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Como uma célula nervosa se ajusta se a difusão do O2 for interrompida?

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Que efeitos isso teria sobre um nervo se o suprimento de oxigênio fosse interrompido? Existe algum dado sobre isso?

A velocidade da condutância do nervo aumenta? E quanto à amplitude e aos canais do receptor no / no nervo?

Curiosamente, é extremamente difícil encontrar uma resposta para esta pergunta, ou talvez eu esteja apenas procurando nos lugares errados ...


Se a difusão do oxigênio for interrompida, há um problema sério. Os neurônios dentro do cérebro começam a morrer lentamente, muitas outras coisas como mudança na personalidade ou a incapacidade de processar os impulsos de dor ocorrem se o cérebro for privado de oxigênio. Se isso não for corrigido em 15 minutos, é impossível sobreviver.

Os efeitos reais sobre os neurônios são os seguintes: Como na maioria das células, a primeira solução para esse tipo de circunstância é o metabolismo anaeróbico, o mesmo acontece nos neurônios, mas não dura muito e é ineficiente. No que me diz respeito, a condutância nervosa diminui neste tipo de cenário e os receptores murcham.

Bem, se os receptores estão murchando, eles não deveriam ser capazes de transferir impulsos, o que significa que a condutância nervosa deveria parar.

Este link para um artigo sobre os efeitos da privação de oxigênio no cérebro. https://www.livestrong.com/article/106179-effects-lack-oxygen-brain/


Capítulo 2 O sistema circulatório e transporte de oxigênio

O sistema cardiovascular ou circulatório é projetado para garantir a sobrevivência de todas as células do corpo a cada momento e faz isso mantendo o ambiente químico imediato de cada célula do corpo (ou seja, o fluido intersticial) em uma composição apropriada para aquela célula função normal. O termo & # x0201chomeostasis & # x0201d é usado para denotar a constância aproximada do ambiente interno (Claude Bernard, 1866).

Considere primeiro o caso hipotético simples de uma única célula esférica suspensa em um grande volume (& # x0003 vezes o volume da célula) bem agitado de meio aquoso em equilíbrio com o ar ambiente e contendo outros nutrientes. A disponibilidade de oxigênio é frequentemente um fator limitante para a sobrevivência celular e geralmente é fornecido a uma célula por difusão passiva. À medida que as moléculas de oxigênio se difundem na célula, elas são consumidas, de modo que há uma queda progressiva na concentração de oxigênio da superfície da célula para a concentração mais baixa que ocorre no centro da célula. Para uma célula esférica com um coeficiente de difusão típico para oxigênio (& # x0224810 & # x022125 cm 2 / s) e um consumo de oxigênio do músculo esquelético em repouso (& # x0224810 & # x022122 ml O2 cm & # x022123 min & # x022121), o tamanho crítico (raio) que é suprido de maneira adequada com o oxigênio do meio circundante é de cerca de 1 mm. Assim, descobrimos que a difusão coloca um limite superior no tamanho das células em relação à sua necessidade de oxigênio.

Embora a difusão seja um processo de transporte eficiente em distâncias curtas (& # x00026 # 60100 & # x003bcm), visto pelo tempo médio necessário para uma molécula se difundir em uma distância x (t & # x02248 x 2 / 2D), como um organismo multicelular muito maior, como o corpo humano contendo cerca de 100 & # x000d7 10 12 células, pode ser adequadamente suprido com oxigênio? Para os mamíferos, o meio de banho para as células é a água e a água corporal total é cerca de 60% do peso corporal. Para uma pessoa de 70 kg, a água corporal total é distribuída entre três compartimentos com os seguintes volumes aproximados: intracelular & # x0224823 l (33% do peso corporal) intersticial & # x0224816 l (22,5% do peso corporal) e plasma circulante & # x022483 l (4,5% do peso corporal). As células são banhadas em líquido intersticial (ISF), mas o volume do líquido intersticial é apenas um pouco mais da metade do volume do líquido intracelular. Assim, o ISF não pode ser considerado um grande reservatório de fluido e sua composição é diretamente influenciada pelo metabolismo celular.

Um organismo se depara com o seguinte problema: Como a composição do ISF pode ser mantida próxima de seu valor desejado? A solução para este problema é introduzir um sistema circulatório que continuamente atualiza o ISF, colocando-o em contato íntimo com o fluido & # x0201cfresh, recondicionado & # x0201d (ou seja, sangue arterial). O sangue circulante deve ser aproximado das células (& # x00026 # 6010 & # x003bcm), uma vez que a troca de nutrientes e resíduos metabólicos ocorre por difusão passiva, um mecanismo de transporte mais eficiente em curtas distâncias. Assim, o sistema cardiovascular usa o bulk flow (convecção) para reduzir a distância efetiva entre a ação de bombeamento do coração e as várias partes de um organismo.

Para que este sistema seja prático e faça seu trabalho com eficiência, duas condições importantes devem ser satisfeitas: (1) deve haver fluxo sanguíneo adequado através dos menores vasos sanguíneos, capilares, que estão em contato com as células que compõem um tecido e ( 2) a composição química do sangue recebido deve ser controlada para ser a desejada no ISF. O projeto e a operação do sistema cardiovascular atendem a essas condições. Duas funções importantes do sistema cardiovascular são mover o material (o portador é o sangue) e mover o calor (o metabolismo do tecido gera calor que deve ser trazido do núcleo do corpo para o leito vascular cutâneo em sua superfície, de onde é irradiado do corpo corpo).


Anatomia Simples da Retina por Helga Kolb

Quando um oftalmologista usa um oftalmoscópio para examinar seu olho, ele vê a seguinte visão da retina (Fig. 1).

No centro da retina está o nervo óptico, uma área circular a oval branca medindo cerca de 2 x 1,5 mm de diâmetro. Do centro do nervo óptico irradiam os principais vasos sanguíneos da retina. Aproximadamente 17 graus (4,5-5 mm), ou dois diâmetros de disco e meio à esquerda do disco, pode ser visto a mancha avermelhada sem vasos sanguíneos, de forma ligeiramente oval, a fóvea, que está no centro da área conhecida como mácula pelos oftalmologistas.

Fig. 1. Retina vista através de um oftalmoscópio
CLIQUE AQUI para ver uma animação (da íris à retina) (filme Quicktime)

Um campo circular de aproximadamente 6 mm ao redor da fóvea é considerado a retina central, enquanto além disso está a retina periférica que se estende até a ora serrata, a 21 mm do centro da retina (fóvea). A retina total é um disco circular de 30 a 40 mm de diâmetro (Polyak, 1941 Van Buren, 1963 Kolb, 1991).

Fig. 1.1. Uma seção esquemática do olho humano com uma ampliação esquemática da retina

A retina tem aproximadamente 0,5 mm de espessura e reveste a parte posterior do olho. O nervo óptico contém os axônios das células ganglionares que vão para o cérebro e, além disso, os vasos sanguíneos que se abrem para a retina para vascularizar as camadas retinais e os neurônios (Fig. 1.1). Uma seção radial de uma parte da retina revela que as células ganglionares (os neurônios de saída da retina) estão localizadas na parte interna da retina, mais perto do cristalino e na frente do olho, e os fotossensores (os bastonetes e cones) estão na parte externa do retina contra o epitélio pigmentar e coróide. A luz deve, portanto, viajar através da espessura da retina antes de atingir e ativar os bastonetes e cones (Fig. 1.1). Posteriormente, a absorção de fótons pelo pigmento visual dos fotorreceptores é traduzida primeiro em uma mensagem bioquímica e, em seguida, em uma mensagem elétrica que pode estimular todos os neurônios subsequentes da retina. A mensagem retiniana relativa à entrada fótica e alguma organização preliminar da imagem visual em várias formas de sensação são transmitidas ao cérebro a partir do padrão de descarga de pico das células ganglionares.

Um diagrama de fiação simplista da retina enfatiza apenas os fotorreceptores sensoriais e as células ganglionares com alguns interneurônios conectando os dois tipos de células, como visto na Figura 2.

Quando um anatomista faz uma seção vertical da retina e a processa para exame microscópico, torna-se óbvio que a retina é muito mais complexa e contém muito mais tipos de células nervosas do que o esquema simplista (acima) havia indicado. É imediatamente óbvio que existem muitos interneurônios compactados na parte central da seção da retina entre os fotorreceptores e as células ganglionares (Fig. 3).

Todas as retinas de vertebrados são compostas por três camadas de corpos celulares nervosos e duas camadas de sinapses (Fig. 4). A camada nuclear externa contém corpos celulares dos bastonetes e cones, a camada nuclear interna contém corpos celulares das células bipolares, horizontais e amácrinas e a camada de células ganglionares contém corpos celulares de células ganglionares e células amácrinas deslocadas. Dividindo essas camadas de células nervosas, há dois neurópilos onde ocorrem os contatos sinápticos (Fig. 4).

A primeira área do neurópilo é a camada plexiforme externa (OPL), onde ocorrem as conexões entre os bastonetes e os cones e as células bipolares que funcionam verticalmente e as células horizontais orientadas horizontalmente (Figs. 5 e 6).

Fig. 5. Bloco 3D da retina com OPL destacado
Fig. 6. Micrografia de luz de uma seção vertical através do OPL

O segundo neurópilo da retina, é a camada plexiforme interna (IPL), e funciona como uma estação retransmissora para as células nervosas portadoras de informações verticais, as células bipolares, para se conectar às células ganglionares (Figs. 7 e 8). Além disso, diferentes variedades de células amacrinas direcionadas horizontal e verticalmente, de alguma forma interagem em outras redes para influenciar e integrar os sinais das células ganglionares. É no ponto culminante de todo esse processamento neural na camada plexiforme interna que a mensagem relativa à imagem visual é transmitida ao cérebro ao longo do nervo óptico.

Fig. 7. Bloco 3-D da retina com IPL destacado
Fig. 8. Micrografia de luz de uma seção vertical através do IPL

2. Comparação da retina central e periférica.

A retina central próxima à fóvea é consideravelmente mais espessa do que a retina periférica (compare as Figs. 9 e 10). Isso se deve ao aumento da densidade de empacotamento de fotorreceptores, particularmente os cones, e suas células bipolares e ganglionares associadas na retina central em comparação com a retina periférica.

