e outra hidrófóbica (apolar), insolúvel em água.
2. Danielli & Davson (1935) – Nesse modelo, a membrana seria formada pela bicamada lipídica com a participação de proteínas na membrana ce-lular. Essas proteínas estariam situadas completamente fora da bicamada lipídica, em ambas as faces da membrana, tanto citoplasmática quanto não-citoplasmática (Fig. 2). A membrana seria composta por 40 a 50 % de proteínas e 50 a 60 % de lipídios.
Figura 2. Modelo de membrana celular proposto por Danielli & Davson (1935).
3. Robertson (1957-1959) – Propôs um modelo de membrana formada pela bicamada de lipídios revestida por proteínas globulares situadas com-pletamente fora da bicamada lipídica (Conde-Garcia, 1998, p.5).
4. Stein & Danielli (1956) - O modelo admitia a presença de poros hidro-fílicos formados por proteínas atravessando toda a extensão da bicamada lipídica. Esse poro foi idealizado para justificar a comunicação da célula com o meio externo (Fig. 3).
Figura 3. Modelo de membrana celular proposto por Stein & Danielli (1956).
5. Lucy & Glauert (1964) – Eles propuseram que a membrana da célula seria formada por micelas lipídicas (arranjo esférico de lipídios). Em am-bas as faces da membrana, ela estaria recoberta por proteínas (Fig. 4).
1
6. Benson (1966) – idealizou um modelo de membrana formada por uma matriz de proteínas onde os lipídios estariam mergulhados nessa matriz protéica (Fig. 5A).
7. Lenard & Singer (1966) – sugeriram um modelo de membrana formada por uma dupla camada descontínua de lipídeos no qual as proteínas esta-riam fixadas (Fig. 5B).
Figura 5. Modelos de membrana celular proposto por Benson (A) e Lenard & Singer (B) (Conde-Garcia, 1998, p.5).
8. Singer & Nicolson (1972) - O atual Modelo para as membranas celulares é o do mosaico fluido proposto por Singer & Nicolson, em 1972. Os cientistas postularam a existência de um mosaico de molé-culas protéicas colocadas em uma camada fluida de lipídios. Com o advento do microscópio electrônico tornou-se possível visualizar di-retamente a estrutura da membrana, revelando uma estrutura tri-la-melar, consistindo em duas camadas eletrodensas separadas por uma eletrotranslúcida. Neste modelo, os lipídios estão organizados com suas cadeias apolares voltados para o interior da membrana, enquanto as cabeças polares ficam voltadas para o meio extracelular ou cito-plasmático. Essas duas camadas lipídicas estão associadas devido à interação das cadeias hidrofóbicas.
As proteínas foram classificadas como extrínsecas ou periférica (pro-teína de superfície) ou intrínsecas ou integrais (atravessam toda a espes-sura da membrana). As proteínas extrínsecas poderiam ser externa (volta-da para o meio extracelular) ou interna (volta(volta-da para o meio intracelular). A proteína externa poderia atuar como receptor de membrana e a interna como enzima. A proteína intrínseca teria a função no transporte de solu-tos ou poderia exercer também as mesmas funções de uma proteína ex-trínseca. Além dos lipídios e proteínas, a membrana seria revestida, na sua monocamada externa, por carboidratos (glicoproteínas ou glicolipí-dios). Essa camada é chamada de glicocálice e tem a função de reconhe-cimento celular (Fig. 6).
A)
Figura 6. Modelo de membrana celular proposto por Singer & Nicolson (1972).
PARÂMETROS ELÉTRICOS DA
MEMBRANA CELULAR
1. Rigidez dielétrica da membrana. Existe entre o citosol e o meio extra-celular uma diferença de potencial elétrico, que varia entre -60 a -90 mV. Isso significa dizer que o citosol é mais negativo em relação ao meio ex-tracelular. Levando em consideração a pequena espessura da membrana (70 angstrom), a diferença de potencial existente cria um campo elétrico muito alto no interior da membrana. Para uma membrana de 100 angs-trom e uma diferença de voltagem de 100 mV entre os meios intra e extracelular, o campo elétrico no interior da membrana seria altíssimo, de aproximadamente 10.000.000 V/m (Conde-Garcia, 1998, p.8).
Obs. O ångström (Å) é uma medida de comprimento que se relaciona com o metro através da relação: 1 Å = 10-10 m. Ele faz parte da SI
(Siste-ma Internacional de Unidades) e foi criada por um físico sueco Anders Jonas Ångström. O uso do ångström se mostrou necessário para medir distâncias menores que a nanômetro (10-9 m).
2. Capacitância da membrana. A membrana celular separa os meios intra e extracelular, dois meios condutores. Por isso, a membrana atua como um capacitor, que armazena cargas elétricas. A capacitância da membra-na é de 1 mF/cm2 (Aires, 2008, p.24). A capacitância (C) é medida pelo
quociente da quantidade de carga (Q) armazenada pela diferença de po-tencial ou voltagem (V) que existe entre os dois lados da membrana. Pelo Sistema Internacional de Unidade (SI), um capacitor tem a capacitância de um Farad (F) quando um Coulomb de carga causa uma diferença de potencial de um Volt (V) entre as membranas.
Q
C = ————— V
1
3. Resistência das membranas. As membranas celulares apresentam ele-vada resistência elétrica em torno de 1.000 a 8.000 W.cm2
(Conde-Gar-cia, 1998, p.9).
COMPOSIÇÃO DA MEMBRANA CELULAR
As moléculas lipídicas constituem 50 % da massa da maioria das membranas de células animais, sendo o restante, constituído de proteí-nas. As moléculas lipídicas são anfipáticas, pois possuem uma extremida-de hidrofílica ou polar (solúvel em meio aquoso) e uma extremidaextremida-de hi-drofóbica ou não-polar (insolúvel em água). Os três principais grupos de lipídios da membrana são os fosfolipídios, o colesterol e os glicolipídios. Os fosfolipídios são os mais abundantes (fosfatidilcolina, fosfatidil-serina, fosfatidiletanolamina, esfingomielina, fosfatidilinositol) e possu-em uma cabeça polar e duas caudas de hidrocarboneto hidrofóbicas (cau-das de ácido graxo). As cau(cau-das podem apresentar diferenças no compri-mento (14 a 24 átomos de carbono) e geralmente uma é insaturada, ou seja, apresenta uma dupla ligação cis. Essa dupla ligação promove uma flexão na cauda de lipídio (Fig. 7). Tanto o comprimento da cauda quanto a presença da dupla ligação influi na fluidez da membrana.
Figura 7. Molécula de fosfolipídio. Fosfatidilcolina, representada esquematicamente (esquer-da) e modelo espacial (esquer(esquer-da). A flexão é ocasionada pela dupla ligação. (Fonte: http:// html.rincondelvago.com).
As moléculas de colesterol apresentam uma cabeça polar (grupamen-to hidroxila) e, a sua região hidrofóbica possui anéis de esteróides e uma cauda de ácido graxo (Fig. 8). Os anéis do colesterol imobilizam a primei-ra porção da cadeia de ácido gprimei-raxo do fosfolipídio adjacente. Dessa for-ma, ele torna a bicamada lipídica menos sujeita a deformações (menor fluidez), e assim, diminui a permeabilidade da membrana.
Figura 8. Representação da molécula de colesterol interposta entre os fosfolipídios de membrana (Fonte: http://www.ar.geocities.com).
