67 Organização Geral do Corpo Um organismo vivo está organizado em pequenas unidades chamadas células. Estas estão integradas estrutural e funcionalmente. Algumas células são mais especializadas. Compartimentos Os líquidos corporais são encontrados dentro ou fora das células (meio intra e extracelular). O espaço extracelular é dividido em compartimento vascular (ou plasma), e compartimento intersticial (intercelular). Aproximadamente 65% do peso corporal consistem de água (3/4 são intracelulares). Homeostase Para funcionarem perfeitamente, as células necessitam de um meio ambiente constante. O líquido intersticial (derivado da corrente sangüínea) que circunda cada célula, é chamado de meio interno do corpo. Para um bom funcionamento celular, é necessário manter esse meio interno constante. O termo homeostase define as condições de equilíbrio, que são mantidas por processos fisiológicos coordenados. Alguns mecanismos de controle homeostático são aqueles responsáveis pela manutenção das concentrações normais dos elementos sangüíneos, da temperatura corporal, do volume e ph dos líquidos corporais, da pressão arterial e da freqüência cardíaca. Todos os mecanismos de homeostase do corpo atuam por um processo de feedback negativo. O feedback é um sinal informativo, que expressa o mecanismo utilizado para estabelecer ou manter alguma variável no nível desejado. O feedback é chamado negativo porque a resposta induzida é negativa em relação à alteração inicial. Regulação das Funções Coordenação do Corpo A coordenação das funções do corpo ocorre por mecanismos internos de regulação. Estes podem ser classificados em nervoso e hormonal. O sistema nervoso central (SNC) age como um integrado, recebendo mensagens da sua rede de nervos sensitivos e enviando-as, através de seus nervos motores para compensar qualquer distúrbio ou desequilíbrio detectado. O sistema hormonal é composto por um certo número de glândulas endócrinas, que secretam substâncias químicas chamados hormônios. Estes são transportados dos líquidos extracelulares para todas as partes do corpo, auxiliando na regulação das funções. O SNC trabalha através de reações rápidas. O Sistema Endócrino atua por meio de reações de duração mais longa. O Sistema Endócrino complementa o SNC. Transporte Através da Membrana O transporte através da membrana celular, por meio da bicamada lipídica ou por meio das proteínas, ocorre por dois processos básicos: difusão (ou transporte passivo) e transporte ativo. Difusão significa o movimento aleatório de substâncias, molécula a molécula, seja pelos espaços intermoleculares da membrana, seja em combinação com uma proteína carreadora. O transporte ativo é o movimento de íons, ou de outras substâncias, através da membrana, em combinação com uma proteína carreadora, porém, contra um gradiente de energia. Todas as moléculas e íons nos líquidos corporais (moléculas de água como as das substâncias dissolvidas), estão em movimentação constante. Difusão A difusão através da membrana celular é dividida em difusão simples e difusão facilitada. Difusão simples significa que o movimento cinético das moléculas ou íons ocorre pelos orifícios ou pelos espaços intermoleculares da membrana, Difusão Simples sem necessidade de fixação a proteínas carreadoras. A difusão facilitada exige a interação de proteínas carreadoras com a molécula ou íon, a ser transportado. A proteína carreadora facilita a passagem das moléculas ou íons, através da membrana, por se prenderem quimicamente a eles. Difusão por Canais Protéicos Esses canais têm forma tubular e vão da extremidade extracelular até a intracelular. Dessa forma, as substâncias passam por difusão simples, de forma direta, de um lado da membrana para outro. Costumam ser seletivamente permeáveis a certas substâncias e, podem ser abertos ou fechados por comportas. Um dos mais importantes de todos os canais protéicos é o canal de sódio (canal rápido). As superfícies internas desse canal são revestidas intensamente por cargas negativas.
