Roteiro da Semana 1

Iniciando a conversa

A importância da célula

Vamos iniciar nossa disciplina de Fisiologia fazendo uma ligação com a disciplina que você cursou anteriormente: Biologia Celular. Todo o dinamismo da célula se reflete em diferentes aspectos da fisiologia do organismo; por isso mesmo, esse é o nosso ponto de partida. Bom estudo!

1. Comunicação celular

Princípios gerais

A comunicação entre as células pode ser feita de forma direta – através de junções comunicantes que ligam uma célula a outra – e de forma indireta, modulada por moléculas químicas que se ligam a receptores. No caso das junções comunicantes, moléculas de pequeno tamanho passam de uma célula para outra. Já a comunicação através de receptores desencadeia uma cascata de reações químicas dirigidas para a realização de uma tarefa.

Apesar de todas as células serem capazes de receber informações e realizar tarefas específicas, as células do sistema nervoso – os neurônios, são as grandes especialistas da comunicação. Nesse campo, também vale ressaltar a especialização das células musculares, que atuam de maneira sincronizada e na dependência de uma comunicação elétrica específica.

Formas de comunicação celular. Exemplos de junção comunicante; ligação transiente entre células, secreção Parácrina (duas células muito próximas), secreção de neurotransmissor e secreção hormonal.

Animação 1: Exemplos de junção comunicante.
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Animação 2: Exemplos de junção comunicante.
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Animação 3: Secreção hormonal.
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Junções Comunicantes

Figura 1.1: Junções Comunicantes.
Fonte: CEPA.

As Junções Comunicantes, permitem que pequenas moléculas ou íons passem diretamente de uma célula para a outra - caso forem íons haverá uma passagem muito rápida de informação sem nenhum retardo. Esta é uma forma muito comum em animais primitivos e ainda é encontrada em retina de mamíferos. Os poros são formados por proteínas específicas conhecidas como conexinas. Conexinas são formadas por conexons que se distribuem simetricamente entre as duas células

Vídeo 1: Ligação Transiente entre células.

O encontro de duas células é sempre feito através de moléculas de membrana que podem permitir uma ligação fraca ou forte entre ambas. A migração de leucócitos do sangue para os tecidos no momento da defesa a uma infecção é mediada por este mecanismo.

Inicialmente as células do sangue ligam-se a células endoteliais (camada interna dos vasos) através de receptores conhecidos como P-selectinas - esta ligação é fraca e permite o rolamento das células do sangue sobre a parede dos vasos. Quando ocorre uma agressão, que pode ser uma bactéria ou mesmo uma picada de mosquito, as células endoteliais e as células do sangue passam a expressar na membrana um novo tipo de molécula, que são as integrinas - estas permitem uma ligação muito forte, chamada adesão. Em seguida ocorre a migração dos leucócitos para o local da injúria e este libera várias substâncias que são importantes para a defesa. O filme a ser mostrado foi obtido no Laboratório da Profa. Dra. Sandra Helena Farsky da Faculdade de Ciências Farmacêuticas da USP. Esta é uma filmagem em tempo real da corrente sanguinea obtida com ratos anestesiados. Apreciem a velocidade com que o sangue flui pelas vênulas pós-capilares e pelos capilares.

Neurotransmissão

Veja o filme abaixo com atenção especial para a liberação de neurotransmissor de células pré-sináptica para pós-sináptica (a partir dos 0:27m).

Vídeo 2: Neurotransmissão.

Hormônios

No capítulo de Sistema Endócrino serão apresentados com detalhes todos os hormônios. O conceito importante é que estas moléculas são liberadas diretamente na corrente sanguinea e atuam em todas as células que tiverem receptores específicos.

Animação 4: Hormônios.
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2. Membrana plasmática

Uma barreira especializada

No curso de Biologia Celular, já foi apresentada a estrutura da membrana: é constituída por uma dupla camada de lipídeos associada a proteínas intrínsecas e extrínsecas. Além disso, várias moléculas, como proteínas e carboidratos, ficam ancoradas, ou mesmo atravessam a membrana plasmática. Entre essas proteínas estão os canais iônicos, que comunicam o meio extracelular ao intracelular. Mas, como uma substância entra na célula?

• Difusão (a favor de um gradiente de concentração)

- Simples: moléculas que têm mais facilidade em se dissolver na camada lipídica podem atravessar por simples difusão. Pequenos íons que consigam atravessar os canais também usam este mecanismo, chamado mecanismo de difusão simples.

- Facilitada: existem na membrana moléculas carregadoras, que se ligam a uma substância e facilitam o seu transporte através da membrana.

Animação 5: Transporte Facilitado.
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A ligação do transportador com a molécula a ser transportada induz à mudança de conformação do transportador o que faz com que haja a passagem através da membrana. O transporte é sempre feito do lado de maior para o lado de menor concentração.

