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Sinalização química Mecanismo de comunicação celular utilizado pelas células para alterarem o seu comportamento em benefício do organismo como um todo. É feito tanto por organismos unicelulares quanto pluricelulares. É importante em todas as etapas da vida do organismo. A célula está exposta a vários sinais o tempo todo e, por meio da integração de sinais, ela consegue assimilar as informações e sobreviver. A princípio, a célula necessita de um mínimo de sinais para sobreviver. A partir dele, ocorre a interação entre outros diferentes sinais que irão interagir e desencadear a resposta necessária para aquela célula. Por exemplo, existem sinais que estimulam o crescimento, a divisão ou diferenciação celular. É importante destacar que a ausência de sinais resulta no apoptose celular, ou seja, a morte celular. Isso ocorre quando a célula não se comunica seja pela ausência de sinais seja porque perdeu a capacidade de responder os sinais. Mecanismos de sinalização ✓ Sinalização por moléculas secretadas: a célula sinalizadora libera a molécula sinalizadora que irá atingir o receptor da célula alvo e, com isso, ocorre a sinalização. Não necessita do contato físico entre célula sinalizadora e alvo. Existem sinalizações: Autócrina, parácrina, endócrina e sináptica. Autócrina: nesse tipo, a célula sinalizadora é a própria célula alvo, ou seja, ela libera sinais que irão atuar na própria célula. É importante durante o desenvolvimento, no qual um grupo de células necessita ter a mesma tomada de decisão, que pode ser sobrevivência, proliferação, diferenciação ou migração. Também é importante nas células tumorais, pois produzem a sua sobrevivência, proliferação e metástase. Parácrina: a célula sinalizadora libera o sinal que irá interagir em células alvo próximas a célula sinalizadora, por isso, o sinal é chamado de mediador local. Isso ocorre pois o sinal tem meia vida curta ou é retirado rapidamente do meio extracelular pelas células vizinhas. Um exemplo é a mediada pelo óxido nítrico, que promove a vasodilatação. O óxido nítrico é produzido a partir de determinado estímulo nas células endoteliais da parede dos vasos sanguíneos, ele é liberado para as células musculares lisa da parede dos vasos, onde ativa uma via de sinalização química e promove o relaxamento muscular e, consequentemente, a vasodilatação Endócrina: a célula sinalizadora libera o sinal no sangue, o hormônio, que pode atuar em células alvo distantes da célula sinalizadora. Exemplo: Eixo hipotálamo-hipófise-adrenal (HPA), em situações de estresse, o hipotálamo libera o hormônio GRH que estimula a hipófise a liberar o ACTH, que atua sobre a adrenal e estimula a liberação do cortisol. O cortisol está envolvido na resposta de luta e fuga. Sináptica: a célula sinalizadora é um neurônio que libera o sinal, o neurotransmissor, para a célula alvo, a qual pode ser outro neurônio, músculo ou glândula. Exemplo: neurotransmissor acetilcolina, que é responsável pela indução da contração muscular esquelética. Ela é liberada por um neurônio-motor na fenda sináptica, a qual irá se difundir até a célula muscular esquelética e produzir sua resposta ✓ Sinalização dependente de contato: o sinal não é liberado no meio extracelular, a célula sinalizadora necessita interagir com a célula alvo para desencadear a resposta. A molécula sinalizadora pode ser inserida na membrana plasmática da célula sinalizadora ou passar direto do citoplasma da molécula sinalizadora para o citoplasma da molécula alvo. Junção comunicante: formada por um par de heme canais. Cada par é formado por 2 conexons. O canal está sempre aberto para a passagem de moléculas sinalizadoras, como os íons e segundos mensageiros. No entanto, em alguns momentos como a alteração de PH ou aumento de cálcio no meio intracelular, esses canais se fecham, pois representam um indício de apoptose celular. Além disso, os conexons podem ser formadas por diferentes conexinas, resultando na seletividade das junções. Ex.: conexons formados apenas por conexinas do tipo C32 permitem a passagem de AMPcíclico e GMPcíclico e as formadas por C32+C26 permitem a passagem apenas de GMPcíclico. Obs: a apoptose é desencadeada pelo aumento do cálcio no meio intracelular. O cálcio ativa as caspases, proteínas que realizam a apoptose. Por ex.: quando o glutamato desregulado superativa os canais de cálcio, entra muito cálcio dentro da célula e resulta na morte neurocelular. Adesão celular: proteínas presentes nas membranas das células adjacentes interagem para formar a adesão entre si, o que é importante para a formação dos tecidos. A adesão celular também é importante para a diapedese dos leucócitos. Proteínas nas membranas dos leucócitos interagem com proteínas na superfície das células epiteliais da parede dos vasos sanguíneos próximos ao local da inflamação. Através dessa interação, os leucócitos conseguem frear seu movimento ao longo dos vasos sanguíneos e atravessar as paredes dos vasos para chegar até o local da inflamação do tecido. Sinal hidrofílico: liberado por exocitose e interagem com proteínas da membrana da célula alvo. Os receptores de membrana ativam uma via de sinalização química intracelular para produzir a resposta. A resposta é rápida quando envolve a interação de proteínas já sintetizadas pela célula ou pode ser lenta quando a via de sinalização intracelular leva a síntese de novas proteínas. Logo, os receptores de membrana podem ou não ativar a transcrição gênica. Sinal hidrofóbico: liberado por difusão simples através da membrana e interage com proteínas intracelulares da célula alvo. Todo receptor intracelular ativa a transcrição gênica, ou seja, leva a síntese de novas proteínas para produzir a resposta. Obs.: A via de transdução de sinal sintetiza proteínas, bloqueia a síntese