EIXO BIOLÓGICO
Unidade 11 Transporte através da membrana Autora: Professora Nusa de Almeida Silveira I. Introdução II. Transportes através da membrana III. Potencial de repouso IV. Potencial de ação V. Referências e sugestão de leitura
#M2U11 I. Introdução Poderíamos iniciar esta unidade nos perguntando por que começar conhecendo os tipos de transportes através da membrana? Como você leu no textobase do Módulo 2, vamos relembrar as principais características que definem um ser vivo. Os seres vivos apresentam capacidade de reprodução, são capazes de captar, transformar e usar a matéria e a energia obtidas no ambiente para a manutenção da sua existência. Para manterem suas funções vitais, os seres vivos dependem da nutrição, que representa a fase de captação de elementos necessários à vitalidade da célula, sua unidade formadora. Então, é razoável considerar que os elementos importantes à continuidade da vida nos seres vivos chegam até a célula, sendo transportados através da membrana. Assim sendo, a sobrevivência dos seres vivos depende primariamente dos transportes através da membrana: a célula precisa de oxigênio e nutrientes para manter seu metabolismo. Essas substâncias, para estarem disponíveis para as células, precisam atravessar sua membrana. Saiba Mais Nutrientes: substâncias químicas presentes nos alimentos, utilizadas pelas células para produzir energia. 412 Módulo II Processos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia
P Eixo Biológico BSC Por outro lado, os produtos do metabolismo celular precisam deixar a célula. Mais uma vez, o transporte pela membrana terá de acontecer. Portanto, o transporte ocorre nos dois sentidos (Figura 1): Figura 1: direções dos transportes através da membrana e substâncias transportadas. Nesse ponto é importante que você retorne ao Módulo 1 e relembre as características da membrana da célula, ponto fundamental para prosseguirmos no nosso estudo. Aproveite para responder algumas questões importantes: Atividade complementar 1 1. O que é modelo do mosaico fluido da membrana plasmática? 2. Que fatores estão envolvidos na permeabilidade da membrana? 3. Para que servem as proteínas presentes na membrana? Antes de prosseguirmos, que tal fazer uma pausa para alongar seu corpo? Alongue-se o suficiente para alcançar a lista dos temas das diferentes unidades que serão abordadas no Módulo 2, e tente apontar aquelas em que será necessário conhecer os tipos de transportes através da membrana para o bom entendimento dos seus conteúdos. Depois dessa breve introdução, estamos prontos para estabelecer nossos objetivos de estudo dessa unidade. Mas lembre-se: avance a leitura apenas depois de cumprir as tarefas propostas acima! Após a leitura desta unidade você deve saber diferenciar os tipos de transportes através da membrana, os critérios de classificação e as características de cada tipo. Outro tópico de estudo desta unidade inclui os potenciais de repouso e de ação. Já que partículas energizadas, como os íons, atravessam a membrana, desenvolvem-se, entre os compartimentos por ela separados, os chamados potenciais ou voltagem, como conseqüência da diferença de potencial elétrico resultante da separação de partículas carregadas com cargas opostas. Em se tratando da célula, são os íons, separados pela membrana da célula e transportando-se através dela, que desenvolvem os potenciais. Não é objetivo deste texto esgotar o assunto tratado, mas sim, servir como ponto de partida para uma leitura mais aprofundada em outras fontes. As referências serão apontadas no final do texto, bem como as sugestões de leitura. Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 413 B
# M2U11 Transporte através da membrana #M2U11 II. Transportes através da membrana Existem várias formas de classificação para os diferentes tipos de transportes através da membrana. Uma delas, a mais usada, leva em consideração o gasto de energia metabólica proveniente do ATP (adenosina tri-fosfato). Nessa classificação são considerados passivos os tipos de transporte que não utilizam ATP e ativos, os que dele dependem. Assim, são considerados passivos: a difusão simples, a difusão facilitada e a osmose. A filtração não é normalmente considerada por ser um transporte que ocorre não através de membrana, mas sim através da parede de capilares, como você verá em outra unidade deste módulo. Os considerados ativos nesta classificação são o ativo primário e o ativo secundário, os