Canais de Íons
Em contraste com a operadora de proteínas, proteínas canal simplesmente formulário de abrir os poros na membrana, permitindo que pequenas moléculas de tamanho adequado e de carga para passar livremente através da bicamada lipídica. Um grupo de proteínas do canal, discutido anteriormente, são as porinas, que permitem a livre passagem de íons e pequenas moléculas polares através das membranas exteriores das bactérias (ver Figura 12.8)., As proteínas do canal também permitem a passagem de moléculas entre as células conectadas em entroncamentos de gap, que são discutidas mais tarde no capítulo. As membranas plasmáticas de muitas células também contêm proteínas do canal da água (aquaporinas), através das quais as moléculas de água são capazes de atravessar a membrana muito mais rapidamente do que eles podem se difundir através da bicamada fosfolípida. As proteínas do canal mais bem caracterizadas, no entanto, são os canais iônicos, que mediam a passagem de íons através das membranas do plasma., Embora os canais iônicos estejam presentes nas membranas de todas as células, eles foram especialmente bem estudados em nervo e músculo, onde sua abertura e fechamento regulamentados é responsável pela transmissão de sinais elétricos.três propriedades dos canais iónicos são centrais para a sua função (figura 12.18). Em primeiro lugar, o transporte através dos canais é extremamente rápido. Mais de um milhão de ions por segundo fluem através de canais abertos—um fluxo de aproximadamente mil vezes maior do que a taxa de transporte por proteínas portadoras., Em segundo lugar, os canais iônicos são altamente seletivos porque poros estreitos no canal restringem a passagem a íons do tamanho e carga apropriados. Assim, proteínas de canal específicas permitem a passagem de Na+, K+, Ca2+, e Cl – através da membrana. Em terceiro lugar, a maioria dos canais iônicos não estão permanentemente abertos. Em vez disso, a abertura de canais iônicos é regulada por “portas” que transitoriamente se abrem em resposta a estímulos específicos., Alguns canais (chamados canais com ligante) abrem em resposta à ligação de neurotransmissores ou outras moléculas sinalizadoras; outros (canais com voltagem) abrem em resposta a alterações no potencial elétrico através da membrana plasmática.
Figura 12.18
Modelo de um canal de iões. Na conformação fechada, o fluxo de íons é bloqueado por uma porta. A abertura do portal permite que iões fluam rapidamente através do canal. O canal contém um poro estreito que restringe a passagem a íons do tamanho apropriado (mais…,)
o papel fundamental dos canais iónicos na transmissão de impulsos eléctricos foi elucidado através de uma série de experiências elegantes relatadas por Alan Hodgkin e Andrew Huxley em 1952. Estes investigadores usaram as células nervosas gigantes da lula como modelo. Os axônios destes neurônios gigantes têm um diâmetro de cerca de 1 mm, tornando possível inserir eletrodos e medir as mudanças no potencial de membrana que ocorrem durante a transmissão dos impulsos nervosos., Usando esta abordagem, Hodgkin e Huxley demonstraram que estas alterações no potencial da membrana resultam da abertura e fecho regulamentados dos canais na+ E K+ na membrana plasmática. Posteriormente, tornou-se possível estudar a actividade de canais iónicos individuais, utilizando a técnica de grampo patch desenvolvida por Erwin Neher e Bert Sakmann em 1976 (figura 12.19)., Neste método, uma micropipeta com um diâmetro de ponta de cerca de 1 µm é usada para isolar um pequeno pedaço de membrana, permitindo que o fluxo de íons através de um único canal seja analisado e aumentando grandemente a precisão com que as atividades dos canais iônicos podem ser estudadas.
figura 12.19
a técnica de grampo patch. Um pequeno pedaço de membrana é isolado na ponta de uma micropipeta. Estímulos podem então ser aplicados dentro da pipeta, permitindo medir o comportamento do canal preso. (Adapted from E. Neher and B. Sakmann, 1992. (mais.,..)
