Células excitáveis

     As a atividade biológica envolve reações químicas, elétrica, mecânica (movimentos, comportamentos), térmica (especialmente nos vertebrados endotérmicos) e até luminosa (bioluminescência). Em vertebrados, os efeitos bioeléticos podem exercer uma função central e são observados em três tecidos: o neural, o muscular e o endócrino. Alguns peixes utilizam a bioletricidade para ataque/defesa em órgãos sensoriais. 

Na membrana celular onde, há uma diferença de cerca de 2 potencial (DDP) elétrico entre o meio intracelular e extracelular, mantendo a célula em potencial de repouso ou Potencial de Membrana.

Não há elétrons livres movimentando-se nas células dos tecidos biológicos, as cargas elétricas então, estão presentes nos íons de compostos dissociados no meio aquoso no meio intracelular e extracelular célula. Assim, o potencial de repouso acontece devido a distribuição desigual dos íons em solução nos dois lados da membrana.

As células excitáveis (neurônios, miócitos e células endócrinas) quando ativadas, o potencial muda de valor e sai do repouso elétrico e, por um breve período, o interior da célula fica positivo, e o exterior, negativo; então, rapidamente, a membrana da célula retorna o seu potencial de repouso, o que causa uma diferença de potencial. Este processo, com suas fases de despolarização e repolarização, envolve correntes elétricas (iônicas) transmembrana. 

Não se pode falar em potencial elétrico sem explicar a membrana plasmática, cujo modelo atualmente aceito do mosaico fluido foi formulado por Singer e Nicholson (1972). Este modelo destaca que, além dos lipídios, estão presentes as proteínas de membrana, distribuídas em meio aos lipídios constituindo o “mosaico”. A palavra “fluido” descreve o fato de que, apesar da estabilidade estrutural das membranas em duas camadas lipídicas, todos os lipídios são livres para deslocar-se lateralmente. As proteínas integrais trespassam ambas as camadas lipídicas, mas também podem mover-se lateralmente. Também encontramos glicídios ligados a lipídios e proteínas, geralmente na face extracelular (constituindo o glicocálice). A maioria dos lipídios que constituem as membranas são fosfolipídios, mas também temos glicolipídios, esfingolipídios e esteróis, como o colesterol. 

       Modelo do mosaico fluido das membranas plasmáticas

A membrana tendo um interior hidrofóbico, a não ser que sejam pequenas e rápidas, as moléculas polares não conseguem penetrá-la. As moléculas apolares, porém, passam pela matriz lipídica das membranas sem dificuldades. A maioria dos principais nutrientes bioquímicos, contudo, é de moléculas polares não tão pequenas, e estas necessitam adentrar as células; o mesmo é válido para os íons, que, por apresentar carga elétrica inteira, também não conseguem passar diretamente pelo interior hidrofóbico das membranas. Portanto, para que estas substâncias consigam entrar na célula, existem os carreadores e os canais iônicos seletivos.

Tanto no meio extracelular quanto no meio intracelular há a disponibilidade de íons móveis, que dependem da existência de canais transmembrana específicos para circular entre o meio externo e interno. Macromoléculas eletricamente carregadas, contudo, predominam apenas no interior das células, como é o caso das proteínas aniônicas, incapazes de atravessar a membrana. Nas células apenas o K+ é permeável através da membrana, geralmente saindo da célula, seguindo seu gradiente de concentração. As células excitáveis são caracterizadas primariamente por serem permeáveis a mais de um íon. Nelas, além do K+, também o Na+ e o Cl- passam pela membrana através de canais seletivos próprios para cada tipo. O que vai diferenciá-los é apenas a taxa de vazamento que cada íon exibirá, ou seja, sua permeabilidade, fator que é determinado pelo número de canais disponíveis: quanto mais portas de saída, mais “fácil” será para um íon “vazar”. Nestas células, apesar do cenário mais complicado que no caso da glia, o K+ ainda é o principal íon difusível, uma vez que tem a maior permeabilidade, e, como está mais concentrado dentro das células, tende a sair através de seus canais de vazamento da mesma forma que faz nas células não-excitáveis.

