Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em BioquímicaAula 3 – Noçã o de Homeostãse. “Feedbãck” – noço es Homeostase O que é? A Homeostase, de um modo geral, refere-se à estabilidade ou equilíbrio. A manutenção de um ambiente estável interno exige constante monitoramento e ajustes à medida que as condições mudam. Este ajuste de sistemas fisiológicos no organismo é denominado regulação homeostática. A regulação homeostática envolve três partes ou mecanismos: 1) o receptor, 2), o centro de controlo e 3) o efector. 1. O receptor recebe a informação de que algo no ambiente está a mudar; 2. O centro de controlo ou centro de integração recebe e processa as informações do receptor; 3. Por fim, o efetor responde aos comandos do centro de controlo, através de um aumento ou diminuição do estímulo. Uma vez que o ambiente interno e externo do corpo estão constantemente a mudar e devem ser feitas adaptações de forma contínua para permanecer no ou perto do ponto de equilíbrio, a homeostase pode ser vista como um equilíbrio dinâmico. Feedback Para controlar a resposta do corpo a estímulos, existem dois tipos principais de feedback: o positivo e o negativo. Feedback negativo: Neste tipo de feedback quando é sentida uma alteração, a informação dessa alteração segue até ao controlador e o efector atua, contrariando essa variação. Exemplo: inibição de um enzima pelo respetivo produto. Página 1 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Feedforward: este tipo de regulação antecipa a mudança de uma dada variável (como por exemplo a temperatura corporal interna), aumenta a velocidade da resposta homeostática e impede que a variação ocorrida varie muito do ponto de equilíbrio. Normalmente, este mecanismo, acompanha o feedback negativo. Feedback positivo: neste tipo de feedback, uma alteração é sentida e a reação é reforçar essa alteração. O feedback positivo não leva à manutenção do estado de equilíbrio, alteração, mas apenas à progressiva num sentido. Exemplo: Ação potencial no nervo e no músculo. Alguns Conceitos e Definições Definição alteração detectável no ambiente interno ou externo, tal como uma mudança na temperatura, concentração de potássio no plasma ou pressão arterial Conceito Estímulo Receptor detecta a alteração no ambiente. O estimulo actua sobre o receptor de forma a produzir um sinal que é transmitido para um centro integrativo, onde é processado Via aferente Efector caminho percorrido pelo sinal entre o receptor e o centro integrativo onde o sinal é processado é o ultimo componente do sistema, onde a alteração da actividade corresponde à resposta global do sistema Via eferente caminho percorrido pelo sinal entre o centro integrativo e o efector Página 2 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Estado Estacionário é diferente de Equílibrio Estado estacionário: uma dada condição mantém-se constante ao longo do tempo, ou seja, a concentração de uma substância ao longo do tempo num dado compartimento é constante Equilíbrio: Dois compartimentos estão em equilíbrio quando duas forças estão equilibradas e não existe a transferência de uma substância particular de um compartimento para o outro. Aula 4 – Comunicãçã o. Conceitos de Trãnsduçã o e de Amplificãçã o. Introdução Cada sistema do corpo contribui para a homeostase de outros sistemas e de todo o organismo. Nenhum sistema do corpo funciona de forma isolada: o bem-estar de uma pessoa depende do bem-estar de todos os sistemas do corpo em interação. Uma interrupção dentro de um sistema geralmente tem consequências adicionais para os vários sistemas do corpo. De seguida mostram-se algumas breves explicações de como vários sistemas do corpo contribuem para a manutenção da homeostase: Sistemas: Nervoso: coordena os movimentos dos membros e do corpo; estimula os músculos a contrair e os sentidos da tensão muscular e posição dos membros. Cardiovascular: fornece sangue para os músculos; fornece nutrição e remoção de resíduos metabólicos e de calor; Respiratório: fornece oxigénio e remove o dióxido de carbono; Página 3 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Renal: mantém a composição ótima do sangue. Gastrointestinal: fornece metabolitos Endócrino: ajusta o fluxo sanguíneo e fornece diversos substratos para o trabalho muscular. Tem de haver coordenação entre os sistemas! Mecanismos de comunicação entre células a) Através de junções: as junções são canais proteicos que permitem o fluxo de iões e pequenas moléculas entre o citosol de células vizinhas; quando uma célula foi comprometida, a junção fecha-se de forma a prevenir que a célula vizinha também o fique. b) Através de sinais autócrinos: a célula liberta um sinal para o liquido intersticial que vai afetar a sua própria atividade, uma vez que o sinal se liga à superfície da própria célula; c) Através de sinais parácrinos: a célula liberta um sinal que se difunde para o liquido intersticial e actua nas células que se encontram próximas. Estes sinais ligam-se à célula alvo com elevada especificidade. Para prevenir a difusão em demasia, estes sinais são rapidamente destruídos por enzimas extracelulares. d) Através de sinais endócrinos: o sistema endócrino produz hormonas como resposta a uma variedade de estímulos. A resposta através de hormonas é mais lenta, mas o seu efeito é mais duradouro. As hormonas são transportadas pela corrente sanguínea e só se ligam a células que possuam o seu respetivo recetor. O sistema nervoso atua sob o sistema endócrino. Página 4 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Transdução do sinal Um sinal tem uma origem e um destino definido. A descodificação do sinal envolve a formação de um sinal intracelular que inicia a resposta celular (transdução de sinal). Quando os sinais iniciais são pequenos, levam a respostas celulares amplificadas Amplificação do sinal Para as hormonas nos serem eficazes processos reguladores biologicos, a amplificação tem de ser uma parte do mecanismo de ação destas. A amplificação ativação de resulta, uma geralmente, série na de da passos da enzimáticos envolvidos ação hormona. Em cada passo, há um aumento das moléculas de sinal, levando a uma cascata de amplificação. Aula 5 – Energiã/Informãçã o. Entropiã. Fronteirãs. Introdução Pode-se dividir o mundo em dois semi-mundos permeáveis, o mundo da energia (mundo termodinâmico, qualitativo, local, metabólico) e o mundo da informação. Estes dois mundos, apesar de serem permeáveis, são dois mundos diferentes. No entanto, estão relacionados entre si. Assim, é necessário gastar-se energia para gerar códigos informativos (informação). São esses códigos que, por sua vez, permitem controlar a energia gasta. Página 5 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Entropia Para fenómenos espontâneos que evoluem no tempo, teoricamente podese ter: 1. Fenómenos que não mudam (A); 2. Espontâneos (B); 3. Monotónicos decrescente (com declive negativo) (C); 4. Monotánicos crescentes (com declive positivo) (D). Na prática, os fenómenos imutáveis e espontâneos não são possíveis. Qualquer que seja a natureza da fronteira, pode haver fronteiras mais ou menos transponíveis, se se tiver um gradiente, espera-se sempre que haja uma dissipação. A dissipação ocorre devido à existência de um gradiente. Página 6 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Exemplo: O corpo humano tem muita água, a qual está distribuída pelos vários compartimentos diferentes. Na célula, não há impermeabilidades absolutas. Há assimetrias entre os vários iões da célula. Espera-se sempre que haja uma dissipação dos gradientes. No entanto, a água está em equilíbrio termodinâmico, havendo a mesma pressão osmótica dentro e fora da célula. Aula 6 – Trãnsporte Pãssivo / Trãnsporte Ativo Introdução Membrana Plasmática A mantém a membrana integridade plasmática celular e delimita a fronteira entre os meios intracelular e extracelular, constituindo uma barreira selectiva, através da qual se processam trocas de substâncias e energia entre a célula e o meio exterior. A membrana celular funciona também como um sensor, permitindo à célula modificar-se em resposta a diversos estímulos ambientais. A passagem de substâncias através da membrana pode ocorrer através de vários mecanismos e está dependente, entre outros factores, da configuração molecular dessas substâncias. Página 7 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica O transporte através da membrana celular, tanto directamente (através da bicamada lipídica) como por meio de proteínas ocorre por um de dois processos básicos: transporte passivo ou transporte ativo. Transporte Passivo Transporte passivo é o nome dado a passagem natural de pequenas moléculas através da membrana plasmática. Isso ocorre em virtude da diferença de pressão de difusão entre os líquidos que estão nos dois lados da membrana. É o que justifica a absorção e a eliminação de água pela célula. É um fenómeno que ocorre espontaneamente, sem qualquer dispêndio de energia (ATP) pela célula. Existem 3 tipos de transporte passivo: A difusão simples a difusão facilitada e a osmose. 1.Difusão Simples: significa que o movimento cinético das moléculas ou dos iões ocorre através de uma abertura na membrana ou através dos espaços intermoleculares, sem que ocorra qualquer interacção com as proteínas transportadoras da membrana. Na difusão simples, a velocidade de difusão aumente proporcionalmente à quantidade de substância difusora. A difusão simples pode ocorrer através da membrana celular por duas vias: a. Pelos “gaps” da bicamada lipídica, no caso de a substância que se difunde ser lipossolúvel, e b. Pelos canais aquosos que penetram por toda a espessura da membrana, por meio de alguma das grandes proteínas transportadoras. Página 8 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica 2.Difusão Facilitada: é também conhecida como difusão mediada por transportador, porque a substância que é transportada por este processo difundese através da membrana usando uma proteína transportadora específica para auxiliar. Na difusão facilitada, a velocidade de difusão tende para um máximo, à medida que a quantidade da substância difusora aumenta. Difusão Facilitada Velocidade de difusão para a Difusão Simples e Difusão Facilitada Página 9 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica 3.Osmose: pode ser definida como a movimentação da água por difusão, através de uma membrana semipermeável. O fluxo de água faz-se sempre do meio com menor concentração em soluto (hipotónico), para o meio com maior concentração em soluto (hipertónico). Quando a concentração do soluto é igual nos dois meios, o fluxo de água é igual nos dois sentidos, e os meios dizem-se isotónicos. O fenómeno de osmose pode ocorrer em células animais ou vegetais. Se uma célula que está normalmente em equilíbrio osmótico é transferida para uma solução mais diluída, a água irá entrar na célula, o volume da célula aumenta, e a concentração do soluto do citoplasma será reduzida (turgescência). Se a célula for transferida para uma solução mais concentrada, a água irá sair da célula, o volume da célula diminui e a concentração do soluto no citoplasma aumenta (plasmólise). Transporte Activo Às vezes é necessária uma grande concentração de uma substância no líquido intracelular, embora o líquido extracelular só contenha baixa concentração. Isso é válido, por exemplo, para os iões potássio. De modo contrário, é importante manter baixas concentrações de outros iões dentro das células, mesmo que a sua concentração no líquido extracelular seja alta. Isto é especialmente válido para os iões sódio. Página 10 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Nenhum desses dois efeitos pode ocorrer por difusão simples, porque esta, com o passar do tempo, equilibra a concentração dos dois lados da membrana. Assim, uma fonte de energia (ATP) deve causar maior deslocamento dos iões potássio para o interior da célula e o deslocamento mais intenso de iões sódio para fora das células. Como a membrana celular transporta moléculas ou iões contra um gradiente de concentração e requer ATP, este processo é denominado por transporte activo. As diversas substâncias que são transportadas activamente através da membrana de pelo menos algumas células incluem muitos iões (Na+, K+,Ca2+, H+, Cl-), vários glúcidos e a maioria dos aminoácidos. O transporte activo é dividido em dois tipos de acordo com a fonte de energia usada para causar o transporte: transporte activo primário e transporte activo secundário. 1.Transporte Activo Primário: a energia é derivada directamente da degradação do ATP ou de qualquer outro composto de fosfato com alta energia; 2.Transporte Activo Secundário: a energia é derivada secundariamente da energia armazenada na forma de diferentes concentrações iónicas de substâncias moleculares secundárias ou iónicas, entre os dois lados da membrana da célula, gerada originariamente por transporte activo primário. Em ambos os casos, o transporte depende de proteínas transportadoras, que penetram por toda a membrana. No caso do transporte activo, as proteínas transportadoras são capazes de transferir energia para a substância transportada de modo a movê-la contra o gradiente eletroquímico. Página 11 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Exemplos: a) Transporte activo primário Bomba de Sódio-Potássio – A concentração do sódio é maior no meio extracelular enquanto a de potássio é maior no meio intercelular. A manutenção dessas concentrações é realizada pelas proteínas transportadoras que capturam iões sódio (Na+) no citoplasma e bombeia-os para fora da célula. No meio extracelular, capturam os iões potássio (K+) e bombeiam-nos para o meio interno. Se não houvesse um transporte ativo eficiente, a concentração destes iões iria igualarar-se. Esta bomba é a responsável pela manutenção das diferenças de concentração entre o sódio e o potássio, bem como pelo estabelecimento da voltagem eléctrica negativa dentro das células. Quando 2 iões potássio se ligam à parte externa da proteína transportadora e 3 iões sódio se ligam à parte interna, a função de ATPase da proteína torna-se activada. É assim clivada uma molécula de ATP em ADP. A energia libertada causará alterações químicas e conformacionais na proteína transportadora que forçará a passagem de 3 iões sódio para fora e de 2 iões potássio para dentro. Bombas de cálcio – os iões de cálcio são, nas condições normais, mantidos em concentrações extremamente baixas no citosol de, praticamente, todas as células. Esta situação resulta, em grande parte, do transporte ativo primário por duas bombas de cálcio. Uma está na membrana celular, transportando cálcio para o exterior. A outra bombeia iões cálcio para dentro de um ou mais organelos celulares, como o retículo endoplasmático ou os mitocôndrios. Em cada um destes casos a proteína transportadora atravessa a membrana e actua como enzima ATPase, tendo a mesma capacidade de clivar o ATP, como o ATPase da proteína transportadora do sódio. A diferença é que esta proteína contém um local de ligação extremamente específico para o cálcio, em vez de para o sódio. Página 12 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica b) Transporte activo secundário Co-transporte – uma substância é transportada contra um gradiente eletroquímico, aproveitando a "boleia energética" de uma outra substância que é transportada a favor de seu gradiente eletroquímico, ambas sendo transportadas no mesmo sentido. Exemplo: O transporte da glucose ocorre contra o seu gradiente de concentração, graças ao transporte simultâneo do sódio a favor do seu gradiente eletroquímico. Por sua vez, o gradiente eletroquímico do sódio é mantido pela bomba Na +-K+ (a qual realiza transporte ativo primário), logo, o transporte de glucose é ativo secundário. Contratransporte – uma substância é transportada contra um gradiente eletroquímico, aproveitando a "boleia energética" de uma outra substância que é transportada a favor de seu gradiente eletroquímico, sendo as duas substâncias transportadas em sentidos opostos. Exemplo: O transporte do ião H+ ocorre contra o seu gradiente eletroquímico, graças ao transporte simultâneo do íon sódio a favor do seu gradiente eletroquímico. Por sua vez, o gradiente eletroquímico do sódio é mantido pela bomba Na +-K+ (a qual realiza transporte ativo primário), logo, o transporte de hidrogénio é ativo secundário. Página 13 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Potenciais de Membrana e Potenciais de Ação Potencial de Nernst O nível do potencial de difusão em toda a membrana que se opõe exactamente ao da difusão efectiva de um ião em particular, através da membrana, é conhecido como potencial de Nernst. A grandeza deste potencial é determinada pela proporção entre as concentrações desse determinado ião nos dois lados da membrana. Quanto maior for essa proporção, maior será a tendência de o ião se difundir numa determinada direcção e, consequentemente, maior potencial de Nernst será preciso. EMF é a força electromotriz. No geral, quando se usa esta fórmula, assume-se que o potencial do lado de fora da membrana é zero e que o potencial de Nernst é o potencial do lado interno da membrana. O sinal do potencial será positivo (+) se o ião a difundir-se de dentro para fora da membrana for um ião negativo (anião), e negativo (-) se o ião for positivo (catião). Quando a membrana é permeável a vários iões diferentes, o potencial de difusão que se desenvolve depende de 3 fatores: a polaridade das cargas eléctricas de cada ião; a permeabilidade (P) da membrana para cada ião e as concentrações dos respectivos iões no lado interno (i) e externo (e) da membrana. Assim, a seguinte fórmula, referida como equação de Goldman-HodgkinKatz, dá o potencial calculado do lado interno da membrana quando dois iões positivos univalentes, sódio (Na+) e potássio (K+) e um ião univalente negativo, cloreto (Cl-) estão envolvidos. Página 14 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Importância desta equação: Os iões sódio, potássio e cloreto são os iões mais importantes envolvidos no desenvolvimento dos potenciais de membrana nas fibras musculares e nervosas, bem como nas células neuronais do sistema nervoso. O gradiente de concentração de cada um destes iões, através da membrana, ajuda a determinar a voltagem do potencial de membrana; O grau de importância de cada um destes iões na determinação da voltagem é proporcional à permeabilidade da membrana para cada ião em particular – se a membrana tiver permeabilidade zero para os iões potássio e cloreto, o potencial de membrana