Bio-Electricidade. 2º Semestre /2009 1º ano - Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica IST / FMUL

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1 Bio-Electricidade 2º Semestre /2009 1º ano - Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica IST / FMUL Baseado nas aulas e no livro Textbook of Medical Physiology, Guyton & Hall Resumo por Inês Amorim

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3 Índice Transporte através de membranas... 4 Membrana celular... 4 Tipos de transporte... 5 Transporte em quantidade Potenciais electrotónicos Potencial de Repouso Potencial de Acção Condução Nervosa Sinapses Músculo Músculo Esquelético EMG e ENMG Electromiografia e Electroneuromiografia Músculo Liso Músculo Cardíaco ECG Electrocardiograma Sono e EEG - Electroencefalograma Efeitos da electricidade Efeitos fisiológicos da corrente eléctrica Aplicações da corrente eléctrica Interacção laser-tecido Ultrasons Tópicos essenciais

4 Transporte através de membranas Membrana celular A membrana celular reveste todas as células do organismo contribuindo para a sua protecção, para o controlo da entrada e saída de substâncias da célula e, consequentemente, para a manutenção da concentração correcta de diversas substâncias no fluido intra e extra-celular. É formada essencialmente por fosfolípidos, proteínas, colesterol e glicoproteínas. Na membrana celular, os fosfolípidos organizam-se numa camada dupla, a bicamada fosfolipídica. As suas cabeças polares hidrofílicas orientam-se para o exterior da camada enquanto as caudas apolares hidrofóbicas estão orientadas para o interior. Esta camada é impermeável a substâncias solúveis em água, tais como iões e glicose, mas é permeável a substâncias lipossolúveis, como o oxigénio, o dióxido de carbono ou o álcool. Ao longo da camada fosfolipídica existem proteínas membranares, maioritariamente glicoproteínas, com função de transporte. Essas proteínas podem ser intrínsecas/integradas se atravessarem completamente a membrana plasmática, ou extrínsecas/periféricas, se se mantiverem apenas à superfície. Algumas proteínas intrínsecas inserem-se na membrana e formam poros que permitem a passagem constante de substâncias hidrofílicas; outras dão origem a canais que se podem encontrar abertos ou fechados e que permitem a difusão de determinadas substâncias entre os meios intra e extra-celulares; algumas funcionam como bombas e são responsáveis pelo transporte activo; encontramos ainda proteínas transportadoras que, através de um sistema de comporta, alteram a sua configuração (sem gasto de energia metabólica) e se ligam a moléculas e iões para permitir a sua difusão. As proteínas extrínsecas encontram-se frequentemente ligadas a proteínas intrínsecas e assumem um papel enzimático ou de receptores hormonais 4

5 Tipos de transporte O transporte através das membranas celulares pode dar-se com ou sem a intervenção de proteínas transportadoras, respectivamente transporte mediado e transporte não mediado, e com ou sem dispêndio de energia metabólica, respectivamente transporte activo e transporte passivo. O tipo de transporte de cada substância depende da sua natureza e da sua concentração nos meios intra e extra-celular. Enquanto substâncias lipossoluveis podem atravessar directamente a membrana plasmática a favor do gradiente de concentração sem necessidade de mediação, substâncias não lipossoluveis só são transportadas através de canais proteicos. Quando o transporte se dá contra o gradiente de concentração dos meios, o movimento das substâncias dá-se, necessariamente, por transporte activo. Transporte não mediado Difusão simples Osmose Transporte mediado Difusão facilitada Transporte activo Osmose Osmose é o nome que se dá ao movimento de moléculas de água, através de uma membrana semipermeável, de um meio onde a concentração de soluto é menor para um meio onde essa concentração é maior, ou seja, contra o gradiente de concentração. À pressão necessária para travar este processo chama-se pressão osmótica (quanto maior for o gradiente de concentração entre os dois meios maior será a pressão osmótica) e é dado pela mesma fórmula que permite determinar a pressão de um gás. Na prática, podemos dizer que a pressão osmótica é dada pela expressão: P RTic em que R representa a constante de gás ideal, T a temperatura absoluta, a coeficiente osmótico, i o número de iões e c a concentração molar do soluto. Osmole é a unidade (não SI) que mede o número de moles de partículas activas (1 mole de glicose 1 osm; 1 mole de NaCl (Na + Cl - ) 2 osm) de um componente químico que contribuem para a pressão osmótica. A osmolaridade define o nº de osmoles por litro de solução enquanto a osmolalidade define o nº de osmoles por kilograma de solução. 5

6 Difusão A difusão de partículas em líquidos ou gases corresponde ao movimento espacial aleatório dessas mesmas partículas, a que também se dá o nome de movimentos Brownianos, determinado pela sua energia térmica. Quando dois meios estão separados por uma membrana, a difusão de partículas tende a equilibrar a concentração entre os dois lados da membrana, sem dispêndio de energia, ou seja, as substâncias movem-se a favor do seu gradiente de concentração da solução hipertónica (mais concentrada) para a solução hipotónica (menos concentrada). A difusão que ocorre entre os meios intra e extra-celulares pode ser facilitada ou simples, conforme intervenham ou não, respectivamente, proteínas membranares. A difusão simples dá-se directamente através dos interstícios da membrana lipídica, para moléculas lipossolúveis, ou através de poros, ou canais iónicos, e canais proteicos, para substâncias hidrossolúveis. A sua taxa de difusão é directamente proporcional à solubilidade das partículas. Os canais proteicos são, na maioria das vezes, selectivos, permitindo apenas a passagem de determinadas substâncias, e muitos deles apresentam ainda mecanismos de abertura e fecho. A permeabilidade destes canais depende de características como o seu diâmetro, forma, carga eléctrica e natureza química. A abertura e fecho dos canais controla a permeabilidade da membrana a determinadas partículas e é facultado por extensões das próprias proteínas transmembranares que, pela alteração da sua forma, abrem ou fecham os canais. A regulação deste processo é controlada por dois mecanismos principais: voltagem (a proteína responde a uma mudança do potencial eléctrico entre o os dois lados da membrana) ou ligação química (a ligação de uma molécula à proteína promove a mudança da sua configuração). Num canal proteico podemos distinguir: - Porta, ou comporta: determina quando o canal está aberto ou fechado, controlando a sua permeabilidade; - Sensores: respondem a estímulos/sinais que regulam a abertura e fecho dos canais; - Filtro de selectividade: características que determinam o tipo de moléculas que atravessam o canal; - Poro real do canal aberto: canal que permite a passagem de partículas por difusão quando o canal se encontra aberto. Dois dos canais proteicos mais importantes são os canais de sódio e potássio. Os canais de sódio, também chamados canais lentos, têm cargas negativas nas suas paredes que atraem os iões de sódio, que têm carga positiva. Já os canais de potássio, ou canais lentos, são mais pequenos e as suas paredes têm carga neutra. 6