de proteínas, ativa proteínas. Essa via é uma modificação na atividade das proteínas e moléculas que acontecem sucessivamente e desencadeiam uma reposta celular. A resposta celular depende do receptor e das proteínas intracelulares. Comparando uma célula muscular cardíaca e uma esquelética, exposta ao mesmo sinal, que é a acetilcolina, observamos que a célula muscular cardíaca responde com a diminuição da taxa e da força de contração e a célula esquelética responde com uma contração muscular. A diferença nas respostas se dá porque o receptor de membrana expressa na célula cardíaca é diferente do receptor de membrana expresso pela célula esquelética. Comparando uma célula cardíaca e uma célula da glândula salivar exposta ao mesmo sinal, acetilcolina, observamos que a resposta é diferente, mesmo possuindo o mesmo receptor de membrana. A célula da glândula salivar responde liberando saliva e, isso ocorre, pois, o conjunto de proteínas intracelulares são diferentes entre as células. Propriedades da sinalização: Especificidade: um receptor é específico para determinado sinal Integração: célula produz uma única resposta frente a um conjunto de sinais diferentes. ✓ Adaptação: é a diminuição da resposta da célula alvo frente a uma estimulação prolongada do sinal. Pode ser do tipo: Sequestro: o receptor é internalizado e armazenado dentro da célula. Após um tempo, esse receptor pode ser reinserido na membrana Down-regulation: o receptor é internalizado e degradado, a célula necessita sintetizar novos receptores para reinserir na membrana Inativação: o receptor sofre uma alteração conformacional que impede sua resposta ao sinal, essa modificação pode ser produzida, por exemplo, por fosforização Inativação de uma proteína sinalizadora: Uma proteína da via de sinalização intracelularsofre uma alteração conformacional, levando a interrupção da via de sinalização Produção de uma proteína inibitória: a via de sinalização ativada promove a síntese de uma proteína intracelular que irá inibir a via de sinalização. Questionário: 1. O que é sinalização química? 2. Como ocorre a sinalização química? 3. Quais os exemplos de moléculas sinalizadoras? (Cite 3) 4. Quais os mecanismos de sinalização? Explique 5. Explique detalhadamente a interação da junção comunicante 6. Explique detalhadamente a adesão celular 7. Explique detalhadamente a sinalização: a) Autócrina b) Parácrina c) Endócrina d) Sináptica 8. Qual a diferença entre a sinalização de moléculas hidrofílicas e hidrofóbicas? 9. Quais as propriedades da sinalização? Explique cada uma delas. 10. Cite e explique um exemplo de uma resposta que depende do receptor e uma da proteína intracelular. Receptores de membrana A sinalização química é dada através da ativação de receptores Os receptores de membrana podem ser de 3 tipos: Ionotrópicos: são canais iônicos dependentes de ligante. Quando o sinal se liga ao receptor, ele é ativado, levando a abertura do canal e a passagem de íons através da membrana. Metabotrópicos: são receptores acoplados a proteína G. Quando ativado, esses receptores se acoplam e ativam proteína G. Catalíticos: possuem atividade enzimática, quando o sinal se liga ao receptor a sua atividade enzimática é ativada. Sinalização química através de receptores ionotrópicos São receptores formados por subunidade, 4 ou 5 subunidades se combinam para formar um receptor ionotrópicos. A combinação das subunidades determina as características dos receptores ionotrópicos, como a frequência de abertura do canal, o tempo que o canal permanece aberto e os íons que atravessam o canal. Os receptores nicotínicos da junção neuromuscular são compostos por duas subunidades alfas, duas betas e uma sigma, que permite o influxo ou entrada de sódio e efluxo ou saída de potássio, resultando na contração muscular. No SNC, os receptores nicotínicos são compostos por outra combinação de subunidades, por ex., um tipo de receptor nicotínico é composto apenas por subunidades alfa e permitem o influxo de íons cálcio. Tipos de receptores ionotrópicos: AMPA, NMDA, Cainato – são receptores que possuem como ligante o neurotransmissor glutamato, o principal neurotransmissor excitatório do sistema nervoso central (SNC). Receptores GABAa e GABAc possuem como ligante o neurotransmissor GABA, o principal neurotransmissor inibitório do SNC. Os receptores nicotínicos possuem como ligante o neurotransmissor acetilcolina. Uma exceção entre os receptores ionotrópicos é o receptor NMDA para glutamato, pois é um canal iônico dependente de ligante e voltagem. Quando glutamato se liga ao receptor, ele abre o canal, no entanto, não há passagem de íons, pois os íons magnésio está ligado no interior do poro do canal. Para que ocorra a passagem de íons pelo receptor, é necessário que ocorra também uma alteração das cargas das membranas, que expulsam o íon magnésio, permitindo a entrada de sódio e cálcio e a saída do potássio. Os receptores GABAa e GABAc quando recebem o GABA, abrem seus canais e permitem a entrada de cloreto na célula. Os receptores GABAa apresentam sítios para outros ligantes, eles são diferentes do sítio de ligação do GABA e, portanto, essas substâncias não são capazes de ativar o receptor GABA e sim modular sua atividade. Apenas o neurotransmissor GABA tem a capacidade de ativar o receptor GABAa. Por exemplo, os receptores GABAa possuem um sítio de ligação para os benzodiazepínicos e barbitúricos, esses fármacos não ativam o receptor GABAa, mas potencializam as ações inibitórias do GABA, por aumentar o fluxo de cloreto. Os receptores catalíticos possuem atividades catalíticas que quando ativados existe a ação desse domínio catalítico. Eles podem apresentar o domínio catalítico na sua estrutura ou se associar a uma enzima. Existem 6 tipos: Receptores tirosina kinase – fosforiza proteínas em seus