passa a ser totalmente dominado pelo gradiente de concentração dos iões sódio, e o potencial resultante será igual ao potencial de Nernst para o sódio; Um gradiente positivo de concentração iónica de dentro para fora da membrana causa electronegatividade no lado de dentro da membrana (o excesso de iões positivos difunde-se para fora quando a sua concentração é maior dentro do que fora – cargas positivas para fora, cargas negativas ficam dentro). Um gradiente negativo de concentração iónica de fora para dentro da membrana causa electronegatividade do lado de dentro da membrana (cargas negativas difundem-se para dentro, cargas positivas ficam fora); A permeabilidade dos canais de sódio e potássio passa por rápidas alterações durante a transmissão dos impulsos nervosos, enquanto a permeabilidade dos canais de cloreto não têm grandes alterações durante este processo. Assim, rápidas alterações na permeabilidade dos iões sódio e potássio são primariamente responsáveis pela transmissão de sinais nos neurónios. Permeabilidade da Membrana: Página 15 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Aula 7 – Epite lios. Trãnsporte ãssime trico. Tecnicã de corrente de curto-circuito (SCC). Movimento de solutos através camadas de células epiteliais As células epiteliais estão presentes em camadas ou folhas que permitem o movimento direccional de solutos não só através da membrana plasmática, mas também a partir de um lado para o outro de uma camada de células. Este movimento regulado é conseguido porque as membranas plasmáticas das células epiteliais têm duas regiões distintas com morfologias e sistemas de transporte diferentes. Estas regiões são a membrana apical, de frente para o lúmen (mucosa), e a membrana basolateral, de frente para o suplemento de sangue (serosa). A organização especializada ou polarizada das células é mantida pela presença de junções apertadas (“tight junctions”) nas zonas de contacto entre as células adjacentes. Estas junções impedem as proteínas na membrana apical de migrar para a membrana basolateral e aqueles da membrana basolateral de migrar para a membrana apical. Assim, os passos de entrada e saída para solutos podem ser localizados em lados opostos da célula. Esta é a chave para o transporte transcelular (transmembranar) através das células epiteliais. Página 16 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Estudo do Transporte Activo Iónico em Epitélios Este estudo foi realizo por Ussing e Zerahn no epitélio de pele de rã, usando a câmara de Ussing. A câmara de Ussing é uma ferramenta científica que mede a corrente de curto-circuito, como um indicador do transporte de iões através de um epitélio. Esta câmara consiste em duas metades, que são fixas em conjunto com o epitélio. As duas câmaras são cheias com uma quantidade igual de solução de Ringer, a fim de remover quaisquer mecânicas, químicas ou eléctricas forças motrizes. O transporte de iões através do epitélio produz uma diferença de potencial que é medida utilizando dois eléctrodos que são colocados mais próximo do tecido. Esta voltagem é neutralizada por injecção de corrente utilizando mais dois eléctrodos de corrente que são colocadas fora do epitélio. Esta quantidade de corrente injectada é chamada de corrente de curto-circuito (S.C.C) e é a medida exacta do transporte de iões que está a ocorrer em todo o epitélio. Página 17 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Aula 8 – Utilizãção de iso topos rãdioãtivos no estudo de trãnsporte ãtivo io nico em epite lios. Estequiometriã dã bombã de so dio e potã ssio. Isótopos Radioativos e Transporte Ativo Os isótopos radioactivos podem interferir no mecanismo de transporte ativo, na medida em que podem inibir os ATPases do cálcio, sódio e potássio, afectando o transporte membranar. Estequiometria da bomba de sódio e potássio É um mecanismo que se localiza na membrana plasmática de quase todas as células do corpo humano e é também comum em todos os seres vivos. FUNÇÃO: Para manter o potencial eléctrico da célula, esta precisa de uma baixa concentração de iões de sódio e de uma elevada concentração de iões de potássio, dentro da célula. Fora das células existe uma alta concentração de sódio e uma baixa concentração de potássio, pois existe difusão destes componentes através de canais iónicos existentes na membrana celular. Para manter as concentrações ideais dos dois iões, a bomba de sódio bombeia sódio para fora da célula e potássio para dentro dela, por transporte activo. MECANISMO: A bomba, ligada ao ATP, liga-se a 3 iões de Na+ intracelulares; O ATP é hidrolisado, levando à fosforilação da bomba e à libertação de ADP. Essa fosforilação leva a uma mudança conformacional da bomba, expondo os iões de Na+ ao exterior da membrana. A forma fosforilada da bomba, por ter uma afinidade baixa aos iões de sódio, liberta-os para o exterior da célula. À bomba ligam-se 2 iões de K+ extracelulares, levando à desfosforilação da bomba. Página 18 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica O ATP liga-se e a bomba reorienta-se para libertar os iões de potássio para o interior da célula: a bomba está pronta para um novo ciclo. O bombeamento não é equitativo: para cada três iões sódio bombeados para o líquido extracelular, apenas dois iões de potássio são bombeados para o líquido intracelular. FISIOLOGIA: Como a membrana celular é muito menos permeável ao sódio que ao potássio, desenvolve-se um potencial eléctrico (positivo, como ponto de referência o interior celular) na célula. O gradiente de concentração e eléctrico estabelecido pela bomba de sódio suporta não só o potencial eléctrico de repouso da célula, mas também os potenciais de acção em células nervosas e musculares. A exportação de sódio da célula proporciona a força motriz para que certos transportadores façam o importe de glicose, aminoácidos e outros nutrientes importantes para a célula. A translocação de sódio de um lado do epitélio para o outro cria um gradiente osmótico que suporta a absorção de água. Página 19 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Aula 9 – Contribuiçã o dos trãnsportes ãtivos pãrã o potenciãl de membrãnã. Relãçã o entre trãnsportes de ele tro litos e nã o-eletro litos. O trãnsportãdor Nã +-glucose. Trãbãlhos de Scultz e Zãlusky. Transporte activo e potencial de membrana O potencial de membrana é a diferença de potencial elétrico medido entre o interior e o exterior da membrana plasmática de uma célula. Este potencial de membrana pode ser medido através de um microelétrodo. Este microelétrodo é introduzido no interior da célula enquanto um elétrodo de referência é colocado no líquido extracelular – a diferença de potencial entre as partes interna e externa da membrana é medida usando o voltímetro apropriado. Medida do potencial de membrana da fibra nervosa usando um microelétrodo. Todas as células têm potencial de membrana. Para um neurónio em repouso (isto é, quando não está a ser transmitido um potencial nervoso), o valor é de aproximadamente -90mV. O sinal negativo indica que o potencial elétrico do meio intracelular é menor do que o do meio extracelular. Para criar um potencial negativo dentro da membrana, devem ser transportados para o exterior somente iões positivos suficientes para desenvolver a camada do dipolo elétrico na própria membrana. Todos os iões que permanecem dentro da fibra nervosa podem ser positivos ou negativos. Distribuição dos iões com cargas positivas e negativas no líquido extracelular, em volta da fibra nervosa, e no líquido dentro da fibra. A imagem inferior mostra as alterações abruptas no potencial de membrana que ocorrem nas membranas nos dois lados da fibra. Página 20 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Por essa razão, para estabelecer o potencial de repouso normal de -90 mV, é apenas necessário que sejam transferidas pequenas quantidades de iões. Os potenciais a nível da membrana devem-se principalmente à distribuição assimétrica de iões, especialmente de Na+, K+ e Cl-. O potencial de membrana existe sob duas formas principais: o potencial de repouso e o potencial de ação. Potencial de repouso – ocorre quando o potencial de membrana não é alterado. Na maioria das células o potencial de repouso tem um valor negativo, o que por convenção significa que existe um excesso de carga negativa no interior da membrana comparado com o exterior. O potencial de repouso é determinado pela concentração de iões nos fluídos dos dois lados da membrana celular ou pela existência de proteínas transportadoras de iões existentes na própria membrana celular. Existem 3 factores importantes para o estabelecimento do potencial de repouso: 1. Contribuição do potencial de difusão do potássio: Admite-se que o único movimento iónico através da membrana é o de difusão dos iões K +, como demosntrado pelos canais abertos dentro e fora da membrana. Devido ao facto de haver mais iões K+ do lado de dentro da membrana, o potencial de Nernst gerado é de -94 mV – se os iões potássio fossem os únicos responsáveis pelo potencial de repouso este seria de -94 mV. 2. Contribuição da difusão do sódio através da membrana nervosa: Aumento pouco significativo da permeabilidade da membrana nervosa aos iões sódio causada pela difusão diminuta dos iões sódio pelos canais de saída (extravasamento) de Na+-K+. Página 21 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Como há mais iões sódio do lado de fora da membrana, o potencial de Nernst é de +61 mV (no lado de dentro). No total, o potencial de membrana será de -86mV, uma vez que também há difusão de iões potássio. Contribuição da bomba Na+-K+ (transporte ativo): Esta bomba 3. contribui adicionalmente para o potencial de repouso. Com esta bomba ocorre continuamente bombeamento de 3 iões Na+ para o exterior por cada 2 iões K+ bombeados para o interior da membrana. O facto de mais iões sódio serem bombeados para fora do que iões potássio serem bombeados para dentro produz uma perda contínua de cargas negativas pelo lado interno da membrana – isto cria um grau adicional de negatividade (~ -4 mV) no lado interno, além da produzida pela difusão. Por esta razão, o potencial de membrana efectivo, com todos os factores anteriores também tidos em conta (e que acontecem ao mesmo tempo), é de -90 mV. Potencial de ação – onda de descarga elétrica que percorre a membrana de uma célula. Os potenciais de acção são essenciais para a vida animal, porque transportam rapidamente informações entre e dentro dos tecidos. O potencial de acção pode ser gerado por muitos tipos de células, mas são utilizados mais intensamente pelo sistema nervoso, para a comunicação entre neurónios e para transmitir informação dos neurónios para outro tecido do organismo, como os músculos ou as glândulas. Página 22 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Relação entre transportes de eletrólitos e não-eletrólitos Um eletrólito é qualquer substância que, dissociada ou ionizada, origina iões positivos (catiões) e iões negativos (aniões) pela adição de um solvente ou através de aquecimento. Desta forma torna-se um condutor de eletricidade. Um não-eletrólito é um soluto que não liberta iões em solução (ex: sacarose, água) – não tem capacidade de se tornar num condutor de eletricidade. Logo não influenciam a condutividade do solvente. O mecanismo físico mais simples de tráfego molecular através da membrana, é a difusão. A maior ou menor facilidade com que as moléculas passam através da membrana traduz-se pelo coeficiente de permeabilidade. O coeficiente de permeabilidade é função essencialmente de três factores: 1. A dimensão da molécula (existindo uma correspondência, ainda que grosseira, entre dimensão e peso molecular, é habitualmente a este último que nos referimos); 2. 3. O seu estado de ionização; A afinidade para com os lípidos. Permeabilidade diferenciada de diferentes categorias de moléculas Assim, a maior ou menor permeabilidade que caracteriza uma determinada molécula será função destas suas características, sendo expectável, por exemplo, que uma molécula de maior peso molecular, mas francamente lipófila, apresente Página 23 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica um coeficiente de permeabilidade superior a uma molécula de menor dimensão, mas lipófoba. Tratando-se de iões, a permeabilidade reduz-se drasticamente, ao ponto de ser praticamente nula a probabilidade de difusão dos catiões e aniões habituais (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, etc.) através da camada de fosfolípidos. Assim sendo, deverão coexistir, na membrana, a par da simples difusão, outros mecanismos que proporcionem o abastecimento da célula em moléculas necessárias ao metabolismo mas que, pelas suas características físicas, apresentam uma permeabilidade fraca ou mesmo nula. Aos sistemas, mais ou menos complexos, através dos quais as moléculas conseguem atravessar a barreira membranar, atribui-se a designação genérica de transportes. Uns, não consomem energia; são designados por transportes passivos. Outros, pelo contrário, consomem energia; são por isso designados por transportes activos. Transportes passivos Designam-se genericamente por transportes passivos, todos aqueles que não impliquem, por parte da célula, dispêndio de energia. Englobam-se nesta categoria, os transportes de electrólitos ou de não electrólitos que se efectuam, respectivamente, a favor do gradiente de potenciais electroquímicos ou de concentrações. No entanto há que distinguir duas situações distintas, decorrentes da natureza das moléculas e das suas permeabilidades: ou se trata de entidades que podem atravessar a membrana por difusão simples ou, pelo contrário, de moléculas que o não podem e, para as quais, a célula dispõe de mecanismos que facilitam o respectivo tráfego. Transporte de água A molécula da água possui um elevado coeficiente de permeabilidade. A sua difusão através da membrana designa-se por osmose. A osmose justifica a variação do volume das células quando estas entram em contacto com meios Página 24 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica quer hipertónicos (de concentração menor concentração). Duas situações ilustram as consequências da osmose. A primeira é relativa aos glóbulos vermelhos (hemácias); a outra, tem a ver com o comportamento da célula vegetal em confronto com meios não isotónicos. mais elevada), quer hipotónicos (de Transporte de outras moléculas (não-eletrólitos) Não sendo a membrana plasmática, no plano real, uma membrana semipermeável ideal, outras moléculas, para além das do solvente (água), difundem através dela. O fluxo de difusão é função da diferença de concentrações entre os dois lados da membrana. Consideremos o caso de duas soluções, A e B, de concentrações diferentes, separadas por uma membrana. Num dado instante, a probabilidade de uma molécula da solução A possa chocar com a membrana sendo portadora de energia cinética suficiente para a transpor, é idêntica a probabilidade que assiste às moléculas da solução B, em sentido inverso. Difusão, em função dos gradientes de concentração: conceito de equilíbrio dinâmico. Todavia, se a concentração de A for superior à concentração de B, o número de moléculas que transita de A para B será superior ao número das moléculas que efectuam a difusão em sentido inverso. Dito de outro modo, as intensidades dos fluxos são diferentes, mas tendem a igualar-se quando as Página 25 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica concentrações de ambos os lados da membrana também o forem. Quando tal se verifica, atinge-se o equilíbrio. Em termos cinéticos, a velocidade com que se opera a difusão é proporcional à diferença de concentrações. Transporte de eletrólitos Para uma substância não eletrolítica, a condição de equilíbrio é aquela em que há igualdade das concentrações. No caso dos electrólitos, intervém um factor suplementar e a condição análoga é a ausência de diferença de potenciais electroquímicos (µ 1 e µ2). Este define-se relativamente a um potencial padrão m0 de acordo com a equação: µ = µ0 + RT ln C + z EF onde: z é a carga do ião considerado; F, a constante de Faraday; E, o potencial eléctrico; R e T, respectivamente, a constante dos gases perfeitos e a temperatura absoluta. No equilíbrio, os potenciais electroquímicos dos dois lados da membrana (1 e 2) atingem a igualdade: Então: µ1 = µ 2 RT ln C1 + z E1F = RT ln C2 + z E2F de onde se extrai a expressão do potencial de membrana no equilíbrio Em: Em = E1 - E2 = RT/ zF . ln C2/C1 (Equação de Nerst) Assim, compreende-se que as condições de equilíbrio estabelecidas para um electrólito podem compreender uma desigualdade de concentrações, desde que seja contrabalançada por uma diferença de potencial eléctrico entre os dois compartimentos. Página 26 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Nos casos em que z=1 e admitindo-se uma temperatura de 20 ºC, então: Em (V) = 0,058 log C2/C1 Ainda que a barreira fosfolipídica seja praticamente impermeável aos iões, estes atravessam a membrana graças a canais iónicos. Os canais iónicos são constituídos por proteínas intrínsecas, que estabelecem entre si uma passagem, a qual poderá ser atravessada por diversos iões, com graus de especificidade variáveis. Alguns desses canais, tirando partido das propriedades alostéricas das proteínas, podem assumir configurações alternativas de “aberto” ou “fechado”. Essas alternativas alostéricas são determinadas por factores externos, como a ligação de uma das proteínas constitutivas do canal a uma outra molécula ou a existência de um determinado potencial de membrana. Transportes facilitados Para as circunstâncias em que a permeabilidade de uma determinada molécula essencial à vida da célula, não permite a sua captação com a destreza requerida pelo metabolismo, a célula dispõe de mecanismos membranares específicos. Se tais mecanismos não despenderem energia, designam-se por transportes facilitados e enquadram-se, portanto, na classe dos transportes passivos. São objecto de transporte facilitado, entre outras moléculas, os monossacáridos, como a glucose, e os aminoácidos. Mas também, em certas circunstâncias, os iões são beneficiários destes sistemas de transporte a) Não electrólitos O exemplo clássico que ilustra as características deste tipo de transporte é o da glucose. Reconhecendo as características que lhe estão associadas, concebe-se um modelo baseado na existência de proteínas membranares transportadoras, susceptíveis de assumirem duas configurações tridimensionais. Página 27 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Modelo de