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Aula 1 A: Animais e Meio-ambiente Objetivo: Compreender o conceito de mecanismo fisiológico e seu significado adaptativo. A fisiologia animal estuda como os animais funcionam, e desta forma ajuda a compreender a saúde e a doença em humanos e em outras espécies. O fascinante na fisiologia é a sua capacidade integrativa, isto é, não estudamos os mecanismos como eventos isolados, mas como; uma complexa e real rede de interação com a anatomia, a bioquímica, a biofísica, a genética, a farmacologia, a biologia evolutiva, a ecologia, e outras áreas. Por exemplo, não se consegue entender os mistérios do vaga-lume, se não conhecemos a química associada à produção de luz. Os fisiologistas buscam responder duas perguntas centrais: 1) Qual o mecanismo pelo qual cada órgão desempenha sua função? , 2) Como este mecanismo se originou ou por que os animais atuais apresentam este mecanismo? Os mecanismos exibidos atualmente pelos animais são produtos da evolução. Se pudermos aprender por que a evolução produziu tal mecanismo, compreenderemos melhor o significado adaptativo. A seleção natural parece ser o principal processo pelo qual os animais tornam-se aptos a viver nos seus habitats. Durante a evolução por seleção natural, ocorre um aumento na freqüência de genes, que resultam fenótipos de animais cujas chances de sobrevivência e reprodução são elevadas. A adaptação é esta condição, aceita como evolução por seleção natural. A adaptação ocorre de forma muito lenta, nas espécies, ao longo de inúmeras gerações; e geralmente não é reversível. Um exemplo de espécie que se adaptou à altitudes elevadas, é o ganso de cabeça listrada, que é capaz de voar sobre os picos do Monte Everest. Diferentemente, aclimatização é uma mudança fisiológica, bioquímica ou anatômica dentro de um determinado animal, devido à exposição crônica a uma condição ambiental nova. Por outro lado, aclimatação se refere a uma aclimatização induzida experimentalmente. Os animais evoluíram dois tipos de relações entre o meio interno e o meio externo: conformidade ou regulação (Figura1.1). Quando as condições do meio externo se alteram, os animais podem modificar o meio interno para que se iguale ao externo. Neste caso, estes animais são denominados conformistas. Como exemplo, podemos citar as estrelas do mar, cuja osmolaridade (salinidade) interna é regulada por alterações do meio externo (salinidade da água). Por outro, se o animal é capaz de manter a homeostasia frente a variações do meio ambiente externo, o denominamos regulador. O camarão de água de doce é um oxiregulador. Entretanto, vale lembrar que alguns animais, como o salmão, são conformadores para as variações de temperatura, mas são reguladores quanto a concentração de cloreto no sangue. Aula 1B: Os neurônios, o potencial de repouso e o potencial de ação Objetivo: Entender como um impulso nervoso é desencadeado pelo neurônio, e a propagação deste sinal elétrico no neurônio. Neurônios Todo animal deve responder, adaptativamente, a mudanças no seu meio interno e externo. Esta habilidade de apresentar respostas que facilitem a sobrevivência e a reprodução foi preservada no curso da evolução, desde os protozoários até o homem. Os organismos unicelulares apresentam uma “irritabilidade” geral e uniforme. Entretanto, com o desenvolvimento da multicelularidade, surge a necessidade de propagar a informação entre as células. Os neurônios são células excitáveis, capazes de comunicar entre si e também com células de suporte não excitáveis (glias), formando um sistema nervoso que integra as informações de diferentes fontes e coordena as funções das células, tecidos, órgãos e sistemas. Embora ao longo da evolução, o sistema nervoso tenha se tornado cada vez mais complexo e especializado, a estrutura básica do neurônio, tem sido fundamentalmente a mesma através de toda a filogenia. Por exemplo, o neurônio de um celenterado é semelhante em estrutura e função, a um neurônio humano. A complexidade do sistema nervoso, ao longo da evolução, foi alcançada devido ao aumento do número neurônios e também ao grau de conexões entre eles. O tamanho e forma dos neurônios podem variar, mas a estrutura básica consiste de três partes: dendritos, corpo celular ou soma e axônio (Figura 1.2). Potencial de Repouso A sensibilidade e a capacidade de excitabilidade dos neurônios estão associadas às características de sua membrana plasmática. Em condições de repouso, o neurônio apresenta uma polaridade através de sua membrana plasmática, isto é, há um desequilíbrio de cargas elétricas entre o lado interno e externo da membrana. Esta diferença de potencial é conhecida como potencial de repouso. O potencial de repouso pode ser facilmente entendido, quando avaliamos as concentrações iônicas nos compartimentos intra e extracelular, e o fluxo de íons através da membrana plasmática. O fluxo de moléculas, dotadas de carga elétrica, é determinado pela permeabilidade, pelo gradiente (diferença) de concentração, e também pela diferença de potencial elétrico entre os dois lados da membrana. Nas condições repouso, a concentração de K+ no interior da célula é 20 vezes o seu valor no líquido extracelular. Por outro lado, a concentração de Na+ no exterior é cerca de 9 vezes o seu valor no interior da célula. Esta distribuição desigual dos íons gera correntes de difusão através da membrana, levando a saída de K+ e entrada de Na+. Entretanto, como a permeabilidade da membrana, no repouso, é muito maior para o K+, que para o Na+, haverá maior perda de cargas positivas pela célula que ganho, o que gera um potencial elétrico negativo (-60mV) através da membrana (Figura 1.3). Além da diferença de permeabilidade aos íons Na+ e K+, há outro fator que contribui para a eletronegatividade da membrana do neurônio: a bomba de sódio e potássio ATP-dependente. A bomba é eletrogênica, ou seja, transporta 3Na+ para fora e 2K+ para dentro do neurônio, o que gera uma diferença de potencial elétrico. Potencial de Ação O potencial de repouso de um neurônio pode ser alterado, a partir do momento que