quais levam em conta, respectivamente, o gasto de energia direta ou indiretamente. Em outra classificação, o critério considerado é a mediação, ou não, de proteínas de transporte, sendo chamados livres os que não dependem de proteínas transportadoras e mediados os que dependem. Neste caso, a difusão simples e a osmose são classificadas como livres e a difusão facilitada e os transportes ativos são mediados. Um outro tipo de transporte, chamado vesicular, ocorre sem que as substâncias transportadas estabeleçam relação com os componentes da membrana plasmática. Como exemplo deste grupo especialmente utilizado por grandes partículas e macromoléculas, podemos citar a exocitose e endocitose. Vamos, a seguir, conhecer com mais detalhes cada um desses mecanismos. Mas antes vamos respirar profundamente para melhorar a oxigenação do sangue e, assim, reflitir sobre qual será o tipo de transporte que o oxigênio inspirado utiliza para alcançar nosso meio interno. Difusão simples Saiba Mais ATP: composto rico em energia, utilizado pela célula para desenvolver várias atividades necessárias para seu funcionamento normal. Saiba Mais Meio interno: expressão utilizada por Claude Bernard para indicar o líquido extracelular. Esse tipo de transporte decorre da tendência natural das moléculas ou íons de se dispersarem no ambiente disponível. Todas as substâncias em solução são dotadas de energia cinética e estão em constante movimento. Como as partículas se movem de forma espontânea e aleatória (movimento browniano), elas colidem umas com as outras, mudando sua direção em cada colisão. O resultado desse movimento é que as substâncias se movem do local em que se encontram em alta concentração, para um local de baixa concentração, ou seja, seu movimento ocorre a favor do gradiente de concentração. Esse movimento passivo pode ser observado em muitas situações cotidianas. Experimente você mesmo: encha um copo transparente com água e adicione uma colher de café de um suco, de preferência de cor forte. O que vai acontecer nos minutos seguintes é o resultado do que chamamos difusão. Esse processo também explica a contaminação de grandes volumes de água dos rios ou oceanos, resultantes do derramamento de produtos de rejeito das indústrias, fábricas, residências, hospitais e outros (Figura 2). Figura 2: a difusão como um fator de agravamento da contaminação ambiental. 414 Módulo II Processos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia
Eixo Biológico P BSC B Como a força que dirige a difusão é a energia cinética das próprias substâncias, a velocidade de difusão é normalmente influenciada pelo tamanho da partícula (quanto menor, mais rápida) e pela temperatura (na medida em que a temperatura se eleva, aumenta a velocidade de difusão, considerando-se, é claro, determinados limites). Atividade complementar 2 Vamos fazer uma pausa para um cafezinho? Aproveite enquanto prepara o café e faça uma observação, de acordo com as condições mostradas na Figura 3. Figura 3: comparação da velocidade de difusão em diferentes condições. Agora, enquanto toma o seu café, responda: em qual condição há maior velocidade de difusão? Por quê? Saiba Mais Descobertas em meados da década de 90, as aquaporinas são proteínas integrais que formam canais seletivos de fluxo de moléculas de água através da membrana plasmática das células vegetais e animais. Em se tratando de transportes através de membranas, apenas substâncias que são solúveis na sua porção lipídica podem atravessá-la pelo mecanismo da difusão simples. Como exemplo dessas substâncias poderíamos citar o oxigênio, o gás carbônico, solutos polares de baixo peso molecular como a uréia e glicerol. Moléculas hidrossolúveis neutras com baixo peso molecular, como a água, podem atravessar a membrana passando por entre as cadeias dos fosfolipídios sem sofrer dissolução. No caso particular da água, além desse fator, sua permeabilidade à membrana é enormemente aumentada pelos canais protéicos presentes na mesma, denominados aquaporinas. Nesse caso, apesar de ocorrer através de canais, o transporte é considerado simplesmente difusão. Para as substâncias que podem atravessar a membrana pelo mecanismo da difusão simples, a velocidade de difusão é diretamente proporcional à diferença de concentração do soluto entre as duas faces da membrana, como mostrado no gráfico abaixo (Figura 4): Figura 4: velocidade de difusão de um soluto através da membrana por difusão simples. Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 415