transporte facilitado da glucose O transportador de membrana pode assumir duas configurações alostéricas consoante se encontre ligado ou não a uma molécula de glucose. O sentido global do transporte obedece ao gradiente de concentrações. Tal sistema não oferece qualquer preferência de sentido, podendo promover tanto a saída como a entrada de moléculas de glucose. O sentido do fluxo é apenas determinado pelo gradiente de concentração, tal como da difusão simples. Com a diferença, porém, de que permite o trânsito de moléculas que, de outra forma, não transporiam a barreira membranar. b) Eletrólitos Certas substâncias podem tornar as membranas permeáveis aos iões – designam-se por ionóforos e podem apresentar estruturas muito diversas. Apresentam em comum a característica de serem pequenas edificações moleculares hidrófobas, que se dissolvem facilmente na bicamada lipídica da membrana plasmática. Distinguem-se essencialmente duas categorias de ionóforos: (i) aqueles que Página 28 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica determinam a formação transitória de um canal e (ii) os que, sendo móveis, se comportam como “veículos”, assegurando o transporte os iões entre as duas faces da membrana. Enquanto o fluxo iónico proporcionado pelos primeiros não é afectado por uma diminuição da temperatura, o fluxo assegurado pelos ionóforos móveis, diminui em idênticas circunstâncias. Em ambos os casos, o transporte respeita o gradiente electroquímico que, como se sabe, em condições naturais, é bastante acentuado, e garantido pelas bombas de transporte activo de iões. Transporte activo Em alternativa aos diferentes tipos de transporte que se referiram e que têm entre si a característica comum de promoverem o tráfego molecular “a favor” dos gradientes, quer de concentrações, quer electroquímicos, sem consumo energético, há outros que actuam “contra” os gradientes – transportes activos. a) Eletrólitos Os transportes activos melhor conhecidos são os dos iões, cujos sistemas membranares são designados habitualmente por bombas iónicas. Existem bombas para transportarem protões, catiões de cálcio, catiões de sódio e de potássio, etc. Um exemplo de uma bomba iónica é a bomba de sódio/potássio, que é a mais abundante e existe em todas (ou quase todas) as células. b) Não eletrólitos Os não electrólitos podem ser activamente transportados graças à energia potencial subjacente a gradientes iónicos, em lugar do dispêndio directo de ATP. Página 29 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Nestes casos o transporte de uma molécula é associado ao transporte de um ião, quer no mesmo sentido (simporte) ou em sentidos contrários (antiporte). O transportador Na+/Glucose – Trabalhos de Scultz e Zalusky Antes de a glucose poder ser utilizada pelas células dos tecidos do corpo, ela deve ser transportada através da membrana para o citoplasma celular. A difusão da glucose através dos poros das membranas celulares é feita por difusão facilitada – através de proteínas transportadores que se ligam à glucose e a “ajudam” a atravessar. Se a concentração de glucose for maior de um lado da membrana do que do outro, mais glucose vai ser transportada: do lado de maior concentração para o de menor concentração. No entanto, o transporte de glucose através da membrana gastrointestinal ou através de epitélios dos túbulos renais é feito de maneira diferente – trabalhos de Scultz e Zalusky. Nestes dois casos, a glucose é transportada pelo mecanismo de co-transporte ativo de sódio e glucose (transporte ativo secundário), onde o transporte ativo do sódio fornece energia para absorver a glucose contra uma diferença de concentração. Este mecanismo de co-transporte (simporte) de sódio (Na+) só funciona em algumas células epiteliais especiais que são especificamente adaptadas para a absorção ativa de glucose. Noutras membranas celulares, a glucose só é transportada de uma concentração mais elevada para uma mais baixa através de difusão facilitada. Os sistemas de simporte permitem uma eficiente absorção de nutrientes, mesmo quando os nutrientes estão presentes em concentrações muito baixas. O co-transportador Na-glucose é denominado SGLT (sodium-dependent glucose transporter). Página 30 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Modelo da estrutura secundária do SGLT no intestino humano. A glucose entra do lado apical da membrana através do transportador SGLT e sai do lado basolateral através do transportador GLUT 2 enquanto o Na+ que entra via simporte do lado apical é bombeado para fora através da bomba de sódio-potássio no lado basolateral da membrana. O resultado é um movimento de solutos do lado do lúmen para o lado basolateral da célula, assegurando a absorção eficiente de glucose, aminoácidos e Na+ a partir do lúmen intestinal. Localização dos sistemas de transporte em diferentes regiões da membrana plasmática nas células epiteliais do intestino delgado. Página 31 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Este mecanismo é um tipo de transporte ativo secundário como já foi dito, pois embora não dependa diretamente de ATP e obedeça ao gradiente de concentração do Na+, depende do funcionamento da bomba de Na+/K+, um transportador ativo. Este mecanismo impede que as células intestinais percam glucose em direção ao lúmen intestinal nos períodos de jejum. A existência de dois transportadores diferentes para a glucose no epitélio intestinal tanto impede a concentração excessiva de glucose nessas células durante a fase de absorção da luz intestinal quanto a perda de glucose para o lúmen intestinal nos períodos de jejum. Nesta fase, a célula estará a receber glucose pelos transportadores uniporte do domínio basolateral. Assim, a concentração citoplasmática de glucose nessas células será sempre superior à do meio extracelular, como indica o sombreado da seta à direita. Aula 10 – Trãnsporte em epitelios. Epite lios de ãbsorçã o e de secreçã o. Introduçã o ã s glã ndulãs. Hipo tese de secreçã o em duãs etãpãs. Glã ndulãs simples (lãcrimãl e sudorí pãrã) e sãlivãres. Transporte em epitélios Muitas vezes as substâncias devem atravessar uma célula em toda a sua extensão e por mecanismos distintos em ambas as faces. O mecanismo mais comum baseia-se no transporte activo através de um dos lados da membrana e depois uma difusão simples ou facilitada na outra face. Um exemplo deste tipo de transporte é o transporte da glucose no epitélio intestinal, como já foi discutido na aula 9. Página 32 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Regulação do transporte epitelial 1. Há regulação da permeabilidade paracelular – afectando o gradiente electroquímico do Na+ afecta-se também o gradiente electroquímico de outras moléculas, que estão dependentes do gradiente de Na +; 2. Existe uma variação de gradiente electroquímico; 3. Há sinalização intracelular – recrutamento de transportadores necessários para a síntese de novo tecido epitelial. Epitélios de absorção e de secreção Epitélio Epitélio é um termo derivado do grego que significa “tecido que cresce (theleo) sobre outro (epi”). Os epitélios revestem as superfícies livres do corpo tanto externa como internamente, com exceção das superfícies articulares. Assim, tudo que entra ou sai do organismo, atravessa necessariamente um segmento epitelial. É também o tecido responsável pela produção, armazenamento e secreção das mais variadas substâncias, através de unidades secretoras. Caracteriza-se pela alta densidade celular, relação íntima com o tecido conjuntivo e pela polarização das células. Por não possuir suprimento sanguíneo direto (exceto em vasos sanguíneos), está sempre associado ao tecido conjuntivo, dependendo assim dos nutrientes e do oxigénio vindos deste tecido. Para que esse influxo de nutrientes e oxigénio seja possível, o epitélio conta com lâminas e membranas basais que o conectam ao tecido conjuntivo ao qual se encontra apoiado (subjacente). Desta forma, um dos lados do epitélio (o pólo basal) está sempre aderido ao tecido conjuntivo, enquanto o seu ápice (o pólo apical) encontra-se continuadamente exposto ao espaço livre. Página 33 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Epitélio de absorção O tecido que reveste internamente o intestino delgado é um bom exemplo de epitélio (de absorção) especializado em absorver nutrientes e permitir que eles passem da cavidade intestinal para o sangue. A alta capacidade de absorção do epitélio intestinal deve-se ao facto das suas células possuírem microvilosidades na membrana do lúmen. Epitélio de secreção (ou glandular) O tecido epitelial glandular ou secretor é constituído por várias células epiteliais glandulares que possuem como principal função produzir e libertar secreções tanto para o meio interno como para o meio externo. Estas secreções podem ser viscosas e escorregadias (mucosas), aquosas e límpidas (serosas), como também podem ser a mistura de secreções mucosas e serosas (mista). Introdução às Glândulas Quando agrupadas em grande número, as células epiteliais glandulares formam estruturas denominadas glândulas. Alojadas no interior das glândulas, as células epiteliais glandulares podem sintetizar, armazenar e secretar várias substâncias tais como proteínas (pâncreas), lipídios (adrenal e glândulas sebáceas) ou complexos de glúcidos e proteínas (glândulas salivares). As glândulas podem ser classificadas em glândulas exócrinas e glândulas endócrinas. A principal diferença entre estes dois tipos de glândulas é que as glândulas endócrinas não possuem ductos (tubos), ao contrário das glândulas exócrinas, que os têm, e os utilizam para transportar suas secreções para locais específicos. Página 34 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Glândulas Endócrinas Uma glândula endócrina secreta substâncias que são lançadas directamente na corrente sanguínea, ao contrário das glândulas exócrinas. Um exemplo de glândula endócrina é a tiróide. As hormonas são o produto de secreção destas glândulas. Têm como característica principal estarem presentes em toda a circulação, desta maneira banhando todas as células, e exercerem as suas acções distantes da sua origem. Glândulas Exócrinas As glândulas exócrinas são órgãos que produzem secreções ou substâncias que elaboram para um sistema de canais excretores que se abrem em superfície externa ou interna. As secreções não são despejadas na corrente sanguínea (como nas glândulas endócrinas), mas sim em outros órgãos, ou para o exterior do corpo, através de canais. Além disso, glândulas exócrinas não se associam a vasos sanguíneos e apresentam ductos. As glândulas exócrinas que vão ser estudadas são as lacrimais, sudoríparas e salivares. a) Glândulas Lacrimais A glândula lacrimal, parte do sistema lacrimal, está localizada na parte anterior e lateral do teto da órbita ocular. A glândula lacrimal está alojada na fossa da glândula lacrimal, no osso frontal, recebendo do inervação SNA simpática e parassimpática (Sistema Nervoso Autónomo ou Visceral). Página 35 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica A sua função é produzir o fluido lacrimal (lágrima) para a lubrificação e limpeza do globo ocular. A sua taxa de secreção pode ser modulada – tem uma taxa basal de produção e há vias sensoriais, aferentes, que transmitem a informação necessária ao cérebro acerca do olho. Há também vias motoras, as quais interagem com o sistema simpático e parassimpático. b) Glândulas Sudoríparas As glândulas sudoríparas dos mamíferos são glândulas que produzem o suor – função importante para regular a temperatura do corpo e eliminar substâncias tóxicas. São glândulas tubulares enroladas derivadas das camadas exteriores da pele mas estendem-se até à camada interna. Estas glândulas têm transportadores que fazem o transporte de 2 iões de Na+ para dentro da célula por 1 ião de K+ para fora. Os canais cloreto são modulados pela quantidade de cAMP. O suor é hipotónico – a pressão osmótica do suor é mais baixa do que a do sangue. Em situações normais, a taxa de secreção aumenta quando os níveis de K+ diminuem. Curiosidade: Nas pessoas com fibrose quística, os níveis de Na+ e Cl- são bastante elevados porque não possuem o canal CFTR que é regulador do cAMP, o que afecta o transporte destes iões. c) Glândulas Salivares As glândulas salivares localizam-se no interior e também em torno da cavidade bucal tendo como objectivo principal a produção e secreção da saliva. A saliva é fundamental para falar, ter paladar, humedecer as mucosas, entre outras funcionalidades. A produção de saliva pode ser afectada por vários níveis, tanto pelo sistema simpático como pelo parassimpático. Página 36 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Aula 11 – Orgãnizãçã o gerãl do Sistemã Nervoso. O neuro nio. Sinãpse quí micã e sinãpse ele tricã. Organização do Sistema Nervoso input (do exterior) Estímulo Filtração Captação de sinais (informação) dos sistemas integrados Actividade do neurónio Processamento de vias aferentes e eferentes Sistema Nervoso Central (SNC) Periférico (SNP) Autónomo Somático Simpático Parassimpático Página 37 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Sistema Nervoso Central Chama-se sistema nervoso central (SNC) ao conjunto do encéfalo e da espinal medula dos vertebrados. É no SNC que chegam as informações relacionadas aos sentidos (audição, visão, olfato, paladar e tato) e é dele que partem ordens destinadas aos músculos e glândulas. Sistema Nervoso Periférico O sistema nervoso periférico é a parte do sistema nervoso que se encontra fora do sistema nervoso central (SNC). É constituído por fibras (nervos), gânglios nervosos e órgãos terminais. Diferentemente do sistema nervoso central, o sistema nervoso periférico não se encontra protegido pela barreira hematoencefálica. É graças a este sistema que o cérebro e a espinal medula recebem e enviam as informações permitindo-nos reagir às diferentes situações que têm origem no meio externo ou interno. O Neurónio O neurónio é a célula do sistema nervoso responsável pela condução do impulso nervoso. O neurónio é constituído por: corpo celular, o núcleo celular, dendrites (prolongamentos numerosos e curtos do corpo celular, receptores de mensagens) e axónio (prolongamento que transmite o impulso nervoso vindo do corpo celular). A membrana exterior de um neurónio toma a forma de vários ramos extensos chamados dendrites, que recebem sinais Página 38 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica elétricos de outros neurónios, e de uma estrutura a que se chama um axónio que envia sinais elétricos a outros neurónios. O espaço entre a dendrite de um neurónio e as dendrites de outro é o que se chama uma fenda sináptica: os sinais são transportados através das sinapses por uma variedade de substâncias químicas chamadas neurotransmissores. O córtex cerebral é um tecido fino composto essencialmente por uma rede de neurónios densamente interligados. Os neurónios recebem continuamente impulsos nas sinapses das suas dendrites vindos de milhares de outras células. Os impulsos geram ondas de corrente elétrica (excitatória ou inibitória, cada uma num sentido diferente) através do corpo celular até a uma zona chamada a zona de disparo, no começo do axónio. É aí que as correntes atravessam a membrana celular para o espaço extracelular e que a diferença de voltagem que se forma na membrana determina se o neurónio dispara ou não. Funcionamento do Neurónio O neurónio é uma célula altamente especializada na transmissão de informações, na forma de impulsos nervosos. Os impulsos nervosos são fenómenos electroquímicos que utilizam certas propriedades e substâncias da membrana plasmática, que permitem que seja criado e transmitido um impulso eléctrico. Um neurónio em repouso é uma célula que possui uma diferença de voltagem entre o seu citoplasma e o líquido extracelular. Esta diferença de voltagem é criada graças ao acumular selectivo de iões potássio (K+) e sódio (Na+), que ocorre pela acção de bombas que criam uma diferença de concentração. Esta diferença por de concentração é controlada canais sódio/potássio gerando uma tensão negativa. Página 39 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Este estado de equilíbrio (ou estado de polarização do neurónio) dura até o momento em que um potencial de acção abre os canais de K+ e de Na+, alterando a concentração destes iões. Esta modificação gera um potencial positivo dentro do neurónio. Este desequilíbrio gera um efeito cascata, que é o potencial de acção. Usualmente o potencial de ação inicia no começo no axónio (zona de disparo) e propaga-se até às vesículas sinápticas, gerando a descarga de neurotransmissores. Após ter ocorrido o potencial de acção, os canais de K+ e de Na+ começam imediatamente a restabelecer o equilíbrio anterior, com uma tensão negativa no interior do neurónio e positiva fora dele. Sinapses As sinapses nervosas são os pontos onde as extremidades de neurónios vizinhos se encontram e o estímulo passa de um neurónio para o seguinte por meio de mediadores químicos, os neurotransmissores. A sinapse é considerada uma estrutura formada por: membrana présináptica, fenda sináptica e membrana pós sináptica. As sinapses determinam as direcções em que os sinais nervosos se vão distribuir através do sistema nervoso. A transmissão sináptica pode ser influenciada por sinais excitatórios ou inibitórios que vêem de diferentes áreas do sistema nervoso, sendo que algumas vezes pode abrir as sinapses e outras vezes fechá-las. Existem dois tipos de sinapses neuronais: as sinapses químicas e as sinapses elétricas. Ambos os tipos de sinapses transmitem o potencial de acção para outros neurónios, diferindo apenas no mecanismo de comunicação (químico ou elétrico). Página 40 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Sinapse Química Quase todas as sinapses utilizadas para transmissão do sinal no sistema nervoso central da espécie humana são sinapses químicas. Nestas estruturas, o primeiro neurónio secreta, no seu terminal, uma substância química chamada de neurotransmissor (ou apenas substância transmissora), e este neurotransmissor, por sua vez, irá actuar em proteínas receptoras presentes na membrana do neurónio seguinte, para promover excitação, inibição ou, ainda, modificar, de outra maneira, a sensibilidade desta célula. Algumas dos neurotransmissores mais importantes são: acetilcolina, serotonina, glutamato e epinefrina. Junção Neuromuscular: é a junção entre a parte terminal de um axónio motor com uma placa motora (ou sinapse neuromuscular), que é a região da membrana plasmática de uma fibra muscular (o sarcolema) onde se dá o encontro entre o nervo e o músculo permitindo desencadear a contração muscular. Na junção neuromuscular o neurotransmissor utilizado sempre é a acetilcolina. Página 41 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Sinapse Elétrica As sinapses elétricas, são caracterizadas por canais que conduzem eletricidade de uma célula para a próxima. A maior parte destas sinapses consiste em pequenas estruturas tubulares proteicas chamadas de junções comunicantes (gap junctions), que permitem o movimento livre de iões do interior de uma célula para o interior de outra. É através destas junções e de outras semelhantes transmitidos. Este tipo de sinapse reduz muito o tempo de transmissão do impulso elétrico entre os neurónios, sendo a ideal para comportamentos que exigem rapidez de resposta. que os potenciais de acção são Aula 12 – Ce lulãs dã Gliã. Sistemã Nervoso Perife rico: sistemã nervoso somã tico e sistemã nervoso ãuto nomo (simpã tico e pãrãssimpã tico). Orgãnizãçã o e funcionãmento. Neurotrãnsmissores mãis frequentemente utilizãdos. Células da Glia As células da Glia são células não neuronais do sistema nervoso central que proporcionam suporte e nutrição aos neurónios. Geralmente arredondadas, no cérebro humano as células da glia são, aproximadamente, 10 vezes mais frequentes que os neurónios. Ao contrário do neurónio, que é amitótico, nas células gliais ocorre a mitose. Funções As principais funções das células da glia são cercar os neurónios, e mantê-los no seu lugar, fornecer nutrientes e oxigénio para os neurónios, isolar Página 42 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica um neurónio do outro, destruir microrganismos patógeneos e remover neurónios mortos. Mantêm a homeostase, formam mielina e participam na transmissão de sinais no sistema nervoso. As células de glia têm a importante função de produzir moléculas que modificam o crescimento de dendritos e axónios. Descobertas recentes indicam que também participam ativamente nas transmissões sinápticas, regulando a libertação de neurotransmissores ou libertando-os elas mesmas e libertando ATP que modela funções pré-sinápticas. As células da glia podem ser: oligodendrócitos, astrócitos e micróglia. a) Oligodendrócitos: são as células responsáveis pela formação, e manutenção das bainhas de mielina dos axónios, no SNC. Sem os oligodendrócitos, os neurónios não sobrevivem em meio de cultura. b) Astrócitos: são as células da glia que possuem as maiores dimensões. Os astrócitos, desempenham funções muito importantes, como a sustentação e a nutrição dos neurónios o preenchimento dos espaços entre os neurónios, na regulação da concentração de diversas substâncias com potencial para interferir nas funções neuronais normais (ex.: concentrações extracelulares de potássio) e na regulação dos neurotransmissores. c) Células da micróglia: são as menores células da glia. Possuem elevado poder fagocitário e representam uma variedade dos macrófagos que atuam na defesa do sistema nervoso. Estas células são capazes de reconhecer e fagocitar antigénios, aderindo citoplasmática. proteínas do mesmo na sua membrana Sistema Nervoso Periférico (Somático e Autónomo) Sistema Nervoso Somático O sistema nervoso somático é composto por neurónios que estão submetidos ao controle consciente para gerar acções motoras voluntárias, resultantes da contracção de um músculo esquelético. A sua principal função é Página 43 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica inervar a musculatura esquelética, responsável pelas acções voluntárias, como a movimentação de um braço ou perna. Sistema Nervoso Autónomo (SNA) Sistema nervoso autónomo (também chamado sistema neurovegetativo ou sistema nervoso visceral) é a parte do sistema nervoso periférico que está relacionada com o controlo da vida vegetativa, ou seja, controla funções como a respiração, circulação do sangue, controlo de temperatura e digestão. É também o principal responsável pelo controlo automático do corpo frente às modificações do ambiente. Dessa maneira, pode-se perceber que o organismo possui um mecanismo que permite ajustes corporais, mantendo assim o equilíbrio do corpo: a homeostase. O SNA é dividido em duas partes: Sistema nervoso simpático: as fibras nervosas simpáticas originam-se na espinal medula juntamento com os nervos espinais, projectando-se primeiro para a cadeia simpática e daí para os tecidos e órgãos que são estimulados pelos nervos simpáticos. Sistema nervoso parassimpático: É o responsável por estimular acções que permitem ao organismo responder a situações de calma, como fazer yoga ou dormir. Essas acções são: a desaceleração dos batimentos cardíacos, diminuição da pressão arterial, a diminuição da adrenalina e a diminuição do açúcar no sangue. As fibras parassimpáticas deixam o SNC através dos nervos cranianos III, VII, IX e X. Página 44 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Aula 13 – Potenciãl de ãçã o. Tecnicã de voltãge clãmp. Potencial de Ação dos Nervos (=Conjunto de Neurónios) Os sinais nervosos são transmitidos por potenciais de ação, que são rápidas alterações do potencial de membrana que se propagam com grande velocidade por toda a membrana da fibra nervosa – o potencial de ação deslocase ao longo da fibra nervosa até à sua extremidade. Cada potencial de ação começa com uma alteração súbita do potencial de membrana normal negativo para um potencial positivo, terminando, então, com o retorno quase tão rápido para o potencial negativo. No gráfico pode-se ver as sucessivas alterações do potencial de membrana que ilustra o início explosivo do potencial de ação e a sua quase idêntica recuperação. Existem 3 estágios sucessivos do potencial de ação, que são os seguintes: 1. Estágio de Repouso: corresponde ao potencial de membrana, antes do início do potencial de ação. Diz-se que a membrana está “polarizada” durante este estágio, em razão do potencial de membrana da -90 mV existente. 2. Estágio de Despolarização: Durante este estágio a membrana fica subitamente permeável a iões sódio, permitindo que um grande número destes iões (carregados positivamente) se difunda para o interior do axónio. Assim, o Página 45 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica estado normal de “polarização” de -90 mV é, de imediato, neutralizado pelo influxo de iões sódio. O potencial é assim aumentado para um valor positivo – despolarização. O grande excesso de iões sódio faz com que o potencial de membrana “ultrapasse” (overshoot) rapidamente o nível zero e se torne positivo. 3. Estágio de Repolarização: Após a membrana ter ficado permeável aos iões sódio, os canais de sódio começam a fechar-se e os canais de potássio (K+) começam a abrir (mais do que o normal). Assim, a rápida difusão dos iões potássio para o exterior reestabelece o potencial de repouso negativo da membrana – repolarização da membrana. Técnica de Voltage Clamp É um método utilizado para medir o efeito da voltagem sobre a abertura e o fecho de canais controlados pela voltagem. Foi a técnica utilizada pelos pesquisadores Alan Lloyd Hodgkin e Andrew Huxley quando estudaram as propriedades da membrana do axónio. Método de voltage clamp para estudar o fluxo dos iões através de um canal específico Nesta técnica são utilizados pulsos de voltagem em vez de pulsos de correntes para controlar o mecanismo envolvido na geração do potencial de ação nos neurónios. Para se usar esta montagem, são inseridos na fibra nervosa, dois elétrodos – um deles é para medir a voltagem do potencial e o outro é para conduzir corrente elétrica para dentro ou para fora da fibra nervosa. Esta montagem é utilizada da seguinte maneira: o pesquisador (operador) decide qual a voltagem que ele deseja estabelecer dentro da fibra nervosa. O componente eletrónico da montagem é então ajustado para essa voltagem desejada, injetando automaticamente eletricidade positiva ou negativa, por meio Página 46 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica do elétrodo de corrente. O componente é também ajustado na intensidade que seja necessária para fixar a voltagem, medida pelo elétrodo de voltagem. Quando o potencial de membrana é repentinamente alterado por esta técnica (pelo “gancho” de voltagem), de -90 mV para 0, os canais de potássio e sódio regulados pela voltagem abrem-se, e os iões potássio (K+) e sódio (Na+) começam a fluir (sair) por esses canais. Para contrabalançar os efeitos desses fluxos iónicos sobre os valores fixados da voltagem intracelular, é injetada corrente elétrica automaticamente por meio dos elétrodos, para manter a voltagem intracelular no nível 0 constante que é necessário. Para isso, a corrente injetada deve ser igual mas com polaridade oposta ao fluxo efetivo de corrente que flui pelos canais. Para se medir a intensidade de fluxo que está a ocorrer a cada instante, o elétrodo de corrente é conectado a um osciloscópio que regista o fluxo de corrente. Por fim, o pesquisador altera as concentrações iónicas intra e extracelulares para valores diferentes dos “normais” e repete a medida – é feito de modo fácil quando se usam fibras nervosas bastante calibrosas (como as do axónio gigante da lula). Quando o sódio é o único ião permeável nas soluções intra e extracelular do axónio da lula, o “gancho” de voltagem só mede o fluxo corrente pelos canais de sódio. Quando é o potássio o único ião permeável, só o fluxo corrente pelos canais de potássio é medido. Outra maneira de se estudar o fluxo iónico por meio de um tipo individual de canal é pelo bloqueio de um tipo de canal de cada vez. Por exemplo: os canais de sódio podem ser bloqueados pela toxina chamada tetrodotoxina, aplicando-a na parte externa da membrana celular, onde o canal de sódio está situado. Os canais de potássio são bloqueados pelo ião tetraetilamónio, quando aplicado no interior da fibra nervosa. Página 47 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Nesta imagem podem-se ver as variações típicas da condutância dos canais de sódio e potássio regulados pela voltagem, quando o potencial de membrana é repentinamente alterado pela técnica de “voltage clamp”, de –90 mV para +10 mV e, 2 milisegundos depois, de volta para os –90 mV. Pode-se observar uma abertura abrupta dos canais de sódio (estágio de ativação) numa pequena fração de milisegundos, após o potencial de membrana ser elevado para um valor positivo. Durante os próximos milisegundos, os canais de sódio fecham-se (estágio de inativação). É de notar também a abertura dos canais de potássio – estes abrem-se lentamente, atingindo o seu estado de abertura total só depois dos canais de sódio se terem fechado quase complementamente. Além disso, uma vez abertos, os canais de potássio, estes permanecem assim durante todo o potencial positivo de membrana e só se fecham quando o potencial de membrana retorna a um valor negativo. Canais de Sódio e de Potássio Regulados pela Voltagem O agente necessário para provocar a despolarização e a repolarização das membranas nervosas durante o potencial de ação é o canal de sódio regulado pela voltagem. O canal de potássio regulado pela voltagem também tem a sua importância por aumentar a rapidez da repolarização da membrana. Página 48 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Canal de Sódio Regulado pela Voltagem O canal de sódio regulado pela voltagem em 3 estados distintos.Este canal tem dois “portões” – um perto da abertura externa do canal, referida como “portão” de ativação, e a outro perto da abertura interna do canal, denominado como “portão” de inativação. Esta imagem mostra o estado desses dois “portões” na membrana normal em repouso, quando o potencial de memrana é de –90 mV. a) Ativação do Canal de Sódio Quando o potencial de membrana se torna menos negativo que durante o estado de repouso, aumentando de –90 mV até zero (0) ela atinge a voltagem – em geral cerca de –70 a –50 mV – o que provoca uma alteração conformacional abrupta/inesperada do “portão” de ativação, fazendo com que o canal fique completamente aberto. Esta condição é referida como estado ativado – durante este estado, os iões sódio podem passar através do canal, aumentando a permeabilidade da membrana de sódio. b) Inativação do Canal de Sódio O mesmo aumento de voltagem que faz com que o “portão” seja ativado também faz com que este seja fechado (desativado). O “portão” é desativado em poucos milésimos de segundo após ter sido ativada. Isto é, a alteração conformacional que provoca o fecho do “portão” de ativação é um processo mais lento que a alteração conformacional que a abre o “portão” de ativação. Página 49 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Assim, após o canal de sódio ter permanecido aberto por algum tempo ele é inativado e fecha-se, sendo que, assim, os iões Na+ não podem atravessar a membrana – neste momento, o potencial de membrana começa a retomar ou a aproximar-se do seu estado normal de repouso (processo de repolarização). Outra característica importante do processo de inativação do canal de sódio é que o “portão” inativado só vai reabrir quando o potencial de membrana retomar ou se aproximar do potencial de repouso na condição original – por esta razão, usualmente, não é possível, para o canal de sódio, voltar a abir sem que a fibra nervosa seja primeiro repolarizada. Aula 15 – Cãnãis Io nicos. Te cnicã de Patch Clamp. Correntes unitã riãs e mãcrosco picãs. Canais Iónicos (Ver Aula 6) Canais iónicos são formados por proteínas integrais da membrana plasmática das células. Por possuírem uma estrutura tridimensional, formam túneis de passagem a determinados iões através da bicamada lipídica, que compõe a membrana das células. Se não existissem os canais iónicos, os iões não conseguiriam entrar nem sair das células devido à sua carga elétrica. Estes canais podem assumir diferentes estados conformacionais, abertos e fechados. Estas transições dependem das barreiras de energias potenciais que separam esses estados e, que podem ser controladas por campo elétrico, iões, substâncias químicas e outros agentes. Todos os canais apresentam um poro aquoso central com comunicação intracelular e extracelular. Página 50 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Existem também canais iónicos dependentes de voltagem (Aula 13). Estes são uma classe de canais iónicos transmembranares que são activados por alterações de diferença de potencial eléctrico perto do canal; a presença deste tipo de canais iónicos é especialmente crítica nos neurónios, mas são comuns em muitos tipos de células. Ao longo de todo o axónio e na sinapse, os canais dependentes de voltagem propagam os sinais eléctricos. Alguns exemplos incluem: canais de sódio e os canais de potássio dependentes de voltagem (localizados nos nervos e músculos) e o canal de cálcio dependente de voltagem (desempenha um papel na libertação de neurotransmissores na terminação pré-sináptica). Os canais de sódio e potássio dependentes de voltagem já foram falados na aula 13. De seguida fala-se do canal de cálcio dependente de voltagem. Canal de Cálcio dependente de voltagem Os canais de cálcio dependentes de voltagem são ligeiramente permeáveis aos iões sódio (Na+), assim como aos iões cálcio (Ca2+) – quando estes canais se abrem estes iões fluem para interior fibra nervosa. Estes canais são conhecidos como canais de Ca2+-Na+. Os canais de cálcio são de lenta ativação – são denominados, por isso, de canais lentos, enquanto os canais de sódio são canais rápidos (de rápida ativação). Os canais de cálcio são muito numerosos no músculo cardíaco e no músculo liso. Na verdade, em alguns tipos de músculo liso os canais de sódio (rápidos) são bastante raros, de forma que o potencial de ação ocorre, quase exclusivamente, pela ativação dos canais (lentos) de cálcio. Página 51 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Técnica de Patch Clamp É uma técnica de fixação de membranas utilizada para registar a corrente iónica que flui através de cada canal iónico. Registo do fluxo de corrente por um canal de sódio, ligado à voltagem isolada, demonstrando o princípio “tudo ou nada” da abertura e do fecho do canal. Nesta técnica, de forma muito simplificada, uma micropipeta com diâmetro de apenas 1 ou 2 μm é colocada sobre a parte externa da membrana celular. Em seguida, é feita sucção por uma pipeta, para aspirar a membrana contra a ponta da pipeta e a membrana – isto cria uma selagem entre a ponta da pipeta e a membrana celular. O resultado é um “patch” diminuto de membrana que se “fixa” na ponta da pipeta, por onde o fluxo de corrente elétrica pode ser registado. Alternativamente, a pequena placa de membrana celular na ponta da pipeta pode ser removida da célula. A pipeta com a placa selada é então colocada em solução livre – isto permite que as concentrações iónicas dentro da micropipeta na solução externa possam ser modificadas à vontade (a voltagem está “fixa” – clamped – em determinado valor. Já foi possível a obtenção de “patches” (placas) suficientemente pequenas para conter apenas um canal proteico na membrana a ser estudada. Por meio da variação da concentração de diferentes iões, bem como da voltagem Página 52 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica através da membrana, podem-se determinar as características do transporte de um canal isolado e também as propriedades dos seus “portões” (receptores). Correntes Unitárias e Macroscópicas A técnica de “voltage clamp” que permite fixar a voltagem, quando aplicado ao axónio, permitiu medir as correntes iónicas através da membrana da célula excitável (corrente macroscópica). A corrente macroscópica resulta da passagem de iões através de uma população de canais iónicos. Actualmente, a técnica do “patch clamp” permite medir a passagem de iões através de um único canal iónico, que são as correntes microscópicas ou unitárias. Aula 16 – Propriedãdes Pãssivãs dã Membrãnã. Somãçã o EspãcioTemporãl. Propriedades Passivas da Membrana A velocidade de condução do potencial de ação depende de vários factores: 1. Capacitância da membrana: Quanto maior a capacitância, menor é a velocidade de condução, já que é necessário maior tempo para descarregar a membrana. 2. Resistência interna da membrana: Quanto maior a resistência, menor é a velocidade de condução. No entanto, os potenciais (sinais) prolongamse até uma distância maior. 