7 A difusão facilitada caracteriza-se por ser um transporte mediado passivo em que proteínas transportadoras têm afinidade química com algumas moléculas, o que permite a sua ligação. Quando a molécula se encontra ligada à transportadora, esta altera a sua configuração e abrese no lado oposto da membrana. Como a força de ligação entre a proteína e a molécula é muito baixa, a agitação térmica da partícula transportada é suficiente para quebrar essa ligação e permitir a sua libertação. Terminado o transporte, a proteína volta ao seu estado inicial e está pronta para dar inicio a um novo processo de difusão facilitada. A velocidade da difusão facilitada, ao contrário da da difusão simples, não é directamente proporcional ao gradiente de concentração e atinge um valor máximo quando todas as moléculas transportadoras estão activas, i.e., quando atinge o ponto de saturação. Por outro lado, a velocidade do transporte também é limitada na medida que nunca ultrapassa a velocidade com que a proteína transportadora é capaz de efectuar o transporte e voltar à sua configuração inicial. 7

8 Transporte mediado Maior velocidade Para moléculas de peso molecular e solubilidade nos lípidos semelhantes, a velocidade do transporte por difusão facilitada é superior à da difusão simples. Saturação A intensidade da difusão apresenta saturação devido ao número limitado de proteínas transportadoras. Especialização química As proteínas transportadoras têm especificação química pelo que apenas permitem a ligação, e consequente transporte, de moléculas específicas. Inibição competitiva Moléculas estruturalmente semelhantes podem competir no transporte. Inibição por compostos O transporte pode ser inibido por compostos que não estão estruturalmente relacionados com o substrato a transportar. Transporte Activo Por vezes é necessário manter uma maior ou menor concentração intracelular de uma substância do que a sua concentração no meio extracelular. Tal acontece, por exemplo, com os iões de sódio, potássio, cálcio, hidrogénio, ferro e cloro, ureia, açucares, aminoácidos, etc. Para manter essa diferença é necessário realizar transporte contra o gradiente de concentração, o que requer o uso de energia por parte das proteínas transportadoras. A este tipo de transporte dá-se o nome de transporte activo e, de acordo com a fonte de energia utilizada, pode classificar-se em transporte activo primário ou secundário. Transporte activo primário A energia utilizada provém de reacções exergónicas, como a hidrólise de ATP ou de outros metabolismos energéticos. Transporte activo secundário A energia utilizada é fornecida, indirectamente, por gradientes iónicos. Um dos exemplos mais importantes de transporte activo primário é a bomba de sódiopotássio (Na + /K + ), que transfere activamente iões sódio para o exterior das células e, simultaneamente, iões potássio para o seu interior. Esta bomba electrogénica mantém a diferente concentração destes iões nas regiões intra e extracelular e é assim responsável pela criação de uma diferença de potencial entre os dois lados da membrana (o interior da células está a um potencial inferior) que permite a transmissão nervosa. 8

9 A bomba Na + /K + é formada por uma proteína transportadora que tem receptores para o sódio (3 na zona intracelular) e para o potássio (2 na zona extracelular). Quando se ligam iões a todos estes receptores verifica-se actividade de ATPase: uma molécula de ATP é transformada em ADP e a energia libertada é utilizada para gerar uma alteração química e estrutural da proteína que permite a expulsão de 3 Na + do interior da célula e a entrada de 2 K +. Em situações em que a energia gerada pelo gradiente de concentrações destes iões é superior à energia libertada na hidrólise do ATP, a bomba Na + /K + pode funcionar ao contrário, ou seja, o sódio passa a entrar na célula, o potássio a sair e forma-se ATP a partir de ADP+Pi. A bomba de sódio-potássio existe na maioria das células do nosso organismo e é responsável pelo consumo de cerca de 60%-70% de toda a energia mobilizada para a célula. Para além da sua importância crucial nos mecanismos de transmissão nervosa, esta bomba têm ainda um papel muito importante no controlo do volume celular. No interior da célula encontram-se muitas proteínas e moléculas orgânicas que não podem escapar para o fluido extra-celular e que, por isso, favorecem a entrada de água na célula por osmose. Sem controlo, a célula corre o risco de inchar indefinidamente e sofrer lise. A bomba Na + /K + ajuda a manter um gradiente de K + para fora da célula, contrabalançando a tendência de entrada de água e participando assim activamente no controlo do volume celular. A elevada concentração de sódio no exterior da célula gera um gradiente que pode ser interpretado como energia, participando no transporte activo secundário. Devido a esse gradiente, a difusão de sódio para o meio intracelular, através de proteínas transmembranares, pode promover a entrada ou saída de substâncias da célula contra o seu gradiente de concentração, respectivamente, co-transporte e contra-transporte. Co-Transporte São transportadas duas moléculas no mesmo sentido. Ex: Na-Glucose, Na-AA (aminoácidos) Contra-Transporte As substâncias são transportadas em sentidos diferentes. Ex: Na-Ca, Na-H Para além do transporte através de membranas, por vezes é necessário realizar transporte de substâncias através de camadas celulares, como, por exemplo, através do epitélio intestinal, dos túbulos renais, das glândulas exócrinas e da vesícula biliar. Este transporte dá-se por um mecanismo que engloba duas etapas básicas: 9