68 Difusão Facilitada Transporte Ativo Outro grupo de canais protéicos são os canais de potássio (canais lentos). Esses canais caracterizam-se por não terem cargas negativas. Difusão Facilitada Também chamada de difusão mediada por carreador. Uma substância transportada dessa forma não pode, na maioria dos casos, atravessar a membrana sem a participação de uma proteína carreadora específica. O carreador facilita a difusão da substância. A diferença básica entre difusão simples e difusão facilitada é que conforme aumenta a concentração da substância, a velocidade (ou intensidade) da difusão simples aumenta proporcionalmente. Na difusão facilitada há uma limitação na velocidade de passagem (difusão). Osmose (Difusão Efetiva de Água) A mais abundante substância a se difundir através da membrana celular é a água. O processo de movimento efetivo da água, causado por diferença de concentração (da própria água) é chamado de osmose. Assim, pressão osmótica é a força que puxa água de uma solução concentrada. A pressão osmótica exercida pelas partículas de uma solução (moléculas ou íons), é determinada pelo número de partículas/volume unitário do líquido. Cada partícula em solução, independentemente de sua massa, exerce a mesma quantidade de pressão sobre a membrana. Ou seja, todas as partículas estão se chocando umas com as outras, em média com a mesma energia. Transporte Ativo Quando a membrana celular transporta molécula ou íons contra a corrente, contra um gradiente de concentração, o processo é chamado transporte ativo. Entre as substâncias que são ativamente transportadas através da membrana temos: os íons sódio, potássio, cálcio, ferro, hidrogênio, vários açúcares diferentes e a maior parte dos aminoácidos. O transporte ativo é dividido em dois tipos, de acordo com a fonte de energia usada para provocar o transporte. São eles, o transporte ativo primário e o secundário. No transporte ativo primário, a energia é derivada da degradação de ATP Gradiente de Concentração A Favor ou de algum outro composto de fosfato com alta energia. No transporte ativo secundário, a energia deriva da energia que foi armazenada sob a forma de diferenças de concentração iônica, criadas por transporte ativo primário. O transporte ativo também depende de proteínas carreadoras. Estas, neste caso, são capazes de transferir energia para a substância transportadora, movendo-a contra o gradiente eletroquímico. Contra
69 Transporte Ativo Primário A bomba de sódio e potássio é um processo de transporte que bombeia os íons sódio para fora e, ao mesmo tempo, bombeia os íons potássio para dentro da célula. Essa bomba existe em todas as células do corpo e é a responsável pela manutenção das concentrações de sódio e potássio através da membrana celular, bem como o estabelecimento do potencial negativo intracelular. A proteína carreadora é um complexo formado por duas proteínas globulares distintas. Funcionamento da bomba: quando 3 íons sódio se fixam à parte interna da proteína carreadora, a função ATPásica (da mesma) é ativada. Uma molécula de ATP é quebrada em ADP, havendo liberação de energia. Essa energia é usada para provocar alteração conformacional na molécula da proteína carreadora, levando os íons sódio para o exterior e trazendo os íons potássio para o interior da célula. Uma das funções mais importantes da bomba é controlar o volume das células. Sem o funcionamento dessa bomba, as células do corpo iriam inchar até estourar. Outro mecanismo importante de transporte ativo primário é a bomba de cálcio. Os íons cálcio são mantidos em concentrações baixas no citosol intracelular de praticamente todas as células do corpo. Transporte Ativo Secundário Quando íons sódio são transportados para fora das células por transporte ativo primário, há um grande gradiente de concentração de sódio (concentração aumenta fora da célula e diminuiu em seu interior). Esse gradiente representa armazenamento de energia. Em condições apropriadas, essa energia de
