Princípios de neurofarmacologia

Princípios de neurofarmacologia

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PrincPrincíípiospios de Neurofarmacologiade Neurofarmacologia

A comunicação celular é essencial para o funcionamento efetivo de qualquer organismo multicelular complexo. O principal modo de comunicação intercelular é a transmissão de sinais químicos, como os neurotransmissores e os hormônios. Nos tecidos excitáveis, como os nervos e os músculos, a comunicação intracelular rápida depende da propagação de sinais elétricos — potenciais de ação — ao longo da membrana plasmática da célula. A transmissão tanto química quanto elétrica envolve comumente o movimento de íons através da membrana plasmática, que separa a célula de seu meio ambiente, ou através das membranas de organelas internas, como o retículo endoplasmático ou as mitocôndrias. Os movimentos iônicos podem modificar diretamente a concentração citoplasmática de íons, como o Ca2+, que atuam como reguladores essen ciais de processos bioquímicos e fisiológicos, como fosforilação, secreção e contração. Os movimentos iônicos também modificam o potencial elétrico através da membrana através da qual fluem os íons, regulando, dessa maneira, diversas funções dependentes da voltagem, como a abertura de outros canais iônicos. Alguns desses eventos são breves, com durações e ações de vários milissegundos (0,001 s). Outros podem levar muitos segundos, tendo conseqüências bioquímicas que podem persistir por vários minutos ou horas. Mesmo a expressão gênica pode ser regulada por mudanças nas concentrações de íons, resultando em alterações a longo prazo na fisiologia, no crescimento, na diferenciação e outros processos celulares.

Muitas substâncias modificam a sinalização química ou elétrica, aumentando ou diminuindo a excitabilidade celular e a transmissão elétrica. Para apreciar como essas substâncias atuam, o presente capítulo irá explicar as bases eletroquímicas subjacentes a esses fenômenos. Esses princípios gerais são

PrincPrincíípios Fundamentaispios Fundamentais de Neurofarmacologiade Neurofarmacologia

Princípios de Excitabilidade Celular e Transmissão Eletroquímica

John Dekker, Michael Ty e Gary R. Strichartz

Introdução Caso Excitabilidade Celular

Lei de Ohm Canais Iônicos Seletividade dos Canais, Equação de Nernst e Potencial de Repouso A Equação de Goldman

O Potencial de Ação

Farmacologia dos Canais Iônicos Transmissão Eletroquímica

Regulação da Fenda Sináptica Receptores Pós-Sinápticos Metabolismo e Recaptação dos Transmissores

Conclusão e Perspectivas Futuras Leituras Sugeridas

72 | Capítulo Seis aplicáveis a muitas áreas da farmacologia, incluindo aquelas discutidas nos Caps. 8 a 10 (Seção IIB), Caps. 1 a 17 (Seção IIC) e Cap. 18.

n Caso

Karl é um homem de 47 anos de idade que trabalha para o governo do estado de Virgínia. Está viajando para o Japão para encontrar-se com vários CEOs para discutir a abertura de suas filiais em Roanoke. Durante a sua visita a Yamaguchi, seus anfitriões o levam a um jantar em um restaurante de alto nível, cuja especialidade é o peixe fugu. Karl fica impressionado porque ouviu falar que esse prato especial não existe nos Estados Unidos e que se trata de uma iguaria apreciada e cara no Japão.

Antes de terminar o jantar, Karl percebe uma leve sensação estranha de formigamento e dormência na boca e ao redor dos lábios. Seus anfitriões ficam satisfeitos que ele esteja experimentando o efeito desejado da ingestão do peixe fugu.

Karl fica fascinado e um tanto receoso diante dos efeitos tóxicos potenciais da neurotoxina (tetrodotoxina) do fugu, como foram descritos pelos seus anfitriões cientes dessa característica. Entretanto, os japoneses lhe asseguram que o chefe sushi desse restaurante de categoria está totalmente licenciado para preparar o peixe fugu e certificado pelo governo. Mesmo assim, de volta ao hotel, os pensamentos do jantar fazem com que ele se sinta um tanto nauseado.

Karl sente-se aliviado ao acordar no dia seguinte, percebendo que está bem e com energia. Faz um teste com seus músculos e comprova que estão fortes como sempre! Entretanto, decide que irá educadamente declinar qualquer tipo de fruto do mar até o final de sua viagem e, no lugar, irá pedir Kobe beef.

n 1. Qual o mecanismo molecular de ação da tetrodotoxina? n 2. Qual o efeito da tetrodotoxina sobre o potencial de ação neuronal?

