Atividade Enigmas da Bioeletrogênese

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
INSTITUTO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE
DEPARTAMENTO DE BIOFÍSICA E BIOQUÍMICA
DOCENTES: MÁRCIA BARBOSA DA SILVA; SIMONE GARCIA MACAMBIRA;
CLARISSA DE SAMPAIO SCHITINE
DISCENTES:
ALINE CARVALHO SILVA (P02) - MATRÍCULA: 217221089
ANNE CAROLIN HONÓRIO DE OLIVEIRA (P3) - MATRÍCULA: 218117372
THIAGO FONSECA GEANIZELLE FIGUEIREDO (P3) - MATRÍCULA 218117434
CURSO:
BACHARELADO INTERDISCIPLINAR EM SAÚDE (TODOS)
Atividade – Enigmas da Bioeletrogênese
1) As propriedades de permeabilidade iônica da membrana dependem das interações
dos íons com a água, com a bicamada lipídica da membrana e com canais iônicos.
Explique esta afirmativa e exemplifique.
Células são sempre envolvidas por membranas que fazem a separação entre o meio
intracelular e extracelular. Sua estrutura se trata de uma bicamada lipídica, constituída
principalmente por fosfolipídios, sendo que essa bicamada atua como uma barreira
moderadamente impermeável à maioria das moléculas hidrossolúveis. Ainda, existem
proteínas que estão inseridas na bicamada fosfolipídica. A propriedade de barreira contra as
moléculas hidrossolúveis é devido a função estrutural química dos lipídios: se trata de uma
molécula com uma extremidade apolar e uma polar, onde existirão grupamentos carregados
que irão conferir a peculiaridade que faz com que esses lipídios da membrana sejam
anfipáticos. Por causa dessa estrutura, quando colocados em contato com a água, os lipídios
acabam formando estruturas em bicamadas que fazem com que as caudas hidrofóbicas se
voltem para o interior, enquanto a porção hidrofílica se expõe à água, fazendo com que as
cadeias de hidrocarboneto interajam menos com a água (ALBERTS et al., 2017).
Com relação às proteínas inseridas na bicamada fosfolipídica, é válido ressaltar que
seu modo de associação pode ocorrer de diversas formas, classificando-as em periféricas ou
integrais (transmembrana). São essas proteínas transmembranas que são controladoras da
permeabilidade seletiva à diversos íons, como K+, Cl-, Ca++, Na+, entre outros íons. Essa
estruturação permite que a célula concentre íons diferentes entre os meios intracelular e
extracelular, graças ao transporte ativo através da membrana e à permeabilidade seletiva,
aspectos essenciais no que diz respeito ao início do movimento de íons e transmissão de
sinais elétricos (ALBERTS et al., 2017).
As proteínas integrais de membrana são estruturas especializadas que formam os
canais iônicos e permitem a passagem de íons. Esses canais apresentam propriedades
comuns, que são: condutância; reconhecimento e seleção específica para íons e abertura e
fechamento dos canais em decorrência da resposta a estímulos elétricos, químicos ou
mecânicos (os canais gated). Entretanto, existem canais que não dependem de estímulo
(nongated), importantes para gênese e manutenção do potencial de repouso da célula
(ALBERTS et al., 2017).
Em suma, as moléculas polares e com carga têm mais dificuldade em atravessar a
membrana, interagindo com facilidade com sua face externa onde as cabeças carregadas
negativas estão, possuindo dificuldade em atravessar o interior hidrofóbico. As moléculas de
água, por exemplo, não atravessam rapidamente - mas em taxas lentas, por causa de seu
tamanho e ausência de carga. Ademais, por vezes, mesmo quando íons possuem tamanhos
adequados para serem transportados através da membrana, eles ainda sofrem influência por
sua carga, como é o caso do sódio, potássio, cloreto e cálcio que não são capazes de
atravessar a membrana por difusão simples, sendo transportado por meio de seus canais com
afinidade específica. No caso de moléculas polares carregadas e de tamanhos maiores, como
os aminoácidos, também há necessidade de utilização de proteínas para sua passagem
eficiente através da membrana (ALBERTS et al., 2017).