# M2U11 Transporte através da membrana Nos organismos vivos, a difusão de solutos através da membrana sempre vai ocorrer de um meio aquoso para outro meio aquoso, ou seja, o líquido extracelular e o intracelular. Nesse caso, além das considerações já feitas, a velocidade de difusão também vai depender da possível interação da substância com a água. Concluindo, os fatores que afetam a velocidade de difusão são agrupados na chamada Lei de Fick. Atividade complementar 3 Pesquise em um livro de Fisiologia ou Biofísica, quais fatores afetam a velocidade da difusão e como estes se relacionam. Osmose A osmose é um tipo particular de difusão, na qual o constituinte da solução que se difunde é a água. Aplicada aos sistemas biológicos, a osmose ocorre entre dois meios aquosos, o líquido extracelular (LEC) e o intracelular (LIC), separados pela membrana da célula, que é semipermeável, ou seja, permeável à água e impermeável aos solutos. É bom, neste momento, que o processo da difusão seja revisto, a título de recapitulação. Reveja também os mecanismos pelos quais a membrana se torna permeável à água. É a osmose que regula, em grande parte, o volume dos compartimentos líquidos do corpo. Esse mecanismo é muito importante nos organismos vivos, pois o conteúdo hídrico das células e tecidos representa um importante fator de manutenção do equilíbrio hidroeletrolítico, necessário à manutenção da homeostase nos seres vivos. A membrana das células, além de permeável à água, é muito pouco permeável aos solutos, especialmente aos iônicos. A água difundirá sempre do meio menos concentrado (ou de maior volume de água) para o meio mais concentrado (de menor volume de água), tendendo ao equilíbrio (Figura 5). A força necessária para interromper a osmose é chamada de pressão osmótica. Saiba Mais Homeostase: condição de equilíbrio dinâmico presente nos seres vivos, de forma extracelular. Figura 5: mecanismo da osmose. 416 Módulo II Processos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia
Eixo Biológico P BSC B Atividade complementar 4 Faça a seguinte experiência: Prepare uma solução de água e sal. Num prato fundo cheio de água, adicione uma colher de sopa de sal de cozinha. Em seguida, coloque em imersão uma folha de alface por alguns minutos. Observe o que vai acontecer e tente explicar pela osmose. Saiba Mais Osmol é a medida do número real de partículas em solução. O equilíbrio osmótico entre os compartimentos extra e intracelular nos animais ocorre num nível de concentração em torno de 0,3 osmóis/l. Nesse caso, dizemos que os meios são isosmóticos. Se o meio extracelular por alguma razão estiver mais concentrado que o intracelular (hiperosmótico), a água difundirá em direção ao LEC, tendendo ao equilíbrio, o que fará com que a célula desidrate. Caso contrário, a célula ganhará líquido quando o meio extracelular apresentar-se mais diluído que a célula (hiposmótico). Atividade complementar 5 Agora vamos exercitar nosso conhecimento: vá até uma farmácia e peça ao balconista para lhe mostrar uma solução fisiológica, aquela que chamamos de soro. Observe a concentração dessa solução em seu rótulo e tente responder: essa solução determinará osmose entre os compartimentos intracelular e extracelular quando administrada endovenosamente nos pacientes internados em hospitais? Explique sua resposta. www. Visite o site http://walewski.ubbihp.com.br/osmose.swf e veja uma simulação sobre a osmose. Difusão facilitada Vamos começar descrevendo esse tipo de transporte e entendendo seu nome. Difusão, como já visto, indica um tipo de transporte sem gasto de energia, que ocorre a favor de um gradiente de concentração. O termo facilitada faz referência à participação de uma proteína de membrana que funciona como carreador. Assim, a difusão facilitada é utilizada para transportar substâncias que, apesar de seguirem seu gradiente de concentração, são naturalmente impermeáveis à membrana. Esse tipo de transporte difere dos que ocorrem, por exemplo, nos canais de água, citados anteriormente, pois o carreador ou transportador apresenta um sítio de ligação para o soluto que será transportado. Após a ligação do soluto em seu sítio, o carreador sofre uma alteração na conformação da proteína, transferindo o soluto de um lado para outro da membrana, sempre a favor de seu gradiente. Nesse caso, um único soluto pode ser transportado (unitransporte) ou dois solutos simultaneamente, tanto na mesma direção (co-transporte) ou em direções opostas (antitransporte). O mecanismo da difusão facilitada (Figura 6) será demonstrado a seguir. Outras características dessas proteínas de transporte, que também são comuns aos tipos de transportes ativos, são: elas são específicas para o soluto a ser transportado; ocorre um processo de saturação do mecanismo de transporte, quando a concentração do soluto a ser transportado é superior à capacidade do sistema de transporte; Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 417