aminoácidos tirosina Receptores associados a tirosina kinase – são receptores que fosforizam proteínas e seus aminoácidos tirosina Receptores serina/treonina kinase – fosforizam as proteínas e seus AA serina e treonina Receptores histidina kinase – fosforizam proteínas e seus AA histidina Receptores guanilil ciclase – aumentam os níveis intracelulares de GMPcíclico Receptores tirosina fosfatase – desfosforizam proteínas e seus AA tirosina Receptores tirosina kinase – estão envolvidos em fatores como a sobrevivência, proliferação, diferenciação, síntese de proteínas, angiogênese, entre outros efeitos. Após a interação do ligante, os receptores se dimerizam e, em seguida, a fosforilação cruzada dos domínios tirosina kinase (esse processo aumenta a atividade do domínio catalítico), seguido da fosforilação dos Aminoácidos (AA) tirosina ao longo do receptor. Esses AA tirosina fosforilados permitem a ligação de proteínas intracelulares no receptor tirosina kinase. Como o domínio tirosina kinase se auto fosforila antes de fosforilar outras proteínas, sua inativação só ocorre pela atividade de uma fosfatase, a qual irá desfosforilar o domínio. Ele pode ativar 3 vias de sinalização: • Via PI3 kinase – envolvida na sobrevivência celular • Via das MAP kinase – envolvida na sobrevivência, proliferação e diferenciação • Via da fosfolipase PKC que está envolvida no crescimento e diferenciação celular Na via da fosfolipase PKC está relacionada com os receptores metabotrópicos. Nessa via, a fosfolipase C se liga diretamente ao receptor tirosina kinase para ser ativada, em seguida a via de sinalização segue o mesmo mecanismo dos receptores metabotrópicos. Na via das MAP kinase, após a ativação do receptor tirosina kinase, a proteína GRB2 se liga ao receptor, permitindo a ligação da proteína RAS. A proteína RAS é uma proteína G monomérica. Quando ela se liga ao receptor tirosina kinase, através da proteína GRB2, ocorre a troca de GDP para GTP, o que ativa a proteína. Em seguida, a RAS ativa a proteína Raf, uma kinase que fosforiza e ativa a proteína MEK, uma kinase que fosforiza e ativa a MAP Kinase, a qual ativa, através da fosforilação, outras proteínas intracelulares, inclusive fatores de transcrição, levando a síntese de novas proteínas. Na via da PI3 kinase, após a ativação do receptor tirosina kinase, a enzima PI3 kinase se liga ao receptor, em seguida, fosforiza o fosfolipídio de membrana PIP2 em PIP3. O PIP3 permite o ancoramento das proteínas PDK1 e AKT. A PDK1 fosforila e ativa a AKT, a qual se desliga da membrana e fosforila alvos intracelulares. Um desses alvos é a proteína Bad, sua fosforilação pela AKT promove seu desligamento de uma proteína inibidora da apoptose. Essa proteína livre atua inibindo a apoptose, promovendo, então, a sobrevivência celular. Sinalização química por receptores metabotrópicos Os receptores metabotrópicos são acoplados a proteína G, eles contêm um sítio extracelular de ligação ao sinal e sítios intracelulares de ligação a proteína G. Quando o sinal se liga ao receptor, ele é ativado e muda sua conformação expondo seu sítio de ligação para a proteína G, que se liga ao receptor. A proteína G é uma proteína trimérica composta pelas subunidades alfa, beta e gama. Em sua conformação inativa, a subunidade alfa está ligada a GDP e todas as subunidades estão unidas. Quando a proteína G é ativada pelo receptor, ela perde afinidade pelo GDP e o GTP se liga a proteína G. Então, nesse caso, existe uma troca de GDP por GTPna proteína G. Ela ativada se dissocia, em subunidade alfa ligada a GTP e complexo beta- gama. Qualquer um dos dois pode ativar vias de sinalização intracelular A subunidade alfa é uma GTPase, sendo então, capaz de hidrolisar GTP em GDP. Logo, depois de ativar vias de sinalização, a subunidade alfa ativa a sua atividade enzimática e hidrolisa o GTP, voltando a estar associada ao GDP. Em seguida, as 3 subunidades se unem novamente para formar a proteína G inativa. Se o ligante ainda estiver ligado ao receptor, a proteína pode ser novamente reativada, reiniciando o ciclo. A proteína G ativada, pode ativar ou inibir enzimas que produzem segundos mensageiros ou se ligar a canais iônicos, regulando o fluxo de íons através da membrana. Um exemplo de regulação de canal iônicos por proteína G ocorre nas células musculares cardíacas. Nessas células, a acetilcolina ativa seu receptor metabotrópico chamado de receptor muscarínico, o qual ativa uma proteína G. Ela se liga diretamente a canais de potássio, induzindo a sua abertura e efluxo de potássio, levando a uma diminuição da taxa e força de contração cardíaca. A proteína G pode modular a atividade de enzimas que produzem segundos mensageiros. Por exemplo, o AMPcíclico. Nessa via de sinalização, um sinal se liga e ativa o receptor metabotrópico acoplado a proteína G, que nesse caso, é uma proteína Gs ou G estimulatória. Essa proteína Gs estimula a enzima adenililciclase que sintetiza AMPc a partir de ATP. Esse AMPcíclico ativa a proteína PKA dependente de AMPc. A PKA é composta por 2 subunidades regulatórias e 2 subunidades catalíticas. Cada subunidade regulatória possui dois sítios de ligação para o AMPc, então são necessárias 4 moléculas de AMPc para ativar a PKA. Após a ligação das subunidades das moléculas de AMPc as subunidades regulatórias, elas se dissociam das subunidades catalíticas que podem, então, fosforilar as proteínas alvos. As proteínas alvos podem ser enzimas, canais iônicos e fatores de transcrição. Um importante fator de transcrição ativado pela PKA é o fator de transcrição CREB. Ele está envolvido em diversos eventos como sobrevivência celular, formação de sinapses e mecanismos de formação de memória. A CREB é um fator de transcrição que está localizado no núcleo. Então, as subunidades catalíticas da PKA, quando ativadas, migram para