2) Para que um estímulo cause a transição de um estado conformacional para outro,
deve-se fornecer energia. Especificamente, no caso dos canais dependentes de voltagem,
a energia é suprida pela movimentação de uma região carregada da proteína do canal, o
sensor de voltagem, através do campo elétrico da membrana. Explique esta afirmativa e
exemplifique.
A membrana plasmática de todas as células apresentam excitabilidade, que será
responsável pela geração de potenciais de ação, podendo modificar a permeabilidade iônica
da célula, à medida em que um estímulo altera o potencial elétrico. Isso acaba ocasionando
uma despolarização da membrana plasmática que gera uma alteração no potencial para um
valor menos negativo em seu interior. Em células nervosas e musculoesqueléticas, um
estímulo que cause despolarização ocasionará a abertura de canais de Na+ a favor do seu
gradiente químico, tornando o potencial de ação dependente dos canais de sódio, portanto
sendo caracterizados como controlados ou dependentes de voltagem (ALBERTS et al., 2017).
Como mencionado anteriormente, o canal de sódio é ativado pela despolarização da
membrana, permitindo a entrada de sódio e com isso ocorre a propagação do impulso
nervoso. Esse canal é considerado uma glicoproteína, presente em axônios, células
musculares dentre outras, sendo importante para determinar a especialização funcional de
muitos tipos de células, como neurônios sensoriais e células cardíacas, principalmente em
processos fisiológicos, como dor, inflamação e contratilidade. Foi também o primeiro canal
desse tipo a ser clonado e seu estudo favoreceu ainda mais o desenvolvimento da técnica de
patch-clamp, que permite a medida do potencial elétrico de canais isolados. É uma proteína
seletiva aos canais de sódio, sendo compostas por uma subunidade alfa associada a 4
subunidades beta, com presença de quatro domínios transmembranares homólogos (canais de
sódio e cálcio) ou quatro subunidades homólogas (canais de potássio) (ARAÚJO et al, 2008).
Ainda segundo Araújo et al (2009), os canais de sódio devem ter surgido a partir da mutação
de canais de cálcio que, por sua vez, evoluíram por duplicação da informação gênica dos
canais de potássio. Desse modo, os canais de potássio e cálcio possuem similaridade com os
de sódio.
Com relação especificamente ao canais de potássio dependentes de voltagem, são
canais iônicos que apresentam semelhanças, principalmente na região que compreende o poro
condutor, diferenciando apenas na sequências de aminoácidos que lhes conferem velocidades
diferentes, presentes em quantidades suficientes nas células excitáveis, podem facilitar a
repolarização, desempenhando papéis fundamentais na regulação da excitabilidade celular,
em que determina o tempo e a forma de potenciais de ação, com impactos sobre as atividades
dos neurônios, e regulando a liberação de neurotransmissores (BASSETTO, 2016). Diante
disso, pode-se constatar que esses canais- proteína, estão envolvidos nas características
biofísicas de células excitáveis, em que podem determinar propriedades como velocidade de
condução, o potencial de ação e o influxo de íons.
3) Os canais dependentes de transmissores (ativados por ligantes) e os dependentes de
voltagem assumem estados refratários através de mecanismos diferentes. Os canais
dependentes de transmissores através do mecanismo de dessensibilização e os canais
dependentes de voltagem através do mecanismo de inativação. Explique esta afirmativa
e exemplifique.
A propagação de um estímulo pela abertura de múltiplos e sucessivos canais iônicos
através da membrana é muito eficiente, então, o período refratário faz com que o estímulo
não volte e não reative antes do tempo, sem necessidade, em trechos da membrana que já
foram percorridos (ATTIAS; SILVA, 2010)
Os canais ativados por ligantes possuem receptores que são responsáveis pela
mediação direta e rápida da sinalização sináptica entre células excitáveis eletricamente. Esses
canais são assim chamados devido a sua abertura e fechamento, que são controlados pela
ligação de um neurotransmissor. Esse é um mecanismo que pode ser comparado ao que
ocorre com os canaisresponsáveis pelo potencial de ação, que abrem e fecham em resposta a
alterações ocorridas no potencial da membrana. Os canais controlados por ligantes, ainda,
permanecem abertos independentemente do potencial de membrana, permitindo fluxos de
corrente exceto quando em voltagens específicas, o potencial de inversão (KOEPPEN;
STANTON, 2009). Normalmente os canais iônicos permanecem abertos por milissegundos.