# M2U11 Transporte através da membrana Figura 6: mecanismo da difusão facilitada. quando moléculas muito semelhantes se ligam a um único transportador, pode ocorrer entre elas uma competição pelo transportador; a inibição ocorre quando um soluto, que não é o específico para o transportador, ocupa seu sítio de ligação, impedindo a ligação do ligante natural. Um exemplo desse tipo de transporte no nosso corpo é o da frutose (açúcar presente nas frutas) na mucosa intestinal. Transporte ativo primário Curiosidade Cerca de 40% do peso de açúcar encontrado no mel é composto pelo monossacarídeo, frutose. Esse tipo de transporte, por também ser mediado por proteínas carreadoras, apresenta características comuns à difusão facilitada, no que se refere às propriedades do carreador. As características próprias desse transporte são: ocorre com gasto de energia, proveniente do ATP, sintetizado nas mitocôndrias; ocorre contra um gradiente de concentração (Figura 7). Figura 7: mecanismo do transporte ativo primário. 418 Módulo II Processos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia
P Eixo Biológico BSC B Curiosidade Um exemplo celular que contém bombas de hidrogênio e um citoplasma preparado para secreção do mesmo, são as células parietais encontradas no estômago que são estimuladas pelo hormônio gastrina a produzir ácido clorídrico. As proteínas transportadoras, por realizarem o transporte contra o gradiente de concentração, normalmente são denominadas bombas. E como elas convertem o ATP em ADP (adenosina di-fosfato) durante o processo de transporte, elas também são denominadas ATPases. O transporte ativo, em parte, explica a diferença de cargas elétricas que existe entre o lado externo e interno da membrana, base dos potenciais de membrana que serão descritos posteriormente. O exemplo mais comum que temos nos organismos superiores, presente em praticamente todas as células, é a bomba de sódio e potássio (Na + /k + -ATPase). Nesse caso particular, ocorre um contra-transporte de três íons sódio para fora e dois íons potássio para dentro da célula. Esses movimentos ocorrem contra o gradiente de concentração de cada íon considerado. A energia é consumida para a fosforilação da proteína transportadora. Para tanto, ocorre o rompimento da ligação de alta energia existente entre o 2º e 3º radicais fosfatos, presentes no ATP. Forma-se, então, o ADP que é liberado, e o radical fosfato permanece ligado à proteína transportadora, energizando-a para realizar o transporte contra o gradiente. Enquanto isso, o sódio é transportado para fora da célula. Em seguida, o potássio liga-se em seu sítio, e, ao mesmo tempo em que a proteína muda sua conformação, levando o potássio para dentro da célula, o radical fosfato se solta do transportador, liberando o sítio de ligação para o novo ATP, dando início a um novo ciclo de atividade da bomba. Outros exemplos de bombas ativas presentes nos organismos superiores são as bombas de cálcio (comuns nas membranas do retículo endoplasmático das células musculares); as bombas de hidrogênio e potássio (presentes nas células do estômago que sintetizam o ácido clorídrico) e as bombas de hidrogênio (como as das membranas dos lisossomos das células). Transporte ativo secundário Essa modalidade de transporte é dita secundária por não utilizar diretamente a energia metabólica durante a movimentação do soluto através da membrana. A energia consumida nesse caso depende da energia gasta pela bomba de sódio e potássio na geração das diferenças de concentrações dos íons entre os dois lados da membrana. Uma vez mantido esse gradiente, o transporte ativo secundário ocorre quando um soluto é carreado contra seu gradiente às custas de um carreador que transporta, simultaneamente, um soluto a favor do seu gradiente. Esse mecanismo explica-se porque um íon libera energia potencial quando se desloca a favor de