Fig. 9. Micrografia de luz de uma seção vertical através da retina central humana
Fig. 10. Micrografia de luz de uma seção vertical através da retina periférica humana
  • A retina central é a retina dominada por cones, enquanto a retina periférica é dominada por bastonetes. Assim, na retina central, os cones estão bem espaçados e os bastonetes em menor número entre os cones (Figs. 9 e 10).
  • A camada nuclear externa (ONL), composta pelos corpos celulares dos bastonetes e cones, tem aproximadamente a mesma espessura na retina central e periférica. No entanto, na periferia, os corpos celulares dos bastonetes superam os corpos celulares do cone, enquanto o inverso é verdadeiro para a retina central. Na retina central, os cones possuem axônios oblíquos deslocando seus corpos celulares de seus pedículos sinápticos na camada plexiforme externa (LPO). Esses axônios oblíquos com processos de células de Muller que os acompanham formam uma área de aparência fibrosa com coloração clara, conhecida como camada de fibra de Henle. A última camada está ausente na retina periférica.
  • A camada nuclear interna (INL) é mais espessa na área central da retina em comparação com a retina periférica, devido a uma maior densidade de neurônios de segunda ordem de conexão cônica (células bipolares em cone) e células horizontais de campo menor e mais próximas. e células amácrinas relacionadas com as vias do cone (Fig. 9). Como veremos mais tarde, os circuitos dos neurônios conectados por cones são menos convergentes, pois menos cones colidem com os neurônios de segunda ordem do que os bastonetes em vias conectadas aos bastões.
  • Uma diferença notável entre a retina central e periférica pode ser vista nas espessuras relativas das camadas plexiformes internas (IPL), camadas de células ganglionares (GCL) e camada de fibra nervosa (NFL) (Figs. 9 e 10). Isto é novamente devido ao maior número e densidade de empacotamento aumentada de células ganglionares necessárias para as vias do cone na retina foveal dominante em cone em comparação com a retina periférica dominante em bastonete. O maior número de células ganglionares significa mais interação sináptica em um IPL mais espesso e maior número de axônios de células ganglionares que seguem para o nervo óptico na camada de fibra nervosa (Fig. 9).

3. Células gliais de Muller.

Fig. 11. Vista vertical das células gliais de Muller coradas com Golgi

As células de Muller são as células gliais radiais da retina (Fig. 11). A membrana limitante externa (OLM) da retina é formada a partir de junções aderentes entre as células de Muller e os segmentos internos das células fotorreceptoras. A membrana limitante interna (ILM) da retina é igualmente composta de pés terminais da célula de Muller em contato lateral e constituintes da membrana basal associados.

O LMO forma uma barreira entre o espaço sub-retiniano, no qual os segmentos interno e externo dos fotorreceptores se projetam para estar em estreita associação com a camada epitelial pigmentar atrás da retina e a retina neural propriamente dita. O ILM é a superfície interna da retina que faz fronteira com o humor vítreo e, portanto, forma uma barreira de difusão entre a retina neural e o humor vítreo (Fig. 11).

Por toda a retina, os principais vasos sanguíneos da vasculatura retiniana suprem os capilares que correm para o tecido neural. Os capilares são encontrados em todas as partes da retina, desde a camada de fibras nervosas até a camada plexiforme externa e, mesmo ocasionalmente, tão alto quanto na camada nuclear externa. Nutrientes da vasculatura dos coriocapilares (cc) atrás da camada de epitélio pigmentar suprem a delicada camada de fotorreceptores.

4. Estrutura foveal.

O centro da fóvea é conhecido como fosseta foveal (Polyak, 1941) e é uma região altamente especializada da retina, diferente da retina central e periférica que consideramos até agora. As seções radiais desta pequena região circular da retina medindo menos de um quarto de milímetro (200 mícrons) de diâmetro são mostradas abaixo para humanos (Fig. 12a) e para macacos (Fig.12b).

Fig. 12a. Seção vertical da fóvea humana de Yamada (1969)
Fig. 12b. Seção vertical da fóvea de macaco de Hageman e Johnson (1991)

A fóvea fica no meio da área da mácula da retina, no lado temporal da cabeça do nervo óptico (Fig. 13a, A, B). É uma área onde os fotorreceptores cone estão concentrados em densidade máxima, com exclusão dos bastonetes, e dispostos em sua densidade de empacotamento mais eficiente que é um mosaico hexagonal. Isso é visto mais claramente em uma seção tangencial através dos segmentos internos do cone foveal (Fig. 13b).

Fig. 13. Seção tangencial através da fóvea humana

Abaixo dessa fossa foveal central de 200 mícrons de diâmetro, as outras camadas da retina são deslocadas concentricamente, deixando apenas a folha mais fina da retina consistindo de células em cone e alguns de seus corpos celulares (lados direito e esquerdo das Figs. 12a e 12b). Isso é particularmente bem visto em imagens de tomografia de coerência óptica (OCT) do olho vivo e da retina (Fig. 13a, B). A estratificação radialmente distorcida, mas completa, da retina, então aparece gradualmente ao longo do declive foveal até que a borda da fóvea seja composta de neurônios deslocados de segunda e terceira ordem relacionados aos cones centrais. Aqui, as células ganglionares são empilhadas em seis camadas, formando essa área, chamada de borda foveal ou parafóvea (Polyak, 1941), a porção mais espessa de toda a retina.

5. Macula lutea.

Toda a área foveal, incluindo fosseta foveal, declive foveal, parafovea e perifovea, é considerada a mácula do olho humano. Familiar aos oftalmologistas é uma pigmentação amarela da área macular conhecida como mácula lútea (Fig. 14).

Essa pigmentação é o reflexo dos pigmentos de peneiramento amarelos, os carotenóides xantofila zeaxantina e luteína (Balashov e Bernstein, 1998), presentes nos axônios do cone da camada de fibra de Henle. Acredita-se que a mácula lútea atue como um filtro de comprimento de onda curto, adicional ao fornecido pela lente (Rodieck, 1973). Como a fóvea é a parte mais essencial da retina para a visão humana, os mecanismos de proteção para evitar a luz brilhante e especialmente os danos da radiação ultravioleta são essenciais. Pois, se os delicados cones de nossa fóvea forem destruídos, ficamos cegos.

Fig. 14. Aparência oftalmoscópica da retina para mostrar a mácula lútea
Fig. 15. Corte vertical através da fóvea do macaco para mostrar a distribuição da mácula lútea. De Snodderly et al., 1984

O pigmento amarelo que forma a mácula lútea na fóvea pode ser claramente demonstrado pela visualização de uma seção da fóvea no microscópio com luz azul (Fig. 15). O padrão escuro na fosseta foveal estendendo-se até a borda do declive foveal é causado pela distribuição do pigmento macular (Snodderly et al., 1984).

Se alguém visse o mosaico do fotorreceptor foveal como se os pigmentos visuais nos cones individuais não tivessem sido branqueados, veria a imagem mostrada na Figura 16 (quadro inferior) (imagem de Lall e Cone, 1996). Os cones sensíveis de comprimento de onda curto na encosta foveal parecem verde amarelo pálido, os cones de comprimento de onda médio são rosa e os cones sensíveis de comprimento de onda longo são roxos. Se agora adicionarmos o efeito do pigmento de proteção amarelo da mácula lútea, veremos a aparência do mosaico de cones na Figura 16 (quadro superior). A mácula lútea ajuda a aumentar a resolução acromática dos cones foveais e bloqueia a radiação ultravioleta prejudicial (Fig. 16 de Abner Lall e Richard Cone, dados não publicados).

6. Camada de fibra de células ganglionares.

Os axônios das células ganglionares correm na camada de fibra nervosa acima da membrana limitante interna em direção à cabeça do nervo óptico em uma forma arqueada (Fig. 00, fluxo de fibras rosa). A fóvea está, naturalmente, livre de uma camada de fibra nervosa à medida que a retina interna e as células ganglionares são empurradas para o declive foveal. As fibras das células ganglionares centrais percorrem o declive foveal e se estendem na direção do nervo óptico. Os axônios das células ganglionares periféricas continuam este curso de arco para o nervo óptico com uma divisão dorso / ventral ao longo do meridiano horizontal (Fig. 00). A topografia retiniana é mantida no nervo óptico, através do geniculado lateral até o córtex visual.

7. Suprimento de sangue para a retina.

Existem duas fontes de suprimento de sangue para a retina dos mamíferos: a artéria retiniana central e os vasos sanguíneos da coróide. A coróide recebe o maior fluxo sanguíneo (65-85%) (Henkind et al., 1979) e é vital para a manutenção da retina externa (particularmente os fotorreceptores) e os 20-30% restantes fluem para a retina através do centro artéria retiniana da cabeça do nervo óptico para nutrir as camadas retinianas internas. A artéria retiniana central possui 4 ramos principais na retina humana (Fig. 17).

Fig. 17. Fotografia do fundo mostrando imagens de fluoresceína das principais artérias e veias em uma retina normal do olho direito humano.Os vasos emergem da cabeça do nervo óptico e correm de maneira radial curvando-se em direção e ao redor da fóvea (asterisco na fotografia) (Imagem cortesia de Isabel Pinilla, Espanha)

Os ramos intrarretinais arteriais então fornecem três camadas de redes capilares, ou seja, 1) os capilares peripapilares radiais (RPCs) e 2) uma camada interna e 3) uma camada externa de capilares (Fig. 18a). As vênulas pré-capilares drenam para as vênulas e, através do sistema venoso correspondente, para a veia retiniana central (Fig. 18b).

Fig. 18a. Vista plana da retina de um rato corada com NADPH-diaforase ao nível do foco de uma artéria principal e arteríolas. (Cortesia de Toby Holmes, Moran Eye Center)
Fig. 18b. Vista plana da retina de um rato corada com NADPH-diaforase ao nível do foco de uma veia principal e vênulas. (Cortesia de Toby Holmes, Moran Eye Center)

Os capilares peripapilares radiais (RPCs) são a camada mais superficial de capilares situados na parte interna da camada de fibra nervosa e correm ao longo dos caminhos dos principais vasos superotemporais e inferotemporais 4-5 mm do disco óptico (Zhang, 1994) . Os RPCs se anatomiam entre si e com os capilares mais profundos. Os capilares internos situam-se nas camadas de células ganglionares sob e paralelas aos RPCs. A rede capilar externa vai da camada plexiforme interna à camada plexiforme externa, embora seja a camada nuclear interna (Zhang, 1974).

Como será observado na angiografia de fluoresceína da Figura 17, existe um anel de vasos sanguíneos na área macular ao redor de uma zona livre de vasos sanguíneos e capilares de 450-600 um de diâmetro, denotando a fóvea. Os vasos maculares surgem de ramos das artérias temporal superior e inferotemporal. Na borda da zona avascular, os capilares se tornam duas camadas e, finalmente, se unem como um anel de uma única camada. As vênulas coletoras são mais profundas (posteriores) às arteríolas e drenam o fluxo sanguíneo de volta para as veias principais (Fig. 19, de Zhang, 1974). No macaco rhesus, esse anel perimacular e a fóvea livre de vasos sanguíneos são claramente vistos nos belos desenhos feitos pelo grupo de Max Snodderly & # 8217s (Fig. 20, Sodderly et al., 1992.)

