Fisiologia de Membranas
Transporte de Íons e de Moléculas Através da Membrana Celular
Os meios intra e extracelular caracterizam-se por apresentarem diferentes concentrações de substâncias como íons e outros metabólitos, do que depende a manutenção das diversas funções celulares. É conhecido o fato de que o meio extracelular está em constante movimento transportando moléculas e fluidos a todas as regiões do corpo, sendo necessária a comunicação e troca de materiais entre os meios extra e intracelular.
O metabolismo e manutenção da vida está diretamente relacionado com essas trocas de substâncias e as diferentes concentrações características de cada estrutura possuem grande relevância no que se refere ao êxito funcional e homeostático. Existem diversos mecanismos que facilitam ou dificultam a passagem de substâncias nos dois sentidos entre os meios intra e extracelular. Esses mecanismos podem ou não envolver gasto de energia, apresentando cada um sua especificidade quanto ao tipo de substância a ser transportada ou barrada.
A membrana citoplasmática apresenta uma dupla camada lipídica com proteínas entre essas camadas, sendo que essas proteínas atravessam a dupla camada lipídica em alguns lugares. São as chamadas proteínas transmembrana. Os dois tipos básicos de transporte que ocorrem através das membranas celulares são a difusão e o transporte ativo. A difusão, também chamada de transporte passivo, caracteriza-se pela passagem de moléculas diretamente através da camada lipídica ou pela ajuda de proteínas carreadoras transmembrana. A energia responsável pela difusão é a própria energia cinética das moléculas ou íons.
O transporte ativo ocorre através de uma proteína carreadora geralmente contra algum tipo de resistência. É o caso da passagem de íons de um meio pouco concentrado para um mais concentrado. Esse tipo de transporte necessita de energia, a qual é obtida pela quebra de uma ligação covalente na molécula de trifosfato de adenosina ou ATP. A difusão pode ser simples ou facilitada.
A difusão simples ocorre através da bicamada lipídica estando diretamente ligada à solubilidade e, conseqüentemente, à polaridade da molécula, ou através de canais protéicos onde as moléculas e íons simplesmente passam por esses canais devido seu tamanho reduzido. Esses canais protéicos possuem permeabilidade seletiva. É o caso dos canais de sódio que apresentam cargas negativas em sua parede interna atraindo esse íon e repelindo íons de carga negativa.
Os canais protéicos apresentam comportas que são projeções da proteína carreadora que regulam a entrada e saída desses íons. No caso dos canais de sódio a comporta localiza-se na face da membrana voltada para o meio extracelular enquanto nos canais de potássio a comporta está localizada na face da membrana voltada para o meio intracelular.
A abertura e fechamento das comportas pode ser regulada pela voltagem ou por agentes químicos. A difusão facilitada, também conhecida como difusão mediada por carreador, depende da fixação da estrutura a ser transportada a um receptor localizado na proteína carreadora. O transporte se dá através de alterações conformacionais na proteína levando o íon ou molécula ao lado oposto da membrana.
A substância que mais se difunde através da membrana celular é a água. Isso geralmente ocorre devido à osmose, movimento da água do meio menos concentrado para o mais concentrado. Denomina-se pressão osmótica à pressão necessária para neutralizar o efeito da osmose em um dado meio. Um dos exemplos mais conhecidos de transporte ativo é a bomba de sódio e potássio, a qual leva íons potássio para o interior da célula e íons sódio para o exterior.
Entre os componentes físicos da bomba de sódio e potássio existe uma proteína carreadora que possui, na parte que se projeta para o interior da célula, três receptores para o sódio e, na parte que se projeta para o exterior da célula, dois receptores para os íons potássio. A porção interna dessa proteína próximo aos sítios receptores para o sódio apresenta atividade ATPásica.
Uma das funções mais importantes da bomba de sódio e potássio é a manutenção do volume celular. Ela representa perda real de íons sódio uma vez que a cada dois íons potássio que entram na célula saem três íons sódio. Além disso, a membrana é menos permeável ao sódio que ao potássio, o que dificulta a entrada de íons sódio na célula. Se esse mecanismo não existisse, o citoplasma da célula ficaria muito concentrado, o que aumentaria o acúmulo de água por osmose e isso poderia fazer com que a célula explodisse. Também possui relevância a existência de duas bombas de cálcio em nosso organismo. O cálcio deve ser mantido em concentrações muito baixas no citossol. Uma das bombas retira cálcio do meio intra para o extracelular e a outra transporta o cálcio para organelas vesiculares no interior da célula
Potenciais de Membrana e Potenciais de Ação
As membranas celulares apresentam diferenças de concentração entre o meio interno e externo. Essa diferença de concentração constitui a física básica dos potenciais de membrana.
É conhecido o fato de que a concentração de íons potássio é maior no meio intracelular e menor no meio extracelular. Isso faz com que ocorra uma tendência desses íons de se difundir para o exterior. À medida que esses íons passam para o meio externo, íons negativos que não são permeáveis à membrana permanecem no interior fazendo com que a carga no interior celular permaneça negativa.