esta célula recebe diferentes estímulos (calor, frio, substâncias químicas, lesão da membrana, estímulo elétrico, e outros). A estimulação do neurônio levará a uma alteração da permeabilidade iônica através da membrana, isto é, aumentará a permeabilidade ao Na+, o qual ao se difundir para o interior da célula permite a entrada de cargas positivas, e, conseqüentemente a despolarização (inversão da polaridade elétrica do repouso). Quanto maior for o estímulo, maior a despolarização, até que ao atingir um determinado valor (potencial limiar), o potencial de membrana salta muito rapidamente de valores negativos para um valor positivo e rapidamente retorna ao valor de repouso (Figura 1.4). Esta alteração rápida do potencial de repouso, que dura uma fração de segundo é chamada de potencial de ação (PA). O potencial de ação (impulso nervoso), portanto, é composto de uma fase de despolarização (potencial positivo) seguida de uma fase de repolarização (potencial retorna ao repouso). O potencial de ação desencadeado no neurônio após um estímulo é caracterizado por se tudo-ou-nada, ou seja, a partir do momento que o limiar de excitabilidade for alcançado, e o PA for disparado, a magnitude (grau de despolarização) do mesmo não é alterada pela grandeza do estímulo. Ao comparamos invertebrados e vertebrados, não há variações uniformes na grandeza do potencial de ação relacionadas ao tamanho do axônio, ou ao tamanho do animal (Tabela 1.1). Entretanto, nem todas as espécies apresentam elevadas concentrações de sódio extracelular. Os insetos herbívoros representam um grupo de animais cuja concentração de sódio na hemolinfa é extremamente baixa (Tabela 1.2). Neste caso, como é desencadeado o potencial de ação? Estes insetostêm o sistema nervoso envolvido por uma bainha (perineuro) que separa o nervo do fluido extracelular. Esta bainha funciona como uma barreira que limita a movimentação de substâncias entre a hemolinfa e o fluido junto â superfície do neurônio. Desta forma, a concentração de sódio no fluido que banha os neurônios pode estar em uma concentração maior que àquela encontrada na hemolinfa. Assim, o funcionamento do sistema nervoso é independente de alterações que possam ocorrer na hemolinfa. Períodos Refratários Durante a ocorrência de um impulso nervoso (potencial de ação) e algum tempo após, o neurônio passa por um período de modificação na sua excitabilidade que pode ser dividido em duas fases consecutivas: o período refratário absoluto e o período refratário relativo. Durante o período refratário absoluto a célula é inexcitável, isto é, ela não é capaz de disparar um segundo potencial de ação, por mais forte que seja o estímulo. Este período acontece durante e algum tempo após o potencial de ação. Já o período refratário relativo, acontece logo após o período refratário absoluto, e nesta fase é possível disparar um segundo potencial de ação, mas os estímulos de maior intensidade que os originais. Condução do potencial de ação Em um neurônio o potencial de ação iniciado na região do cone axonal deve propagar ao longo do axônio, como uma onda de despolarização e repolarização a uma velocidade praticamente constante. Entretanto, quando comparamos a velocidade de condução entre diferentes nervos e entre os animais encontramos diferenças, as quais se devem a dois fatores: o diâmetro do axônio e a presença ou não da bainha de mielina. Na lula (Tabela 1.3), por exemplo, seus axônios gigantes que envolvem o manto, apresentam uma velocidade de condução quase 9 vezes maior que seus nervos motores, o que permite o comportamento motor de propulsão a jato (Figura 1.5). Este aumento na propagação do impulso nervoso está relacionado a uma resposta de fuga. Os axônios gigantes têm um calibre muito maior (mais grosso) quando comparados com axônios comuns. Diferentemente dos invertebrados, o vertebrados não possuem axônios gigantes, ainda que exibam uma velocidade rápida de condução do potencial de ação nos nervos motores. Neste grupo, a condução rápida está associada à presença de um envoltório, de origem lipídica, chamada bainha de mielina, a qual se encontra de forma descontínua ao longo do axônio. A bainha de mielina no sistema nervoso periférico, é formada por prolongamentos das células de Schwann, já no sistema nervoso central, a célula que origina a mielina é o oligodendrócito (Figura 1.6). Nos neurônios mielinizados, a mielina isola eletricamente a membrana do axônio, permitindo que aconteçam somente potenciais de ação nas regiões sem mielina (nódulos de Ranvier). Alguns invertebrados, tais como, os insetos, as minhocas, os caranguejos e os pitus apresentam nervos revestidos por múltiplas camadas similares à mielina dos vertebrados. AUTOAVALIAÇÃO: 1- Qual a diferença entre animal conformista e regulador? 2- O neurônio nas condições de repouso apresenta polaridade. Explique esta afirmação. 3- Um mesmo estímulo pode desencadear potencial ação no neurônio A, mas não no neurônio B. O que explica esta diferença na excitabilidade neuronal? 4- Descreva os mecanismos moleculares envolvidos em cada fase do potencial de ação? 5- Considerando a relevância da bainha de mielina, o que pode acontecer a uma resposta efetora (por exemplo, contração muscular), se um animal perde a bainha de mielina? Aula 2: Sinapses elétricas e químicas Objetivo: Diferenciar os tipos de comunicação celular presentes nos animais, e saber relacionar este processo com a evolução da complexidade do sistema nervoso Ao longo da evolução, o maior grau de complexidade do sistema nervoso está associado não só a um aumento no número de neurônios, mas também a um maior número de conexões entre estes neurônios, denominadas sinapses. Uma sinapse é uma comunicação neurônio-neurônio, neurônio-músculo, ou ainda neurônio-glândulas. Embora, por razões didáticas, estudaremos a comunicação entre dois neurônios, devemos ter em mente, que um único neurônio pós-sináptico recebe terminações sinápticas de centenas de neurônios pré-sinápticos (Figura 2.1). As sinapses podem ser classificadas quanto à região de contato entre os, por exemplo: axo-somática, axo-axônica, axo-dendrítica, e dendro-dendrítica. Por outro lado, podemos classificar as sinapses, quanto ao mecanismo anatomo-funcional para condução do impulso nervoso: sinapse elétrica e sinapse química. 