Fig. 19. Os vasos maculares do olho do macaco formam um anel ao redor da fóvea avascular (estrela) (de Zhang, 1994)
Fig. 20. Diagrama da vasculatura retiniana ao redor da fóvea no macaco rhesus, derivado de mais de 80 campos de microscópio. (De Snodderly et al., 1992)

As artérias coróides surgem de artérias ciliares posteriores longas e curtas e ramos do círculo de Zinn & # 8217s (ao redor do disco óptico). Cada uma das artérias ciliares posteriores se divide em lóbulos de capilares em forma de leque que suprem regiões localizadas da coróide (Hayreh, 1975). A área macular dos vasos coroidais não é especializada como o suprimento de sangue da retina (Zhang, 1994). As artérias perfuram a esclera ao redor do nervo óptico e se espalham para formar as três camadas vasculares da coróide: camadas externas (mais esclerais), mediais e internas (membrana de Bruchs mais próxima do epitélio pigmentar) de vasos sanguíneos. Isso é claramente mostrado no molde de corrosão de uma face cortada da coróide humana na Figura 21a (Zhang, 1974). Os lóbulos venosos correspondentes drenam para as vênulas e veias que correm anteriormente em direção ao equador do globo ocular para entrar nas veias de vórtice (Fig. 21b). Uma ou duas veias de vórtice drenam cada um dos 4 quadrantes do globo ocular. As veias de vórtice penetram na esclera e se fundem na veia oftálmica, conforme mostrado no molde de corrosão da Figura 21b (Zhang. 1994).

Fig. 21a. As três camadas vasculares na coróide: artérias externas e veias (seta vermelha / azul), arteríolas e vênulas mediais (seta vermelha) e leito capilar interno (estrela amarela. Molde de corrosão de uma face cortada da coróide humana (De Zhang, 1994 )
Fig. 21b. Molde de corrosão da parte superior das costas do olho humano com a esclera removida. As veias de vórtice coletam o sangue do equador do olho e se fundem com a veia oftálmica. (De Zhang, 1994).

8. Doenças degenerativas da retina humana.

A retina humana é uma organização delicada de neurônios, glias e vasos sanguíneos nutritivos. Em algumas doenças oculares, a retina fica danificada ou comprometida, e alterações degenerativas que podem causar sérios danos às células nervosas que transportam as mensagens vitais sobre a imagem visual para o cérebro. Indicamos quatro condições diferentes em que a retina está doente e a cegueira pode ser o resultado final. Muito mais informações sobre a patologia de todo o olho e retina podem ser encontradas em um site feito pelo patologista oftalmológico Dr. Nick Mamalis, Moran Eye Center.

Fig. 22. Visão do fundo do olho e da retina em um paciente com degeneração macular relacionada à idade.
Fig. 23. Visão do fundo do olho e da retina em um paciente com glaucoma avançado.

A degeneração macular relacionada à idade é um problema retiniano comum do envelhecimento ocular e uma das principais causas de cegueira no mundo. A área macular e a fóvea ficam comprometidas devido ao epitélio pigmentar atrás da retina degenerando e formando drusas (manchas brancas, Fig. 22) e permitindo o vazamento de líquido atrás da fóvea. Os cones da fóvea morrem causando perda visual central, portanto não podemos ler ou ver os detalhes.

O glaucoma (Fig. 23) também é um problema comum no envelhecimento, quando a pressão dentro do olho aumenta. A pressão aumenta porque a câmara anterior do olho não consegue trocar o fluido adequadamente pelos métodos normais de fluxo aquoso. A pressão dentro da câmara vítrea aumenta e compromete os vasos sanguíneos da cabeça do nervo óptico e, eventualmente, os axônios das células ganglionares, de modo que essas células vitais morrem. O tratamento para reduzir a pressão intraocular é essencial no glaucoma.

Fig. 24. Uma visão do fundo do olho e da retina em um paciente com retinite pigmentosa
Fig. 25. Uma visão do fundo do olho e da retina em um paciente com retinopatia diabética avançada

A retinite pigmentosa (Fig. 24) é uma doença hereditária da retina para a qual não há cura no momento. Ele vem em muitas formas e consiste em um grande número de mutações genéticas atualmente sendo analisadas. A maioria dos genes defeituosos que foram descobertos diz respeito aos fotorreceptores de bastonetes. Os bastonetes da retina periférica começam a degenerar nos estágios iniciais da doença. Os pacientes tornam-se gradualmente cegos à medida que mais e mais partes da retina periférica (onde residem os bastonetes) são danificadas. Evidentemente, os pacientes são reduzidos à visão de túnel, com apenas a fóvea poupada do processo da doença. A patologia característica é a ocorrência de pigmento preto na retina periférica e vasos sanguíneos adelgaçados na cabeça do nervo óptico (Fig. 24).

A retinopatia diabética é um efeito colateral do diabetes que afeta a retina e pode causar cegueira (Fig. 25). Os vasos sanguíneos do olho, que nutrem a vitalidade, ficam comprometidos, distorcidos e se multiplicam de maneiras incontroláveis. O tratamento a laser para interromper a proliferação de vasos sanguíneos e o vazamento de fluido para a retina é o tratamento mais comum atualmente.

9. Referências.

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Harrington, D.O. e Drake, M.V. (1990) The Visual Fields, 6ª ed. Mosby. São Luís.

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Rodieck RW. A retina dos vertebrados: princípios de estrutura e função. São Francisco: W.H. Freeman and Company 1973.

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Van Buren JM. A camada de células ganglionares da retina. Springfield (IL): Charles C. Thomas 1963.

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Para baixo para a contagem: tolerância à hipóxia no cérebro de tartaruga de água doce

Entre os mais robustos dos vertebrados tolerantes à hipóxia está a tartaruga de água doce Scripta de Trachemys, que pode resistir à anóxia completa por dias em temperatura ambiente a semanas em hibernação de inverno (Jackson e Ultsch, 2010), mesmo em temperatura ambiente, 24 h de anóxia e reoxigenação resultam em nenhuma perda evidente de neurônios (Fig. 1). A tolerância à hipóxia em espécies de tartarugas não é uma questão de ectotermia em si, mas é devido a adaptações específicas relacionadas ao habitat: tartarugas aquáticas com faixas ao norte são mais tolerantes à anóxia do que animais do sul, mesmo dentro de uma única espécie (provavelmente devido à necessidade de sobreviver períodos potencialmente longos sob gelo ou em lama hipóxica) (Ultsch, 2006). Curiosamente, embora os filhotes de muitas espécies de tartarugas sobrevivam no ninho em seu primeiro inverno através da tolerância ao congelamento (Storey, 2006) ou super-resfriamento (Packard e Packard, 2003), em geral os filhotes são muito menos capazes de tolerar a submersão anóxica do que os adultos ( Reese et al., 2004). Foi sugerido que isso se deve ao desenvolvimento incompleto da casca, pois a casca é importante para o tamponamento do lactato (Ultsch, 2006). No entanto, o desenvolvimento da tolerância à anoxia é desconhecido, pois apenas os estágios de incubação e adulto foram estudados.

Análise do córtex da tartaruga para danos neuronais. (A – C) Coloração com Cresyl Violet. (D – I) Marcação imunológica para o marcador neuronal NeuN (D – F) e o marcador glial GFAP (G – I). Seções de tecido foram examinadas de animais tratados como segue: (A, D, G) Controle (B, E, H) anóxia (C, F, I) anóxia seguida por 3 dias de sobrevivência. Observe a preservação da banda de células neuronais em todos os pontos de tempo em amostras coradas com Cresyl Violet e com NeuN-immunolabeled. Os sinais de GFAP não aumentaram em 3 dias. Barra de escala: 200 μm para todos. [Figura reimpressa de Kesaraju et al. (Kesaraju et al., 2009), com permissão.]

Análise do córtex da tartaruga para danos neuronais. (A – C) Coloração com Cresyl Violet. (D – I) Marcação imunológica para o marcador neuronal NeuN (D – F) e o marcador glial GFAP (G – I). Seções de tecido foram examinadas de animais tratados como segue: (A, D, G) Controle (B, E, H) anóxia (C, F, I) anóxia seguida por 3 dias de sobrevivência. Observe a preservação da banda de células neuronais em todos os pontos de tempo em amostras coradas com Cresyl Violet e com NeuN-immunolabeled. Os sinais de GFAP não aumentaram em 3 dias. Barra de escala: 200 μm para todos. [Figura reimpressa de Kesaraju et al. (Kesaraju et al., 2009), com permissão.]

Tal como acontece com alguns dos outros modelos discutidos nesta revisão, um mecanismo para estender a sobrevivência anóxica é a entrada em um estado de profundo hipo-metabolismo reversível, a demanda de energia é reduzida para atender a energia fornecida pela glicólise anaeróbica. Os processos que demandam energia são bastante suprimidos no cérebro da tartaruga, incluindo diminuições na liberação de neurotransmissores excitatórios (Milton e Lutz, 1998 Milton et al., 2002 Thompson et al., 2007) e aumento da inibição neural (Lutz e Manuel, 1999 Nilsson e Lutz , 1991 Nilsson e Lutz, 1992). A diminuição da permeabilidade do íon (interrupção do canal) e a supressão dos potenciais de ação (interrupção do pico) também contribuem para uma economia significativa de energia. Juntas, as reduções no fluxo de íons e na liberação de neurotransmissores resultam em um "coma" reversível de atividade elétrica cerebral muito reduzida (Fernandes et al., 1997). A síntese de proteínas é inibida (Fraser et al., 2001), talvez por meio de mecanismos epigenéticos (Biggar e Storey, 2012 Krivoruchko e Storey, 2010a), a fosforilação-desfosforilação de proteínas regulatórias (Rider et al., 2009) ou por meio da parada do ciclo celular (Zhang et al., 2013).

Canais de íons e neurotransmissores

Trabalhos recentes mostraram que muitas dessas adaptações estão interligadas, especialmente as interações entre o equilíbrio dos neurotransmissores e vários canais iônicos, com efeitos múltiplos e aparentemente redundantes. Por exemplo, o ácido gama-aminobutírico (GABA) induz reduções semelhantes à anóxia na atividade do potencial pós-sináptico excitatório (EPSP) no cérebro de tartaruga normóxica, aparentemente pela inibição pré-sináptica da liberação de glutamato. O GABA também diminui a corrente iônica por meio dos receptores glutamatérgicos NMDA e AMPA (Pamenter et al., 2012), de modo que o estímulo necessário para gerar um potencial de ação aumenta mais de 20 vezes (Fig. 2). No entanto, a excitotoxicidade dependente do receptor NMDA (NMDAR) também é suprimida pelos receptores δ-opioides (Pamenter e Buck, 2008), que existem em densidade surpreendentemente alta no cérebro da tartaruga (Xia e Haddad, 2001), e auxiliam na resistência ao glutamato e estresse hipóxico em mamíferos (Zhang et al., 2000). As correntes do receptor AMPA, por sua vez, também são reduzidas pela ativação dos canais mitocondriais de K + dependentes de ATP (Zivkovic e Buck, 2010), que por sua vez também reduzem a liberação de glutamato e dopamina no início da anóxia (Milton e Lutz, 2005 Milton et al., 2002). Em exposições anóxicas mais longas, a liberação de glutamato é suprimida pela adenosina e GABA (Thompson et al., 2007). A adenosina, por sua vez, afeta a parada do canal (Pék e Lutz, 1997 Pérez-Pinzón et al., 1993), liberação de dopamina (Milton e Lutz, 2005 Milton et al., 2002), correntes NMDAR (Buck e Bickler, 1998) e sangue cerebral fluxo (Hylland et al., 1994).