3. Diâmetro da fibra nervosa: Quanto maior o diâmetro da fibra, maior é a velocidade, pois se por exemplo houver a duplicação do raio da fibra nervosa, haverá aumento da capacitância da membrana por um factor de 2, uma redução da resistência da membrana por um factor 2 e uma redução da Página 53 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica resistência interna por um factor 4. Como a redução da resistência supera o aumento da capacitância, o resultado é o aumento da velocidade de condução. 4. Mielina: Fibras mielinizadas conduzem muito mais rapidamente que fibras não mielinizadas, visto que as fibras mielinizadas têm menor capacitância, portanto descarregam mais rapidamente, além do mais a resistência interna não se modifica. Somente a resistência da membrana aumenta. Além disto, os potenciais de ação, são gerados somente em locais de alta condutância, os chamados nódulos de Ranvier, que são espaços que aparecem a cada 1 a 2 mm, permitindo a chamada condução saltatória. 5. Temperatura: Quanto maior a temperatura, maior é a “agitação” molecular, aumentando consequentemente o fluxo iónico e a velocidade de condução do potencial elétrico. As duas propriedades passivas das membranas do axónio, diretamente relacionadas com a velocidade com que o axónio pode transmitir os potenciais de ação são: somação espacial e somação temporal. Dizem-se propriedades passivas pois não dependem diretamente do metabolismo. Somação Espacial A excitação de um único terminal pré-sináptico sobre a superfície de um neurónio quase nunca excita a célula. Isto deve-se ao facto de a quantidade de neurotransmissores libertada por um único terminal é apenas suficiente para provocar um PEPS (Potencial Excitatório Pós-Sináptico), normalmente de valor não superior a um intervalo de 0,5 a 1 mV, em vez do potencial de 10 a 20 mV geralmente necessário para atingir o limiar de excitação. Entretanto, diversos terminais pré-sinápticos são normalmente estimulados ao mesmo tempo. Embora estes terminais estejam distribuídos por áreas amplas e distantes presentes no neurónio, os seus efeitos podem ainda ser somados, ou seja, os potenciais podem somar-se a outros até que a excitação neuronal ocorra. A razão para que isto ocorra é a seguinte: uma alteração do potencial em qualquer ponto isolado do corpo celular (ou soma) mudará o potencial em qualquer local do mesmo quase exactamente do mesmo modo. Isto Página 54 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica ocorre porque a condutividade elétrica dentro do grande corpo celular neuronal é muito alta. Portanto, para cada sinapse excitatória que dispara simultaneamente, o potencial de membrana total torna-se mais positivo em 0,5 a 1 mV. Quando o PEPS se torna grande suficiente será alcançado o limiar de disparo e o potencial de acção vai ser gerado espontaneamente, a partir do segmento inicial do axónio. No caso do disparo de 16 sinapses, pode-se ver pela figura anterior, que o limiar de disparo foi alcançado e foi então gerado, no axónio, o potencial de acção. Este efeito de somação dos potenciais pós-sinápticos simultâneos pela activação de múltiplos terminais em áreas amplamente espaçadas na membrana neuronal é chamado de somação espacial. Somação Temporal Todas as vezes que um terminal pré-sináptico dispara os neurotransmissores libertados, promove a abertura dos canais de membrana por milisegundo. Porém, o potencial pós-sináptico modificado pode durar 15 milisegundos depois dos canais já se terem fechado. Portanto, uma segunda abertura dos mesmos canais pode aumentar o potencial pós-sináptico para um nível ainda maior. Além disso, quanto mais rápida a velocidade de estimulação, maior se torna o potencial pós-sináptico. Página 55 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Assim, descargas sucessivas de um único terminal pré-sináptico, se ocorrerem rápido o suficiente, podem ser adicionadas umas às outras, ou seja, podem-se “somar”. A este tipo de somação, diz-se somação temporal. Aula 17 – Sinãpse. Modulãçã o. Fãcilitãçã o. Depressã o e Potenciãçã o. Anatomia Fisiológica da Sinapse Esta imagem é um esquema de um neurónio motor anterior típico. Este neurónio é composto por 3 partes principais: o corpo celular ou soma, que constitui a maior parte do neurónio; um axónio único, que se estende a partir do corpo celular até à espinal medula; e os dendrites, que são numerosas projecções ramificadas do corpo celular. Nas superfícies das dendrites (cerca de 80 a 95%) e do corpo celular (cerca de 5 a 20%) existem os chamados terminais pré-sinápticos. Estes terminais são também as porções terminais de ramificações de axónios de diversos outros neurónios. Muitos destes terminais pré-sinápticos são excitatórios – secretam neurotransmissores que estimulam o neurónio póssináptico. No entanto também existem terminais pré-sinápticos inibitórios – secretam neurotransmissores que inibem o neurónio pós-sináptico. Os neurónios podem diferir no tamanho do corpo celular; no tamanho, comprimento e número de dendrites; no comprimento e tamanho do axónio e no número de terminais pré-sinápticos. Estas diferenças fazem com que os neurónios de diferentes partes do sistema nervoso reajam de maneira diversa a sinais sinápticos aferentes e, sendo assim, executarem muitas funções distintas. Página 56 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Terminais Pré-Sinápticos Estes terminais possuem uma forma arredondada como se pode ver pela figura. Na figura está representada a estrutura básica de uma sinapse, que mostra um terminal pré- sináptico único na superfície da membrana de um neurónio póssináptico. Este terminal é separado do corpo celular do neurónio póssináptico por uma fenda sináptica. O terminal possui dois tipos de estruturas internas importantes para a função excitatória ou inibitória da sinapse: as vesículas transmissoras – que contêm os neurotransmissores, e que estes, quando libertados na fenda sináptica excitam ou inibem o neurónio pós-sináptico (excita se a membrana neuronal contém receptores excitatórios e inibe se esses receptores forem inibitórios) – e os mitocôndrios, que fornecem ATP que por sua vez fornece a energia necessária para sintetizar novas moléculas de neurotransmissores. Quando um potencial de acção chega a um terminal pré-sináptico, a despolarização da sua membrana faz com que um pequeno número de vesículas transmissoras liberte neurotransmissores na fenda sináptica. Esta libertação, por sua vez, provoca uma mudança imediata nas características da permeabilidade da membrana neuronal pós-sináptica, o que leva à excitação ou inibição do neurónio pós-sináptico, dependendo das características do receptor neuronal. Página 57 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Papel dos Iões Cálcio (Ca2+) A membrana do terminal pré-sináptico (membrana pré-sináptica) possui um grande número de canais de cálcio dependentes de voltagem. Quando um potencial de acção despolariza a membrana pré-sináptica, estes canais de cálcio abrem-se e permitem, então, a passagem de inúmeros iões cálcio para dentro do terminal pré-sináptico. A quantidade de neurotransmissores que se liberta será directamente proporcional ao número de iões cálcio que entram. O mecanismo pelo qual os iões cálcio provocam a libertação dos neurotransmissores ainda não é conhecido na sua totalidade, mas acredita-se que se processe mais ou menos da seguinte maneira: 1. Entrada dos iões cálcio no terminal pré-sináptico; 2. Ligação dos iões Ca2+ a moléculas de proteínas especiais presentes na superfície interna da membrana pré-sinpática – locais de libertação; 3. Abertura dos locais de libertação através da membrana; 4. Libertação de alguns neurotransmissores das vesículas para a fenda sináptica. Função das Proteínas Receptoras A membrana do neurónio pós-sináptico contém um grande número de proteínas receptoras. As moléculas destes receptores possuem dois componentes importantes: 1. Componente de ligação, que se exterioriza, a partir da membrana, na fenda sináptica – onde se irá ligar o neurotransmissor que vem do terminal pré-sináptico; 2. Componente ionóforo, que atravessa toda a membrana póssináptica até alcançar o interior do neurónio pós-sináptico. Este componente pode ser um de dois tipos: Página 58 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica a. Canal iónico, que permite a passagem de tipos específicos de iões através da membrana; b. Activador de “segundo mensageiro”, que não é um canal iónico mas sim uma molécula que, projectando-se para o citoplasma da célula, ativa uma ou mais substâncias localizadas no interior do neurónio pós-sináptico – estas substâncias funcionam como segundos mensageiros que promovem ou aumento ou a diminuição de funções celulares específicas. Canais iónicos Os canais iónicos na membrana neuronal pós-sináptica são geralmente de dois tipos: catiónicos (permitem a passagem maioritariamente de sódio e de outros catiões como o potássio ou o cálcio) e os aniónicos (permitem a passagem principalmente de iões cloreto e também outros aniões). Os canais catiónicos são revestidos por cargas negativas – estas atraem os catiões que conseguem atravessar o canal e impedem a passagem dos aniões. Os canais aniónicos são revestidos por cargas positivas – que permitem a passagem de aniões (carga negativa) mas não de catiões (carga positiva). A substância transmissora (neurotransmissor) que abre canais catiónicos é chamada de transmissor excitatório, por outro lado, uma que abra canais aniónicos é denominada de transmissor inibitório. Quando uma substância transmissora activa um canal iónico este abre-se, quando a substância deixa de estar presente ele fecha-se. Sistema de “Segundos Mensageiros” Muitas funções do sistema nervoso requerem mudanças prolongadas nos neurónios, mesmo depois de a substância transmissora já se ter dissipado. Os canais iónicos não são capazes de provocar mudanças prolongadas no neurónio Página 59 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica pós-sináptico, porque estes canais fecham-se muito rapidamente assim que o neurotransmissor deixa de estar presente. No entanto, em muitos casos, a excitação ou inibição neuronal póssináptica prolongada é alcançada pela activação de um sistema de “segundos mensageiros” no neurónio pós-sináptico, sendo este segundo mensageiro o responsável por provocar o efeito prolongado. A figura mostra uma proteína receptora de membrana. Ligada a esta proteína receptora está uma proteína G – ligada à porção do receptor do lado de dentro da célula. A proteína G é formada por três subunidades: subunidades α (alfa), β (beta) e γ (gama). As subunidades β e γ estão ligadas tanto à subunidade α, como à parte interna da membrana celular adjacente à proteína receptora. Durante a activação por um impulso nervoso, a subunidade α separa-se das restantes subunidades, ficando livre para se mover pelo citoplasma da célula e executar uma ou mais de múltiplas funções, dependendo da característica específica de cada neurónio. Página 60 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Na figura acima estão representadas 4 das possibilidades que podem ocorrer. São elas: 1. Abertura de canais iónicos específicos na membrana da célula pós-sináptica: na figura abre-se um canal de potássio (K+) em resposta à proteína – este canal geralmente permanece aberto por um tempo prolongado, ao contrário do fecho rápido dos canais iónicos activados directamente, que não usam o sistema de segundos mensageiros 2. Activação de cAMP ou cGMP: tanto o AMP cíclico como o GMP cíclico podem activar a maquinaria metabólica altamente específica no neurónio e, sendo assim, podem iniciar qualquer um dos muitos resultados químicos, incluindo as mudanças a longo prazo na estrutura da célula que, por sua vez, alteram a excitabilidade do neurónio por longo tempo. 3. Activação de um ou mais enzimas intracelulares: a proteína G pode activar directamente um ou mais enzimas intracelulares. Por sua vez, estes enzimas podem induzir uma das muitas funções químicas específicas da célula. 4. Activação da transcrição génica: um dos efeitos mais importantes na medida em que a transcrição génica pode provocar a formação de novas proteínas dentro do neurónio, modificando, desta forma, a sua maquinaria metabólica. Modulação Ionotrópicos Receptores (neurotransmissores pós-sinápticos) Metabotrópicos Página 61 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Tanto os receptores ionotrópicos como os metabotrópicos fazem parte das sinapses excitatórias. Um receptor metabotrópico não contém um canal iónico, mas, em vez disso, está acoplado a uma proteína G que inicia cascatas de mensageiros secundários que, em última análise, afectam os canais de iões. Um receptor ionotrópico contém o canal de iões, como parte integrante do próprio. Os receptores ionotrópicos são de transmissão sináptica rápida enquanto os receptores metabotrópicos são de transmissão sináptica lenta. Facilitação. Depressão e Potenciação. A resposta de um neurónio pós-sináptico depende da que frequência e da duração com que ele foi estimulado pelo neurónio pré-sináptico. Quando o neurónio pós-sináptico recebe estímulos repetidos, havendo um aumento da resposta pós-sináptica chamamos a este fenómeno facilitação. Facilitação, potenciação pós-tetânica e potenciação a longo prazo são exemplos do aumento da eficácia da transmissão sináptica em resposta a estímulos anteriores de uma sinapse. Depressão a longo prazo é um exemplo da eficácia reduzida resultante da activação prévia da sinapse. Página 62 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Os fenómenos de potenciação e depressão são tipos de plasticidade sináptica. A plasticidade sináptica tem papel fundamental em ocasiões de danos ao cérebro. Mesmo em casos de acidentes que causam a morte de certos neurónios existe uma certa recuperação, gerada por neurónios que se adaptam e podem assim exercer funções similares às daqueles que foram perdidos. Este processo de aprendizagem mostra a capacidade do cérebro de recuperar ou adaptar-se a ocasiões Aula 18 – Regulãção neuro-endo crinã. Sistema Neuro-Endócrino O sistema neuro-endócrino é constituído pelo sistema nervoso e um conjunto de glândulas endócrinas (sistema endócrino) que se integram, formando uma unidade funcional; O sistema endócrino (produção de hormonas) de e tal nervoso forma estão que se associados denominam por vezes de sistema neuroendócrino. Células nervosas especializadas do cérebro (hipotálamo) controlam as glândulas endócrinas. O hipotálamo secreta hormonas que estimulam glândulas endócrinas a secretar outras hormonas. A sistemas função é dos dois e tipos regular de as coordenar Locais anatómicos das principais glândulas endócrinas e tecidos do corpo. Página 63 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica atividades de todos os outros sistemas do organismo. O sistema nervoso pode receber estímulos da parte interna do organismo, como a produção de hormonas pelas glândulas endócrinas (estimulantes). Hipófise É considerada a glândula mais importante do nosso organismo. A hipófise produz uma grande quantidade de hormonas, sendo algumas delas responsáveis pela regulação da actividade de outras glândulas endócrinas. Essa regulação feita por um mecanismo de feedback (negativo ou positivo). A hipófise é dividida em: adeno-hipófise (produção de hormonas) e neuro-hipófise (relacionada com o hipotálamo, armazena dois tipos de hormônios, a ocitocina e ADH ou vasopressina). O Sistema de Relógio Circadiano (“Circadian Cycle”) O ciclo circadiano designa o período de aproximadamente um dia (24 horas) sobre o qual se baseia todo o ciclo biológico do corpo humano e de qualquer outro ser vivo, influenciado pela luz solar. O ritmo circadiano regula todos os ritmos materiais bem como muitos dos ritmos psicológicos do corpo humano, com influência sobre, por exemplo, a digestão ou o estado de vigília (alerta), passando pelo crescimento e pela renovação das células, assim como a subida ou descida da temperatura. O "relógio" que processa e monitora todos estes processos encontra-se localizado numa área cerebral denominada núcleo supraquiasmático, localizado no hipotálamo na base do cérebro e acima das glândulas pituitárias. Pesquisas recentes expandiram o sentido do termo, demonstrando que os ritmos circadianos estão também relacionados às marés, ao ciclo lunar e também à dinâmica climática da Terra através das correntes eólicas e marítimas, em Página 64 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica especial se observado com relação aos animais migratórios. Dessa forma, a dinâmica circadiana não se reduz a uma questão fisiológica, mas também a uma conjuntura astronómica, geológica e ecológica. Distúrbios no ciclo circadiano Um dos distúrbios do ciclo circadiano mais notável são as insónias (“sleep-disorders”). A melatonina consiste no principal sincronizador interno do ritmo biológico e é sintetizada pela glândula pineal, tendo sua origem a partir do triptofano. A glândula pineal participa na organização temporal dos ritmos biológicos, actuando Melatonina como mediadora entre o ciclo claro/escuro ambiental e os processos regulatórios fisiológicos, incluindo a regulação endócrina da reprodução, a regulação dos ciclos de actividade-repouso e sono/vigília assim como a regulação do sistema imunológico, entre outros. No entanto, em humanos, a melatonina tem sua principal função em regular o sono; ou seja, em um ambiente escuro e calmo, os níveis de melatonina do organismo aumentam, causando o sono. A serotonina é uma molécula envolvida na comunicação entre neurónios. Esta comunicação é fundamental para a percepção e avaliação do meio e para a capacidade de resposta aos estímulos Serotonina ambientais. A serotonina parece ter funções diversas, como o controlo da liberação de algumas hormonas e a regulação do ciclo circadiano, do sono e do apetite. Página 65 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Aula 19 e 20 – Musculo esquele tico; mu sculo cãrdí ãco e mu sculo liso (cãrãcterí sticãs gerãis). Filãmentos citoplãsmã ticos. Orgãnizãçã o ãnãto micã. Plãcã motorã. Junçã o neuromusculãr. Fisiologiã dã contrãcçã o. Movimento. Tipos de fibrãs. Forçã e precisã o. Sistema Muscular O sistema muscular é o sistema biológico dos seres humanos que lhes permite mover. O sistema muscular, em vertebrados, é controlado pelo sistema nervoso, apesar de alguns músculos, como o músculo cardíaco, pode ser completamente autónomo. O músculo é tecido contráctil e a sua função é produzir força e causar o movimento – movimento de locomoção ou nos órgãos internos. Grande parte da contracção muscular ocorre sem pensamento consciente e é necessária para a sobrevivência, como a contracção do coração e peristaltismo (que empurra alimento através do sistema digestivo). A contracção