Capítulo 5: Potenciais de Membrana e Potenciais de Ação

CAPITULO 5 O Potenciais de Membrana e Potenciais de Ação Existem potenciais elétricos através das membranas de praticamente todas as cé lulas do corpo Além disso algumas células como as células nervosas e as dos músculos são capazes de gerar impulsos eletroquímicos que se modificam com grande rapidez em suas membranas e esses impulsos são usados para transmitir sinais por toda a membrana dos nervos e músculos Ainda em outros tipos de célu las como por exemplo as células glandulares os macró fagos e as células ciliadas alterações locais dos potenciais de membrana também ativam muitas funções celulares A presente discussão é sobre os potenciais de membrana gerados tanto durante o repouso quanto durante a ativi dade das células nervosas e musculares Física Básica dos Potenciais de Membrana Potenciais de Membrana Causados pela Difusão Potencial de Difusão Causado pela Diferença entre as Concentrações lônicas nas Duas Faces da Membrana Na Figura 51A a concentração de potássio é maior na face interna da membrana da fibra nervosa mas bastante baixa na sua face externa Vamos então assumir que a membrana nesse instante é permeável aos íons potássio e a mais nenhum outro íon Por causa do alto gradiente de concentração do potássio de dentro para fora existe forte tendência para que maior número de íons potássio se difunda para fora através da membrana Quando o fazem eles levam cargas elétricas positivas para o exterior criando assim eletropositividade da face externa da membrana e eletronegatividade na interna por causa dos ânions negativos que permanecem no interior não se difundindo para fora com o potássio Em cerca de um milissegundo a diferença de potencial entre as partes interna e externa chamada potencial de difusão passa a ser suficientemente grande para bloquear a difusão efetiva do potássio para o exterior apesar do alto gradiente de concentração dos íons potássio Nas fibras nervosas normais de mamíferos a diferença necessária de poten cial é de cerca de 94 milivolts com negatividade na face interna da membrana A Figura 515 mostra o mesmo fenômeno que a Figura 51 A só que dessa vez com alta concentração de íons sódio fora da membrana e baixa quantidade de sódio dentro Esses íons têm também carga positiva Nesse instante a membrana é muito permeável aos íons sódio mas impermeável a todos os outros íons A difusão dos íons sódio positivamente carregados para a parte interna cria potencial de membrana com polaridade oposta à da Figura 5L4 com negatividade externa e positividade interna Novamente o potencial de membrana aumenta o suficiente dentro de milissegundos para bloquear a difusão efetiva dos íons sódio para dentro entretanto a esse tempo nas fibras nervosas de mamíferos o potencial fica em torno de 61 milivolts positivo dentro da fibra Desse modo nas duas partes da Figura 51 vêse que as diferenças entre as concentrações iônicas nos dois lados de membrana seletivamente permeável podem sob condições apropriadas criar potencial de membrana Nas seções seguintes deste capítulo mostraremos que POTENCIAIS DE DIFUSÃO Ânions Fibra nervosa Ânions Fibra nervosa Ânions Ânions VHÀA K K Na Na S X 94 mV 61 mV A B Figura 51 A O estabelecimento do potencial de através da membrana da fibra nervosa causado pela difusão dos íons potássio de dentro da célula para fora através da membrana que só é seletivamente permeável ao potássio B O da fibra nervosa só é permeável aos íons sódio Note que o potencial de membrana interno é negativo quando os íons potássio se difundem e positivo quando os íons sódio se difundem em razão dos gradientes de concentração opostos desses dois íons 59 Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo muitas variações rápidas dos potenciais de membrana durante a transmissão dos impulsos nervosos e musculares resultam da ocorrência dessas rápidas variações dos potenciais de difusão Relação do Potencial de Difusão com a Diferença de Concentração O Potencial de Nernst O valor do potencial de difusão em toda a membrana que se opõe exatamente ao da difusão efetiva de um íon em particular através da membrana é conhecido como potencial de Nernst para esse íon termo já introduzido no Capítulo 4 A grandeza desse potencial de Nernst é determinada pela proporção entre as concentrações desse íon específico nos dois lados da membrana Quanto maior essa proporção maior será a tendência para que o íon se difunda em uma direção e por conseguinte maior o potencial de Nernst necessário para evitar difusão efetiva adicional A equação a seguir chamada equação de Nernst pode ser usada para o cálculo do potencial de Nernst para qualquer íon univalente na temperatura normal do corpo de 986F 37C u x Concentração interna FEM milivolts 61 x log Concentração externa onde FEM é a força eletromotriz Quando se usa essa fórmula assumese em geral que o potencial no líquido extracelular por fora da membrana permanece no potencial zero e o potencial de Nernst é o potencial no lado interno da membrana Também o sinal do potencial é positivo se o íon difundindose de dentro para fora for íon negativo e negativo se o íon for positivo Dessa maneira quando a concentração dos íons positivos de potássio na parte interna for 10 vezes maior que na parte externa o log de 10 é 1 de modo que o potencial de Nernst é calculado como 61 milivolts no lado interno da membrana Cálculo do Potencial de Difusão Quando a Membrana É Permeável a Vários íons Diferentes Quando a membrana é permeável a vários íons diferentes o potencial de difusão que se desenvolve depende de três fatores 1 a polaridade das cargas elétricas de cada íon 2 a permeabilidade da membrana P para cada íon e 3 as concentrações C dos respectivos íons no lado interno i e no lado externo e da membrana Assim a seguinte fórmula referida como equação de Goldman ou como equação de GoldmanHodgkinKatz dá o potencial calculado do lado interno da membrana quando dois íons positivos univalentes sódio Na e potássio K e um íon univalente negativo cloreto Cl estão envolvidos FEM milivolts CNaVNa QV Ca0PCT 61 x log CNaoNa Vamos estudar a importância e o significado dessa equação Primeiro os íons sódio potássio e cloreto são os íons mais importantes envolvidos no desenvolvimento dos potenciais de membrana nas fibras musculares e nervosas bem como nas células neuronais do sistema nervoso O gradiente de concentração de cada um desses íons através da membrana ajuda a determinar a voltagem do potencial de membrana Segundo o grau de importância de cada um desses íons na determinação da voltagem é proporcional à permeabilidade da membrana para cada íon em particular Isto é se a membrana tiver permeabilidade zero para os íons potássio e cloreto o potencial de membrana passa a ser totalmente dominado pelo gradiente de concentração dos íons sódio e o potencial resultante será igual ao potencial de Nernst para o sódio O mesmo acontece para cada um dos outros dois íons se a membrana só for seletivamente permeável para um ou para outro Terceiro gradiente positivo de concentração iônica de dentro para fora da membrana causa eletronegatividade no lado de dentro da membrana A razão para isso é que o excesso de íons positivos se difunde de fora quando sua concentração é maior dentro do que fora Isso leva cargas positivas para fora mas deixa os ânions negativos não difusíveis na parte interna criando assim eletronegatividade na parte interna O efeito oposto ocorre quando existe gradiente para íon negativo Isto é o gradiente de íon cloreto da parte externa para a parte interna causa eletronegatividade dentro da célula porque o íon cloreto com cargas negativas se difunde para dentro deixando os íons positivos não difusíveis do lado de fora Quarto como explicado adiante a permeabilidade dos canais de sódio e potássio passa por rápidas alterações durante a transmissão dos impulsos nervosos enquanto a permeabilidade dos canais de cloreto não tem grandes alterações durante esse processo Assim rápidas alterações da permeabilidade do sódio e do potássio são primariamente responsáveis pela transmissão de sinais nos neurônios o que é o objeto do restante deste capítulo Medida do Potencial de Membrana O método para medir o potencial de membrana é simples na teoria mas em geral complicado na prática em razão das pequenas dimensões da maioria das fibras A Figura 5 2 mostra pequena pipeta cheia com solução eletrolítica A pipeta é introduzida através da membrana celular para 0 diferença potencial entre as partes interna e externa da fibra é medida usandose voltímetro apropriado Esse vol tímetro é aparelho eletrônico altamente sofisticado capaz de medir voltagens muito pequenas apesar da resistência extremamente alta ao fluxo elétrico da ponta da micropi peta com um lúmen de diâmetro geralmente menor que 1 micrômetro e resistência maior que 1 milhão de ohms Para registrar as rápidas alterações do potencial de membrana durante a transmissão dos impulsos nervosos o microeletródio é conectado a osciloscópio como explicado 60 A parte inferior da Figura 52 mostra o potencial elétrico que é medido em cada ponto ou próximo da membrana da fibra nervosa começando do lado esquerdo da figura e passando para o direito Enquanto o eletródio está na face externa da membrana o registro do potencial é zero que é o potencial do líquido extracelular Então conforme o eletródio registrador passa através da área de variação da voltagem na membrana celular chamada camada do dipolo elétrico o potencial diminui abruptamente para 90 milivolts Ao se mover o microeletródio para o centro da fibra o potencial permanece no nível constante de 90 milivolts mas volta de novo a zero no instante em que passa através da membrana para o lado oposto da fibra Para criar um potencial negativo no lado interno da membrana só devem ser transportados para o exterior suficientes íons positivos para desenvolver a camada do dipolo elétrico na própria membrana Todos os íons que permanecem dentro da fibra nervosa podem ser positivos ou negativos como mostra o painel superior da Figura 53 Por essa razão número inacreditavelmente pequeno Figura 52 Medida do potencial de membrana da fibra nervosa usando um microeletrodo Fibra nervosa Figura 53 A distribuição dos íons com cargas positivas e negativas no líquido extracelular em volta da fibra nervosa e no líquido dentro da fibra observe o alinhamento das cargas negativas ao longo da superfície interna da membrana e das cargas positivas pela superfície externa O painel inferior mostra as alterações abruptas no potencial de membrana que ocorrem nas membranas nos dois lados da fibra Capítulo 5 Potenciais de Membrana e Potenciais de Ação de íons precisa ser transferido através da membrana para 90 milivolts dentro da fibra nervosa isso significa que somente 13000000 a 1100000000 da carga positiva total dentro da fibra precisa ser transferido Também número igualmente pequeno de íons positivos movendose de fora para dentro da fibra pode inverter o potencial de 90 milivolts para o máximo de 35 milivolts dentro de apenas 110000 de segundo A rápida alternância de íons dessa maneira causa os sinais nervosos discutidos nas seções seguintes deste capítulo Potencial de Repouso das Membranas dos Nervos O potencial de repouso das membranas das fibras nervosas mais calibrosas quando não estão transmitindo sinais nervosos é de cerca de 90 milivolts Isto é o potencial dentro da fibra é 90 milivolts mais negativo do que o potencial no líquido extracelular do lado de fora da fibra Nos próximos parágrafos iremos explicar todos os fatores que determinam esse nível do potencial de repouso mas antes disso precisamos descrever as propriedades de transporte da membrana nervosa em repouso para o sódio e para o potássio e explicar os fatores que determinam o valor do potencial de repouso Transporte Ativo dos íons Sódio e Potássio Através da Membrana A Bomba de SódioPotássio NaK Primeiro vamos recordar do Capítulo 4 que todas as membranas celulares do corpo contêm potente bomba de NaI que transporta continuamente íons sódio para fora da célula e íons potássio para dentro da célula como ilustrado no lado esquerdo na Figura 54 Além disso note que essa é uma bomba eletrogênica porque mais cargas positivas são bombeadas para fora que para dentro três íons Napara fora a cada dois íons K para dentro deixando déficit real de íons positivos na parte de dentro isso gera o potencial negativo no lado de dentro das membranas celulares Exterior 3Na 2K Na K Canais de Figura 54 Características funcionais da bomba de NaK e os canais de vasamento de K ADP difosfato de adenosina ATP tri fosfato de adenosina Os canais de vasamento de K também se ligam aos canais de vasamento de Na 61 Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo A bomba de NaI produz também grande gradiente de concentração para o sódio e para o potássio através da membrana nervosa em repouso Esses gradientes são os seguintes Na externo 142 mEqL Na interno 14 K externo 4 mEqL K interno 140 mEqL As proporções entre esses dois íons respectivos de dentro para fora são Na4 Na n 1 Na K 142 mEqL 4 mEqL C Na 14 mEqL 61 mV oooo K 140 mEqL 94 mV K K w 350 interno externo Vazamento do Potássio e do Sódio através da Membrana Nervosa A parte direita da Figura 54 mostra a proteína de canal algumas vezes conhecida por ou canal de K na fibra nervosa por onde o potássio pode vazar mesmo na célula em repouso A estrutura básica dos canais de potássio foi descrita no Capítulo 4 Fig 44 Esses canais de vazamento de I podem também vazar quantidades mínimas de íons sódio mas são muito mais permeáveis aos íons potássio que aos íons sódio nas condições normais cerca de 100 vezes mais permeáveis Como discutido adiante esse diferencial na permeabilidade é um fatorchave na determinação do nível do potencial de repouso normal da membrana Origem do Potencial de Repouso Normal da Membrana A Figura 55 mostra os fatores importantes para o estabelecimento do potencial de repouso normal da membrana em 90 milivolts Eles são descritos a seguir Contribuição do Potencial de Difusão do Potássio Na Figura 55A admitese que o único movimento iônico através da membrana é o de difusão dos íons potássio como demonstrado pelos canais abertos entre os símbolos de potássio K dentro e fora da membrana Devido à alta proporção dos íons potássio dentro e fora 351 o potencial de Nernst correspondente a essa proporção é de 94 milivolts porque o logaritmo de 35 é 154 que multiplicado por 61 milivolts resulta em 94 milivolts Portanto se os íons potássio fossem os únicos fatores causadores do potencial de repouso o potencial de repouso dentro da fibra seria igual a 94 milivolts como mostra a figura Contribuição da Difusão do Sódio através da Membrana Nervosa A Figura 55B mostra a adição da pequena permeabilidade da membrana nervosa aos íons C Na 142 mEqL 4 mEqL Ânions Difusão bomba Difusão bomba ANa 14 mEqL K 140 mEqL 90 mV Ânions Figura 55 O estabelecimento do potencial de repouso da membrana nas fibras nervosas sob três condições A quando o potencial de membrana é causado somente pela difusão do potássio B quando o potencial de membrana é causado pela difusão de ambos os íons potássio e sódio e C quando o potencial de membrana é causado tanto pela difusão dos íons potássio e sódio mais o bombeamento desses dois íons pela bomba de Na K sódio causada pela difusão diminuta dos íons sódio pelos canais de extravasamento de NaI A proporção entre os íons sódio através da membrana de dentro para fora é de 01 o que corresponde ao potencial calculado de Nernst no lado de dentro da membrana de 61 milivolts Mas também é mostrado na Figura 55B o potencial de Nernst para a difusão do potássio que é de 94 milivolts Como eles interagem entre si qual será o potencial resultante Essas perguntas podem ser respondidas pela equação de Goldman descrita anteriormente Intuitivamente podese observar que se a membrana for muito permeável ao potássio mas apenas levemente permeável ao sódio é lógico que a difusão do potássio contribuirá muito mais para o potencial de membrana do que para a difusão do sódio Na fibra nervosa normal a permeabilidade da membrana ao potássio é cerca de 100 vezes maior do que 62 a permeabilidade ao sódio Ao usar este valor na equação de Goldman será obtido o potencial do lado de dentro da membrana de 86 milivolts que se aproxima do potencial de potássio mostrado na figura Contribuição da Bomba de NaK Na Figura 55C a bomba NaI é mostrada contribuindo adicionalmente para o potencial de repouso Nessa figura ocorre bom beamento contínuo de três íons sódio para o exterior para cada dois íons potássio bombeados para o lado interno da membrana O fato de mais íons sódio serem bombeados para fora do que íons potássio para dentro produz perda contínua de cargas positivas pelo lado interno da membrana isso cria grau adicional de negatividade em torno de 4 milivolts adicionais no lado interno além da produzida pela difusão Por essa razão como mostra a Figura 55C o potencial de membrana efetivo com todos esses fatores atuantes ao mesmo tempo é de cerca de 90 milivolts Em resumo os potenciais de difusão causados pela difusão do sódio e do potássio atuando isoladamente produziríam potencial de membrana de cerca de 86 milivolts quase todo determinado pela difusão do potássio Então 4 milivolts adicionais são somados ao potencial de membrana pela bomba eletrogênica contínua de NaI resultando no potencial de membrana efetivo de 90 milivolts Potencial de Ação dos Nervos Os sinais nervosos são transmitidos por potenciais de ação que são rápidas alterações do potencial de membrana que se propagam com grande velocidade por toda a membrana da fibra nervosa Cada potencial de ação começa por alteração súbita do potencial de membrana normal negativo para um potencial positivo terminando então com retorno quase tão rápido para o potencial negativo Para conduzir o sinal nervoso o potencial de ação se desloca ao longo da fibra nervosa até sua extremidade final O painel superior da Figura 56 mostra as alterações que ocorrem na membrana durante o potencial de ação com a transferência de cargas positivas para o interior da fibra no seu início e o retorno das cargas positivas para o exterior a seu término O painel inferior mostra graficamente as sucessivas alterações do potencial de membrana por poucos décimos de milésimos de segundo ilustrando o início explosivo do potencial de ação e sua quase idêntica recuperação Os estágios sucessivos do potencial de ação