Neuroproteção a nível molecular

Apesar das muitas vias destinadas à supressão metabólica, trabalhos recentes mostraram que uma variedade de mecanismos de proteção são ativados em nível molecular no cérebro de tartaruga anóxica. Estes incluem aumentos nas proteínas de choque térmico, fatores anti-apoptóticos, as quinases MAP, antioxidantes e modulação da via do p53. Curiosamente, muitos desses fatores podem não apenas proteger contra danos em condições anóxicas, mas também melhorar o estresse oxidativo quando o oxigênio é restaurado.

O potencial de membrana neuronal cortical (mV) tratado com uma solução de simulação isquêmica despolariza para EGABA. Painel superior: resumo do limite de potencial de ação (AP) (AP)º) de neurônios estimulados tratados como indicado. Os PAs não puderam ser obtidos durante o tratamento com IS (solução isquêmica). Painel inferior: gravações de amostra de APs evocados registrados durante o controle de linha de base (i), perfusão IS (ii) e reperfusão normóxica (iii). [Adaptado de Pamenter et al. (Pamenter et al., 2012) reimpresso com permissão da Macmillan Publishers Ltd.]

O potencial de membrana neuronal cortical (mV) tratado com uma solução de simulação isquêmica despolariza para EGABA. Painel superior: resumo do limite de potencial de ação (AP) (AP)º) de neurônios estimulados tratados como indicado. Os PAs não puderam ser obtidos durante o tratamento com IS (solução isquêmica). Painel inferior: gravações de amostra de PAs evocados registrados durante o controle de linha de base (i), perfusão IS (ii) e reperfusão normóxica (iii). [Adaptado de Pamenter et al. (Pamenter et al., 2012) reimpresso com permissão da Macmillan Publishers Ltd.]

A indução das proteínas de choque térmico (HSPs) é uma das primeiras linhas de defesa contra o estresse fisiológico, deslocando o equilíbrio celular da apoptose para a sobrevivência (Lanneau et al., 2008 Obrenovitch, 2008). Embora seus papéis específicos na tolerância à anoxia em tartarugas ainda sejam desconhecidos, as HSPs aumentam em vários órgãos. Krivoruchko e Storey relataram elevações de duas a três vezes em várias HSPs no músculo esquelético, juntamente com aumentos no fator de transcrição de choque térmico 1 (HSF1) e na translocação nuclear de HSF1 no coração e músculo (Krivoruchko e Storey, 2010b). No cérebro, aumentos de Hsp72 e Hsc73 foram relatados pela primeira vez por Prentice et al. (Prentice et al., 2004). O aumento do cognato de choque térmico Hsc73 foi um novo achado, pois esta é uma das proteínas intracelulares mais abundantes em mamíferos, mas é considerada não responsiva ao estresse (Snoeckx et al., 2001). Também foi surpreendente os níveis normóxicos prontamente detectáveis ​​de Hsp72, porque em mamíferos ela é essencialmente indetectável sob condições de controle (Snoeckx et al., 2001). Trabalhos adicionais mostraram altos níveis basais de numerosas HSPs no cérebro (Kesaraju et al., 2009) e outros órgãos (Stecyk et al., 2012) e sua rápida regulação positiva na anoxia. Algumas HSPs continuam a aumentar ao longo de 24 horas a anóxia no cérebro de mamíferos, estas estão associadas principalmente à glia, levando à especulação de que no cérebro de tartarugas os astrócitos podem desempenhar um papel significativo durante a anóxia, mesmo que os neurônios desliguem grande parte de sua função (Kesaraju et al., 2009).

Os altos níveis normóxicos de HSPs e o rápido aumento em resposta ao baixo oxigênio levaram à sugestão de que as tartarugas mostram essencialmente 'pré-condicionamento constitutivo' em face da anóxia, com altos níveis de proteína basal capazes de responder imediatamente ao estresse celular (Prentice et al., 2004). Curiosamente, Stecyk et al. os níveis de HSP relatados também são aumentados por temperaturas frias, hipotetizando que as tartarugas passarão por temperaturas de inverno antes que seus lagos congelem e, portanto, o frio pode prepará-las ainda mais para a anóxia antes que os níveis de oxigênio estejam totalmente esgotados (Stecyk et al., 2012).

A citoproteção de Hsp72 pode ocorrer através da inibição das vias de morte celular apoptótica e necrótica (Giffard et al., 2008), com destino celular decidido pelo equilíbrio entre as proteínas de estresse e a via apoptótica (Beere, 2001), especialmente os níveis de Bcl-2 e Bax. No cérebro de tartaruga, a razão Bcl-2: Bax é mantida (Kesaraju et al., 2009) ou ligeiramente elevada (Nayak et al., 2011), em contraste com a hipóxia e isquemia em mamíferos, onde aumenta em Bax e diminui em Bcl- 2 inclinar a célula para a apoptose (Feldenberg et al., 1999). No cérebro de tartaruga, o equilíbrio das vias pró-morte e sobrevivência também pode ser afetado por fatores como o p53 e as quinases MAP.

O fator de transcrição p53 regula o ciclo celular, metabolismo energético, reparo de danos ao DNA e apoptose (Zhang et al., 2010), e é responsivo ao estresse celular. O p53 é ativado por estresse metabólico, em parte por meio da proteína quinase ativada por AMP (AMPK) (Vousden e Ryan, 2009 Zhang et al., 2010), que aumenta no músculo branco da tartaruga anóxica (Rider et al., 2009).Além disso, um estudo recente do regulador de apoptose e glicólise induzida por Tp53 alvo p53 (TIGAR) mostrou que a ativação reduziu a geração de espécies reativas de oxigênio (ROS) e níveis elevados de glutationa reduzida (Wanka et al., 2012). Como a regulação negativa das vias de energia e a proteção contra a morte celular e o estresse oxidativo são marcas da tolerância à anóxia, não é surpreendente encontrar evidências de ativação de p53 na tartaruga (Zhang et al., 2013). Curiosamente, também há interferência entre o p53 e a via da fosfoinositídeo 3-quinase-proteína quinase B (PI3K / AKT) (Ladelfa et al., 2011), que é regulada positivamente no cérebro de tartaruga anóxica (Milton et al., 2008 Nayak et al., 2011).

PI3K / AKT ativada e quinase regulada extracelular (ERK1 / 2), geralmente considerada citoprotetora, aumento de neurônios de tartaruga na Vivo (Milton et al., 2008) e em vitro (Nayak et al., 2011), assim como Bcl-2. Acredita-se que AKT funcione em parte por meio de interações com a família de proteínas Bcl-2 (Wang et al., 2007) e, como ocorre com outros componentes da sobrevivência anóxica, essas vias estão ligadas a aumentos de adenosina. O bloqueio do receptor de adenosina A1 (A1R) impede sua regulação positiva e aumenta os níveis dos fatores pró-apoptóticos JNK, p38MAPK e Bax (Nayak et al., 2011).

Mecanismos de sobrevivência anóxicos também reduzem o dano de ROS

Ao contrário do cérebro dos mamíferos, que mostra uma superprodução de espécies reativas de oxigênio (ROS) após hipóxia ou isquemia / reperfusão (Hashimoto et al., 2003), o cérebro da tartaruga parece suprimir a produção de ROS após a reoxigenação (Milton et al., 2007 Pamenter et al., 2007). Tal como acontece com outros mecanismos de proteção, a adenosina também afeta a produção de ROS durante a reoxigenação (Fig. 3). O bloqueio dos receptores de adenosina A1 aumenta a liberação de ROS e a morte celular (Milton et al., 2007), apesar dos altos níveis de antioxidantes (Pérez-Pinzón e Rice, 1995 Rice et al., 1995 Willmore e Storey, 1997 Willmore e Storey, 2007). Os efeitos da adenosina nas ROS podem ocorrer em parte por meio do Bcl-2, pois a superexpressão diminui a morte celular durante o estresse oxidativo, aumentando os níveis de antioxidantes e suprimindo os radicais livres (Lee et al., 2001). Trabalhos recentes no laboratório de Milton também mostraram que o Hsp72 está envolvido na redução da produção de ROS (dados não publicados). Ao afetar partes da via apoptótica e, possivelmente, a estabilidade mitocondrial, então, os aumentos em Bcl-2, ERK1 / 2, AKT e certas HSPs também podem diminuir o estresse oxidativo durante o período de recuperação, quando a produção de ROS pode, de outra forma, sobrecarregar até mesmo a alta níveis de antioxidantes no cérebro da tartaruga.

Um antioxidante potencial recentemente descoberto na tartaruga é a neuroglobina (Burmester et al., 2000), que também foi estudada em outros modelos de tolerância à hipóxia (Avivi et al., 2010 Mitz et al., 2009 Roesner et al., 2008 Schneuer et al., 2012). A neuroglobina é fortemente regulada positivamente tanto na hipóxia quanto na reoxigenação na tartaruga (Milton et al., 2006 Nayak et al., 2009), e a diminuição da expressão de neuroglobina com siRNA específico da tartaruga duplica a liberação de ROS na reoxigenação. No entanto, isso não aumenta a morte celular, então parece que os neurônios da tartaruga estão suficientemente protegidos por outros mecanismos para suportar um aumento de duas vezes nas ROS (Nayak et al., 2009), papéis adicionais para a neuroglobina no cérebro da tartaruga não foram investigados.

H2O2 concentração no meio de culturas de células primárias enriquecidas neuronalmente tratadas com o agonista de adenosina 2-cloro-N6-ciclopentiladenosina (CCPA) ou antagonista 8-ciclopentil-1,3-dipropilxantina (DPCPX). Anoxia por 4 h diminuiu significativamente a produção de ROS, exceto em células tratadas com DPCPX. A reoxigenação aumentou a produção de ROS apenas para níveis normóxicos nos controles, enquanto o CCPA reduziu e o DPCPX aumentou a produção de ROS. Os asteriscos indicam uma diferença significativa das células normóxicas, *P& lt0,05, **P& lt0.01. Os dados são médias ± s.e.m., N= 3 experimentos / grupo independentes. [Figura adaptada de Milton et al. (Milton et al., 2007), com permissão.]

H2O2 concentração no meio de culturas de células primárias enriquecidas neuronalmente tratadas com o agonista de adenosina 2-cloro-N6-ciclopentiladenosina (CCPA) ou antagonista 8-ciclopentil-1,3-dipropilxantina (DPCPX). Anoxia por 4 h diminuiu significativamente a produção de ROS, exceto em células tratadas com DPCPX. A reoxigenação aumentou a produção de ROS apenas para níveis normóxicos nos controles, enquanto o CCPA reduziu e o DPCPX aumentou a produção de ROS. Os asteriscos indicam uma diferença significativa das células normóxicas, *P& lt0,05, **P& lt0.01. Os dados são médias ± s.e.m., N= 3 experimentos / grupo independentes. [Figura adaptada de Milton et al. (Milton et al., 2007), com permissão.]