10 Transporte activo através da membrana celular de um lado da camada; Difusão simples ou facilitada através da membrana do outro lado da camada. Transporte em quantidade A maioria das substâncias entra e sai das células por difusão ou transporte activo. No entanto, estes meios não permitem o transporte de partículas de grandes dimensões, sendo esse assegurado pela endocitose e pela exocitose. Endocitose Absorção de partículas por parte da célula. Expansões da membrana envolvem as substâncias e dão origem a vesículas no meio intracelular. Pinocitose: ingestão de solutos ou partículas singulares. Permite a absorção de substâncias cujas dimensões ou características não permitem o seu transporte por difusão ou transporte activo, como as proteínas. Fagocitoce: ingestão de partículas de grandes dimensões, tais como bactérias, vírus ou células, através de expansões citoplasmáticas. Exocitose Expulsão de substâncias que se encontram em vesículas no interior da célula, por fusão com a membrana plasmática. Permite a libertação de secreções, tais como toxinas, produtos metabólicos, hormonas ou neurotransmissores. Apenas é possível por alguns tipos de células, como os macrófagos e outros tipos de glóbulos brancos. Possibilita a ingestão de microrganismos tendo um papel crucial na defesa do organismo. 10

11 Potenciais electrotónicos Existem potenciais eléctricos entre as membranas de todas as células do corpo mas apenas algumas são excitáveis, ou seja, apenas algumas, como as células nervosas e musculares, são capazes de gerar transformações rápidas desses potenciais através de toda a membrana. Para além de constituírem um método de transmissão nervosa, as alterações locais do potencial comandam variadas funções celulares, como acontece em diversas células glandulares, macrófagos e células ciliadas. A diferença de potencial através de uma membrana potencial de membrana, deve-se à concentração de substâncias e ao potencial eléctrico entre os dois lados da membrana. As contribuições relativas desses dois factores podem ser definidas pelo potencial electroquímico - numa célula, o potencial electroquímico da sua membrana é dado pela diferença de potencial electroquímico entre os meios intra e extracelular. Uma célula em repouso deve estar em equilíbrio electroquímico, i.e., a concentração dos diversos iões e o potencial entre os dois lados da sua membrana deve manter-se constante ao longo do tempo e não deve apresentar tendência para se modificar. A Equação de Nernst permite calcular a diferença de potencial para a qual determinados iões, com determinada concentração, entram em equilíbrio e, no caso de não se verificar esse equilíbrio, permite predizer qual a direcção do fluxo iónico. Equação de Nernst: (soma do produto de RT pelo logaritmo neperiano da concentração de X no exterior sobre a concentração de X no interior, com o produto de zf pela diferença de potencial electroquímico entre os dois lados da membrana) X ext ( X ) ext( X ) int ( X ) RT ln zfeext E X int int R constante de gás ideal T temperatura absoluta (Kelvin) [X + ] int concentração iónica no interior da membrana [X + ] ext concentração iónica no exterior da membrana, geralmente considerada nula F constante de Faraday z carga eléctrica do ião E ext -E int diferença de potencial electroquímico entre o exterior e o interior da membrana Em equilíbrio, a diferença de potencial electroquímico é igual a zero. Portanto da equação anterior, temos: X RT ln X ext int zf E E 0 ext int 11

12 Resolvendo para (E ext -E int ) RT X int E ext Eint ln zf X ext Simplificando, se se pensar que o logaritmo de base 10 é igual a 2,303 ln, que as unidades de RT/F podem ser em mv (a unidade que normalmente se usa em potenciais de membrana) e que a 30 ºC, (2,303 x R x T) /F = 60 mv então, sabendo que este valor praticamente não muda com a temperatura, pode usar-se a fórmula simplificada: 60 EMF log z EMF: Força electromotriz (O valor do potencial no exterior da membrana considera-se, tipicamente, nulo. Deste modo, o potencial calculado pela equação anterior diz respeito ao potencial no interior da membrana.) Quando se mede o potencial de uma membrana o valor encontrado, quando comparado com o calculado na Eq. Nernst, pode indicar várias situações: Se a diferença de potencial medida através da membrana for igual à calculada pela equação de Nernst, está-se num estado de equilíbrio em que não há movimento iónico apesar de se verificar um gradiente de concentração; X X Se a diferença de potencial medida for do mesmo sinal mas superior à calculada, a força eléctrica é superior à das concentrações e portanto determina a direcção dos iões; Se a diferença de potencial medida for do mesmo sinal mas inferior à calculada, a força de diferença de concentrações é superior à eléctrica determinando a direcção dos iões, que se movem de acordo com o seu gradiente de concentração; Se a diferença de potencial medida for de sinal contrário à calculada, ambas as forças têm a mesma direcção, não podendo haver equilíbrio. As duas forças vão puxar o ião exactamente para o mesmo lado da membrana e portanto vai haver um desequilíbrio iónico franco. Apesar de muito útil, a equação de Nernst não tem em conta a concentração de diferentes iões em simultâneo nem a permeabilidade (P) das membranas a esses mesmos iões, assumindo que esta é total. Para entrar com estas variáveis em estudo utiliza-se a Equação de Goldman: int ext mv P( Na EMF 60log P( Na ) ) Na int P( K ) K int P( Cl ) Cl Na P( K ) K P( Cl ) Cl ext ext int ext mv Nesta equação, quanto maior for a permeabilidade a determinado ião maior será a sua contribuição para o potencial da membrana, pelo que se torna importante definir o conceito 12