são descritos a seguir Estágio de Repouso É o potencial de repouso da membrana antes do início do potencial de ação Dizse que razão do potencial de membrana de 90 milivolts negativo existente Capítulo 5 Potenciais de Membrana e Potenciais de Ação Milissegundos Figura 56 Potencial de ação típico registrado pelo método mostrado no painel superior da figura Estágio de Despolarização A esse tempo a membrana fica subitamente muito permeável aos íons sódio permitindo que grande número de íons sódio positivamente carregados se difunda para o interior do 90 milivolts é de imediato neutralizado pelo influxo dos íons sódio com carga positiva com o potencial aumentando rapidamente para valor positivo Isso é referido como despolarização Nas fibras nervosas de maior calibre o grande excesso dos íons sódio positivos que se deslocam para o interior da fibra faz com que o potencial de overshoot rapidamente o nível zero e tornese positivo Em algumas fibras delgadas bem como em muitos neurônios do sistema central o potencial de membrana simplesmente se aproxima do nível zero não o ultrapassando para chegar ao estado positivo Estágio de Repolarização Em alguns décimos de milésimos de segundo após a membrana ter ficado muito permeável aos íons sódio os canais de sódio começam a se fechar e os canais de potássio se abrem mais que o normal Então a rápida difusão dos íons potássio para o exterior restabelece o potencial de repouso negativo da membrana Isso é referido como repolarização da membrana Para explicar com mais detalhes os fatores causadores da depolarização e da repolarização descreveremos as características especiais dos dois outros tipos de canais 63 Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo de transporte através das membranas nervosas os canais de sódio e potássio regulados pela voltagem Os Canais de Sódio e Potássio Regulados pela Voltagem O agente necessário para provocar a depolarização e a repolarização da membrana nervosa durante o potencial de ação é o canal de sódio regulado pela voltagem O canal de potássio regulado pela voltagem também tem participação importante por aumentar a rapidez da repolarização da membrana Esses dois canais regulados pela voltagem atuam de forma adicional com a bomba de NaIC e com os canais de vazamento de KNa O Canal de Sódio Regulado pela Voltagem Ativação e Inativação do Canal O painel superior da Figura 57 mostra o canal de sódio regulado pela voltagem em três estados distintos Esse canal tem duas comportas uma perto da abertura externa do canal referida como comporta de ativação e a outra perto da abertura interna do canal referida como comporta de inativação A parte superior esquerda da figura mostra o estado dessas duas comportas na membrana normal em repouso quando o potencial de membrana é 90 milivolts Nessa condição a comporta de ativação está fechada impedindo a entrada por menor que seja de íons sódio para o interior da fibra por esses canais de sódio Ativação do Canal de Sódio Quando o potencial de membrana se torna menos negativo que durante o estado de repouso aumentando de 90 milivolts até zero ele atinge a voltagem em geral de cerca de 70 a 50 mili Comporta de ativação Na Comporta de inativação Repouso 90 mV Filtro de Na seletividade Na f Ativado 90 a 35 mV Inativado 35 a 90 mV demorado K Repouso 90 mV Interior Ativação lenta 35 a 90 mV Figura 57 Características dos canais regulados pela voltagem de sódio acima e potássio abaixo mostrando sucessivas ativações e inativações dos canais de sódio e a ativação demorada dos canais de potássio quando o potencial de membrana foi alterado do valor normal negativo de repouso para um valor positivo volts o que provoca alteração conformacional abrupta da comporta de ativação fazendo com que o canal fique totalmente aberto Essa condição é referida como estado ativado durante esse estado os íons sódio podem entrar pelo canal aumentando a permeabilidade da membrana ao sódio por 500 a 5000 vezes Inativação do Canal de Sódio A parte superior direita da Figura 57 mostra o terceiro estado do canal de sódio O mesmo aumento da voltagem que faz com que a comporta seja ativada também faz com que essa comporta seja inativada A comporta é desativada em poucos décimos de milésimos de segundo após ter sido ativada Isto é a alteração conformacional que provoca o fechamento da comporta de ativação é processo mais lento que a alteração conformacional que abre a comporta de ativação Assim após o canal de sódio ter permanecido aberto por alguns décimos de milésimos de segundo o canal é inativado e se fecha e os íons sódio não podem atravessar a membrana Nesse momento o potencial de membrana começa a retornar ou se aproximar de seu estado normal de repouso que é o processo de repolarização Outra característica importante do processo de inativação do canal de sódio é que a comporta inativada só vai reabrir quando o potencial de membrana retornar ou se aproximar do potencial de repouso na condição original Por essa razão usualmente não é possível para o canal de sódio voltar a abrir sem que a fibra nervosa seja primeiro repolarizada O Canal de Potássio Regulado pela Voltagem e sua Ativação O painel inferior da Figura 57 mostra o canal de potássio regulado pela voltagem em dois estados durante o estado de repouso à esquerda e durante o final de um potencial de ação à direita Durante o estado de repouso a comporta do canal de potássio está fechada e os íons potássio são impedidos de passar por esse canal para o exterior Quando o potencial de membrana aumenta de 90 milivolts para zero essa variação da voltagem provoca a abertura conformacional da comporta permitindo aumento da difusão de potássio para fora por meio desses canais Entretanto devido ao pequeno retardo na abertura dos canais de potássio em sua maioria eles só abrem exatamente no mesmo momento em que os canais de sódio estão começando a se fechar em função de sua inativação Assim a redução da entrada de sódio na célula e o aumento simultâneo da saída de potássio da célula fazem com que o processo de repolarização seja acelerado levando à completa recuperação do potencial de repouso da membrana dentro de poucos décimos de milésimos de segundo Método de Pesquisa para Medir o Efeito da Voltagem sobre a Abertura e o Fechamento dos Canais Controlados por Voltagem O Grampo da A pesquisa original que levou ao entendimento quantitativo dos canais de potássio e de sódio foi tão engenhosa que os cientistas res 64 ponsáveis Hodgkin e Huxley ganharam o Prêmio Nobel A essência desses estudos é mostrada nas Figuras 58 e 59 A Figura 58 mostra a montagem experimental chamada de grampo de voltagem ou fixação da voltagem utilizada para medir os fluxos iônicos pelos diferentes canais Para se usar essa montagem dois eletródios são inseridos na fibra nervosa Um deles é para medir a voltagem do potencial de membrana e o outro é para conduzir corrente elétrica para dentro ou para fora da fibra nervosa Essa montagem é utilizada da seguinte maneira o pesquisador decide qual a voltagem que ele deseja estabelecer dentro da fibra nervosa O componente eletrônico da montagem é então ajustado para a voltagem desejada e isso automaticamente injeta eletricidade positiva ou negativa por meio do eletrodo de corrente na intensidade que seja necessária para fixar a voltagem como medida pelo eletródio de voltagem no nível estabelecido pelo operador Quando o potencial de membrana é repentinamente alterado por esse grampo de voltagem de 90 milivolts para zero os canais de potássio e sódio regulados pela voltagem se abrem e os íons sódio e potássio começam a fluir por esses canais Para contrabalançar os efeitos desses fluxos iônicos sobre os valores fixados da voltagem intracelular corrente elétrica é injetada automaticamente por meio dos eletródios do grampo de voltagem para manter a voltagem intracelular constante no nível zero que é necessário Para isso a corrente injetada deve ser igual só que Figura 58 fluxo dos íons através de um canal específico Canal de Na Figura 59 Alterações típicas da condutância dos canais dos íons e de sódio e potássio quando o potencial de membrana aumenta abruptamente do valor de repouso normal de 90 milivolts para o valor positivo de 10 milivolts por 2 milissegundos Essa figura mostra que os canais de sódio abrem ativados e em seguida fecham inativados antes do final desses 2 milissegundos enquanto os canais de potássio só abrem ativados com velocidade bem mais lenta do que a da abertura dos canais de sódio Capítulo 5 Potenciais de Membrana e Potenciais de Ação com polaridade oposta ao fluxo efetivo de corrente que flui pelos canais Para se medir a intensidade do fluxo que está ocorrendo a cada instante o eletródio de corrente é conectado a osciloscópio que registra o fluxo de corrente como mostra a tela do osciloscópio na Figura 58 Por fim o pesquisador altera as concentrações iônicas intra e extracelula res para valores diferentes dos normais e repete a medida Isso pode ser feito facilmente quando se usam fibras nervosas bastante calibrosas obtidas de alguns invertebrados de modo especial o axônio gigante da lula que em alguns desses animais pode ter 1 milímetro de diâmetro Quando o sódio é o único íon permeante nas soluções intra e extracelular do axônio da lula o grampo de voltagem só mede o fluxo de corrente pelos canais de sódio Quando o potássio é o único íon permeante só é medido o fluxo de corrente pelos canais de potássio Outra maneira de se estudar o fluxo iônico por meio de tipo individual de canal é pelo bloqueio de um tipo de canal por vez Por exemplo os canais de sódio podem ser bloqueados pela toxina chamada tetrodotoxina aplicandoa na parte externa da membrana celular onde a comporta de ativação do sódio está situada Alternativamente o íon tetraetilamô nio bloqueia os canais de potássio quando aplicado no interior da fibra nervosa A Figura 59 mostra as variações típicas da condutância dos canais de sódio e potássio regulados pela voltagem quando o potencial de membrana é repentinamente alterado pelo uso do grampo de voltagem de 90 milivolts para 10 milivolts e então 2 milissegundos depois de volta para 90 milivolts Note a abertura abrupta dos canais de sódio o estágio de ativação em pequena fração de milissegundo após o potencial de membrana ser elevado para o valor positivo Entretanto durante os próximos milissegundos os canais de sódio automaticamente se fecham o estágio de inativação Note a abertura ativação dos canais de potássio Eles se abrem lentamente atingindo seu estado de abertura total somente depois que os canais de sódio se tenham fechado quase completamente Além disso uma vez tendo ocorrido a abertura dos canais de potássio eles permanecem abertos durante todo potencial positivo de membrana e não se fecham de novo até que o potencial de membrana retorne a valor negativo Resumo dos Eventos Causadores do Potencial de Ação A Figura 510 resume os eventos sequenciais que ocorrem durante e logo após o potencial de ação A parte de baixo da figura mostra as alterações na condutância da membrana para os íons sódio e potássio Durante o período de repouso antes que o potencial de ação se inicie a condutância para os íons potássio é cerca de 50 a 100 vezes maior que a condutância para os íons sódio Isso é causado pelo maior vazamento dos íons potássio que dos íons sódio pelos canais de vazamento Todavia com o desencadeamento do potencial de ação o canal de sódio instantaneamente é ativado permitindo aumento de até 5000 vezes da condutância do sódio Então o processo de inativação fecha os canais de sódio em fração de milissegundo O desencadeamento do potencial de ação 65 Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo O Figura 510 Alterações da condutância de sódio e potássio durante o curso do potencial de ação A condutância do sódio aumenta por vários milhares de vezes durante os estágios iniciais do potencial de ação enquanto a condutância do potássio só aumenta cerca de 30 vezes durante os estágios finais do potencial de ação e por um pequeno período após Essas curvas foram construídas da teoria apresentada em artigos por Hodgkin e Huxley mas transpostas do axônio da lula para se aplicar ao potencial de membrana das fibras nervosas mais grossas dos mamíferos causa também a regulação pela voltagem da abertura dos canais de potássio fazendo com que ela ocorra mais lentamente em fração de milissegundo após a abertura dos canais de sódio Ao final do potencial de ação o retorno do potencial de membrana ao estado negativo faz com que os canais de potássio se fechem novamente voltando a seu estado original mas de novo somente após retardo adicional de um milissegundo ou mais A parte do meio da Figura 510 mostra a proporção entre as condutâncias do sódio e do potássio a cada instante durante o potencial de ação e logo acima é mostrado o potencial de ação propriamente dito Durante a parte inicial do potencial de ação a proporção entre as condutâncias do sódio e potássio aumenta por mais de 10 vezes Por isso muito mais íons sódio fluem para o interior da fibra do que os íons potássio para o exterior Essa é a causa de o potencial de membrana ficar positivo no início do potencial de ação Em seguida os canais de sódio começam a se fechar e os canais de potássio a se abrir de modo que a proporção entre as condutâncias varia para o predomínio da condutância do potássio aumentando em muito a condutância do potássio e reduzindo a condutância do sódio Isso permite perda muito rápida dos íons potássio para o exterior mas virtualmente fluxo nulo de íons sódio para o interior Consequentemente o potencial de ação rapidamente retorna ao seu nível basal Os Papéis de Outros íons no Potencial de Ação Até este ponto consideramos apenas a participação dos íons sódio e potássio na geração do potencial de ação Pelo menos dois outros tipos de íons devem ser considerados os ânions negativos e os íons cálcio íons Ânions Impermeantes com Carga Negativa no Interior do Axônio Nos axônios existem muitos íons com carga negativa que não podem passar pelos canais da membrana Dentre eles estão os ânions das proteínas moleculares e de muitos compostos orgânicos de fosfato compostos de sulfato e assim por diante Como esses íons não podem sair do axônio qualquer déficit de íons positivos no lado de dentro da membrana cria excesso desses ânions impermeantes negativos Por conseguinte esses íons impermeantes negativos são responsáveis pela carga negativa dentro da fibra quando existe déficit efetivo de íons potássio com carga positiva e outros íons positivos íons Cálcio A membrana de quase todas as células do corpo contém a bomba de cálcio semelhante à bomba de sódio e o cálcio em algumas células junto com ou no lugar do sódio causa a maior parte do potencial de ação Como a bomba de sódio a bomba de cálcio transporta os íons cálcio do interior da membrana celular para o exterior ou para o retículo endoplasmático da célula criando gradiente iônico de cálcio de cerca de 10000 vezes Isso deixa concentração celular de íons cálcio 7 molar em contraste com a concentração externa de cerca de 103 molar Além disso existem canais de cálcio regulados pela voltagem Visto que a concentração do íon cálcio é mais de 10000 vezes maior no líquido extracelular que no líquido intracelular existe imenso gradiente de difusão para o fluxo passivo de cálcio para a célula Esses canais são ligeiramente permeáveis aos íons sódio e aos íons cálcio mas sua permeabilidade para os íons cálcio é cerca de 1000 vezes maior que para os íons sódio nas condições fisiológicas normais Quando se abrem em resposta a estímulo que despolariza a membrana celular os íons cálcio fluem para o interior da célula A principal função dos canais de cálcio regulados pela voltagem é a de contribuir para a fase de despolarização do potencial de ação em algumas células Todavia a regulação dos canais de cálcio é lenta levando 10 a 20 vezes mais tempo que a ativação dos canais de sódio Por essa razão eles com frequência são chamados de canais lentos em contraste com os canais de sódio chamados canais rápidos Por isso a abertura dos canais de sódio produz despolarização mais prolongada enquanto a dos canais de sódio promove o início dos potenciais de ação Os canais de cálcio são muito numerosos no músculo cardíaco e no músculo liso Na verdade em alguns tipos de músculo liso os canais rápidos de sódio são bastante raros de forma que o potencial de ação ocorre quase exclusivamente pela ativação dos lentos canais de cálcio Permeabilidade Aumentada dos Canais de Sódio Quando Ocorre Déficit de íons Cálcio A concentração dos íons cálcio no líquido extracelular também exerce intenso efeito sobre o valor da voltagem em que os canais de sódio são ativados Quando ocorre déficit de íons cálcio os canais de sódio são ativados abertos por pequeno aumento do potencial de membrana de seu valor normal valor ainda muito negativo Por conseguinte a fibra nervosa fica muito 66 excitável algumas vezes descarregando repetitivamente sem qualquer estímulo em vez de permanecer no estado de repouso Na realidade a concentração de íons cálcio precisa diminuir apenas por 50 abaixo do normal antes que ocorra descarga espontânea em alguns nervos periféricos causando geralmente muscular Isso por vezes pode ser letal devido à contração tetânica dos músculos respiratórios O modo provável pelo qual os íons cálcio afetam os canais de sódio é o seguinte esses íons parecem se ligar à superfície externa dos canais de sódio das moléculas de proteína A carga positiva dos íons cálcio por sua vez altera o estado elétrico da própria proteína do canal de sódio e desse modo altera o nível da voltagem necessário para abrir o canal de sódio Início do Potencial de Ação Até este ponto explicamos a alteração da permeabilidade da membrana ao sódio e ao potássio bem como o desenvolvimento do potencial de ação propriamente dito mas ainda não explicamos como se origina esse potencial de ação A resposta é bastante simples Círculo Vicioso de Feedback Positivo Abre os Canais de Sódio Primeiro contanto que a membrana da fibra nervosa permaneça sem ser perturbada nenhum potencial de ação ocorre no nervo normal Entretanto caso ocorra qualquer evento capaz de provocar o aumento inicial do potencial de membrana de 90 milivolts para o nível zero a própria voltagem crescente causa a abertura de vários canais de sódio regulados pela voltagem Isso permite o influxo rápido de íons sódio resultando em maior aumento do potencial de membrana e