O problema é que sendo permeável também ao sódio, as células nervosas jamais alcançarão qualquer tipo de equilíbrio eletroquímico, ou seja, o K+  sai da célula, porém, como o íon Na+ é mais permeável através da  membrana e como está mais concentrado fora da célula, ele tenderá a entrar na célula. Parte das cargas positivas (K+) que saíram deixando de “neutralizar” proteínas aniônicas do citoplasma, será “substituída” por cargas igualmente positivas, os íons Na+, e, deste modo, o citoplasma não ficará tão negativo. Consequentemente, mais íons K+ poderão sair. O processo se repetiria até que as concentrações de K+ fiquem iguais dentro e fora. Neste caso, com gradientes nulos, a DDP entre os compartimentos também seria zero, e o potencial de repouso desapareceria. Como há esse equilíbrio de gradientes iônicos ocorrendo nos neurônios, reconhecemos que algum outro processo está atuando no sentido de manter os gradientes estáveis, constantes. 

Quem faz isso é a Bomba Sódio-Potássio ATPase, descoberta em 1957 por Jens Skou (1997). Esta complexa estrutura protéica localizada nas membranas das células vivas é um carreador de transporte ativo. Assim, este carreador liga-se a 3 íons Na+ na face citoplasmática (além do ATP), e 2 íons K+ na face extracelular. A energia química liberada do ATP hidrolisado permite que o carreador mude sua forma conformacional que permite que os íons citoplasmáticos sejam levados para fora, e, simultaneamente, os íons extracelulares para dentro da célula.

O potencial de repouso das células excitaveis nunca atigem um equilíbrio pois há mais de um íon permeável a membrana: é necessário, então, a intervenção da Bomba NA+K+ATPase, que consome energia.

   Fonte: Quillfedt, J. A. 2005

 Assim, a tendência natural dos íons de sódio e potássio é de se difundir pela membrana, impelidos por seus gradientes eletroquímicos, em busca de seus respectivos potenciais de equilíbrio. O sódio entra na célula e o potássio sai. Por causa dos canais de repouso de potássio, sempre abertos, a membrana plasmática é aproximadamente cem vezes mais permeável ao potássio do que ao sódio, ou seja, mais íons de potássio saem da célula do que íons de sódio entram na célula. Essa predominância de saída de íons de potássio leva a uma hiperpolarização da membrana, que estabelece o valor do potencial de repouso de membrana em aproximadamente -70 mV.

Quando há estímulo chega a um receptor ou terminação nervosa, sua energia causa uma inversão temporária de cargas na membrana plasmática do neurônio. Como conseqüência, a diferença de potencial, antes de -70 mV entre o interior e o exterior da célula passa a ser positiva, com o valor aproximado de +40 mV. Isso é conhecido como potencial de ação e, nessa condição, a membrana é dita despolarizada. Essa despolarização ocorre porque os canais da membrana do axônio mudam sua conformação espacial e, assim, se abrem ou se fecham, dependendo da voltagem entre os dois lados da membrana. São, por esse motivo, chamados canais voltagem-dependentes.

Em um gráfico, a hipérbole é assimétrica, com uma ascenção (despolarização) rápida e uma descida (repolarização) mais lenta e com certas peculiaridades, como o fato de que, antes de atingir o repouso, ficar hiperpolarizado por algum tempo. A fase de repolarização do PA é mais complexa e demorada que a de despolarização, por isso a assimetria, e inclui uma demora em retornar ao valor do repouso.

Ao mesmo tempo em que ocorre um potencial de ação, há um período denominado Período Refratário, uma fase na qual a célula fica menos excitável, ou seja, se tentarmos forçar um segundo estímulo para a formação de um potencial de ação, enquanto o primeiro ainda estiver em andamento, nada acontecerá. O período refratário inicia-se logo após o estímulo que provoca a despolarização que leva ao potencial de ação, e encerra-se no meio do potencial pós-hiperpolarização.