o fluxo de iões através dos canais de membrana depende do estabelecimento de gradientes iónicos através da membrana plasmática. Todas as células, incluindo o nervo e o músculo, contêm bombas iónicas (discutidas na secção seguinte) que utilizam energia derivada da hidrólise ATP para transportar activamente iões através da membrana plasmática. Como resultado, a composição iônica do citoplasma é substancialmente diferente da DOS fluidos extracelulares (tabela 12.1). Por exemplo, Na+ é ativamente bombeado para fora das células enquanto K+ é bombeado para dentro., No axon Lula, portanto, a concentração de Na+ é cerca de 10 vezes maior em fluidos extracelulares do que no interior da célula, enquanto a concentração de K+ é aproximadamente 20 vezes maior no citosol do que no meio circundante.
quadro 12.1
concentrações iónicas extracelulares e intracelulares. devido à carga eléctrica dos iões, o seu transporte resulta no estabelecimento de um gradiente eléctrico através da membrana plasmática., Com axões de lulas em repouso, existe um potencial eléctrico de cerca de 60 mV através da membrana plasmática, com o interior da célula negativo em relação ao exterior (figura 12.20). Este potencial elétrico surge tanto das bombas de íons quanto do fluxo de íons através de canais que estão abertos na membrana plasmática da célula em repouso. A membrana plasmática de axões lulas em repouso contém canais K+ abertos, pelo que é mais permeável a K+ do que a na+ ou outros iões. Consequentemente, o fluxo de K+ dá a maior contribuição para o potencial de membrana em repouso.,
figura 12.20
gradientes iónicos e potencial de membrana em repouso da lula gigante axon. Somente as concentrações de Na+ E K+ são mostradas, porque estes são os íons que funcionam na transmissão dos impulsos nervosos. Na+ é bombeado para fora da célula enquanto K+ é bombeado para dentro, (mais…)
conforme discutido no Capítulo 10, o fluxo de íons através de uma membrana é impulsionado tanto pelos componentes de concentração e tensão de um gradiente electroquímico., Por exemplo, a 20 vezes maior concentração de K+ dentro do axon Lula em comparação com o fluido extracelular impulsiona o fluxo de K+ para fora da célula. No entanto, como K+ é positivamente carregado, este efluxo de K+ da célula gera um potencial elétrico através da membrana, com o interior da célula tornando-se negativamente carregado. Este potencial de membrana se opõe ao fluxo contínuo de K+ para fora da célula, e o sistema se aproxima do Estado de equilíbrio, no qual o potencial de membrana equilibra o gradiente de concentração de K+.,
Quantitativamente, a relação entre a concentração do íon e o potencial de membrana é dado pela equação de Nernst:
, onde V é o equilíbrio de potencial, em volts, R é a constante do gás, T é a temperatura absoluta, z é a carga do íon, F é a constante de Faraday, e Co e Ci são as concentrações de íons dentro e fora da célula, respectivamente. Um potencial de equilíbrio existe separadamente para cada íon, e o potencial de membrana é determinado pelo fluxo de todos os íons que atravessam a membrana plasmática., No entanto, uma vez que os axões das lulas em repouso são mais permeáveis a K+ do que a Na+ ou a outros iões (incluindo Cl-), o potencial da membrana em repouso (-60 mV) está próximo do potencial de equilíbrio determinado pelas concentrações intracelulares e extracelulares K+ (-75 mV).como os impulsos nervosos (potenciais de Acção) viajam ao longo de axões, a membrana despolariza (figura 12.21). O potencial da membrana muda de -60 mV para aproximadamente + 30 mV em menos de um milissegundo, após o que torna-se negativo novamente e retorna ao seu valor de repouso., Estas alterações resultam da rápida abertura sequencial e fecho dos canais de na+ E K+ voltados para a tensão. Alterações iniciais relativamente pequenas no potencial da membrana (de -60 para cerca de -40 mV) levam à rápida abertura dos canais de Na+. Isto permite que Na+ flua para a célula, impulsionado pelo seu gradiente de concentração e pelo potencial da membrana. A entrada súbita de na+ leva a uma grande mudança no