consequentemente abrindo mais canais regulados pela voltagem e permitindo fluxo mais intenso de íons sódio para o interior da fibra Esse processo é círculo vicioso de feedback positivo que uma vez que esse feedback seja suficientemente intenso continua até que todos os canais de sódio regulados pela voltagem tenham sido ativados abertos Então em outra fração de milissegundo o aumento do potencial de membrana causa o fechamento dos canais de sódio e a abertura dos canais de potássio e o potencial de ação termina O Limiar para o Início do Potencial de Ação O potencial de ação só vai ocorrer se o aumento inicial do potencial de membrana for suficientemente intenso para gerar o feedback positivo descrito no parágrafo anterior Isso ocorre quando o número de íons Na que entram na fibra fica maior que o número de íons IC que sai da fibra O aumento repentino do potencial de membrana entre 15 e 30 milivolts em geral é necessário Assim qualquer aumento abrupto do potencial de membrana de fibra nervosa calibrosa de 90 milivolts para cerca de 65 milivolts usualmente provoca o explosivo desenvolvimento do potencial de ação Esse nível de 65 milivolts é referido como o limiar para a estimulação Capítulo 5 Potenciais de Membrana e Potenciais de Ação Propagação do Potencial de Ação Nos parágrafos precedentes discutimos o potencial de ação como ocorre em um ponto da membrana Contudo um potencial de ação provocado em qualquer parte da membrana excitável em geral excita as porções adjacentes da membrana resultando na propagação do potencial de ação por toda a membrana Esse mecanismo é demonstrado na Figura 511 A Figura 51L4 mostra fibra nervosa em repouso normal e a Figura 5115 mostra a fibra nervosa que foi estimulada na sua porção central isto é essa região repentinamente desenvolve permeabilidade izadas da membrana para as áreas adjacentes da membrana em repouso Isto é cargas elétricas positivas são levadas pelos íons sódio que se difundem para o interior através das membranas despolarizadas e então por muitos milímetros em ambas as direções ao longo do interior do axônio Essas cargas positivas aumentam a voltagem por cerca de 1 a 3 milímetros pelo interior das grandes fibras mielinizadas até valor maior que o da voltagem limiar para o desencadeamento do potencial de ação Como consequência os canais de sódio nessas novas áreas imediatamente se abrem como mostra a Figura 511C e D e o explosivo potencial de ação se propaga Essas novas áreas despolarizadas produzem por sua vez outros circuitos locais de fluxo de corrente nas áreas adjacentes da membrana causando progressivamente mais e mais despolarização Assim o processo de despolarização percorre todo o comprimento da fibra A 0000 O 0000 1 ooooo o o oo OOOCHOO o o D 00000000000000 0000 Figura 511 Propagação do potencial de ação em ambas as direções pela fibra condutora 67 Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo Essa transmissão do processo de despolarização por fibra nervosa ou muscular é referida como impulso nervoso ou muscular Direção da Propagação Como demonstrado na Figura 511 a membrana excitável não tem direção única de propagação mas o potencial de ação trafega em todas as direções afastandose da região estimulada mesmo por todas as ramificações da fibra nervosa até que toda a membrana tenha sido despolarizada Princípio do Tudo ou Nada Uma vez em que o potencial de ação foi gerado em algum lugar da membrana da fibra normal o processo de despolarização trafega por toda a membrana se as condições forem adequadas ou não se propaga de qualquer modo se as condições não forem adequadas Isso é conhecido como princípio do tudo ou nada e se aplica a todos os tecidos excitáveis normais Ocasionalmente o potencial de ação atinge região da membrana que não gera voltagem suficiente para estimular a área seguinte da membrana Quando isso ocorre a propagação da despolarização é interrompida Por conseguinte para que ocorra propagação contínua do impulso a proporção entre o potencial de ação e o limiar de excitação deve ser sempre maior que 1 Este requisito fator de segurança para a propagação Restabelecimento dos Gradientes lônicos do Sódio e do Potássio após o Término do Potencial de Ação A Importância do Metabolismo Energético A transmissão de cada potencial de ação ao longo da fibra nervosa reduz muito pouco a diferença de concentração de sódio e potássio dentro e fora da membrana devido à difusão para o interior dos íons sódio durante a despolarização e pela difusão para o exterior dos íons potássio durante a repolarização Para um só potencial de ação esse efeito é tão pequeno que não pode ser medido Na verdade 100000 a 50 milhões de impulsos podem ser transmitidos por fibras nervosas calibrosas antes que as diferenças de concentração atinjam o ponto em que cessa a condução dos potenciais de ação Ainda assim com o passar do tempo é necessário o restabelecimento das diferenças de concentração entre o sódio e o potássio na membrana Isso é realizado pela ação da bomba de NaI da mesma maneira como descrita acima neste capítulo para o estabelecimento original do potencial de repouso Ou seja os íons sódio que se difundiram para o interior da célula durante o potencial de ação e os íons potássio que se difundiram para o exterior devem retornar aos seus estados originais pela bomba de NaIC Como essa bomba requer nervosa é processo metabólico ativo usando energia derivada do trifosfato de adenosina ATP do sistema de energia da célula A Figura 512 mostra que a fibra nervosa produz excesso de calor durante a recarga que é uma medida do consumo de energia quando a frequência dos impulsos nervosos aumenta Característica especial da bomba da NaK ATPase é que o grau de sua atividade é intensamente estimulado quando ocorre acúmulo excessivo de íons sódio no interior da membrana celular Na verdade a atividade da bomba aumenta aproximadamente em proporção à terceira potência da concentração intracelular do sódio Isto é enquanto a concentração interna de sódio aumenta por 10 a 20 mEqL a atividade da bomba não apenas duplica mas aumenta por cerca de oito vezes Portanto é fácil de pode ser posto rapidamente em ação toda vez que as diferenças de concentrações dos íons sódio e potássio O Platô em Alguns Potenciais de Ação Em alguns casos a membrana estimulada não se repola riza imediatamente após a despolarização ao contrário o potencial permanece como platô perto do pico do potencial em ponta por vários milissegundos e somente então é que se inicia a repolarização Esse platô é mostrado na Figura 513 podese ver facilmente que o platô prolonga muito o período de despolarização Esse tipo de potencial de ação ocorre nas fibras musculares do coração onde o platô dura por período de 02 a 03 segundo e faz com que a contração dos músculos do coração dure por esse mesmo período de tempo A causa do platô é combinação de vários fatores Primeiro no músculo do coração dois tipos de canais participam do processo de despolarização 1 os canais usuais de sódio regulados pela voltagem conhecidos como canais rápidos e 2 os canais de cálciosódio regulados pela voltagem conhecidos como canais lentos A abertura dos canais rápidos causa a parte em ponta spike do potencial de ação enquanto a morosa e prolongada abertura dos canais lentos de cálciosódio permite principalmente o influxo de íons cálcio para a fibra Figura 512 Produção de calor pela fibra nervosa em repouso e com aumento progressivo da frequência de estimulação 68 Segundos Figura 513 Potencial de ação em milivolts de fibra de Capítulo 5 Potenciais de Membrana e Potenciais de Ação Potenciais Condutância de ação Figura 514 Potenciais de ação rítmicos em milivolts semelhantes aos registrados no centro de controle rítmico do coração Note suas relações com a condutância do potássio e com o estado de hiperpolarização sendo também responsável em grande parte pelo platô do potencial de ação O segundo fator que pode ser parcialmente responsável pelo platô é que a abertura dos canais de potássio regulados pela voltagem é mais lenta do que a usual em geral só se abrindo de modo completo até o final do platô Isso retarda o retorno do potencial de membrana a seu valor negativo normal de 80 a 90 milivolts Ritmicidade de Alguns Tecidos Excitáveis Descarga Repetitiva Descargas repetitivas espontâneas ocorrem normalmente no coração na maior parte dos músculos lisos e em muitos neurônios do sistema nervoso central Essas descargas rítmicas causam 1 o batimento ritmado do coração 2 o peristaltismo rítmico dos intestinos e 3 alguns eventos neuronais como o controle ritmado da respiração Quase todos os outros tecidos excitáveis podem descarregar repetitivamente se o limiar de excitabilidade dos tecidos celulares for suficientemente reduzido Por exemplo mesmo as fibras nervosas mais calibrosas e as fibras dos músculos esqueléticos que são normalmente muito estáveis descarregam de forma repetitiva quando colocadas em solução contendo a substância veratrina ou quando a concentração dos íons cálcio cai abaixo de valor crítico em ambos os casos elas aumentam a permeabilidade da membrana ao sódio O Processo de Reexcitação Necessário para a Ritmicidade Espontânea Para que ocorra a ritmicidade espontânea a membrana mesmo em seu estado natural deve ser suficientemente permeável aos íons sódio ou aos íons cálcio e sódio pelos canais lentos de cálciosódio para permitir a despolarização automática da membrana Assim a Figura 5 da membrana no centro de controle do ritmo cardíaco é de somente 60 a 70 milivolts Essa não é voltagem negativa suficiente para manter os canais de sódio e cálcio totalmente fechados Por essa razão a seguinte sequência ocorre 1 alguns íons sódio e cálcio fluem para o interior 2 isso aumenta a voltagem da membrana na direção positiva o que aumenta ainda mais a permeabilidade da membrana 3 ainda mais íons fluem para dentro e 4 a permeabilidade aumenta mais e mais até que o potencial de ação é gerado Então ao final do potencial de ação a membrana se repolariza Após outro retardo de alguns milissegundos ou segundos a excitabilidade espontânea causa nova despolarização e novo potencial de ação ocorre espontaneamente Esse ciclo continua ininterruptamente causando a excitação rítmica autoinduzida dos tecidos excitáveis Por que a membrana do centro de controle do coração não se despolariza imediatamente após ter se repola rizado em vez de retardar por quase um segundo antes do início do próximo potencial de ação A resposta pode ser encontrada pela observação da curva rotulada como 14 Ela mostra que perto do término de cada potencial de ação e persistindo por um breve período após a membrana tornase mais permeável aos íons potássio O aumento do efluxo dos íons potássio transfere número enorme de cargas positivas para fora da membrana deixando o interior da fibra muito mais negativo do que deveria acontecer Essa condição continua por cerca de 1 segundo após o término do potencial de ação antecedente e desse modo desloca o potencial de membrana para valor mais próximo do potencial de Nernst para o potássio Esse é o estado referido como hiperpolarização mostrado também na Figura 514 Enquanto persistir esse estado a autorre excitação não vai ocorrer Mas a condutância excessiva de potássio e o estado de hiperpolarização desaparece gradualmente como mostrado na figura depois que cada potencial de ação termina permitindo então que o potencial de membrana aumente de novo até seu limiar de excitação Então de repente ocorre novo potencial de ação e o processo acontece outra vez e assim por diante 69 Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo Características Especiais da Transmissão dos Sinais nos Troncos Nervosos Fibras Nervosas Mielinizadas e Amielinizadas A Figura 515 mostra corte transversal de típico nervo pequeno revelando muitas fibras nervosas calibrosas que constituem a maior parte da área desse corte transversal Entretanto olhar mais cuidadoso revela grande número de fibras muito delgadas localizadas entre as fibras mais grossas As fibras calibrosas são mielinizadas e as mais delgadas são amielinizadas A maioria dos troncos nervosos contém cerca de duas vezes mais fibras amielinizadas do que fibras mielinizadas A Figura 516 mostra fibra mielinizada típica A parte central da fibra é o axônio e a membrana do axônio é a membrana que de fato conduz o potencial de ação O axônio é cheio em sua parte central por axoplasma que é líquido intracelular víscido Em volta do axônio existe a bainha de mielina que é frequentemente mais espessa que o próprio axônio A cada 1 a 3 milímetros da extensão da bainha de mielina existe um nodo de Ranvier A bainha de mielina é depositada em torno do axônio pelas células de Schwann da seguinte maneira a membrana das células de Schwann primeiro envolve o axônio Em seguida as células de Schwann giram muitas vezes em torno do axônio formando camadas múltiplas de membrana celular de Schwann contendo a substância lipídica esfingomielina Essa substância é excelente isolante elétrico reduzindo o fluxo iônico através da membrana por cerca de 5000 vezes Na junção entre duas células de Schwann sucessivas ao longo do axônio existe área não isolada com comprimento de 2 a 3 micrômetros por onde os íons ainda podem passar facilmente através da membrana do axônio do líquido extracelular para o intracelular dentro do axônio Essa área forma o nodo de Ranvier Condução Saltatória de Nodo a Nodo nas Fibras Mielinizadas Mesmo que quase nenhum íon possa fluir através das grossas bainhas de mielina dos nervos mielinizados eles podem passar com facilidade através dos nodos de Ranvier Assim potenciais de ação só ocorrem nos nodos de Ranvier Os potenciais de ação são então conduzidos de nodo para nodo como mostra a Figura 517 esse tipo de condução é chamado condução saltatória Ou seja a corrente elétrica flui pelo líquido extracelular que circunda a parte externa da bainha de mielina assim como pelo axoplasma dentro do axônio de nodo a nodo excitando os nodos sucessivos um após o outro Desse modo os impulsos nervosos saltam ao longo da fibra nervosa o que dá origem ao termo A condução saltatória é de grande valor por duas razões Primeira ao fazer com que o processo de despolarização pule longos trechos ao longo do eixo da fibra nervosa esse mecanismo aumenta a velocidade da transmissão nervosa nas fibras mielinizadas por cinco a 50 vezes Segunda a condução saltatória conserva energia para o axônio porque somente os nodos se despolarizam permitindo talvez perda apenas de íons até 100 vezes menor da que seria necessária e por conseguinte requerendo metabolismo menos intenso para restabelecer as diferenças de concentração de sódio e potássio através da membrana após série de impulsos nervosos Ainda outra característica da condução saltatória nas fibras mielinizadas mais grossas é a seguinte o excelente isolamento produzido pela membrana de mielina e a redução de 50 vezes da capacitância dessa membrana permitem que a repolariza ção ocorra com transferência muito pequena de íons Figura 515 Corte transversal de pequeno tronco nervoso contendo fibras mielinizadas e amielinizadas Velocidade de Condução nas Fibras Nervosas A velocidade de condução dos potenciais de ação nas fibras nervosas varia do mínimo de 025 ms nas fibras amielínicas mais delgadas até o máximo de 100 ms o comprimento de um campo de futebol em um segundo nas fibras mielinizadas mais calibrosas Excitação O Processo de Geração do Potencial de Ação Basicamente qualquer fator que promova a difusão de grande número de íons sódio para o interior da célula pode desencadear a abertura regenerativa automática dos canais de sódio Isso pode resultar de distúrbio mecânico da membrana de efeitos químicos na membrana ou da passagem de eletricidade através da membrana Todos esses são utilizados em pontos distintos do corpo para fazer surgir o potencial de ação muscular ou nervoso a pressão mecânica para excitar as terminações sensoriais nervosas na pele os neurotransmissores químicos para transmitir sinais de um neurônio para o próximo no cérebro e a corrente elétrica para transmitir sinais entre as sucessivas células musculares no coração e no intestino Para o propósito de compreender o processo da excitação começaremos discutindo os princípios da estimulação elétrica Excitação da Fibra Nervosa por um Eletrodo Metálico com Carga Negativa O meio usual para excitar um nervo ou músculo nos laboratórios experimentais é aplicar eletricidade à superfície do nervo ou do músculo por meio de dois pequenos eletródios um dos quais tem carga negativa e o outro carga positiva Quando isso é feito a membrana excitável é estimulada no eletródio negativo A causa desse efeito é a seguinte lembrese de que o potencial de ação é iniciado pela abertura dos canais de sódio regulados pela voltagem Posteriormente maior número desses canais é aberto pela redução da voltagem elétrica normal de repouso através da membrana Isto é a corrente negativa do eletródio diminui a voltagem do lado de fora da membrana até valor negativo próximo à voltagem do poten 70 Axônio Bainha de mielina itoplasma da célula de Schwann Núcleo da célula de Schwann Nodo de Ranvier Figura 516 Função da célula de Schwann no isolamento das fibras nervosas A Revestimento da membrana da célula de Schwann em torno de um axônio calibroso para formar a bainha de mielina da fibra nervosa mielinizada6 Revestimento parcial da membrana e do citoplasma da célula de Schwann em torno de várias fibras nervosas amielinizadas mostrado em corte transversal A Modificado de Leeson TS Leeson R Histology Philadelphia WB Saunders1979 ciai negativo dentro da fibra Isso reduz a voltagem elétrica através da membrana permitindo que os canais de sódio se abram resultando no potencial de ação De modo contrário no eletródio positivo a injeção de cargas positivas no lado externo da membrana nervosa aumenta a diferença de voltagem através da membrana em vez de reduzila Isso causa o estado de hiperpolarização que na verdade diminui a excitabilidade da fibra em vez de causar o potencial de ação Agudo Estímulo negativo fraco pode não ser suficiente para excitar a fibra Todavia quando a voltagem do estímulo é aumentada atingese valor no qual ocorre excitação A Figura 518 mostra o efeito de estímulos aplicados sucessivamente de intensidade progressivamente crescente Um estímulo muito fraco no ponto A faz com que o potencial de membrana varie de 90 para 85 milivolts mas essa não é a alteração suficiente para que o processo