IMPORTANTE: A direção do movimento de uma molécula depende do gradiente de concentração entre o meio extracelular e o intracelular. As moléculas vão do meio de maior concentração para o de menor concentração. Um fluxo direcionado se encerra quando se atinge o equilíbrio.

• Transporte ativo: para o bom funcionamento das células, muitas vezes é preciso que grandes quantidades de uma substância existam de um lado da membrana, e esta deve ser transportada contra o seu gradiente de concentração.

- A molécula transportadora é uma enzima capaz de quebrar o ATP e o gasto dessa energia faz com que as moléculas sejam transportadas contra o seu gradiente de concentração. O transporte ativo é sempre de mão dupla, isto é, entra uma molécula e sai outra – por exemplo, troca Na⁺ por K⁺.

Animação 6:Transporte Ativo.
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Transporte Ativo: ATPase Na⁺/K⁺ - Bomba de Sódio: a ligação de 2 moléculas de K+ no meio intracelular faz com que 3 moléculas de Na+ do meio extracelular se liguem a esta enzima capaz de transformar ATP em ADP liberando energia. A energia liberada é usada para mover os íons contra o gradiente de concentração. Portanto, os íons sódio são levados de volta para o exterior e os íons potássio entram. Você deve estar perguntando por que a troca é desigual - 3 sódios por 2 potássios. O gradiente gerado por este íon sódio a mais é usado para transportar glicose e aminoácidos pelo chamado transporte acoplado.
Curiosidade - 90% da energia usada pelo cérebro é para manter as bombas de sódio/potássio ativas.

- Cotransporte: o aumento do gradiente de concentração intracelular gerado pelo transporte ativo - como o aumento da concentração de Na⁺ - é usado para obter as substâncias necessárias para a célula. Por exemplo, cotransporte glicose/Na⁺, aminoácidos/Na⁺.

• Canais iônicos:

São proteínas que cruzam a membrana, formando poros ou canais. Neste curso, não há espaço para estudar com detalhes os canais, que são importante objeto de estudo no campo da Biofísica.

Além de serem responsáveis pela manutenção de gradientes de concentração entre o meio intra e extracelular, os canais iônicos são a base para a comunicação através de correntes elétricas. Esta é a forma como nervos e músculos são excitados e transmitem informação ou contraem de forma tão eficiente.

Os canais iônicos podem ser:

• seletivos (permitem passar apenas uma ou duas espécies iônicas) ou
• promíscuos (muitas espécies iônicas).

• sempre abertos ou de repouso: poucos e em geral são canais de K⁺
• passíveis de serem abertos

3. Propriedades elétricas da membrana plasmática

Diferenças de concentração determinam diferenças de potencial

Este também é um campo importante da Biofísica — vamos apenas comentar os tópicos principais.

• Diferença de Potencial dentro e fora da célula: a membrana celular é uma importante barreira que segrega o meio intra e extracelular. Os íons distribuem-se de forma desigual. Como regra geral, há grande quantidade de potássio dentro da célula e grande quantidade de sódio fora da célula.

• Potencial de Repouso: todas as células mantêm uma diferença de potencial elétrico entre o lado extracelular e o intracelular. Os canais iônicos sempre abertos são os responsáveis pela manutenção do potencial de repouso. Em células não excitáveis, apenas os canais de potássio estão sempre abertos e, portanto, o potencial de repouso das células é alcançado quando não há fluxo direcionado de potássio, isto é, a quantidade de potássio que entra é igual à que sai.

Em repouso, todas as células vivas são carregadas negativamente em relação ao meio extracelular – em parte, isto é devido à grande quantidade de cargas negativas fixas ligadas a proteínas que não podem atravessar a membrana. A maioria das células mantém uma diferença de potencial da ordem de -60mV. Mas essa é uma regra que tem várias exceções. Há células que, em repouso, podem manter -90mV, -70 mV etc.

• Potencial de Ação: esta é uma das propriedades mais interessantes dos seres vivos – é única e não imitada pelo mundo inanimado. Os neurônios, que são as células do sistema nervoso, e os tecidos musculares são capazes de gerar potenciais de ação, que são conduzidos muito rapidamente. Este é um fenômeno que só acontece nas células excitáveis (neurônios e músculos) e depende da abertura de canais iônicos controlados por receptores e por voltagem.

Por que os canais iônicos dependentes de voltagem são abertos?

Os canais iônicos dependentes de voltagem ficam fechados até que a diferença da célula atinja a voltagem necessária para abri-los. Esta diferença de potencial é sempre menor que o potencial de repouso; portanto, tem de haver uma despolarização para atingir o potencial limiar. No momento em que isso ocorre, os milhares de canais sensíveis àquele potencial limiar se abrem, deixando fluir muito rapidamente os íons a favor do gradiente.