A BICAMADA LIPÍDICA É UM FLUIDO
BIDIMENSIONAL
A membrana plasmática não é uma estrutura estática, os lipídios movem-se proporcionando uma fluidez à membrana. Dentro da membra-na, os lipídios podem realizar 04 tipos de movimentos (Fig. 9):
a) Flip-Flop - é o movimento de passagem de um lipídio de uma monoca-mada para outra. Esse movimento ocorre raramente, aproximonoca-madamente 45 dias para cada lipídio realizar uma mudança de monocamada. Esse fato se deve a baixa afinidade da cabeça polar com as caudas de ácido graxo, dificultando a passagem da cabeça polar (hidrofílica) dentro da região apolar (hidrofóbica) da bicamada lipídica (Alberts et al., 2004). b) Difusão lateral – os lipídios movem-se lateralmente ao longo da exten-são da camada.
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c) Rotação - Eles movem-se ao longo do seu próprio eixo, em um movi-mento rotacional.
d) Flexão – Movimento das caudas hidrofóbicas dos lipídios.
Figura 9. Tipos de movimentos possíveis realizados pelos fosfolipídios em uma bicamada lipídica (Alberts et al., 2004).
FLUIDEZ DE MEMBRANA PLASMÁTICA
A fluidez da membrana é controlada por diversos fatores físicos e químicos.
a) A temperatura influencia na fluidez: quanto mais alta ou baixa, mais ou menos fluida será a membrana, respectivamente.
b) O número de duplas ligações nas caudas hidrofóbicas dos lipídios tam-bém influencia a fluidez: quanto maior o número de insaturações, mais fluida a membrana. A insaturação promove uma flexão na cauda do lipí-dio mantendo os lipílipí-dios vizinhos afastados.
c) Também a concentração de colesterol influencia na fluidez: quanto mais colesterol, menos fluida. O colesterol, por ser menor e mais rígido, interage mais fortemente com os lipídios adjacentes, diminuindo sua ca-pacidade de movimentação.
d) Tamanho da cauda do lipídio: quanto mais curta a cauda do fosfolipí-dio mais intensa será a flexão da cauda e, portanto, maior a fluidez da membrana.
A MEMBRANA PLASMÁTICA É ASSIMÉTRICA
As monocamadas externa e interna da membrana são assimétricas, tanto na composição de lipídios como de proteínas. A monocamada
ex-terna da membrana dos eritrócitos possui uma concentração maior de fosfatidilcolina e esfingomielina, enquanto na monocamada interna pre-dominam o fosfatidiletanolamina e a fosfatidilserina.
TRANSPORTE TRANSMEMBRANA
Existem várias formas através das quais as diversas substâncias podem atravessar a membrana celular. As principais e mais bem conheci-das são:
DIFUSÃO SIMPLES
Neste tipo de transporte, a substância passa do meio extracelular para o meio intracelular (ou vice-versa) diretamente através da bicamada lipídi-ca. A substância é transportada do meio mais concentrado para o meio menos concentrado, em decorrência ao movimento aleatório das partículas devido a uma energia cinética da própria matéria. Não há gasto de ATP intracelular nem participação de proteínas carreadoras. Nesse transporte, a molécula se dissolve na bicamada lipídica, atravessa a membrana plasmática até alcançar o equilíbrio den-tro e fora da célula (Cooper, 1997). Geralmente moléculas hidrofóbicas ou lipossolúveis são trans-portadas por difusão simples (Ex.: O2, CO2, N2, áci-dos graxos, benzeno). Quanto menor o tamanho da partícula e maior a lipossolubilidade maior será a velocidade do transporte. As moléculas polares pe-quenas e sem carga, tais como H2O, uréia e glicerol são capazes de se difundir através da membrana (Fig. 10). A água atravessa a membrana facilmente por possuir um baixo peso molecular (18 daltons) e uma alta energia cinética.
DIFUSÃO FACILITADA
Esse tipo de transporte também ocorre do meio mais concentrado para o menos concentrado (porte passivo) só que mediado por proteínas trans-portadoras. Essas proteínas são integrais e multipas-so, ou seja, atravessam a membrana várias vezes. Elas apresentam múltiplas α-hélices atravessando a
bica-Figura 10. Transporte de solutos através da bicamada lipídica (Alberts et al., 2004).
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mada lipídica (Fig. 11). As substâncias transportadas por difusão facilitada não possuem afinidade com a bicamada lipídica. Geralmente as moléculas polares e grandes sem carga (glicose ou sacarose) e os íons (Na+, K+, Ca++, Cl
-e H+) são transportados por difusão facilitada (Fig. 10).
Figura 12. Classificação dos carreadores de membrana: uniporte, simporte ou antiporte (Alberts et al., 2004). Figura 11. Proteína integral com apenas uma única α-hélice transmembranar (A, unipasso) e proteína integral com múltiplas α-hélices transmembranar (B, multi-passo). A proteína B atravessa a membrana 14 vezes (Cooper, 2000).
A difusão facilitada pode ser mediada por uma proteína carreadora ou por uma proteína canal.
DIFUSÃO FACILITADA MEDIADA POR CARREADOR
As proteínas carreadoras apresentam sítios de ligação para o soluto a ser transportado. Após a ligação do soluto à proteína carreadora, ela sofre mudança conformacional permitindo a passagem do soluto por dentro da proteína para o outro lado da membrana. Os carreadores geralmente trans-portam açúcares, aminoácidos e nucleotídeos. De acordo com o número de moléculas transportadas e o sentido do transporte, o transporte pode ser classificado em: uniporte, simporte e antiporte (Fig. 12).
a) Uniporte – é uma proteína carreadora que transporta uma única molé-cula no mesmo sentido. Ex. carreador da glicose (transporta a glicose do meio extracelular para o intracelular).
b) Simporte - é uma proteína carreadora que transporta dois solutos dife-rentes no mesmo sentido. Geralmente, é um transporte acoplado entre uma molécula e um íon.
Exemplo: Proteína transportadora de Na+ e glicose. Ela possui dois sítios
receptores para a fixação de ambas substâncias situados na face externa da membrana celular. Tanto o Na+ quanto à glicose são transportados
para dentro da célula. O transporte da glicose ocorre de meio menos con-centrado para o mais concon-centrado e só ocorre graças ao transporte simul-tâneo do sódio, que acontece do meio mais concentrado para o menos concentrado (http://www.biofisica.ufsc.br).
c) Antiporte - é uma proteína carreadora que transporta dois solutos dife-rentes em sentidos contrários. Ex. Trocador Na+/Ca++.
DIFUSÃO FACILITADA MEDIADA POR CANAL
Diferente da proteína carreadora, a proteína canal transporta o soluto ou íon sem se fixar ao soluto, ou seja, os canais não apresentam sítios de ligação para a molécula a ser transportada. O fluxo de íons pelo canal é passivo, movido pela concentração, pelo movimento térmico e pela diferença de po-tencial elétrico na membrana celular. Os canais iônicos são seletivos, ou seja, as dimensões pequenas do poro forçam a interação dos íons com resíduos de aminoácidos da proteína-canal, e por essas interações, os canais tornam-se seletivos (Cassola, 2000). Uma proteína ca-nal sofre mudanças estruturais podendo apre-sentar dois estados conformacionais possí-veis: um com o poro aberto e outro com o poro fechado (Fig. 12). O canal aberto per-mite a passagem do íon, do meio mais con-centrado para o meio menos concon-centrado, enquanto que, o canal fechado não permite a passagem do íon. Os canais são compos-tos por portões ou comportas que controlam a passagem de íons pelo canal (Fig. 13).
O canal de sódio é formado por duas subunidades protéicas, chamadas de α e β. A subunidade a possui 4 domínios (I, II, III e IV) inseridos na membrana celular (Fig. 14). Cada domínio é formado por 6 segmentos transmembranar (S1-S6), ou
Figura 13. Representação dos canais de Na+ e K+ mostrando o
transporte dos íons e as alterações conformacionais das “compor-tas” abrindo ou fechando os canais (Fonte: www.ceunes.ufes.br).