regenerativo automático do potencial de ação se desenvolva No ponto B o estímulo é maior mas de novo a intensidade ainda não é suficiente Contudo esse estímulo modifica o potencial de membrana local por período de 1 milissegundo ou mais após esses dois estímulos fracos Essas alterações dos potenciais locais são referidas como potenciais locais agudos e quando deixam de desencadear o potencial de ação elas são designadas como potenciais subliminares agudos Capítulo 5 Potenciais de Membrana e Potenciais de Ação Bainha de mielina Axoplasma Nodo de Ranvier fe J v w L r i A A r 1 2 3 Figura 517 Condução saltatória pelo axônio mielinizado O fluxo de corrente elétrica de nodo a nodo é indicado pelas setas Figura 518 Efeito de voltagens crescentes do estímulo para produzir um potencial de ação Note o desenvolvimento de potenciais sublimiares agudos quando os estímulos estão abaixo do valor limiar necessário para produzir um potencial de ação No ponto C da Figura 518 o estímulo é ainda mais intenso Agora o potencial local atingiu nitidamente o nível necessário para a produção do potencial de ação conhecido por nível limiar mas o potencial de ação só ocorre após pe ponto D o estímulo é ainda mais forte o potencial agudo local é também mais intenso e o potencial de ação ocorre em menos tempo do que o período latente Assim essa figura mostra que até mesmo estímulos muito fracos causam alteração local do potencial da membrana mas a amplitude do potencial local deve aumentar até o nível limiar para que seja produzido o potencial de ação Período Refratário após o Potencial de Ação durante o Qual um Novo Estímulo não Pode Ser Evocado Novo potencial de ação não pode ocorrer na fibra excitável enquanto a membrana ainda estiver despolarizada pelo potencial de ação precedente A razão para isso é que logo após o potencial de ação ser desencadeado os canais de sódio ou canais de cálcio ou ambos ficam inativos e qualquer quantidade de sinal excitatório aplicado a esses canais nesse momento não vai abrir as comportas de inativação A única condição que permitirá sua reabertura é o retorno do potencial de membrana ao valor original ou próximo disso do potencial de repouso da membrana Então em pequena fração de segundo as comportas de inativação dos canais se abrem e novo potencial de ação pode ser iniciado 71 Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo O período durante o qual o segundo potencial de ação não pode ser produzido mesmo com estímulo muito intenso é designado como período refratário absoluto Esse período para as fibras nervosas mielinizadas mais calibrosas é de cerca de 12500 segundo Portanto podese prontamente calcular que esse tipo de fibra pode transmitir cerca de no máximo 2500 impulsos por segundo Inibição da Excitabilidade Estabilizadores e Anestésicos Locais Em contraste com os fatores que aumentam a excitabilidade nervosa ainda outros conhecidos como fatores estabilizadores da membrana podem diminuir a excitabilidade Por exemplo alta concentração de íons cálcio no líquido extra celular diminui a permeabilidade para os íons sódio ao mesmo tempo reduzindo a excitabilidade Por essa razão os íons cálcio são ditos serem Anestésicos Locais Entre os estabilizadores mais importantes estão as muitas substâncias usadas clinicamente como anestésicos locais incluindo a procaína e a tetracaína A maioria desses agentes atua diretamente sobre as comportas de ativação dos canais de sódio dificultando de forma muito acentuada a abertura dessas comportas e desse modo reduzindo a excitabilidade da membrana Quando a excitabilidade tiver diminuído de modo que a proporção entre a intensidade do potencial de ação e o limiar da excitabilidade reduzida para menos de 10 os impulsos nervosos deixam de passar pelos nervos anestesiados Registro dos Potenciais de Membrana e dos Potenciais de Ação O Osciloscópio de Raios Catódicos No começo deste capítulo destacamos que o potencial de membrana varia de forma extremamente rápida durante o curso do potencial de ação Na verdade a maior parte do complexo do potencial de ação nas fibras nervosas mais grossas ocorre em menos de 11000 segundo Em algumas figuras deste capítulo mostrouse medidor elétrico registrando essas alterações do potencial Entretanto deve ser compreendido que qualquer medidor capaz de registrar a grande maioria dos potenciais de ação deve ser capaz de responder extremamente rápido Para objetivos práticos o único tipo comum de medidor capaz de responder corretamente às rápidas variações do potencial de membrana é o osciloscópio de raios catódicos A Figura 519 mostra os componentes básicos do osciloscópio de raios catódicos O tubo de raios catódicos é composto basicamente por um canhão de elétrons e por tela fluorescente contra a qual os elétrons são disparados Onde os elétrons atingem a superfície da tela o material fluorescente brilha Caso o feixe de elétron seja movido pela tela o local da luz brilhante também se movimenta e traça linha fluorescente na tela Além do canhão de elétrons e da superfície fluorescente o tubo de raios catódicos contém dois conjuntos de placas eletricamente carregadas um conjunto posicionado nos dois lados do feixe de elétron e o outro conjunto posicionado acima e abaixo desse feixe Um circuito eletrônico de controle apropriado modifica a voltagem dessas placas de forma que o feixe de elétron possa ser deslocado para cima Potencial de ação registrado Placas Canhão Figura 519 Osciloscópio de raios catódicos para registro de potenciais de ação transitórios e para baixo em resposta aos sinais elétricos vindos dos eletródios de registro nos nervos O feixe de elétrons também varre horizontalmente a tela com velocidade constante determinada por circuito eletrônico interno do osciloscópio Esse conjunto produz o registro na face do tubo de raios catódicos na figura fornecendo uma linha de tempo no eixo horizontal e a variação da voltagem dos eletródios dos nervos mostrada no eixo vertical Note que na extremidade esquerda do registro ocorre o pequeno artefato do estímulo causado pelo estímulo elétrico usado para desencadear o potencial de ação nervoso Em seguida para a direita aparece o registro do potencial de ação propriamente dito Referências Alberts B Johnson A Lewis J et al Molecular Biology ofthe Cell ed 3 New York 2008 Garland Science Biel M WahlSchott C Michalakis S Zong X Hyperpolarizationactivated cation channels from genes to function Physiol Rev 89847 2009 Blaesse P Airaksinen MS Rivera C Kaila K Cationchloride cotransporters and neuronal function Neuron 61820 2009 Dai S Hall DD Hell JW Supramolecular assemblies and localized regula tion of voltagegated ion channels Physiol Rev 89411 2009 Hodgkin AL HuxleyAF Quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve J Physiol Lond 117500 1952 Kandel ER Schwartz JH JessellTM Principies ofNeuralScience ed 4 New York 2000 McGrawHill Kleber AG Rudy Y Basic mechanisms of cardiac impulse propagation and associated arrhythmias Physiol Rev 84431 2004 Luján R Maylie J Adelman JP New sites of action for GIRK and SK channels Nat Rev Neurosci 10475 2009 Mangoni ME Nargeot J Genesis and regulation of the heart automaticity Physiol Rev 88919 2008 PerezReyes E Molecular physiology of lowvoltageactivated Ttype cal cium channels Physiol Rev 831172003 Poliak S Peles EThe local differentiation of myelinated axons at nodes of Ranvier Nat Rev Neurosci 12968 2003 Schafer DP Rasband MN Glial regulation of the axonal membrane at nodes of Ranvier CurrOpin Neurobiol 16508 2006 Vacher H Mohapatra DP Trimmer JS Localization and targeting of volt agedependent ion channels in mammalian central neurons Physiol Rev 881407 2008 72 CAPÍTULO 6 Contração do Músculo Esquelético Cerca de 40 do corpo é composto por músculo es quelético e talvez outros 10 por músculo liso e car díaco Alguns dos princí pios básicos da contração se aplicam a todos esses diferentes tipos de músculos Neste capítulo a função do músculo esquelético é considerada como tema principal as funções específicas do músculo liso são discutidas no Capítulo 8 e as do músculo cardíaco no Capítulo 9 Anatomia Fisiológica do Músculo Esquelético Fibra do Músculo Esquelético A Figura 61 mostra a organização do músculo esquelético demonstrando que todos esses músculos são compostos por numerosas fibras com diâmetro de 10 a 80 micrômetros Cada uma dessas fibras é formada por subu nidades sucessivamente ainda menores também mostradas na Figura 61 e descritas nos parágrafos seguintes Na maioria dos músculos esqueléticos cada fibra se prolonga por todo o comprimento do músculo Exceto por 2 das fibras cada uma em geral é inervada por apenas uma terminação nervosa situada perto do meio da fibra O Sarcolema É a Membrana Delgada que Reveste a Fibra Muscular Esquelética O sarcolema é a membrana celular da fibra muscular O sarcolema consiste de verdadeira membrana celular chamada membrana plasmática e com revestimento de fina camada de material polissa carídeo contendo muitas fibrilas colágenas delgadas Em cada extremidade da fibra muscular essa camada superficial do sarcolema fundese com uma fibra do tendão A fibra do tendão por sua vez se agrupa em feixes para formar os tendões dos músculos que se inserem nos ossos Miofibrilas São Compostas por Filamentos de Acti na e de Miosina Cada fibra muscular contém centenas a milhares de miofibrilas demonstradas pelos pequenos pontos abertos no corte transversal da Figura 61C Cada miofibrila Fig 6lD e E é composta por cerca de 1500 filamentos de miosina adjacentes e por 3000 filamentos de actina longas moléculas de proteínas polimeriza das responsáveis pelas contrações reais musculares Isso pode ser visto no corte longitudinal da micrografia eletrônica da Figura 62 e representado diagramaticamente na Figura 61 partes E a L Os filamentos mais espessos nesse diagrama são miosina e os filamentos mais finos são actina Note na Figura 6l que os filamentos de miosina e actina estão parcialmente interdigitados fazendo com que a miofibrila alterne faixas escuras e claras como ilustrado na Figura 62 As faixas claras só contêm filamentos de actina sendo conhecidas como faixas I por serem isotrópicas à luz polarizada As faixas escuras contêm filamentos de miosina assim como as extremidades dos filamentos de actina onde se superpõem aos de miosina sendo chamadas de faixas A por serem anisotrópicas à luz polarizada Note também as pequenas projeções laterais dos filamentos de miosina na Figura 6l e L Essas projeções são as pontes cruzadas E são as interações entre os filamentos de actina e as pontes cruzadas que causam as contrações A Figura 61E mostra também que as extremidades dos filamentos de actina estão ligadas ao chamado disco Z Desse disco esses filamentos se estendem em ambas as direções para se interdigitarem com os filamentos de miosina O disco Z composto por proteína filmentosa diferente dos filamentos de actina e miosina cruza transversalmente toda a miofibrila e igualmente de forma transversa de miofibrila para miofibrila conectando as miofibrilas umas às outras por toda fibra muscular Por essa razão a fibra muscular em sua espessura apresenta faixas claras e escuras como o fazem as miofibrilas individuais Essas faixas dão aos músculos esqueléticos e cardíacos sua aparência estriada O segmento da miofibrila ou de toda a fibra muscular situado entre dois discos Z sucessivos é referido como sarcômero Quando a fibra muscular está contraída como mostra a parte inferior da Figura 65 o comprimento do sarcômero é de cerca de 2 micrômetros Nesse comprimento os filamentos de actina se sobrepõem com 73 U N I D A Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo MÚSCULO ESQUELETICO Meromiosina Meromiosina leve pesada Figura 61 Organização do músculo esquelético do nível macroscópio ao molecular As letras FGH e são cortes transversais nos níveis indicados 74 Figura 62 Micrografía eletrônica das miofibrilas musculares mostrando detalhadamente a organização dos filamentos de actina e miosina Note as mitocôndrias situadas entre as miofibrilas De Fawcet DWThe Cell Philadelphia WB Saunders 1981 pletamente aos filamentos de miosina e as pontas dos filamentos de actina estão quase começando a se sobrepor Será visto adiante que nesse comprimento o músculo é capaz de gerar sua força máxima de contração Moléculas Filamentosas deTitina Mantêm os Filamentos de Miosina em seus Lugares O posicionamento lado a lado dos filamentos de miosina e actina é difícil de ser mantido Essa manutenção é realizada pelo grande número de moléculas filamentares da proteína chamada titina Fig 63 Cada molécula de titina tem peso molecular de cerca de 3 milhões o que faz dela a maior molécula de proteína no corpo Também por ser filamentar é muito flexível Essa flexibilidade das moléculas de titina atua como arcabouço que mantém os filamentos de miosina e actina em seus lugares de modo que a maquinaria contrátil possa entrar em ação Uma extremidade da molécula de titina é elástica estando fixada ao disco Z atuando como mola e variando seu comprimento conforme o sarcômero contrai e relaxa A outra parte da molécula de titina a ancora nos filamentos grossos de miosina A própria molécula de titina também Figura 63 Organização das proteínas no sarcômero Cada molécula de titina se estende do disco Z até a linha M Parte da molécula de titina está intimamente associada ao filamento grosso de miosina enquanto o resto da molécula é flexível e varia seu comprimento com a contração e o relaxamento do sarcômero Figura 64 Retículo sarcoplasmático nos espaços extracelulares entre as miofibrilas mostrando o sistema longitudinal paralelo às miofibrilas São mostrados também em corte transversal os túbulos T setas que levam ao exterior da membrana das fibras e que são importantes condutores do sinal elétrico para o interior da fibra muscular De Fawcet DWThe Cell Philadelphia WB Saunders 1981 servir como molde para a formação inicial de partes dos filamentos contráteis do sarcômero em especial para os filamentos de miosina O Sarcoplasma É o Líquido Intracelular Entre as Miofibrilas As numerosas miofibrilas de cada fibra muscular ficam em suspensão lado a lado na fibra muscular Os espaços entre as miofibrilas são preenchidos pelo líquido intracelular conhecido como sarcoplasma contendo grande quantidade de potássio magnésio e fosfato além de múltiplas enzimas proteicas Também está presente nessa substância número imenso de mitocôndrias situadas paralelas às miofibrilas Elas fornecem às miofibrilas que se contraem grande quantidade de energia na forma de trifosfato e adenosina ATP formado pelas mitocôndrias O Retículo Sarcoplasmático É o Retículo Endo plasmático Especializado do Músculo Esquelético Também no sarcoplasma circundando as miofibrilas de cada fibra muscular existe retículo extenso Fig 64 referido como retículo sarcoplasmático Esse retículo tem organização especial que é extremamente importante para o controle da contração muscular como discutido no Capítulo 7 Os tipos de fibras musculares com contração muito rápida apresentam retículos sarcoplasmáticos especialmente muito extensos Mecanismo Geral da Contração Muscular O início e a execução da contração muscular ocorrem nas seguintes etapas 1 Os potenciais de ação cursam pelo nervo motor até suas terminações nas fibras musculares 75 Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo 2 Em cada terminação o nervo secreta pequena quantidade da substância neurotransmissora acetilcolina 3 A acetilcolina age em área local da membrana da fibra muscular para abrir múltiplos canais de cátion proteína que flutuam na membrana 4 A abertura dos canais regulados pela acetilcolina permite a difusão de grande quantidade de íons sódio para o lado interno da membrana das fibras musculares Isso causa despolarização local que por sua vez produz a abertura de canais de sódio dependentes da voltagem Isso desencadeia o potencial de ação na membrana 5 O potencial de ação se propaga por toda a membrana da fibra muscular do mesmo modo como o potencial de ação cursa pela membrana das fibras nervosas 6 O potencial de ação despolariza a membrana muscular e grande parte da eletricidade do potencial de ação flui pelo centro da fibra muscular Aí ela faz com que o retículo sarcoplasmático libere grande quantidade de íons cálcio armazenados nesse retículo 7 Os íons cálcio ativam as forças atrativas entre os filamentos de miosina e actina fazendo com que deslizem ao lado um do outro que é o processo contrátil 8 Após fração de segundo os íons cálcio são bombeados de volta para o retículo sarcoplasmático pela bomba de Ca da membrana onde permanecem armazenados até que novo potencial de ação muscular se inicie essa remoção dos íons cálcio das miofibrilas faz com que a contração muscular cesse Agora será descrito o mecanismo molecular do Mecanismo Molecular da Contração Muscular Mecanismo de Deslizamento dos Filamentos da Contração Muscular A Figura 65 demonstra o mecanismo básico da contração muscular Ela mostra o estado relaxado de um sarcômero na parte superior e o estado contraído na parte inferior No estado relaxado as extremidades dos filamentos de actina que se estendem de dois discos Z sucessivos mal se sobrepõem Inversamente no estado contraído esses filamentos de actina são tracionados por entre os filamentos de miosina de forma que suas extremidades se sobrepõem umas às outras em sua extensão máxima Também os discos Z foram tracionados pelos filamentos de actina até as extremidades dos filamentos de miosina Desse modo a contração muscular ocorre por mecanismo de deslizamento dos filamentos Mas o que faz com que os filamentos de actina deslizem por entre os filamentos de miosina Isso resulta da força gerada pela interação das pontes cruzadas dos filamentos de miosina com os filamentos de actina Em con A A V I z 1 1 I I I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l l l l l l l 11111 1 r i i H H i i i i i i i i i HH Hl l l l l l l l l l l l l l l lHH H lHHH l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l H I I H I l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l Relaxado 1 A A A i A z YA Z HHSÍl l l l l l l l l l l l l l H H I HH Contraído u n i u i i i i i i i l l l l l l l l l l l l l l Figura 65 Estados contraídos e relaxados da miofibrila mostrando acima o deslizamento dos filamentos de actina rosa pelos espaços entre os filamentos de miosina vermelho e abaixo puxando as membranas Z umas contra as outras dições de repouso essas forças estão inativas Mas quando