Sala BioQuímica: Biofísica de membranas e Potencial de ação (impulso nervoso)

Por Fabio Dias Magalhães

Antes de ler esse texto, sugiro a leitura do texto introdutório "O que é impulso nervoso".

O impulso nervoso, ou potencial de ação, é o sinal que é gerado,conduzido e transmitido pelo neurônio. É por causa dele que percebemos o mundo, pensamos, contraímos nossos músculos e nos deslocamos.

Vamos imaginar um estímulo tátil,por exemplo: Como você consegue sentir o teclado no seu dedo?

Bem simplificadamente :

As teclas estimulam receptores mecânicos na ponta do seu dedo. Isso signfica que canais de sódio se abrem, e causam uma despolarização da membrana plasmática, e esse sinal percorre o neurônio até nosso cérebro, onde o impulso nervoso é interpretado. Esse é um exemplo de via aferente, sensória.

Em um exemplo de via eferente, ou motora, o neurônio conduz o impulso nervoso até uma célula muscular. As duas células não estão ligadas fisicamente, havendo uma fenda entre elas, a sinapse. o impulso nervoso é transmitido quando ocorre a liberação pelo neurônio de neurotransmissores. Na célula muscular existe uma área chamada de placa motora, com receptores (canais de sódio) que são estimulados pelos neurotransmissores. Esses canais se abrem causando a despolarização, o que abrirá outros canais ( chamados de canais de sódio voltagem dependente) que ,ao final do processo, induzirão a contração muscular. E assim, você aperta uma tecla.

Para entendermos o impulso nervoso e a neurotransmissão, é fundamental a compreensão da biofísica de membranas: os processos de transporte passivo e ativo, a ação dos canais de sódio e potássio e a ação da Na+K+ ATPASE , também chamada de bomba de sódio e potássio.

A) Revisão de biofísica de membranas

A membrana plasmática limita o meio interno celular e tem a função de permeabilidade seletiva, dentre outras. Ela é composta principalmente por fosfolípides, mas não apenas desses elementos, já que ela é heterogênea, e nela existem inclusões de colesterol, glicoproteínas e proteínas permeases. Por ser heterogênea e móvel, ela é um mosaico fluido.

Figura 1: A membrana plasmática é um mosaico fluido. Note que a proteína permease em laranja pode funcionar como canal transmembrana

A permeabilidade seletiva da membrana plasmática é devida ao seu caráter predominantemente apolar e a presença de canais e bombas..

Lembre-se que existem dois tipos de transporte, o passivo o ativo. A difusão, um tipo de transporte passivo (sem gasto de ATP) ocorre obedecendo o gradiente de concentração, ou seja, vai do mais concentrado (hipertônico) ao menos concentrado (hipotônico). Substâncias apolares (como homônios esteroides) se difundem livremente pela membrana plasmática, já as polares (como a glicose) e os íons (como sódio e potássio), dependem de canais de membrana. Já transportes que ocorrem contra gradiente de concentração, ou seja, do menos concentrado para o mais concentrado, ocorrem com gasto de ATP e são por isso chamados de transporte ativos, feito por bombas, como a bomba de sódio e potássio.

Figura 2: Transportes transmembrana passivos (difusão simples e difusão facilitada por proteínas transmembrana) e ativos. Veremos, a seguir, exemplos de difusão facilitada por canais de sódio e potássio e transporte ativo pela bomba de sódio e potássio.

A bomba de sódio e potássio externaliza 3 cátions sódio e internaliza 2 cátions potássio. Assim, ela estabelece um gradiente de concentração que é utilizado pela célula para captação de glicose por proteínas que se associam ao carboidrato e ao sódio extracelular que retorna ao meio interno. Dessa forma, apesar de gastar ATP para realizar o transporte ativo de sódio e potássio, ela capta glicose, que oxidada fornecerá mais de 30 ATPs.

Acima, Bomba de sódio e potássio expulsa 3 sódio da célula (vermelho) enquanto capta 2 potássio (azul). Isso resulta em um diferente gradiente desses dois cátions. Há mais potássio dentro da célula do que fora, e mais sódio fora da célula. O excedente de cátions acaba polarizando a membrana plasmática, positiva na sua face externa e negativa na face interna.