2.1 Sinapse elétrica Na sinapse elétrica a membrana da terminação axonal de um neurônio pré-sináptico está interconectada com a membrana plasmática do neurônio pós-sináptico, através de canais protéicos que permitem a comunicação entre os dois citoplasmas (Figura 2.2). Assim, uma corrente despolarizante gerada no neurônio pré-sináptico é transmitida rapidamente ao neurônio pós-sináptico. Neste tipo de sinapse não há participação de vesículas contendo neurotransmissores, e o impulso nervoso pode ser propagado de forma não polarizada, ou seja, em ambas as direções. As sinapses elétricas ocorrem em muitos locais no sistema nervoso de invertebrados e vertebrados, tendo sido descritas em celenterados, artrópodes, anelídeos, moluscos, peixes, embriões de anfíbios, pássaros e no tronco cerebral de mamíferos. Normalmente, este tipo de sinapse está associado às repostas de fuga. Nos peixes, por exemplo, as células de Mautner, associadas ao comportamento de fuga, recebem informações de neurônios sensoriais através de sinapses elétricas. Após uma rápida despolarização da célula de Mautner, neurônios motores são ativados, promovendo a contração da cauda e um rápido escape. Também nos órgãos elétricos de peixes, o sincronismo de alguns neurônios é obtido a partir de sinapses elétricas. 2.2 Sinapse Química Nas sinapses químicas, a membrana do botão sináptico não se funde com a membrana do neurônio pós-sináptico. Entre os neurônios existe uma fenda sináptica, e no inerior do terminal axonal existem milhares de vesículas ou grânulos contendo os neurotransmissores (acetilcolina, adrenalina, noradrenalina, serotonina, ácido gama- aminobutírico (GABA), histamina, glutamato, dopamina, glicina, aspartato, e outros). Em síntese, a chegada do potencial de ação no terminal axonal, provoca uma despolarização da membrana, e conseqüente abertura de canais de cálcio voltagem dependente, o que leva a um aumento de cálcio intracelular. O aumento do cálcio permite o transporte de vesículas e, posterior fusão da membrana das vesículas, com a membrana pré-sináptica. Após esta fusão o conteúdo das vesículas é liberado na fenda sináptica (Figura 2.3). A disponibilidade do neurotransmissor na fenda sináptica pode ser regulada por três mecanismos: degradação enzimática, recaptação e difusão. Ao ser liberado na fenda sináptica, o neurotransmissor se difunde e combina com um receptor presente na membrana do neurônio pós-sináptico. A sinapse química pode se diferenciar em rápida (receptores ionotrópicos) ou lenta (receptores metabotrópicos), de acordo com o mecanismo de ação que acorre no neurônio pós-sináptico (Tabela 2.1). Na sinapse química rápida, o neurotransmissor se liga a um sítio receptor que faz parte de um canal iônico, já na sinapse química lenta, o neurotransmissor se liga a um receptor, que é independente (está afastado) do canal iônico (Figura 2.4). A partir desta ligação, neurotransmissor-receptor, o neurônio pós-sináptico pode despolarizar (potencial pós- sináptico excitatório/PEPS) ou hiperpolarizar (potencial pós-sináptico inibitório/PIPS). Os neurotransmissores são denominados de excitátórios ou inibitórios, em função de sua ação resultar em um PEPS ou um PIPS, respectivamente. Entretanto,experimentos em neurônios cerebrais de caracol mostraram que a ação inibitória ou excitatória de um neurotransmissor, não depende exclusivamente do receptor, ou do canal iônico que será aberto, mas principalmente do gradiente iônico entre o meio extracelular e o intracelular (dentro do neurônio ou dentro do músculo). O gradiente iônico é o fator que define o fluxo dos íons, e conseqüentemente a polaridade da célula (Figura 2.5). Um mesmo neurotransmissor, atuando em diferentes tecidos, pode apresentar ações excitatória ou inibitória. Por exemplo, a acetilcolina, em vertebrados, é excitatória para os músculos somáticos e glânglios simpáticos, e, inibitória nas terminações vagais do músculo cardíaco e vísceras. No molusco Aplysia, a acetilcolina excita algumas células do gânglio abdominal e inibe outras do mesmo gânglio. AUTOAVALIAÇÃO: 1- Qual a vantagem fisiológica de sinapse elétrica? E da química? 2- Diferencie sinapse química rápida e sinapse química lenta. 3- Quais fatores definem a caracterização de um neurotransmissor ser excitátorio ou inibitório? 4- O mecanismo de ação de alguns anti-depressivos está diretamente associado a modulação da presença do neurotransmissor na fenda sináptica. Como eles poderiam agir? Aula 3: Músculos, Contração muscular e movimento Objetivo: Entender a relação estrutura-função dos músculos, os mecanismos moleculares da contração do músculo esquelético, e a adaptação fisiológica do músculo para alguns tipos de movimentos. Todos os organismos eucarióticos mostram uma forma de movimento. No entanto, os animais são o único grupo de multicelulares que podem se mover de um local para outro, devido às células musculares. Além da locomoção, outros processos e/ou comportamentos tais como a ingestão e o acasalamento são dependentes de diferentes movimentos: movimentos amebóides, batimento ciliar e flagelar e contração muscular. A produção de sons é também obtida em algumas espécies (peixe-sapo e cascavel), em conseqüência da contração muscular. Estudando a origem evolutiva e o desenvolvimento dos músculos, encontramos que foi nos cnidários (Hydra), que surgiram as primeiras células mioepiteliais. Músculos verdadeiros na parede do corpo são encontrados em ctenóforos (águas-vivas). A partir de nematelmintos e anelídeos já encontramos uma diferenciação anato-funcional das fibras musculares. Músculos lisos longitudinais e circulares são utilizados para a locomoção, enquanto na faringe, encontramos outro tipo muscular associado ao comportamento alimentar. Ao longo da evolução, podemos perceber que animais maiores e mais complexos, apresentam maior diversidade muscular. Por exemplo, animais pequenos sobrevivem