Garcia Zeus- O mecanismo da bomba de sódio-potássio
- A função da bomba de sódio-potássio
- Regulação da bomba de sódio-potássio
- Regulação farmacológica da bomba de sódio-potássio
- Conclusão
A bomba de sódio-potássio é um dos sistemas mais importantes do sistema nervoso. É uma estrutura proteica que se encontra na membrana celular, mas o que faz exatamente?
A bomba de sódio-potássio é um mecanismo que se encontra no interior das células e cujo objetivo é transportar iões de sódio e potássio em direcções opostas contra um gradiente de concentração, utilizando trifosfato de adenosina ou ATP. O objetivo do mecanismo da bomba é manter uma concentração adequada de iões de potássio.
Mas esta é apenas a visão geral básica do que a bomba de sódio-potássio faz diariamente - vamos ver como funciona, o mecanismo envolvido e como é regulada.
O mecanismo da bomba de sódio-potássio
Quando em repouso, o sódio entra nas células e o potássio sai das células devido a forças electroquímicas naturais.
Mantém-se assim até ser gerado um potencial de ação.
Quando um potencial de ação atinge uma bomba de sódio-potássio específica, o sódio entra na célula (ou torna-se intracelular) e o potássio sai dela (ou torna-se extracelular).
Este processo deve-se ao trifosfato de adenosina, ou ATP, uma fonte de energia para as células.
O ATP é constituído por um nucleósido trifosfato que consiste em adenina (uma base azotada), um açúcar ribose e três grupos fosfato ligados.
Há quatro processos envolvidos na bomba de sódio-potássio:
- Primeiro, a bomba liga três iões de sódio a uma molécula de ATP.
- Quando o ATP se divide, é fornecida energia à bomba para alterar a forma do canal - conduzindo os iões de sódio através do canal.
- Quando os iões de sódio são transportados para fora da membrana celular, a nova forma do canal da bomba permite que dois iões de potássio se liguem a ele.
- Quando os iões de potássio entram na célula, o canal da bomba volta à sua forma original
O pequeno número de iões que se movem através da membrana sarcolemal num potencial de ação é muito pequeno em comparação com o número total de iões.
Só depois de terem sido gerados múltiplos potenciais de ação é que haverá uma diferença significativa na concentração extracelular e intracelular dos respectivos iões.
A bomba também tem uma maior afinidade pelo sódio do que pelo potássio, resultando na ligação do ATP a três iões de sódio intracelulares.
Quando um potencial de ação move o sódio e o potássio em direcções opostas contra o gradiente de concentração celular, os três iões de sódio e os dois iões de potássio ligados intracelularmente são trocados.
Isto significa que quando o sódio sai, o potássio entra.
Para cada potencial de ação gerado, este ciclo recomeça até que o efeito desejado de contração muscular seja alcançado.
A função da bomba de sódio-potássio
A Na⁺/K⁺-ATPase, ou bomba de sódio-potássio, faz parte da estrutura celular e ajuda a manter e a regular:
- Potencial de repouso
- Transporte
- Volume celular
Paralelamente, a bomba de sódio-potássio também sinaliza integradores que controlam a via da proteína quinase activada pelo mitogénio (MAPK), o cálcio intracelular e as espécies reactivas de oxigénio.
Todas as células do corpo humano utilizam a maior parte do ATP que produzem para manter os seus gradientes de concentração de sódio (Na+) e potássio (K+).
Especificamente nos neurónios, a bomba de sódio-potássio é responsável por quase três quartos do consumo de energia da célula.
Noutros tipos de tecidos, o consumo de ATP pela bomba de sódio-potássio tem sido relacionado com a glicólise - o processo em que a glicose é decomposta para produzir energia.
A glicólise foi descoberta pela primeira vez nos glóbulos vermelhos e mais tarde nas células renais por Sanders e colaboradores, nos músculos lisos por Lynch e colaboradores e nas células de Purkinje por Glitsch e colaboradores.
Estas descobertas contribuíram para provar a importância da bomba de sódio-potássio nos músculos esqueléticos, onde a inibição da degradação do glicogénio resulta numa redução da atividade da bomba e, por conseguinte, numa menor produção de força muscular.
A bomba de sódio-potássio tem várias funções de várias maneiras - vejamos mais de perto o que acontece exatamente nesta célula proteica.
O potencial de repouso de uma célula
A bomba de sódio-potássio e a difusão de iões através das membranas mantêm o potencial de repouso dentro da célula.
O potencial de repouso refere-se ao desequilíbrio de cargas que existe entre os neurónios excitáveis interiores, ou células nervosas, e o seu ambiente.
O potencial de repouso das células excitáveis situa-se entre -60 milivolts e -95 milivolts - com o interior da célula carregado negativamente.
Quando o potencial do interior da célula é superior ao potencial de repouso (eletronegativo), a membrana da célula fica hiperpolarizada.
No caso de o potencial da célula diminuir até ao ponto em que fica abaixo do potencial de repouso, fica despolarizada.
Para manter o potencial de membrana constante, a célula deve ter uma baixa concentração de iões de sódio e níveis mais elevados de iões de potássio.