o núcleo e fosforilam a CREB, que se liga ao DNA e induz a síntese de proteínas. Outro tipo de proteína G é a proteína Gi ou proteína G inibitória. Após o receptor metabotrópico ser ativado por um sinal e ativar a proteína Gi, esta inibe a enzima adenililciclase, diminuindo os níveis intracelulares de AMPc e inibindo a PKA. Enquanto a proteína Gs estimula a adenililciclase, a proteína Gi inibe a enzima. Dessa forma, essas proteínas G regulam os níveis intracelulares de AMPc. O GMPc é um segundo mensageiro que não é produzido a partir de receptor metabotrópicos e proteína G. O GMPc é produzido a partir da ativação da enzima guanililciclase, que produz GMPc a partir do GTP. O GMPcíclico pode se ligar diretamente a canais iônicos regulando a atividade desse canal ou ativar a proteína PKG ou proteína kinase dependente de GMPc. Tanto o AMPc quanto GMPc são regulados por enzimas intracelulares chamadas de fosfodiesterases, essas enzimas degradam o AMPc e o GMPc, reduzindo seus níveis intracelulares. O GMPc pode regular a atividade de canais iônicos nos fotorreceptores que são células presentes na retina e são especializadas em captar estímulos luminosos. Quando os fotorreceptores estão na ausência da luz, os níveis intracelulares de GMPc estão altos, então o GMPc se liga e ativa canais de cálcio dependentes de GMPc, induzindo a sua abertura. Com isso, ocorre o influxo de cálcio e sódio, o que leva o fotorreceptor a liberar o neurotransmissor glutamato. Na presença de luz, há uma diminuição dos níveis intracelulares de GMPc e os canais de cátions dependentes de GMPc se fecham, não existindo mais influxo de sódio e cálcio. E os fotorreceptores diminuem, então, a liberação do neurotransmissor glutamato. O óxido nítrico é um exemplo de molécula sinal que ativa diretamente a guanililciclase, ele é sintetizado a partir do aminoácido (AA) arginina, pela ação da enzima NOsintase, produzindo óxido nítrico e citrolina. O NO então se liga a guanililciclase e estimula a síntese de GMPc, a partir de GTP. Esse mecanismo é utilizado para promover vasodilatação. O óxido nítrico produzido pelas células endoteliais dos vasos migra para as células musculares lisas, onde aumenta os níveis intracelulares de GMPc, a partir da ativação da guanililciclase. O GMPc, então, induz o relaxamento das células musculares lisas e, consequentemente, a vasodilatação. Outros segundos mensageiros são a DAG e IP3, nessa via de sinalização, o sinal ativa um receptor metabotrópico que ativa uma proteína Gq. Essa proteína ativa a enzima fosfolipase C, a qual hidrolisa fosfolipídios de membrana, o PIP2 em DAG, que permanece na membrana. E IP3 que fica livre no citosol e migra para o RE, ligando-se e ativando canais de cálcio. O cálcio, então, sofre efluxo do RE e aumenta seu nível no citosol. Com isso, o cálcio se liga a uma proteína chamada de PKC (ou proteína kinase dependente de cálcio). A PKC ligada ao cálcio migra para a membrana, liga- se a DAG e se ativa completamente. Em seguida, a PKC se desliga da membrana, volta para o citosol e fosforila proteínas alvo. Quando o cálcio se desliga da PKC, ela fica inibida. O cálcio também é considerado um segundo mensageiro. Além de ativar a PKC, ele também pode ativar uma outra kinase, a CAMK (Camkinase). Após o aumento dos níveis intracelulares de cálcio, esse íon se liga a uma proteína chamada calmodulina, formando o complexo cálcio-calmodulina. Esse complexo se liga na CAMK, ativando a enzima, que irá fosforilar outras proteínas alvo. Existem 4 tipos de CAMK, mas a CAMK2 é uma das mais estudadas, pois ela permanece ativada mesmo na ausência de Cálcio. Quando os níveis de cálcio intracelulares diminuem, o complexo cálcio-calmodulina se desfaz e as CAMK, exceto a 2, ficam inativadas. Isso ocorre, pois, a CAMK2 após ser ativada, se auto fosforila, antes de fosforilar outras proteínas. Então, mesmo na ausência de cálcio, essa proteína permanece ativada. Ela se torna inativa apenas quando uma fosfatase desfosforila a proteína. Uma propriedade de sinalização química que é observada nas vias sinalizadas por receptores metabotrópicos é a amplificação. Podemos notar que a cada etapa da via de ativação sinalizada por esses receptores, existe um aumento no número de moléculas envolvidas. Então, a cada etapa da sinalização, ocorre uma amplificação do sinal. BIOELETROGÊNESE: Potencial de membrana Os neurônios transmitem diferentes informações. Por exemplo, alguns são neurônios sensoriais envolvidos na transmissão das informações relacionadas a tato, visão, audição e etc. Outros são neurônios motores que estão envolvidos na indução da contração muscular esquelética que permite os movimentos do corpo. Ao astrócitos, oligodendrócitos e microglia estão presentes no SNC e as células de Shwann no SNP. No SNC, os astrócitos estão presentes na sinapse. Ele regula a resposta da transmissão pós-sináptica, podendo diminuir ou aumentar. Os astrócitos podem retirar alguns neurotransmissores no SNC, para interromper a presença do sinal, isso serve para evitar o mecanismo de adaptação celular, no qual a célula fica demasiadamente exposta ao sinal. Após uma lesão a quantidade de micróglia no local aumenta para regular a inflamação e promover a regeneração. A desregulação damicróglia gera intenso processo inflamatório que, em vez de estimular a sobrevivência celular, causa a morte neural. Na maioria dos neurônios, o potencial de repouso é em torno de -65Mv. No entanto, os neurônios estão em contato com diferentes sinais extracelulares que promovem alteração no potencial de membrana. Ou seja, retiram os neurônios do potencial de repouso. Essa variação é gerada pelo movimento de íons através da membrana. Um exemplo da variação do potencial de membrana é a geração do potencial receptor. Esse potencial é gerado a partir de estímulos que são convertidos