usando difusão simples dos gases, mas os grandes animais não conseguem suprir suas demandas metabólicas apenas usando mecanismo de difusão. Por exemplo, os artrópodes têm músculos complexos que controlam a ventilação e movimento. Entretanto, foi nos vertebrados que a diversidade é máxima. Além disso, com a transição do meio-aquático para o terrestre e, os desafios de realizar movimentos contra a força da gravidade, levaram a uma evolução gênica rápida, resultando em maior diversificação muscular. A classificação dos músculos é feita com base nas características morfo-funcionais. Os músculos são subdivididos em músculos estriados e lisos. São componentes da subdivisão de músculos estriados: os músculos esqueléticos e o músculo cardíaco dos vertebrados. Já músculos lisos, são aqueles presentes nos órgãos internos, tais como: bexiga, intestino, vasos sangüíneos, útero, etc. Para que um músculo possa ser contraído, é necessário que a membrana plasmática da célula muscular seja despolarizada, e propague um potencial de ação. A despolarização do músculo esquelético é mediada por neurônios motores colinérgicos, os quais levam a uma entrada de sódio na célula muscular, suficiente para desencadear o potencial de ação. A propagação desse impulso nervoso para o interior da fibra muscular é feita através dos túbulos transversos (Túbulos T). Nesta estrutura encontram-se os receptores de diidropiridina, os quais são sensíveis a variação de voltagem e levam a abertura dos canais de cálcio do retículo sarcoplasmático, modulados por receptores rianodina (Figura 3.1). O mecanismo bioquímico da contração muscular não se difere muito ao compararmos os músculos. Durante a contração muscular, os sarcômeros (unidade funcional do músculo estriado) se encurtam, porque os filamentos finos (actina) deslizam por entre os filamentos grossos (miosina). O deslizamento da actina sobre a miosina depende de um aumento do cálcio mioplasmático e da energia liberada pela hidrólise de ATP (Figura 3.2). 3.1 Músculos esqueléticos de vertebrados Nos vertebrados, os músculos esqueléticos são compostos por quatro tipos de fibras: Fibras tônicas que contraem lentamente, não produzem potencial de ação (PA) e são utilizadas para manutenção da postura. São encontradas nos músculos posturais de anfíbios, répteis e aves, assim como nos fusos musculares e músculos extra- oculares de mamíferos. Fibras oxidativas de abalo lento (tipo I) as quais contraem lentamente e fatigam lentamente. São utilizadas para manter a postura e movimentos moderadamente repetitivos. Apresentam coloração vermelha, devido à grande concentração de mioglobina. Fibras oxidativas de abalo rápido (tipo IIa), as quais utilizam fosforilação oxidativa e fatigam lentamente. São encontradas nos músculos dos vôos das aves selvagens. Fibras glicolíticas de abalo rápido (tipo IIb) as quais contraem rápido e fatigam rapidamente. São encontradas nos músculos do peito das aves domésticas, vertebrados ectotérmicos, como anfíbios e répteis. O músculo gastrocnêmio do gato, usado para a extensão do pé, apresenta 03 tipos de fibras musculares: 1) contração e fadiga rápidas, 2) contração rápida e resistente a fadiga e, 3) contração lenta resistente a fadiga (Figura 3.3). Os músculos natatórios dos peixes são compostos por fibras fásicas e tônicas. Os peixes, como as cavalinhas e o atum, que nadam a velocidades lentas, possuem os dois tipos de fibras, em diferentes grupos musculares. O músculo tônico (tipo I), localizado nas laterais do corpo, e responsável pela natação do tipo cruzeiro (longas distâncias), é formado por fibras de coloração vermelha, devido a presença da proteína mioglobina. Por outro lado, o músculo fásico (tipo II), responsável pela natação de escape (alta velocidade), é formado por fibras brancas (pouca mioglobina) (Figura 3.4). 3.2 Músculos dos Invertebrados 3.2.1 Músculos dos moluscos Moluscos bivalves, como o mexilhão, são capazes de manter suas conchas fechadas por várias horas, devido a um mecanismo de contração mantida (conhecida como “catch”) nos músculos adutores. Este estado de contração mantida impede, por exemplo, que uma estrela-do-mar consiga separar as conchas de um mexilhão. O músculo do tipo catch mais bem caracterizado, é o músculo retrator anterior do bisso (MRAB), encontrado no mexilhão azul (Mytilus edulis). O mecanismo molecular responsável pela contração mantida (“catch”), ainda não está totalmente elucidado. Entretanto, sugere-se que a miosina do músculo catch é diferente quando comparada a miosina de outros músculos, já que ela não desfaz sua interação com a actina (ponte-cruzada), quando a concentração de cálcio mioplasmática diminui e, tampouco hidrolisa ATP. 3.2.2 Músculos dos Artrópodes (crustáceos e insetos) As pinzas dos caranguejos e lagostas são capazes de exercer uma força intensa, devido à disposição das fibras musculares presentes no músculo peniforme. O músculo peniforme é formado por fibras cuja disposição anatômica em ângulo, garante uma grande vantagem mecânica, maior força (Figura 3.5). Embora o espaço dentro da pinza seja muito restrito,o arranjo das fibras do músculo peniforme, permite que as mesmas se encurtem preenchendo completamente com seu volume esta cavidade. Além do arranjo das fibras musculares, os crustáceos, assim como alguns insetos (gafanhotos), apresentam outra diferença nos músculos, sua inervação é mediada por somente alguns ou um único axônio. No gafanhoto, por exemplo, o músculo posterior da pata é inervado por apenas três axônios: 1) excitátório rápido; 2) excitatório lento; e 3) inibitório. A diferenciação das fibras nervosas permite uma grande variação no grau das contrações. Os insetos que voam, apresentam dois diferentes tipos de músculos: sincrônicos e assincrônicos. Os insetos pertencentes às ordens Lepidoptera (mariposas e borboletas); Odonata (libélulas) e Orthoptera (gafanhotos) apresentam uma freqüência baixa de batimentos de asas, sendo cada contração muscular resultante de um impulso nervoso. Nestes insetos os músculos do vôo são denominados sincrônicos. Por outro lado, os insetos pertencentes às ordens Hymenoptera (vespas e abelhas); Hemíptera (percevejos); Díptera (moscas e mosquitos) e Coleóptera (besouros e joaninhas), apresentam uma elevada freqüência de batimentos das asas (100-1000 batimentos/segundo), sendo os impulsos nervosos transmitidos a uma freqüência mais baixa que as contrações. Seus músculos são denominados assincrônicos. (Figura 3.6) AUTOAVALIAÇÃO: 1- Descreva o mecanismo de acoplamento excitação-contração muscular. 