13 de condutância. Do ponto de vista da electrónica, a condutância é o inverso da resistência, correspondendo a uma maior condutância uma menor resistência à passagem da corrente eléctrica. No caso da permeabilidade iónica das membranas, quanto maior for a condutância de determinado ião menor será a resistência oferecida pela membrana à sua passagem e, portanto, maior será a permeabilidade desse ião. Potencial de Repouso Designa-se potencial de repouso o potencial da membrana de células/fibras nervosas quando estas não estão a transmitir qualquer tipo de sinais nervosos e se encontram em equilíbrio electroquímico. Na maioria das células, este potencial é negativo e tem o valor aproximado de -90mV. Para o estabelecimento do potencial de repouso contribuem diversos factores, sendo o mais importante a elevada permeabilidade das membranas aos iões potássio e a sua baixa permeabilidade aos iões sódio: Potencial de difusão de K + : a concentração de potássio no interior das células é cerca de 35x superior à sua concentração no exterior. A eq. de Nernst para estes iões diz-nos que a sua contribuição para o potencial de repouso é de -94mV (Fig. A); Potencial de difusão de Na + : a concentração de sódio no meio extracelular é 10x superior à sua concentração intracelular. Pela eq. Nernst, a contribuição deste ião para o potencial de repouso é de 61mV. Porém, há que ter em conta que a condutância do sódio é cerca de 100x inferior à do potássio, pelo que as suas contribuições têm pesos diferentes. Ao aplicar a eq. de Goldman para o sódio e potássio chega-se a um valor de -86mV para o potencial de repouso (Fig. B); Potencial de difusão do Cl - : o resultado da eq. de Nernst para o cloro indica um potencial de -90mV, que coincide com o potencial da célula em repouso. Deste modo, pode desprezar-se a contribuição deste ião; Bomba Na + /K + : a actividade da bomba de sódio-potássio (bomba electrogénica) faz com que saia mais sódio de uma célula do que entre potássio, levando a uma perda contínua de cargas positivas no meio interno. Este desequilíbrio de cargas dá origem a um potencial de -4mV no interior das membranas. Conjugando a contribuição desta bomba com a dos canais de sódio e potássio, obtemos um potencial de repouso de - 90mV (Fig. C); Aniões intracelulares: a existência de aniões intracelulares incapazes de atravessar a membrana pode contribuir com cargas negativas para um potencial de até -10mV em alguns casos. 13

14 Potencial de Acção Potencial de acção é uma mudança rápida do potencial da membrana, que se torna positivo para de seguida retornar ao potencial de repouso, que se propaga a toda a célula. Esta mudança dá-se em resposta a um estímulo eficaz (de origem variada: eléctrico, químico, mecânico, ) e é característica dos tecidos excitáveis. A propagação do potencial de acção compreende 3 etapas: Repouso: antecede o potencial de acção. A membrana encontra-se polarizada, ou seja, está ao potencial de repouso (mais negativo no interior); Despolarização: em resposta a um estímulo eficaz a permeabilidade da membrana ao sódio aumenta e a difusão destes iões para o interior da célula provoca um aumento rápido do potencial da membrana. Em determinadas células, como nas fibras nervosas, verifica-se overshooting - o potencial atinge valores positivos (o meio intracelular fica a um potencial superior ao meio extracelular); Repolarização: os canais de sódio começam a fechar e a permeabilidade ao potássio aumenta gradualmente (mais lentamente do que a abertura dos canais de sódio na despolarização) permitindo a rápida difusão destes iões para o exterior e o restabelecimento do potencial de repouso. A determinada altura, o potencial da membrana é inferior ao potencial de repouso - hiperpolarização, voltando depois a subir ligeiramente até ao valor de equilíbrio. 14

15 Os canais de sódio e potássio que intervêm no potencial de acção são canais controlados por voltagem, ou seja, a sua abertura/fecho está dependente da variação do potencial do meio. Com o aumento do potencial da membrana (por exemplo, por um estímulo) os canais de sódio abrem e permitem a difusão desses iões para o interior da célula, provocando um aumento cada vez maior do potencial que, num ciclo vicioso, leva à abertura de mais canais de sódio. Quando o potencial da membrana atinge determinado valor, os canais de potássio abrem lentamente e os canais de sódio começam a ficar desactivados, dando-se início à repolarização. A abertura dos canais de sódio que dá inicio ao potencial de acção deve-se ao aumento do potencial da membrana para um valor suficientemente elevado. Designa-se por limiar de excitabilidade (limiar de acção ou threshold) o valor mínimo necessário para gerar um potencial de acção, que é cerca de -65mV para a maioria das células nervosas. Caso esse limiar não seja atingido, não há propagação de um potencial e os estímulos podem ser classificados de acordo com a sua capacidade de atingir ou não esse limiar: Estímulo não eficaz: gera uma resposta local mas não um potencial de acção; o Estímulo sublimiar: não é suficiente para atingir o limiar de excitabilidade; Estímulo eficaz: gera um potencial de acção; o Estímulo limiar: é suficiente para atingir o limiar de excitabilidade; o Estímulo supra-limiar: ultrapassa o limiar de excitabilidade. Após atingido o limiar de excitabilidade, a resposta produzida é independente do estímulo - Lei do tudo ou nada. Para um mesmo tipo de células, o potencial de acção gerado tem sempre a 15

16 mesma forma e amplitude. Por outro lado, apesar de ser necessário um estímulo limiar ou supra-limiar para dar origem a um potencial de acção, há períodos em que, por mais elevado que seja o estímulo, não é iniciada uma nova fase de despolarização. A esses períodos dá-se o nome de períodos refractários: Período refractário absoluto: período em que, qualquer que seja o estímulo, não é possível gerar um novo potencial de acção. Limita a frequência de repetição dos potenciais de acção. Pouco após o estímulo inicial, os canais de sódio ficam inactivados e não podem ser reactivados durante determinado período de tempo. Durante o período refractário absoluto a maioria dos canais de Na + encontram-se inactivados por voltagem e a célula não é capaz de iniciar um novo potencial; Período refractário relativo: período em que é necessário um estímulo maior que o inicial para gerar um potencial de acção. Alguns canais de Na + ainda estão inactivados e a condutância ao K + ainda está aumentada, como no período de hiperpolarização. No caso da acomodação, o limiar de excitabilidade também pode ser ultrapassado sem desencadear um potencial de acção. Isto acontece quando uma célula é despolarizada lentamente pois, nesse caso, alguns canais de sódio abertos têm tempo para ficar inactivados antes de o seu número crítico desencadear um potencial de acção. Adicionalmente, alguns canais de potássio abrem em resposta à ligeira despolarização, aumentando assim a condutância ao K + e hiperpolarizando a célula. Após a repolarização, as concentrações de sódio e potássio ficam ligeiramente alteradas. A actividade da bomba Na + /k + restabelece as concentrações de equilíbrio desses dois iões e, embora tal não seja necessário após cada potencial de acção, com tempo torna-se imprescindível. Como os potenciais de acção de uma célula têm todos a mesma forma e amplitude, a informação que é transmitida tem de estar relacionada com a quantidade e frequência destes impulsos. 16