difusão do sódio pode, atrair outras substâncias (junto com o próprio sódio) através da membrana celular. Esse fenômeno é chamado de co-transporte. No contra-transporte, os íons sódio tentam difundir-se para dentro da célula, devido ao seu aumento no gradiente de concentração. Potencial de Membrana Existem potenciais elétricos através das membranas de todas as células do corpo. Algumas células, como as neurais e as musculares, são excitáveis, ou seja, são capazes de autogeração de impulsos eletroquímicos em suas membranas. O potencial de membrana é a diferença elétrica entre o meio intra e extracelular. Potenciais de Membrana Resultantes da Difusão Graças ao grande gradiente de concentração do potássio de dentro para fora, há uma forte tendência para que os íons potássio se difundam para o exterior. Devido à saída de muitas cargas positivas, o exterior da célula fica carregado eletropositivamente, o interior da célula fica carregado eletronegativamente. Essa diferença de potencial (+ fora, - dentro), repele os íons potássio (que estão se difundindo para fora) na direção oposta; de fora para dentro. Essa alteração do potencial é suficiente para bloquear qualquer difusão para o exterior, devido ao alto gradiente de concentração do íon potássio. A bomba de sódio e potássio ajuda a manter a diferença de concentração entre sódio Na + e potássio K +. Quando a membrana for permeável a vários íons diferentes, o potencial de difusão estabelecido, depende de 3 fatores: da polaridade da carga elétrica de cada íon, da permeabilidade da membrana a cada íon e das concentrações dos íons respectivos dentro e fora da membrana. A bomba de sódio e potássio é uma bomba eletrogênica, porque um número maior de cargas positivas é bombeado para fora do que para dentro da fibra nervosa. O equilíbrio dinâmico se estabelece quando o número de cargas elétricas que sai é o mesmo que entra. A bomba de sódio e potássio mantém o volume celular. Ela mantém mais sódio fora do que potássio dentro (3:1). A bomba eletrogênica de sódio e potássio mais o papel da difusão, estabelecem um potencial de membrana de aproximadamente -90mV. Potencial de Ação Os sinais nervosos são transmitidos por potenciais de ação, que são variações rápidas do potencial de membrana. Cada potencial de ação começa por uma alteração abrupta do potencial de repouso (negativo), para um potencial de membrana positivo, retornando depois, rapidamente, ao potencial negativo. Etapas do Potencial de Ação Estado de repouso: corresponde ao potencial de repouso da membrana, antes que comece o potencial de ação. A As bolinhas são os neurotransmissores. Apesar de todos serem iguais, não pense que só há um tipo, porque são vários! Como exemplo podemos citar os mais comuns, como a acetilcolina e noradrenalina, ou outros como as dopaminas (um excesso está relacionado a esquizofrenia e uma falata está ligado ao mal de Parkinson) e as endorfinas (ligadas à memória e ao aprendizado - são secretada também na relização de exercícios físicos - também se relacionam com a supressão da dor). membrana está polarizada, devido o grande potencial negativo da membrana. Etapa de despolarização: a membrana fica permeável aos íons sódio, permitindo o fluxo destes (em grande quantidade) para o interior da célula. O estado polarizado de -90mV, desaparece, com o potencial variando no sentido positivo. Isso é chamado de despolarização. Etapa de repolarização: após a membrana ficar muito permeável ao sódio, os canais deste íon começam a se fechar, enquanto os canais de potássio se abrem mais do que o normal. Há a rápida difusão de íons potássio para o exterior, o que restabelece o potencial normal (negativo) de repouso da membrana. Isso é chamado de repolarização da membrana. Canais de Sódio e Potássio Dependentes de Voltagem 70 O agente necessário para a produção da despolarização e da repolarização da membrana é o canal de sódio dependente de voltagem. O canal de potássio dependente de voltagem tem participação no aumento da velocidade de repolarização da membrana. Esses canais dependentes de voltagem atuam junto com a bomba de sódio e potássio e com os canais de vazamento (sódio/potássio). Ativação do canal de sódio: quando o potencial de membrana varia de -90mV para zero, ele atinge uma voltagem entre -70 e -50mV. Essa variação provoca alteração conformacional da comporta de ativação, abrindo-a. Durante este estado há um aumento da permeabilidade da membrana ao sódio.