A excitabilidade refere-se à capacidade de uma célula de gerar e propagar potenciais de ação elétricos. As células neuronais, as células cardíacas, as células musculares lisas, as células do músculo esquelético e muitas células endócrinas apresentam essa propriedade excitável. Os potenciais de ação podem propagar-se por longas distâncias, como nos axônios dos nervos periféricos, que os conduzem por vários metros, ou podem estimular a atividade em células de tamanho muito menor, como os interneurônios de 30 a 50 m de comprimento, que estão contidos no interior de um gânglio autônomo. A função dos potenciais de ação difere, dependendo das células onde ocorrem. As ondas de propagação dos potenciais de ação transportam a informação codificada com fidelidade ao longo dos axônios percorrendo longas distâncias. No interior de uma célula pequena, os potenciais de ação excitam de uma única vez toda a célula, causando um aumento dos íons intracelulares (como o Ca2+), seguido de rápida liberação de moléculas transmissoras químicas ou hormônios. A seguir, essas substâncias químicas dirigem-se para receptores específicos, de localização próxima ou distante da célula que as libera, efetuando a transmissão química, que é discutida na segunda parte deste capítulo.

A excitabilidade celular é, fundamentalmente, um evento elétrico. Por conseguinte, é necessário compreender a eletricidade básica para explicar os processos biológicos da excitabilidade e transmissão sináptica. As seções a seguir fornecem princípios básicos de eletricidade aplicados a dois componentes celulares importantes — a membrana plasmática e os canais iônicos seletivos.

A magnitude de uma corrente (I, medida em ampères) que flui entre dois pontos é determinada pela diferença de potencial (V, medida em volts) entre esses dois pontos e a resistência ao fluxo da corrente (R, medida em ohms):

I = V/R Equação 6.1a

Por exemplo, a corrente pode fluir do compartimento extracelular para o compartimento intracelular em resposta a uma diferença de potencial (também conhecida como diferença de voltagem) através da membrana plasmática. A voltagem pode ser considerada como uma energia potencial ou a propensão de uma carga fluir de uma área para outra. A resistência é o obstáculo a este fluxo. Uma resistência diminuída permite um maior fluxo de íons e, portanto, uma corrente aumentada (a corrente tem unidades de carga/tempo). Quando essa relação, conhecida como lei de Ohm, é aplicada às membranas biológicas, como a membrana plasmática, a resistência elétrica é freqüentemente substituída pela sua recíproca, a condutância (g, medida em recíproca de ohms, ou siemens [S]):

I = gV Equação 6.1b

Para simplificar, suponhamos que todos os elementos de resistência na membrana celular comportem-se de uma “maneira ôhmica”, isto é, sua relação de corrente-voltagem (I-V) é descrita pela Equação 6.1b. Neste caso, a relação I-V é linear, sendo a inclinação determinada pela condutância, g. A Fig. 6.1

Corrente para fora da célula

Corrente para dentro da célula

PotencialpositivoPotencial negativo I

I=gV

Fig. 6.1 Lei de Ohm. A lei de Ohm declara que existe uma relação linear entre a corrente (I) e a voltagem (V), e que a inclinação formada pela I versus V produz a condutância (g). Por convenção, a corrente para fora da célula é um fluxo de cargas positivas do interior da célula para fora da célula. O potencial transmembrana é definido pela diferença de potencial (voltagem) entre o lado interno e o lado externo da célula. Para a maioria das células, o potencial de repouso no interior da célula é negativo em relação ao exterior da célula. A condutância, g, é a recíproca da resistência.

Princípios de Excitabilidade Celular e Transmissão Eletroquímica | 73 representa a corrente transmembrana (I) medida em diferentes potenciais transmembrana (V) em uma célula hipotética. A inclinação da curva I-V representa a condutância. Dentro de uma perspectiva conceitual, a corrente aumenta quando a voltagem aumenta, visto que uma maior voltagem resulta em maior diferença de energia potencial entre o lado interno e o lado externo da célula, o que, por sua vez, favorece uma taxa aumentada de movimento de cargas através da membrana.

A convenção empregada na maioria dos textos e neste capítulo é a de que a voltagem através de uma membrana é expressa como a diferença entre os potenciais intracelular e extracelular

(Vm = Vint – Vext). Para a maioria das células normais, V é nega- tivo quando a célula está em repouso (Vint < Vext). A membrana é denominada hiperpolarizada quando V é mais negativa em repouso, enquanto está despolarizada quando V é mais positiva do que em repouso. A corrente é definida convencionalmente em relação à direção de fluxo das cargas positivas. O movimento de cargas positivas de dentro para fora é denominado corrente para fora da célula, sendo representada graficamente por valores positivos. A carga positiva que se desloca de fora para dentro é denominada corrente para dentro da célula, sendo representada graficamente por valores negativos. O movimento de cargas negativas é definido de modo oposto.