2- Qual o papel do cálcio mioplasmástico na interação actina-miosina? 3- Quais as principais diferenças entre as fibras musculares tônicas, oxidativas e glicolíticas. 4- Quais são os mecanismos que determinam uma contração muscular mantida? 5- Qual o papel do ATP na contração muscular? Quais as fontes de energia para mantermos ATP suficiente para uma atividade física de grande duração. 6- Relacione a concentração de cálcio mioplasmático com a força de contração muscular. 7- Como trabalham os músculos assincrônicos de alguns insetos? Aula 4: Fisiologia sensorial Objetivo: Compreender a relação entre estímulo sensorial e percepção; identificar a relevância de cada componente da via nervosa sensorial, conhecer a evolução da percepção sensorial entre as espécies. Para responder, adaptativamente, a mudanças no seu meio interno e externo, todo animal deve transformar diferentes tipos de estímulo sensorial em potenciais de ação, já que estes representam a linguagem dos centros integradores superiores. Embora, tendemos a associar o sistema receptor sensorial apenas com estímulos externos, devemos lembrar que nosso corpo (meio interno), também percebe estímulos internos, os quais nos comunicam sobre as alterações na homeostase. Em resumo, podemos dizer que todas as informações aferentes são processadas pelo sistema nervoso a fim de que possa efetuar os ajustes homeostáticos e comportamentais necessários. 4.1 Os receptores Os receptores são células especializadas, cuja principal função é detectar um tipo de estímulo e transformar o mesmo em impulso nervoso. Quanto a sua morfologia, os receptores podem ser neurônios, neurônios modificados (corpúsculo de Pacini), ou célula epitelial especializada (receptores do ouvido interno), que se conecta a neurônios aferentes (Figura 4.1). Os receptores podem ser classificados, de acordo com o estímulo ao qual são sensíveis, como: mecanorreceptores, termorreceptores, eletromagnéticos (fotorreceptores), quimiorreceptores e nociceptores. Cada tipo de receptor transmite sua informação por vias aferentes, para áreas específicas dos centros reguladores. Qualquer estímulo ao atuar sobre uma célula receptora, independente de sua intensidade, é capaz de causar alterações na permeabilidade da membrana a íons, e conseqüentemente modifica sua polaridade. Esta alteração no potencial elétrico de um receptor é conhecida como potencial receptor ou potencial gerador. Se o potencial receptor for alto suficiente para alcançar o limiar de excitabilidade, o receptor, então, desencadeará um potencial de ação (impulso nervoso). Diferentemente do potencial de ação, o potencial receptor é graduado, ou seja, ele varia em amplitude em função de intensidade do estímulo. Quanto maior um estímulo, maior o potencial receptor. Por outro lado, se um estímulo for forte suficiente para desencadear um potencial de ação, ao aumentarmos ainda mais a sua intensidade provocaremos o aumento da freqüência dos potenciais de ação, mas não da sua amplitude (Figura 4.2). Os receptores são capazes de adaptar-se, isto é, reduzir a freqüência de potenciais de ação, do neurônio aferente, quando expostos a um estímulo constante. Quanto a adaptação, os receptores podem ser de adaptação lenta (tônicos), ou rápida (fásicos). Os receptores de adaptação lenta apresentam uma diminuição na freqüência dos potenciais de ação durante toda a duração do estímulo. Já os receptores fásicos disparam potenciais de ação somente no início ou no final de um estímulo (Figura 4.3). 4.2 Quimiorrecepção comparada A quimiorrecepção foi uma das primeiras percepções sensoriais a evoluir. Mesmo os organismos mais simples isentos de quimiorreceptores individualizados, respondem ao estímulo químico utilizando o sentido químico comum. O sentido químico comum, normalmente é ativado por diferentes substâncias químicas, em altas concentrações e pode ser encontrado nos protozoários, celenterados, insetos anelídeos, peixes e anfíbios. No homem pode ser encontrado na mucosa nasal, boca, laringe, ânus, e aberturas genitais. Os sentidos químicos fornecem informações relevantes tais como: localização de alimento, parceiros ou inimigos. Nos invertebrados existe uma enorme diversidade de órgãos quimiorreceptores. A estrutura química na qual se encontram os quimiorreceptores em muitos invertebrados é chamada sensillum. Nos insetos, os neurônios sensoriais gustativos (receptores do gosto), são encontrados no sensillum gustativo. Na mosca varejeira, por exemplo, o pêlo gustativo encontrado na probóscide e nos tarsômeros tem cinco neurônios sensitivos, sendo um sensível à água, um ou dois a sais, um a açucares, e um mecanorreceptor sensível à inclinação do pêlo (Figura 4.4). Nos vertebrados os receptores do gosto, estão localizados nos botões gustativos, os quais são compostos por células receptoras secundárias, células de sustentação e células basais (Figura 4.5). As células basais fazem sinapse com fibras aferentes de neurônios sensoriais. Em anfíbios e peixes, os receptores da gustação podem se encontrados sobre a pele, ou distribuídos por todo o corpo, como é o caso dos bagres e carpas. Nos peixes, também encontramos botões gustativos nas brânquias e nadadeiras. Já nos mamíferos os botões gustatórios podem distinguir quatro sensações primárias: amargo, azedo, salgado e doce. Aves, répteis e anfíbios não apresentam uma gustação tão desenvolvida. Alguns peixes podem responder ao ácido, sal, açúcar e quinino. A quimiorrecepção pode ser utilizada tanto para detectar moléculas que diretamente agem sobre o animal (gustação), quanto àquelas moléculas situadas longe (olfato). Os receptores do olfato nos insetos podem