Inativação dos canais de sódio: após o canal de sódio ficar aberto por certo tempo, ele se fecha e os íons sódio não podem mais passar para dentro da membrana. Então, o potencial de membrana começa a voltar ao estado de repouso, o que constitui o processo de repolarização. Canais de potássio dependentes de voltagem e sua ativação: durante o estado de repouso, a comporta do canal de potássio está fechada e, os íons potássio ficam impedidos de passar para o exterior. Quando o potencial de membrana varia de -90mV em direção ao zero, essa variação produz uma alteração (lenta) conformacional, abrindo a comporta e permitindo a difusão de maior quantidade de potássio para o exterior. Os canais lentos de potássio só se abrem após o fechamento dos canais rápidos de sódio. A diminuição do fluxo de sódio para dentro da célula e o aumento, simultâneo, do fluxo de potássio para fora da célula, aceleram a repolarização, levando à recuperação do potencial de repouso da membrana. Platô A causa do platô de alguns potenciais de ação é uma combinação de vários fatores. Primeiro, dois tipos de canais atuam no processo de despolarização: os canais rápidos de sódio e os lentos de cálcio (permitem a difusão de íons cálcio e, também, de alguns íons sódio). A abertura dos canais rápidos produz o componente rápido do potencial de ação, enquanto a abertura dos canais lentos é a principal responsável pela parte do platô do potencial de ação. Um segundo fator, responsável às vezes, pelo platô, é a abertura (mais lento que o usual) dos canais de potássio. Eles se abrem, geralmente, próximo ao fim do platô. Isso retarda o retorno do potencial de membrana ao seu valor de repouso. Placa Motora A fibra nervosa ramifica-se, próximo sua extremidade, para formar um complexo de terminais nervosos ramificados que se invaginam na fibra muscular, porém permanecem por fora da membrana plasmática da fibra. Essa estrutura é chamada de placa motora. No terminal do axônio existem muitas mitocôndrias, que fornecem energia para a síntese do transmissor excitatório acetilcolina. Esta excita a fibra muscular. A acetilcolina é sintetizada no citoplasma do terminal axônio e, absorvida por muitas vesículas sinápticas. Quando um impulso nervoso atinge a junção neuromuscular, as vesículas de acetilcolina são liberadas no espaço sináptico. Quando o potencial de ação invade o terminal axônio, abrem-se canais de cálcio, permitindo a difusão de grande quantidade de cálcio para o interior do terminal. Posteriormente, as vesículas sinápticas se fundem com a membrana neural, eliminando a acetilcolina (no espaço sináptico), por exocitose. Acetilcolina O principal efeito da abertura dos canais acetilcolina-dependentes de voltagem é permitir a passagem de grande quantidade de íons sódio para dentro da fibra (elevando grande número de cargas positivas). Isso gera alteração do potencial da membrana da fibra muscular, chamado de potencial da placa motora. Esse potencial da placa desencadeia um potencial de ação na membrana muscular, ocasionando a contração do músculo. A acetilcolina é rapidamente removida do espaço sináptico pela ação da enzima acetil-colinesterase. E, também, pequena quantidade de acetilcolina difunde-se para fora do espaço sináptico, não podendo mais atuar sobre a membrana da fibra muscular. O curto período que a acetilcolina permanece no espaço sináptico é suficiente para excitar a fibra muscular. Acoplamento-Excitação-Contração Túbulos Transversais Os túbulos T são muito pequenos e transversais às miofibrilas. Eles começam na membrana celular, passam de um lado da fibra muscular para o lado oposto. No ponto de origem dos túbulos T (membrana celular) eles se abrem para o exterior. Os túbulos T são extensões internas da membrana celular. Portanto, quando um potencial de ação se propaga pela membrana da fibra muscular, ele também se propaga, por meio dos túbulos T, para o interior da fibra muscular. As correntes do potencial de ação em torno dos túbulos T desencadeiam a contração muscular. O retículo sarcoplasmático (RS) é formado por longos túbulos longitudinais, paralelos as miofibrilas, chegando em grandes câmaras chamadas de cisternas (que estão acopladas aos túbulos T). O acoplamento das cisternas com os túbulos T, forma as tríades. Estas, são formadas 71 por um pequeno túbulo central e uma grande cisterna de cada lado. Liberação de Íons Cálcio Uma das características especiais do RS, é que, dentro de seus túbulos vesiculares, há íons cálcio em alta concentração e muitos desses íons são liberados quando há um potencial de ação no túbulo T adjacente. O potencial de ação do túbulo T provoca um fluxo de corrente através das cisternas, acopladas ao túbulo T. Esse sinal, do túbulo para as cisternas, provoca a rápida abertura