Como a corrente realmente flui através de uma membrana celular? As membranas biológicas são compostas de uma dupla camada lipídica, na qual estão mergulhadas algumas proteínas e à qual outras proteínas estão içadas (Fig. 6.2). As membranas lipídicas puras são praticamente impermeáveis à maioria das substâncias polares ou com cargas. Dentro de uma perspec- tiva elétrica, a dupla camada lipídica atua como um capacitor, mantendo a separação de cargas entre os íons extracelulares e intracelulares. Para permitir a passagem de íons que transportam uma corrente elétrica, existem canais iônicos ou poros dentro da membrana. A maioria dos canais iônicos discrimina entre os vários tipos de íons, e a maioria também permanece fechada até que sinais específicos determinem a sua abertura. Dentro de uma perspectiva elétrica, um conjunto de canais iônicos forma um condutor variável—proporciona muitas condutâncias individuais para o fluxo de íons entre o ambiente extracelular e o intracelular. A magnitude da condutância global depende da fração de canais no estado aberto e da condutância dos canais individuais abertos.

A relação I-V hipotética apresentada na Fig. 6.1 não explica por si só o comportamento elétrico da maioria das células na realidade. Se uma célula se comportasse de acordo com a Equação 6.1, a diferença de potencial através da membrana seria zero na ausência de uma corrente aplicada externamente. Na verdade, a maioria das células mantém uma diferença de potencial negativa através de sua membrana plasmática. Essa diferença de voltagem é mais pronunciada nas células neuronais e nas células ventriculares cardíacas, onde é possível registrar um potencial de repouso (a diferença de voltagem através da membrana na ausência de estímulos externos) de –60 a –80 mV. O potencial de repouso resulta de três fatores: (1) distribuição desigual de cargas positivas e negativas em cada lado da membrana plasmática; (2) diferença na permeabilidade da membrana aos vários cátions e ânions; (3) ação de bombas ativas (que necessitam de energia) e passivas que ajudam a manter os gradientes iônicos. Os efeitos desses três fatores inter-relacionados podem ser mais bem explicados com um exemplo.

Consideremos a situação em que existem apenas íons potássio (K+) e ânions ligados a proteínas (A–) no interior da célula, sem outros íons fora da célula (Fig. 6.3). Se essa membrana celular for apenas permeável ao potássio, ocorrerá um fluxo de K+ para fora da célula, enquanto A– irá permanecer no interior. O fluxo do K+ para fora da célula deve-se a um gradiente químico, isto é, o efluxo de K+ é favorecido porque a concentração de K+ no interior da célula é maior que aquela fora da célula. O efluxo do ânion, A–, também seria favorecido pelo seu gradiente químico, porém a ausência de canais transmembrana permeáveis ao A– impede o fluxo desse ânion através da membrana. (Em outras palavras, a membrana é impermeável a A–.) Devido a essa permeabilidade seletiva ao K+, cada íon K+ que sai da célula deixa uma carga negativa efetiva (um íon A–) no interior da célula e acrescenta uma carga positiva efetiva (um íon K+) no lado externo da célula. Essa separação de cargas através da membrana cria um potencial de membrana negativo.

Se não fosse estabelecido um potencial de membrana negativo com a saída de K+ da célula, os íons K+ continuariam deixando a célula até que a concentração extracelular de K+ fosse igual à sua concentração intracelular. Entretanto, o estabelecimento de uma diferença de voltagem cria uma força eletrostática que finalmente impede o efluxo efetivo de K+ (Fig. 6.3B). Por conseguinte, o gradiente elétrico (Vm) e o gradiente químico “puxam” os íons K+ em direções opostas; o gradiente elétrico favorece um fluxo de íons K+ para dentro da célula, enquanto o gradiente químico favorece um fluxo de íons K+ para fora

Resistor (canal iônico)

Capacitor (membrana plasmática)