17 Condução Nervosa Na condução electrotónica de um potencial a condução decresce ao longo ao tempo, não se propagando, geralmente, por mais de 10mm ao longo de uma célula nervosa. Este tipo de condução pode ser utilizada a curtas distâncias e a sua eficácia depende essencialmente da resistência da fibra nervosa e da distância de propagação: quanto maior for a distância e quanto maior for a resistência oferecida pela fibra mais fraco será o sinal obtido. De um modo geral, a velocidade da condução aumenta quando as fibras apresentam um revestimento de mielina. A condução regenerativa é a utilizada para fibras não mielinizadas e para condução por grandes distâncias, pois o potencial de acção vai-se regenerando ao longo da fibra. Quando as áreas adjacentes ao estímulo inicial atingem o limiar, regeneram o potencial e propagam-no progressivamente a toda a célula, sempre com a mesma forma e amplitude. A condução por este meio pode iniciar-se para dois sentidos da fibra, no entanto, devido aos períodos refractários, uma vez iniciada a propagação num sentido esta mantém-se unidireccional, ou seja, não regride. Nas fibras mielinizadas a condução designa-se por condução saltatória, uma vez que o potencial é propagado de nodo de Ranvier em nodo Ranvier em vez de continuamente ao longo de toda a fibra. As trocas iónicas nos locais cobertos pela bainha de mielina são praticamente nulas, pelo que só é possível gerar um potencial de acção nos nodos de Ranvier. Quando se inicia um potencial de acção num nodo criam-se correntes nas regiões próximas do fluido extracelular e também 17

18 no axoplasma (citoplasma dos axónios) que dão inicio a um novo potencial de acção no nodo mais próximo. Este modo de condução tem duas vantagens principais: Velocidade de condução: permite uma condução mais rápida do potencial (5x-50x); Poupança de energia: como só os nódulos é que sofrem despolarização há menos perda de iões e, consequentemente, poupa-se energia a restabelecer as concentrações iónicas de sódio-potássio. A velocidade de propagação dos potenciais nas fibras nervosas depende essencialmente de dois factores: Diâmetro: quanto maior for o diâmetro da fibra menor será a resistência por ela oferecida e mais rápida será a condução; Revestimento de mielina: a mielina aumenta a velocidade de condução porque diminui a capacitância da membrana (a membrana funciona como um condensador) e restringe os potenciais aos nódulos de Ranvier. Uma fibra mielinizada chega a conduzir mais rapidamente do que uma fibra não-mielinizada com um diâmetro 100x maior. 18

19 Sinapses Os neurónios são constituídos pelo corpo celular, pelo axónio e pelas dendrites. As dendrites e o corpo celular recebem informação e transmitem-na através do axónio para outro neurónio ou para um órgão receptor. A zona específica de contacto/interacção intercelular, morfologicamente específica, que faz a comunicação entre nervos (ou entre nervos e músculo ou glândulas) e que permite a transmissão de potenciais designa-se sinapse. Nas dendrites e soma (corpo celular) das células pós-sinápticas encontram-se terminais pré-sinápticos, terminações de fibrilhas nervosas originárias nas células pré-sinápticas. No caso dos neurónios, a comunicação entre si pode dar-se por: Conexão directa (corrente, 2º mensageiro); Moléculas de adesão; Libertação de substâncias (receptores específicos, neurotransmissores). A maioria das sinapses do sistema nervoso central são sinapses químicas, embora nas fibras do músculo liso e cardíaco sejam comuns as sinapses eléctricas. Estes dois tipos de sinapses apresentam diferentes características, que podem ser resumidas no quadro seguinte: Sinapse Eléctrica Sinapse Química Distância 3,5 nm nm Continuidade citoplasmática Sim Não Ultra-estrutura Gap-Junction Vesículas pré-sinápticas e receptores pós-sinápticos Agente Transmissor Corrente iónica Neurotransmissores Direcção Bidireccional Unidireccional Atraso sináptico Ausente 0,3 5 ms Nas sinapses eléctricas as células pré-sináptica e pós-sináptica unem-se por canais proteicos tubulares de baixa resistência gap junctions, que permitem passagem directa de correntes iónicas entre as duas células e a transmissão do potencial de acção. A transmissão do impulso neste tipo de sinapses é bidireccional e muito rápida. Nas sinapses químicas a resposta gerada é mais complexa e, consequentemente, mais lenta do que nas sinapses eléctricas. A célula pré-sináptica secreta substâncias químicas, os neurotransmissores, que são libertadas para a fenda sináptica e captadas por receptores proteicos da membrana da célula pós-sináptica. De acordo com a sua natureza, os neurotransmissores vão actuar nessa célula desencadeando uma resposta inibitória ou excitatória. Quando um potencial chega à zona pré-sináptica, a despolarização da membrana provoca a abertura de inúmeros canais de cálcio controlados por voltagem. Ao entrarem no terminal présináptico, os iões Ca 2+ promovem a exocitose das vesículas sinápticas e a libertação de neurotransmissores para a fenda sináptica. 19

20 Os transmissores que agora se encontram na fenda sináptica vão-se ligar a receptores proteicos da membrana da célula pós-sináptica e desencadear aí uma resposta. Como já foi dito, essa resposta pode ser excitatória ou inibitória. É de referir que a resposta final de um neurónio se deve à acção conjunta de várias sinapses. Resposta excitatória: neurotransmissores como o glutamano, a acetilcolina (SN parassimpático) ou a noradrenalina (SN simpático), quando captadas pelos receptores pós-sinápticos, actuam sobre a permeabilidade da membrana a diversos iões, contribuindo para o aumento do seu potencial. Na maioria dos casos, há abertura dos canais de sódio, o que leva à entrada de cargas positivas para o interior da célula, mas também se pode verificar uma diminuição na condutância do cloro e do potássio, o que dificulta, respectivamente, a entrada e saída destes iões do meio intracelular. É ainda possível que a célula altere o seu metabolismo interno de forma a excitar a sua actividade, a aumentar o número de receptores excitatórios da sua membrana ou a diminuir a quantidade de receptores inibitórios. Todas estas estratégias contribuem para elevar o potencial intramembranar (EPSP - excitatory postsynaptic potential) e, se esse aumento for suficiente para atingir o limiar de excitabilidade, gera-se um potencial de acção; Resposta inibitória: a interacção dos neurotransmissores com os receptores póssinápticos provoca uma hiperpolarização da membrana sem transmissão de impulso nervoso. A diminuição do potencial no interior na célula (IPSP inhibitory postsynaptic potential) pode dever-se à abertura dos canais de cloro (Cl - passa a entrar na célula), 20