seu gradiente e essa energia pode ser utilizada por um soluto para ser transportado contra seu gradiente. A comprovação experimental deste fato ocorreu quando os pesquisadores observaram que o transporte ativo secundário era interrompido quando a atividade da Na + /k + -ATPase era inibida. Especialmente nos mamíferos, o transporte ativo secundário utiliza o sódio como íon propulsor. Assim, na medida em que o sódio desloca-se a favor do seu gradiente (que é mantido pela Na + /k + -ATPase), o mesmo transportador carrega consigo outras moléculas contra seu gradiente. Observe o exemplo mostrado na Figura 8, a seguir: Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 419
# M2U11 Transporte através da membrana Figura 8: mecanismo do transporte ativo secundário. Como o sódio é mais concentrado fora da célula, ele estará sempre entrando na célula, deslocando-se, assim, a favor do seu gradiente. O soluto que será transportado ao mesmo tempo pode ser transportado na mesma direção (co-transporte ou simporte) ou na direção oposta (contra-transporte ou antitransporte). Exemplos de co-transportes observados em mamíferos são os transportes de glicose (Figura 8) e aminoácidos que ocorrem juntamente com o sódio na mucosa intestinal. De contra-transportes, são os trocadores de Na + /H + e Na + /Ca +2, encontrados na membrana plasmática de muitas células, os quais controlam respectivamente o ph da célula e o baixo nível de cálcio no citoplasma das células. Transportes vesiculares Nesse tipo de transporte, apesar da substância transportada não estabelecer nenhuma relação com os componentes da membrana, formam-se a partir dela vesículas que transportam grandes moléculas que poderão entrar (endocitose) ou sair (exocitose) da célula. Vamos detalhar um pouco mais cada um dos mecanismos: Endocitose É o nome dado para o processo no qual uma região da membrana plasmática se contrai, formando uma estrutura semelhante a um saco que se fecha para formar a vesícula endocítica dentro da célula. Um tipo particular de endocitose, denominado fagocitose, é observado especialmente em macrófagos, que são as células brancas do sangue utilizadas na remoção de bactérias invasoras do nosso corpo. Nesse caso, a fagocitose se inicia pela expansão da membrana celular ao redor da substância estranha, após a partícula ter se fixado na superfície externa da membrana (Figura 9). 420 Módulo II Processos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia
Eixo Biológico P BSC B Figura 9: ilustração esquemática da fagocitose. Em outros casos, determinados solutos em solução no meio extracelular são retidos nas áreas de depressões da membrana que em seguida se contraem para se fecharem na forma de vesícula, caracterizando o processo chamado de pinocitose. Um terceiro tipo de endocitose ocorre de forma mais específica para determinadas substâncias como: hormônios, lipoproteínas plasmáticas, proteínas de transporte, etc. É a chamada endocitose mediada por receptor. As substâncias se ligam em receptores específicos na superfície da membrana, localizados em depressões especiais, por serem revestidas na parte interna da membrana por proteínas denominas clatrinas. Essas depressões revestidas promovem uma internalização mais rápida de grandes quantidades das moléculas que são transportadas por esse mecanismo. Veja o exemplo na Figura 10 a seguir: Figura 10: mecanismo da endocitose mediada por receptor. Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 421
# M2U11 Transporte através da membrana Na maioria dos casos, as substâncias que são internalizadas pelas células através do processo de endocitose são digeridas ou degradadas no interior de vesículas lisossômicas. Exocitose É o tipo de transporte utilizado pela célula para remover dela seus produtos de secreção como muco, hormônios, neurotransmissores, enzimas, etc. Normalmente, essas macromoléculas são sintetizadas no retículo endoplasmático, modificadas no complexo de Golgi e a partir daí, são acondicionadas em altas concentrações nas vesículas que se formam da membrana do complexo de Golgi. Essas vesículas se deslocam para a superfície interna da membrana da célula plasmática, se fundem a ela, liberando seu conteúdo para fora da célula, conforme mostrado no esquema da Figura 11. Figura 11: esquema ilustrativo da exocitose, durante a síntese de um hormônio. A exocitose pode ocorrer de forma regulada, quando a célula recebe algum estímulo específico. Esse processo