E, finalmente, apesar de sua notável tolerância à anoxia, o exame histológico de T. scripta cérebros que não foram expostos à anóxia no laboratório mostraram algumas evidências de lesões cerebrais, sugestivas de danos anteriores que provavelmente ocorreram durante longos períodos de anóxia durante a hibernação de inverno (S.L.M., observação não publicada). Isso nos levou a investigar a possibilidade de regeneração neuronal como um mecanismo de longo prazo de tolerância à anoxia. Quando fortemente danificado por isquemia global, T. scripta mostraram evidências de reprodução neuronal em 3 semanas (Kesaraju e Milton, 2009), adicionando mais uma estratégia à caixa de ferramentas de sobrevivência anóxica nesses animais notáveis.


Controle de freqüência cardíaca e freqüência respiratória

É importante que nossos corpos possam regular nossa frequência cardíaca e respiratória para que a quantidade de oxigênio fornecido possa ser modificada dependendo de quanto estamos respirando. Uma parte de nosso cérebro chamada medula oblonga é responsável por alterar a frequência cardíaca e respiratória em resposta aos sinais que recebem de receptores na corrente sanguínea.

Efeito do exercício na frequência cardíaca e na frequência respiratória

A freqüência cardíaca e a freqüência respiratória aumentam durante o exercício para fornecer oxigênio e remover o dióxido de carbono mais rapidamente dos tecidos que respiram.

Quando você se exercita, seu músculo esquelético se contrai rápida e freqüentemente. Isso requer energia da respiração. Para garantir que as células musculares tenham bastante oxigênio e glicose para a respiração, aumento da freqüência cardíaca para bombear essas substâncias pelo corpo mais rapidamente. Um aumento da freqüência cardíaca também garante a remoção mais rápida dos resíduos da respiração (dióxido de carbono). Durante o exercício, nosso a taxa de respiração também aumenta e respiramos mais profundamente. Isso resulta na obtenção de uma quantidade maior de oxigênio em nosso corpo, bem como na eliminação da maior quantidade de dióxido de carbono que está sendo produzida.

Controle da freqüência cardíaca

o medula oblongata é uma região do cérebro encontrada na parte inferior do cérebro, no tronco cerebral. Ele está envolvido em processos inconscientes, como o controle dos batimentos cardíacos e respiratórios. Uma parte da medula oblongata chamada de centro de controle cardiovascular é responsável por alterar a frequência cardíaca de acordo com as necessidades do nosso corpo. Funciona enviando impulsos junto simpático ou neurônios parassimpáticos que liberam diferentes neurotransmissores para o SAN - o SAN então modifica sua taxa de disparo para diminuir ou acelerar a frequência cardíaca.

Dois tipos de receptores, barorreceptores (receptores de pressão) e quimiorreceptores (receptores químicos) são responsáveis ​​por detectar estímulos no sangue e sinalizar para a medula oblonga para modificar nossa frequência cardíaca. Barorreceptores detectam mudanças na pressão sanguínea e são encontrados no corpos aórticos e carotídeos. Os quimiorreceptores detectam o concentração de oxigênio No Sangue. Eles também são sensíveis a mudanças no pH resultante do dióxido de carbono dissolvido no sangue (reage com a água para formar ácido carbônico), o que é uma indicação da disponibilidade de oxigênio. Os quimiorreceptores também estão localizados no corpos aórticos e carotídeos.

Quando a medula oblonga recebe sinais de barorreceptores e quimiorreceptores, muda a taxa em que o nó sinoatrial (SAN) incêndios (saiba mais sobre o SAN aqui). Se a pressão sanguínea ou a concentração de oxigênio estiverem baixas, o centro de controle cardiovascular aumenta a taxa de disparo de SAN por meio da ativação do sistema nervoso simpático. O sistema nervoso simpático está envolvido na Resposta de 'lutar e fugir' e aumenta a frequência cardíaca através da liberação de um neurotransmissor chamado noradrenalina, que se liga a receptores no SAN. Por outro lado, pressão alta e alta concentração de oxigênio fazem com que o centro de controle cardiovascular reduza a taxa de disparo de SAN, ativando o sistema nervoso parassimpático. Isso está envolvido no ‘descansar e digerir'E diminui a frequência cardíaca através da liberação de outro neurotransmissor chamado acetilcolina. A acetilcolina se liga a receptores no SAN para diminuir sua taxa de disparo.


9.1 Moléculas de Sinalização e Receptores Celulares

Ao final desta seção, você será capaz de fazer o seguinte:

  • Descreva quatro tipos de mecanismos de sinalização encontrados em organismos multicelulares
  • Compare os receptores internos com os receptores da superfície celular
  • Reconhecer a relação entre a estrutura de um ligante e seu mecanismo de ação

Existem dois tipos de comunicação no mundo das células vivas. A comunicação entre as células é chamada de sinalização intercelular e a comunicação dentro de uma célula é chamada de sinalização intracelular. Uma maneira fácil de lembrar a distinção é entendendo a origem latina dos prefixos: inter- significa "entre" (por exemplo, linhas que se cruzam são aquelas que se cruzam) e intra- significa "dentro" (como em intravenoso).

Os sinais químicos são liberados por células de sinalização na forma de moléculas pequenas, geralmente voláteis ou solúveis, chamadas ligantes. Um ligante é uma molécula que se liga a outra molécula específica, em alguns casos, entregando um sinal no processo. Assim, os ligantes podem ser considerados moléculas de sinalização. Os ligantes interagem com as proteínas nas células-alvo, que são células afetadas por sinais químicos. Essas proteínas também são chamadas de receptores. Ligantes e receptores existem em várias variedades, no entanto, um ligante específico terá um receptor específico que normalmente se liga apenas a esse ligante.

Formas de Sinalização

Existem quatro categorias de sinalização química encontradas em organismos multicelulares: sinalização parácrina, sinalização endócrina, sinalização autócrina e sinalização direta através das junções comunicantes (Figura 9.2). A principal diferença entre as diferentes categorias de sinalização é a distância que o sinal percorre no organismo para chegar à célula-alvo. Devemos notar aqui que nem todas as células são afetadas pelos mesmos sinais.

Sinalização Parácrina

Os sinais que atuam localmente entre as células próximas são chamados de sinais parácrinos. Os sinais parácrinos se movem por difusão através da matriz extracelular. Esses tipos de sinais geralmente provocam respostas rápidas que duram apenas um curto período de tempo. A fim de manter a resposta localizada, as moléculas de ligantes parácrinos são normalmente degradadas rapidamente por enzimas ou removidas por células vizinhas. A remoção dos sinais irá restabelecer o gradiente de concentração para o sinal, permitindo que eles se difundam rapidamente através do espaço intracelular se liberados novamente.

Um exemplo de sinalização parácrina é a transferência de sinais através das sinapses entre as células nervosas. Uma célula nervosa consiste em um corpo celular, várias extensões curtas e ramificadas chamadas dendritos, que recebem estímulos, e uma longa extensão, chamada axônio, que transmite sinais a outras células nervosas ou musculares. A junção entre as células nervosas onde ocorre a transmissão do sinal é chamada de sinapse. Um sinal sináptico é um sinal químico que viaja entre as células nervosas. Os sinais dentro das células nervosas são propagados por impulsos elétricos rápidos. Quando esses impulsos chegam ao final do axônio, o sinal continua para um dendrito da próxima célula pela liberação de ligantes químicos chamados neurotransmissores da célula pré-sináptica (a célula que emite o sinal). Os neurotransmissores são transportados por distâncias muito pequenas (20–40 nanômetros) entre as células nervosas, que são chamadas de sinapses químicas (Figura 9.3). A pequena distância entre as células nervosas permite que o sinal viaje rapidamente, o que permite uma resposta imediata, como, "Tire a mão do fogão!"

Quando o neurotransmissor se liga ao receptor na superfície da célula pós-sináptica, o potencial eletroquímico da célula-alvo muda e o próximo impulso elétrico é lançado. Os neurotransmissores que são liberados na sinapse química são degradados rapidamente ou são reabsorvidos pela célula pré-sináptica para que a célula nervosa receptora possa se recuperar rapidamente e ser preparada para responder rapidamente ao próximo sinal sináptico.

Sinalização Endócrina

Os sinais de células distantes são chamados de sinais endócrinos e se originam de células endócrinas. (No corpo, muitas células endócrinas estão localizadas nas glândulas endócrinas, como a tireóide, o hipotálamo e a hipófise.) Esses tipos de sinais geralmente produzem uma resposta mais lenta, mas têm um efeito mais duradouro. Os ligantes liberados na sinalização endócrina são chamados de hormônios, moléculas sinalizadoras que são produzidas em uma parte do corpo, mas afetam outras regiões do corpo a alguma distância.

Os hormônios percorrem grandes distâncias entre as células endócrinas e suas células-alvo através da corrente sanguínea, que é uma forma relativamente lenta de se mover por todo o corpo. Por causa de sua forma de transporte, os hormônios se diluem e estão presentes em baixas concentrações quando atuam em suas células-alvo. Isso é diferente da sinalização parácrina, na qual as concentrações locais de ligantes podem ser muito altas.

Sinalização autócrina

Sinais autócrinos são produzidos por células de sinalização que também podem se ligar ao ligante que é liberado. Isso significa que a célula de sinalização e a célula alvo podem ser a mesma ou uma célula semelhante (o prefixo auto- significa self, um lembrete de que a célula de sinalização envia um sinal para si mesma). Este tipo de sinalização ocorre frequentemente durante o desenvolvimento inicial de um organismo para garantir que as células se desenvolvam nos tecidos corretos e assumam a função adequada. A sinalização autócrina também regula a sensação de dor e as respostas inflamatórias. Além disso, se uma célula for infectada com um vírus, a célula pode sinalizar para sofrer morte celular programada, matando o vírus no processo. Em alguns casos, as células vizinhas do mesmo tipo também são influenciadas pelo ligante liberado. No desenvolvimento embriológico, esse processo de estimulação de um grupo de células vizinhas pode ajudar a direcionar a diferenciação de células idênticas no mesmo tipo de célula, garantindo assim o resultado adequado do desenvolvimento.

Sinalização direta através de junções de lacuna

Junções de lacunas em animais e plasmodesma nas plantas, há conexões entre as membranas plasmáticas de células vizinhas. Esses canais cheios de fluido permitem que pequenas moléculas de sinalização, chamadas mediadores intracelulares, se difundam entre as duas células. Moléculas pequenas ou íons, como íons de cálcio (Ca 2+), são capazes de se mover entre as células, mas moléculas grandes como proteínas e DNA não conseguem passar pelos canais. A especificidade dos canais garante que as células permaneçam independentes, mas podem transmitir sinais de forma rápida e fácil. A transferência de moléculas de sinalização comunica o estado atual da célula que está diretamente ao lado da célula-alvo, o que permite que um grupo de células coordene sua resposta a um sinal que apenas uma delas pode ter recebido. Nas plantas, plasmodesma são onipresentes, fazendo de toda a fábrica uma rede de comunicação gigante.

Tipos de Receptores

Receptores são moléculas de proteína na célula-alvo ou em sua superfície que se ligam ao ligante. Existem dois tipos de receptores, os receptores internos e os receptores da superfície celular.

