Bioquímica Lecture Notes 2022/2023 PDF

CURSO DE EDUCAÇÃO FÍSICA E DESPORTO Bioquímica Aula 9 Professor Doutor Armando Costa [email protected] Ano letivo 2022/2023 Aula Anterior Aula de hoje Objectivos: • Descrever a constituição do sistema muscular; • Descrever a constituição da Actina e Miosina; • Explicar o mecanismo de...

CURSO DE EDUCAÇÃO FÍSICA E DESPORTO Bioquímica Aula 9 Professor Doutor Armando Costa [email protected] Ano letivo 2022/2023 Aula Anterior Aula de hoje Objectivos: • Descrever a constituição do sistema muscular; • Descrever a constituição da Actina e Miosina; • Explicar o mecanismo de Potencial de Acção vs Potencial de Repouso; Músculo Exercício Capacidade de Desadaptação/Adaptação Estímulo Intensidade Duração Benefícios: . Homeostasia de temperatura Desuso . Proteção de ossos e orgãos internos .Controlo de peso; . Patologias (diabetes tipo II, problemas cardiovasculares, etc.) Sistema Muscular “Os Músculos são órgãos especializados em converter energia química em energia mecânica” (Barata – 1997) “É um importante tecido na homeostasia bioenergética, tanto em repouso como em exercício. Representa o principal local de transformação e de armazenamento de energia” (Santos – 2001) CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO Um típico músculo esquelético é formado por numerosos conjuntos de fibras contrácteis denominados fascículos. Cada fascículo é constituído, por sua vez, por numerosas fibras. No interior da fibra encontra-se numerosas unidades menores denominadas miofibrilas. No interior das miofibrilas encontram-se milhares de delgados filamentos proteicos: Actina e Miosina CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO ➢ O músculo é constituído por diversos tecidos que se sobrepõem uns nos outros até terminarem em filamentos proteícos. CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO ➢ A envolver cada fibra muscular existe tecido conjuntivo a que se dá o nome de endomísio. ➢ As fibras musculares com o seu endomísio são envolvidas por outra camada de tecido conjuntivo mais denso, o perimísio. ➢Músculo é constituído por muitos feixes musculares agrupados e rodeados por uma terceira camada mais espessa designada epimísio CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO Sarcolema: - Membrana celular que delimita cada fibra muscular esquelética (= célula). - Assume um papel activo na excitabilidade e condutibilidade do impulso nervoso das fibras musculares - Ligam as fibras musculares aos tendões CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO Sarcoplasma: - Substância gelatinosa de preenchimento de espaços; - Citoplasma das fibras musculares; - Contém diversas proteínas dissolvidas, glicogénio, minerais, gorduras diferentes organelas. e CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO Retículo Sarcoplasmático: - Rede entrelaçada de canais tubulares e vesículas envolvendo as miofibrilas; - Armazena quantidades grandes de cisterna terminal. cálcio; CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO ➢ Fibras musculares são cobertas por uma rede membranosa, denominada de sarcolema, que se liga à fibra muscular, contendo ligação aos túbulos T e suas aberturas; ➢ Os túbulos T, formam uma rede que se estende através da fibra muscular envolvendo as miofibrilhas; ➢ O retículo sarcoplasmático, é um sistema de tubos que se estende longitudinalmente através da fibra muscular conetado aos túbulos T e à superfície das miofibrilhas. Esta estrutura contêm canais libertadores dos iões de Ca++ ou recetor rianodina. CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO Neurónios motores células nervosas especializadas que estimulam a contração muscular. Unidade motora motoneurónio constituida por alpha, terminais e placas motoras. axónios CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO Junção Neuromuscular – ponto de contacto entre a parte terminal de um motoneurónio e a fibra muscular. CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO ➢Cada fibra muscular esquelética possui vários núcleos, localizados imediatamente sob o sarcolema (membrana plasmática). ➢ Cada fibra é preenchida por diversas miofibrilhas, que são as proteínas