é comum nos neurônios e nas células endócrinas, quando liberam os neurotransmissores e os hormônios, respectivamente. Para essa via, o cálcio parece ter grande importância no deslocamento da vesícula até a membrana. Na via não regulada, também chamada de constitutiva, a secreção ocorre continuamente, como a que ocorre pela secreção de muco no interior do trato digestório ou das vias respiratórias. Saiba mais sobre neurotransmissores, sinapses e neurônios visitando o site: http://www.afh.bio.br/nervoso/nervoso2.asp#neurotransmissores www. 422 Módulo II Processos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia
P Eixo Biológico BSC B #M2U11 III. Potencial de repouso Este tópico de estudo é uma aplicação prática dos diferentes processos de transportes passivos e ativos que ocorrem através da membrana. Vamos tomar como exemplo inicial o que ocorre com o íon sódio nas células dos organismos vivos. Esse íon é continuamente removido da célula por ação da bomba Na + /k + -ATPase. Ao mesmo tempo, por transporte passivo, o sódio entra para a célula, seguindo seu gradiente de concentração, através de canais de sódio não regulados, em menor quantidade, de tal forma que se mantém uma concentração muito maior de sódio no meio externo em relação ao interno. De forma semelhante, o potássio é continuamente levado para o interior da célula pela atividade da bomba Na + /K + -ATPase. Ao mesmo tempo, o potássio sai da célula por transporte passivo, mantendo uma concentração de potássio muito maior dentro da célula. Assim, os transportes através da membrana são coordenados na célula viva para que os íons e outros solutos sejam mantidos em concentrações que garantam a vida da célula. Esse estado, não é de equilíbrio, mas é estável, já que a concentração dos íons dentro da célula se mantém desigual em relação à concentração de íons fora da célula. www. Visite o site: http://www.cerebromente.org.br/n09/fundamentos/transmissao/electrical.htm para entender um pouco mais sobre potencial de repouso e observe a animação disponível. Curiosidade Desenvolve-se, por isso, uma diferença de potencial através da membrana plasmática, chamada de potencial de repouso da membrana. O valor deste potencial pode ser medido, introduzindo-se no interior da célula eletrodos muito pequenos, mais apropriadamente chamados de microeletrodos. Em condições constantes de temperatura e pressão, o movimento dos íons através das membranas, além de ser determinado pelas forças resultantes das diferenças de concentração, é também determinado pela diferença de potenciais elétricos nas duas faces da membrana. Assim, quando existem diferenças de cargas elétricas entre os dois lados da membrana, os íons positivos se deslocam em direção ao lado negativo e os íons negativos se deslocam para o lado positivo. O somatório das duas forças, gradiente de concentração e gradiente elétrico, é chamado de potencial eletroquímico, que, em termos práticos, mede a tendência que o íon tem de atravessar a membrana. Walther Hermann Nernst (1864 1941) foi um físico-químico alemão que trabalhou com Eletroquímica, Termodinâmica e Fotoquímica. Desenvolveu a Equação de Nernst, a lâmpada de zircônio e lítio, e postulou a terceira lei da Termodinâmica (entropia da matéria tende a anular-se quando próximo do zero absoluto), descoberta pela qual ganhou o prêmio Nobel de Química. Quando a tendência de um íon se deslocar pela membrana seguindo seu gradiente de concentração é exatamente contrabalançada pela tendência do íon se deslocar pelo seu gradiente elétrico, dizemos que o íon alcançou seu potencial de equilíbrio. Nesse ponto, o íon em questão efetivamente não se desloca. A equação que permite calcular matematicamente o valor do potencial de equilíbrio para cada íon permeável à membrana é a equação de Nernst. Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 423