um potencial de ação passa pela fibra muscular ele faz com que o retículo sarcoplasmático libere grande quantidade de íons cálcio que rapidamente circulam pelas miofibrilas Os íons cálcio por sua vez ativam as forças entre os filamentos de miosina e de actina e a contração se inicia Mas energia é necessária para que o processo de contração continue Essa energia deriva das ligações de alta energia da molécula de ATP que é degradada ao difosfato de adenosina ADP para liberar energia Nas próximas seções descrevemos o que é conhecido sobre os detalhes desse processo molecular de contração Características Moleculares dos Filamentos Contráteis Os Filamentos de Miosina São Compostos por Múltiplas Moléculas de Miosina Cada uma das moléculas de miosina mostradas na Figura 66A tem peso molecular em torno de 480000 A Figura 66B mostra uma molécula isolada a Figura 66B mostra a disposição de muitas moléculas para formar os filamentos de miosina bem como a interação desses filamentos com um dos lados das extremidades de dois filamentos de actina A molécula de miosina Fig 66Â é composta por seis cadeias polipeptídicas duas cadeias pesadas cada uma com peso molecular em torno de 200000 e quatro cadeias leves com peso molecular em torno de 20000 cada As duas cadeias pesadas se espiralam uma com a outra para formar dupla hélice chamada cauda ou haste da molécula de miosina Uma ponta de cada uma dessas cadeias é dobrada para um dos lados formando a estrutura polipeptídica globular chamada cabeça da miosina Assim existem duas cabeças livres na extremidade livre da molécula de miosina de dupla hélice As quatro cadeias leves também fazem parte da cabeça da miosina duas para cada cabeça Essas cadeias leves ajudam a regular o funcionamento da cabeça durante a contração muscular 76 Cabeça Filamento de miosina Figura 66 A Molécula de miosina B Combinação de muitas moléculas de miosina para formar o filamento de miosina São mostrados também milhares de pontes cruzadas de miosina e interações entre as cabeças das pontes com os filamentos adjacentes de actina O filamento de miosina é formado por 200 ou mais moléculas individuais de miosina A região central de um desses filamentos é mostrada na Figura 66B exibindo as caudas das moléculas de miosina se agrupando em feixes para formar o corpo do filamento enquanto muitas cabeças das moléculas se projetam para fora nos lados do corpo Também partes do corpo de cada molécula de miosina estão penduradas nas partes laterais junto com as cabeças formando assim um braço que estende a cabeça para fora do corpo como mostra a figura As projeções dos braços e das cabeças formam as pontes cruzadas Cada ponte cruzada é flexível em dois locais designados como dobradiças um na junção entre o braço e o corpo do filamento de miosina e o outro no ponto de ligação da cabeça ao braço Os braços móveis permitem que as cabeças sejam estendidas afastandose do corpo do filamento de miosina ou seja aproximadas do corpo Já as cabeças móveis participam sucessivamente do processo real da contração discutido nas seções seguintes O comprimento total de cada filamento de miosina é uniforme quase que exato 16 micrômetro Note entretanto que não existem cabeças com pontes cruzadas bem no centro do filamento de miosina por distância de cerca de 02 micrômetro porque os braços móveis se estendem para longe do centro Agora para completar o quadro o próprio filamento de miosina é retorcido de forma que cada par sucessivo de pontes cruzadas é axialmente deslocado do par anterior por 120 graus Isso assegura a extensão das pontes cruzadas em todas as direções em torno de um filamento Atividade da ATPase da Cabeça de Miosina Outra característica da cabeça da miosina fundamental para Capítulo 6 Contração do Músculo Esquelético contração muscular é sua função como enzima A TPase Como explicado adiante essa propriedade permite que a cabeça clive o ATP e utilize a energia derivada das ligações de alta energia do fosfato do ATP para energizar o processo de contração Os Filamentos de Actina São Compostos por Actina Tropomiosina e Troponina A viga mestra do filamento de actina é o filamento duplo e de duas moléculas de proteína F actina representadas pelos dois filamentos de cor mais clara na Figura 67 Esses dois filamentos se enroscam em forma de hélice de modo semelhante ao que ocorre com as moléculas de miosina Cada filamento em dupla hélice da actina F é composto por moléculas de actina G polimerizadas cada uma com peso molecular em torno de 42000 Ligada a cada molécula de actina G existe uma molécula de ADP Acreditase que essas moléculas de ADP sejam os locais ativos nos filamentos de actina com as quais interagem as pontes cruzadas dos filamentos de miosina para produzir a contração muscular Os locais ativos nos dois filamentos na dupla hélice de actina F são alternados fazendo com que por todo o filamento de actina exista um local ativo a cada 27 nanômetros Cada filamento de actina tem comprimento em torno de 1 micrômetro A base dos filamentos de actina está fortemente inserida nos discos Z as extremidades dos filamentos projetamse em ambas as direções para ficarem nos espaços entre as moléculas de miosina como mostrado na Figura 65 As Moléculas de Tropomiosina Os filamentos de actina contêm também outra proteína a tropomiosina Cada molécula de tropomiosina tem peso molecular de 700 e comprimento de 40 nanômetros Essas moléculas estão espiraladas nos sulcos da dupla hélice da actina F Durante o período de repouso as moléculas de tropomiosina recobrem os locais ativos de filamento de actina de forma a impedir que ocorra atração entre os filamentos de actina e de miosina para produzir contração A Troponina e Seu Papel na Contração Muscular Ligado intermitentemente aos lados das moléculas de tropomiosina existe ainda outro tipo de molécula de proteína referida como troponina Ela é na realidade complexo de três subunidades proteicas frouxamente ligadas Locais ativos Complexo de troponina Figura 67 Filamento de actina composto por dois filamentos heli coidais de moléculas de actinaF e dois filamentos de moléculas de tropomiosina que se encaixam nos sulcos entre os filamentos de actina Ligado a uma extremidade de cada molécula de tropomiosina está o complexo de troponina que inicia a contração 77 U NIDA Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo cada uma com participação específica na regulação da contração muscular Uma das subunidades troponina I tem forte afinidade com a actina outra troponina T com a tropomiosina e a terceira troponina C com os íons cálcio Admitese que esse complexo seja responsável pela ligação da tropomiosina com a actina Acreditase que a forte afinidade da troponina pelos íons cálcio seja o evento que desencadeia o processo da contração como explicado na próxima seção A Interação de um Filamento de Miosina com Dois Filamentos de Actina e com os íons Cálcio para Causar a Contração Inibição do Filamento de Actina pelo Complexo Tro poninaTropomiosina Ativação pelos íons Cálcio O filamento puro de actina na falta do complexo troponi natropomiosina mas em presença de íons magnésio e de ATP se liga instantânea e fortemente às cabeças das moléculas de miosina Então se o complexo troponina tropomiosina for adicionado ao filamento de actina a união entre a miosina e a actina não ocorre Por isso acreditase que os locais ativos do filamento normal de actina no músculo em repouso sejam inibidos ou fisicamente recobertos pelo complexo troponinatropomiosina Assim esses locais não podem se ligar às cabeças dos filamentos de miosina para produzir a contração Antes que a contração possa ocorrer os efeitos inibidores do complexo troponinatropomiosina devem ser inibidos Essa situação nos leva ao papel dos íons cálcio Em presença de grande quantidade de íons cálcio os efeitos inibidores do complexo troponinatropomiosina são por sua vez inibidos O mecanismo dessa inibição não é conhecido mas uma das sugestões é a seguinte quando os íons cálcio se ligam à troponina C cada uma dessas moléculas pode se ligar fortemente a até quatro íons cálcio o complexo de troponina supostamente passa por alteração conformacional que de algum modo traciona com grande intensidade a molécula de tropomiosina deslocandoa para o fundo do sulco entre os dois filamentos de actina modo que atraiam as pontes cruzadas das cabeças da miosina fazendo com que a contração prossiga Mesmo sendo mecanismo hipotético ele enfatiza que a relação normal entre o complexo troponina tropomiosina com a actina é alterada pelos íons cálcio criando nova condição que leva à contração A Interação Entre o Filamento de Actina Ativado e as Pontes Cruzadas de Miosina A Teoria de Ir para WalkAlong da Contração Tão logo os filamentos de actina são ativados pelos íons cálcio as pontes cruzadas das cabeças dos filamentos de miosina são atraídas pelos locais ativos do filamento de actina o que de alguma maneira produz a contração Embora o modo preciso como essa interação entre as pontes cruzadas e a actina produz contração ainda seja em parte teórico hipótese para a qual existem consideráveis evidências é a walkalong ou teoria da ratchet da contração A Figura 68 demonstra esse mecanismo postulado de ir para diante para a contração A figura mostra as cabeças de duas pontes cruzadas se ligando e se desligando dos locais ativos de filamento de actina Postulase que quando a cabeça se liga ao local ativo essa ligação provoca ao mesmo tempo profundas alterações nas forças intramoleculares entre a cabeça e o braço dessas pontes cruzadas O novo alinhamento de forças faz com que a cabeça se incline em direção ao braço e leve com ela o filamento de actina Essa inclinação da cabeça é chamada de força de deslocamento ou movimento de força power stroke Então imediatamente após a inclinação a cabeça de forma automática se separa do local ativo Em seguida retorna para sua direção estendida Nessa posição ela se combina com novo local ativo situado mais adiante no filamento de actina então a cabeça volta a se inclinar para efetuar novo movimento de força e o filamento de actina move outro passo Desse modo as pontes cruzadas das cabeças se inclinam para a frente e para trás passo a passo ao longo do filamento de actina puxando as extremidades livres de dois filamentos sucessivos de actina em direção ao centro do filamento de miosina Acreditase que cada uma das pontes cruzadas atue de forma independente das demais cada uma se ligando e puxando em ciclo contínuo e repetitivo Assim quanto maior o número de pontes cruzadas ligadas ao filamento de actina a qualquer tempo maior será teoricamente a força da contração ATP como Fonte de Energia para a Contração Eventos Químicos na Movimentação das Cabeças de Miosina Quando um músculo se contrai é realizado trabalho com necessidade de energia Grandes quantidades de ATP são degradadas formando ADP durante o processo da contração quanto maior a quantidade de trabalho realizada pelo músculo maior a quantidade de ATP degradada o que é referido como efeito Fenn Acreditase que esse efeito ocorra na seguinte sequência 1 Antes do início da contração as pontes cruzadas das cabeças se ligam ao ATP A atividade da ATPase das cabeças de miosina imediatamente cliva o ATP mas deixa o ADP e o íon fosfato como produtos dessa divagem ainda ligados à cabeça Nessa etapa a conformação da cabeça é tal que se estende Filamentos Movimento Locais ativos de actina Filamentos de miosina Figura 68 músculos 78 Capítulo 6 Contração do Músculo Esquelético em direção ao filamento de actina só que ainda não está ligada à actina 2 Quando o complexo troponinatropomiosina se liga aos íons cálcio os locais ativos no filamento de actina são descobertos e as cabeças de miosina então se ligam a eles como mostra a Figura 68 3 A ligação entre a ponte cruzada da cabeça e o local ativo no filamento de actina causa alteração confor macional da cabeça fazendo com que se incline em direção ao braço da ponte cruzada Essa alteração gera um movimento de força para puxar o filamento de actina A energia que ativa o movimento de força é a energia já alteração conformacional que ocorreu na cabeça quando as moléculas de ATP foram clivadas 4 Uma vez em que a cabeça da ponte cruzada esteja inclinada isso permite a liberação do ADP e do íon fosfato que estavam ligados à cabeça No local onde foi liberado o ADP nova molécula de ATP se liga A ligação desse novo ATP causa o desligamento da cabeça pela actina 5 Após a cabeça ter sido desligada da actina a nova molécula de ATP é clivada para que seja iniciado novo ciclo levando a novo movimento de força Ou seja a o perpendicular pronta para começar o novo ciclo do movimento de força 6 Quando a cabeça engatilhada com a energia armazenada derivada da divagem do ATP se liga a novo local ativo no filamento de actina ela descarrega e de novo fornece outro movimento de força Desse modo o processo ocorre sucessivamente até que os filamentos de actina puxem a membrana Z contra as extremidades dos filamentos de miosina ou até que a carga sobre os músculos fique demasiadamente forte para que ocorra mais tração O Grau de Superposição dos Filamentos de Actina e de Miosina Determina a Tensão que É Desenvolvida pelo Músculo que se Contrai A Figura 69 mostra o efeito do comprimento do sarcô mero e do grau de sobreposição dos filamentos de mio sinaactina sobre a tensão ativa desenvolvida pela fibra muscular em contração À direita em preto são mostrados diferentes graus de sobreposição dos filamentos de miosina e actina em diversos comprimentos do sarcô mero No ponto D do diagrama os filamentos de actina foram puxados por toda sua extensão até a extremidade do filamento de miosina sem nenhuma sobreposição de actinamiosina Nesse ponto a tensão desenvolvida pelo músculo ativado é zero Então à medida que o sarcômero encurta e os filamentos de actina começam a se sobrepor aos filamentos de miosina a tensão aumenta progressivamente até o comprimento de sarcômero diminuir para cerca de 22 micrômetros Nesse ponto os filamentos de actina já estão sobrepostos a todas as pontes cruzadas dos ttttW HttH Comprimento do sarcômero micrômetros Figura 69 Diagrama do comprimentotensão para sarcômero único totalmente contraído mostrando a força máxima de contração quando o sarcômero tem 20 a 22 micrômetros de comprimento No lado superior direito estão as posições relativas dos filamentos de actina e miosina em diferentes comprimentos do sarcômero do ponto A ao ponto D Modificada de Gordon AM Huxley AF Julian FJThe lengthtension diagram of single striated muscle fibersJ Physiol 17128P 1964 filamentos de miosina mas ainda não atingiram o centro do filamento de miosina Mesmo com encurtamento adicional o sarcômero mantém tensão máxima até que o ponto B seja atingido o que ocorre quando o sarcômero encurta até 2 micrômetros Nesse ponto as extremidades dos dois filamentos de actina começam a se sobrepor além da sobreposição dos filamentos de miosina Como o comprimento do sarcômero cai de 2 micrômetros para 165 micrômetro no ponto A a força da contração é reduzida rapidamente Nesse ponto os dois discos Z do sarcômero entram em contato com as extremidades dos filamentos de miosina Então como as contrações prosseguem com comprimentos do sarcômero cada vez menores as extremidades dos filamentos de miosina são enrugadas e como mostra a figura a força da contração se aproxima do zero mas todo o sarcômero está agora contraído até seu menor comprimento Efeito do Comprimento Muscular sobre a Força de Contração do Músculo Intacto Total A curva superior da Figura 610 é semelhante à curva da Figura 69 mas a curva na Figura 610 retrata a tensão do músculo intacto total e não de apenas a da fibra muscular única O músculo em sua totalidade contém grande quantidade de tecido conjuntivo também os sarcômeros em partes diferentes do músculo nem sempre se contraem do mesmo grau Por essa razão a curva tem dimensões algo diferentes das curvas mostradas para a fibra muscular individual mas exibe a mesma forma geral para a inclinação na faixa normal de contração como se observa na Figura 610 Note na Figura 610 que quando o músculo está no seu comprimento normal de repouso que corresponde ao comprimento do sarcômero de cerca de 2 micrômetros o músculo se contrai quando ativado com sua força máxima de contração Todavia o aumento da tensão que ocorre 79 Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo Variação normal da contração Comprimento Figura 610 Relação do comprimento muscular com a tensão tanto antes quanto durante a contração muscular Contração oposta à carga kg Figura 611 Relação entre a carga e a velocidade da contração do músculo esquelético com secção transversa de 1 centímetro quadrado e comprimento de 8 centímetros durante essa contração chamada tensão ativa diminui com o estiramento do músculo além de seu comprimento normal ou seja até comprimentos do sarcômero maiores do que 22 micrômetros Isso é demonstrado pela diminuição do tamanho da seta na figura nos tamanhos maiores que o normal do músculo Relação entre a Velocidade de Contração e a Carga O músculo esquelético se contrai extremamente rápido quando está contraído sem qualquer carga para estado de contração total em torno de 01 segundo para o músculo médio Quando é aplicada carga a velocidade de contração fica progressivamente menor à medida que a carga aumenta como mostra a Figura 611 Ou seja quando a carga é aumentada até valor igual à força máxima que o músculo pode exercer a velocidade de contração é zero não ocorrendo alguma contração apesar da fibra muscular ter sido ativada Essa velocidade decrescente da contração com carga é causada pelo fato de a carga na contração do músculo ser uma força inversa que se opõe à força contrátil causada pela contração do músculo Portanto a força efetiva disponível para causar a velocidade de encurtamento é de modo correspondente reduzida Energética da Contração Muscular Rendimento do Trabalho durante a Contração Muscular Quando o músculo se contrai contra uma carga ele realiza trabalho Isso significa que a energia é transferida do músculo para a carga externa para levantar um objeto até a maior altura ou para superar a resistência ao movimento Em termos matemáticos o trabalho é definido pela seguinte equação T C x D na qual T é o rendimento do trabalho C é a carga e D é a distância do movimento contra a carga A energia necessária para se realizar trabalho é derivada de reações químicas nas células musculares durante a contração conforme