1
seja, 6 hélices mergulhadas na membrana. Os grupamentos amino (NH2) e carboxil (COOH) da proteína estão voltados para o interior da célula (Conde-Garcia, 1998, p. 38). O segmento S4 atua como o sensor de voltagem do canal. O sensor de voltagem é capaz de reconhecer a volta-gem de célula e comandar a abertura ou fechamento do canal.
Figura 14. Estrutura do canal de sódio (A) mostrando os 4 domínios (I, II, III e IV) formados, cada um, de 6 segmentos transmembranar (S1 a S6) que se arranjam para formar o poro (B). (Fonte: http://www.pharyngula.com).
Como as comportas dos canais são controladas? Podem ser controla-das de 3 formas básicas:
a) Voltagem – os canais que dependem da voltagem da célula para se abrir são chamados de canais operados por voltagem (VOC). (Fig. 15).
Exemplo: Canal de Na+ dependente de voltagem. Esse canal é um pouco
mais complexo por possuir duas “comportas”: a) comporta de ativação, loca-lizada próxima à extremidade externa do canal e b) comporta de inativação, localizada próxima à extremidade interna do canal (Fig. 16). Esse canal apresenta três estados possíveis: aberto, fechado e inativado.
1) No potencial de repouso da célula, em – 90 mV, a comporta de ativação fica fechada, não há entrada de sódio na célula (estado fechado). Por outro lado, a comporta de inativação está aberta (Fig. 16A). 2) Entre -70 e -50 mV, a comporta de ativação sofre mudança conformacional, abrindo o canal (estado aberto ou ativado) (Fig. 16B). 3) O aumento da voltagem que abre a comporta de ativação também fecha a comporta de inativação (estado inati-vado) (Fig. 16C). O canal só volta para o estado fechado quando a voltagem da célula estiver próxima de – 90 mV.
Figura 16. Característica do canal de Na+ operado por voltagem mostrando a ativação e
inativação do canal de acordo com o potencial de membrana (Guyton, 2000, p.53, modifica-do por Vasconcelos, 2009).
b) Mediador químico – os canais em que a abertura da comporta de-pende da ligação de uma substância química ao canal são chamados de canais operados por ligante (LOC). (Fig. 15).
Exemplo: canal de potássio dependente de ATP (adenosina trifosfato). Esse canal se mantém fechado na presença de ATP (Conde-Garcia, 1998, p. 34). (Fig. 15).
c) Ativação mecânica - são canais em que a abertura da comporta de-pende de uma tensão mecânica aplicada à membrana, tal como, vibração, mudança do volume ou da forma celular, aceleração, entre outros (Con-de-Garcia-Añoveros, 1997).
Uma animação de canal iônico, transporte passivo e ativo, para me-lhor exemplificação, pode ser conferida no site: http://biology-animations.blogspot.com/search/label/transport%20animation. Lá, cli-que em “transport animation”.
A)
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TRANSPORTE ATIVO
No transporte ativo, o soluto é transportado do meio menos concen-trado para o mais concenconcen-trado. Para tanto, há consumo de ATP intracelu-lar para transportar o soluto. As proteínas carreadoras que realizam este transporte são denominadas de bomba.
Exemplo: Bomba de Sódio e Potássio - transporta 3 íons Na+ para o
meio extracelular e 2 íons K+ potássio para o meio intracelular,
consu-mindo uma molécula de ATP. Ambos os íons são transportados de um meio menos concentrado para um mais concentrado do mesmo íon. É uma proteína formada por 2 subunidades, a α com uma massa relativa de 112.000 daltons (10 hélices) e a β com uma massa de 35.000 daltons (1 hélice). A bomba Na+/K+ é também uma enzima (ATPase) que hidrolisa
ATP, com a liberação de ADP e a transferência de grupo fosfato à própria bomba. É a subunidade α que tem atividade ATPase e, nela, estão situa-dos os sítios de ligação para os íons Na+ e K+ (Fig. 17).
Figura 17. Representação estrutural da Bomba de Na+ e K+ mostrando as 2 subunidades, a α com
10 hélices e a β com 1 hélice.
Sequência de bombeamento da bomba de Na+/K+: a bomba de
Na+/K+,na conformação I, expõe os sítios de ligação para o Na+. Ela
fixa 3 Na+ no interior da célula ativando a enzima ATPase. A ATPase
hidroliza a molécula de ATP liberando ADP e Pi (fosfato inorgânico). O Pi é transferido para a bomba e, com isso, ela passa para a confor-mação II. Nessa conforconfor-mação, o Na+ é bombeado para o meio
extra-celular (de maior concentração) e ela fixa 2 íons K+. A ligação do K+ à
proteína promove uma desfosforilação da bomba, ou seja, liberação do Pi. A desfosforilação faz com que a proteína volte para a confor-mação I, bombeando os íons K+ para o meio intracelular. Essa
Figura 18. Sequência de transporte da bomba de Na+/K+. (Fonte: http://fajerpc.magnet.fsu.edu).
IMPORTÂNCIAS DA BOMBA DE NA
+/K
+a) Ela é eletrogênica, ou seja, cria uma diferença de potencial elétrico entre o citosol e o meio extracelular. Isso se deve ao fato dela bombear para o meio externo mais cátions (3 íons Na+) do que para o meio interno
(2 íons K+). Dessa forma, a bomba contribui para que a célula fique mais
negativa do que o meio extracelular. A diferença de potencial gerada pela bomba é de apenas -4 mV (Fig. 19).
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ATIVIDADES
Descreva o experimento que descobriu a existência da Bomba de Na+ e
K+ e que era um transporte dependente de ATP.
COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES
O experimento foi realizado por Hodgkin & Keynes (1955) em axônio gigante de lula utilizando íons Na+ radioativos. A descoberta que era um transporte dependente de ATP surgiu com uso de 2 substâncias: o dinitrofenol (DNP) e o cianeto (CN). Você poderia ler sobre esses experimentos no livro de Biofísica do autor Conde-Garcia, 1998. Nas páginas 10 e 11 você encontrará a descrição do experimento. b) Ela cria um gradiente de concentração. A maioria das células ani-mais mantém uma elevada concentração de K+ (140 mM) e baixa
concentração de Na+ (14 mM) no citosol. No meio extracelular, a
concentração de Na+ é mantida alta (142 mM) enquanto que a
con-centração de K+ é mantida baixa (4 mM). Essa diferença de
concen-tração de Na+ e K+ entre o citosol e o meio extracelular se deve ao
trabalho da bomba de Na+/K+. A manutenção desse gradiente é
im-portante para manter o potencial de repouso da célula (Aires, 2008, p.128; Guyton, 2006, p.51).
c) Ela controla o volume hídrico da célula. Por bombear mais cátions (Na+) para o meio extracelular e pelo fato de a membrana apresentar
bai-xa permeabilidade ao Na+, no potencial de repouso, o Na+ bombeado
para o exterior da célula, não retorna rapidamente para citosol. Ficando no meio extracelular, o Na+ cria um gradiente osmótico favorável a saída
da água da célula. Dessa forma, a bomba de Na+/K+ ajuda a manter o
volume de água constante no citosol.
Você quer vê uma animação da bomba de Na+/K+? Consulte o site:
http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animations/ membrane_transport/membrane_transport.swf.
Exemplo: Bomba de cálcio. É uma proteína que possui 10 hélices e dois sítios receptores para o íon cálcio. Essas bombas são encontradas tanto na membrana plasmática quanto na membrana do retículo sarco-plamástico (RS). A bomba de Ca++ de membrana promove o efluxo de cálcio (do meio intracelular para o meio extracelular), enquanto que a bomba do RS bombeia o cálcio do citosol para o interior do retículo. Elas usam a energia libertada na hidrólise do ATP.