contrácteis. Miofibrilha: • Composta por 2 tipos de miofilamentos proteicos: miofilamentos de actina (ou miofilamentos finos) e miofilamentos de miosina (ou miofilamentos grossos). • Miofilamentos de actina e miosina estão agrupados em unidades altamente especializadas designadas sarcómeros. CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO ➢ O Sarcómero é a unidade funcional do músculo, gerando tensão e trabalho mecânico ORGANIZAÇÃO DO SARCÓMERO ORGANIZAÇÃO DO SARCÓMERO Sarcómero - unidade fundamental das miofibrilhas do músculo voluntário ORGANIZAÇÃO DO SARCÓMERO ORGANIZAÇÃO DO SARCÓMERO Sarcómero - unidade fundamental das miofibrilhas do músculo voluntário. Disco Z – rede filamentosa de proteínas que faz a ligação entre os miofilamentos de actina. Cada sarcómero estende-se de um disco Z para o disco Z seguinte. Banda I ou isotrópica (banda clara) – inclui um disco Z e estende-se de cada lado do disco Z para as extremidades dos miofilamentos de miosina. transversal, a banda I consiste apenas em miofilamentos de Em corte actina. Banda A ou anisotrópica (banda escura) – estende-se ao comprimento dos miofilamentos de miosina num sarcómero. ORGANIZAÇÃO DO SARCÓMERO Zona H – pequena banda situada no centro da banda A, onde os miofilamentos de actina e miosina não se sobrepõem e apenas estão presentes miofilamentos de miosina. Linha M – banda escura situada no meio da zona H, composta por delicados filamentos que se ligam ao centro dos miofilamentos de miosina. mantém no lugar os miofilamentos de miosina, do mesmo modo A linha M que o disco Z mantém no lugar os miofilamentos de actina. As numerosas modo que as miofibrilhas orientam-se dentro de cada fibra muscular de bandas A e as bandas I de miofibrilhas paralelas ficam alinhadas, produzindo o padrão estriado que se observa ao microscópio. . Contração Muscular Contração Muscular Funções do ATP no músculo ativo: ➢ Transporte do ião Na+ (sódio) e ião K+ (potássio) através do sarcolema e túbulos T mediado pela enzima Na+-K+-ATPase através da energia libertada pela hidrólise do ATP; ➢ Transporte do ião Ca++ para retículo sarcoplasmático mediado pela enzima Ca++ - ATPase através da energia libertada pela hidrólise do ATP; ➢ Formação das pontes cruzadas (ciclo actina/miosina) através da energia libertada pela hidrólise do ATP, mediado pela enzima miosina ATPase. CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO MIOFILAMENTO DE ACTINA: ➢ Duas cadeias de actina fibrosa (actina F) enroladas em dupla hélice; ➢ Várias moléculas de tropomiosina mais várias moléculas de troponina. ➢ Actina F - polímero de aproximadamente 200 monómeros de actina globular (actina G). Cada monómero de actina G tem um local específico (sítio ativo) onde se podem ligar moléculas de miosina durante a contração muscular CONSTITUIÇÃO DO MÚSCULO Tropomiosina é uma proteína alongada que se situa na fenda da dupla hélice de actina F. Troponina composta por 3 sub-unidades: uma que se liga à actina (TnI), outra que se liga à tropomiosina (TnT), e uma terceira que se liga a iões cálcio (TnC). MIOFILAMENTO DE MIOSINA: ➢ Formado por muitas moléculas de miosina alongadas, com a forma de um taco de golfe. ➢ Cada molécula formada por 2 moléculas de miosina pesada + 2 cabeças que se estendem lateralmente. Às cabeças, ligam-se 4 cadeias de miosina leve. ➢Cada miofilamento de miosina composto por cerca de 300 moléculas de miosina. MIOFILAMENTO DE MIOSINA: ➢ As cabeças de miosina podem ligar-se: a sítios ativos das moléculas de actina para formar pontes cruzadas; à porção espiralada da molécula de miosina por uma zona encurvada (“charneira”) que se pode dobrar durante a contração e possúem atividade ATPase, ou seja, atividade enzimática que desdobra o ATP, libertando energia durante a contração. Isoformas das proteínas miofibrilares: ➢Existem várias isoformas de proteínas que lhes conferem propriedades únicas, ainda que muitas vezes semelhantes. ➢Uma isoforma são as diferentes formas moleculares que uma proteína pode assumir. ➢ A maioria das proteínas dos filamentos finos (actina) e filamentos grossos (miosina), são compostos por duas ou mais subunidades cada uma existindo como várias