em sensações como tato e audição, por exemplo. Na figura acima, temos: A) Nesse exemplo, podemos observar no neurônio sensorial, envolvido na captação dos estímulos sensoriais de tato. A ponta do dedo está sofrendo uma pressão mecânica que ativa os neurônios sensoriais que inervam a pele. Eles são ricos em canais de cátions sensíveis a estiramento, então o estímulo mecânico gera uma pressão no dedo que abre os canais de cátions sensíveis a estiramento. Com isso, ocorre o influxo de cálcio e sódio, levando a alteração do potencial de membrana e geração do potencial receptor. Logo, o potencial do receptor está relacionado ao estímulo físico que leva a uma modificação no neurônio, pela alteração do potencial de membrana do neurônio. O potencial aumenta para valores menos negativos. Quando o estímulo cessa, a célula volta ao repouso. B) Outro tipo de variação do potencial de membrana é o disparo do potencial pós- sináptico que ocorre durante a transmissão sináptica. Um neurônio pré-sináptico libera neurotransmissores que interagem com receptores no neurônio pós-sináptico. Isso leva a abertura de canais iônicos e passagem de íons através da membrana, alterando o potencial de membrana e gerando o potencial pós-sináptico. No final, os neurotransmissores são retirados gradativamente. C) Último exemplo de potencial de membrana é o disparo do potencial de ação. Ele é uma grande e rápida variação no potencial de membrana e é necessário para que o neurônio libere neurotransmissores. Obs.: Quanto maior a quantidade de neurotransmissores, maior a mudança no potencial de ação Logo, para que ocorra a variação no potencial de membrana, é necessário a passagem de íons através da membrana. Isso ocorre através da ação de transportadores e canais iônicos. Existem diferentes tipos de canais iônicos, como os canais iônicos dependentes de ligante. O ligante se liga no canal, promovendo sua abertura e passagem de íons através da membrana. Esse ligante pode ser externo, como no caso dos receptores ionotrópicos, ou internos. Alguns canais podem ser ativados por cálcio enquanto outros por segundos mensageiros como GMPc e AMPc. Então, cálcio, GMPc e AMPc são exemplos de ligantes internos para canais iônicos dependentes de ligante. Canais iônicos dependentes de voltagem são sensíveis a variação do potencial de membrana. Quando isso ocorre, ocorre a abertura do canal e passagem de íons através da membrana. Existem diferentes tipos de canais iônicos dependentes de voltagem como o de sódio, cálcio, potássio e cloreto. Canais iônicos dependentes de fosforilação precisam ser fosforilados para que ocorra a sua abertura. Canais iônicos dependentes de estiramento dependem do estiramento da membrana para que ocorra a passagem de íons, ele está muito presente nos neurônios sensoriais envolvidos na captação dos estímulos de tato. E, por último, canais vazantes ou de repouso estão sempre abertos permitindo a passagem de íons através da membrana. A permeabilidade é determinada pela presença de canais na membrana. Se a membrana possui canais para um determinado íon, ela é permeável a esses íons. O fluxo iônico é o número de íons que consegue atravessar em determinado tempo. O gradiente de concentração é a diferença de concentração de íons entre dois ambientes. Quanto maior for o gradiente de concentração, maior é fluxo iônico. Por isso, são diretamente proporcionais. A mobilidade iônica é a capacidade dos íons se movimentarem através de um meio. Quanto menor for os íons, menor é a mobilidade iônica. Por exemplo, íons sódio são pequenos e possuem mobilidade iônica baixa. Já os íons de potássio e cloreto são maiores que o íon sódio e, por isso, possuem mobilidade iônica maior. Isso é promovido pela camada de hidratação ou saturação, pois os íons – por serem moléculas carregadas- apresentam essa camada em solução aquosa. Quanto menor o íon, maior a sua camada de hidratação e menor é a sua mobilidade iônica. Por outro lado, quanto maior o íon, menor é a sua camada de hidratação, e maior é a sua mobilidade iônica. Canais iônicos podem ser seletivos a um único íon ou a diferentes íons. A seletividade é determinada pelo tamanho do poro do canal. Os íons maiores que o poro do canal não são capazes de atravessar o poro iônico. A seletividade também é determinada pelo filtro de seletividade, que é uma determinada sequência de aminoácido no interior do poro do canal, que interage diretamente com os íons. Apenas íons que são capazes de interagir com o filtro de seletividade são capazes de atravessar o canal. Ao entrar no canal, o íon permanece com a sua camada de hidratação, no entanto, ao se aproximar do filtro seletividade, o íon perde a sua camada de hidratação e interage com o filtro de seletividade. Após isso, ele volta a apresentar a camada de hidratação e termina de atravessar o canal. Se o íon não é capaz de interagir com o filtro de seletividade, ele nem chega a perder a sua camada de hidratação, sendo repelido pelo canal. Para que ocorra o fluxo iônico através dos canais iônicos é necessário que haja gradiente de concentração. Na maioria das células, tanto de vertebrados quanto de invertebrados, os íons sódio, cloreto e cálcio são mais concentrados no meio extracelular e o potássio é mais concentrado no meio intracelular. Esse gradiente de concentração é criado e mantido pela ação de transportadores através do transporte ativo tanto primário quanto secundário. As diferenças na distribuição iônica geram um movimento de íons através da membrana. Por exemplo, podemos utilizar um recipiente aquoso separado por uma membrana onde ocorre uma diferença de concentração de potássio e sódio entre os dois compartimentos. Se adicionarmos na membrana canais, que são permeáveis apenas a potássio, podemos observar um movimento do íon do compartimento onde ele é mais concentrado