21 ao aumento da condutância do potássio (sai mais K + do meio intracelular) ou à activação de receptores enzimáticos que aumentam o número de receptores inibitórios e diminuem o número de receptores excitatórios. Após a transmissão da informação nas sinapses químicas, sistemas enzimáticos destroem o excesso de neurotransmissores que se encontram nas fendas sinápticas. Nas sinapses químicas podem distinguir-se receptores que actuam de dois modos distintos: Receptores ionotrópicos: actuam ao nível dos canais iónicos, promovendo a sua abertura ou fecho e influenciando o movimento de iões; Receptores metabotrópicos: entram no sistema de mensageiros secundários, provocam alterações metabólicas. De acordo com a zona onde ocorre a ligação sináptica, as sinapses químicas podem classificarse em: Axo-axonal: ligação axónio-axónio; Axo-somática: ligação axónio-corpo celular; Axo-dendrítica: ligação axónio-dendrite. 21

22 Músculo Músculo Estriado Liso Esquelético Cardíaco 22

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24 Músculo Esquelético O músculo esquelético é o tecido mais abundante no organismo humano (40%-45%). É ele que liga os ossos e articulações, permite o seu movimento e a produção de força, e oferece ainda protecção e resistência. O músculo esquelético é um músculo estriado que tem uma componente contráctil (miofibrilhas) e uma componente elástica (tendões, epimísio, perimísio). A sua unidade estrutural é a fibra muscular, uma célula polinucleada, cilíndrica e alongada, revestida por uma membrana, o sarcolema. Cada fibra estende-se ao longo de todo o músculo e é inervada apenas por uma terminação nervosa, na região intermédia. As várias fibras que constituem o músculo dispõem-se paralelamente entre si e são formadas por inúmeras miofibrilhas que contêm filamentos de actina (finos) e de miosina (espessos), duas proteínas polimerizadas responsáveis pela contracção muscular. No sarcómero (unidade funcional contráctil do m.e.), esses filamentos interligam-se com outras proteínas contrácteis tropomiosina e troponina, que facilitam e promovem a contracção. No sarcómero distinguem-se várias bandas causadas pelo intercalar dos filamentos de actina e miosina, o que confere ao músculo um aspecto estriado. Essas bandas são: Lina Z: linha em zig-zag, de grande densidade proteica, que delimita as laterais direita e esquerda do sarcómero; Banda I: bana clara, na periferia, constituída apenas por filamentos de actina; Banda A: banda escura, entre as bandas I, composta por filamentos de miosina e, nas extremidades, pela sobreposição de filamentos de actina; Banda H: zona central do sarcómero onde apenas existem filamentos de miosina. 24

25 O mecanismo de contracção do músculo esquelético pode ser descrito pelos seguintes passos: 1. Um potencial de acção propaga-se ao longo de um nervo motor que se ramifica na sua porção terminal e comunica com várias fibras nervosas (um ramo para cada fibra) através de junções neuromusculares. Ao conjunto de todas as fibras inervadas por um mesmo nervo dá-se o nome de unidade motora. Esta unidade é ainda a menor porção de músculo que se contrai autonomamente. Uma junção neuromuscular é um tipo particular de sinapse que faz a comunicação entre um nervo e o músculo esquelético. É constituída por uma parte nervosa, a terminação do nervo, e por um espessamento da parede do músculo, a chamada placa motora; 2. Quando o potencial de acção atinge as terminações do nervo provoca a abertura de canais de cálcio controlados por voltagem. A entrada de Ca 2+ para o elemento présináptico promove a exocitose de vesículas com o neurotransmissor acetilcolina; 3. Na membrana da fibra muscular encontram-se receptores de acetilcolina que abrem canais iónicos controlados por acetilcolina; 4. A abertura desses canais permite a difusão de grandes quantidades de Na + para o interior da membrana o que dá origem a um potencial positivo, o potencial de placa terminal. Esse potencial origina um potencial de acção. Embora a maioria dos canais abertos não seja específica para o sódio, permitindo também a difusão de outros iões positivos como K + e Ca 2+, verifica-se principalmente a entrada de Na + uma vez que o potencial negativo no interior da membrana evita a saída de K +. Por outro lado, a concentração de Ca 2+ é muito baixa quando comparada com a sódio e potássio, o que lhe confere menor importância nesta fase; 5. O potencial de acção propaga-se pela fibra muscular do mesmo modo que nas fibras nervosas. As miofibrilhas estão rodeadas por um sistema de túbulos-t (invaginações do sarcolema) que permitem a rápida propagação do impulso ao longo de toda a fibra; 6. A despolarização da membrana leva à abertura dos retículos sarcoplasmáticos (armazenam iões cálcio) e de canais de cálcio dos túbulos-t adjacentes. A saída de Ca 2+ para o sarcoplasma que rodeia as miofibrilhas acciona o mecanismo de contracção do músculo. Essa contracção dá-se segundo a teoria do filamento deslizante, segundo a qual os filamentos de actina deslizam sobre os filamentos de miosina, fazendo com que as 25

26 bandas H e I estreitem e acabem por desaparecer. Apesar de o sarcómero diminuir de tamanho, os filamentos mantêm as mesmas dimensões. Cada molécula de miosina é formada por cadeias enroladas em hélice que terminam em duas cabeças. Essas moléculas agrupam-se para dar origem aos filamentos de miosina e as suas cabeças organizam-se de modo a formar pontes cruzadas na lateral do corpo do filamento. Os filamentos de actina são constituídos por três proteínas: A actina é a molécula central, que polimerizada forma uma dupla hélice que contém sítios activos para ligação com a miosina; A tropomiosina enrola-se em torno da actina e impede a ligação actina/miosina bloqueando os sítios activos; A troponina (existem 3 tipos) faz a ligação da tropomiosina à actina. Quando o músculo está relaxado, os filamentos de actina e miosina não se encontram ligados devido à acção do complexo tropomiosina-troponina. Na presença de cálcio esse complexo é desactivado e as pontes cruzadas ligam-se aos sítios activos dos filamentos de actina. A actividade da ATPase, que faz a hidrólise de uma molécula de ATP, solta de novo os dois filamentos e permite que a ponte se ligue a um novo sítio activo. O repetir deste ciclo leva ao encurtamento da fibra e à contracção do músculo; 26