Para o conseguir, a bomba de sódio-potássio desloca 3 iões de sódio para fora quando desloca 2 iões de potássio para dentro - removendo uma carga positiva do espaço intracelular.
Além disso, existe um atalho para o potássio na membrana ou um canal iónico altamente permeável ao K, que permite que a tensão através da membrana seja próxima do potencial de inversão.
O que é o potencial de inversão?
O potencial de Nernst ou potencial de inversão ocorre quando a carga é igual em ambos os lados da membrana - o que significa que não há fluxo de iões entre a membrana.
Mesmo quando os iões potássio e sódio têm a mesma carga, continuam a ter potenciais de equilíbrio diferentes no interior e no exterior da célula.
A bomba de sódio-potássio permite que a membrana atinja o não equilíbrio em relação à quantidade de sódio e potássio dentro ou fora da célula.
Por exemplo, a concentração de potássio no interior da célula é de 100 mM, em comparação com o sódio, que é de 10 mM.
No entanto, fora da célula, a concentração de potássio é de 5 mM em comparação com 150 mM de sódio.
Processos de transporte
Quando os iões de sódio deixam a célula, criam um ambiente para que vários transportadores activos secundários utilizem o gradiente de iões de sódio.
Alguns destes transportadores activos secundários incluem proteínas de transporte membranares que importam aminoácidos, nutrientes e glucose para a célula.
A bomba de sódio-potássio também fornece um gradiente de sódio envolvido em processos de transporte, como no intestino, por exemplo.
No intestino, o sódio é transportado para fora da célula e para o sangue através da bomba de sódio-potássio.
O simportador sódio-glicose utiliza o gradiente de sódio para importar sódio e glicose no lado luminal ou reabsorvente.
Este processo é muito mais eficaz do que a simples difusão, e processos semelhantes ocorrem nas partes tubulares do sistema renal.
Os rins têm um elevado nível de proteínas da bomba de sódio-potássio no túbulo contorcido distal - estas funcionam para expressar até 50 milhões de acções da bomba por célula (National Library of Medicine).
A bomba é especialmente importante neste sistema porque permite que os rins filtrem os produtos residuais do sangue através do gradiente de sódio.
A bomba de sódio-potássio também permite o seguinte nos rins:
- Reabsorção de aminoácidos
- Reabsorção de glucose
- Regulação dos electrólitos
- Manutenção do pH
Os órgãos reprodutores masculinos também utilizam a bomba de sódio-potássio para regular o potencial da membrana e os iões necessários para que o esperma se mova e funcione durante a penetração do óvulo.
Além disso, o cérebro também depende da bomba de sódio-potássio, uma vez que os neurónios necessitam dela para inverter o fluxo de sódio pós-sináptico e restabelecer os gradientes de potássio e sódio necessários para disparar os potenciais de ação.
Os astrócitos, um subtipo de células gliais do sistema nervoso central, também necessitam da bomba de sódio-potássio para manter o gradiente de sódio, que mantém o processo de recaptação do neurotransmissor.
Como a bomba de sódio-potássio controla o volume celular
Se a bomba de sódio-potássio falhar, pode resultar em inchaço celular.
A osmolaridade de uma célula é a soma das várias concentrações de iões, proteínas e outros componentes orgânicos da célula.
Sem uma bomba eficaz, a célula incha e rompe-se.
A bomba de sódio-potássio assegura que a célula mantém a concentração correcta de iões e de outras matérias orgânicas.
A bomba de sódio-potássio funcionando como um transdutor de sinais
A transdução de sinais é um processo muito importante nas células.
É o processo pelo qual sinais químicos ou físicos são transmitidos através de eventos moleculares.
Na maioria das vezes, estes eventos são causados pela fosforilação de proteínas catalisada por proteínas cinases - resultando numa resposta celular.
Estudos recentes, pelo menos em relação a 1957, debruçaram-se sobre os mecanismos através dos quais a bomba de sódio-potássio comunica com o núcleo no interior das células para transduzir sinais.
Um estudo de 2002 realizado por Xie e colaboradores descobriu que, para além de transportar iões através da membrana através de potenciais de ação, a bomba de sódio-potássio interage com outras proteínas da membrana para enviar mensagens aos organelos intracelulares.
Muitos laboratórios demonstraram que a bomba de sódio-potássio também pode retransmitir sinais extracelulares de ouabaína - um glicosídeo cardíaco utilizado no tratamento da insuficiência cardíaca congestiva - para o interior da célula através da regulação da fosforilação da proteína tirosina.
A fosforilação de proteínas é o processo de ativação ou desativação de enzimas através da ligação de um grupo fosfato a uma molécula ou ião.
Um estudo de Ramnanan e Storey estudou a bomba de sódio-potássio em caracóis terrestres.
Descobriram que a fosforilação reversível pode fornecer um meio de coordenar a utilização de ATP com a geração de ATP através de vias catabólicas em caracóis terrestres estivadores, o que pode ser muito benéfico em estudos futuros.
Outra interação importante na bomba de sódio-potássio é a forma como as proteínas interagem umas com as outras na transdução mediada pela bomba.