para o compartimento onde ele é menos concentrado. Agora, se adicionarmos canais que são permeáveis apenas ao sódio, veremos o movimento desses íons do compartimento onde está mais concentrado para o compartimento onde está menos concentrado. Logo, os íons só atravessam a célula por meio de canais iônicos. Os íons só são permeáveis se houver um canal para eles na membrana. A membrana impermeável é aquela que não possui canal e o potencial elétrico é 0, pois não possui fluxo de íons. Membrana permeável é aquela que possui canal iônico e o potencial elétrico da membrana é variável se houver a diferença de íons no meio intra e extracelular. Se não existe diferença de concentração entre os dois compartimentos, o fluxo resultante é 0. Existem o movimento iônico, mas o fluxo resultante é 0. Obs.: Isso não ocorre na célula, pois sempre existe diferença de concentração de íons. No entanto, se existe uma diferença de concentração, existe fluxo iônico. No exemplo acima, o potássio está mais concentrado no compartimento I e se desloca em direção ao compartimento II. Como o potássio é uma molécula carregada positivamente, o seu movimento gera uma separação de cargas através da membrana.Então, a saída de potássio do compartimento I promove um acúmulo de cargas negativas na face da membrana em contato com o compartimento I e cria um acúmulo de cargas positivas na face da membrana em contato com o compartimento II. Logo, o movimento de potássio gera uma separação de cargas através da membrana que é chamada de diferença de potencial elétrico. E essa diferença de potencial elétrico cria um outro gradiente que é chamado de gradiente elétrico. Dessa forma, o potássio que foi em direção ao compartimento II, a favor do seu gradiente de concentração, volta para o compartimento I a favor do seu gradiente elétrico. Em determinado momento, essas forças entram em equilíbrio, onde o gradiente de concentração se iguala ao gradiente elétrico. Nesse momento, o fluxo resultante é 0. O potencial de membrana onde isso ocorre é chamado de potencial de equilíbrio do íon. Os valores dos potenciais de equilíbrio dos íons foram determinados experimentalmente utilizando a lula como modelo de estudo. A lula, por ser um animal invertebrado, possui neurônios com axônios de grande diâmetro, o que facilita a inserção de eletrodos e os registros eletrofisiológicos. Por isso, esses neurônios são chamados de neurônios gigantes de lula. O potencial de equilíbrio de um íon também pode ser calculado matematicamente através da equação de Nerst. Só é possível calcular se os valores das concentrações dos íons no meio extra e intracelular forem conhecidos, visto que todos os outros valores são constantes. Como já citado, todas as membranas possuem uma separação de cargas, o que gera uma diferença de potencial elétrico, a qual é chamada de potencial de membrana. Quando a célula está no repouso, o potencial de membrana é chamado de potencial de repouso. Nos neurônios, possui o valor de -65mV. As células da glia, no repouso, possuem apenas fluxo iônico através dos canais vazantes de potássio. O potássio é mais concentrado no meio intracelular, então ele sai da glia a favor do seu gradiente de concentração. Entretanto, isso cria uma separação de cargas na membrana, onde a monocamada interna tem um acúmulo de cargas negativas e a monocamada externa tem acúmulo de cargas positivas. Logo, o potássio entra na glia a favor do seu gradiente elétrico. O equilíbrio é atingido quando o gradiente de concentração se iguala ao gradiente elétrico, ou seja, o efluxo de potássio se iguala ao influxo de potássio. Esse equilíbrio é atingido no valor de -75mV que é o valor de potencial de repouso da glia. Esse valor também é exatamente igual ao valor de potencial de equilíbrio do potássio, pois no repouso, a célula da glia tem apenas os canais vazantes de potássio abertos. Os neurônios no repouso têm basicamente canais vazantes de sódio e de potássio abertos. O fluxo de potássio nos neurônios ocorre de maneira similar ao descrito na glia, sendo também afetado pelo gradiente de concentração e gradiente elétrico. No caso do sódio, ele entra no neurônio pelo seu gradiente de concentração e pelo seu gradiente elétrico. Essa entrada de cargas positivas, pelo influxo de sódio, torna a monocamada interna menos negativa, reduzindo a força do gradiente elétrico, tanto do sódio quanto do potássio. O equilíbrio será atingido quando o efluxo do potássio for igual ao influxo de sódio, e esse equilíbrio é atingido no valor de -65mV, que é potencial de repouso do neurônio. Esse valor está próximo do valor de potencial de equilíbrio do potássio, mas distante do valor de potencial do equilíbrio do sódio. Isso ocorre, pois no repouso, o neurônio é mais permeável ao potássio do que ao sódio. Bioeletrogênese: Potencial de Ação e Propagação No exemplo acima, dois eletrodos foram aplicados no neurônio, um eletrodo de estímulo, para simular diferentes tipos de estímulos, e um eletrodo de registro, para registrar o valor do potencial de membrana após esses diferentes estímulos. Os dois primeiros estímulos, com intensidades diferentes, promoveram a entrada de corrente no neurônio. Ele respondeu diminuindo o valor do seu potencial de membrana, ou seja, o neurônio sofreu hiperpolarização. Como o segundo estímulo foi mais intenso do que o primeiro, a amplitude da resposta foi maior, promovendo maior hiperpolarização. Os outros estímulos, também de diferentes intensidades, promoveram saída de corrente do neurônio. O primeiro deles promoveu o aumento do potencial de membrana, ou seja, o neurônio sofreu despolarização. No entanto, essa despolarização foi de pequena amplitude, não sendo suficiente para atingir o limiar de excitabilidade que é o valor do potencial de membrana necessário para ser atingido, para que o