isoformas. Isoforma: ➢ Exemplo: ▪ Molécula de Tropomiosina – pode existir em seis espécies diferentes compostas por três subunidades diferentes (TM α1, TM α2 e TMβ). ▪ Molécula de Troponina – três subunidades cada uma constituída como duas ou mais isoformas. TnL e TnC existe como isoforma lenta e rápida (TnLf, TnLs TnCf, TnCs), enquanto a subunidade ligação à TnT existe no mínimo em quatro isoformas rápidas e duas lentas (TnT1f, TnT2f, TnT3f, TnT4f, e TnT1s, TnT2s). MIOFILAMENTO DE MIOSINA: ➢ Miosina: ▪ Duas cadeias pesadas – HCI e HCII – dando assim origem ao tipo I e tipo II das fibras musculares. As HCII ainda se podem dividir em 2 isoformas HCIIa e HCIIx – chamando-se assim fibras tipo IIa e tipo IIx. ▪ Quatro cadeias leves – divididas em 2 classes – cadeias leves essenciais (CL1 e CL3) e as cadeias leves reguladoras (CL2) que assume isoformas lentas e rápidas. Potencial de Ação vs Potencial de Repouso POTENCIAL DE AÇÃO VS POTENCIAL DE REPOUSO Potencial de Ação (PA) - sinal elétrico transmitido ao longo dos neurónios até às fibras musculares. Potencial de Repouso (PR) As membranas celulares são naturalmente polarizadas: o interior é negativo em relação ao exterior (potencial de membrana em repouso -90mV). Iões sódio (Na+) predominam no meio extracelular, e iões potássio (K+) no meio intracelular Difusão Simples Magnitude e sentido de difusão Velocidade de difusão vs distância Difusão através da camada lipídica Difusão de iões através dos canais proteicos Difusão da glicose entre dois compartimentos de volume igual separados por uma barreira permeável à glicose. Tempo A compartimento 1 com uma solução de 20mmol/l enquanto no compartimento 2 não há glicose. Tempo B parte das moléculas de glicose migra para compartimento 2 e algumas dessas moléculas regressam ao compartimento 1 (comp. das setas representa magnitude de sentido único). Tempo C alcançado equilíbrio de difusão, 10mmol/l de glicose em cada compartimento. Fluxo efetivo = diferença entre os dois fluxos de sentido único ocorrendo sempre de uma região de maior concentração para uma de menor concentração. DIFUSÃO DE IÕES ATRAVÉS DOS CANAIS PROTEÍCOS A Bicamada Fosfolipídica (BF) constitui uma barreira no corpo celular. As moléculas apolares difundem-se rapidamente para dentro da célula, uma vez que apresentam uma grande constante de permeabilidade. Por outro lado as moléculas ionizadas ou polares apresentam difusão muito lenta ou não se difundem para Nota: Por dentro da célula. ser hidrofóbica a membrana plasmática impede que moléculas carregadas se difundam dela Como se difundem então as moléculas ionizadas ou polares? o facilmente que através permite uma diferença de potencial entre os dois lados da membrana) DIFUSÃO DE IÕES ATRAVÉS DOS CANAIS PROTEÍCOS Iões como Na e K difundem-se mais rápido do que o que seria previsto através das membranas plasmáticas, se considerarmos a sua baixa solubilidade nos lípidos das membranas. A bicamada fosfolipídica é praticamente impermeável aos iões Na e K, sendo o componente proteico da membrana o elemento responsável por essas mudanças de permeabilidade. Nota: Os canais iónicos podem estar abertos ou fechados e podem ocorrer rápidas alterações na permeabilidade da membrana a iões como resultado da abertura ou fecho de canais. O processo de abertura ou encerramento denomina-se de mecanismo comporta de canal. Canais regulados por ligantes, por voltagem ou mecanicamente de POTENCIAL DE AÇÃO VS POTENCIAL DE REPOUSO (a) Em repouso o potencial de membrana é semelhante ao potencial de equilíbrio de potássio (aproximadamente - 90mV). Tal facto deve-se a existirem mais canais iónicos de K+ abertos que canais de Na+ e a permeabilidade do K+ ser maior que a do Na+. Glossário: Potencial = diferença de potencial elétrico, ou seja, diferença de cargas num determinado ponto (cargas positivas e negativas com forças de atração capazes de gerar trabalho) Potencial de repouso da membrana = diferenças de potencial na membrana plasmática onde o interior da célula apresenta uma carga elétrica negativa em relação ao exterior. Potencial de equilíbrio = potencial elétrico necessário para equilibrar um gradiente de concentração