# M2U11 Transporte através da membrana Ex = ( R T / Z F ) ln ( [X]e / [X]i ) Em que: R é a constante dos gases perfeitos ( [8,314] K -1 mol -l ); T é temperatura absoluta (310K no corpo humano); F é a constante de Faraday (carga por mole = 9,65x10 4 A.s.mol -l ); Z é o número de cargas do íon; ln é logaritmo natural; [X] a concentração mola do íon no exterior (e) e no interior (i) da célula. Seria bom que você consultasse, neste momento, um livro de Biofísica para ver como esses fatores são matematicamente expressos na equação. Agora temos condições de, enfim, entender como calculamos o valor do potencial de repouso da membrana. Se colocarmos em uma única equação, o potencial de equilíbrio de cada íon ao qual a membrana é permeável multiplicado pela permeabilidade da membrana ao íon, chegamos à equação de Goldman. V rep = (RT / F) ln (Pk [K + ]e + PNa [Na + ]e)/(pk [K + ]i + PNa [Na + ]i) Em que: Pk - permeabilidade ao K + e PNa permeabilidade ao Na +. Os demais termos são iguais ao da equação de Nernst. Sendo assim, da equação de Goldman, tem-se que a grandeza que determina o potencial de repouso é o gradiente de concentração dos íons transportados ativamente pelas suas permeabilidades relativas. Volte novamente ao livro de Biofísica para dar uma olhada na equação, que expressa em termos matemáticos, o potencial de repouso da membrana. Esse valor é variável entre células com funções diferentes. Para os neurônios e células musculares esqueléticas, por exemplo, ese valor varia em torno de 94mV (como o potencial da membrana é medido no interior dela, o sinal negativo indica que o interior da célula é mais negativo em relação ao exterior). Um detalhe importante: a expressão repouso indica que a célula não está sendo estimulada. Entretanto, ela continua realizando todas as suas funções metabólicas. Ou seja, a célula está sempre em atividade. Existe uma infinidade de estímulos na nossa vida. Só para exemplificar, os nossos sentidos da audição, visão, paladar e tato são percebidos no nosso corpo em função de estímulos específicos que alcançam células especiais. Mas isso é uma outra história. Voltando ao que nos interessa no momento, quando a célula é estimulada, se ela é capaz de responder a esse estímulo com uma variação no seu potencial de membrana, dizemos que ela é excitável. Essa variação do seu potencial de membrana, se ocorrer no sentido de tornar o potencial de repouso menos negativo, poderá alcançar um nível de potencial denominado limiar, no qual a célula apresentará, por um curtíssimo espaço de tempo, valores de potenciais progressivamente menos negativo, até atingir valores positivos, evento este denominado potencial de ação, que é o ponto seguinte do nosso estudo. #M2U11 IV. Potencial de ação Continuando em nossa linha de raciocínio, a variação do potencial de membrana, que ocorre nas células excitáveis em resposta a um estímulo eficaz, ocorre graças a um fluxo de íons através de canais iônicos presentes na membrana plasmática. 424 Módulo II Processos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia
Eixo Biológico P BSC B Esses canais são regulados pela voltagem, ou seja, são ativados por uma variação na voltagem da membrana. Sua ativação se dá pela abertura de comportas (ou portões) presentes na estrutura da proteína que os formam. A abertura das comportas promove um fluxo intenso de íons no interior do canal, que faz variar a permeabilidade da membrana aos íons. Existem dois tipos de canais iônicos dependentes de voltagem, responsáveis pelos eventos observados durante o potencial de ação e presentes na membrana plasmática: o canal de sódio, que é rápido para abrir e para fechar, e o de potássio, que é lento para abrir e fechar. O canal de sódio apresenta duas comportas: a de ativação e a de inativação. No decorrer do potencial de ação, o canal passa do estado de repouso para o estado ativo, seguido pelo estado inativo para finalmente alcançar a condição de fechado e inativo. Durante o estado de repouso, a comporta de ativação encontra-se fechada e a de inativação aberta, como mostrado na Figura 12A. Figura 12: diferentes conformações do canal de sódio, durante o potencial de ação. No estado ativo, as duas comportas do canal estão abertas, como na Figura 12B. No estado inativo, a comporta de ativação ainda está aberta e a de inativação se fecha, como mostrado na Figura 12C. E, por fim, no estado fechado, as duas comportas estão fechadas, como mostrado na Figura 12D. Na medida em que o potencial da membrana assume diferentes valores em função do fluxo dos íons através do canal, a sua conformação modificase de um estado para outro. O canal de potássio apresenta uma única comporta que se encontra fechada no estado de repouso (Figura 13A) e aberta no estado ativo (Figura 13B). Figura 13: diferentes conformações do canal de potássio, durante o potencial de ação. Como o potencial de ação ocorre sempre da mesma forma para uma determinada célula, podemos dividir seus diferentes momentos em fases para facilitar sua descrição e seu entendimento. Dessa forma, podemos definir o potencial de ação como uma variação abrupta e transitória do potencial da membrana que tem início após ser atingido um determinado valor limar de potencial de membrana em resposta a uma despolarização gradual. Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 425