A bomba de sódio-potássio interage diretamente com a Src para formar um complexo sinal-recetor.
A Src é uma proteína tirosina quinase não-recetora que transduz sinais envolvidos no controlo da proliferação, diferenciação, motilidade e adesão (Nature).
A bomba de sódio-potássio inibe inicialmente a Src, mas a Src quinase é libertada e activada após a ligação da ouabaína.
Como a bomba de sódio-potássio controla os estados de atividade dos neurónios
A bomba de sódio-potássio controla e define os modos de atividade intrínseca dos neurónios de Purkinje cerebelares e das células mitrais acessórias do bolbo olfativo.
Esta informação sugere que a bomba de sódio-potássio pode não só ser responsável pela manutenção dos gradientes, mas também por certos elementos computacionais no cérebro.
De facto, foi indicado que as mutações na bomba de sódio-potássio causam distonia-parkinsonismo - indicando a sua patologia de computação cerebelar.
Além disso, o bloqueio da bomba de sódio-potássio pela ouabaína num rato vivo resultou em distonia e ataxia.
O álcool inibe a bomba no cerebelo e é provavelmente por isso que a computação cerebelar e a coordenação corporal são corrompidas.
Regulação da bomba de sódio-potássio
A regulamentação de qualquer sistema é importante para garantir que este funcione como deve.
Por exemplo, a bomba de sódio-potássio tem de ser regulada no músculo esquelético.
A estimulação contínua dos músculos - durante o exercício, por exemplo - resulta numa dissipação do gradiente catiónico necessário para a contração muscular.
Para compensar a libertação excessiva de sódio das células musculares, a bomba de sódio-potássio ativa-se rapidamente para atrasar o início da fadiga muscular e reduzir os níveis potencialmente tóxicos de sódio intracelularmente. (Physiology Journals)
Existem duas formas de regulação da bomba de sódio-potássio: endógena e exógena.
Endógeno
A bomba de sódio-potássio é regulada positivamente pelo monofosfato de adenosina cíclico (AMPc).
Algumas substâncias provocam um aumento do AMPc, como os ligandos da subunidade Gs alfa, enquanto outras inibem o AMPc e, por conseguinte, a bomba de sódio-potássio.
Exógeno
A bomba de sódio-potássio pode ser modificada farmacologicamente através da administração exógena de fármacos e pode ser modificada com hormonas da tiroide, entre outras.
Um bom exemplo disto são as bombas de sódio-potássio que estão a ser utilizadas nas células cardíacas para melhorar o desempenho cardíaco, aumentando a força de contração do coração.
Este funciona através da libertação de cálcio do retículo sarcoplasmático das células cardíacas.
Imediatamente após a contração do músculo cardíaco, o cálcio encontrado intracelularmente é reposto numa concentração normal por uma enzima transportadora, provocando o relaxamento do músculo.
A hipótese de Blaustein afirma que a enzima transportadora utiliza o gradiente de sódio criado pela bomba de sódio-potássio para remover o cálcio do interior da célula - o que abranda a ação da bomba e resulta em níveis elevados de cálcio no músculo.
A elevação dos níveis de cálcio pode ser a razão do efeito inotrópico a longo prazo dos glicosídeos cardíacos.
Esta hipótese tem alguns problemas na medida em que menos de 5% das moléculas de Na/K-ATPase são inibidas - o que não é suficiente para afetar eficazmente a concentração intracelular.
Regulação farmacológica da bomba de sódio-potássio
Em determinadas condições, como as doenças cardíacas, a bomba de sódio-potássio tem de ser inibida farmacologicamente.
Um inibidor comum utilizado é a digoxina, que se liga à parte externa de uma enzima - ou, neste caso, ao potássio fosforilado, para transferir o potássio para o interior da célula.
Quando o processo de ligação ocorre, as subunidades alfa são desfosforiladas e reduzem alguns efeitos da doença cardíaca.
Ao inibir a bomba de sódio-potássio, os níveis de sódio aumentarão intracelularmente, aumentando a concentração de cálcio intracelular.
Concentrações mais elevadas de cálcio forçam as contracções - o que é extremamente benéfico em doentes cujo coração não está a bombear ou não está a bombear com força suficiente.
Este processo é uma ajuda temporária em situações de emergência e pode salvar vidas.
Conclusão
A bomba de sódio-potássio foi descoberta pela primeira vez há 60 anos e, desde então, foram efectuadas muitas investigações sobre a sua função e utilização farmacológica.
O mecanismo da bomba é controlado pelo movimento do sódio e do potássio através do gradiente de concentração nas células, e um potencial de ação gera a ação da bomba.
A bomba de sódio-potássio continua a ser objeto de muita investigação.
Estudos futuros poderão revelar alguns atributos benéficos para ajudar as acções farmacológicas e compreender melhor os processos do mecanismo.
Referências:
//bio.libretexts.org/Bookshelves/Introductory_and_General_Biology/Book%3A_Introductory_Biology_(CK-12)/02%3A_Cell_Biology/2.16%3A_Sodium-Potassium_Pump
//en.wikipedia.org/wiki/Sodium%E2%80%93potassium_pump
//pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/324293///link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-24750-2_2