O período refratário se divide em duas subfases: o período refratário absoluto, durante o qual nenhum tipo de estímulo consegue produzir um segundo evento de PA; a seguir, vem o período refratário relativo, etapa em que um novo PA pode ser provocado se a intensidade do estímulo despolarizante for mais alta que a normalmente usada para causar um PA, e este segundo evento se “acumula” sobre o anterior.

O potencial de ação é um fenômeno considerado “tudo ou nada”, pois ele só se dar quando a despolarização ultrapassa o valor do limiar, caso contrário, não acontece. E, também é sugerido pelo período refratário, ou seja, a resistência do neurônio em iniciar um segundo evento após iniciado o primeiro, sugere que cada PA, de alguma forma, consome todos os recursos disponíveis na célula, não podendo ser estimulado novamente enquanto o primeiro evento não se concluir.

Fases do potencial de ação.

 Fonte: Quillfedt, J. A. 2005

As células neurais reais, geralmente o potencial de ação é iniciado no cone de implantação do axônio, em uma região conhecida como zona de gatilho, onde abundam os Canais Com Portões (CCPs) de Na+ prontos para disparar . É nesta região que o limiar é atingido, e a decisão, tomada. Tal computação analógica é feita mediante o somatório de diversos pequenos potenciais sinápticos oriundos de diferentes pontos da árvore dendrítica do neurônio, que é onde são “coletadas” as sinapses que vêm de milhares de outros neurônios.

Em cada sinapse sobre a árvore dendrítica, a porção pós-sináptica, posicionada sobre uma estrutura subcelular especializada chamada de espinho dendrítico, o potencial de ação chega e desencadeia uma série de eventos neuroquímicos que resultarão em sua excitação (despolarização) ou inibição (hiperpolarização). Em suma, a chegada do PA abre canais de cálcio dependentes de voltagem na terminação (telodendro) ou porção pré-sináptica. A entrada destes cátions divalentes aciona diversas respostas, entre elas, a mobilização e exocitose de vesículas contendo os quanta de neurotransmissores químicos característicos daquele neurônio.

Os neurotransmisores, por sua vez, invadem a fenda sináptica e atingem certos alvos moleculares (pelos quais têm alta afinidade) na porção pós-sináptica, os chamados receptores. Os receptores podem ser, ou canais iônicos propriamente ditos (receptores ionotrópicos), ou mediadores de transdução transmembrana sem nenhum tipo de transporte em particular (receptores metabotrópicos); ambos tipos, porém, acabam por produzir – direta ou indiretamente – uma variação no potencial elétrico local nas proximidades daquela sinapse.

Se os receptores levarem à despolarização local, são ditos excitatórios; caso contrário, se a hiperpolarizarem, são ditos inibitórios. Por exemplo, canais com portão para o Na+ ativados por neurotransmissor (digamos, o glutamato) são receptores ionotrópicos excitatórios, pois despolarizam a região pós-sináptica (o mesmo acontece com CCPs de Ca++ ativados por ligante); por outro lado, canais com portão para o Cl-  ativados por ligante (por exemplo, o GABA) são receptores ionotrópicos inibitórios, pois hiperpolarizam a região pós-sináptica (aqui também ocorreria o mesmo se fossem CCPs de K+ ativados por ligante).

Tabela 1

Diferença entre os potenciais eletrotônico e de ação.

     Fonte: Quillfedt, J. A. 2005

REFERÊNCIAS

Quillfeldt, J. A. (2005). Origem dos potenciais elétricos das células nervosas.

Krueger-Beck, E., Scheeren, E. M., Nogueira-Neto, G. N., Button, V. L. D. S. N., Neves, E. B., & Nohama, P. (2011). Action potential: from excitation to neural adaptation. Fisioterapia em Movimento, 24(3), 535-547.