CONCLUSÃO
Como vimos no decorrer desta aula a membrana plasmática exerce várias funções importantes para a célula. A membrana é composta por três tipos básicos de moléculas lipídios, proteínas e carboidratos que trabalham de forma integrada mais com funções distintas. Além de se-parar o citoplasma do meio extracelular, ela funciona como barreira fí-sica, e realiza o transporte de solutos através de proteínas transportado-ras. Alguns solutos apresentam afinidade com a membrana e são trans-portados diretamente pela bicamada lipídica. Por ser o componente ce-lular mais externo e possuir proteínas receptoras, a membrana tem a capacidade de reconhecer outras células e diversos tipos de moléculas, tais como drogas e hormônios.
RESUMO
A membrana celular é formada por uma dupla camada de lipídios dispostos com as porções polares voltadas para os meios intra e extrace-lular e as caudas hidrofóbicas voltadas para o interior da membrana. As proteínas que compõem a membrana são classificadas como integrais, ou seja, atravessam toda a extensão da membrana ou periféricas que são as proteínas localizadas ou na monocamada interna ou externa da membra-na. Os carboidratos também são encontrados na membrana especifica-mente na sua monocamada externa. A membrana é um fluido bidimen-sional, com assimetria entre as monocamadas internas e externas. São fatores que diminuem a fluidez da membrana: ausência da dupla liga-ção cis na cauda do fosfolipídio, cadeias longas de ácido graxo, pre-sença do colesterol e baixa temperatura. Os lipídios de membrana po-dem realizar 4 movimentos: flip-flop, difusão lateral, rotação e flexão das caudas. O transporte de pequenos solutos pela membrana pode ser feito de forma passiva (sem gasto de energia) ou de forma ativa (com gasto de energia). Moléculas hidrofóbicas e moléculas hidrofíli-cas pequenas e sem carga elétrica são transportadas pela membrana por difusão simples, ou seja, diretamente pela bicamada lipídica. Por outro lado, as moléculas hidrofílicas grandes e sem carga elétrica são transportadas por difusão facilitada. Esta difusão pode ser mediada por uma proteína canal ou carreador. Os carreadores são classificados em uniporte, simporte ou antiporte a depender do sentido do transporte e do número de moléculas transportadas. Tanto a difusão simples quanto a facilitada são transportes passivos, ou seja, o soluto é transportado do meio de maior concentração para o de menor concentração. O transporte ativo é mediado por proteínas carreadoras, chamadas de bombas, no qual
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o soluto será transportado de um meio de menor concentração para um de maior concentração, com gasto de ATP. A bomba de Na+/K+ é uma
proteína carreadora que transporta 3 íons Na+ para o meio extracelular e
2 íons K+ para o meio intracelular. Com este transporte a bomba cria
diferenças de concentração e cargas entre o citosol e o meio extracelular. Além disso, a bomba tem uma importância fundamental no controle hí-drico da célula e ajuda a restabelecer as concentrações originais de sódio e potássio após um potencial de ação.
ATIVIDADES
1. Explique 3 fatores que podem aumentar a fluidez da membrana? 2. Descreva os movimentos possíveis realizados pelos lipídios.
3. Qual a diferença principal no transporte realizado por um canal e por um carreador?
4. Descreva o ciclo de bombeamento da bomba de Na+/K+.
5. Como a bomba de Na+/K+ controla o volume hídrico da célula?
PRÓXIMA AULA
Agora que você aprendeu a estrutura da membrana plasmática e os principais mecanismos de transporte realizados por ela, vamos estudar, na próxima aula, a formação do potencial de repouso da célula, assim como, o potencial de ação gerado pelas células excitáveis.
REFERÊNCIAS
AIRES, M. M. Fisiologia. 3 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008. ALBERTS, B.; JOHNSON, A.; P. Biologia Molecular da Célula, Ed. ArtMed, 2004.
BERNE, R.M.; Levy, M.N. Physiology, 7 ed. Ed. Mosby Year Book, 2008. CASSOLA, A.C. Atualização em fisiologia e fisiopatologia renal: canais iônicos nas células do epitélio tubular renal. J Bras Nefrol, p. 176-180, 2000. COOPER, G.M. The cell. A molecular approach. Ed. AMS press, 1997. CONDE-GARCIA, E.A.C. Biofísica. Ed. Savier, 1998.
http://www.biofisica.ufsc.br
CONDE-GARCIA-AÑOVEROS, J.; COREY, D.P. The molecules of me-chanosensation. Annual Review of Neuroscience, p. 567-594, 1997.
GUYTON, A.C.; HALL, J.E. Tratado de fisiologia médica, 11 ed. Ed. Elsevier, 2006. http://www.ar.geocities.com/moni2201/membrana_celular.htm http://www.biofisica.ufsc.br http://www.ceunes.ufes.br http://www.pharyngula.com/index/science/2004 http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animations/ membrane_transport/membrane_transport.swf.
POTENCIAL DE MEMBRANA
E POTENCIAL DE AÇÃO
META
Apresentar os potenciais de membrana celular, gerados tanto em repouso quanto durante a atividade, em células nervosas e musculares.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá:
descrever o mecanismo do potencial de repouso, assim como, os fatores responsáveis em gerar esse potencial;
aprender como calcular o potencial de difusão quando a membrana é permeável a um ou a diferentes íons;
relacionar as fases do potencial de ação com o movimento de íons através da membrana plasmática; e
diferenciar o potencial de repouso de uma célula nervosa e muscular.
PRÉ-REQUISITOS
Para um bom entendimento desta aula é preciso que você já tenha estudado o capítulo 1 deste livro. Lá você aprenderá a estrutura e a composição da membrana plasmática, e como é feito o transporte de solutos através dela.
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INTRODUÇÃO
Através da membrana plasmática de todas as células vivas do corpo humano existem potenciais elétricos, ou seja, uma diferença de voltagem entre os meios intra e extracelular. O interior das células é mais negativo em relação ao meio extracelular. Esse potencial negativo dentro da célula se deve ao fluxo de diferentes íons através da membrana e também a ação da bomba de Na+/K+.
Algumas células do corpo humano são excitáveis, tais como as célu-las nervosas e musculares. Essas célucélu-las são capazes de deflagrar potenci-ais de ação, que são variações bruscas do potencial de repouso cuja forma depende do tecido estimulado. Através do potencial de ação, as células transmitem informações de uma célula à outra e, nos músculos, dá início ao mecanismo da contração muscular. Nos nervos, por outro lado, eles trans-mitem informações táteis, dolorosas, térmicas, entre outras.
Neurônio da cobertura superior do cérebro. Para poder transmitir o impulso nervoso, os neurô-nios contêm os dentritos (uma série de ramificações que mantém contato com outras células para receber a informação) (Fonte: http://diariodebiologia.com).
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O POTENCIAL DE REPOUSO
O potencial de repouso de uma célula tem sua origem em dois meca-nismos simples: 1) difusão de íons através da membrana (Na+ e K+) e, 2)
uma pequena contribuição da bomba de Na+/K+. O potencial de repouso
de uma célula nervosa, quando não está transmitindo um impulso elétrico, é de aproximadamente – 90 mV. Isso significa dizer que o potencial dentro da célula é 90 mV mais negativo do que o meio extracelular. Nesta aula, discutiremos os mecanismos responsáveis por essa eletronegatividade exis-tente no interior da célula em condição de repouso, ou seja, quando ela não está transmitindo impulsos elétricos ao logo de sua membrana.