descrito nas próximas seções Fontes de Energia para a Contração Muscular Já foi visto que a contração muscular depende da energia fornecida pelo ATP A maior parte dessa energia é necessária para ativar o mecanismo de ir para diante walk along pelo qual as pontes cruzadas puxam os filamentos de actina mas pequenas quantidades são necessárias para 1 o bombeamento dos íons cálcio do sarcoplasma para o retículo sarcoplasmático quando cessa a contração e 2 o bombeamento dos íons sódio e potássio através da membrana da fibra muscular para manter o ambiente iônico apropriado para a propagação do potencial de ação das fibras musculares A concentração de ATP na fibra muscular em torno de 4 milimolar é suficiente para manter a contração total por no máximo 1 a 2 segundos O ATP é clivado para formar ADP o que transfere a energia das moléculas de ATP para o mecanismo da contração da fibra muscular Então como descrito no Capítulo 2 o ADP é refosforilado para formar novo ATP em outra fração de segundo o que permite que o músculo continue sua contração Existem muitas fontes de energia para essa refosforilação A primeira fonte de energia que é utilizada para reconstituir o ATP é a substância fosfocreatina que transporta uma ligação fosfato de alta energia similar às ligações do ATP As ligações fosfato de alta energia da fosfocreatina têm teor de energia livre pouco maior que cada ligação do ATP o que é discutido com mais detalhes nos Capítulos 67 e 72 Assim a fosfocreatina é clivada instantaneamente e sua energia liberada causa a ligação de novo íon fosfato ao ADP para reconstituir o ATP Entretanto a quantidade total de fosfocreatina na fibra muscular é também muito pequena apenas cerca de cinco vezes maior que a quantidade de ATP Por isso a energia combinada do ATP armazenado e da fosfocreatina no músculo é capaz de manter a contração muscular máxima por apenas 5 a 8 segundos 80 A segunda fonte importante de energia que é utilizada glicogênio previamente armazenado nas células musculares O rápido desdobramento enzimático do glicogênio a ácidos pirúvico e lático libera energia que é utilizada para converter o ADP em ATP o ATP pode então ser utilizado diretamente para energizar contrações musculares adicionais e também para reconstituir as reservas de fosfocreatina A importância desse mecanismo de glicólise é dupla Primeiro as reações glicolíticas podem ocorrer mesmo na ausência de oxigênio de forma que a contração muscular pode ser mantida por muitos segundos e muitas vezes por mais do que 1 minuto mesmo quando o oxigênio liberado pelo sangue não estiver disponível Segundo a velocidade de formação do ATP pelo processo glicolí tico é cerca de 25 vezes mais rápida do que a formação do ATP em resposta à reação dos nutrientes celulares com o oxigênio Entretanto como muitos produtos finais da glicólise se acumulam nas células musculares a glicólise perde também sua capacidade de sustentar a contração muscular máxima após 1 minuto A terceira e última fonte de energia é o metabolismo oxidativo Isso significa combinar o oxigênio com os produtos finais da glicólise e com vários outros nutrientes celulares para liberar ATP Mais de 95 de toda a energia usada pelos músculos para a contração mantida por longo tempo são derivados dessa fonte Os nutrientes alimentares consumidos são carboidratos gorduras e proteínas Para a atividade muscular máxima extremamente longa por período de várias horas a maior proporção de energia de longe vem da gordura mas por período de 2 a 4 horas a metade da energia vem dos carboidratos armazenados Os mecanismos detalhados desse processo energético são discutidos nos Capítulos 67 a 72 Além disso a importância dos diferentes mecanismos de liberação de energia durante o desempenho de diferentes esportes é discutida no Capítulo 84 sobre a fisiologia esportiva Eficiência da Contração Muscular A eficiência de uma máquina ou de um motor é calculada conforme o percentual de energia fornecida que é convertida em trabalho em vez de calor O percentual da quantidade de energia fornecida ao músculo a energia química dos nutrientes que pode ser convertida em trabalho mesmo sob as melhores condições é menor que 25 com o restante se transformando em calor A razão para essa baixa eficiência é que cerca da metade da energia dos nutrientes é perdida durante a formação do ATP e mesmo assim somente 40 a 45 da energia do ATP pode ser posteriormente convertida em trabalho A eficiência máxima só pode ser conseguida quando a contração muscular ocorre com velocidade moderada Se o músculo se contrair lentamente ou sem qualquer movimento pequenas quantidades do calor de manutenção são liberadas durante a contração mesmo que pouco ou nenhum trabalho seja realizado fazendo com que a eficiência da conversão diminua a zero De modo inverso se a Capítulo 6 Contração do Músculo Esquelético contração for muito rápida grande quantidade de energia é usada para superar a fricção viscosa no próprio músculo o que também reduz a eficiência da contração Geralmente ocorre eficiência máxima quando a velocidade da contração fica em torno de 30 da máxima Características da Contração do Músculo Como um Todo Muitas características da contração muscular podem ser demonstradas pela produção de um abalo muscular muscle twitch Este pode ser produzido por meio da excitação elétrica instantânea do nervo muscular ou por breve estímulo elétrico originando contração breve e abrupta que dura fração de segundo Contração Isométrica versus Isotônica A contração muscular é dita isométrica quando o músculo não encurta durante contração e isotônica quando encurta mas sua tensão permanece constante por toda a contração Sistemas para registrar os dois tipos de contração muscular são mostrados na Figura 612 No sistema isométrico o músculo se contrai contra um transdutor de força sem que ocorra encurtamento do músculo como mostrado no lado direito da Figura 612 No sistema isotônico o músculo se encurta contra carga fixa esse sistema está ilustrado no lado esquerdo da figura onde se pode observar o músculo levantando peso As características das contrações isotônicas dependem da carga contra a qual o músculo se contrai além da inércia da carga Entretanto o sistema isométrico em termos estritos só registra a variação da força da própria contração muscular Por isso o sistema isométrico é comumente mais utilizado quando se comparam as características funcionais dos diferentes tipos de músculo Características dos Abalos Isométricos Registrados em Diferentes Músculos O corpo humano contém músculos esqueléticos com dimensões muito diferentes desde o músculo estapédio muito pequeno no ouvido médio medindo somente uns poucos milímetros de comprimento e um milímetro ou mais de diâmetro até o grande músculo quadrí ceps meio milhão de vezes maior que o estapédio Além disso as fibras podem ser tão delgadas quanto 10 micrô metros de diâmetro ou tão grossas quanto 80 micrômetros Por fim a energética da contração muscular varia consideravelmente entre os diferentes músculos Por isso não é sur Eletrodos de estimulação Transdutor eletrônico de força Para registro eletrônico Sistema isométrico Figura 612 Sistemas isotônico e isométrico para registro das contrações musculares 81 Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo preendente que as características mecânicas da contração muscular sejam diferentes entre os diversos músculos A Figura 613 mostra o registro das contrações isométri cas de três tipos de músculo esquelético um músculo ocular com contração isométrica de menos do que 150 segundo o músculo gastrocnêmio com duração da contração de cerca de 115 segundo e o músculo sóleo com duração da contração de cerca de 15 segundo É interessante que essas durações da contração sejam adaptadas para as funções dos respectivos músculos Os movimentos oculares devem ser extremamente rápidos para que possa ser mantida a fixação dos olhos nos objetos específicos para garantir a acuidade visual O músculo gastrocnêmio deve se contrair com velocidade moderadamente alta para permitir o movimento dos membros com velocidade suficiente para a corrida e para o salto e o músculo sóleo tem como função principal a contração lenta para o suporte contínuo e por longo período do corpo contra a gravidade Fibras Musculares Rápidas versus Fibras Lentas Como discutido mais detalhadamente no Capítulo 84 sobre a fisiologia dos esportes cada músculo do corpo é composto por mistura das chamadas fibras musculares rápidas e lentas além das fibras com diferentes gradações entre estes dois extremos Os músculos que reagem rapidamente como o tibial anterior são compostos em sua maior parte por fibr pequeno número da variedade lenta Inversamente músculos que respondem lentamente mas com contração prolongada como o diferenças entre esses dois tipos de fibras são descritas a seguir Fibras Lentas Tipo 1 Músculo Vermelho 1 Fibras menores 2 Também inervados por fibras nervosas pequenas 3 Sistema dos vasos sanguíneos e dos capilares mais extensos para suprir quantidades extras de oxigênio 4 Número de mitocôndrias muito elevado também para dar suporte aos altos níveis de metabolismo oxidativo 5 As fibras contêm grande quantidade de mioglobina proteína que contém ferro semelhante à hemoglobina nas hemácias A mioglobina se combina com o oxigênio e o armazena até que ele seja necessário isso faz também com que o transporte de oxigênio para as mitocôndrias seja acelerado A mioglobina dá ao músculo lento sua aparência avermelhada e o nome de músculo vermelho Figura 613 Duração das contrações isométricas para diferentes tipos de músculo esquelético de mamíferos mostrando o período latente entre o potencial de ação despolarização e a contração muscular Fibras Rápidas Tipo 2 Músculo Branco 1 Fibras grandes para grande força de contração 2 Retículo sarcoplasmático muito extenso para a rápida liberação dos íons cálcio para desencadear a contração 3 Grande quantidade de enzimas glicolíticas para a rápida liberação de energia pelo processo glicolítico 4 Suprimento de sangue menos extenso devido ao metabolismo oxidativo ter importância secundária 5 Menor número de mitocôndrias também porque o metabolismo oxidativo é secundário Ao déficit de mioglobina vermelha no músculo rápido damos o nome de músculo branco Mecânica da Contração do Músculo Esquelético Unidade Motora Todas as Fibras Musculares São Inervadas por uma Só Fibra Nervosa Cada motoneurônio que sai da medula espinhal inerva múltiplas fibras musculares e essa quantidade depende do tipo de músculo Todas as fibras musculares inervadas por uma só fibra nervosa formam uma unidade motora Em geral pequenos músculos que devem reagir rapidamente e nos quais o controle deve ser preciso têm mais fibras nervosas e menos fibras musculares p ex apenas duas ou três fibras musculares por unidade motora em alguns dos músculos da laringe Inversamente grandes músculos que não necessitam de controle fino como o músculo sóleo podem ter muitas fibras musculares em uma unidade motora O número médio para todos os músculos do corpo é questionável mas boa suposição seria em torno de 80 a 100 fibras musculares por unidade motora As fibras musculares de cada unidade motora não estão agrupadas no músculo mas se misturam com outras unidades motoras como microgrupos de três a 15 fibras Essa interpenetração permite que unidades motores distintas se contraiam em suporte às outras e não como segmentos individuais Contrações Musculares com Forças Diferentes Somação das Forças Somação significa a soma de abalos individuais para aumentar a intensidade da contração total A somação ocorre por dois meios 1 pelo aumento do número de unidades motoras que se contraem ao mesmo tempo referido como somação por fibras múltiplas e 2 pelo aumento da frequência de contração que é referido como somação por frequência e pode levar à tetanização Somação por Fibras Múltiplas Quando o sistema nervoso central envia um sinal fraco para que o músculo se contraia as menores unidades motoras do músculo podem ser estimuladas em preferência às unidades motoras maiores Então à medida que a força do sinal aumenta unidades motoras cada vez maiores começam a ser também excitadas com as maiores unidades motoras apresentando 50 vezes mais força contrátil que as unidades menores Isso é conhecido como o princípio do tamanho Esse fenômeno é importante pois permite a gradação da força muscular durante contração fraca que ocorre em pequenas etapas uma vez que essas etapas ficam progressivamente maiores quando grande quantidade de força é necessária A razão para esse princípio do tamanho é que as pequenas unidades motoras são inervadas por pequenas fibras nervosas motoras e os pequenos moto neurônios na medula espinhal são mais excitáveis que os maiores sendo naturalmente excitados primeiro Outra importante característica da somação por múltiplas fibras é que as diferentes unidades motoras são ativa 82 das de forma assincrônica pela medula espinhal de forma que a contração ocorre alternadamente entre as diferentes unidades motoras uma após a outra e desse modo produz contração suave e regular até mesmo sob baixas frequências dos sinais nervosos Somação por Frequência e Tetanização A Figura 614 mostra os princípios da somação por frequência e da tetanização O lado esquerdo mostra contrações musculares individuais sucedendose uma após a outra com baixa frequência de estimulação Em seguida à medida que essa frequência vai aumentando alcançase um ponto onde cada nova contração ocorre antes que a anterior termine Como resultado a segunda contração é parcialmente somada à anterior de forma que a força total da contração aumenta progressivamente com o aumento da frequência Quando a frequência atinge um nível crítico as contrações sucessivas eventualmente ficam tão rápidas que se fundem e a contração total do músculo aparenta ser completamente uniforme e contínua como mostra a figura Isso é referido como tetanização Com frequência pouco maior a força da contração atinge sua capacidade máxima de modo que qualquer aumento adicional da frequência além desse ponto não exerce novos efeitos para aumentar a força contrátil Isso ocorre porque quantidades suficientes de íons cálcio são mantidas no sar coplasma muscular mesmo entre os potenciais de ação de modo que o estado contrátil total é mantido sem que seja permitido nenhum grau de relaxamento entre os potenciais de ação Força Máxima da Contração A força máxima da contração tetânica de músculo em atividade em seu comprimento muscular normal é em torno do valor médio de 3 a 4 kg por centímetro quadrado cm2 de músculo Dado que o músculo quadríceps pode ter até 40 cm2 em seu ventre até cerca de 363 kg de tensão podem ser aplicados ao tendão patelar Assim podese facilmente entender como é possível para o músculo arrancar seus tendões de suas inserções ósseas Alterações da Força dos Músculos no Início da Contração O Efeito da Escada Treppe Quando um músculo começa a se contrair após longo período de repouso sua força inicial de contração pode ser tão pequena quanto a metade de sua força após 10 a 50 contrações musculares seguintes Isso quer dizer que a força da contração aumenta até atingir um platô fenômeno conhecido por efeito da escada ou treppe Ainda que todas as possibilidades da causa do efeito da escada não sejam conhecidas acreditase que ele seja cau Frequência da estimulação vezes por segundo Figura 614 Frequência da somação e tetanização Capítulo 6 Contração do Músculo Esquelético sado primariamente pelo aumento dos íons cálcio no citosol devido à liberação contínua de mais e mais íons cálcio pelo retículo sarcoplasmático a cada potencial de ação do músculo e à falha do sarcoplasma de recaptar imediatamente esses íons Tônus do Músculo Esquelético Mesmo quando os músculos estão em repouso em geral eles ainda apresentam certa tensão Essa tensão é conhecida como tônus muscular Como normalmente a fibra muscular esquelética não se contrai sem que ocorra um potencial de ação para estimulála o tônus do músculo esquelético resulta inteiramente de baixa frequência de impulsos nervosos vindos da medula espinhal Esses impulsos por sua vez são controlados em parte por sinais transmitidos pelo cérebro para o motoneu rônio anterior da medula espinhal e em parte por sinais originados nos fusos musculares localizados no próprio músculo A discussão sobre as relações dos fusos musculares e o funcionamento da medula espinhal é encontrada no Capítulo 54 Fadiga Muscular Contrações musculares fortes perdurando por período prolongado levam ao bem conhecido estado de fadiga muscular Estudos em atletas mostraram que a fadiga muscular aumenta em proporção quase direta com a intensidade da depleção do glicogênio muscular Assim os efeitos da fadiga surgem em grande parte da incapacidade contrátil e do processo metabólico das fibras musculares de continuar a manter a mesma quantidade de trabalho Entretanto experimentos mostraram que também a transmissão dos sinais nervosos pela junção neuromuscular discutida no Capítulo 7 pode diminuir pelo menos por pequena quantidade após intensa e prolongada atividade muscular e desse modo diminuir a contração muscular A interrupção do fluxo sanguíneo durante a contração do músculo leva à fadiga muscular quase total em 1 a 2 minutos devido à perda do suprimento de nutrientes especialmente de oxigênio Sistemas de Alavancas do Corpo Os músculos atuam pela aplicação de tensão em seus pontos de inserção nos ossos e os ossos por sua vez formam vários tipos de sistemas de alavancas A Figura 615 mostra o sistema de alavanca que é ativado pelo músculo bíceps para levantar o antebraço Se Figura 615 Sistema de alavanca ativado pelo músculo bíceps 83 U NIDA Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo assumirmos que um músculo bíceps grande tenha área de secção transversa de 15 cm2 a força máxima de sua contração seria de cerca de 136 kg Quando o antebraço está em ângulo reto com o braço o tendão do bíceps está inserido cerca de 5 cm à frente do fulcro no cotovelo e o comprimento total da alavanca do antebraço é de cerca de 35 cm Nesse caso a quantidade de potência de levantamento pelo bíceps na mão seria somente um sétimo da força muscular de 136 kg ou mais precisamente de cerca de 195 kg Quando o braço é totalmente estendido o tendão do bíceps fica a muito menos que os 5 cm à frente do fulcro e a força para o movimento da mão para diante é muito menor que 195 kg Em resumo a análise dos sistemas de alavancas do corpo depende