Receptores internos

Receptores internos, também conhecidos como receptores intracelulares ou citoplasmáticos, são encontrados no citoplasma da célula e respondem a moléculas de ligantes hidrofóbicas que são capazes de viajar através da membrana plasmática. Uma vez dentro da célula, muitas dessas moléculas se ligam a proteínas que atuam como reguladoras da síntese de mRNA (transcrição) para mediar a expressão gênica. A expressão gênica é o processo celular de transformar a informação do DNA de uma célula em uma sequência de aminoácidos, que, em última análise, forma uma proteína. Quando o ligante se liga ao receptor interno, uma mudança conformacional é desencadeada que expõe um sítio de ligação ao DNA na proteína. O complexo ligante-receptor move-se para o núcleo e, em seguida, liga-se a regiões regulatórias específicas do DNA cromossômico e promove a iniciação da transcrição (Figura 9.4). A transcrição é o processo de copiar as informações do DNA de uma célula em uma forma especial de RNA chamada RNA mensageiro (mRNA). A célula usa a informação do mRNA (que se move para o citoplasma e se associa aos ribossomos) para ligar aminoácidos específicos no ordem correta, produzindo uma proteína. Receptores internos podem influenciar diretamente a expressão gênica sem ter que passar o sinal para outros receptores ou mensageiros.

Receptores de superfície celular

Os receptores da superfície celular, também conhecidos como receptores transmembrana, são proteínas (integrais) ancoradas na membrana da superfície celular que se ligam a moléculas ligantes externas. Esse tipo de receptor atravessa a membrana plasmática e realiza a transdução de sinal, por meio da qual um sinal extracelular é convertido em um sinal intracelular. Os ligantes que interagem com os receptores da superfície celular não precisam entrar na célula que afetam. Os receptores de superfície celular também são chamados de proteínas ou marcadores específicos de células, porque são específicos para tipos de células individuais.

Como as proteínas receptoras da superfície celular são fundamentais para o funcionamento normal da célula, não deve ser surpresa que um mau funcionamento em qualquer uma dessas proteínas possa ter consequências graves. Foi demonstrado que erros nas estruturas das proteínas de certas moléculas receptoras desempenham um papel na hipertensão (pressão alta), asma, doenças cardíacas e câncer.

Cada receptor de superfície celular tem três componentes principais: um domínio externo de ligação ao ligante denominado domínio extracelular, uma região hidrofóbica que atravessa a membrana denominada domínio transmembrana e um domínio intracelular dentro da célula. O tamanho e a extensão de cada um desses domínios variam amplamente, dependendo do tipo de receptor.

Evolution Connection

Como os vírus reconhecem um host

Ao contrário das células vivas, muitos vírus não têm membrana plasmática ou nenhuma das estruturas necessárias para sustentar a vida metabólica. Alguns vírus são simplesmente compostos de um invólucro de proteína inerte envolvendo DNA ou RNA. Para se reproduzir, os vírus devem invadir uma célula viva, que serve como hospedeira, e então assumir o controle do aparelho celular hospedeiro. Mas como um vírus reconhece seu hospedeiro?

Os vírus geralmente se ligam a receptores de superfície celular na célula hospedeira. Por exemplo, o vírus que causa a gripe humana (gripe) se liga especificamente a receptores nas membranas das células do sistema respiratório. As diferenças químicas nos receptores da superfície celular entre os hospedeiros significam que um vírus que infecta uma espécie específica (por exemplo, humanos) muitas vezes não pode infectar outra espécie (por exemplo, galinhas).

No entanto, os vírus têm quantidades muito pequenas de DNA ou RNA em comparação com os humanos e, como resultado, a reprodução viral pode ocorrer rapidamente. A reprodução viral invariavelmente produz erros que podem levar a alterações em vírus recém-produzidos. Essas alterações significam que as proteínas virais que interagem com os receptores da superfície celular podem evoluir de tal forma que podem se ligar aos receptores em um novo hospedeiro. Essas mudanças acontecem aleatoriamente e com bastante frequência no ciclo reprodutivo de um vírus, mas as mudanças só importam se um vírus com novas propriedades de ligação entrar em contato com um hospedeiro adequado. No caso da gripe, essa situação pode ocorrer em ambientes onde animais e pessoas estão em contato próximo, como granjas de aves e suínos. 1 Uma vez que o vírus salta a antiga "barreira da espécie" para um novo hospedeiro, ele pode se espalhar rapidamente. Os cientistas observam os vírus que aparecem recentemente (chamados de vírus emergentes) de perto, na esperança de que tal monitoramento possa reduzir a probabilidade de epidemias virais globais.

Os receptores de superfície celular estão envolvidos na maior parte da sinalização em organismos multicelulares. Existem três categorias gerais de receptores de superfície celular: receptores ligados a canais iônicos, receptores ligados à proteína G e receptores ligados a enzimas.

Os receptores ligados ao canal iônico se ligam a um ligante e abrem um canal através da membrana que permite a passagem de íons específicos. Para formar um canal, este tipo de receptor de superfície celular possui uma extensa região que atravessa a membrana. Para interagir com a camada dupla de caudas de ácidos graxos de fosfolipídios que formam o centro da membrana plasmática, muitos dos aminoácidos na região que abrange a membrana são de natureza hidrofóbica. Por outro lado, os aminoácidos que revestem o interior do canal são hidrofílicos para permitir a passagem de água ou íons. Quando um ligante se liga à região extracelular do canal, há uma mudança conformacional na estrutura da proteína que permite a passagem de íons como sódio, cálcio, magnésio e hidrogênio (Figura 9.5).

Os receptores ligados à proteína G se ligam a um ligante e ativam uma proteína de membrana chamada proteína G. A proteína G ativada então interage com um canal iônico ou uma enzima na membrana (Figura 9.6). Todos os receptores ligados à proteína G têm sete domínios transmembrana, mas cada receptor tem seu próprio domínio extracelular específico e local de ligação à proteína G.

A sinalização celular usando receptores ligados à proteína G ocorre como uma série de eventos cíclicos. Antes de o ligante se ligar, a proteína G inativa pode se ligar a um local recém-revelado no receptor específico para sua ligação. Uma vez que a proteína G se liga ao receptor, a mudança de forma resultante ativa a proteína G, que libera difosfato de guanosina (GDP) e capta 3-fosfato de guanosina (GTP). As subunidades da proteína G então se dividem em α subunidade e o βγ subunidade. Um ou ambos os fragmentos da proteína G podem ser capazes de ativar outras proteínas como resultado. Depois de algum tempo, o GTP no ativo α subunidade da proteína G é hidrolisada em GDP e o βγ subunidade é desativada. As subunidades se reassociam para formar a proteína G inativa e o ciclo começa de novo.

Os receptores ligados à proteína G foram amplamente estudados e muito se aprendeu sobre seus papéis na manutenção da saúde. Bactérias patogênicas para humanos podem liberar venenos que interrompem a função específica do receptor ligado à proteína G, levando a doenças como coqueluche, botulismo e cólera. Na cólera (Figura 9.7), por exemplo, a bactéria transmitida pela água Vibrio cholerae produz uma toxina, o colerágeno, que se liga às células que revestem o intestino delgado. A toxina então entra nessas células intestinais, onde modifica uma proteína G que controla a abertura de um canal de cloreto e faz com que ele permaneça continuamente ativo, resultando em grandes perdas de fluidos do corpo e desidratação potencialmente fatal como resultado.

Os receptores ligados a enzimas são receptores de superfície celular com domínios intracelulares que estão associados a uma enzima. Em alguns casos, o domínio intracelular do próprio receptor é uma enzima. Outros receptores ligados a enzimas têm um pequeno domínio intracelular que interage diretamente com uma enzima. Os receptores ligados a enzimas normalmente têm grandes domínios extracelulares e intracelulares, mas a região que abrange a membrana consiste em uma única região alfa-helicoidal da fita do peptídeo. Quando um ligante se liga ao domínio extracelular, um sinal é transferido através da membrana, ativando a enzima. A ativação da enzima desencadeia uma cadeia de eventos dentro da célula que eventualmente leva a uma resposta. Um exemplo desse tipo de receptor ligado a enzima é o receptor tirosina quinase (Figura 9.8). Uma quinase é uma enzima que transfere grupos fosfato de ATP para outra proteína. O receptor tirosina quinase transfere grupos fosfato para moléculas de tirosina (resíduos de tirosina). Primeiro, as moléculas de sinalização se ligam ao domínio extracelular de dois receptores tirosina quinase próximos. Os dois receptores vizinhos então se ligam ou dimerizam. Os fosfatos são então adicionados aos resíduos de tirosina no domínio intracelular dos receptores (fosforilação). Os resíduos fosforilados podem então transmitir o sinal para o próximo mensageiro dentro do citoplasma.

Conexão Visual

HER2 é um receptor tirosina quinase. Em 30 por cento dos cânceres de mama humanos, o HER2 é permanentemente ativado, resultando em divisão celular desregulada. O lapatinib, um medicamento usado para tratar o câncer de mama, inibe a autofosforilação da tirosina quinase do receptor HER2 (o processo pelo qual o receptor adiciona fosfatos a si mesmo), reduzindo assim o crescimento do tumor em 50 por cento. Além da autofosforilação, qual das etapas a seguir seria inibida pelo Lapatinib?

  1. Ligação da molécula de sinalização, dimerização e resposta celular a jusante
  2. Dimerização e a resposta celular a jusante
  3. A resposta celular a jusante
  4. Atividade de fosfatase, dimerização e resposta celular a jusante

Moléculas de Sinalização

Produzidos por células de sinalização e a subsequente ligação aos receptores nas células-alvo, os ligantes agem como sinais químicos que viajam para as células-alvo para coordenar as respostas. Os tipos de moléculas que atuam como ligantes são incrivelmente variados e variam de pequenas proteínas a pequenos íons como o cálcio (Ca 2+).

Ligantes Hidrofóbicos Pequenos

Pequenos ligantes hidrofóbicos podem se difundir diretamente através da membrana plasmática e interagir com receptores internos. Membros importantes dessa classe de ligantes são os hormônios esteróides. Os esteróides são lípidos que têm um esqueleto de hidrocarboneto com quatro anéis fundidos, esteróides diferentes têm grupos funcionais diferentes ligados ao esqueleto de carbono. Os hormônios esteróides incluem o hormônio sexual feminino, estradiol, que é um tipo de estrogênio - o hormônio sexual masculino, testosterona e colesterol, que é um importante componente estrutural das membranas biológicas e um precursor dos hormônios esteróides (Figura 9.9). Outros hormônios hidrofóbicos incluem os hormônios da tireoide e a vitamina D. Para serem solúveis no sangue, os ligantes hidrofóbicos devem se ligar a proteínas transportadoras enquanto são transportados pela corrente sanguínea.

Ligantes Solúveis em Água

Ligantes solúveis em água são polares e, portanto, às vezes não podem passar pela membrana plasmática sem ajuda, pois são muito grandes para passar através da membrana. Em vez disso, a maioria dos ligantes solúveis em água se ligam ao domínio extracelular dos receptores da superfície celular. Este grupo de ligantes é bastante diverso e inclui pequenas moléculas, peptídeos e proteínas.