# M2U11 Transporte através da membrana Ao ser deflagrado o potencial de ação, observa-se uma rápida e intensa despolarização, o que configura a primeira fase do potencial de ação. Essa despolarização alcança níveis acima de zero, caracterizando o que é chamado de ultrapassagem. Segue-se o retorno da voltagem da membrana aos níveis de negatividade normal da célula, chamada de fase de repolarização, que se estende a valores ainda mais negativos que no repouso, fase essa chamada de hiperpolarização. Em seguida, os níveis de voltagem da membrana retornam aos valores do repouso, conforme a Figura 14. Diferença do potencial de membrana (V m ) Potencial de membrana (Vm) +40 +20 0-20 -40-60 -80-100 -120 V m diminuição Repolarização Despolarização Tempo (mseg) V m aumento Hiperpolarização Figura 14: o potencial de ação e suas fases. Vamos partir de uma situação hipotética, em que uma determinada célula excitável encontra-se em repouso. Nessa condição, os canais de sódio encontram-se no estado mostrado na Figura 12A e os canais de potássio encontram-se como mostrado na Figura 13A. A chegada de um estímulo a essa célula determina inicialmente, a abertura de canais de sódio, permitindo a entrada desses íons positivamente carregados. Em função dessas cargas positivas que entram na célula, a voltagem na membrana varia na direção de valores menos negativos que os valores do repouso. Havendo uma variação no potencial de membrana suficiente para atingir o que é chamado de limiar, ocorre a ativação dos canais de voltagem dependentes. Como os canais de sódio são rápidos na sua ativação e inativação, eles se abrem instantaneamente, assumindo a condição mostrada na Figura 12B. Ocorre, então, um grande fluxo de sódio para o interior da célula, despolarizando-a. Como esses canais são também rápidos para fechar, a sua inativação vai ocorrendo na medida em que o potencial de membrana alcança valores positivos. Nesse momento, os canais de sódio assumem a condição mostrada na Figura 12C, impedindo a entrada do íon na célula. Ao mesmo tempo, os canais de potássio vão se ativando, assumindo a condição mostrada na Figura 13A. A saída do potássio faz com que a célula perca cargas positivas, retornando aos níveis do potencial de membrana no repouso. Enquanto a célula está repolarizando, os canais de sódio alcançam sua condição de inativos e fechados, como mostrado na Figura 12D. Como os canais de potássio são lentos, seu fechamento demorado acaba por permitir um vazamento adicional de potássio, o que torna a voltagem ainda mais negativa que o normal, caracterizando a fase de hiperpolarização. Logo a seguir, os canais são inativados, assumindo a condição mostrada na Figura 13B. Os níveis de voltagem retornam aos valores do repouso pela atividade da bomba Na + /K + -ATPase, que bombeia o excesso de sódio no interior da célula para o exterior e o excesso de potássio do exterior para o interior, finalizando o potencial de ação. 426 Módulo II Processos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia
Eixo Biológico P BSC B O potencial de ação é o meio pelo qual as diferentes e as mais diversas informações sobre nosso ambiente interno alcançam nossas células. Essas informações podem ser levadas para outras células através do impulso nervoso, que é o potencial de ação propagado. #M2U11 V. Referências e sugestões de leitura AIRES, M. M. Fisiologia. 2. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1999. BERNE, R. M.; LEVY, M. N. Fisiologia. 4. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2000. COSTANZO, L. S. Fisiologia. 3. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2005. GUYTON, J.E.; HALL, A.C. Tratado de Fisiologia Médica. 10. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2002. JOHNSON, L. R. Fundamentos de Fisiologia Médica. 2. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2000. RHOADES, R. A.; TANNER, G. A. Fisiologia Médica. 2. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2005. TORTORA & GRABOWSKI. Princípios de Anatomia e Fisiologia. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2002. Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 427