A. Medição do fluxo iónico e potencial de membrana
Quando os neurotransmissores se ligam aos seus receptores, os canais iónicos na resposta do neurónio ou células musculares abrem. O afluxo resultante de iões Na+ perturba o potencial de repouso da célula alvo. O efeito só é transitório se o potencial da membrana permanecer negativo. Contudo, se um número suficiente de iões de Na+ entrar na célula, a membrana torna-se despolarizada. Se a célula experimentar uma hiperpolarização, uma inversão localizada da polaridade normal da membrana (digamos de -70 mV para +65mV ou mais) gerará um potencial de acção. Este potencial de acção irá viajar como uma corrente ao longo da membrana neural ou da célula muscular, eventualmente desencadeando uma resposta fisiológica, por exemplo, a excitação da célula nervosa seguinte numa via neuronal ou contracção da célula muscular. O dispositivo de patch-clamp detecta o fluxo de íons específicos e qualquer alteração resultante na diferença potencial através da membrana. Os princípios de medição do patch-clamp são ilustrados abaixo.
No exemplo acima, fechar o interruptor na fonte de alimentação envia uma carga eléctrica para a célula, abrindo o canal iónico de tensão. Neste caso, um sensor de potássio no dispositivo detecta o fluxo de iões K+ através do canal e para fora da célula. Ao mesmo tempo, um voltímetro regista a alteração resultante no potencial de membrana.
297 Um dispositivo de pinça de fixação pode registar o potencial de membrana e fluxo de iões
298 A pinça de fixação mede o potencial de repouso e despolarização
Além dos canais de iões em forma de tensão, o dispositivo de pinça de fixação pode medir o fluxo de iões através dos canais de iões em forma de ligante e dos canais de iões em forma de encaixe mecânico.
Os canais anteriores são canais de iões receptores que se abrem quando ligam uma molécula efetora ou molécula. Os canais de iões mecanicamente agregados detectam a pressão física ou stress que resulta numa deformação local da membrana, abrindo o canal.
299 Canais de iões fechados
300 Tipos de canais de iões fechados – Ilustrados
Finalmente, as células mantêm uma alta concentração intracelular de iões K+, fazendo com que os iões K+ vazem lentamente da célula, um fenómeno detectável por um patch-clamp. A presença de iões negativos (Cliões, iões orgânicos) dentro de uma célula limita a fuga. Isto cria o interior electronegativo de uma célula relativamente ao exterior da célula, ou seja, o potencial de repouso através da sua membrana de plasma. A técnica do patch-clamp tem sido usada para correlacionar o fluxo de iões e alterações no potencial da membrana quando um neurónio dispara, causando um potencial de acção numa célula que responde.
Tal correlação é descrita na página seguinte. Na ilustração, seguir a abertura e o fecho dos canais de iões e o fluxo de iões. Um potencial de acção (de facto, qualquer mudança do potencial de repouso) resulta da difusão facilitada de iões específicos para dentro ou fora da célula através de canais de iões fechados (verde, acima) que devem abrir e fechar em sequência. O comportamento de dois canais de iões diferentes em tensão é ilustrado no gráfico. A estimulação eléctrica abre canais de Na+. Os iões de Na+ entram na célula, reduzindo o potencial da membrana do estado de repouso a zero, ou mesmo tornando o citoplasma mais positivo do que o fluido extracelular. Se a inversão na polaridade for suficientemente elevada, abre-se um K+ voltagegado e os iões de potássio precipitam-se na célula, restaurando o potencial de repouso da célula.
Uma célula pode continuar a responder a estímulos com potenciais de acção enquanto houver Na+ suficiente fora da célula e K+ dentro da célula. Embora o transporte activo de Na+ e K+ não seja necessário para restabelecer o potencial de repouso, será eventualmente necessário restaurar o equilíbrio dos dois iões na célula. Se uma célula nervosa ou muscular disparar várias vezes (ou mesmo se apenas derramar iões), o interior da célula e o exterior da célula cairão a um ponto em que a célula não pode gerar um potencial de acção quando estimulada. Em última análise, é o papel das bombas Na+/K+ dependentes de ATP restaurar o equilíbrio Na+:K + adequado através da membrana da célula que responde. Como vimos, cada ciclo de bombeamento troca 3 iões de Na+ do espaço intracelular por 2 iões de K+ do espaço extracelular. A bomba tem dois efeitos:
- restaura as concentrações de Na+ no espaço extracelular em relação ao citoplasma.
- restaura as concentrações de K+ no citoplasma em relação ao espaço extracelular.
301 Canais de iões fechados abertos e fechados por ordem durante um Potencial de Acção
Em conjunto com as concentrações mais elevadas de iões negativos no citosol, a troca desigual de Na+ por iões K+ mantém o potencial de repouso da célula a longo prazo e assegura que as células nervosas e musculares permanecem excitáveis. Em seguida, analisaremos mais de perto o papel dos canais de íons ligados e de íons de tensão em neurotransmissão.
B. Canais de iões em neurotransmissão
Potenciais de acção resultam numa abertura e fecho ordenado e sequencial de canais de voltagem e de ligação ao longo do axónio neuronal. No link abaixo, é possível ver o ciclo sequencial de canais de tensão que propagam um potencial de acção localizado (despolarização por membrana) ao longo de um axónio em direcção a uma sinapse.
302 Propagando um potencial de acção ao longo de um eixo
Quando uma despolarização propagada atinge uma sinapse, os canais de iões fechados ou abrem ou fecham no neurónio e na célula que responde. A cooperação dos canais de tensão e de ligaduras numa junção neuromuscular é ilustrada abaixo.
Como se pode ver na ilustração, após um incêndio de neurónio, um impulso eléctrico (uma região móvel de hiperpolarização) percorre o axónio até à extremidade nervosa. Na extremidade nervosa, a diferença de carga de viagem (potencial eléctrico) através da membrana celular estimula a abertura de um canal de Ca++ -specific voltage-gated. Os iões Ca++ fluem então para a célula porque estão em concentrações mais elevadas na fenda sináptica do que no citoplasma.
Os iões Ca2+ na célula fazem com que as vesículas sinápticas se fundam com a membrana na extremidade do nervo, libertando neurotransmissores para a fenda sináptica. Em seguida, os neurotransmissores ligam-se a um receptor na membrana plasmática da célula que responde. Este receptor é um canal ligeiro (também chamado canal quimicamente ligado). Ao ligar o ligante do neurotransmissor, o canal abre-se. A rápida difusão dos iões Na+ na célula cria um potencial de acção que leva à resposta celular, neste caso, a contracção muscular. Já vimos que os canais de K+ participam no restabelecimento do potencial de membrana após um potencial de acção, e o papel da bomba de sódio/potássio no restabelecimento do equilíbrio celular Na+/K+.
303 O Papel dos Canais de Íon Gated na Junção Neuromuscular