Acima, a figura mostra o bombeamento do sódio (a direita) e o seu retorno por uma outra proteína transmembrana ( a esquerda). A entrada de sódio por essa proteina permite, também a entrada de glicose. Assim, a célula utiliza o grandiente de concentração de sódio para captar glicose. Observe o vídeo abaixo:

B) Potenciais de repouso e de ação e repolarização

1.O potencial de repouso

A bomba de sódio e potássio permite, ainda, uma outra característica: a polarização da membrana plasmática, que é negativa na sua face interna e positiva na face externa (por conta do excesso de cátions sódio). A esse potencial negativo da face interna da membrana plasmática chamamos de Potencial de Repouso. Como visto, apesar do nome “repouso”, esse potencial resulta de trabalho celular, de bombeamento. O termo se opõe a Potencial de Ação, o impulso nervoso, que é uma inversão do potencial de membrana e que veremos a frente.

2. Os canais de sódio e a despolarização

A membrana plasmática é polarizada e negativa na sua face interna, por causa do excedente de cátions no meio externo. Mas a abertura de canais de sódio pode permitir a entrada desse sódio, levando a um aumento do potencial da face interna, que se torna positiva. A isso chamamos de despolarização, e ocorre graças a abertura dos canais de sódio.

Mas o que leva esses canais de sódio abrirem?

Existem vários tipos de canais de sódio, que se abrem por estímulos diferentes, como estímulos mecânicos, térmicos, elétricos, químicos e luminosos. Ou seja, percebemos algo no ambiente por conta de canais de sódio especializados, que recebem essas informações e participam da geração do impulso nervoso. Estímulos táteis, a nossa visão, a nossa percepção da temperatura e os nossos sentidos químicos (olfato e paladar) só são possíveis graças a canais de sódio especializados. A abertura desses canais causa uma despolarização local.

Acima, vários tipos de canais de sódio. Sua abertura causa despolarização que pode se tornar um impulso nervoso se atingir um certo limiar.

Apesar de um estimulo poder abrir canais de sódio e isso levar a uma despolarização, esse fenômeno pode ser restrito localmente, e não se propagar pelo neurônio. Para que essa despolarização se propague ela deve ser suficiente pra abrir canais de sódio voltagem-dependente, que, como o nome indica, se abrem estimulados pela despolarização. Se a despolarização local for intensa suficientemente, canais de sódio voltagem-dependente se abrirão em sequência, levando a uma propagação da despolarização e, por consequência, a abertura de outros canais de sódio voltagem-dependente. Potencial de ação, ou impulso nervoso, é essa despolarização que se propaga ao longo do neurônio.

3. Os canais de potássio e a repolarização

A abertura de canais de potássio voltagem dependente acaba por permitir a saída de cátions potássio ( em excesso dentro da célula) e, com isso, a face interna da membrana se torna novamente negativa. Esse é o fenômeno da repolarização e permite o retorno ao potencial de repouso.

4. Retomando....

Em resumo, temos:

.potencial de repouso: que ocorre graças a bomba de sódio e potássio e o canal de potássio. É negativo.

.despolarização:positivo, ocorre por conta da abertura de canais de sódio.
.potencial de ação: caso a despolarização ultrapasse um limiar, ela induzirá a abertura em sequência de canais voltagem-dependente e a propagação do impulso nervoso.
.repolarização: por causa da abertura de canais de potássio que levam a perdas de cargas positivas (cátions k+)e, por isso, leva a redução do potencial de membrana, que volta a ser negativo.

Esses fenômenos são representados graficamente:

Analise o gráfico acima. A face interna da membrana plasmática se inicia negativa (potencial de repouso), a -70mV. A abertura de canais de sódio pode aumentar esse potencial. Perceba que estímulos pequenos, subliminares, são insuficientes para induzir o potencial de ação. É necessário que o estimulo ultrapasse um limiar que induzirá a abertura de canais de sódio voltagem-dependende, o que ocasionará o Potencial de Ação, que é positivo e está na fase ascedente da curva. Essa é a regra do tudo ou nada: estimulos menores não geram impulsos nervosos menores, nem estimulos maiores geram impulsos maiores. A abertura de canais de potássio leva a repolarização,em que o potencial de membrana volta a ser negativo por conta da saída de cátions potássio ( fase descendente).