POTENCIAIS ELÉTRICOS DE MEMBRANA
RESULTANTES DA DIFUSÃO DE ÍONS
Nós vimos na primeira aula que a bomba de Na+/K+ é responsável
pelo gradiente de concentração de Na+ e K+ através da membrana. A
Tabela 1 mostra as concentrações de Na+, K+, Cl- e Ca++ no interior e
exterior de uma célula em repouso.
Tabela 1. Concentrações iônicasnos meios intra e extracelular em uma célula hipotética
íon Interior da célula Exterior da célula Na+ 14 mM 142 mM
K+ 140 mM 4 mM
Cl- 5 mM 120 mM
Ca++ 10-4 mM 2 mM
Como podemos observar, a concentração de K+ no meio intracelular
é mais alta do que no meio extracelular. Considerando uma membrana permeável somente ao K+, haverá uma grande difusão destes íons para o
exterior da célula que se faz do meio mais concentrado, para o menos concentrado. Como o K+ é um íon de carga positiva (cátion), à medida
que ele se difunde para o exterior da célula, transporta carga positiva para este meio, que vai ficando eletropositivo em relação ao meio intracelular. Com isso, é criada uma diferença de potencial elétrico entre os meios intra e extracelular. A eletropositividade gerada no exterior da célula vai dificultar a difusão de mais K+ para fora dela. Como o meio interno
tor-nou-se negativo, este potencial vai favorecer a difusão de K+ em sentido
contrário, gerando um fluxo elétrico do meio extra para o intracelular (Con-de-Garcia, 1998, p.15; Guyton, 2006, p.49).
A diferença de potencial elétrico entre as duas faces de membrana que impede a difusão de um determinado íon é chamada de potencial de equilíbrio do íon ou potencial de Nernst. A equação de Nernst permite que seja calculado o potencial de equilíbrio de um íon. Para utilizar essa equação deve-se admitir que o potencial no meio extracelular é zero, que a membrana é permeável apenas a um único íon e ainda é preciso conhecer as concentrações interna e externa do íon. O poten-cial calculado, em mV, se refere ao potenpoten-cial dentro da célula. Veja-mos a equação usada para calcular potencial de equilíbrio de um íon uni-valente (valência 1), tal como o Na+ e K+:
Equação 1: Onde:
Vs- é a voltagem intracelular produzida por um íon s,
considerando o meio extracelular com potencial nulo
[ s ]e– concentração externa do íon s [ s ]i – concentração interna do íon s [ s ]e
Vs = 61,5 log ————— (mV) [ s ]i
Vejamos abaixo o cálculo do potencial de equilíbrio quando o íon s é o Na+. Usaremos as concentrações informadas na Tabela 1.
142 VNa+ = 61,5 log ————— 14 VNa+ = 61,5 log 10,14 VNa+ = 61,5 (1,006) VNa+ = + 61,8 mV
Que conclusão você pode obter com este resultado? Se o íon Na+ fosse
o único íon a se difundir pela membrana e suas concentrações se mantives-sem como foi especificado, então o potencial de repouso da célula seria positivo e valeria 61,8 mV. Como o potencial de repouso normal tem um valor aproximado de –90 mV, conclui-se que a difusão de Na+ pela
mem-brana não deve ser importante para a geração do potencial de repouso. 1. Agora calcule o potencial de equilíbrio para o íon K+. As
concentra-ções deste íon você encontrará na Tabela 1.
Comentário: Você chegou ao valor de – 94,96 mV ? Então, parabéns !!! Se não conseguiu obter este valor, refaça o método de cálculo e também observe se não cometeu erro ao processar as operações matemáticas. Veja que o resultado do potencial de equilíbrio do K+ deve ser negativo, uma
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vez que a difusão deste íon se faz do meio intracelular para o meio extra-celular, deixando aquele meio mais eletronegativo.
2. Agora calcule o potencial de equilíbrio para o íon Cl. As concentrações também estão na Tabela 1. Agora, como o Cl- é um íon negativo (ânion) a
equação de Nernst ficará na forma: Equação 2:
[Cl-]e
VCl- = - 61,5 log ————— (mV) [Cl-]i
Comentário: Você encontrou o valor – 84,88 mV? Parabéns !!! Se não alcançou este valor, então refaça o método de cálculo e veja se não come-teu erro ao processar as operações matemáticas. Veja que o resultado do potencial de equilíbrio para o íon Cl- também deve ser negativo, uma vez
que ele é um ânion e que sua difusão - se faz do meio extracelular para o
meio intracelular.
3. Agora calcule o potencial de equilíbrio para o íon Ca++. As
concentra-ções também estão na Tabela 1. O Ca++ é um íon com valência +2, assim
a equação será: Equação 3:
[Ca++]e
VCa++ = 30,75 log ————— (mV) [Ca++]i
Comentário: Você encontrou o valor +132,25 mV? Parabéns !!! Se não alcançou este valor, então refaça o método de cálculo e veja se não come-teu erro ao processar as operações matemáticas. Veja que o resultado do potencial de equilíbrio para o íon Ca++ deve ser positivo, uma vez que a
difusão desse cátion se faz do meio extracelular para o meio intracelular. 4. Por que entre os íons para os quais a membrana é permeável, é o K+ o
que tem maior influência sobre a geração do potencial de repouso da célula?
Comentário: para que você possa responder a esta questão é preciso que estude os experimentos feitos por Hodgkin & Horowicz (1959) que estão mostrados nas Figs. 1.16 e 1.17 do livro BIOFISICA de Conde-Garcia (1998).
Como foi dito, a equação de Nernst somente é usada quando a mem-brana é permeável a apenas um único íon. Quando vários íons puderem atravessá-la, o potencial de membrana dependerá dos seguintes fatores: a) concentrações dos íons nos meios intra e extracelular
b) permeabilidade (P) da membrana para cada íon
A equação que permite o cálculo deste potencial, considerando a membrana ser permeável apenas aos íons univalentes Na+ e K+, é
conhe-cida como equação de Goldman-Hodgkin-Katz: Equação 4
V = 61,5 log PNa+ . [Na+]e. + P K+ .[K +] e —————————————————— (mV) PNa+ . [Na+]i + P K+ .[K +]i
A membrana da célula nervosa, durante o repouso, é 100 vezes mais per-meável ao potássio do que ao sódio. Dessa forma, a PK+ = 100 e ao PNa+ = 1. 5. Agora você vai substituir os valores de concentração e permeabilidade na Eq. 4 e vai calcular o potencial intracelular que uma célula adquire quando é permeável, ao mesmo tempo, ao Na+ e ao K+.
Comentário: Como a membrana, em repouso, é muito mais permeável ao potássio do que ao sódio, é de se esperar que a difusão do potássio contri-bua mais para o potencial de repouso que a difusão do sódio. Sendo as-sim, o potencial intracelular resultante gerado pelos 2 íons deve ser nega-tivo e próximo ao valor do potencial de equilíbrio do potássio. O valor calculado pela equação de Goldman-Hodgkin-Katz deve ser aproximada-mente –86 mV. Você encontrou isto? Parabéns !!! Se não chegou a este valor, então refaça o método de cálculo e veja se não cometeu erro ao processar as operações matemáticas.
Vale ressaltar que a difusão de Na+ e K+, em condição de repouso, é
feita através de um canal de vazamento de Na+ e K+. Esse canal permite que
os íons citados atravessem a membrana celular saindo do meio mais con-centrado para o menos concon-centrado. O fluxo de potássio é maior do que de sódio porque a permeabilidade destes íons é maior (Fig. 20).
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CONTRIBUIÇÃO DA BOMBA DE NA
+/K
+PARA
O POTENCIAL DE REPOUSO
A bomba de Na+/K+ dá uma contribuição adicional para o potencial
de repouso negativo da célula. Isso se deve ao fato de a bomba transpor-tar 3 íons Na+ para fora da célula e apenas 2 íons K+ para o interior dela.