iónico através da membrana de modo a que o fluxo efetivo seja igual a zero. POTENCIAL DE AÇÃO VS POTENCIAL DE REPOUSO Resumo alargado: • O transporte ativo de iões de potássio e sódio para dentro e para fora da célula, respectivamente, é feito por diversas bombas de sódio e potássio distribuídas pela membrana celular. • Os gradientes de concentração determinam os seus potenciais de equilíbrio enquanto a sua permeabilidade relativa determina o grau de intensidade com que o potencial de repouso da membrana é influenciado para esses potenciais. • Os iões de potássio são os que apresentam maior permeabilidade o que explica por que o potencial de repouso da membrana de um típico neurónio está muito próximo do potencial de equilíbrio do K. • Cada bomba transporta dois iões de potássio para dentro da célula para cada três iões de sódio que é transportado para fora. Resumo alargado: • Essa ação estabelece uma peculiar distribuição de iões positivamente carregados (cátiões) entre o meio intra e extracelular, com maior concentração de sódio no meio extracelular e maior concentração de potássio no meio intracelular. • Em alguns casos, as bombas de sódio e potássio contribuem sensivelmente para a manutenção do potencial de membrana, mas na maioria das células existem canais especiais de potássio, os canais de repouso ("leak channels"), que controlam o valor do potencial de repouso. • A tendência natural dos iões de sódio e potássio é de se difundir pela membrana impelidos por os seus gradientes eletroquímicos, de forma a alcançar os seus respetivos potenciais de equilíbrio. Resumo alargado: • O sódio entra na célula e o potássio sai. Por causa dos canais de repouso de potássio, sempre abertos, a membrana plasmática é aproximadamente cem vezes mais permeável ao potássio do que ao sódio, ou seja, mais iões de potássio saem da célula do que iões de sódio entram na célula. Essa predominância de saída de iões de potássio leva a uma hiperpolarização da membrana, que estabelece o valor do potencial de repouso de membrana em aproximadamente -70 mV. • Assim como o potencial de repouso, os potenciais de ação dependem da permeabilidade da membrana celular aos iões de sódio e potássio. (b) Quando a célula é estimulada abrem-se mais canais iónicos de Na+ e aumenta a permeabilidade da membrana a este ião. Dado que o potencial de equilíbrio do sódio é positivo (aproximadamente +50mV) o potencial de membrana despolariza-se. POTENCIAL DE AÇÃO VS POTENCIAL DE REPOUSO Potencial de Ação (PA) Traduz-se pela reversão do diferencial de cargas em repouso - o interior da membrana celular fica carregado positivamente, e o exterior negativamente. POTENCIAL DE AÇÃO VS POTENCIAL DE REPOUSO (1) (2) POTENCIAL DE AÇÃO POTENCIAL DE AÇÃO POTENCIAL DE AÇÃO Potencial de Ação e Canais Iónicos Potencial de Ação e Canais Iónicos A despolarização e repolarização resultam da abertura e fecho de canais iónicos. Mecanismo: 1) Canais iónicos de Na+ e K+ fechados antes de a célula ser estimulada. 2) Célula é estimulada - canais de Na+ abrem - Na+ difunde-se para dentro da célula Se a despolarização atingir o limiar, muitos canais de Na+ abrem-se rapidamente - iões Na+ difundem-se para o interior da célula, ficando este positivo por um curto período de tempo. Potencial de Ação e Canais Iónicos 3) Canais de Na+ fecham, e canais de K+ abrem Cessa o movimento de iões Na+ para dentro da célula, e aumenta o movimento de K+ para o exterior da célula - interior da célula torna-se mais negativo e o exterior mais positivo, dando-se a repolarização da membrana; 4) Canais de K+ encerram Potencial de ação termina, e o potencial de membrana em repouso é restabelecido. POTENCIAL DE AÇÃO VS POTENCIAL DE REPOUSO POTENCIAL DE AÇÃO VS POTENCIAL DE REPOUSO Quando se aplica um estímulo débil (estímulos sublimiares), o axónio não se despolariza o suficiente (potenciais sublimiares) para que se abram canais de Na+ dependentes de voltagem em número suficiente para que se dê a despolarização da membrana. Por outro lado, quando se atinge o limiar de excitabilidade, abrem-se um número suficiente de canais de Na+ para permitir uma despolarização adicional da membrana (potenciais