Observe acima. O impulso nervoso é uma aumento do potencial de membrana (leve em conta a face interna) que se propaga pela célula. A despolarização é ocasionada pela entrada de sódio(em laranja) e a repolarização ocorre pela saída de potássio (azul). Na despolarização, a célula ganha cargas positivas (cátion sódio), ou seja, a despolarização aumenta o potencial de membrana. Na repolarização a célula perde cargas positivas (cátions potássio), reduzindo o potencial de membrana. A bomba de sódio e potássio reestabelece o gradiente de concentração de sódio e potássio.

Observe a ação da bomba e dos canais, relacionando-os com o potencial de repouso ("resting potential"), a despolarização ("depolarization") e repolarização ("repolarization")

Acima os fenômenos de potencial de repouso, despolarização e repolarização e os canais relacionados.

O impulso nervoso é unidirecional, isso ocorre porque os canais tem três estados: fechado,aberto e inativo. Um canal estimulado passa de fechado a aberto. Logo apos isso ele se fecha tornando, por um tempo, inativo, não sendo aberto por estímulos. Isso impede o retorno do impulso nervoso. Posteriormente ele volta a seu estado de fechado, no qual pode ser aberto por estímulos.

Acima, observe os três estados do canal: fechado, inativo e aberto. Veja também que a medida que o impulso nervoso ( ou potencial de ação) se propaga, os canais passam de abertos para inativos e , depois, para fechados. Isso permite que o impulso nervoso seja unidirecional.

C. A transmissão do impulso nervoso

O impulso nervoso é gerado no dentrito do neurônio, que apresenta receptores (canais de sódio), e é conduzido ao longo do neurônio passando pela corpo celular e axônio. Em axônios mielinizados a condução é mais rápida, saltatória. A porção terminal do neurônio exibe vesículas que, pelo estimulo do impulso nervoso, liberam neurotransmissores na sinapse. Esses neurotransmissores se ligam a receptores de outro dendrito ou de uma placa motora, causando despolarização e, com isso, geram impulso nervoso nessas células. Acompanhe os números da figura:

Video: Neurotransmissão na placa motora.

Observe no video que, em resposta ao impulso nervoso, o axônio libera neurotransmissores (no caso, acetilcolina), que se liga a receptores na placa motora (região de receptores da célula muscular). Esses receptores são canais que se abrem causando despolarização, que se propaga por canais de sódio voltagem-dependente, e estimulam o reticulo endoplasmatico a liberar cálcio e permitir a contração muscular. Perceba que a enzima colinesterase degrada a acetilcolina, reduzindo seu tempo de ação na sinapse e impedindo, por isso, espasmos musculares.

Substâncias podem agir na neurotransmissão. A toxina botulínica impede a liberação de acetilcolina, impedindo por isso a contração muscular. Os inseticidas organofosforados como o malation inibem a ação da acetilcolinesterase, levando a espasmos musculares. Na doença autoimune chamada de miastenia gravis, anticorpos se ligam ao receptores da placa motora estimulando-os, causando espasmos musculares.

Revisão
1.O impulso nervoso é unidirecional, do dentrito para o axônio, e obedece a lei do tudo ou nada.

2.Ele é unidirecional por causa de canais iônicos que se tornam temporariamente inativos, impossibilitando o retorno da despolarização. Ele é gerado nos dendritos e transmitido pelo axônio. Isso porque os dendritos apresentam receptores ( canais de sódio), que estimulados se abrem causando despolarização.Ele é conduzido pelo neurônio por conta da abertura em cadeia de canais de sódio voltagem dependente. E é transmitido pelo axônio. O axônio apresenta vesículas de secreção e libera neurotransmissores na sinapse.

3.O impulso nervoso segue a lei do tudo ou nada, porque estímulos menores ou maiores não produzem impulsos de intensidades diferentes.

4. Potencial de repouso, despolarização e repolarização são eventos relacionados, respectivamente, à bomba de sódio e potássio, canal de sódio e canal de potássio.
5. A bainha de mielina aumenta a velocidade do impulso nervoso.
6. A neurotransmissão ocorre do axônio ( que libera neurotransmissores) para o dendrito de outro neurônio ou placa motora ( que apresentam receptores). Esses receptores são canais de sódio que, quando estimulados, se abrem causando despolarização.