Outros Ligantes

O óxido nítrico (NO) é um gás que também atua como um ligante. É capaz de se difundir diretamente através da membrana plasmática e uma de suas funções é interagir com receptores no músculo liso e induzir relaxamento do tecido. NO tem uma meia-vida muito curta e, portanto, só funciona em distâncias curtas. A nitroglicerina, um tratamento para doenças cardíacas, atua desencadeando a liberação de NO, que faz com que os vasos sanguíneos se dilatem (expandam), restaurando assim o fluxo sanguíneo para o coração. O NO tornou-se mais conhecido recentemente porque a via que afeta é direcionada por medicamentos prescritos para a disfunção erétil, como o Viagra (a ereção envolve vasos sanguíneos dilatados).


3 tipos importantes de transporte ativo (explicado com o diagrama)

Durante a difusão (passiva ou facilitada), as substâncias passam pela membrana plasmática até que algum tipo de equilíbrio seja alcançado.

O equilíbrio pode ser da variedade Gibbs-Donnan ou pode ser um equilíbrio de concentração simples. Ambos envolvem a interação entre as concentrações de soluto solúvel dentro e fora da célula.

As células também podem acumular solutos em quantidades muito superiores às esperadas por qualquer um dos mecanismos acima, se o soluto se tornar insolúvel uma vez que tenha entrado na célula, porque os materiais insolúveis não contribuem para gradientes de concentração.

Alternativamente, uma vez dentro da célula, um soluto pode entrar em uma via metabólica e ser quimicamente alterado, reduzindo assim a concentração desse soluto particular e permitindo a permeação de soluto adicional.

Em todos os casos que consideramos até agora, a passagem do soluto pela membrana depende da presença de um gradiente de concentração, com o soluto se movendo na direção do gradiente.

As substâncias também podem se mover através da membrana plasmática para dentro ou para fora da célula contra um gradiente de concentração. Isso requer gasto de energia por parte da célula e é chamado de transporte ativo.

O transporte ativo cessa quando as células são:

(1) Resfriado a temperaturas muito baixas (como 2-4 ° C),

(2) Tratado com venenos metabólicos, como cianeto ou ácido iodoacético, ou

(3) Privado de uma fonte de energia.

Os casos de transporte ativo mais bem compreendidos e mais exaustivamente estudados são aqueles que envolvem os movimentos dos íons sódio e potássio através das membranas plasmáticas dos eritrócitos, células nervosas e células Nitella e que resultam em um gradiente de concentração iônica através da membrana celular. O mecanismo que estabelece e mantém esses gradientes parece ser basicamente semelhante em todas essas células e pode ser ilustrado com o eritrócito.

1. A bomba de troca Na + / K +:

O citoplasma do eritrócito contém 0,150 M K +, enquanto o plasma sanguíneo circundante contém apenas 0,005 M K +. Em contraste, o eritrócito contém apenas 0,030 M Na + e o plasma contém 0,144 M Na +. Conseqüentemente, gradientes de concentração marcados de K e Na + existem através da membrana celular. A utilização de isótopos radioativos de Na e K estabeleceu claramente que esses íons são permeáveis ​​à membrana eritrocitária e estão constantemente se difundindo através dela.

No entanto, apesar desta permeabilidade, os gradientes de concentração de Na + e K + através da membrana são mantidos. Os gradientes são mantidos porque os íons de sódio que se difundem do plasma para a célula, sob a influência do gradiente de concentração, são novamente transportados para fora, e os íons de potássio que se difundem para fora da célula são substituídos pelo transporte interno de K + do plasma.

Que esses movimentos envolvem processos metabólicos ativos é claramente demonstrado quando a temperatura de uma amostra de sangue é reduzida de 37 ° C (temperatura normal do sangue humano) para 4 ° C, quando cianeto é adicionado ao sangue, ou quando a glicose plasmática é consumida durante o metabolismo dos eritrócitos não é reabastecido para a amostra de sangue. Nessas condições, o metabolismo celular é interrompido e seguido pela difusão do Na + para dentro e do K + para fora, até que as concentrações iônicas em ambos os lados da membrana eritrocitária estejam em equilíbrio passivo.

No caso das hemácias e das células nervosas, o transporte ativo de Na + e K + parece estar ligado, ou seja, o mecanismo responsável pelo transporte de Na + para fora transporta simultaneamente o K + para dentro. Uma enzima isolada das membranas das células nervosas e que se acredita estar envolvida no transporte de Na + e K + demonstrou ter dois locais que se ligam a um ou mais de cada um desses cátions. Acredita-se que a enzima seja uma proteína integral que abrange a bicamada lipídica.

O transporte ativo de Na + e K + através das membranas das células nervosas e eritrócitos requer ATP, e o ATP não pode ser substituído por outros trifosfatos de nucleosídeo, como GTP, UTP e ITP. O ATP é convertido em ADP durante o transporte ativo por uma ATPase estimulada por Na + e K + ligada à membrana. Esta enzima e a envolvida no transporte de Na + e K + podem ser a mesma. As membranas de células de muitos outros tecidos de mamíferos parecem possuir uma atividade ATPase semelhante.

Dois K + e três Na + são transportados através da membrana para cada molécula de ATP desfosforilada. Acredita-se que o transporte de Na + e K + através da membrana plasmática ocorra nos seguintes estágios (ver Fig. 15-40). Três íons de sódio e uma molécula de ATP dentro da célula estão ligados a locais específicos no transportador da enzima, enquanto dois íons de potássio são ligados a um local da mesma enzima voltado para o exterior da célula.

A ligação dos substratos resulta e é seguida por uma mudança na estrutura terciária da molécula transportadora, de modo que os íons de sódio e potássio ligados são & # 8220translocados & # 8221 através da membrana. Presume-se que em algum estágio durante esse processo, o ATP é dividido, liberando o ADP. A translocação é seguida por uma alteração dos locais de ligação, de modo que os íons de sódio são & # 8220 liberados & # 8221 fora da célula, enquanto os íons de potássio são liberados dentro da célula.

Uma vez que os íons são liberados, o portador passa por outra mudança na estrutura, preparando-o para outra rodada do ciclo de transporte. Este estágio, chamado de & # 8220recuperação, & # 8221 é acompanhado pela liberação de fosfato inorgânico. Embora este modelo seja amplamente aceito, também foi sugerido que o local da enzima que se liga ao Na + no interior da célula se liga ao K + no exterior após a translocação, enquanto o local que inicialmente liga o K + no exterior liga o Na + no o interior após a translocação. Dessa forma, a fase de recuperação resultaria em um movimento adicional de íons através da membrana e seria mais eficiente.

2. Cotransporte:

Aminoácidos, açúcares e outros metabólitos também são ativamente transportados através da membrana plasmática para a célula. Em muitas células, o transporte desses metabólitos está acoplado aos movimentos dos íons sódio, conforme mostrado na Figura 15-41. A bomba de troca Na + 7K + cria um gradiente de concentração acentuado através da membrana plasmática, favorecendo a difusão interna do Na +.

Na verdade, para cada dois K + bombeados para a célula, três Na + são bombeados para fora. As proteínas transportadoras nas membranas ligam-se tanto ao Na + quanto ao metabólito, após o que uma mudança na estrutura do transportador & # 8217s traz ambos os substratos para o interior da célula, onde são liberados. A liberação do Na + internamente é seguida por sua extrusão ativa de volta através da membrana.

O último evento é acoplado à hidrólise do ATP e resulta na manutenção do gradiente acentuado de Na +. Em certo sentido, o gradiente acentuado de Na + atua como a força motriz para o transporte interno de metabólitos, e os movimentos simultâneos de Na + junto com metabólitos para dentro da célula constituem o co-transporte.

Como a bomba Na + / K + dependente de ATP bombeia três Na + para cada dois K +, um gradiente elétrico é criado através da membrana. Por esse motivo, a bomba de troca Na + / K + é chamada de bomba eletrogênica. A energia potencial de uma bomba eletrogênica é acoplada à síntese de ATP na mitocôndria.

3. & # 8220Simple & # 8221 Transporte ativo:

A passagem de algumas substâncias pelas membranas contra um gradiente de concentração é unidirecional, mas não está acoplada ao movimento iônico, embora o ATP seja consumido no processo. Esse movimento é denominado transporte ativo simples. A enzima transportadora liga ciclicamente o soluto em uma superfície da membrana e o libera na outra. O ciclo é acompanhado em algum ponto pela hidrólise do ATP.


Materiais e métodos

Animais experimentais

Espécimes de truta arco-íris Oncorhynchus mykiss Walbaum 1792 de ambos os sexos (faixa de massa 197-774 g 420 ± 130 g, média ± s. D. Comprimento do garfo 27-42 cm 33,2 ± 3,5 cm, média ± s. D. N= 52) foram obtidos de um incubatório local (Umweltbundesamt, Berlim, Alemanha) e mantidos em grandes aquários de vidro por pelo menos 4 semanas antes da experimentação. A água do aquário foi mantida entre 12 e 17 ° C, recirculada através de filtros biológicos e complementada com um fluxo constante de água da torneira, desclorada em colunas de carvão ativado. Os animais foram alimentados diariamente com 0,5% (p / p) de pellets de truta comercial e mantidos em regime diário fixo de luz de 11 h: 1 h: 11 h: 1 h (luz: transição: escuro: transição). Os animais foram transferidos para o laboratório levemente anestesiados (25 mg l -1, 1: 40000 p / v, neutralizado MS222,3-aminobenzoico éster etílico de metano-sulfonato Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Deisenhofen, Alemanha) em água termostatizada aerada. Todos os experimentos com animais foram realizados de acordo com os regulamentos locais (G0294 / 96).

Procedimentos

Para as preparações cirúrgicas, os peixes foram suspensos em uma cremalheira de operação e as guelras foram irrigadas com água da torneira recirculada e equilibrada com ar, termostatizada a 15 ° C. A anestesia profunda foi induzida e mantida pela adição de 60-80 mg.l -1 de MS222. Um cateter cônico de polietileno (PE60, o.d. = 1,2 mm, Portex, Hythe, Kent, Inglaterra), preenchido com solução de Ringer de truta heparinizada (em mmol l -1: NaCl 150, KCl 4, CaCl2 1,3, MgCl2 1,2, d (+) - glicose 7,5, NaHCO3 5, heparina 125 i.u. ml -1), foi inserido no DA por uma técnica de Seldinger modificada, semelhante à abordagem geral de Soivio et al. (1975), Holeton et al. (1983) e Waser e Heisler (2004). Após a implantação do cateter, as trutas foram transferidas para um aquário e permitidas que se recuperassem da cirurgia por pelo menos 16 horas antes da experimentação. Dentro do aquário, os peixes ficavam ligeiramente confinados a cilindros opacos submersos, deixando cateteres livremente acessíveis para coleta de sangue.