de canais de cálcio nas membranas das cisternas e dos túbulos longitudinais do retículo sarcoplasmático. Esses canais permanecem abertos durante um certo tempo, liberando os íons cálcio (responsáveis pela contração muscular) no sarcoplasma que banha as miofibrilas. Os íons cálcio liberados, difundemse para as miofibrilas adjacentes, onde se fixam com a troponina C, desencadeando a contração muscular. Essa contração persistirá enquanto os íons cálcio permanecem em concentrações elevadas no líquido miofibrilar. Porém, uma bomba de cálcio, localizada nas paredes do retículo sarcoplasmático, afasta os íons cálcio das miofibrilas, bombeando-os de volta para dentro dos túbulos sarcoplasmáticos. Sendo assim, imediatamente após um potencial de ação, a concentração de íons cálcio nas miofibrilas, é mantida em valor extremamente baixo. Portanto, em estado de repouso, o complexo troponinatropomiosina mantém as miofibrilas em estado muscular de relaxamento. Com a excitação dos sistema túbulos T retículo sarcoplasmático, há liberação de íons cálcio
suficientes, aumentando sua concentração no líquido miofibrilar, para produzir a contração muscular. Músculo Liso O músculo liso possui fibras bem menores, comparadas às do músculo esquelético. Muitos dos processos de contração vistos para o músculo esquelético, são aplicáveis para o músculo liso. O mais importante é que as forças de atração entre os filamentos de actina e miosina, produzem a contração no músculo liso, como no músculo esquelético. Mas, a disposição interna das fibras musculares lisas é bem diferente. Contração do Músculo Liso Base química: O músculo liso possui filamentos de actina e miosina, porém, não contém o complexo normal da troponina. A actina e a miosina derivadas do músculo liso interagem entre si e, o processo contrátil é ativado por íons cálcio e, a energia utilizada na contração deriva da degradação do ATP em ADP. Base física: O músculo liso não apresenta uma disposição estriada dos filamentos de actina e de miosina. Estes, estão presos aos chamados corpos densos. Alguns deles estão fixos na membrana celular. Outros estão dispersos pelo interior da célula, sendo apoiados por uma rede de proteínas estruturais, que os interligam entre si. Alguns corpos densos na membrana de células adjacentes, também estão unidos entre si por pontes protéicas intercelulares. É, talvez, por meio dessas ligações que a força de contração é transmitida de uma célula para a seguinte. A maioria dos músculos esquelética se contrai e relaxa rapidamente. Já a maior parte das contrações dos músculos lisos são prolongadas e tônicas. No músculo liso, a rapidez de fixação entre actina e miosina e, em seguida a liberação da actina, é muito menor que no músculo esquelético. Porém, a fração de tempo em que os filamentos de actina e de miosina permanecem fixados (o que, é o fator principal na determinação da força de contração), é muito maior no músculo liso. Uma possível razão para essa longa, duração do ciclo, é que as cabeças de miosina teriam menor atividade ATPásica, de modo que a degradação do ATP (fonte de energia) é mais lenta. Acredita-se, que seja necessária apenas uma molécula de ATP, para energizar cada ciclo de contração no músculo liso. Essa economia de energia pelo músculo liso, é muito importante para a economia geral de energia pelo corpo, já que órgãos como intestinos, bexiga urinária, vesícula biliar e etc., devem manter contrações musculares tônicas de forma quase indefinida. Apesar dos poucos filamentos de miosina no músculo liso e da longa duração dos ciclos de contração, a força máxima de contração no músculo liso é, muitas vezes, maior que a do músculo esquelético. Acredita-se que essa grande força de contração resulte do longo período de fixação das cabeças de miosina aos filamentos de actina. Um aumento da concentração dos íons cálcio intracelulares, desencadeia a contração do músculo liso. No lugar da troponina, as células musculares lisas contém grandes quantidades de uma proteína denominada calmodulina. Os íons cálcio se fixam à calmodulina. Essa combinação ativa a miosinoquinase (enzima). Uma das cadeias leves de cada cabeça de miosina é fosforilada. Assim, a cabeça de miosina adquire a capacidade de se fixar ao filamento de actina, produzindo a contração muscular. Controle Neural e Hormonal da Contração do Músculo Liso O músculo liso pode ser estimulado a contrair por diversos tipos de sinais, como, por exemplo, neurais, por estímulos hormonais, por estiramento do músculo, etc. Isso, porque a membrana do músculo liso contém muitos tipos de receptores protéicos, capazes de desencadear o processo contrátil. Outros receptores protéicos inibem a contração do músculo liso. As fibras nervosas que inervam o músculo liso, em