muscular voluntária é usada para mover o corpo e pode ser controlado minuciosamente, como os movimentos dos dedos. O músculo é composto por fibras musculares. Dentro das células são miofibrilas – estas contêm filamentos de actina e miosina. Pode-se dizer que, no geral, existem 3 tipos de músculo: músculo esquelético, músculo liso e músculo cardíaco. O músculo esquelético pode ser definido como músculo estriado voluntário que é geralmente ligado a um ou mais ossos. Este músculo diz-se voluntário, pois é geralmente sujeito a um controlo voluntário (podemos decidir quando contrair um músculo esquelético) e diz-se estriado porque exibe um Página 66 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica padrão microscópico de bandas alternadas claras e escuras. Devido ao seu comprimento extraordinário, as células do músculo esquelético são geralmente chamadas fibras musculares ou miofibrilhas. Estas miofibras são constituídas por filamentos de actina e miosina. Músculo esquelético. O músculo cardíaco também é estriado, mas é involuntário (não está normalmente sob controlo consciente). As suas células não são fibrosas em forma, pelo que são chamados cardiócitos ou miócitos, em vez de fibras. Músculo cardíaco. O músculo liso também é involuntário, e, ao contrário do músculo esquelético e cardíaco, carece de estrias, daí a descrição de liso. As suas células também são chamadas de miócitos, mas são fusiforme em forma - grossa no meio e delgada nas extremidades. Músculo liso. Página 67 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Organização Anatómica Músculo Esquelético Página 68 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Músculo Liso Músculo Cardíaco Página 69 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Excitação do Músculo Esquelético – Junção neuromuscular Cada terminação nervosa faz uma junção, chamada junção neuromuscular, com a fibra muscular próxima desta. O potencial de acção, iniciado na fibra muscular pelo sinal nervoso, viaja em ambas as direcções, até às extremidades da fibra muscular. Esta figura mostra a junção neuromuscular de uma grande fibra nervosa mielinizadas com uma fibra muscular esquelética. A fibra nervosa forma um complexo de terminais nervosos ramificados que se invaginam na superfície extracelular da fibra muscular. Toda a estrutura é denominada placa motora. Esta é recoberta por uma ou mais células de Shawn que a isolam dos líquidos circundantes. Página 70 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Esta figura é um esquema que mostra a junção neuromuscular entre um terminal de um axónio e a membrana da fibra muscular. No terminal axonal existem muitos mitocôndrios que fornecem ATP para a síntese de um neurotransmissor excitatório – a acetilcolina. A acetilcolina, por sua vez, excita a membrana da fibra muscular. A acetilcolina é sintetizada no citoplasma do terminal, mas é absorvida rapidamente por vesículas sinápticas, as quais se encontram normalmente nos terminais de uma única placa motora. Na fenda sináptica há grandes quantidades do enzima acetilcolinesterase, que destrói a acetilcolina pouco tempo após (na ordem dos milisegundos) esta ter sido libertada das vesículas sinápticas. Fisiologia da Contração A a fisiologia da contração muscular ocorre por várias etapas: 1. Um potencial de ação “viaja” ao longo de um nervo motor até às suas terminações nas fibras musculares; 2. Em cada terminação, o nervo secreta uma pequena quantidade de substância neurotransmissora, a acetilcolina; 3. Essa acetilcolina actua sobre uma área localizada na membrana da fibra muscular, abrindo numerosos canais acetilcolina-dependentes dentro de moléculas proteicas na membrana da fibra muscular; 4. A abertura destes canais permite que uma grande quantidade de iões sódio passe para dentro da membrana da fibra muscular no ponto terminal neural. Isso desencadeia um potencial de ação na fibra muscular; Página 71 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica 5. O potencial de ação prolonga-se ao longo da membrana da fibra muscular da mesma forma como o potencial de ação se prolonga pelas membranas neurais; 6. O potencial de ação despolariza a membrana da fibra muscular e o retículo sarcoplasmático liberta para as miofibrilhas uma grande quantidade de iões cálcio, que estavam armazenados no interior do retículo sarcoplasmático; 7. Os iões cálcio provocam grandes forças atrativas entre os filamentos de actina e miosina, fazendo com que eles deslizem entre si, o que constitui o processo contrátil; 8. Após uma pequena fracção de segundos, os iões cálcio são bombeados de volta para o retículo sarcoplasmático, onde permanecem armazenados até que um novo potencial de ação chegue; essa remoção dos iões cálcio da vizinhança das miofibrilhaspõe fim à contração. O mecanismo da contração muscular é demonstrado pela teoria dos filamentos deslizantes. Uma série de hipóteses é admitida para explicar como é que os filamentos deslizantes desenvolvem uma tensão e se encurtam. Uma delas é a seguinte: 1. Com o sítio de ligação de ATP livre, a miosina liga-se fortemente à actina; 2. Quando uma molécula de ATP se liga à miosina, a conformação da miosina e o sítio de ligação se tornam instáveis libertando a actina; 3. Quando a miosina liberta a actina, o ATP é parcialmente hidrolizado (transformando-se em ADP); 4. A religação com a actina provoca a libertação do ADP e a miosina altera-se novamente voltando a posição de início, pronta para mais um ciclo. Existem 3 tipos de contracção: a) Isométrica: contração em que o comprimento externo do músculo não se altera, pois a força gerada pelo músculo é insuficiente para mover a carga à qual está fixado; Página 72 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica b) Lenghtening (ou alongamento): o músculo aumenta conforme aumenta a tensão nos músculos, como quando se diminui lentamente o peso. As fibras musculares deslizam paralelamente uma à outra resultando na total alongamento do músculo. c) Shortening (ou encurtamento): o músculo encurta à medida que a tensão no músculo aumenta, como quando se levanta um peso. Músculo Esquelético A contração muscular esquelética acontece quando há uma interação das proteínas contráteis de actina e miosina, que ocorre na presença de iões de cálcio intracelulares e energia (ATP). A disponibilidade de energia para a contração vem por meio da hidrólise de ATP, e o cálcio é libertado pelo retículo sarcoplasmático (RS) quando estimulado pela despolarização. A ligação de um impulso neural gerado no sistema nervoso central a uma contração muscular esquelética distante é denominada acoplamento excitaçãocontração. A figura mostra o acoplamento excitação-contração, mostrande em primeiro lugar um potencial de acção que causa a libertação de iões cálcio do retículo sarcoplasmático e, em seguida, a recaptação destes iões por uma bomba de cálcio. Página 73 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Músculo Liso Base Química para a Contração do Músculo Liso O músculo liso é constituído tanto por filamentos de actina como filamentos de miosina, com características químicas semelhantes às dos mesmos filamentos mas no músculo esquelético. No entanto, o músculo liso não contém o complexo de troponina normal que é necessário no controlo da contração do músculo esquelético. Por isso o mecanismo de controlo da contração é diferente no músculo liso. Mesmo assim, em ambos os tipos de músculos, o processo contráctil é activado por iões cálcio, e o ATP é degradado a ADP que irá fornecer energia para a contração. No entanto, existem diferenças importantes na organização física do músculo liso e do músculo esquelético. Base Física para a Contração do Músculo Liso O músculo liso não tem o mesmo arranjo estriado dos filamentos de actina e de miosina que são encontrados no músculo esquelético. Em vez disso, a organização física do músculo liso é a que se segue na figura. Alguns dos corpos densos na membrana de células adjacentes estão conectados por pontes intercelulares de proteínas. É principalmente através destas conexões que a força da contracção é transmitida de uma célula para outra. Página 74 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Músculo Cardíaco Como ocorre com os músculos esqueléticos, ao propagar-se pela membrana do músculo cardíaco, o potencial de ação também se dissemina para o interior da fibra muscular cardíaca, pelas membranas dos túbulos T. Os potenciais de ação dos túbulos T, por sua vez, actuam sobre as membranas dos túbulos sarcoplasmáticos, causando a libertação instantânea de quantidades muito elevadas de iões cálcio do retículo sarcoplasmático para o sarcoplasma muscular. Esses iões cálcio difundem-se até as miofibrilhas e catalisam as reações químicas que promovem o deslizamento dos filamentos de actina e miosina uns pelos outros – produzindo a contração muscular. Até aqui, este mecanismo de acoplamento excitação-contração é como o que ocorre no músculo esquelético, mas há um segundo efeito que é bem diferente. Além dos iões cálcio libertados no sarcoplasma, grande quantidade destes iões (extra) também se difunde dos túbulos T para o sarcoplasma por meio do potencial de ação. Na verdade, sem esse cálcio extra dos túbulos T, a força de contração do músculo cardíaco seria consideravelmente reduzida, porque o retículo sarcoplasmático do músculo cardíaco não é tão desenvolvido quanto o dos músculos esqueléticos e não armazena cálcio suficiente para proporcionar contração completa. Por outro lado, os túbulos T do músculo cardíaco têm maior diâmetro que o dos túbulos dos músculos esqueléticos e da mesma forma, há no interior dos túbulos T grande quantidade de mucopolissacarídeos eletronegativamente carregados que servem de reserva de iões cálcio, mantendo-os sempre disponíveis para a difusão para dentro da fibra muscular cardíaca ao ocorrer o potencial de ação dos túbulos T. Página 75 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica A força de contração do músculo cardíaco depende, em grande parte, da concentração de iões cálcio nos líquidos extracelulares. Ao final do platô do potencial de ação, o influxo de iões cálcio para o interior das fibras musculares é interrompido subitamente e os iões cálcio presentes no sarcoplasma são rapidamente bombeados de volta tanto para o retículo sarcoplasmático como para os túbulos T. Em consequência, a contração cessa até que ocorra novo potencial de ação. Papel dos iões cálcio na contração muscular Os iões Ca2+ são importantes para o acoplamento electro-mecânico (acoplamento de excitação-contração): 1. Condução do potencial de acção pelo sarcolema; 2. Despolarização dos túbulos T; 3. Abertura dos canais de Ca2+ do retículo sarcoplasmático; 4. Difusão dos iões Ca2+; 5. Aumento da concentração dos iões Ca2+ no micoplasma; 6. Início da contracção muscular. Após a chegada do potencial de acção, há a libertação de acetilcolina que se traduz em potencial de placa ocorrendo a despolarização da membrana, permitindo a abertura dos canais de Na+. Como a quantidade de iões Ca2+ é muito elevada sarcoplasmático, todos os gradientes de iões Ca 2+ dentro do retículo favorecem a saída destes iões para o citoplasma (de dentro do retículo sarcoplasmático para o citoplasma). Como as cisternas do retículo sarcoplasmático estão próximas, os iões Ca 2+ ligam-se à troponina C e os filamentos de actina e miosina interagem, permitindo a contracção. Página 76 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Deste modo, a presença ou a ausência destes iões permite a despolarização da membrana plasmática. Após a contracção, é necessário que estes iões desapareçam do citoplasma para que possa haver nova contracção. Assim, na membrana há sistemas para a troca de iões Na + e Ca2+, bombas de Ca2+ e também há a possibilidade destes iões serem ligados no retículo sarcoplasmático pela calreticulina e calsequestrina que sequestram os iões para dentro do retículo sarcoplasmático, diminuindo a quantidade de iões Ca 2+ livre. O potencial de acção propaga-se pela membrana. Assim, na presença de iões cálcio, o cálcio liga-se aos locais de ligação da troponina C. Há uma alteração conformacional, permitindo a ligação da miosina. A miosina também tem locais para a ligação do ATP. Na presença de ATP, a miosina desliga-se da actina e o ATP é hidrolisado, havendo a libertação de ADP e fosfato inorgânico. Esta é a energia que se traduz em movimento. Após a libertação do fosfato inorgânico, quando o ADP se desliga, há uma contracção/movimento. Aula 21 – Sistemã cãrdiovãsculãr: Corãçã o e Ciclo cãrdí ãco. Eletrocãrdiogrãmã. Regulãçã o nervosã do bãtimento cãrdíãco. Sistema Cardiovascular Trata-se de um sistema fechado e distributivo. Este sistema é constituído por duas partes: Menor fracção de sangue existente; Maior fracção de sangue existente. O sangue está na maior parte do tempo em reservatórios. As "câmaras" de recepção de sangue são as aurículas e as "câmaras" de ejecção de sangue são os ventrículos. O volume de distribuição de sangue nos diferentes compartimentos depende da actividade. Página 77 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica A circulação sistémica ("grande circulação") é diferentes da circulação pulmonar ("pequena circulação"). A circulação sistémica é a que envolve a circulação sanguínea por todo o corpo. Neste circuito, o sangue arterial sai do coração e dirige-se para todos os órgãos, regressando como sangue venoso ao coração. O circuito sistémico inicia-se no ventrículo esquerdo, cujo contrac-ção faz sair o sangue arterial do coração pela artéria aorta, dirigindo-se para todo o corpo. Ao nível dos tecidos, o sangue arterial transforma-se em sangue venoso e regressa ao coração, para a aurícula direita, através das veias cavas. A circulação pulmonar ("pequena circulação") ocorre a baixas pressões. Esta circulação ocorre entre o coração e os pulmões. Neste circuito, o sangue venoso sai do coração para os pulmões, é oxigenado e regressa ao coração como sangue arterial. Esta circulação inicia-se no ventrículo direito. Quando o ventrículo direito contrai, o sangue venoso sai do coração através da artéria pulmonar e dirige-se aos pulmões. Uma vez nos pulmões, o sangue venoso é oxigenado, transformando-se em sangue arterial e regressa, através das veias pulmonares, ao coração entrando pela aurícula esquerda. Coração O coração é composto por 3 tipos principais atrial, de o músculo: músculo músculo ventricular e as fibras especializadas excitatórias e condutoras. músculo Os e tipos de atrial ventricular contraem-se quase como os músculos esqueléticos, mas com uma maior duração da contração. Por outro lado, as fibras excitatórias e as de condução contraem-se fracamente por possuirem poucas fibras contrácteis. No entanto, elas apresentam descargas elétricas ritmicas automáticas, na forma Página 78 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica de potencial de ação, ou fazem a condução desse potencial pelo coração, representando o sistema excitatório que controla os batimentos cardíacos (ritmicos). Ciclo Cardíaco Chama-se ciclo cardíaco ao conjunto de eventos cardíacos que ocorrem entre o inicio de um batimento e o inicio do proximo, sendo que cada ciclo é iniciado pela geração espontânea de um potencial de ação. O ciclo cardíaco consiste num período de relaxamento – diástole – durante o qual o coração se enche de sangue, seguindo-se um período de contração – sístole – que provoca a saída do sangue da aurícula para o ventrículo ou da cavidade para as artérias. Eventos do ciclo cardíaco para o funcionamento do ventrículo esquerdo, mostrando as variações de pressão na aurícula esquerda, na pressão do ventrículo esquerdo, na pressão da aorta, no volume ventricular, no eletrocardiograma e no fonocardiograma. Página 79 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Electrocardiograma O electrocardiograma da figura anterior mostra as ondas P, Q, R, S e T. Estas ondas são voltagens elétricas geradas pelo coração e que são registadas pelo electrocardiógrafo na superfície do corpo. A onda P corresponde à despolarização atrial, sendo a sua primeira componente relativa à aurícula direita e a segunda relativa à aurícula esquerda ( a sua sobreposição gera uma morfologia tipicamente arredondada). O complexo QRS corresponde a despolarização ventricular. É maior que a onda P pois a massa muscular dos ventrículos é maior que a das aurículas, sendo os sinais gerados pela despolarização ventricular mais fortes do que os sinais gerados pela repolarização atrial. A onda T corresponde à repolarização dos ventrículos – quando as suas fibras musculares começam a relaxar. Output Cardíaco Regulação Nervosa do Batimento Cardíaco Quando uma pessoa se encontra em repouso, o coração bombeia apenas 4 a 6 litros de sangue por minuto. No entanto, durantte exercício físico intenso pode ser necessário que o coração bombeio 4 a 7 vezes mais essa quantidade. Página 80 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Os meios básicos da regulação do volume bombeado são: (1) regulação cardíaca intrinseca e (2) controlo da frequência cardíaca e força do bombeamento pelo sistema nervoso autónomo (simpático e parassimpático). Regulação Intrínseca do Batimento Cardíaco (Mecanismo de Frank-Starling) Cada tecido periférico do corpo controla o seu fluxo local de sangue, e todos os fluxos locais se combinam e retornam, pelas veias, para a aurícula diretita – compondo o retorno venoso. O coração, por sua vez, bombeia automaticamente esse sangue que chegou até ele para as artérias, para que volte a circular. Esta capacidade intrínseca do coração se adaptar a volumes crescentes de afluxo sanguíneo é conhecida como mecanismo de Frank-Starling. Basicamente, este mecanismo afirma que quanto mais o miocárdio for distendido durante o enchimento, maior será a força da contração e maior a quantidade de sangue bombeada para a aorta. Por outras palavras, pode dizer-se que, dentro dos limites fisiológicos, o coração bombeia todo o sangue que a ele retorna pelas veias. Uma das melhores maneiras de expressar a capacidade funcional dos ventrículos para bombear o sangue é por meio de curvas de função ventricular. Na curva de trabalho sistólico, à medida que a pressão atrial aumenta em qualquer dos lados do coração, o trabalho sistólico desse mesmo lado também aumenta, até alcançar o seu limite de capacidade de bombeamento ventricular. Curva de trabalho sistólico. Página 81 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica As duas curvas presentes na figura da curva de volume ventricular representam a função de ambos os