Entretanto, nos canais de ligantes, a ligação se desfaz rapidamente e esse canal passa ao seu
estado refratário, onde não se abre mesmo com a presença de um estímulo específico
(ATTIAS; SILVA, 2010). Exemplos de canais ativados por ligantes são os receptores AMPA
e cainato: quando o glutamato se liga ao receptor, há abertura do canal e permissão do fluxo
de corrente que gera um potencial pós-sináptico excitatório (KOEPPEN; STANTON, 2009).
Os canais dependentes de voltagem utilizam do mecanismo chamado de inativação
para permitir o período refratário e consequentemente um retorno ao potencial de repouso da
célula. Dessa forma, esse período ocorre como uma resposta a despolarização da membrana
ocasionada pela abertura desses canais, inativando eles até que a repolarização da membrana
atinja um potencial próximo ao de repouso (KOEPPEN; STANTON, 2009). Assim,
inativados os canais não poderão desencadear um novo potencial de ação independente do
estímulo que for dado. Um exemplo desse mecanismo são os canais de Na+ dependentes de
voltagem que após sua ativação pelos estímulos que desencadeiam a despolarização,
consequentemente o potencial de ação, eles são inativados permitindo a repolarização da
célula, com o auxílio dos canais de K+ dependentes de voltagem que são abertos, e só podem
ser ativados novamente quando a célula está próxima ou no potencial de repouso (ALBERTS
et al., 2017). Com isso, o período necessário para que os canais de sódio se recuperem dessa
inativação até poderem participar de um novo potencial de ação é denominado de período
refratário.
4) As resistências da membrana e do axoplasma afetam a eficiência da condução do
sinal. Explique esta afirmativa e exemplifique.
Segundo Costa (2009), a condução do sinal na membrana plasmática, é afetada de
acordo com a quantidade de canais iônicos abertos na membrana, ou seja, de acordo com o
diâmetro da membrana, uma vez que essa resistência, que seria o inverso da condutância, será
diretamente proporcional à densidade de canais e a área da membrana. Com relação ao
sistema nervoso, a parte central do citoplasma de um dendrito oferece uma resistência
significativa ao fluxo longitudinal da corrente, já que sua secção transversal é relativamente
pequena e os íons que fluem ao longo do dendrito se colidem com outras moléculas. Quanto
maior for essa parte central citoplasmática, maior será a resistência, além do diâmetro do
axônio influenciar diretamente na velocidade dos impulsos nervosos.
Para que essa resistência possa ser amenizada, a propagação rápida do potencial de
ação será decisiva através de dois mecanismos diferentes, contribuindo para o aumento da
velocidade do sinal: aumento do diâmetro do axônio e mielinização do axônio. Nesse
contexto, axônios de maior calibre têm o menor limiar para a corrente extracelular, ou seja,
maior o diâmetro do axônio, menor será a resistência longitudinal para o fluxo longitudinal
da corrente e maior será a velocidade de propagação, em consequência do maior número de
transportadores de cargas (íons) por unidade de comprimento do axônio (KANDEL;
SCHWARTZ; JESSEL, 2003). Entretanto, a questão do espaço para a capacidade do sistema
nervoso é bastante limitada, um pequeno aumento do diâmetro dos axônios seria algo
ineficiente para produzir altas velocidades de condução de impulsos em vertebrados de
grande porte. (COSTA, 2009). Desse modo, para a resolução dessa questão, a evolução da
bainha de mielina formada pela justaposição de numerosas camadas de membrana das células
de Schwann ou oligodendrócitos, também irá influenciar na velocidade, de modo que sua
estrutura funciona como um isolante, e como consequência o impulso não se propaga nessa
área e sim “saltando”, propagando-se somente nos nódulos de Ranvier (MENDES; MELO,
2011).
Ainda de acordo com COSTA (2009), essa condução é denominada de condução
saltatória e como consequência aumenta a resistência e diminui a capacitância através da
membrana axonal, como a maior parte da corrente elétrica flui ao longo de vias de menor
resistência elétrica, o aumento da resistência transversal da membrana direciona maior
quantidade de corrente ao longo do axoplasma.