Com isso, a cada ciclo de bombeamento, a célula perde uma carga positi-va, gerando um potencial negativo no meio intracelular. Cálculos mos-tram que bomba Na+/K+ é responsável pela geração de 4 mV do valor
total do potencial de repouso. Levando em consideração que este poten-cial é de – 90 mV, podemos perceber que a bomba contribui pouco para o potencial de repouso final.
Podemos concluir que a difusão simultânea de Na+ e K+ através da
membrana produz um potencial de membrana de cerca de -86 mV, grande parte determinada pela saída (efluxo) de potássio da célula. E que a bom-ba de Na+/K+ contribui com um potencial de -4 mV. Os dois
mecanis-mos juntos, a difusão de Na+ eK+ pelos canais iônicos e o trabalho da
bomba de Na+/K+, criam um potencial final de -90 mV.
POTENCIAL DE AÇÃO NA CÉLULA NERVOSA
As informações nervosas são transmitidas por meio de potenciais de ação. Este evento elétrico corresponde à variação rápida do potencial de repouso da célula. A célula sai do seu potencial de repouso (negativo) e passa para um potencial intracelular positivo, para, logo em seguida, retornar ao potencial de repouso (negativo) inicial. Para que a célula fique positiva, ou seja, para que seja gerado um potencial de ação, é preciso que ocorra um influxo de cargas positivas na célula. Por outro lado, para que ela retome o seu estado de repouso, é preciso que ocorra a saída de cargas positivas.
A Fig. 21 mostra uma representação gráfica de um potencial de ação de célula nervosa. Este potencial apresenta as fases que estão descritas abaixo:
a) Fase de repouso – corresponde ao potencial de repouso da membrana. Nesta fase, diz-se que a célula está “polarizada”, por apresentar uma dife-rença de potencial entre os lados da membrana sendo o seu interior nega-tivo. Na Fig. 21 observa-se que este potencial é de -90 mV.
b) Fase de despolarização – nesta fase o potencial de repouso torna-se me-nos negativo em relação ao que possuía no estado de repouso. O potenci-al intracelular aumenta de -90 mV, ultrapassando a voltagem de 0 mV e tornando-se positivo. Isto somente ocorrerá se houver um estímulo elétri-co que eleve o potencial da membrana até a voltagem limiar. Esta
volta-gem está situada a cerca de 20 mV acima do potencial de repouso. Assim, se o potencial de repouso é de –90 mV, o limiar se encontrará em torno de –70 mV. Quando a voltagem limiar é alcançada, ocorre uma intensa redu-ção da resistência da membrana (Conde-Garcia, 1998, p.26) devido à aber-tura dos canais de Na+ operados por voltagem. A abertura destes canais
promove a entrada de Na+ e consequente aumento da voltagem da célula,
fator que estimula a abertura de novos canais de Na+. Com isso a célula
entra em um ciclo de “feedback” positivo (Guyton, 2006, p.56).
Quando a célula sofre despolarização e sua voltagem ultrapassa 0 mV, ou seja, quando ocorre inversão do potencial de membrana, diz-se que aconteceu o “overshoot” (Fig. 21). O “overshoot” se deve a um gran-de influxo gran-de íons Na+ na célula.
Para comprovar a existência do “overshoot”, Hodgkin & Katz (1949) realizaram um experimento com axônio gigante de lula (Fig. 22) registran-do o potencial de ação (Conde-Garcia, 1998, p.21) em 3 situações: 1. axônio mergulhado em água do mar contendo concentração normal de Na+ (curva 1).
2. axônio mergulhado em água do mar contendo concentração de Na+
reduzida para 33 % (curva 2).
3. axônio mergulhado em água do mar contendo concentração normal de Na+ (curva 3).
Com a redução do Na+ extracelular (curva 2) foi observada uma
re-dução da amplitude do potencial de ação, abolindo o fenômeno do “over-shoot”, bem como uma redução da taxa de despolarização deste sinal elétrico. Com isso, pôde-se concluir que o “overshoot” se deve à entrada de sódio na célula. Quando a concentração de Na+ no meio extracelular
foi restaurada, o potencial de ação voltou a apresentar a amplitude que possuía no controle (curva 3) (Conde-Garcia, 1998, p.21).
Figura 21. Representação gráfica de um potencial de ação de uma célula nervosa mostrando as suas diferentes fases.
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Figura 22. Influência da concentração extracelular do sódio sobre o potencial de ação de axônio gigante de lula (Conde-Garcia, 1998, p.21).
O advento da técnica de “voltage clamp”, em 1949, permitiu conhe-cer as correntes iônicas que são responsáveis por cada fase do potencial de ação. A técnica consiste em manter a voltagem da célula fixada em valores determinados e então medir as correntes que atravessam a mem-brana plasmática. A Fig. 23 mostra o registro das correntes iônicas medi-das em 3 situações:
A) axônio mergulhado em água do mar contendo concentração normal de Na+;
B) axônio mergulhado em água do mar contendo cloreto de colina para substituir o cloreto de sódio na solução externa;
C) axônio mergulhado em água do mar contendo concentração normal de Na+
Esta figura mostra registros que foram obtidos com o ‘patch clamp’. Em cima, está o protocolo de pulso elétrico aplicado à célula. Observe que inicialmente aplicou-se um pulso de corrente despolarizante elevan-do o potencial da membrana de – 50 mV para +10 mV. Esse pulso permi-tiu a abertura dos canais iônicos e o registro de suas correntes.
Em A, podem ser observadas três correntes: 1) corrente de saída re-sultante da descarga do capacitor de membrana, 2) corrente de entrada e 3) corrente de saída.
Em B, na presença de colina, observa-se que a corrente 2 desa-pareceu. Pode-se concluir que a corrente de entrada era decorrente do influxo de íons Na+.
Figura 23. Registro das correntes iônicas em axônio gigante de lula. No painel superior, está o protocolo de pulsos aplicado à célula (Conde-Garcia, 1998, p.22).
O mesmo aumento de voltagem que ativa o canal de Na+ operado
por voltagem e permite que a célula despolarize, inativa o canal de Na+.
Na primeira aula vimos que este canal pode apresentar 3 estados confor-macionais: 1) ativado (permite o difusão de Na+), inativado (não permite
a difusão de Na+) e 3) fechado (não permite a difusão de Na+). Qual a
diferença entre um canal de Na+ inativado e fechado? O canal fechado é
capaz de se abrir quando a célula recebe um estímulo e o canal inativado não se abre sem que a célula esteja repolarizada ou próxima do estado de repouso. Portanto, logo após a ativação do canal de Na+, ocorre a
inativa-ção impedindo que mais íons Na+ entrem na célula. Nesse momento, a
célula inicia a repolarização.
c) Fase de repolarização – na célula nervosa, aproximadamente um milisse-gundo após a despolarização, a membrana torna-se muito permeável aos íons K+. Os canais por onde passam este íon é ativado quando a
volta-gem da célula aumenta de -90 mV a 0 mV. A condutância da membrana ao K+ aumenta lentamente. Como a abertura deste canal é lenta,
conside-ra-se que ele está realmente aberto quando o canal de Na+ já está
fecha-do. Como o K+ está mais concentrado dentro da célula, ocorre um efluxo
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seu potencial de repouso negativo. A bomba de sódio e potássio trabalha para manter constantes as concentrações de Na+ e K+ nos meios intra e
extracelular, fazendo com que a célula se torne apta a responder com um novo potencial de ação.
d) Fase de hiperpolarização – Essa fase pode aparecer em algumas células durante o processo de repolarização celular. Na hiperpolarização, a célu-la atinge voltagens mais negativas do que o potencial de repouso inici-al. Isso ocorre devido a uma grande permeabilidade da célula aos íons potássio, o que provoca um grande efluxo deste íon. Esse fenômeno dura apenas milésimos de segundo e logo depois a célula recupera o seu potencial de repouso normal.