O aumento da carga positiva no exterior e negativa no interior provoca uma mudança nesse processo, de maneira que os íons potássio passam a entrar novamente na célula. Isso tende a atenuar a diferença de potencial entre as duas faces da membrana. Por outro lado, há uma predominância natural de íons sódio no exterior da membrana.
Quando o meio intracelular torna-se negativo, esses íons começam a passar para o interior da célula. A bomba de sódio e potássio, encontrada em quase todas as células do nosso organismo, é extremamente importante para a manutenção e equilíbrio dos potenciais de membrana das células. Ela faz com que o meio interno fique negativo uma vez que a cada dois íons potássio são lançados ao interior, três íons sódio são lançados ao exterior.
A difusão de íons potássio pela membrana contribui em maior escala que o sódio para a formação do potencial de repouso normal da membrana uma vez que os íons potássio são muito mais permeáveis que os íons sódio. Os sinais nervosos são transmitidos por potenciais de ação que são rápidas variações dos potenciais de membrana.
O potencial de repouso é o potencial normal de uma membrana. Diz-se que a membrana está polarizada quando está em repouso por apresentar maior quantidade de cargas negativas em seu interior. O potencial de ação neural inicia-se quando cargas positivas são lançadas ao interior da membrana provocando uma rápida despolarização. Para a condução do impulso nervoso, esse potencial de ação deve percorrer toda a fibra nervosa.
Concomitantemente à despolarização ocorre uma repolarização em fração de milissegundos à medida que o potencial de ação segue seu curso. Na etapa de despolarização, a membrana fica subitamente permeável aos íons sódio que provocam uma alteração no potencial normal da porção interna da membrana, o qual está em torno de -90 mV.
O potencial varia rapidamente no sentido da positividade. Na etapa de repolarização, os canais de sódio fecham-se rapidamente em poucos décimos de milissegundos e os canais de potássio abrem-se mais que o normal, eliminando potássio para fora da célula fazendo assim retornar o estado de negatividade em seu interior. O agente necessário para a produção da despolarização e repolarização da membrana neural é o canal de sódio voltagem-dependente.
O canal de sódio voltagem-dependente possui comportas de ativação e de inativação. Quando uma pequena variação do potencial de repouso tende à positividade, as comportas de ativação dos canais de sódio voltagem-dependentes se abrem e enorme quantidade de íons sódio passam para o meio intracelular. Esses canais começam então a se fechar mais lentamente que no momento da ativação e só irão abrir novamente quando o estado de repouso for atingido.
No momento da despolarização, os canais de potássio voltagem-dependentes encontram-se fechados impedindo assim a passagem de íons potássio para o exterior. Quando as comportas dos canais de sódio voltagem-dependentes começam a ser fechadas impedindo a passagem de sódio para o interior, os canais de potássio voltagem-dependentes começam a se abrir permitindo a passagem de grande quantidade de potássio para o exterior.
Dessa forma, o potencial de repouso é restabelecido. É importante lembrar que, além dos íons sódio e potássio, existem íons impermeantes com carga negativa ou ânions no interior do axônio que, por serem impermeáveis à membrana, contribuem de forma expressiva para a negatividade no interior celular quando íons positivos são expulsos para o exterior. Além disso, os íons cálcio atuam de maneira conjunta aos íons sódio na formação do potencial de ação.
Através da bomba de cálcio, esses íons são transportados do interior para o exterior da célula ou para organelas como o retículo endoplasmático. Assim, a saída desses íons contribui para a formação da negatividade no interior celular responsável pelo potencial de repouso, o qual varia entre -60 a -90mV.
O potencial de ação acontece devido a um Ciclo Vicioso de Feedback Positivo. Quando uma perturbação mecânica, química ou elétrica provoca uma alteração no potencial de repouso da membrana no sentido da positividade, os canais de sódio voltagem-dependentes começam a se abrir. Isso permite o influxo de íons sódio para o interior da célula e conseqüente aumento da positividade, o que favorece a abertura de novos canais de sódio voltagem-dependentes. Isso gera um Ciclo Vicioso de Feedback Positivo que termina com a abertura de todos os canais de sódio voltagem-dependentes.
Quando todos os canais de sódio voltagem-dependentes estiverem abertos, inicia-se a etapa de repolarização com o fechamento lento dos canais de sódio e abertura dos canais de potássio. Para ocorrer o potencial de ação é necessário que seja atingido um limite mínimo na variação das cargas para que se inicie o ciclo vicioso. Esse limite é conhecido como Limiar de Excitabilidade.
Quando o Limiar de Excitabilidade é atingido inicia-se o potencial de ação e sua propagação. Quando o potencial de ação tem início, ele se propaga a todas as regiões da membrana e em todas as direções. Existe um princípio conhecido como Princípio do Tudo ou Nada, em que um potencial de ação deverá propagar-se a todas as regiões da membrana ou então esse potencial não acontece.
Após a propagação de um potencial de ação, é necessário o restabelecimento do gradiente de concentração entre os meios interno e externo à membrana. Isso ocorre devido à já conhecida bomba de sódio e potássio através da energia liberada a partir de moléculas de adenosina trifosfato.
Fato interessante é que tanto maior a concentração de íons sódio no interior da célula, maior o estímulo para o funcionamento da bomba de sódio e potássio.