potencial de membrana, que aumenta para quase +30 mV, aproximando-se do potencial de equilíbrio Na+ de aproximadamente +50 mV., Neste momento, os canais de Na+ estão inactivados e os canais K+ de voltagem estão abertos, aumentando substancialmente a permeabilidade da membrana a K+. K+ então flui rapidamente para fora da célula, impulsionado pelo potencial de membrana e pelo gradiente de concentração de K+, levando a uma rápida diminuição do potencial de membrana para cerca de -75 mV (o potencial de equilíbrio de K+). Os canais K+ voltados para a tensão são então inactivados e o potencial da membrana volta ao seu nível de repouso de -60 mV, determinado pelo fluxo de K+ e de outros iões através dos canais que permanecem abertos em células não estimuladas.,
figura 12.21
potencial de membrana e canais iónicos durante um potencial de Acção. A) alterações do potencial de membrana num ponto de um axon gigante de Lula após um estímulo. ENa e EK são os potenciais de equilíbrio para na+ E K+, respectivamente. B) o potencial de membrana (mais…)
despolarização de regiões adjacentes da membrana plasmática permite que potenciais de ação percam o comprimento dos axônios das células nervosas como sinais elétricos, resultando na rápida transmissão de impulsos nervosos em longas distâncias., Por exemplo, os axônios dos neurônios motores humanos podem ter mais de um metro de comprimento. A chegada dos potenciais de ação ao término da maioria dos neurônios então sinaliza a libertação de neurotransmissores, como a acetilcolina, que transportam sinais entre as células em uma sinapse (figura 12.22). Os neurotransmissores libertados das células pré-sinápticas ligam-se a receptores nas membranas das células pós-sinápticas, onde actuam para abrir canais iónicos ligados a ligandos. Um dos mais caracterizados destes canais é o receptor acetilcolina das células musculares., A ligação da acetilcolina abre um canal permeável tanto a Na+ como A K+. Isto permite o rápido influxo de Na+, que despolariza a membrana da célula muscular e desencadeia um potencial de ação. O potencial de ação então resulta na abertura de canais Ca2+ com voltagem, levando ao aumento da Ca2+ intracelular que sinaliza contração (ver Figura 11.25).
figura 12.22
sinalização por libertação de neurotransmissores numa Sinapse., A chegada de um impulso nervoso ao término do neurônio sinaliza a fusão das vesículas sinápticas com a membrana plasmática, resultando na libertação de neurotransmissores da célula pré-sináptica para (mais…)
o receptor da acetilcolina, inicialmente isolado do órgão elétrico dos raios torpedos na década de 1970, é o protótipo dos canais de ligação. O receptor consiste em cinco subunidades dispostas como um cilindro na membrana (figura 12.23). Em seu estado fechado, acredita-se que o poro do canal seja bloqueado pelas cadeias laterais de aminoácidos hidrofóbicos., A ligação da acetilcolina induz uma alteração conformacional no receptor de tal forma que estas cadeias laterais hidrofóbicas mudam para fora do canal, abrindo um poro que permite a passagem de íons positivamente carregados, incluindo Na+ E K+. No entanto, o canal permanece impermeável a íons carregados negativamente, como Cl -, porque é forrado por aminoácidos carregados negativamente.
figura 12.23
modelo do receptor da acetilcolina. O receptor consiste em cinco subunidades dispostas em torno de um poro central., A ligação da acetilcolina a um local na região extracelular do receptor induz alterações alostéricas que abrem a porta do canal. O canal (mais…)
um maior grau de selectividade iónica é demonstrado pelos canais na+ E K+ voltados para a tensão. Os canais Na+ são mais de dez vezes mais permeáveis a Na+ do que a K+, enquanto os canais K+ são mais de mil vezes permeáveis a K+ do que a na+. A selectividade do canal na+ Pode ser explicada, pelo menos em parte, com base num poro estreito que actua como um filtro de tamanho. O raio iónico de Na+ (0.,95 Å) é menor que a de K+ (1.33 Å), e acredita-se que o poro do canal na+ é estreito o suficiente para interferir com a passagem de K+ ou íons maiores (figura 12.24).