ser do tipo pêlo ou cerdas, e se localizam freqüentemente nas antenas. Estes órgãos olfativos são capazes de detectar feromônios ou odorantes de plantas. Os ferômonios são de grande utilidade para os insetos (abelhas, formigas, mariposas e outros), já que servem para: indicar a localização do alimento, função sexual, deixar rastros, definir a casta social de um membro da colônia, etc. O macho, da mariposa da seda, Bombyx mori, é capaz de localizar a fêmea da espécie, mesmo que esta esteja a uma distância de vários quilômetros. O macho possui antenas gigantes, as quais são capazes de perceber a substância de atração sexual, liberada pela fêmea, em concentrações muito diluídas.Nos vertebrados, os receptores do olfato situam-se em um epitélio que reveste a cavidade nasal, e cuja estrutura é formada por três tipos de células: neurônios receptores olfativos, células de sustentação e células basais (Figura 4.6). Os cílios dos neurônios receptores são banhados por uma camada fluida e mucosa, na qual são dissolvidas as moléculas odoríferas. Em anfíbios e répteis existe um órgão acessório conhecido como órgão vomero-nasal ou órgão de Jacobson, localizado no teto da cavidade bucal, e que é revestido por receptores olfativos (Figura 4.7). 4.3 Mecanorrecepção Comparada O sistema nervoso pode interpretar estímulos mecânicos, tais como, pressão, estiramento, vibração e deslocamento, devido a potenciais de ação deflagrados pelos mecanorreceptores. A mecanorrecepção tem um papel relevante na regulação de pressão arterial (vertebrados), no controle do volume celular, no tato, na audição e equilíbrio. Os mecanismos pelos quais os mecanorreceptores convertem os estímulos mecânicos em impulso nervoso começam a ser compreendidos. A partir de estudos genéticos em receptores táteis de C. elegans (nematódeo) e Drosophila (inseto) foram identificadas duas proteínas mecanorreceptoras nos neurônios: ENaC (canais epiteliais de sódio) e a TRP (receptor de potencial transitório) (Figura 4.8). No meio extracelular, foram identificadas âncoras que se associam aos canais. Ao receberam um estímulo mecânicos, as âncoras se movem, e conseqüentemente, alteram o citoesqueleto dos neurônios mecanorreceptores, o que provoca uma mudança conformacional dos canais, que abrem ou fecham, modificando a polaridade da membrana celular. 4.3.1 Receptores de tato e proprioceptores Nos insetos e outros artrópodes a presença de um exoesqueleto duro, impede que o tato seja detectado a partir de terminações nervosas livres presentes na superfície do corpo. Por isso, nestes animais, os receptores táteis (maioria) estão localizados em órgãos chamados de sensilas tricóides, as quais são prolongamentos da cutícula (semelhantes a cílios) que fazem sinapse com um neurônio sensorial bipolar. O deslocamento do “cílio” provoca uma alteração do potencial de membrana do receptor. As sensilas são sensíveis a pequenos deslocamentos de ar, sendo úteis para monitorar a aproximação de um predador. Os insetos também apresentam outro tipo de sensila, a campaniforme, a qual tem função na propriocepção, isto é, permite a percepção do corpo no espaço, facilitando a execução de movimentos coordenados (Figura 4.9). Os receptores táteis dos vertebrados estão distribuídos nas camadas superficiais e profundas da pele (Figura 4.10). Os discos de Merkel são utilizados para discriminação tátil fina, como por exemplo, a leitura em Braille. Na base dos folículos pilosos encontramos terminações nervosas livres, receptores que detectam movimentos na superfície do corpo. Os corpúsculos de Pacini são mecanorreceptores localizados em camadas profundas da pele, nos músculo, nas articulações e órgãos internos, sendo sensíveis às vibrações. Por outro lado, os corpúsculos (terminações) de Ruffini são encontrados no tecido conectivo da pele, de membros e articulações, sendo sensíveis ao estiramento e movimentação. Os vertebrados apresentam três tipos de proprioceptores: os fusos musculares (sensíveis a variações no comprimento do músculo), os órgãos tendinosos de Golgi (detectam alterações de tensão muscular) e os receptores das cápsulas articulares (detectam pressão, tensão e movimento das articulações). 4.3.2 Equilíbrio e audição Nos invertebrados os órgãos utilizados para detectar a orientação de seus corpos em relação à força da gravidade se chamam estatocistos. Os estatocistos são cavidades ocas preenchidas com líquido e estatólitos (partículas de carbonato de cálcio), revestidas com neurônios sensoriais ciliados. Quando o animal modifica sua orientação, os estatólitos se movimentam e causam a estimulação dos mecanorreceptores (Figura 4.11). Com relação à audição, os insetos exibem diferentes estruturas especializadas. Um agrupamento de sensilas tricóides modificadas é um tipo de estrutura que percebe vibrações sonoras presentes no ar. Entretanto, nos insetos, os órgãos cordotonais são os mais importantes para a audição. Vários insetos (abelhas, baratas e gerrídeos), usam um órgão cordotonal modificado, conhecido como órgão subgeneal, localizado dentro das patas, para detectar vibrações no solo ou água. Além disso, podemos encontrar em mariposas, moscas-das-frutas, abelhas e mosquitos, outro tipo de órgão cordotonal, nas antenas, conhecido como órgão de Johnston. Nestes insetos, a detecção dos sons, pelo órgão de Johnston, tem função na reprodução. Entretanto, os órgãos auditivos mais sensíveis dos insetos são os órgãos timpanais, os quais são encontrados nas patas, abdômen, tórax e base das asas. Os grilos, por exemplo, encontram seus parceiros por comunicação auditiva, pois seus ouvidos estão localizados no primeiro par de patas torácicas e estão associados com passagens respiratórias, chamadas traquéias (Figura 4.12). Nos vertebrados, as células receptoras envolvidas na audição e no sentido do equilíbrio, são ciliadas (Figura 4.13). Estas células possuem um cílio longo (cinocílio) e muitos cílios pequenos (estereocílios). Em mamíferos adultos, as células ciliadas são desprovidas de cinocílio, sugerindo que o mesmo não é essencial para mecanorrecepção. Normalmente, os