do conhecimento 1 do ponto da inserção muscular 2 da distância do fulcro da alavanca 3 do comprimento do braço da alavanca e 4 da posição da alavanca Muitos tipos de movimento são requeridos no corpo alguns deles exigindo grande força e outros exigindo grandes extensões de movimento Por essa razão existem muitos tipos diferentes de músculo alguns longos e que se contraem por longa distância alguns curtos mas com grandes áreas de secção transversa e capazes de fornecer força extrema de contração por curtas distâncias O estudo dos diferentes tipos de músculos dos sistemas de alavanca e de seus movimentos é conhecido por cinesiologia sendo um importante componente científico da fisioanatomia humana dos Músculos Agonistas e Antagonistas em Lados Opostos de uma Articulação Antagonistas Praticamente todos os movimentos do corpo são causados por contrações simultâneas dos músculos agonistas e antagonistas nos lados opostos da articulação Isso é referido como coativação dos músculos agonistas e antagonistas sendo regulado pelos centros de controle motor do cérebro e da medula espinhal A posição de cada parte separada do corpo como um braço ou uma perna é determinada pelos graus relativos de contração dos grupos musculares agonistas e antagonistas Por exemplo vamos assumir que um braço ou perna deve ser colocado em posição média de seu alcance Para isso os músculos agonistas e antagonistas recebem praticamente a mesma intensidade de excitação Lembrese de que o músculo estirado se contrai com mais força que um músculo não estirado como demonstrado na Figura 610 mostrando força máxima para a contração no comprimento funcional total do músculo e quase nenhuma força de contração na metade do comprimento normal Desse modo o músculo estirado em um dos lados da articulação pode se contrair com muito mais força que o músculo não estirado do lado oposto À medida que o braço ou a perna se move para a posição média a força dos músculos mais longos diminui enquanto nos músculos mais curtos aumenta até que as duas forças fiquem iguais Nesse momento o movimento do braço ou da perna cessa Assim pela variação da relação entre os diferentes graus de ativação dos músculos agonistas e antagonistas o sistema nervoso determina o posicionamento do braço ou da perna Vamos aprender no Capítulo 54 que o sistema nervoso motor tem mecanismos adicionais importantes para compensar as diferentes cargas musculares quando dirige esse processo de posicionamento Remodelação do Músculo para se Ajustar à sua Função Todos os músculos do corpo são continuamente remodelados para se ajustar às funções que são requeridas deles Seus diâmetros podem ser alterados seus comprimentos podem ser alterados suas forças podem ser alteradas seus suprimentos vasculares podem ser alterados e até mesmo suas fibras musculares mesmo que discretamente podem ser alteradas Esse processo de remodelação é em geral bastante rápido durando no máximo poucas semanas Na verdade experimentos em animais mostraram que as proteínas contráteis em alguns dos menores e mais ativos músculos podem ser substituídas no curto período de 2 semanas Hipertofria e Atrofia Musculares Quando a massa muscular total aumenta isso é referido como hipertrofia muscular Quando a massa muscular diminui o processo é referido como atrofia muscular Virtualmente toda hipertrofia muscular resulta do aumento do número dos filamentos de actina e de miosina em cada fibra muscular produzindo aumento dessa fibra isso é designado simplesmente por fibra hipertrofiada Hipertrofia em grau muito maior ocorre quando o músculo trabalha contra a carga durante o processo contrátil Apenas poucas e fortes contrações a cada dia são necessárias para causar hipertrofia significativa dentro de 6 a 10 semanas A maneira pela qual as contrações vigorosas levam à hipertrofia não é conhecida O que é sabido entretanto é que a intensidade da síntese das proteínas contráteis no músculo é bem maior quando a hipertrofia está se desenvolvendo gerando também aumento progressivo dos filamentos de actina e de miosina nas miofibrilas com frequência aumentando por até 50 Por sua vez observouse que algumas miofibrilas de forma independente se dividem nos músculos hipertrofiados para formar novas miofibrilas mas o quanto isso é importante para a hipertrofia muscular usual ainda não é conhecido Junto com o aumento crescente do tamanho das miofibrilas o sistema enzimático que fornece energia também aumenta Isso é especialmente válido para as enzimas para a glicólise possibilitando o rápido suprimento de energia durante as curtas e vigorosas contrações musculares Quando um músculo fica sem uso por muitas semanas a intensidade de degradação das proteínas contráteis é muito mais rápida do que a intensidade de sua reposição Disso resulta a atrofia muscular A via parece ser responsável pela parte da degradação ocorrendo em músculo em atrofia é a via ubiquitinaproteasoma dependente de ATP Proteasomas são grandes complexos de proteínas que degradam outras proteínas danificadas ou desnecessárias por proteólise a reação química que desfaz as ligações peptídicas A ubiqui tina é proteína respiratória que basicamente marca as células que serão destinadas à destruição pelos proteasomas Ajuste do Comprimento dos Músculos Outro tipo de hipertrofia ocorre em geral quando os músculos estão mais estirados além do comprimento normal Esse esti ramento excessivo faz com que novos sarcômeros sejam adicionados às extremidades das fibras musculares por onde são ligadas aos tendões De fato novos sarcômeros podem ser adicionados tão rapidamente quanto vários a cada minuto nos músculos novos em desenvolvimento ilustrando assim a rapidez desse tipo de hipertrofia 84 Inversamente quando o músculo permanece continuamente mais curto do que seu tamanho normal os sar cômeros das extremidades das fibras musculares podem desaparecer É por esse processo que os músculos são continuamente remodelados para que possam ter o tamanho apropriado para a contração muscular adequada Hiperplasia das Fibras Musculares Sob raras circunstâncias de geração de força muscular extrema observouse que o número real de fibras musculares aumentou mas apenas por alguns pontos percentuais independentemente do processo de hipertrofia Esse aumento do número de fibras musculares é referido como hiperplasia da fibra Quando ocorre o mecanismo é a divisão linear das fibras previamente aumentadas Efeitos da Desnervação Muscular Quando um músculo é privado de seu suprimento nervoso deixa de receber os sinais contráteis necessários para manter as dimensões normais do músculo Como resultado o processo de atrofia começa imediatamente Após 2 meses mudanças degenerativas começam também a aparecer nas próprias fibras musculares Caso o suprimento nervoso para o músculo seja restabelecido rapidamente a recuperação total do músculo pode ocorrer em 3 meses mas depois desse tempo a capacidade de restabelecimento funcional do músculo até o normal começa a diminuir com o passar do tempo desaparecendo definitivamente após decorridos 1 a 2 anos No estágio final da atrofia de desnervação a maioria das fibras musculares é destruída e substituída por tecido fibroso e gorduroso As fibras que ainda persistem são compostas por longas membranas celulares com alinhamento de pequenos núcleos mas com pouca ou nenhuma propriedade contrátil ou capacidade regenerativa das miofibrilas caso o nervo cresça novamente O tecido fibroso que substitui as fibras musculares durante a atrofia causada pela desnervação tem também a tendência de continuar a se encurtar por vários meses o que é conhecido por contratura Assim um dos problemas mais importantes da fisioterapia consiste em evitar que os músculos em atrofia venham a desenvolver contraturas debilitantes ou deformantes Isso é conseguido por meio de exercícios diários de alongamento dos músculos ou pelo uso de aparelhos que mantenham os músculos estirados durante o processo de atrofia Recuperação da Contração Muscular na Poliomielite Desenvolvimento de Unidades Macromotoras Quando algumas porém não todas fibras nervosas do músculo são destruídas como ocorre usualmente nos casos de poliomielite as fibras nervosas remanescentes se ramificam para formar novos axônios que então vão inervar muitas das fibras musculares paralisadas Esse tipo de reação forma grandes unidades motoras referidas como unidades macromotoras podendo ter até cinco vezes o número normal de Capítulo 6 Contração do Músculo Esquelético culares para cada motoneurônio da medula espinhal Isso reduz a eficiência e a finura do controle que a pessoa tem sobre seus músculos mas permite que os músculos voltem a ter a possibilidade de variar sua força Rigidez Cadavérica Rigor Mortis Algumas horas após a morte todos os músculos do corpo entram no estado de contratura ou rigor mortis ou seja os músculos se contraem e ficam rígidos mesmo sem potenciais de ação Essa rigidez resulta da perda de todo ATP que é necessário para a separação das pontes cruzadas dos filamentos de actina durante o processo de relaxamento Os músculos permanecem rígidos até que as proteínas musculares degenerem em torno de 15 a 25 horas o que provavelmente resulta da autólise causada pelas enzimas liberadas pelos lisossomas Todos esses eventos ocorrem mais rapidamente nas temperaturas mais altas Referências Allen DG Lamb GD Westerblad H Skeletal muscle fatigue cellular mecha nisms Physiol Rev 882872008 Berchtold MW Brinkmeier H Muntener M Calcium ion in skeletal muscle its crucial role for muscle function plasticity and disease Physiol Rev 801215 2000 Cheng H Lederer WJ Calcium sparks Physiol Rev 881491 2008 Clanton TL Levine S Respiratory muscle fiber remodeling in chronic hyper inflation dysfunction or adaptation JAppl Physiol 107324 2009 Clausen T NaK pump regulation and skeletal muscle contractility Physiol Rev 831269 2003 Dirksen RT Checking your SOCCs and feet the molecular mechanisms of Ca2 entry in skeletal muscle J Physiol 5873139 2009 Fitts RHThe crossbridge cycle and skeletal muscle fatigueJApplPhysiol 1045512008 Glass DJ Signalling pathways that mediate skeletal muscle hypertrophy and atrophy Nat Cell Biol 587 2003 Gordon AM Regnier M Homsher E Skeletal and cardiac muscle contrac News Physiol Sei 1649 2001 Gunning P 0Neill G Hardeman E Tropomyosinbased regulation of the actin cytoskeleton in time and space Physiol Rev 881 2008 Huxley AF Gordon AM Striation patterns in active and passive shortening of muscle Nature Lond 1932801962 Kjaer M Role of extracellular matrix in adaptation of tendon and skeletal muscle to mechanical loading Physiol Rev 846492004 Lynch GS RyallJG Role of betaadrenoceptor signaling in skeletal muscle implications for muscle wasting and disease Physiol Rev 88729 2008 Macintosh BR Role of calcium sensitivity modulation in skeletal muscle performance News Physiol Sei 18222 2003 Phillips SM Glover El Rennie MJ Alterations of protein turnover underly ing disuse 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espinhal Como destacado no Capítulo 6 cada fibra nervosa depois de penetrar no feixe muscular normalmente se ramifica e estimula de três a várias centenas de fibras musculares esqueléticas Cada terminação nervosa faz uma junção chamada junção neuromuscular com a fibra muscular próxima de sua porção média O potencial de ação iniciado na fibra muscular pelo sinal nervoso viaja em ambas as direções até as extremidades da fibra muscular Com exceção de cerca de 2 das fibras musculares existe apenas uma dessas junções por fibra muscular Anatomia Fisiológica da Junção Neuromuscular A Placa Motora A Figura 7LA e B mostra a junção neuromuscular de grande fibra nervosa mielinizada com uma fibra muscular esquelética A fibra nervosa forma complexo de terminais nervosos ramificados que se inva ginam na superfície extracelular da fibra muscular Toda a estrutura é chamada de placa motora Ela é recoberta por uma ou mais células de Schwann que a isolam dos líquidos circunjacentes A Figura 71C mostra um esquema de micrografia eletrônica da junção entre um terminal de um axônio e a membrana da fibra muscular A membrana invaginada é chamada de goteira sináptica ou canaleta sináptica e o espaço entre o terminal e a membrana da fibra é chamado de espaço sináptico ou fenda sináptica Este espaço tem de 20 a 30 nanômetros de largura No fundo da goteira encontramse numerosas pequenas dobras da membrana muscular chamadas de fendas subneurais que aumentam em muito a área de superfície na qual o transmissor sináptico pode agir No terminal axonal há muitas mitocôndrias que fornecem trifosfato de adenosina ATP a fonte de energia que é usada para a síntese de um transmissor excitatório a acetilcolina A acetilcolina por sua vez excita a membrana da fibra muscular A acetilcolina é sintetizada no citoplasma do terminal mas é absorvida rapidamente por muitas pequenas vesículas sinápticas cerca de 300000 as quais se encontram normalmente nos terminais de uma única placa motora No espaço sináptico há grandes quantidades da enzima acetilcolinesterase que destrói a aceticolina alguns milissegundos depois que ela foi liberada das vesículas sinápticas Secreção de Acetilcolina pelos Terminais Nervosos Quando um impulso nervoso atinge a junção neuromuscular cerca de 125 vesículas de acetilcolina são liberadas dos terminais no espaço sináptico Alguns dos detalhes deste mecanismo podem ser vistos na Figura 72 que mostra uma imagem expandida de um espaço sináptico com a membrana neural acima e a membrana muscular e suas fendas subneurais abaixo Na superfície interna da membrana neural estão as barras densas lineares mostradas em corte transversal na Figura 72 Nos dois lados de cada barra densa estão partículas proteicas que penetram na membrana neural são os canais de cálcio controlados por voltagem Quando o potencial de ação se propaga para o terminal esses canais se abrem e permitem que os íons cálcio se difundam do espaço sináptico para o interior do terminal nervoso Considerase que os íons cálcio por sua vez exerçam atração sobre as vesículas de acetilcolina puxandoas para a membrana neural adjacente às barras densas As vesículas se fundem então com a membrana neural e lançam a acetilcolina no espaço sináptico pelo processo da exocitose Embora alguns dos detalhes previamente mencionados sejam especulativos sabese que o estímulo efetivo que causa a liberação da acetilcolina das vesículas é a entrada dos íons cálcio e que a acetilcolina das vesículas é esvaziada através da membrana neural adjacente às barras densas 87 UNIDA Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo Figura 71 Diferentes perspecti vas da placa motora A Corte lon gitudinal através da placa motora B Visão da superfície da placa motora C Aspecto na microgra fia eletrônica do ponto de con tato entre um terminal isolado de um axônio e a membrana da fibra muscular Redesenhada de Fawcett DW conforme modifi cação de Couteaux R in Bloom W Fawcett DW A Textbook ot Histology Philadelphia WB Bainha de Axônio Fendas subneurais Vesículas sinápticas Terminal axonal na goteira sináptica Locais de Membrana Vesículas Barra densa Canais de cálcio Lâmina basal e Figura 72 Liberação de acetilcolina das vesículas sinápticas na membrana neural da junção neuromuscular Observe a proximidade entre os locais de liberação na membrana neural para os receptores de acetilcolina na membrana muscular nas aberturas das fendas subneurais Efeito da Acetilcolina na Membrana Póssináptica da Fibra Muscular para Abrir os Canais lônicos A Figura 72 mostra também muitos receptores de acetilcolina na membrana da fibra muscular são os canais iônicos controlados pela acetilcolina e se localizam quase inteira mente próximos às aberturas das fendas subneurais situadas imediatamente abaixo das áreas de barras densas onde a acetilcolina é lançada no espaço sináptico Cada receptor é complexo proteico com peso molecular total de 275000 O complexo é composto por cinco subunidades proteicas duas proteínas alfa e uma de cada uma das proteínas beta delta e gama Essas moléculas proteicas penetram por toda a extensão da membrana situandose lado a lado em círculo para formar o canal tubular ilustrado na Figura 73 O canal mantémse fechado como mostrado na parte A da figura até que duas moléculas de acetilcolina se liguem às duas subunidades proteicas alfa Isso provoca alteração conformacional que abre o canal como mostrado na parte B da figura O canal regulado pela acetilcolina tem diâmetro de cerca de 065 nanômetro grande o suficiente para permitir que íons positivos importantes sódio Na potássio K e cálcio Ca se movimentem facilmente pela abertura Porém íons negativos tais como os íons cloreto não passam pelo canal devido às fortes cargas negativas na abertura do canal que repelem esses íons negativos Na prática muitos mais íons sódio fluem pelos canais regulados pela acetilcolina do que quaisquer outros íons por duas razões Primeira existem apenas dois íons positivos em alta concentração os íons sódio no líquido extracelular e os íons potássio no líquido intracelular Segunda o potencial muito negativo do lado de dentro da membrana muscular 80 a 90 milivolts puxa os íons 88 Capítulo 7 Excitação do Músculo EsqueléticoTransmissão Neuromuscular e Acoplamento ExcitaçãoContração B Figura 73 Canal colinérgico A Estado fechado B Depois que a acetilcolina Ach se ligou e uma alteração de conformação abriu o canal permitindo que íons sódio penetrassem na fibra muscular e estimulassem a contração Observe as cargas negativas na abertura do canal que impedem a passagem de íons negativos como o cloreto sódio com carga positiva para o interior da fibra e simultaneamente se opõe ao efluxo dos íons potássio com carga positiva Como mostrado na Figura 73B o principal efeito da abertura dos canais controlados pela acetilcolina é permitir que grande número de íons sódio entre na fibra levando com eles grande número de cargas positivas Isso provoca alteração potencial local positiva no lado interno da membrana da fibra muscular chamado potencial da placa motora Por sua vez esse potencial da placa motora inicia um potencial de ação que se propaga ao longo da membrana muscular causando a contração muscular Destruição da Acetilcolina Liberada pela Acetilco linesterase A acetilcolina uma vez liberada no espaço sináptico continua a ativar os receptores de acetilcolina enquanto esta persistir nesse espaço Entretanto ela é removida rapidamente por dois modos 1 A maior parte da acetilcolina é destruída pela