CONDUTÂNCIA DA MEMBRANA AO NA
+E K
+A Fig. 24 mostra um potencial de ação de axônio gigante de lula e as variações de condutância da membrana aos íons Na+ e K+. Segundo
Hod-gkin & Huxley (1952), o aumento da condutância da membrana ao Na+
coincide com a fase de despolarização da célula. Nota-se que a condutân-cia ao Na+ aumenta rapidamente e, logo depois, decresce. Isso se deve a
inativação dos canais de Na+. Por outro lado, a fase de repolarização se
deve a um aumento da condutância da membrana aos íons K+.Com isso,
ocorre uma saída excessiva de K+ da célula fazendo com que ela
hiperpo-larize (Conde-Garcia, 1998, p.23).
Figura 24. Potencial de ação de axônio gigante de lula (linha tracejada) e as variações de condu-tância da membrana aos íons Na+ e K+. (Fonte: http://www.psy.jhu.edu).
PROPAGAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO
No repouso, o interior do neurônio está eletronegativo devido ao eflu-xo de íons K+ e ao trabalho da bomba de Na+/K+, como discutido
anteri-ormente (Fig. 25). Quando a célula é estimulada e o limiar de estimulação é alcançado, ocorre abertura de canais de Na+ o que promove a entrada
deste cátion tornando a célula carregada positivamente. O aumento da voltagem estimula a abertura de novos canais de Na+ da membrana. A
corrente despolarizante, transportada pelo Na+, se propaga em ambas
as direções ao longo do axônio. Portanto, uma membrana excitável não se propaga em única direção a partir do ponto estimulado. Após a passagem do potencial de ação por uma região da membrana, os ca-nais de Na+ abertos se fecham enquanto que os canais de K+ se abrem,
promovendo a repolarização e o restabelecimento do potencial de re-pouso. A onda elétrica assim formada é conhecida como impulso ner-voso ou muscular.
Figura 25. Propagação do potencial de ação ao longo de uma célula nervosa (Fonte: http://www.passeiweb.com).
2
PRINCÍPIO DO TUDO OU NADA
A partir do momento em que, num ambiente adequado, uma célula despolariza e o seu limiar de estimulação é alcançado, o potencial de ação é inevitável. Se este limiar não for atingido, ou seja, se o influxo de sódio não for suficientemente forte para despolarizar adequadamente a célula então não ocorrerá o potencial de ação. Por isto, o processo de produção deste potencial é conhecido como sendo um fenômeno do tipo “tudo ou nada” e se aplica a qualquer célula excitável (Guyton, 2006, p.56).
VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO
DO POTENCIAL DE AÇÃO
A velocidade de propagação do potencial de ação em células nervo-sas é de 0,25 m/s em fibras amielínicas e de 100 m/s naquelas mieliniza-das. A mielina funciona como um isolante elétrico e é constituída por lipídios. Nas fibras mielinizadas, a membrana axônica somente está ex-posta nos nódulos de Ranvier (procure conhecer o que são tais nódulos) e como eles estão separados por uma distância relativamente grande o po-tencial de ação nestas fibras salta de nódulo para nódulo ao invés de propagar-se de forma contínua, isto é, ponto-a-ponto (Guyton, 2006, p.56).
POTENCIAL DE AÇÃO DA CÉLULA CARDÍACA
O comportamento elétrico do coração tem sido estudado com o auxí-lio de microeletrodos de vidro cuja ponta, por ser diminuta, pode perfurar a membrana celular sem alterar significativamente o funcionamento normal dos cardiomiócitos. No músculo cardíaco, três tipos de potenciais de ação podem ser observados: 1) potencial de ação rápido ou completo, o que apresenta uma fase de despolarização ampla e de desenvolvimento rápido e que é característico dos potenciais de ação das células atrias, ventriculares, feixe de His e fibras de Purkinje, 2) potencial de ação lento ou incompleto, os que se despolarizam com baixa taxa de variação de voltagem e possuem pequena amplitude e potencial de repouso inconstante ocorrendo nesta fase uma despolarização diastólica lenta. Estas respostas elétricas, chamadas de len-tas, apresentam-se, caracteristicamente, nos nódulos sinusal e atrioventri-cular (Mendez, 1982; Conde-Garcia, 1998, p.28) e, finalmente, 3) potencial de ação de transição. Estes têm um potencial de repouso constante, mas o componente rápido que gera a fase de despolarização não é completamente desenvolvido e, por isso, a amplitude do potencial de ação é produzida pelo componente lento que está associado ao platô desses potenciais.
O potencial de ação de uma célula cardíaca apresenta 4 fases, como pode ser visto na Fig. 26 que mostra um potencial de ação completo.
Fase 0 (despolarização). Quando a diferença de potencial entre os lados da membrana de uma célula miocárdica atrial ou ventricular atinge o po-tencial limiar, os canais rápidos de sódio, inicialmente, fechados, come-çam a abrir-se rapidamente permitindo que este íon se mova do meio externo, onde está mais concentrado, para o meio intracelular. Essa rápi-da difusão de Na+ promove uma despolarização rápida e o potencial
elé-trico do interior da célula acaba por inverter sua polaridade, deixando de ser negativo (fase de repouso) para se tornar positivo (fase 0). A passa-gem do sódio pela membrana das células se dá através dos canais rápidos de Na+, que são proteínas formadoras de poros e cuja configuração
estru-tural depende essencialmente da diferença de potencial elétrico a ela apli-cada. O influxo de Na+ é limitado pela própria despolarização celular,
pois, neste tipo de canal, ocorre o processo de inativação.
Fase 1 (repolarização incompleta). Durante esta fase, acontece uma re-polarização parcial da célula devido ao efluxo de K+ através dos canais
Kto e ao influxo de Cl-. O canal K
to (“transient outward”) é um canal de
ativação transitória. É ativado na fase 0 do potencial de ação mas, logo em seguida, sofre inativação. A saída de íons K+ por esse canal promove
uma leve diminuição do potencial de membrana, mas não permite a com-pleta repolarização da célula.
Fase 2 (platô). É a fase em que a célula permanece despolarizada. Ocorre influxo de Na+ e Ca++ que passam pelos canais lentos de Ca++ (canal de
cálcio tipo-L) existentes na membrana celular. A voltagem limiar para a abertura destes canais está em torno de –40 a –50 mV. Durante essa fase, também há uma diminuição da condutância global da membrana ao K+,
permitindo que a célula mantenha-se despolarizada.
Fase 3 (repolarização). Nesta fase, a condutância global ao K+ retoma
o seu valor original e, como o interior da célula está positivo em rela-ção ao exterior, há um rápido efluxo de K+, transferindo carga
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va para fora da célula e permitindo assim que o potencial negativo intracelular seja novamente restabelecido. A este processo chama-se de repolarização. Durante esta fachama-se, ocorre a abertura de vários tipos de canais de potássio (Hoffman; Cranefield, 1993; Conde-Gar-cia, 1998, p.28).
- Canal tipo K1 (“inward rectifier”) – na fase de repouso a condutância do canal K1 está alta. Com a despolarização da célula, a condutância deste canal diminui não permitindo que o K+ saia da célula. Isso permite que a
célula se mantenha despolarizada, ou seja, sua voltagem permaneça cons-tante formando assim um platô na resposta elétrica da célula. Quando a condutância desses canais volta a aumentar a célula inicia o seu processo de repolarização (Conde-Garcia, 1998, p.31).