ventrículos do coração humano. Pode-se ver que quando se elevam as pressões atriais da esquerda e da direita, o volume ventricular por minuto respectivo também aumenta. Curva de volume ventricular. Pode-se dizer que as curvas de função ventricular são outra forma de representar o mecanismo de Frank-Starling, isto é, enquanto os ventrículos se enchem em resposta a maiores pressões atrais, o volume de cada ventrículo e a força da contração cardíaca também se elevam, levando o coração a bombear maiores quantidades de sangue para as artérias. Controlo do Coração pelo Sistema Autónomo A cardíaco nervos (vagos), é eficácia também e do bombeamento pelos controlada simpáticos que parassimpáticos de forma inervam, abundante, o coração – como se pode ver na figura ao lado. Para determinados níveis de pressão de afluxo atrial, a quantidade de sangue bombeado a cada minuto (output cardíaco), com uma dada frequência, pode ser aumentada pelo estímulo simpático ou diminuida pelo estimulo parassimpático. Página 82 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Os estímulos simpáticos aumentam a força de contração cardíaca até ao dobro da normal, aumentando, deste modo, o volume bombeado de sangue assim como a sua pressão de ejecção. A forte estimulação das fibras nervosas parassimpáticas dos nervos vagos do coração pode chegar a parar os batimentos por alguns segundos, mas o coração recupera, mesmo se o estímulo parassimpático continuar. Efeito destes estímulos na curva da função cardíaca Esta figura mostra 4 curvas de função cardíaca que representam o funcionamento do coração como um todo e não de um ventrículo isolado. Estas curvas mostram também a relação entre a pressão da aurícula direita e o output cardíaco. Estas curvas demonstram que, para qualquer pressão atrial inicial, o output cardíaco sobe durante os maiores estímulos simpáticos, e cai durante estímulos parassimpáticos intensos. Página 83 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Aula 22 – Vãsos sãnguí neos. Trocãs cãpilãres. Sistemã linfã tico. Vasos Sanguíneos e Trocas Capilares Os ou vasos capilares capilares, sanguíneos, são vasos sanguíneos do sistema circulatório com forma de tubos e constituem a rede de distribuição e recolhimento do sangue nas células. Estes vasos estão em comunicação, por um lado, com ramificações originárias das artérias e, por outro, com as veias de menor dimensão. Os capilares existem em grande quantidade no nosso corpo mas podem deformar-se com muita facilidade e impedir a passagem de glóbulos vermelhos. A parede dos capilares é constituída por uma única camada de células endotoliais.. É nas paredes dos capilares que ocorrem as trocas gasosas (trocas capilares). Trocas capilares Quando o sangue chega ao vaso capilar, do ponto de vista químico, os gradientes são de difusão. As diferenças de pressão hidrostática são as forças que permitem a saída de sangue. Somando as forças de entrada e de saída, no terminal arterial é favorecida a saída e no terminal venoso é favorecida a entrada. Vasodilatação: pressão hidrostática maior - favorece a saída de sangue. Página 84 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Vasoconstrição: pressão hidrostática menor - favorece a entrada de sangue. Sistema Linfático Devido ao retorno sanguíneo é o sistema linfático é outro dos sistemas importantes que acompanha o sistema cardiovascular (ao transportar de novo a linfa). Trata-se de um sistema de baixas pressões que tem válvulas que fazem com que o fluxo siga num determinado sentido. Quando há um aumento da pressão estas válvulas abrem. O sistema linfático é uma rede complexa de vasos e pequenas estruturas chamadas de nódulos linfáticos que transportam o fluido linfático (linfa) dos tecidos de volta para o sistema circulatório. Página 85 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Aula 23 e 24 – Sistemã respirãto rio. Mecãnismo respirãto rio e suã regulãçã o. Trocãs gãsosãs no pulmã o. Composiçã o gãsosã ãrteriãl e venosã do sãngue. Hemoglobinã. Controlo respirãto rio. Sistema Respiratório O sistema respiratório é o conjunto de órgãos trocas responsáveis pelas gasosas do organismo dos animais com o meio ambiente ou seja a hematose pulmonar, possibilitando celular. Nos vertebrados terrestres, o sistema respiratório é fundamentalmente formado por dois pulmões. Mas nos animais aquáticos, como peixes e moluscos, o sistema baseia-se nos brânquios, enquanto nos artrópodes terrestres, a respiração é assegurada por um sistema de traqueias. O sistema respiratótio, juntamente com o sistema cardiovascular, fornece oxigénio a todas as células do corpo; remove o CO2 produzido; está envolvido na manutenção do pH do sangue e do fluido extracelular e ajuda o sistema linfático na eliminação de patogénicos. O nariz e a cavidade nasal são as duas cavidades por onde o ar entra e são também denominadas de fossas nasais. São separadas por uma cartilagem chamada cartilagem do septo, formando o septo nasal. Os pêlos (cílios no epitélio nasal) no interior do nariz retêm as partículas que entram juntamente com o ar. É composto de células ciliadas e produtoras de muco. O teto da cavidade nasal possui células com função olfativa. Nesta região, a mucosa é bem irrigada e aquece o ar inalado. A faringe pertence tanto ao sistema respiratório como ao sistema digestório. Antes de ir para a laringe, o ar inspirado pelo nariz passa pela faringe. Página 86 de 110 a respiração Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica A laringe é um tubo cartilaginoso (epiglote) de forma irregular que conecta a faringe com a traquéia. A epiglote desvia os alimentos das vias respiratórias para o esófago. Na laringe encontramos também as cordas vocais. A traqueia é um tubo não rígido que não colapsa devido aos anéis cartilagíneos. Trata-se de um epitélio com células ciliadas embebidas num líquido secretado pelo epitélio. Há dois pulmões – o pulmão direito é maior que o pulmão esquerdo, porque o pulmão esquerdo acomoda o coração. A estrutura alveolar dos pulmões fica cheia de ar. Entre o ar nos alvéolos e o oxigénio e o CO 2 está uma membrana com uma espessura muito fina. A pressão parcial do oxigénio é maior nos pulmões para que seja possível que este gás passe para os capilares que contêm glóbulos vermelhos, onde a pressão parcial de oxigénio é menor. A pleura é uma membrana com dupla camada que contém um líquido e está a pressões negativas. As camadas da pleura são: Camada visceral: separa os alvéolos pulmonares; Camada parietal: reveste a parte interna (muscular) da caixa toráxica. Página 87 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Mecanismo Respiratório e sua Regulação O estudo da respiração pode dividir-se em 4 partes: 1. Ventilação pulmonar/respiração: consiste numa renovação contínua do ar presente no interior dos alvéolos, produzida pelos movimentos respiratórios (inspiratórios e expiratórios) 2. Trocas Gasosas: difusão do oxigénio e do dióxido de carbono entre sangue e alvéolos e transporte do oxigénio e do dióxido de carbono. 3. Regulação da respiração. Mecanismo Respiratório – Ventilação pulmonar 1. O ar é filtrado e aquecido ao entrar pelas fossas nasais, sendo que as partículas poluentes são retidas pelos cílios; 2. O ar desce pela faringe e pela laringe e segue até à traqueia; 3. O ar é puxado para dentro e para baixo com a contracção do diafragma – caixa toráxica abre (inspiração); 4. Os bronquíolos conduzem o ar aos alvéolos através dos capilares sanguíneos; 5. O diafragma relaxa e o pulmão contrai (expiração) fazendo com que o ar saia. A capacidade pulmonar é o volume total de ar que cabe no sistema respiratório e corresponde, num adulto, a mais ou menos 6 litros. Apesar desse volume, a cada movimento respiratório normal de uma pessoa em repouso, os pulmões trocam com o meio exterior apenas 0,5 litro de ar, que é chamado de volume ou ar corrente. Na realidade, só cerca de 70% desse volume chega aos alvéolos, ficando o restante nas vias aéreas (traquéia, brônquios), o chamado espaço morto, pois aí não há trocas gasosas. Página 88 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Ao realizar uma inspiração forçada e em seguida uma expiração também forçada, máxima, o volume de ar que expelimos pode chegar a cerca de 4,5 ou 5 litros. Esse volume é a capacidade vital. No entanto, mesmo uma expiração forçada, por mais intensa que seja, não permite um esvaziamento completo dos pulmões, sobrando sempre neles um certo volume de ar residual, cerca de 1,2, a 1,5 litros. Trocas Gasosas As trocas gasosas realizam-se nos alvéolos pulmonares. Estes estão rodeados pelos capilares da circulação pulmonar. A sua ansa aferente contém sangue pobre em oxigénio (O2) e rico em dióxido de carbono (CO2) transportados pelas artérias pulmonares, provenientes do ventrículo direito. Durante a sua passagem pelos capilares pulmonares, o sangue carregarse-á de oxigénio num período de tempo muito curto. Ao mesmo tempo, o CO 2 difunde -se no sentido inverso sendo eliminado pela expiração. Às trocas de CO2 e O2 chama-se trocas gasosas. Após as trocas, a ansa eferente dos capilares conterá um sangue rico em O 2 e pobre em CO2 que será transportado para a aurícula esquerda pelas veias pulmonares e seguidamente pela aorta para distribuir oxigénio aos órgãos e tecidos. Uma das funções do sistema circulatório é transportar, através do sangue, oxigénio para todas as células do organismo. Assim, o sangue que deixa o coração pelas artérias é rico em oxigénio, chamado de arterial. À medida que o oxigénio vai sendo consumido, o sangue adquire dióxido de carbono, sendo chamado, nesse estado, de sangue venoso. O sangue venoso retorna ao coração e é enviado aos pulmões para que, no processo de respiração, troque o dióxido de carbono pelo oxigénio. Nas trocas gasosas os alvéolos estão abertos. No entanto, devido a estes serem revestidos internamente por uma delgada camada de líquidos, mantê-los abertos é uma tarefa difícil, pois as forças atractivas entre as moléculas Página 89 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica adjacentes do líquido são mais fortes que as forças atractivas entre moléculas do líquido de gás nos alvéolos, o que cria tensão superficial. Tensão superficial Sendo T = tensão superficial e P = Pressão. Quando o raio é muito pequeno, é necessário aumentar a pressão dentro dos alvéolos para que estes não colapsem. Em situações normais a pressão na circulação pulmonar é mais baixa do que na circulação sistémica. Tendo em conta as trocas gasosas, os alvéolos devem ser o mais pequenos possível, para aumentar sua área total de superfície. Esse conflito é resolvido por uma substância chamada surfactante (mistura de fosfolípidos que recobre a superfície interna dos alvéolos, diminuindo a tensão superficial). O oxigénio transportado depende de quantidade de hemoglobina existente. Hemoglobina Metaloproteína que contém ferro e que se encontra presente nos glóbulos vermelhos (eritrócitos) e que permite o transporte de oxigénio pelo sistema circulatório. Página 90 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica a) Efeito de Bohr Este efeito tem a ver com a afinidade da hemoglobina para o oxigénio, dependendo do pH e CO2. O aumento da pressão parcial de CO2 e/ou a diminuição do pH favorecem a libertação do oxigénio da hemoglobina. O aumento do pH provoca a retenção do oxigénio na hemoglobina. b) Efeito de Haldane Este efeito tem a ver com o papel do oxigénio na afinidade da hemoglobina para o CO2. Quando a pressão parcial de oxigénio aumenta, a quantidade de CO 2 ligado à hemoglobina diminui e aumenta a quantidade de oxigénio ligado à hemoglobina. O CO2 nos tecidos passa para o glóbulo vermelho. Uma vez dentro do glóbulo vermelho, dissolve-se e se estiver presente o enzima anidrase carbónico, forma-se o ião bicarbonato (o processo é rápido). Se a quantidade deste ião aumentar, a proteína faz a troca entre o ião bicarbonato (que vai para o citoplasma) e o ião cloreto. Assim, ocorre o que se designa por shift de cloreto. Consequentemente, há um aumento do volume do glóbulo vermelho (pois o ião cloreto é um ião com um grande raio atómico) e há um aumento da pressão osmótica. Regulação da Respiração Normalmente o Sistema Nervoso ajusta de modo exacto a ventilação às necessidades do organismo de modo que as pressões parciais de O2 e CO2 no sangue arterial se alteram muito pouco, mesmo durante exercício intenso e nas situações em que a capacidade do sistema respiratório é exigida ao máximo. Página 91 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica O centro respiratório (CR) é composto por vários neurónios localizados bilateralmente no bolbo e no tronco cerebral e subdivididos em três grupos: 1. Grupo respiratório dorsal – responsável principalmente pelas inspirações; 2. Grupo respiratório ventral – pode causar tanto inspirações como expirações, dependendo dos neurónios estimulados; 3. Centro pneumotáxico – que auxilia no controle da frequência respiratória e do padrão da ventilação. O CR é altamente sensível às variações das pressões parciais de O 2 e CO2. Inúmeros quimiorreceptores distribuídos pelo organismo e receptores localizados no próprio CR, são responsáveis por captar essas informações e encaminhá-las até o sistema nervoso. Além disso, o CR é sensível às variações nas concentrações de iões H+ e HCO3-. Os receptores localizados no próprio CR (área quimiossensível) detectam variações principalmente nas concentrações de iões H+ e na pCO2. Assim, quando a [H+] ou a pCO2 aumenta o CR é estimulado directamente e causa um aumento da ventilação, com o intuito de aumentar a eliminação de CO2 e normalizar a sua pressão parcial e indirectamente, o pH sanguíneo. Além do estímulo directo do CR existe outro modo de se controlar a actividade respiratória – sistema de quimioreceptores periféricos distribuídos principalmente em diversas áreas fora do SNC sendo especialmente sensíveis às variações da pO2. Página 92 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Quando há ↓pO2 e ↑pCO2 e [H+] (como no início do exercício) os quimioreceptores detectam essa diminuição da pO2 e causam uma estimulação da respiração, para atender às novas demandas do organismo. Quando a pO2 diminui mas as pCO2 e [H+] permanecem normais (como ocorre quando o indivíduo respira ar rarefeito) as alterações da ventilação são menores do que se esperaria. Isto ocorre porque ao estimular a respiração eleva-se a pO2, mas por outro lado, a pCO2 e a [H+] diminuem podendo levar a uma alteração do pH sanguíneo. Portanto, a estimulação feita pelo O2 sofre uma oposição pelo CO2 que se encontra normal, reduzindo os efeitos do O 2 sobre a respiração. Quando a troca gasosa está comprometida (pneumonia, por exemplo) a quantidade de O2 que se difunde para o sangue é pequena, porém, as quantidades de CO2 e H+ permanecem próximas dos seus valores normais. Nesses casos, a estimulação da respiração desencadeada pela baixa pO 2 não sofre oposição da pCO2 já que também a eliminação desse gás fica comprometida devido às alterações da barreira alvéolo-capilar. Aula 25 – Rim: ãnãtomiã do nefro nio. Fluxo sãnguí neo renãl e filtrãgem glomerulãr. Mecãnismos de ãuto-regulãçã o. Noçã o de "cleãrãnce". Rim O rim é o principal órgão do sistema excretor e osmorregulador dos vertebrados. Os rins filtram produtos do metabolismo de aminoácidos (especialmente ureia) do sangue, e excretam-nos, com água, na urina; a urina sai dos rins através dos ureteres, para a bexiga. Para além de excretar substâncias tóxicas, os rins também desempenham muitas outras funções, como por exemplo: 1. Eliminar substâncias tóxicas oriundas do metabolismo, como a ureia; Página 93 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica 2. Manter o equilíbrio de eletrólitos no corpo humano, tais como: sódio, potássio, cálcio, hidrogénio, cloro e outros; 3. Regular o equilíbrio ácido-base, mantendo constante o pH sanguíneo; 4. Regular a osmolaridade e volume de líquido corporal eliminando o excesso de água do organismo; 5. Excreção de substâncias exógenas como por exemplo medicações e antibióticos; 6. Produção de hormonas: eritropoietina (estimula a produção de hemácias), aldosterona (eleva a pressão arterial), cianinas e prostaglandinas; 7. Produção de urina para exercer as suas funções excretórias. Anatomia do nefrónio Nos rins, a estrutura mais importante é o nefrónio. Este é capaz de eliminar resíduos do metabolismo do sangue, manter o equilíbrio de eletrólitos e ácido-base do corpo humano, controlar a quantidade de líquidos no organismo, regular a pressão arterial e secretar hormonas, além de produzir a urina. Por esse motivo dizemos que o nefrónio é a unidade funcional do rim, pois apenas um nefrónio é capaz de realizar todas as funções renais. Cada rim contém milhares de nefrónios. Cada nefrónio contém um grupo de capilares glomerulares chamado de glomérulo (onde ocorre a filtração) e um longo túbulo, no qual o líquido filtrado é convertido em urina. O glomérulo contém uma rede de capilares glomerulares que se unificam. Estes capilares são cobertos por células epiteliais e todo o glomérulo está envolvido pela cápsula de Bowman. O líquido filtrado dos capilares glomerulares flui para o interior da cápsula de Bowman e daí para o interior do túbulo proximal, que se situa na zona cortical renal. Página 94 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica A partir do túbulo proximal, o líquido flui para o interior da ansa de Henle, a qual “mergulha” no interior da medula renal. Cada ansa de Henle contém um ramo ascendente (com uma porção mais grossa e outra mais fina) e um ramo descendente. No final da porção espessa do ramo ascendente da ansa de Henle encontra-se a mácula densa (importante no controlo da função do nefrónio). Depois da mácula densa, o líquido entra no túbulo distal que, como o túbulo proximal, se situa no córtex renal. Este é seguido pelo túbulo conector e colector cortical que levam ao ducto colector medular. Fluxo Sanguíneo Renal e Filtração Glomerular Filtração Glomerular A filtração glomerular é o primeiro passo da formação da urina. O sangue arterial é conduzido sob alta pressão nos capilares do glomérulo. Essa pressão, que normalmente é de 70-80 mmHg, tem intensidade suficiente para que parte do plasma passe para a cápsula de Bowman, onde as substâncias pequenas - água, sais, vitaminas, açúcares, aminoácidos - saem do glomérulo e entram na cápsula de Bowman. Somente as células sanguíneas (não é possível filtrar) e as proteínas (devido ao seu tamanho que é grande) não vão ser filtradas. Deste processo resulta um líquido que