estereocílios estão conectados ao cinocílio através de filamentos conhecidos como pontes apicais. A transdução sonora ocorre devido a presença de canais iônicos mecanossensíveis localizados próximos a região apical dos estereocílios. A partir de um estímulo mecânico, tipo vibração, os estereocílios se dobram. Se a movimentação dos estereocílios acontece em direção ao cinocílio, canais iônicos são abertos e a célula ciliada despolariza, e promove a liberação de neurotransmissores que atuaram sobre o neurônio aferente acoplada a mesma. Entretanto, se o movimento do estereocílio acontece na direção do menor estereocílio, os canais iônicos são fechados, gerando uma hiperpolarização (Figura 4.14). Vale à pena lembrar que nas condições de repouso, a célula ciliada apresenta 15% dos seus canais iônicos abertos, ou seja, já existe uma despolarização basal, e uma baixa freqüência de potenciais de ação partindo do neurônio aferente sensorial. As células ciliadas são encontradas não só em mamíferos, mas também em peixes, larvas de anfíbios e anfíbios adultos. Nestes, as células ciliadas estão agrupadas dentro dos nos neuromastos, e têm um papel importante na detecção dos movimentos provocados por predadores e presas na água. Os neuromastos são encontrados na pele, e na maioria dos peixes e anfíbios, eles estão dispostos em linhas laterais do corpo. Este sistema da linha lateral (Figura 4.15) está envolvido na detecção de alterações de pressão na água. Nos vertebrados o ouvido executa duas funções sensoriais, como órgão de equilíbrio e como órgão da audição. Os órgãos do equilíbrio são compostos pelo sáculo e utrículo, que são rodeados de ossos e preenchidos com endolinfa. O utrículo origina os três canais semicirculares, que estão dispostos em três planos perpendiculares. Nos canais semicirculares, as células ciliadas detectam a aceleração da cabeça. Quando a cabeça é acelerada, a endolinfa se movimenta dentro dos canais semicirculares, causando a movimentação da cúpula (camada gelatinosa sobre as células ciliadas), e conseqüente movimentação dos cílios. Além de encontrarmos células ciliadas nos canais semicirculares, estas estão presentes nas máculas (câmaras ósseas abaixo dos canais semicirculares), onde estão partículas mineralizadas designadas otólitos (Figura 4.16). A existência do som no meio ambiente levou a evolução da audição entre os animais. O som é uma onda mecânicacapaz de se propagar pelo ar ou pela água. O ouvido dos mamíferos é composto por orelha externa, canal auditivo, orelha média e orelha interna. A orelha externa é importante para coletar as ondas sonoras e concentrá-las na membrana timpânica. A percepção auditiva depende não só da coleta das ondas sonoras, mas também do seu transporte da orelha média para a interna, onde se encontra as células ciliadas. De forma simplificada, as ondas sonoras após chegar ao tímpano, causam sua movimentação. O tímpano é capaz de transferir a energia para os ossículos auditivos (martelo, bigorna e estribo), e depois ao ouvido interno. Na orelha interna, o estímulo mecânico é recebido pela janela oval (superfície mais externa da cóclea). O aumento de pressão gerado na janela oval facilita o deslocamento da onda sonora para o líquido coclear (perilinfa). A cóclea é uma estrutura enrolada como a concha de um caramujo. Ela é dividida em três compartimentos: escala vestibular, timpânica e média. Na cóclea encontramos não só líquido (endolinfa e perilinfa), mas também o órgão de Corti (escala média), onde estão as células ciliadas. As células ciliadas da cóclea são capazes de informar sobre freqüência (altura) e intensidade sonora. Os estereocílios destas células estão em contato com a membrana tectória, enquanto os corpos celulares estão apoiados na membrana basilar (Figura 4.17). O movimento de líquido na cóclea leva a vibração das células ciliadas, e excitação dos nervos sensoriais auditivos. 4.4 Fotorrecepção Comparada No processo evolutivo ocorreu uma crescente especialização dos fotorreceptores e das estruturas acessórias, bem como uma melhor integração que refletiu a percepção de distâncias, movimentos, cor e imagens. A sensibilidade difusa à luz é a forma mais primitiva de detecção luminosa, já que não envolve células fotorreceptoras, e possibilita a discriminação apenas entre luz e sombra. As amebas, por exemplo, reagem negativamente à luz, e o ouriço modifica o posicionamento dos espinhos de acordo com a luminosidade ambiental. Esta fotossensibilidade parece depender da presença de pigmentos fotossensíveis localizados abaixo da pele. Com o surgimento de fotorreceptores individualizados, os animais puderam identificar a direção da luz, passando do comportamento de fotocinese para fototaxia. Os primeiros fotorreceptores individualizados aparecem como o estigma dos protozoários, na Euglena (Figura 4.18). Este protozoário é capaz de alterar a direção do seu deslocamento com relação à fonte de luz, diminuindo o sombreamento da região fotorreceptora. Nos metazoários, as minhocas são um exemplo, de animal que apresentam células fotorreceptoras especiais distribuídas na epiderme do corpo. A luz proveniente de qualquer direção é focalizada em uma rede de neurofibrilas, as quais estão ligadas aos nervos sensoriais que se estendem até o sistema nervoso. Com a evolução dos metazoários, o padrão de agrupamento das células fotorreceptoras foi modificando. Inicialmente, surgiu a retina chata, depois as retinas em forma de taça e vesicular e finalmente a retina convexa (anelídeos, moluscos e artrópodes). Os olhos formadores de imagens podem ser do tipo composto (insetos) ou em câmara (vertebrados). Os olhos compostos dos artrópodes são constituídos de muitas unidades ópticas, conhecidas como omatídeo. Cada omatídeo é formado por uma lente (córnea), seguida de um cone cristalino, sob o qual encontramos o rabdoma, estrutura altamente refrátil envolvida pelas células retinulares, e em cuja membrana se localizam os pigmentos fotossensíveis (Figura 4.19). A imagem formada pelo olho composto é uma imagem de mosaico. Além disso, o campo receptivo de cada omatídeo é