enzima aceticolinesterase Figura 74 Potenciais de placa motora em milivolts A Potencial de placa motora de pequena amplitude registrado em um músculo curarizado insuficiente para desencadear um potencial de ação B Potencial de placa motora normal desencadeando um potencial de ação muscular C Potencial de placa motora reduzido em amplitude pela toxina botulínica que diminui a liberação de acetilcolina na placa motora o potencial é insuficiente para desencadear um potencial de ação muscular que está ligada principalmente à camada esponjosa do tecido conjuntivo fino que preenche o espaço sináptico entre o terminal nervoso présináptico e a membrana muscular póssináptica 2 Pequena quantidade de acetilcolina se difunde para fora do espaço sináptico e assim deixa de estar disponível para agir sobre a membrana da fibra muscular O tempo reduzido em que a acetilcolina se mantém no espaço sináptico alguns milissegundos se tanto é normalmente suficiente para excitar a fibra muscular A rápida remoção da acetilcolina evita a reexcitação continuada do músculo depois que a fibra muscular se recuperou de seu potencial de ação inicial Potencial da Placa Motora e Excitação da Fibra Muscular Esquelética O influxo de íons sódio para a fibra muscular quando os canais colinérgicos se abrem causa variação do potencial elétrico no interior da fibra no local da placa motora para aumentar na direção positiva por 50 a 75 milivolts criando um potencial local chamado potencial da placa motora Relembre do Capítulo 5 que aumento súbito no potencial da membrana nervosa de mais de 20 a 30 milivolts é normalmente suficiente para iniciar a abertura de mais e mais canais de sódio iniciando assim um potencial de ação na membrana da fibra muscular A Figura 74 mostra o princípio pelo qual um potencial da placa motora inicia o potencial de ação Essa figura mostra três potenciais da placa motora Os potenciais da placa motora A e C são muito fracos para desencadear um potencial de ação porém produzem fracas alterações locais de voltagem na placa motora como registrados na figura Em contraste o potencial da placa motora B é de amplitude maior e faz com que número suficiente de canais de sódio se abra de forma que o efeito autorrege nerativo de mais e mais íons sódio fluindo para o interior da fibra inicie um potencial de ação A baixa amplitude 89 Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo do potencial da placa motora no ponto A foi causada por envenenamento da fibra muscular com curare fár maco que bloqueia o efeito controlador da acetilcolina sobre os canais colinérgicos competindo pelos receptores da acetilcolina A baixa amplitude do potencial da placa motora no ponto C resultou do efeito da toxina botulí nica veneno bacteriano que diminui a quantidade de acetilcolina liberada pelos terminais nervosos Fator de Segurança para a Transmissão na Junção Neuromuscular Fadiga da Junção Ordinariamente cada impulso que chega à junção neuromuscular provoca potencial da placa motora de amplitude três vezes maior que o necessário para estimular a fibra muscular Portanto a junção neuromuscular normal tem alto fator de segurança No entanto a estimulação da fibra nervosa com frequências maiores que 100 vezes por segundo por vários minutos com frequência diminui tanto o número de vesículas de acetilcolina que os impulsos não são mais transmitidos à fibra muscular Isso é chamado de fadiga da junção neuromuscular e é o mesmo efeito que causa a fadiga no sistema nervoso central quando as sinapses são superexcitadas Em condições normais de funcionamento raramente ocorre fadiga mensurável da junção neuromuscular e mesmo assim apenas nos níveis mais exaustivos de atividade muscular Biologia Molecular da Formação e da Liberação de Acetilcolina Como a junção neuromuscular é grande o suficiente para ser estudada com facilidade ela é uma das poucas sinapses do sistema nervoso cujos detalhes da transmissão química foram bem estudados A formação e a liberação da acetilcolina nessa junção ocorrem nos seguintes estágios 1 Pequenas vesículas com tamanho de cerca de 40 nanô metros são formadas pelo aparelho de Golgi no corpo celular do neurônio motor na medula espinhal Essas vesículas são então axônio desde o corpo celular na medula espinhal até a junção neuromuscular nas terminações das fibras nervosas periféricas Cerca de 300000 dessas pequenas vesículas se acumulam nos terminais nervosos da única placa motora do músculo esquelético 2 A acetilcolina é sintetizada no citosol do terminal da fibra nervosa e é imediatamente transportada através das membranas das vesículas para seu interior onde é armazenada em forma altamente concentrada com cerca de 10000 moléculas de acetilcolina em cada vesícula 3 Quando um potencial de ação chega ao terminal nervoso ele abre muitos canais de cálcio na membrana do terminal nervoso uma vez que esse terminal tem canais de cálcio controlados por voltagem Como resultado a concentração do íon cálcio no interior do terminal aumenta por cerca de 100 vezes o que por sua vez aumenta a velocidade de fusão das vesículas de acetilcolina com a membrana do terminal por cerca de 10000 vezes Essa fusão faz com que muitas das vesículas se rompam permitindo a exocitose da acetilcolina para espaço sináptico Cerca de 125 vesículas são submetidas à exocitose a cada potencial de ação Depois de alguns milissegundos a acetilcolina é clivada pela acetilcolinesterase em íon acetato e em colina e a colina é reabsorvida ativamente pelo terminal neural e usada para formar nova acetilcolina Essa sequência de eventos ocorre em período de 5 a 10 milissegundos 4 O número de vesículas disponíveis na terminação nervosa é suficiente para permitir a transmissão de apenas algumas centenas de impulsos do nervo para o músculo Portanto para a função contínua da junção neuromuscular novas vesículas precisam ser reformadas rapidamente Em alguns segundos após cada potenc causadas por proteínas contráteis na terminação nervosa especialmente a proteína clatrina essa proteína está associada à membrana nas áreas de fusão das vesículas originais Em cerca de 20 segundos as proteínas se contraem e formam as invaginações que se separam para o lado interior da membrana e se transformam então em novas vesículas Dentro de poucos segundos mais a acetilcolina é transportada para o interior dessas vesículas e elas estão prontas para um novo ciclo de liberação de acetilcolina Fármacos que Reforçam ou Bloqueiam a Transmissão na Junção Neuromuscular Fármacos que Estimulam a Fibra Muscular por Ação Semelhante à da Acetilcolina Muitas substâncias incluindo a metacolina o carbacol e a nicotina têm o mesmo efeito que a acetilcolina sobre o músculo A diferença entre esses fármacos e a acetilcolina é que elas não são destruídas pela colinesterase ou são destruídas tão lentamente que sua ação frequentemente persiste por muitos minutos ou várias horas Os fármacos atuam provocando áreas localizadas de despo larização da membrana da fibra muscular na placa motora onde estão localizados os receptores de acetilcolina Assim a cada vez que a fibra muscular se recupera de uma contração essas áreas despolarizadas em virtude do vazamento de íons iniciam novo potencial de ação levando dessa forma a estado de espasmo muscular Fármacos que Estimulam a Junção Neuromuscular Ina tivando a Acetilcolinesterase Três fármacos particularmente bem conhecidos neostigmina fisostigmina e fluorofosfato de diisopropil inativam a acetilcolinesterase nas sinapses de forma que ela não mais hidrolisa a acetilcolina Dessa maneira a cada impulso nervoso sucessivo mais acetilcolina se acumula e estimula repetidamente a fibra muscular Isso provoca espasmo muscular mesmo quando poucos impulsos nervosos alcançam o músculo Infelizmente isto também pode causar morte por espasmo da laringe que sufoca o indivíduo A neoestigmina e a fisoestigmina se combinam com a acetilcolinesterase para inativála por até várias horas depois do que elas se deslocam para que a esterase recupere sua atividade De forma inversa o fluorofostato de diisopropil que funciona como por semanas o que o torna veneno particularmente letal Fármacos que Bloqueiam a Transmissão na Junção Neuromuscular O grupo de fármacos conhecidos como fármacos curariformes pode impedir a passagem dos impul 90 Capítulo 7 Excitação do Músculo EsqueléticoTransmissão Neuromuscular e Acoplamento ExcitaçãoContração sos da terminação nervosa para o músculo Por exemplo a Dtubocurarina bloqueia a ação da acetilcolina nos receptores de acetilcolina da fibra muscular evitando assim o aumento da permeabilidade dos canais de membrana muscular suficiente para iniciar o potencial de ação Miastenia Grave Causa Paralisia Muscular A miastenia grave que ocorre em cerca de uma em cada 20000 pessoas causa paralisia muscular devido à incapacidade das junções neuromusculares transmitirem sinais suficientes das fibras nervosas para as fibras musculares Patologicamente anticorpos que atacam receptores de acetilcolina foram demonstrados no sangue da maioria dos pacientes com miastenia grave Assim acreditase que a miastenia grave seja doença autoimune na qual os pacientes desenvolveram anticorpos que bloqueiam ou destroem seus próprios receptores para acetilcolina na membrana pós sináptica da junção neuromuscular Qualquer que seja a causa os potenciais da placa motora que ocorrem nas fibras musculares são na maior parte muito fracos para iniciar a abertura dos canais de sódio regulados pela voltagem de modo que a despolarização da fibra muscular não ocorre Se a doença for intensa o suficiente o paciente morre de paralisia em particular paralisia dos músculos respiratórios Os efeitos da doença podem ser melhorados por várias horas com administração de neos tigmina ou de algum outro fármaco anticolinesterásico que provoque o acúmulo de quantidades maiores de acetilcolina que a normal no espaço sináptico Em alguns minutos algumas das pessoas paralisadas podem recobrar a atividade motora quase normal até que nova dose de neostigmina seja requerida poucas horas depois Potencial de Ação Muscular Quase tudo o que foi discutido no Capítulo 5 com relação à iniciação e à condução dos potenciais de ação nas fibras nervosas se aplica igualmente às fibras musculares esqueléticas exceto por diferenças quantitativas Alguns dos aspectos quantitativos dos potenciais musculares são os seguintes 1 Potencial de repouso da membrana cerca de 80 a 90 milivolts nas fibras musculares esqueléticas o mesmo das grandes fibras nervosas mielinizadas de contração muscular a corrente tem de penetrar profundamente na fibra muscular até as proximidades das miofibrilas Isso se dá pela propagação dos potenciais de ação pelos túbulos transversos túbulos T que penetram a fibra muscular de um lado a outro como ilustrado na Figura 75 Os potenciais de ação no túbulo T provocam liberação de íons cálcio no interior da fibra muscular na vizinhança imediata das miofibrilas e esses íons cálcio causam então a contração Este processo é chamado de acoplamento excitaçãocontração Acoplamento ExcitaçãoContração Túbulo Transverso Sistema Retículo Sarcoplasmático A Figura 75 mostra miofibrilas circundadas pelo sistema túbulos Tretículo sarcoplasmático Os túbulos T são muito pequenos e cursam transversalmente às miofibrilas Eles começam na membrana celular e penetram por toda a fibra muscular Não está demonstrado na figura o fato de que esses túbulos se ramificam e formam planos inteiros de túbulos T se entrelaçando entre as miofibrilas Além disso os túbulos T se abrem para o exterior no ponto de origem como uma invaginação da membrana celular Dessa forma eles se comunicam com o líquido extracelular circundante da fibra muscular tendo eles próprios líquido extracelular em seu lúmen Em outras palavras os túbulos T são de fato extensões internas da membrana celular Assim quando um potencial de ação se propaga pela membrana da fibra muscular a alteração do potencial também se propaga ao longo dos túbulos T para o interior da fibra muscular As correntes elétricas que circundam esses túbulos T então provocam a contração muscular A Figura 75 também mostra o retículo sarcoplasmático em amarelo Ele é composto por duas partes principais 1 grandes câmaras denominadas cisternas terminais que fazem contato com os túbulos T e 2 longos túbulos longitudinais que circundam todas as superfícies das miofibrilas que realmente se contraem Liberação dos íons Cálcio pelo Retículo Sarcoplasmático 2 Duração do potencial de ação 1 a 5 milissegundos no músculo esquelético cerca de cinco vezes mais prolongado que nos grandes nervos mielinizados 3 Velocidade de condução 3 a 5 ms cerca de 113 da velocidade de condução nas grandes fibras nervosas mielinizadas que excitam o músculo esquelético Propagação do Potencial de Ação para o Interior da Fibra Muscular por Meio dos Túbulos A fibra muscular esquelética é tão grande que o potencial de ação na superfície quase não provoca fluxo de corrente no interior da fibra Contudo para causar o máximo Uma das características especiais do retículo sarcoplasmático é que no interior de seus túbulos vesiculares existe excesso de íons cálcio em alta concentração e muitos desses íons são liberados de cada vesícula quando um potencial de ação ocorre em túbulo T adjacente As Figuras 76 e 77 mostram que o potencial de ação do túbulo T provoca fluxo de corrente para as cisternas do retículo sarcoplasmático no ponto em que tocam o túbulo T À medida que o potencial de ação progride pelo túbulo T a variação da voltagem é detectada pelos receptores de diidropiridina ligados aos canais de liberação de cálcio também chamados receptores de canal de rianodina nas 91 Unidade II Fisiologia da Membrana Nervo e Músculo Sarcolema Cisternas terminais Túbulo transverso Mitocôndria Retículo sarcoplasmático Túbulo transverso Sarcotúbulos Figura 75 Sistema túbulo transverso Tretículo sarcoplasmático Observe que os túbulosT se comunicam com a parte externa da membrana celular e profundamente na fibra muscular cada túbulo T se situa adjacente às extremidades dos túbulos longitudinais do retículo sarcoplasmático que circundam as miofibrilas que de fato contraem Esta ilustração foi desenhada do músculo de sapo que tem um túbulo T por sarcômero localizado na linha Z Um arranjo similar é encontrado no músculo cardíaco dos mamíferos porém o músculo esquelético dos mamíferos tem dois túbulosT por sarcômero localizados nas junções das bandas Al Figura 76 Acoplamento excitaçãocontração no músculo esquelético O painel superior mostra um potencial de ação no túbulo T que causa alteração conformacional no receptor sensor de voltagem da diidropiridina DHP abrindo os canais de liberação de Ca nas cisternas terminais do retículo sarcoplasmático permitindo a rápida difusão do Ca para o sarcoplasma e iniciando a contração Durante a repolarização painel inferior a alteração conformacional do receptor DHP fecha os canais de liberação de Ca e o Ca é transportado do sarcoplasma para o retículo sarcoplasmático por bomba de cálcio dependente de ATP Repolarização 92 Capítulo 7 Excitação do Músculo EsqueléticoTransmissão Neuromuscular e Acoplamento ExcitaçãoContração Figura 77 Acoplamento excitaçãocontração no músculo mostrando 1 um potencial de ação que causa a liberação de íons cálcio do retículo sarcoplasmático e em seguida 2 recaptação dos íons cálcio por uma bomba de cálcio coplasmático Fig 76 A ativação dos receptores de diidropiridina desencadeia a abertura dos canais de liberação de cálcio das cisternas e em seus túbulos longitudinais associados Esses canais permanecem abertos por poucos milissegundos liberando cálcio para o sarco plasma que banha as miofibrilas e causando a contração como discutido no Capítulo 6 A Bomba de Cálcio Remove os íons Cálcio do Líquido Miofibrilar depois da Contração Uma vez liberados dos túbulos sarcoplasmáticos os íons cálcio se difundem nos espaços entre as miofibrilas provocando a contração muscular que permanece enquanto a concentração do íon continua elevada Porém uma bomba de cálcio continuamente ativada localizada nas paredes do retículo sarcoplasmático bombeia os íons cálcio para longe das miofibrilas de volta para os túbulos sarcoplasmáticos Fig 76 Essa bomba pode concentrar os íons cálcio por cerca de 10000 vezes dentro dos túbulos Além disso dentro do retículo existe proteína chamada calsequestrina que pode quelar o cálcio possibilitando o acúmulo do íon em quantidade até 40 vezes maior que a quantidade correspondente ao cálcio livre A concentração 7 molar no citosol que banha as miofibrilas é muito baixa para provocar contração Portanto o complexo troponina tropomiosina mantém os filamentos actínicos inibidos e o músculo no estado relaxado Inversamente a excitação do túbulo T e do sistema retículo sarcoplasmático provoca liberação de íons cálcio suficiente para aumentar a concentração no líquido 4 molar aumento de 500 vezes que é cerca de 10 vezes o nível necessário para provocar a contração muscular máxima Em seguida a bomba de cálcio reduz outra vez a concentração dos íons cálcio A muscular esquelética é de cerca 120 de segundo embora possa ser muito maior em algumas fibras e muito menor em outras No músculo cardíaco o pulso de cálcio dura um terço de segundo por causa da longa duração do potencial de ação cardíaco Durante esse pulso de cálcio ocorre a contração muscular Para a contração persistir sem interrupção por longos intervalos uma série de pulsos de cálcio tem de ser iniciada por série contínua de potenciais de ação repetitivos como discutido no Capítulo 6 Referências Veja também as referências dos Capítulos 5 e 6 Brown RH Jr Dystrophinassociated proteins and the muscular dystro phies Annu Rev Med 484571997 Chaudhuri A Behan PO Fatigue in neurological disorders Lancet 363978 2004 Cheng H Lederer WJ Calcium sparks Physiol Rev 881491 2008 Engel AG Ohno K Shen XM Sine SM Congenital myasthenic syndromes multiple molecular targets at the neuromuscular junction Ann N Y AcadSci 9981382003 Fagerlund MJ Eriksson LI Current concepts in neuromuscular transmission BrJAnaesth 1031082009 Haouzi P Chenuel B Huszczuk A Sensing vascular distension in skeletal muscle by slow conducting afferent fibers neurophysiological basis and implication for respiratory control JAppl Physiol 96407 2004 Hirsch NP Neuromuscular junction in health and disease BrJAnaesth 991322007 Keesey JC Clinicai evaluation and management of myasthenia gravis Muscle 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