neurônio dispare um potencial de ação. Na maioria dos neurônios, esse valor é em torno de -55mV. A partir dos estímulos seguintes, eles foram intensos o suficiente para gerar respostas despolarizantes com amplitude suficiente para atingir o limiar de excitabilidade e disparar um potencial de ação. O potencial de ação sempre gera a mesma variação do potencial de membrana. Então, nos estímulos mais intensos, não existe o aumento do valor de potencial de membrana, mas existe um aumento na frequência de disparo de potenciais de ação. Os potenciais de ação são importantes para o neurônio liberar neurotransmissores, promovendo transmissão sináptica. Essas moléculas sinalizadoras só são liberadas quando o neurônio dispara um potencial de ação. Estímulos hiperpolarizantes nunca levam ao disparo do potencial de ação, pois sempre afastam o potencial de membrana do limiar de excitabilidade. Estímulos despolarizantes podem levar ao disparo do potencial de ação, desde que o estímulo seja suficiente para atingir o limiar de excitabilidade. O potencial de ação é chamado de resposta tudo ou nada, pois não tem como interromper o potencial depois que ele é ativado e ou ele atinge o limiar e dispara ou não atinge e não dispara. Respostas hiperpolarizantes e despolarizantes abaixo do limiar de excitabilidade são respostas eletrotônicas ou locais, pois ao se propagarem, há a perda da amplitude da resposta. Dessa forma, não conseguem se propagar por grandes distâncias. Por exemplo, os íons sódio entram na célula, uma parte sofre efluxo pela bomba de sódio e potássio ATPase e outra parte é difundida. Ele não atinge o limiar de excitabilidade, logo, a resposta é local e se perde. O potencial de ação é uma resposta propagável, pois ao se propagar, não ocorre a perda da amplitude da resposta. Isso ocorre, pois, o potencial de ação é regenerativo, ou seja, um potencial de ação estimula o disparo de outro potencial de ação, na região adjacente da membrana. As bases iônicas dos potenciais de ação foram descritas pelos pesquisadores Alan Lloyd Hodgkin e Andrew Fielding Huxley e, por isso, eles ganharam o prêmio Nobel de medicina em 1963. Esses dois pesquisadores utilizaram os axônios gigantes de lula e uma técnica chamada de fixação de voltagem. O potencial de membrana desses axônios gigantes de lula foi fixado em 0mV, bem acima do limiar de excitabilidade, garantindo com que os neurônios estejam disparando o potencial de ação. Ao registrar a corrente desses neurônios, eles observaram uma corrente inicial de entrada e uma corrente tardia de saída. Eles desconfiavam que a corrente inicial de entrada seria causada pelo influxo de íons sódio, então, eles utilizaram uma salina sem sódio para banhar os neurônios, retirando, então, o sódio do meio extracelular. Com isso, eles viram que, nesse caso, a corrente inicial de entrada era perdida, no entanto, a corrente tardia de saída era mantida. Quando o sódio era reposto na salina, a corrente inicial de entrada voltava a ser observada,mostrando, assim, que essa corrente inicial de entrada, era causada pelo influxo de íons sódio. Para avaliar se os canais envolvidos seriam canais de sódio voltagem dependentes, os pesquisadores aplicaram, tetrodo toxina ou TTX nesses neurônios. O TTX é uma toxina que bloqueia a abertura de canais de sódio voltagem dependente. Quando o TTX foi aplicado, a corrente inicial de entrada foi perdida e a corrente tardia de saída foi mantida. Com isso, conclui-se que a corrente inicial de entrada era causada pela abertura de canais de sódio voltagem dependente. Para avaliar se a corrente tardia de saída era promovida pela abertura de canais de potássio voltagem dependentes, os pesquisadores aplicaram tetraetilamônio. O tetraetilamônio bloqueia a abertura de canais de potássio voltagem dependentes. Quando o tetraetilamônio foi aplicado nos axônios de lula, apenas a corrente tardia de saída era perdida. Com isso, conclui-se que a corrente tardia de saída era promovida pela abertura de canais de potássio voltagem dependentes. Logo, o influxo de íon sódio promovido pela abertura desses canais promoveria a fase do potencial de ação onde ocorre o aumento do potencial de membrana. E o efluxo de potássio promovido pela abertura dos canais de potássio voltagem dependentes seria responsável pela fase do potencial de ação, onde ocorre a redução do valor do potencial de membrana. Para o disparo do potencial de ação, a célula precisa ser despolarizada acima do limiar de excitabilidade. Isso leva a abertura de canais de sódio voltagem dependentes e influxo de íons sódio, deslocando, assim, o potencial da membrana até +40mV. Nesse momento, ocorre a inativação dos canais de sódio VD e abertura dos canais de potássio VD, resultando no efluxo de íons potássio e deslocando o potencial de membrana até -75mV, que é o valor do potencial de equilíbrio do íon potássio. Nesse momento, ocorre o fechamento dos canais de potássio VD e volta gradativa do potencial de membrana ao potencial de repouso de -65mV. Logo, podemos dividir o potencial de ação em fases. A fase ascendente que vai de -65mV até 0mV. O pico de ultrapassagem que vai de 0mV, passando por +40mV e voltando para 0mV. Essa é a fase do potencial de ação, na qual ocorre a inversão de cargas na membrana. A monocamada interna fica com carga positiva e monocamada externa fica com carga negativa. A fase descendente vai de 0mV até -65mV A fase de pós-hiperpolarização vai de -65mV, passando por -75mV e voltando para o potencial de repouso. Essa é a fase do potencial de ação, onde a monocamada interna fica mais negativa do que no potencial de repouso. O local onde o primeiro potencial de ação é disparado é chamado de zona de disparo. Na maioria dos neurônios, a zona de disparo está localizada na região inicial do axônio do neurônio. Isso ocorre, pois, nessa