IT = Ii + Ic

Fig. 6.2 Modelo de circuito elétrico da membrana celular. A membrana celular pode ser representada como um circuito elétrico simples contendo um resistor e um capacitor. Os canais iônicos seletivos funcionam como resistores (idênticos a condutores), através dos quais os íons podem fluir ao longo de seu gradiente eletroquímico. A dupla camada lipídica atua como capacitor, mantendo uma separação de cargas entre os espaços extracelular e intracelular. Esse circuito (designado como RC, ou circuito resistor-capacitor) modifica o momento entre o fluxo de cargas através da membrana (corrente) e mudanças no potencial transmembrana (voltagem), visto que a dupla camada lipídica, ao atuar como capacitor, armazena parte da carga que atravessa a membrana. É necessário tempo para armazenar essa carga; por conseguinte, a mudança inicial de voltagem associada a uma etapa da corrente é lenta. À medida que o capacitor (dupla camada lipídica) é preenchido com cargas e a mudança de voltagem aumenta, uma maior quantidade da carga passa através do resistor até que seja alcançado um novo estado de equilíbrio dinâmico e a relação corrente-voltagem se torne mais linear. (I corrente do capacitor; I, corrente iônica, I, corrente total.)

74 | Capítulo Seis da célula. Essas forças se combinam para criar um gradiente eletroquímico, que é igual à soma do gradiente elétrico e do gradiente químico. O gradiente eletroquímico transmembrana é a força propulsora efetiva para o movimento de íons através dos canais nas membranas biológicas.

Em conseqüência do gradiente eletroquímico, a concentração extracelular de K+ não se equilibra com a concentração intracelular. Com efeito, estabelece-se um equilíbrio em que a força eletrostática que “puxa” os íons K+ de volta para o interior da célula é equilibrada exatamente pelo gradiente químico que favorece o efluxo de K+. O potencial em que esse equilíbrio ocorre, para qualquer íon X permeante, é uma função da carga do íon (z), da temperatura (T) e das concentrações intracelulares e extracelulares do íon. Essa relação é expressa na equação de Nernst:

V V RTzF X Xx =− = []

[]int ext extint ln Equação 6.2 onde Vx é o potencial transmembrana alcançado por uma membrana seletivamente permeável ao íon X em equilíbrio (isto é, o potencial de Nernst para este íon), Vint – Vext é a diferença de voltagem transmembrana, RT/zF é uma constante para uma determinada temperatura e carga (esse número é simplificado para 26,7 mV para uma carga de +1 em uma temperatura de

37oC), e [X]ext e [X]int são as concentrações extracelulares e intracelulares, respectivamente, do íon X. A força propulsora eletroquímica sobre o íon X é igual à diferença entre o potencial de membrana verdadeiro e o potencial de Nernst para esse íon, Vm – Vx. O terceiro determinante do potencial de membrana em repouso, a ação das bombas iônicas ativas e passivas que mantêm gradientes iônicos através da membrana, determina a concentração de íons no lado interno e no lado externo da célula. Numerosas bombas desempenham um importante papel fisiológico na manutenção dos gradientes iônicos: incluem a bomba de Na+/K+ dependente de ATP (que expulsa três íons Na+ para cada dois íons K+ que penetram na célula) e o trocador de Na+/Ca2+ (que expulsa um Ca2+ para cada três íons Na+ que penetram na célula). A ação coordenada dessas bombas regula rigorosamente as concentrações intracelulares e extracelulares de todos os cátions e ânions de importância biológica. Conhecendo os valores dessas concentrações iônicas, é possível calcular os potenciais de Nernst para esses cátions e ânions em temperatura fisiológica e, portanto, o valor do potencial transmembrana em que a força propulsora efetiva para cada íon desaparece (Quadro 6.1).

As diferenças entre as concentrações extracelulares e intracelulares dos quatro principais íons são atribuíveis a variações na extensão do transporte de cada um deles — mediadas por bombas e trocadores na membrana plasmática — e a variações na permeabilidade da membrana — mediadas por canais seletivos para cada espécie iônica. As permeabilidades relativas da membrana neuronal em repouso aos íons são: K+ > > Cl– > Na+ > > Ca2+. Como o K+ é o íon mais permeante em condições de repouso, o potencial de membrana em repouso aproximase mais estreitamente do potencial de Nernst para o K+ (cerca de –90 mV). Na realidade, a permeabilidade fraca a outras espécies iônicas eleva o potencial de membrana em repouso acima daquele para o K+. Por conseguinte, apesar de o K+ ser o íon mais permeante, a permeabilidade aos outros íons e a ação das denominadas bombas “eletrogênicas” (isto é, bombas que produzem um movimento efetivo de cargas) também contribuem para o potencial de repouso global. No estado de equilíbrio dinâmico, que descreve o verdadeiro potencial de membrana em repouso (Fig. 6.4), Vm não é igual ao potencial de Nernst para qualquer um dos íons individuais, e cada espécie iônica experimenta uma força eletroquímica efetiva. Em outras

Força química

Canal seletivo de K

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