5) Dois mecanismos distintos estão associados ao aumento da velocidade de propagação
do potencial de ação. O primeiro é o aumento do diâmetro do axônio e o segundo é a
mielinização do axônio. Explique estes dois mecanismos. Qual a consequência de
doenças desmielinizantes como síndrome de Guillain-Barré e esclerose múltipla sobre a
velocidade de condução do potencial de ação? Explique
A velocidade de propagação do impulso nervoso é dependente da estrutura da célula.
O primeiro mecanismo refere-se ao diâmetro do axônio que é inversamente proporcional à
resistência imposta ao fluxo de íons dentro dele. A velocidade de condução é proporcional à
raiz quadrada do diâmetro dos axônios, havendo uma redução na resistência de condução e
aumentando assim a velocidade com que o potencial de ação será conduzido na célula
(KOEPPEN; STANTON, 2009).
A segunda estrutura é considerada uma evolução humana para alcançar maior
velocidade nas ações provocadas pelo potencial de ação. Os axônios mielinizados são aqueles
que possuem uma estrutura conhecida como bainha de mielina, estas apresentam interrupções
que são denominadas como Nódulos de Ranvier. Assim, há uma redução da capacitância da
membrana, restringindo a geração de potencial de ação a esses nódulos, que são ricos em
canais de sódio (KOEPPEN; STANTON, 2009; ALBERTS et al., 2017). Esse impulso é
conduzido através de “conduções saltatórias" que fazem com que o caminho realizado de um
nódulo a outro, assim tendo um dispêndio de energia metabólica menor. Dessa forma, a
propagação do potencial de ação pode ser de até 50 vezes mais veloz do que em células não
mielinizadas (IBRAHIM, 2008).
Nas doenças desmielinizantes ocorre uma deterioração da bainha de mielina. Um
exemplo delas é a esclerose múltipla, onde o sistema imunológico destrói as bainhas em
alguns pontos do sistema nervoso central. Outro exemplo é a Síndrome de Guillain Barré, é
uma doença autoimune e desencadeia uma desmielinização dos nervos motores e sensitivos
através de uma inflamação aguda deles. Essas perdas resultam em uma redução da constante
de comprimento (gerada pela mielinização) e consequentemente uma redução da amplitude
do potencial de ação durante a propagação entre um nódulo de ranvier para outro (ALBERTS
et al., 2017). Daí, esse potencial pode chegar no próximo módulo sem força suficiente para
desencadear o potencial de ação e consequentemente torna o axônio incapaz de propagar os
potenciais de ação (KOEPPEN; STANTON, 2009), fazendo com que a propagação seja
considerada retardada, falha ou ausente, podendo gerar complicações neurológicas graves.
REFERÊNCIAS:
ALBERTS, B., et al. Biologia Molecular da Célula. 6ª ed. Porto Alegre: Artmed. 1464p.
ARAÚJO, R.D., et al. Anestésicos locais: interação com membranas biológicas e com o canal
de sódio voltagem-dependente. Química Nova, vol.31, no.7. São Paulo, 2008.
ATTIAS, M., & SILVA, N. (2010). Biologia Celular I. 4ª Edição ed. Rio de Janeiro:
Fundação CECIERJ.
BASSETTO, Z.A.C. Estudo da atividade bloqueadora de N-alquilsulfonamidas em canais
iônicos, com ênfase em canais para potássio.Tese (Doutorado)–Universidade Estadual
Paulista. Faculdade de Ciências e Tecnologia, Presidente Prudente, 2016.
COSTA, G.C. Mecanismos neurais de controle da força muscular. Monografia de
Especialização - Escola de Educação Física, Fisioterapia e Terapia Ocupacional,
Universidade Federalde Minas Gerais, Belo Horizonte, 2009.
KANDEL, E.R; SCHWARTZ, J. H; JESSELL, T. M. Princípios da neurociência. 4. ed.
Barueri, SP: Manole, 2003.
KOEPPEN, B. M.; STANTON, B. A. (2009). Berne y Levy. Fisiología+ StudentConsult.
Elsevier Health Sciences.
MENDES, B,P.; MELO,R,S. Origem e Desenvolvimento da Mielina no Sistema Nervoso
Central- Um Estudo de Revisão. Revista Saúde e Pesquisa, v. 4, n. 1, p. 93-99, jan./abr. 2011
- ISSN 1983-1870.