recebe o nome de filtrado glomerular. Esta filtração glomerular é um processo passivo que depende da interacção de dois tipos de forças antagónicas: a) Pressão hidrostática: a pressão do líquido em cada compartimento (nos capilares glomerulares e no espaço urinário); b) Pressão coloidosmótica: o poder de absorção de água das proteínas presentes no plasma e cujo tamanho não lhes permite atravessar as Página 95 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica paredes dos capilares do glomérulo – por isso têm tendência para reter líquidos no sangue. Taxa de Filtração Glomerular (TFG) As forças que determinam a taxa de filtração glomerular são as mesmas que determinam a troca de fluidos entre os capilares sistémicos e o fluido intersticial: 1. Pressão hidrostática do sangue nos capilares glomerulares; 2. Pressão coleidosmótica do sangue nos capilares glomerulares; 3. Pressão hidrostática do filtrado glomerular na cápsula de Bowman; 4. Pressão coleidosmótica do filtrado glomerular na cápsula de Bowman. A interacção destas forças provoca uma determinada pressão de filtração, que se traduz na passagem de água e de múltiplas substâncias de minúsculo tamanho dissolvidas no plasma sanguíneo para o interior do espaço urinário. Todavia, as substâncias de maior dimensão, como as proteínas e as células sanguíneas, não conseguem atravessar a membrana dos capilares e, por conseguinte, permanecem sempre no sangue. A passagem do fluido plasmático faz-se através da Barreira de filtração que separa o sangue no lúmen dos capilares glomerulares do espaço urinário da cápsula de Bowman. Fluxo Sanguíneo Renal O fluxo sanguíneo renal (FSR) refere-se ao ritmo em que o sangue flui para os rins. Num homem de 70 Kg, o fluxo sanguíneo para ambos os rins é de 1100 mL/min, ou seja, aproximadamente 22% do output cardíaco. O fluxo sanguíneo supre os rins com nutrientes e remove produtos indesejáveis. No entanto, o fluxo Página 96 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica alto para os rins excede, em muito, esta necessidade. O propósito deste fluxo adicional é suprir plasma suficiente para se ter altas taxas de filtração glomerular que são necessárias para a regulação precisa dos volumes de líquidos corporais e concentrações de solutos. Os mecanismos que regulam o fluxo sanguíneo renal estão intimamente ligados ao controlo da taxa de filtração glomerular e às funções excretoras dos rins. Mecanismos de Auto-regulação Os mecanismos intrínsecos ao rim normalmente mantêm constantes o fluxo sanguíneo renal e a taxa de filtração glomerular, independentemente das oscilações de pressão arterial. Estes mecanismos ainda funcionam em rins profundidos com sangue, após serem retirados do corpo, ou seja, actuam independentemente de interferências sistémicas. A esta constância interna é que se denomina autoregulação. Os mecanismos de auto-regulação actuam no sentido de preservar a taxa de filtração glomerular e o fluxo sanguíneo renal em valores constantes, para que se possa realizar com precisão a excreção renal de água e solutos. Os mecanismos de auto-regulação podem ser: Mecanismos miogénicos: consiste na capacidade dos vasos sanguíneos resistirem ao estiramento provocado por um aumento de pressão, desencadeando uma contracção do músculo liso, ajudando a manter constantes tanto o fluxo sanguíneo renal como a taxa de filtração glomerular. O estiramento das paredes vasculares promove uma maior entrada de iões cálcio para o interior das fibras musculares lisas das paredes dos vasos, induzindo a sua contracção; Página 97 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Feedback tubuloglomerular: mecanismo de auto-regulação que estabelece uma ligação entre as concentrações de cloreto de sódio, na mácula densa, e o controlo da resistência arteriolar renal. O feedback tubuloglomerular conta com dois mecanismos de controlo sobre a taxa de filtração glomerular: o O mecanismo de feedback arteriolar aferente; o O mecanismo de feedback arteriolar eferente. Estes mecanismos dependem de disposições anatómicas especiais do complexo justaglomerular. O complexo justaglomerular é composto por células da mácula densa, localizadas na porção inicial do túbulo distal e pelas células justaglomerulares, que se encontram nas paredes das arteríolas aferentes e eferentes. As células justaglomerulares libertam renina. Resumo do Feedback tubuloglomerular Página 98 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Noção de “Clearence” O “clearence” ou a depuração renal é a avaliação da capacidade renal em remover substâncias do plasma. As medidas de “clearance” são usadas não apenas para determinar elementos da função renal (como a taxa de filtração glomerular), mas também para: 1. Entender como é que as substâncias são manejadas pelos túbulos renais (reabsorvidas ou secretadas); 2. Determinar a fracção da substância que é reabsorvida; 3. Estimar a excreção de soluto e a concentração de urina; 4. Comparar valores da função renal com o propósito de diagnóstico. Aula 26 – Mecãnismos bã sicos nã ãbsorçã o e secreçã o tubuloglomerulãr. Processos renãis bã sicos nã formãçã o de urinã. Osmoregulãçã o. Sistemã reninã/ãngiotensinã. Regulãçã o nã produçã o de ãldosteronã e de ADH – os seus mecãnismos de ãcçã o. Formação de Urina A formação da urina envolve três processos básicos: filtração do plasma nos glomérulos, absorção de água e solutos do filtrado e secreção de solutos seleccionados para o fluido tubular. Embora cerca de 180 litros de líquido essencialmente livre de proteínas sejam filtrados pelos glomérulos humanos por dia, somente 1 a 2% da água, menos de 1% de sódio filtrado e quantidades variáveis de outros solutos são excretados na urina. Pelos processos de absorção e secreção, os túbulos renais modulam o volume e a composição da urina. A absorção tubular está relacionada com a remoção de água e solutos do líquido tubular. Após o filtrado ter passado pela cápsula de Bowman, chega ao sistema tubular, passando primeiramente pelo túbulo proximal, seguindo pelo ramo descendente e ascendente da Ansa de Henle, chegando ao túbulo distal e finalmente ao túbulo colector. Ao longo do sistema tubular a água e os solutos Página 99 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica passam do lúmen tubular para os capilares peritubulares, em quantidades variadas. A secreção tubular consiste na passagem de substâncias dos capilares peritubulares para o lúmen tubular, ou seja, são adicionadas ao filtrado que passa pelo sistema tubular. Poucas substâncias são activamente secretadas do sangue para o lúmen tubular, pelo epitélio tubular, entre as quais podemos citar iões potássio e hidrogénio. Os mecanismos básicos de transporte através da membrana tubular são transporte activo primário e secundário e difusão. Transporte pelo Túbulo Proximal Ao passar pelo interior deste segmento, cerca de 100% da glucose é reabsorvida através da parede tubular e retornando, portanto, ao sangue que circula no interior dos capilares peritubulares. Ocorre também, neste segmento, reabsorção de 100% dos aminoácidos e das proteínas (que porventura tenham passado através da parede dos capilares glomerulares). Neste mesmo segmento ainda são reabsorvidos aproximadamente 70% de NaCl. A reabsorção de NaCl faz com que um considerável volume de água, por mecanismo de osmose, seja também reabsorvido. Podem ser secretados iões hidrogénio e reabsorvidas quantidades variáveis de potássio, cálcio, magnésio, fosfatos, ureia e ácido úrico. Desta forma, num volume já bastante reduzido, o filtrado deixa o túbulo contornado proximal e atinge o segmento seguinte: a Ansa de Henle. Página 100 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Transporte pela Ansa de Henle Esta divide-se em dois ramos: um descendente e um ascendente. No ramo descendente a membrana é bastante permeável à água e, ocorre, portanto, reabsorção de água. Por outro lado, a membrana do ramo ascendente, é impermeável à água, porém promove um bombeamento constante de iões sódio do interior para o exterior da ansa, carregando consigo iões cloreto, ou seja, reabsorve NaCl. A ansa de Henle reabsorve, aproximadamente, 20% da água filtrada. Essa reabsorção, contudo, ocorre exclusivamente no ramo fino descendente. À medida que o filtrado for passando pelo ramo descendente da ansa de Henle vai-se tornando mais concentrado (devido a reabsorção de água) e, quando que retorna pelo ramo ascendente, torna-se novamente diluído (devido a reabsorção de solutos). Na medula, o gradiente de pressão osmótica é cerca de 300 a 1200, o que faz com que a água que está no ramo descendente saia para o interstício. Neste ramo o sal não sai e, havendo a saída de água, a concentração de sal é maior neste ramo. Página 101 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Transporte pela Túbulo Distal Neste segmento são feitos os ajustes finais na composição e volume da urina e também é realizada a maior parte da regulação por hormonas. Neste segmento continua a reabsorção dos iões sódio e cloreto. O segmento inicial do túbulo distal é relativamente impermeável à água. A sua porção final responde hormona antidiurética (ADH – produzido no hipotálamo e liberado pela hipófise posterior), exibindo permeabilidade na presença desta hormona e impermeabilidade na sua ausência. Na presença de ADH, a membrana do túbulo distal torna-se bastante permeável à água, possibilitando sua reabsorção. A quantidade de iões sódio (consequentemente de água) no túbulo distal depende bastante do nível plasmático da hormona aldosterona, secretada pelas glândulas supra-renais. Quanto maior for o nível de aldosterona, maior será a reabsorção de iões sódio, cloreto e água e, maior também será a excreção de potássio, pois a aldosterona estimula a secreção renal de potássio. Neste segmento também são encontrados receptores para a hormona PTH, a qual estimula a reabsorção renal do ião cálcio. Transporte pelo Ducto Colector Neste segmento ocorre também reabsorção de iões Na+ e Cl-, acompanhados de água, como ocorre no túbulo distal. A reabsorção de sódio depende muito do nível da hormona aldosterona e a reabsorção de água depende do nível do ADH. Há reabsorção de ureia e pode haver secreção de iões hidrogénio. Página 102 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Neste segmento existem: Célula principal: Bomba Na+-K+ responsável pelo transporte de sal (NaCl) Células intercaladas A e B: responsáveis pela regulação do pH, sendo que na célula intercalada A há o aumento do pH da urina e na célula intercalada B há a diminuição do pH da urina. Sistema renina/angiotensina A presença de renina: Aumenta a actividade simpática, permitindo a vasoconstrição; Diminui a tensão das paredes nas arteríolas aferentes, consequentemente, há o aumento da libertação de renina. (Vias aferentes: “as que estão a chegar”; vias eferentes: “as que estão a sair”); Concentra os iões sódio na mácula densa; Provoca hipovolémia estado de diminuição do volume sanguíneo, mais especificamente do volume de plasma sanguíneo. A renina estimula a reabsorção de água e de sal. O rim produz angiotensinogénio. Posteriormente, a renina parte o angiotensinogénio formando-se angiotensina I. Através do enzima ACE, a Página 103 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica angiotensina I é transformada em angiotensina II. Na zona do hipotálamo, é estimulada a libertação da hormona antidiurética (ADH), necessitando de se ingerir mais água. Por outro lado, há a estimulação da adrenal para a libertação de aldosterona para o rim, estimulando a retenção de iões sódio e a ADH estimula a retenção de água ao nível do rim. Com a libertação de renina, há a consequente formação de angiotensina II, que actua como um potente vasoconstritor das arteríolas eferentes. Desta forma, haverá o aumento da pressão hidrostática glomerular, normalizando a taxa de filtração glomerular. Com o aumento da pressão osmótica, é necessário que entre água, diluindo a solução. O hipotálamo detecta maiores ou menores pressões osmóticas. Se houver um aumento da pressão osmótica, a célula perde volume e a libertação de ADH é estimulada. Se houver uma diminuição da pressão osmótica, a célula aumenta de volume e há a diminuição da libertação de ADH. O aumento da angiotensina II provoca uma vasoconstrição maior e é estimulada a actividade simpática do sistema nervoso. No túbulo distal, há a retenção de água. Regulação na produção de Aldosterona e ADH As hormonas ADH e aldosterona participam na regulação da produção de urina pelos rins. A ADH é uma hormona produzida no hipotálamo e libertada pela hipófise que estimula a reabsorção de água pelos rins, diminuindo assim a diurese. Esta hormona chega aos rins, transportada pelo sangue, e age no sistema tubular dos nefrónios, aumentando a permeabilidade dos túbulos distal e colector à água. Isto causará maior reabsorção tubular de água e Página 104 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica consequentemente, conservação de água no organismo e diminuição da excreção de água. A aldosterona por sua vez estimula a reabsorção de sódio e a secreção renal de potássio nos rins, o que faz aumentar a pressão osmótica sanguínea e consequentemente a libertação de ADH. A produção de aldosterona é estimulada pela presença de angiotensina I. Estas acções da aldosterona permitem ao organismo conservar sódio e eliminar o excesso de potássio. A concentração sanguínea de sódio aumenta e a de potássio diminui. Aula 27 – Regulãção de pH. Compensãçã o respirãto riã e renãl. Regulação de pH O pH interno está muito regulado, pois interfere com muitos factores e permite a regulação adequada desses factores. A protonação e a desprotonação de radicais proteicos provocam uma variação da carga total da molécula. Com o aumento do pH, ocorre a desprotonação, aumentando o número de partículas desprotonadas por unidade de volume e o líquido celular torna-se hipertónico. Consequentemente há a entrada de água e um aumento do volume da célula. Com a diminuição, ocorre a protonação, aumentando o número de partículas protonadas por unidade de volume e o líquido celular torna-se hipotónico. Consequentemente, há a saída de água e uma diminuição do volume da célula. Com o aumento do pH, há acidémia, pois houve um aumento do fluxo de protões para dentro da célula. Devido à entrada de protões, saem iões Página 105 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica potássio e a concentração de iões potássio extracelular aumenta e há a diminuição da concentração de protões extracelular. Com a diminuição do pH, há alcalémia, pois houve uma diminuição do fluxo de protões para dentro da célula. Devido a essa diminuição, não saem iões potássio e a concentração de iões potássio extracelular diminui e há o aumento da concentração de protões extracelular. As membranas celulares separam gradientes electroquímicos para os iões. Um gradiente electroquímico para um ião é facilmente separável. pH intracelular = 7,00 – 7,10 pH extracelular = 7,35 - 7,45 São vários os mecanismos que permitem que o pH se mantenha. Todos os dias produzimos uma quantidade enorme de ácido, por exemplo, através do metabolismo da glucose, havendo a produção de dióxido de carbono e de ácido láctico. Página 106 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Mesmo ao nível da célula, para os diferentes tipos de pH, há uma diferente estimulação ao nível da troca, por exemplo, a troca de sódio por protões. Sistema tampão → tamponamento químico (rápido); Pulmão → Respostas respiratórias (lento); Rim → Respostas renais (mais lento). pH sangue arterial = 7,45 pH sangue venoso = 7,35 Valores de pH menor que 6,9 e maior que 7,7 = MORTE!! Página 107 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica No túbulo proximal, sempre que um H+ é secretado para o lúmen, há um HCO3- que é transportado para o sangue. Este protão pode ligar-se a bases com carga eléctrica. A concentração de anidrase carbónica é diferente na membrana apical e na membrana celular. Muitas vezes, este H+ que é secretado, liga-se a outras substâncias secretados fazendo com que estas já não voltem para dentro da célula. Por outro lado, é também útil pois o sistema diminui a acidez. O NH3 muitas vezes vem da glutamina. A excreção de H+ é acompanhada pela excreção na urina de NH4+ e/ou fosfato profuzidos no túbulo distal. Assim, se um H+ secretado reagir com outro tampão tubular, passa para o plasma HCO3-. Página 108 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica A acidose ocorre quando o pH <7,35 (pH do sangue venoso). A alcalose ocorre quando o pH > 7,45 (pH do sangue arterial). Compensação Respiratória e Renal Acidose respiratória Com acidose respiratória, o pH fica mais baixo que 7,35. Não havendo resposta do rim, a pressão parcial de CO2 aumenta, o pH diminui e a quantidade de HCO3- mantém-se constante. Podem ocorrer problemas respiratórios, devido à retenção de CO2 (hipoventilação), aumentando a pressão parcial de CO2, porque a capacidade de libertação deste gás é menor. Havendo resposta renal, o rim retém os iões HCO3-, fazendo com que a variação do pH não seja tão grave do que ocorria sem resposta renal. Alcalose respiratória Sem resposta renal, havendo alcalose respiratória, a pressão parcial de CO2 diminui, o pH aumenta e a quantidade de HCO3- mantém-se constante. Página 109 de 110 Apontamentos de Fisiologia, Licenciatura em Bioquímica Podem ocorrer problemas respiratórios, devido à hiperventilação, devido à diminuição da pressão parcial de CO2. Havendo resposta renal, o rim retém menos os iões HCO 3-, fazendo com que a variação do pH não seja tão alta, havendo a libertação destes iões pelo rim. Acidose metabólica Sem compensação respiratória, a pressão parcial CO2 não varia e há uma diminuição do pH e da concentração de iões HCO3-. Havendo compensação respiratória, diminui a pressão parcial de CO2 por hiperventilação. Consequentemente, a diminuição do pH não é tão pronunciado quanto seria sem a compensação. Alcalose metabólica Sem compensação respiratória, a pressão parcial CO2 não varia e há um aumento do pH e da concentração de iões HCO3-. Havendo compensação respiratória, aumenta a pressão parcial de CO 2 por hipoventilação. Consequentemente, o aumento do pH não é tão pronunciado quanto seria sem a compensação. No túbulo proximal, há antiporte Na+/H+ que secreta H+ para o lúmen. O H+ no filtrado combina-se com os iões HCO3- do filtrado formando CO2, o qual se difunde para dentro da célula e combina-se com as moléculas de água formando H+ e HCO3-. Este H+ secretado é novamente excretado. Página 110 de 110