figura 12.24
selectividade iónica dos canais de Na+. Um poro estreito permite a passagem de Na+ ligado a uma única molécula de água, mas interfere com a passagem de K+ ou iões maiores.
k+ canais também têm poros estreitos, que impedem a passagem de íons maiores., No entanto, uma vez que Na+ tem um raio iônico menor, isso não explica a permeabilidade seletiva destes canais A K+. A selectividade do canal K+ baseia-se num mecanismo diferente, que foi elucidado com a determinação da estrutura tridimensional de um canal K+ por cristalografia de raios X em 1998 (figura 12.25). O poro do canal contém um filtro seletivo estreito que é forrado com átomos de oxigênio carbonila (C=o) da espinha dorsal dos polipeptídeos., Quando um íon K+ entra no filtro de seletividade, as interações com estes oxígenos carbonila desloca as moléculas de água às quais K+ Está ligado, permitindo que K+ desidratado passe através do poro. Em contraste, um Na + desidratado é muito pequeno para interagir com estes carbonil oxigens no filtro de seletividade, que é mantido rigidamente aberto. Consequentemente, Na+ permanece ligado a moléculas de água em um complexo hidratado que é muito grande para passar através do canal.
figura 12.25
selectividade dos canais K+., O canal K+ contém um filtro seletivo estreito forrado com átomos de oxigênio carbonila (c=o). O poro é apenas largo o suficiente para permitir a passagem de K+ desidratado a partir do qual todas as moléculas de água associadas foram deslocadas como (mais…)
canais de Na+, K+ e Ca2+ pertencem a uma grande família de proteínas relacionadas (figura 12.26). Por exemplo, a sequência genômica de C. elegans revelou cerca de 200 genes codificando canais iônicos, que presumivelmente são necessários para desempenhar diversos papéis na sinalização celular., Os canais K+ consistem em quatro subunidades idênticas, cada uma contendo duas ou seis hélices α transmembranas. Os canais na+ e Ca2+ consistem numa única cadeia polipeptídica, mas cada polipeptídeo contém quatro domínios repetidos que correspondem às subunidades do canal K+. A tensão é mediada por uma das hélices α transmembranar, que contém múltiplos aminoácidos positivamente carregados. A despolarização da membrana induz o movimento destas cargas positivas para o exterior da célula, deslocando a posição deste segmento transmembranar e abrindo o canal., A rápida inactivação dos canais na+ E K+ durante a propagação dos potenciais de acção é então mediada por porções citoplásmicas da cadeia polipeptídica, que se ligam à Boca citoplasmática do poro do canal e impedem o fluxo iónico adicional (figura 12.27).
figura 12.26
estruturas dos canais de catião dependentes da tensão. Os canais K+, Na+ e Ca2+ pertencem a uma família de proteínas relacionadas. O canal K+ é formado a partir da Associação de quatro subunidades idênticas, uma das quais é mostrada. O canal na+ consiste de um único polipeptídeo (mais…,)
figura 12.27
inactivação dos canais de K+e Na+. Após a abertura por fluxo de voltagem, os canais K+ e Na+ são rapidamente inactivados pela ligação de poros citoplásmicos das cadeias polipeptídicas aos poros. Para o canal K+, a inactivação é mediada por uma bola e uma corrente (mais…)
uma grande variedade de canais iónicos (incluindo canais Ca2+ e Cl) respondem a diferentes neurotransmissores ou abrem e fecham com cinética diferente após a despolarização da membrana., As ações concertadas destes múltiplos canais são responsáveis pelas complexidades da sinalização no sistema nervoso. Além disso, como discutido no próximo capítulo, os papéis dos canais iônicos não se restringem às células eletricamente excitáveis do nervo e músculo; eles também desempenham papéis críticos na sinalização em outros tipos de células. A abertura e fechamento regulamentados de canais iônicos, assim, fornece às células um mecanismo sensível e versátil para responder a uma variedade de estímulos ambientais.