geral se ramificam difusamente sobre uma camada de fibras musculares. Na maioria dos casos, essas fibras nervosas não estabelecem contato direto com as fibras musculares lisas, formando junções difusas que secretam substância neurotransmissora na matriz que reveste o músculo liso. Então, a substância neurotransmissora se difunde até as células. Onde há várias camadas de células musculares, as fibras nervosas muitas vezes só estimulam a camada mais externa e, a excitação das camadas mais internas se dá pela condução do potencial 72 de ação ou por difusão subseqüente da substância neurotransmissora. As vesículas das terminações das fibras nervosas, no caso do músculo liso, contêm acetilcolina e noraepinefrina. Mas, elas nunca são secretadas pelas mesmas fibras nervosas. Quando a acetilcolina excita uma fibra muscular, em geral a noraepinefrina a inibe. E, vice e versa. Os dois neurotransmissores excitam ou inibem o músculo liso, por se ligarem a um receptor protéico na superfície da membrana da célula muscular. Alguns desses receptores são excitatórios, outros são inibitórios. Dessa forma, o tipo de receptor determina se o músculo liso é inibido ou excitado e, por qual neurotransmissor. Potencial de Ação no Músculo Liso Potencial em ponta: Esses potenciais de ação podem ser produzidos por estimulação elétrica, por ação hormonal sobre o músculo liso, pela ação de substâncias transmissoras liberadas por fibras nervosas, pelo estiramento da própria fibra muscular. Potenciais de ação com platôs: O início desse potencial de ação é semelhante ao de um potencial em ponta. Porém, a repolarização da membrana da fibra muscular, é mais demorada. A importância do platô, é que ele pode explicar os prolongados períodos de contração de certos tipos de músculo liso. A membrana da célula muscular lisa tem muitos canais de cálcio dependentes de voltagem e poucos canais de sódio. Por isso, o sódio tem pequena participação na geração do potencial de ação dos músculos lisos. Há o fluxo de
73 íons cálcio para o interior da fibra, é o principal responsável pelo potencial de ação. Os canais de cálcio se abrem mais lentamente que os canais de sódio, mas permanecem abertos por mais tempo. Isso explica, em grande parte, os potenciais de ação lentos das fibras musculares lisas. A concentração de íons cálcio no líquido extracelular é relativamente alta e, o potencial de ação do músculo liso é causado principalmente pelo fluxo de íons cálcio para a célula muscular. Como as fibras musculares lisas são muito pequenas, esses íons cálcio podem difundir-se para todas as partes do músculo liso, promovendo a contração. Retículo Sarcoplasmático Algumas células musculares lisas contêm um retículo sarcoplasmático moderadamente desenvolvido. Em geral, quanto mais extenso for o RS na fibra muscular lisa, mais rapidamente ela se contrairá, porque a entrada de cálcio através da membrana celular é bem mais lenta que a liberação dos íons cálcio pelo R.S. intracelulares, que banham os filamentos de actina e miosina. Essa remoção é realizada por bombas de cálcio, que retiram os íons cálcio da fibra muscular lisa, devolvendo-os para os líquido extracelular ou para o interior do retículo sarcoplasmático. A entrada de cálcio para as células musculares, também, sobre o mecanismo contrátil do músculo liso, para provocar a contração. Na maioria dos tipos de músculos lisos quase todos os íons cálcio, promotores da contração entram na célula muscular, vindos do líquido celular, por ocasião do potencial de ação ou de outros estímulos. Cálcio adicional pode entrar na fibra muscular lisa por meio de canais de cálcio hormônio dependentes; esse cálcio também causa contração. Normalmente, a abertura desses canais não produz um potencial de ação e, por vezes, só alterações mínimas do potencial de repouso da membrana, já que potássio (em quantidade suficiente) passa para o exterior, mantendo um potencial de membrana quase normal. Quando a concentração de íons cálcio no líquido extracelular baixa, a contração do músculo liso quase cessa. Portanto, a força da contração do músculo liso é muito dependente da concentração de íons cálcio no líquido extracelular. A Bomba de Cálcio: Para que haja o relaxamento da contração muscular lisa, é necessária a remoção dos íons cálcio dos líquidos Fontes de textos e figuras: 1. Online Biology Book The Online Biology Book is hosted by Estrella Mountain Community College, in sunny Avondale, Arizona. Text 1992, 1994, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, M.J. Farabee, all rights reserved. Use for educational purposes is encouraged. 2. Anatomia e Fisiologia Humanas Ana Luisa Miranda Vilela (www.biologia.cjb.net) 3. Fisiologia on-line Prof. Malaghini (PUC-Paraná) (www.geocities.com/~malaghini)