- Canal tipo K (“delayed rectifier”) – a condutância deste canal, baixa durante o repouso, aumenta progressivamente a partir do início da despo-larização da célula (fase 0). A condutância torna-se máxima no final da fase 2, fazendo com que o efluxo de íons K+ por esse canal contribua para
a repolarização celular.
Fase 4 (repouso). Após completado o processo de repolarização, a célula recupera o seu potencial de repouso negativo.
A Fig. 27 mostra as variações da condutância da membrana aos íons Na+, K+ e Ca++ em célulacardíaca. Nota-se
que quando a célula cardíaca inicia o seu processo de despolarização, fase 0, ocorre um aumento súbito da condutância da membrana ao Na+. Entretanto, como o
ca-nal logo se inativa, a condutância diminui. Na fase de platô, a condutância da mem-brana ao Na+ está ligeiramente aumentada.
Isso se deve a entrada de Na+ pelos canais
lentos de Ca++. Por outro lado, com a
des-polarização celular a condutância da mem-brana ao K+ diminui. Como foi dito, o
im-pedimento para que o K+ saia da célula
contribui para mantê-la em platô. A con-dutância da membrana ao K+ volta a
au-mentar no final da fase 2 o que irá favore-cer a repolarização da miócito cardíaco. A condutância da membrana ao Ca++
somen-te aumenta na fase de platô. Apesar do pe-queno aumento de condutância, a grande diferença de concentração de Ca++ entre
as duas faces da membrana permite um grande influxo desse íon na célula (Conde-Garcia, 1998, p.29).
Figura 27. Potencial de ação de uma célula cardíaca (A) e variações da condutância da membrana aos íons Na+, K+ e
POTENCIAL DE AÇÃO LENTO
As células marcapasso apresentam potenciais de ação com fase 0 caracterizada por uma taxa de despolarização muito baixa (< 50 V/s), bem como por uma ausência das fases 1 e 2 (Fig. 28). As célu-las sinusais são auto-excitáveis em virtude de apresentarem uma fase 4 instável. Nela ocorre uma despolarização diastólica lenta (DDL), também conhecida como potencial marcapasso. Segundo Lipsius et al. (2001), a DDL é produzida por vários fatores, entre eles: 1) dimi-nuição progressiva da condutância da membrana ao K+; 2) aumento
do influxo de Na+ através dos canais “funny”, que são ativados pela
hiperpolarização da célula; 3) aumento do influxo de Ca+2 através
dos canais tipo-L e tipo-T, e 4) aumento da corrente de entrada por meio do trocador Na+/Ca+2. Esta despolarização lenta progride até
que seja alcançado o potencial limiar quando, então, o número de canais de Na+ e de Ca+2 abertos, por unidade de área da membrana,
supera o número desses canais que estão fechados, levando uma corrente despolarizante para o interior das células (fase 0). Em se-guida, após um platô incompleto, a condutância global da membra-na ao K+ cresce permitindo a sua saída da célula, produzindo a
repo-larização. Este fenômeno se desenvolve mais lentamente do que a despolarização (Carvalho et al., 1999).
Figura 28. Potencial de ação de célula marcapasso (Fonte: http://www.virtual.epm.br).
A frequência com que as células marcapasso geram potencias de ação depende de vários fatores, tais como: 1) taxa de variação da despolarização, pois quanto maior a inclinação, menor será o tempo
2
para que o potencial limiar seja atingido e, consequentemente, mai-or será a frequência de produção dos potenciais de ação; 2) nível do potencial limiar, pois quanto mais próximo estiver do potencial di-astólico máximo, maior será a frequência do marcapasso e 3) nível do potencial diastólico máximo, pois quanto mais hiperpolarizada, menor será a frequência do marcapasso (West, 1972; Cranefield, 1975; Katz, 1977). O coração é inervado tanto pelo sistema simpá-tico, quanto pelo parassimpásimpá-tico, e esses nervos desempenham um importante papel na regulação da frequência do marcapasso. Sob estimulação vagal, há aumento na liberação tissular de acetilcoli-na, o que leva à abertura de canais de K+, hiperpolarizando a
célu-la e tornando a DDL mais lenta e, consequentemente, reduzindo a taxa de potenciais de ação gerados pelo marcapasso. Inversamen-te, a estimulação simpática produz a liberação de catecolaminas nos terminais pós-sinápticos, o que estimula a abertura de canais de Na+ e Ca+2, acelerando a DDL, apressando a despolarização das
células e, por conseguinte, aumentando a frequência do marcapasso (Carvalho et al., 1999)
CONCLUSÃO
Podemos concluir que o fluxo de íons através da membrana plasmáti-ca determina o seu potencial de repouso e o seu potencial de ação. O potencial de repouso negativo se deve, principalmente, a saída de potás-sio das células através dos canais de vazamento e ao trabalho da bomba de Na+/K+. Durante o potencial de ação, o influxo de Na+ promove a
despolarização celular, enquanto que o efluxo K+ promove a sua
repola-rização. O potencial de ação em célula cardíaca envolve a participação do íon cálcio. Este entra na célula na fase 2 do potencial de ação e, a sua entrada, irá disparar a liberação subsequente de cálcio estocado no retí-culo sarcoplasmático. O aumento do cálcio livre no citoplasma irá favo-recer a contração muscular. O potencial de ação de células marcapasso tem como característica principal a despolarização diastólica lenta, no qual a célula despolariza progressivamente até alcançar o limiar de esti-mulação. A frequência de disparo destas células irá determinar a frequên-cia cardíaca do indivíduo.
RESUMO
No potencial de repouso, o interior do neurônio está eletronegativo em relação ao meio extracelular. Esta eletronegatividade se deve princi-palmente a saída de K+ da célula através dos canais de vazamento e ao
trabalho da bomba de Na+/K+. Durante o potencial de ação a célula
pas-sa a ficar mais permeável ao Na+, que passa a entrar na célula através dos
canais dependentes de voltagem permitindo que a célula despolarize. Logo em seguida, a membrana torna-se permeável ao K+ deixando sair este
íon, repolarizando e recuperando o seu estado de repouso. Em célula muscular cardíaca, o Na+ também é íon responsável pela despolarização
enquanto que o K+ pela repolarização. Entretanto, o potencial é mais
complexo com influxo de cálcio, na fase 2, essencial para disparar o me-canismo de contração muscular. A célula marcapasso, apresenta um po-tencial de repouso (fase 4) instável conhecida como despolarização dias-tólica lenta (DDL). Nesta fase, a célula despolariza lentamente até alcan-çar o limiar de estimulação com consequente abertura de canais de Na+ e
Ca++, íons responsáveis pela despolarização. A repolarização acontece
por saída de K+. A DDL acontece pelo somatório de várias correntes de
entrada (Na+, Ca++) e a não saída de K+.
PRÓXIMA AULA
Na próxima aula estudaremos a biofísica da visão.
REFERÊNCIAS
CARVALHO, A. C. C.; et al. Eletrofisiologia do Coração. In. Fisiologia. Ed. AIRES, M. M. 2 ed, Rio de Janeiro, Ed. Guanabara Koogan, 1999. CONDE-GARCIA, E. A. C. Biofísica. Ed. Savier, 1998.
CRANEFIELD, P.F. The conduction of cardiac impulse. Futura Pu-blishing Company, New York, 1975.
GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de fisiologia médica, Ed. Else-vier, 11ed, 2006.
HOFFMAN, B. F.; CRANEFIELD, P.F. In: Physiology. 3 ed. Ed. Berne, R. M. e Levy, M. N., 1993.
KATZ, A. M. Physiology of the heart. Raven Press, 1977.
LIPSIUS, S. L.; HUSER, J.; BLATTER, L. A. Intracellular Ca2+ release
sparks atrial pacemaker activity. News in Physiological Sciences, p. 101-106, 2001.