região, o limiar de excitabilidade é de -55mV, sendo menor que o limiar de excitabilidade na região dos dendritos, que é de -35mV. Nos dendritos, existem poucos canais de sódio VD, os quais, por outro lado, são abundantes na região dos axônios dos neurônios, por isso, o limiar de excitabilidade é menor na região axional. O neurônio recebe um estimulo na região dos dendritos. Se a resposta a esses estímulos for despolarizante, dificilmente essa resposta possuíra a amplitude suficiente para atingir o limiar de excitabilidade dessa região, não disparando, então, um potencial de ação. No entanto, essa resposta se propaga em direção ao axônio do neurônio, com perda da amplitude da resposta. Chegando nessa região, se a resposta despolarizante tiver amplitude suficiente para atingir o limiar de excitabilidade, um potencial de ação é disparado. Neurônios não mielinizados e neurônios mielinizados propagam potencial de ação por mecanismos diferentes. Nos neurônios não mielinizados, quando ocorre o estímulo para o disparo de um potencial de ação, ocorre a abertura de canais de sódio VD e grande influxo de íons sódio nessa região. Parte do íon sódio que sofreu influxo, migra para a região vizinha, despolarizando a região vizinha, acima do limiar de excitabilidade, levando ao disparo de outro potencial de ação nessa região vizinha. Então, a abertura de canais de sódio VD nessa região vizinha e a parte do sódio que recebeu influxo dessa região migra para a próxima região vizinha e, então, o processo recomeça. Logo, a propagação do potencial de ação em axônios não mielinizados é chamada de propagação ponto-a-ponto. A mielina é formada pelo enovelamento de oligodendrócitos ou células de Schwann em axônios dos neurônios do SNC e SNP, respectivamente. A mielina não é uma estrutura contínua e as regiões não mielinizadas são chamadas de nodos de Hanvier. Os canais iônicos estão presentes apenas nos nodos de Hanvier. Logo, na região da mielina não existem canais e, portanto, não existe separação de cargas através da membrana. O potencial de ação é disparado de um nodo de Hanvier levando a abertura de canais de sódio VD e influxo de sódio nessa região. Parte dos íons sódio que entram nessa região migram para a região vizinha que é mielinizada, como não ocorre a separação de cargas nessa região, eles migram para a região vizinha, que é outro nodo de Hanvier. Nessa região, então, ocorre o aumento do potencial de membrana acima do limiar de excitabilidade, levando, então, a abertura de canais de sódio VD e influxo de íons sódio, disparando, então, outro potencial de ação nessa região. Com isso, a propagação do potencial de ação em neurônios mielinizados é chamada de propagação saltatória. Comparando a velocidade de propagação entre neurônios mielinizados e não mielinizados, podemos observar que a propagação nos mielinizados é mais rápida que nos não mielinizados. Então, a mielinização é um mecanismo utilizado para aumentar a velocidade de propagação do potencial de ação nos neurônios. Outro mecanismo de aumento de propagação dos potenciais de ação, é através de axônios de grande diâmetro ou grande calibre. A resistência longitudinal para a propagação de potenciais de ação que é promovida pelo conteúdo do citoplasma da região axional, é menor em neurônios de grande diâmetro do que nos de pequeno diâmetro. Portanto, a velocidade e propagação do potencial de ação em neurônios de grande diâmetro é maior que nos de pequeno diâmetro. A propagação do potencial de ação é sempre unidirecional, ou seja, sempre da zona de disparo, que é no inicio do axônio, até o terminal pré- sináptico, onde há a liberação de neurotransmissores. A região onde o potencial de ação foi disparado entra imediatamente em um período de menor excitabilidade da membrana, que é chamado de período refratário. O período refratário é dividido em período refratário absoluto e relativo. No absoluto, não ocorre o disparo de um segundo potencial de ação, mesmo que o segundo estímulo seja maior que o primeiro. Ele se inicia com o inicio do potencial de ação, durando quase todo o tempo do potencial de ação. Nessa fase de período refratário absoluto, todos os canais de sódio VD estão na conformação inativa. No período refratário relativo, pode ocorrer o disparo de um segundo potencial de ação, desde que o segundo estímulo seja mais intenso que o primeiro. Esse período refratário relativo se inicia no final do potencial de ação. Nessa fase, alguns canais de sódio VD estão na conformação fechada, logo, o período refratário é causado pelos canais de sódio VD. A maioria dos canais possuem duas conformações, uma conformação fechada e uma conformação aberta. Existe também a conformação inativada. Os canais de sódio VD possuem a conformação fechada, quando o poro do canal está fechado e a comportade inativação está aberta. Nessa conformação, não existe influxo de íon sódio. Na outra conformação desses canais, que é a aberta, o poro do canal está aberto e a comporta de inativação está aberta, permitindo, então, a passagem de sódio. A última conformação desses canais é conformação inativada, onde o poro do canal está aberto, mas a comporta de inativação está fechada, não havendo, então, a passagem de íons sódio através desse canal. Quando existe o estímulo para o potencial de ação, os canais de sódio VD que estão na conformação fechada se abrem, permitindo, então, o influxo de sódio. Em seguida, começam a passar para conformação inativada. Quando o potencial de ação chega a +40mV, todos os canais de sódio VD estão na conformação inativada e não são capazes de se abrirem novamente, mesmo com estímulos mais intensos. Apenas canais de sódio VD que estão na conformação fechada podem passar para a aberta. Se ele está na conformação inativada, ele precisa ir para a fechada, para então poder se abrir.