27 7. Após uma fracção de segundo, uma bomba de Ca 2+ armazena de novo esses iões no retículo sarcoplasmático e a contracção termina. Até que chegue um novo potencial de acção o músculo mantém-se relaxado. Distinguem-se diferentes tipos de contracção: Contracção isométrica ou estática: não há encurtamento do músculo mas há desenvolvimento de tensão; Contracção isotónica ou dinâmica: o músculo está preso apenas numa extremidade e encurta após ser estimulado. Define-se abalo muscular como a contracção rápida de um músculo em resposta a um estímulo único. Um abalo compreende várias fases: Período de latência: período entre a recepção do estímulo e a contracção efectiva; Contracção; Velocidade máxima de contracção; Fase de relaxamento. A força exercida por um músculo depende de um fenómeno chamado somação que consiste na adição de contracções singulares de modo a aumentar a contracção final. Pode ocorrer somação tanto pelo aumento do número de unidades motoras a contraírem em simultâneo como pelo aumento da frequência de estimulação. 27

28 Há medida que se aumenta a frequência de estimulação as contracções ficam cada vez menos espaçadas, acabando por se sobrepor e permitindo um aumento da força de contracção. Nesses casos estamos na presença de um tétano fisiológico: Tétano imperfeito: há sobreposição parcial de estímulos com períodos de relativo relaxamento. A contracção resultante é mais forte do que a de um abalo simples; Tétano perfeito: a frequência de excitação é tal que o músculo se mantém sempre contraído e a força de contracção é máxima, não aumentando mais em função da frequência. O tétano perfeito ocorre porque se mantêm no sarcoplasma iões de cálcio suficientes, mesmo entre potenciais, para que não ocorra relaxamento do músculo; Tétano de fadiga: ocorre normalmente depois de uma contracção forte e prolongada. O músculo é incapaz de contrair devido a processos contrácteis ou metabólicos. A força de contracção de uma fibra muscular está directamente relacionada com o comprimento do sarcómero. Para uma fibra individual, verifica-se que para um comprimento de cerca de 2m a tensão produzida é máxima, diminuindo depois tanto com o aumento como com a diminuição do comprimento das fibras. 28

29 Relativamente à contracção do músculo como um todo, quando este se encontra no comprimento normal de relaxamento, a tensão produzida após uma estimulação é máxima. A variação da tensão exercida em função do comprimento do músculo está representada no gráfico abaixo. A velocidade de contracção está, por sua vez, associada à carga a que o músculo está sujeito. À medida que a carga aumenta, a velocidade de contracção diminui. Existem ainda diferentes tipos de fibras musculares que se diferenciam entre si essencialmente pela velocidade de encurtamento e pela via de síntese do ATP. As características principais dessas fibras encontram-se no quadro seguinte: 29

30 Fibras Tipo I (Lentas oxidativas) Fibras Tipo IIa (Rápidas oxidativas) Fibras Tipo IIb (Rápidas glicolíticas) % 50-55% 30-35% 10-20% Resistência à fadiga Resistentes à fadiga Resistentes à fadiga Fatigáveis (10/20%) Velocidade de Fadiga Lenta Média Rápida Velocidade de Lenta Rápida Rápida contracção Actividade miosina- ATPásica Fonte ATP Baixa Alta Alta Fosforilação oxidativa Fosforilação oxidativa Activ. Enzimas Glicolíticas Baixa Média Alta Nº mitocôndrias Muitas Muitas Poucas Capilares Muitos Muitos Poucos [Mioglobina] Alta Alta Baixa Cor do músculo Vermelho Vermelho Branco [Glicogénio] Baixa Média Alta Diâmetro Pequeno Médio Grande Glicólise anaeróbica A falta de utilização dos músculos leva à diminuição do seu volume - atrofia. Essa atrofia pode ser derivada ao desuso (falta de exercício ou impossibilidade de utilizar determinados músculos), à desnervação ou à diminuição do potencial oxidativo. Enquanto num indivíduo sedentário a atrofia se inicia pelas fibras tipo I, num atleta inicia-se pelas fibras mais desenvolvidas (por exemplo, tipo I nos maratonistas, tipo II nos halterofilistas). Por outro lado, a prática regular de exercício pode levar à hipertrofia, ou seja, ao desenvolvimento dos músculos. De acordo com o tipo de exercício, são desenvolvidos diferentes tipos de fibras. EMG e ENMG Electromiografia e Electroneuromiografia Entende-se por dermátomo a área cutânea inervada por fibras sensitivas de uma mesma raiz nervosa e por miótomo o grupo de músculos inervados primariamente pelas fibras motoras de uma única raiz nervosa. O potencial de unidade motora (PUM) é a soma de todos os potenciais de fibras individuais de unidade/s motora/s. Como nem todas as fibras se contraem em simultâneo, o PUM tem uma duração mais longa do que um potencial singular e pode apresentar picos. 30

31 A Electromiografia (EMG) é uma técnica utilizada para monitorizar a actividade eléctrica dos músculos. Os potenciais eléctricos são captados por eléctrodos de superfície ou por eléctrodos em forma de agulha introduzidos no músculo e a interpretação da amplitude, número de fases e duração de um potencial de unidade motora pode fornecer dados valiosos para a detecção de patologias como neuropatias (inervação colateral) e miopatias (perda de fibras musculares), e para a diferenciação das suas causas. A Electroneuromiografia (ENMG) permite medir a actividade neuromuscular (tempo de condução, tipo de potencial) através da estimulação eléctrica de nervos e monitorização dos potenciais propagados. A interpretação da amplitude do sinal recebido, da sua duração, do período de latência e da área, bem como o cálculo da velocidade de condução, da diferença de amplitudes e da dispersão temporal, permite tirar conclusões relevantes quanto às condições das fibras nervosas e quanto à possível existência de anomalias. 31