3.1 Mecanismos iônicos responsáveis pelo potencial de ação

Conhecer os mecanismos de geração do potencial de ação é muito interessante para um biólogo, visto que é um exemplo do que a vida consegue fazer e o homem ainda tem dificuldade de imitar.

Quando o potencial de membrana atinge o potencial limiar, são abertos canais iônicos dependentes de voltagem. No caso dos neurônios de mamíferos, são abertos canais de sódio. Ocorre então a despolarização, em virtude da grande entrada de cargas positivas. Para que a compensação seja também muito rápida, a repolarização ocorre devido à abertura de canais de potássio e esses íons saem da célula, visto que o interior agora é positivo e há uma menor concentração de potássio no meio extracelular.

Figura 1.2: Potencial de Ação padrão - Na parte superior é mostrado como é feito o registro do potencial. Um axônio foi impalado com um microeletrodo e um eletrodo de referência é colocado no meio extracelular. O potencial de ação é um fenômeno muito rápido. No axônio (prolongamento dos neurônios) leva cerca de 0,2 milisegundos. A despolarização é resultado da entrada de íons sódio e a repolarização é devido à saída de íons potássio. No final da fase de repolarização e durante alguns milisegundos após a passagem do potencial de ação, o transporte ativo de sódio e potássio funciona em alta velocidade, recolocando potássio no interior da célula e os íons de sódio para o exterior.

Os potenciais de ação podem ter vários formatos e duração. O que tem maior duração é o potencial de ação do coração e o platô corresponde ao tempo necessário para esvaziar o ventrículo.

Se você associou um potencial de ação a cada batimento cardíaco, está correto(a)!!!

Figura 1.3: Potencial de ação de uma fibra de Purkinge do coração mostrando o platô.

Ao acabar o potencial de ação, a condição elétrica da membrana volta ao normal, mas os íons ainda estão invertidos. Nessa hora começa a funcionar um mecanismo mais lento. A bomba de sódio/potássio faz com que o sódio saia e o potássio entre.

Animação 7: Bomba de sódio.
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Além dos canais dependentes de voltagem que deixam fluir sódio ou potássio, também existem os canais de cálcio. Estes deixam passar uma grande quantidade de cálcio e pequena quantidade de sódio. Como a concentração de cálcio no interior de uma célula em repouso é cerca de 10.000 vezes menor que a no exterior, quando esses canais abrem, o cálcio entra. Esses canais têm velocidade de condução menor que os canais de sódio dependentes de voltagem. Algumas células musculares lisas não têm o canal rápido que conduz sódio e, portanto, a sua despolarização é mais lenta e totalmente dependente de cálcio.

A saída de cálcio do meio intracelular depende de bombas de cálcio e também da própria bomba de sódio, visto que há um trocador sódio/cálcio que trabalha usando a energia do excesso de sódio que entra pela bomba de sódio/potássio.

Condução do Potencial de Ação

O que pode aumentar a eficiência da condução do Potencial de Ação?

A condução de um potencial de ação ao longo de uma fibra nervosa é um processo que pode variar entre 0,25 m/seg até 100 m/seg. Exatamente a distância de um campo de futebol seria percorrida em 1 segundo.

O aumento da velocidade de condução é obtido em alguns nervos pela forma como são “empacotados” os neurônios. As células de Schwann, que são células da glia, enrolam-se ao redor do nervo, formando zonas de grande densidade lipídica, o que obriga o potencial a pular essas estruturas e ir ao próximo ponto livre, chamado nódulo de Ranvier.

Figura 1.4: Micrografia eletrônica e esquema representativo da Bainha de Mielina.

Figura 1.5: Acima: Imagem do corte transversal de um nervo onde pode ser visto que o axônio é envolvido por uma série de membranas. Estas membranas vêm de uma única célula - a Célula de Schwan - que forma uma camada de isolamento elétrico.
Abaixo: Esquema ao longo de um axônio. Entre duas células de Schwan fica uma região de axônio livre, onde ocorre potenciais de ação. Este arranjo celular faz com que o potencial de ação salte de um nódulo de Ranvier para o outro, o que aumenta muito a velocidade de condução.

Conclusão

Eletricidade: comunicação entre células

Esta aula foi dedicada a um dos tópicos mais fascinantes da Fisiologia Celular – a capacidade que as células têm de usar a eletricidade para sua comunicação. Nós apenas tocamos em conceitos muito básicos. Para despertar a curiosidade, é sempre bom lembrar que muitas doenças são decorrentes de alteração da geração e condução do potencial de ação. Entre elas, podemos citar as arritmias cardíacas, a epilepsia e a esclerose múltipla.

[Atividade] - Questionário

Não esqueça de realizar a atividade da semana 1. Bom trabalho!

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Semana 1