limiares) como consequência do aumento de permeabilidade ao Na+, levando assim à abertura de um grande número de canais de Na+ até que se abram todos os canais disponíveis (retroalimentação positiva). Após este potencial de ação, a maioria dos canais de Na+ ficam inativos só podendo voltar-se a abrir após um período de potencial de membrana de repouso (período refractário absoluto). Período Refratário Absoluto Período Refratário Absoluto (PRA) - Durante o potencial de ação, um segundo estímulo, não importa quão forte seja, não irá produzir um segundo potencial de ação. Assim esta região da membrana encontra-se num PRA. Porque acontece isto? Isto ocorre no período em que os canais de Na regulados por voltagem estão abertos ou passaram para o estado de inatividade durante o primeiro potencial de ação. A comporta de inativação que bloqueou os canais precisa ser removida através da repolarização e o encerramento do poro deve ocorrer antes que os canais possam ser reabertos por um segundo estímulo. Período Refratário Relativo Período Refratário Relativo (PRR) – período que ocorre após o PRA e que corresponde ao intervalo de tempo durante o qual um segundo potencial de ação pode ser produzido, desde que a força do estímulo seja consideravelmente maior do que o normal. Porque acontece isto? Este período coincide com o período de pós hiperpolarização. Como tal, alguns dos canais de Na regulados por voltagem já voltaram ao estado de repouso enquanto que alguns dos canais de K que repolarizaram a membrana ainda se encontram abertos. A partir desse estado de PRR é possível que um novo estímulo despolarize a membrana acima do potencial limiar, desde que o estímulo tenha uma magnitude elevada ou ultrapasse o PRR. Propagação de Potenciais de Ação (PA) O potencial de ação ocorre numa área muito pequena da membrana celular e não a afeta toda ao mesmo tempo. Não se deslocam ao longo da membrana Propagam-se ao longo da membrana, estimulando a produção de potenciais de membrana no local de membrana imediatamente adjacente, o qual, por seu turno, estimula a produção de outro e assim sucessivamente Frequência do potencial de ação - número de potenciais de ação produzidos por unidade de tempo. É diretamente proporcional à intensidade do estímulo aplicado. Um aumento da frequência dos potenciais de ação enviados às células musculares pode resultar no aumento de força da contração muscular Potencial de Ação (PA) – motoneurónios mielinizados Quanto maior o diâmetro da fibra, mais rápida a propagação do PA, uma vez que as fibras de maior dimensão oferecem menos resistência à corrente local, o que faz com que ocorra um fluxo de maior número de iões; A mielina sendo isolante dificulta o fluxo de cargas entre o liquido intra e extra celular. Como existe menos dispersão de carga através da mielina, a corrente local propaga-se mais rapidamente ao longo do axónio; A concentração de canais Na regulados por voltagem é menor nas bainhas de mielina e muito elevada nos nós de Ranvier; Mais propagação por condução saltatória porque passa menor carga por zonas mielinizadas, chegando em maior número aos nós de Ranvier e agindo mais rápido e bombas de Na/K precisam de repor menos Na e K. Vamos testar conhecimentos! Identifique a série de eventos numéricos Ciclo de eventos que ocorrem na geração do potencial de ação: 1) Potencial de repouso da célula; 2) Estímulo despolarizante; 3) Abertura de canais de Na + dependente de voltagem; 4) Entrada de Na + na célula; 5) Encerramento de canais de Na + e abertura de canais de K + dependentes de voltagem mais lentos; 6) Saída de K + da célula; 7) Canais de K + dependente de voltagem ainda abertos, hiperpolarizando a célula; 8) Encerramento de canais de K + dependente de voltagem; 9) Retorno da permeabilidade iônica e do potencial de repouso da célula. Desp=despolarização da membrana. Rep=repolarização da membrana. Avaliação 1. Indique quais são estruturas constituintes de um músculo. 2. Indique como são compostos os miofilamentos de Actina e Miosina. 3. Explique em que condições ocorre um Potencial de Acção na fibra muscular. Obrigado pela atenção dispensada Armando Costa (Phd) [email protected]