32 Duas patologias possíveis de detectar através de uma neurografia são: Desmielinização: alteração do revestimento de mielina das fibras nervosas. Um estímulo demora mais tempo a percorrer a mesma distância mas não apresenta alteração do potencial; Degenerescência axonal: diminuição do número de axónios fisiologicamente activos. O tempo de transmissão é o normal mas o potencial é mais fraco do que o esperado. O ENMG tem aplicações em diversas patologias, tais como: Síndrome do túnel cárpico; Neuropatia cubital do cotovelo; Polineuropatia; Radiculopatia; Miopatia; Etc Em suma, o ENMG permite: Localizar topograficamente lesões; Diferenciar entre compromisso neuropático desmielinizante e axonal; Caracterizar a gravidade das lesões; Determinar um prognóstico. 32

33 Músculo Liso O músculo liso encontra-se, por exemplo, nas artérias e no aparelho digestivo, e tem contracção involuntária. Apesar dos seus princípios gerais de contracção serem idênticos ao do músculo esquelético, o arranjo interno dos filamentos de actina e miosina é diferente (não apresenta aspecto estriado) e as suas fibras são menores, mais finas e uninucleadas. As características do tecido muscular variam de órgão para órgão, mas podem distinguir-se dois tipos principais: Músculo liso multi-unitário: é formado por fibras individuais que se contraem de forma independente, maioritariamente por acção de sinais nervosos, e que são inervadas por uma terminação nervosa simples. Cada fibra está envolta por tecido conjuntivo rico em colagénio e glicoproteínas, o que ajuda ao seu isolamento. Ex: íris e músculo erector do pelo; Músculo liso unitário (visceral ou sincicial): as fibras contraem-se em conjunto, como um todo (sincício), e as suas membranas estão ligadas em vários pontos por gapjunctions, o que permite a transmissão de impulsos (com origem em vários tipos de estímulos) directamente entre fibras. Ex: vasos sanguíneos, estômago, ureteres. O músculo liso contém filamentos de actina e miosina com características químicas similares aos filamentos do músculo esquelético: embora não apresentem o complexo de troponina, a contracção destas fibras é activada por iões cálcio (processo diferente do do ME) e a energia necessária a esse processo é fornecida pela degradação de ATP. Relativamente às características físicas, o arranjo de actina e miosina não confere ao músculo um aspecto estriado. As fibras de actina encontram-se ligadas a corpos densos que podem estar dispersos na célula ou associados à membrana celular, e que se podem ligar entre si por proteínas estruturais ou a corpos densos de outras células por pontes proteicas intercelulares. Os filamentos de miosina apresentam um diâmetro maior e encontram-se, numa proporção baixa, entre filamentos de actina. Os corpos densos podem ser comparados à linha Z de um 33

34 sarcómero, apesar de no músculo liso não existir a mesma regularidade que se encontra no músculo esquelético, e a contracção das fibras também se dá por deslizamento dos filamentos. As fibras do sistema nervoso autónomo que inervam o músculo liso ramificam-se na sua zona terminal e o revestimento de mielina é interrompido ao longo do fim dos axónios, formando varicosidades, que permitem a comunicação com o músculo. Podem distinguir-se dois tipos de junções: Junções difusas: a terminação nervosa está afastada da fibra nervosa (de alguns nanómetros a alguns micrómetros) e a comunicação dá-se pela libertação de substâncias transmissoras (acetilcolina e noradrenalina) para o meio extracelular; Junções de contacto: em tudo semelhantes a uma junção neuromuscular, permitem uma velocidade de contracção mais elevada do que nas junções difusas. Apesar das semelhanças entre o processo de contracção dos músculos liso e esquelético, existem algumas diferenças fundamentais, de entre as quais podemos destacar: Ciclo de ligação entre pontes cruzadas lento: este ciclo é muito mais lento (10x-300x) do que o do músculo esquelético o que indica uma menor actividade da ATPase; 34

35 Menor requerimento de energia: devido à velocidade reduzida do ciclo de ligação entre pontes cruzadas, a energia necessária para manter o músculo em contracção (gasta-se um ATP por ciclo) é também cerca de 10x a 300x menor; Inicio de contracção e relaxamento lento: após recebido um estímulo, o início da contracção e a sua duração é de cerca de 30x (este valor varia com o tipo de músculo liso) mais lento do que o do músculo esquelético. Este facto deve-se à duração mais prolongada do ciclo de ligação da miosina e também à resposta mais demorada à libertação de cálcio; Maior força de contracção: devido ao maior período de ligação actina-miosina; Maior percentagem de encurtamento: as ligeiras diferenças no mecanismo de contracção do músculo liso permitem-lhe uma percentagem de encurtamento cerca de 2/3 maior; Latch Mechanism : apenas sob a acção de pequenos e contínuos estímulos nervosos ou hormonais, o ML é capaz de manter contracções prolongadas (por vezes durante horas) com um gasto de energia muito reduzido; Stress-relaxamento e reverso stress-relaxamento: permite que um órgão oco mantenha a pressão no seu lúmen constante face a alterações de volume, excepto por curtos períodos de tempo; Regulação pelos iões cálcio: os iões cálcio também têm um papel fundamental na contracção do músculo liso. Contudo, devido à ausência de troponina, o mecanismo de contracção é activado por um processo totalmente diferente do do músculo esquelético. O inicio da contracção é modulado pela calmodulina, em vez da troponina, e ocorre em três etapas: 1. 4 iões cálcio ligam-se à calmodulina, formando o complexo cálciocalmodulina, um complexo fosforilativo (só ligada a 4 iões cálcio a calmodulina se torna eficaz); 2. O complexo cálcio-calmodulina activa a miosina-quinase e liga-se ao caldesmon (tem um papel semelhante ao da tropomiosina), retirando-o do contacto com a actina; 3. A miosina-quinase fosforila uma das cadeias leves de cada cabeça da miosina, permitindo a ligação desta ao filamento de actina. Ocorre depois o deslizamento entre os filamentos de actina e miosina, levando à contracção do músculo. Quando a concentração de iões cálcio baixa até um nível crítico o processo é invertido, passando a miosina-fosfatase a desfosforalizar a cadeia leve da cabeça de miosina, que se separa do filamento de actina e facilita o relaxamento do músculo; 35