relativamente grande, o que confere uma menor acuidade visual que os olhos dos vertebrados. Entretanto, os olhos compostos são capazes de discriminar intensidade, direção, cor e plano de polarização da luz. Nos vertebrados, os olhos são constituídos de três camadas: esclerótica, coróide e retina. A camada mais externa é a esclerótica, que tem um papel protetor, e se modifica anteriormente formando a córnea. A coróide contém muitos vasos sanguíneos que nutrem o globo ocular. Já a retina é a camada onde estão os fotorreceptores (cones e bastonetes). Além disso, os olhos dos vertebrados têm um sistema composto de lentes, as quais projetam uma imagem invertida e de tamanho menor na retina. A córnea sendo curva age como uma lente de foco fixo. O cristalino (lente biconvexa) é capaz de focar objetos a diferentes distâncias sobre a retina, sendo este processo conhecido como acomodação visual. Os peixes, anfíbios e cobras focam os objetos a diferentes distâncias deslocando o cristalino. Lagartos, aves e mamíferos fazem o ajuste do foco alterando a curvatura do cristalino. A curvatura do cristalino está intimamente associada à atividade dos ligamentos suspensores e dos músculos ciliares (Figura 4.20). O trajeto da luz começa ao passar pela córnea, depois atravessa o humor aquoso, o cristalino, e o humor vítreo, para finalmente chegar até a retina. Através da variação do diâmetro da pupila regulamos a quantidade de luz que chega até a retina, através de um mecanismo reflexo. A retina é considerada tecido nervoso, pois além de conter os fotorreceptores, também têm neurônios bipolares, células amácrinas, células horizontais e células ganglionares. Os fotorreceptores fazem sinapse com as células horizontais e com os neurônios bipolares, os quais se comunicam com as células amácrinas e ganglionares (Figura 4.21). Os axônios das células ganglionares formam o nervo óptico, o qual sai da retina pelo ponto cego (região isenta de fotorreceptores). Os cones e bastonetes apresentam três partes em suas estruturas: o segmento externo (alongado e fino nos bastonetes, grosso e cônico nos cones), o segmento interno (local onde se localiza o núcleo) e o terminal sináptico (Figura 4.22). O segmento externo exibe várias dobras da membrana celular (discos), onde se fixam os pigmentos fotossensíveis. Os bastonetes são ideais para visão em condições de luz difusa (noturna), devido ao seu baixo limiar de excitabilidade. Já os cones apresentam maior limiar de excitabilidade, e baixo grau de convergência sobre as células ganglionares, tornando os ideais para visão em condições de alta luminosidade (diurna). A imagem formada pelos bastonetes é pouco nítida e sem cor, e a imagem formada pelos cones é nítida e colorida. Considerando estas características podemos compreender porque os animais de hábito noturno apresentam mais bastonetes, enquanto os de hábito diurno apresentam mais cones. Nos animais de hábito diurno, na região da fovea centralis os cones recebem a luz diretamente sem sofrer desvios, o que proporciona maior acuidade visual. Nos humanos e em alguns mamíferos, a fóvea centralis é composta por apenas cones, sendo que no restante da retina encontramos cones e bastonetes. Alguns répteis, aves e peixes ósseos apresentam a fóvea na retina e também fóveas temporais. Ao longo do processo evolutivo encontramos uma variabilidade de olhos, mas o processo de transdução química, que transforma a luz em alterações de potenciais elétricos na membrana é semelhante entre os animais. Entretanto, devemos ressaltar uma diferença: nos invertebrados a luz causa uma despolarização dos fotorreceptores, já nos vertebrados o estímulo luminoso causa uma hiperpolarização. Como mencionado anteriormente, os bastonetes apresentam em sua estrutura um segmento externo, composto por várias invaginações da membrana, onde encontramos a rodopsina, pigmento fotossensível. Em condições de baixa luminosidade, a membrana do bastonete é altamente permeável ao sódio, o que leva à despolarização da membrana. Em condições de alta luminosidade, a molécula de rodopsina é modificada pela luz, levando a formação de vários compostos,sendo o último da reação, a metarrodopsina II. A Metarrodopsina II é capaz de estimular a proteína G, ativando uma cascata de sinalização que culminará com a redução do guanosina monofosfato cíclica (GMPc), o que causa fechamento dos canais de sódio e hiperpolarizaçao . AUTOAVALIAÇÃO: 1. Descreva as principais diferenças entre potencial receptor e potencial de ação? 2. Cada receptor é sensível a determinado estímulo, mas não exclusivo. Explique esta afirmação. 3. O que é adaptação rápida ou adaptação lenta dos receptores? Qual a relevância fisiológica para um organismo, cujos receptores se adaptam? 4. Os receptores gustatórios, tanto em invertebrados quanto em vertebrados, permitem a discriminação do doce, ácido, azedo e salgado. O mecanismo molecular que induz a excitação destes receptores e permite a diferenciação gustatória é o mesmo? 5. Os quimiorreceptores de invertebrados podem atuar na percepção de moléculas odoríferas locais ou distantes. Explique esta afirmativa. 6. Como os mecanorreceptores fazem a transdução de um estímulo mecânico para um impulso nervoso? 7. Os humanos têm diferentes mecanorreceptores em diferentes locais, o que pode fisiologicamente representar uma melhor discriminação tátil. Comente esta informação. 8. Se um grilo perde uma das patas torácicas, qual seria o prejuízo sensorial e comportamental? 9. Como é feita a propagação da onda sonora na orelha de mamíferos? 10. Como os estereocílios e o cinocílio atuam na polarização da célula ciliada? 11. Quais fatores fazem com que os cones e bastonetes proporcionem diferentes visões em condições de luminosidade diferentes? 12. Nos bastonetes a excitação do pigmento rodopsina, leva a qual mecanismo eletroquímico na membrana e no citoplasma celular? 13. Quais os pigmentos dos cones e dos bastonetes? Neurofisiologia_Animal_Comparada_set26 figuras%20neuro%20comparada[1] figuras%20neuro%20comp%202[1] fig neuro comp 3
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