Amostras de sangue de referência foram retiradas de animais bem recuperados, conscientes e em repouso para determinação do pH arterial e PO2 (BMS 3 Mk II, Radiometer, Copenhagen, Dinamarca). Para a experimentação, os animais foram então anestesiados (MS222 60-80 mg.L -1) e devolvidos à prateleira de operação. As brânquias foram irrigadas com água contendo anestésico termostatizado e bem aerado durante o curso do experimento.A pressão arterial DA e a frequência cardíaca (HR) foram monitoradas continuamente (P23AA, Statham, Hato Rey, Puerto Rico), o pH arterial e PO2 foram determinados repetidamente. Durante o experimento, o pH arterial foi mantido essencialmente constante em 7,9 por mudanças na pressão parcial de dióxido de carbono (PCO2) da água de irrigação das brânquias entre 0,25 e 5 mmHg (0,033-0,67 kPa Mass Flow Controllers, MKS Instruments Deutschland GmbH, München, Alemanha).

Morfometria retinal

Para avaliar as distâncias de difusão da retina, um globo ocular de cada uma das três trutas foi enucleado e seccionado horizontalmente ao redor do limbo. Após a remoção das lentes, as taças foram fixadas por exposição a glutaraldeído 2,5% em solução de Ringer por vários dias e desidratadas a cada vários dias em três banhos sucessivos de etanol a 80%. Após a inclusão em parafina, os olhos foram cortados pela metade em secção mediana. Apenas algumas fatias de 6 μm cada foram cortadas da interface de divisão pela metade, garantindo cortes perpendiculares da retina. A análise microscópica da espessura da camada individual, bem como da espessura total da retina, foi realizada em vários locais abrangendo todo o arco retiniano. O encolhimento do tecido devido à inclusão de parafina foi corrigido pela divisão por um fator de 0,74 (Weibel, 1979).

Microeletrodos de oxigênio: construção, calibração e características

Polarographic O2 microeletrodos para determinação de intraocular PO2 foram construídos seguindo a abordagem geral de Whalen et al. (1967) e Linsenmeier e Yancey (1987). Capilares de borosilicato de cilindro único (GC100-10, Clark Electrochemical, Pangbourne, Reading, UK) foram puxados para diâmetros de ponta finos (& lt5 μm Modelo P-97, Sutter Instruments, Novato, CA / EUA). Uma barra fina de liga de baixo ponto de fusão (47,2 ° C Whalen et al., 1967) foi inserida no capilar puxado e suavemente aquecida até derreter completamente. A liga do fluido foi empurrada em direção à ponta do eletrodo sob controle microscópico, com o cuidado de deixar um recesso livre de metal na ponta do capilar de vidro. O recesso fornece uma resistência difusional, reduzindo muito o O2 consumo e diminuição de sinais de corrente espúrios induzidos por agitação (Schneiderman e Goldstick, 1978). O eletrodo de metal embutido foi conectado por um fio de cobre soldado (fixado na abertura capilar posterior por resina de ligação rápida) a uma fonte de alimentação para o revestimento eletrolítico. Uma fina camada de ouro foi eletrogalvanizada na superfície do metal no recesso capilar após o preenchimento da ponta com a solução de plaqueamento (200 mmol l -1 de citrato de amônio com 5% de K [Au (CN)2], pH 6,3) por aplicação de 1,5 V por cerca de 10-30 min entre o cabo do eletrodo e um eletrodo de platina secundário na solução de revestimento. Após o plaqueamento, os eletrodos foram embebidos em água deionizada por pelo menos 24 horas e armazenados secos antes do uso. Cada eletrodo foi verificado microscopicamente e alguns espécimes selecionados arbitrariamente de cada lote de produção foram testados eletronicamente. O resultado PO2 microeletrodos foram caracterizados fisicamente como tendo diâmetros de ponta de menos de 5 μm e um recesso médio de 77 ± 20 μm (média ± s. d., N=42).

Depois de estabelecer um polarograma individual (corrente vs tensão), os microeletrodos foram polarizados na faixa de platô da relação (geralmente em cerca de -800 mV). Os sinais de corrente muito baixa (na faixa de fA a pA) foram convertidos em sinais de tensão usando estágios de cabeça especiais, incorporando circuitos eletrônicos personalizados com base em amplificadores operacionais de baixa polarização (OPA128JM, Burr Brown, Darmstadt, Alemanha). Fios de prata revestidos com teflon (Gi 1106, 0,37 / 0,45 mm Advent ResearchMaterials, Eynsham Oxon, Inglaterra, Reino Unido), clorados na ponta exposta, serviram como eletrodos de referência. As cadeias de eletrodos foram calibradas à temperatura experimental (15 ° C) em solução salina isotônica (NaCl 0,9%) ou solução de Ringer de truta, equilibrada com gases de conhecido PO2valores que variam de 0 a 760 mmHg (gases 101 kPa fornecidos por bombas de mistura de gás de precisão Tipo 1 M 303 / a-F, Wösthoff GmbH, Bochum, Alemanha).

A calibração da intersecção de zero e da sensibilidade foi realizada para cada eletrodo individual imediatamente antes da experimentação. A sensibilidade do sensor banhado a ouro foi em média 173 ± 82 fA mmHg -1 (média ± s. D., N= 78). A linearidade na faixa de PO2 de 0 a 760 mmHg (0-101 kPa) foi de 0,99987 (s. d. = 0,00023, N= 15) em termos do coeficiente de correlação médio. Após exposição repetida aos tecidos, os eletrodos mostraram uma ligeira diminuição na sensibilidade, provavelmente devido ao mascaramento de parte da superfície do metal catalítico por contaminação com proteínas ou nucleotídeos. Linearidade e corrente de interseção zero, no entanto, permaneceram essencialmente inalteradas durante qualquer experimento. Não houve degradação da qualidade analítica durante a operação de longo prazo durante a vida útil do PO2 microeletrodos foi limitado apenas pela destruição física da ponta durante a experimentação.

o PO2 o sensor era insensível às mudanças metabólicas e respiratórias no pH de 5,8 a 8,8. Como esperado, o sinal de corrente foi sensível às mudanças de temperatura, aumentando cerca de 1% por ° C (faixa de 10-35 ° C), embora não tanto quanto relatado para outro O polarográfico2 sensores (Gnaiger e Forstner, 1983). Uma vez que a força iônica é um modulador da sensibilidade do eletrodo (determinada como -0,05 mmHg por 1 mmol l -1 de força iônica, intervalo 75-1200 mmol l -1), os eletrodos foram calibrados exclusivamente em soluções semelhantes ao fluido extracelular de truta. As calibrações e verificações foram geralmente conduzidas à temperatura experimental de 15 ° C.

Pressão hidrostática intraocular

Introdução de eletrodos no olho com a finalidade de PO2 medição pode interromper o regime de pressão intraocular (PIO), efetuando mudanças locais na perfusão e, portanto, PO2. Esta possibilidade foi verificada pela medição direta da PIO durante a determinação intraocular PO2. Após a indução da anestesia conforme descrito acima, a câmara anterior do olho foi puncionada com agulha hipodérmica de 0,4 mm. A PIO foi registrada por meio de um transdutor de pressão (P230b, Statham, Hato Rey, Puerto Rico) conectado ao sistema hipodérmico através daTubo de PE (Portex, Hythe, Kent, Inglaterra, Reino Unido), tendo o cuidado de preencher completamente a via de pressão com fluido fisiológico. Depois de ler a PIO por 15 min, são necessários outros preparativos para a determinação intraocular PO2 (veja abaixo) foram conduzidas a fim de correlacionar diretamente eventuais mudanças na ocular PO2 com impactos na IOP e vice-versa.

Intra-retiniana PO2: na Vivo determinação

Após a indução da anestesia conforme descrito acima, a córnea e a íris foram puncionadas ventro-lateralmente dentro do limbo, usando uma agulha hipodérmica de 1,5 mm de diâmetro. A agulha foi substituída por um guia para o PO2 eletrodo feito de tubo de aço inoxidável de 1,5 mm de diâmetro, que permaneceu no local durante todo o experimento. PO2 microeletrodos foram enfiados através do tubo guia e avançados com a ponta próxima à retina, com verificação visual da posição através de um microscópio cirúrgico binocular (Carl Zeiss, Jena, Alemanha) em combinação com uma lente oftalmoscópica (Super Pupil XL, 132 dpt, Lente biomicroscópica JH0987, Volk Optical Inc., Mentor, Ohio, EUA). Os eletrodos foram avançados em direção à retina e posicionados de forma reproduzível (0,1 μm), usando um micromanipulador de 3 eixos acionado por motor de passo (HS 6, Märzhäuser, Wetzlar, Alemanha) em combinação com uma unidade de acionamento eletrônico programável digital (N. Heisler e H. Slama, não publicado). Um fio de prata clorado (veja acima) inserido no músculo dorsal atrás da cabeça serviu como uma referência para PO2microeletrodos.

Perfis de PO2 foram registrados na faixa do pólo posterior do globo ocular, ligeiramente anterior ao disco óptico. Depois de inserir o eletrodo no olho logo acima da retina (a 800μm s -1), o eletrodo foi gradualmente inserido na retina em etapas pré-programadas de 25 a 100 μm (a 3200 μm s -1 a magnitude da etapa dependia da extensão da mudança anterior em PO2), cada vez que aguarda leituras estáveis ​​da corrente do eletrodo até PO2 as leituras se estabilizaram durante o avanço posterior. Presumiu-se que a ponta havia atingido ou passado a membrana de Bruch. O eletrodo foi então gradualmente retirado, aplicando o reverso do perfil de avanço, e o retorno PO2 perfil foi gravado.

Intra-retiniana PO2: em vitro experimentos

Enucleação de olhos

Após o estabelecimento do pH normal e PO2 em espécimes anestesiados apropriadamente (ver acima), a conjuntiva foi cortada e removida do olho. Os ossos que cobrem e a massa muscular dos setores ventral e temporal da órbita, bem como os músculos oculares, foram cortados e completamente removidos. Depois de expor cuidadosamente o nervo óptico, bem como a artéria e veia oftálmica pela remoção do tecido adiposo em suspensão, duas ligaduras para uso posterior foram enfiadas sob a artéria oftálmica, proximal na entrada na órbita e distal diretamente na ocular.

Depois de inserir um suporte de suspensão feito sob medida sob o copo do olho, um cateter pré-formado conectado ao suporte foi rapidamente inserido na artéria oftálmica para fornecer o olho e as ligaduras foram apertadas em torno do cateter / artéria, bem como em torno da artéria de corte em o ponto de entrada orbital. A perfusão do olho com suspensão de eritrócitos de truta (glóbulos vermelhos, RBC) começou imediatamente após, limitando a isquemia do olho a menos de 60 s. Após a secção do nervo óptico e da veia oftálmica, o olho foi removido da órbita. Durante a perfusão, a superfície ocular foi mantida hidratada por irrigação com água termostatizada a 15 ° C.

Perfusão

Olhos isolados foram perfundidos com suspensões de eritrócitos (veja abaixo) em vez de sangue total, a fim de evitar quaisquer efeitos diretos ou indiretos de chatecolaminas e outros fatores humorais na liberação de O2 do portador (Hb). As suspensões foram fornecidas à artéria oftálmica por uma bomba peristáltica (Tipo IP-4, Ismatec, Wertheim-Mondfeld, Alemanha) na vazão de 180 μl min -1, previamente determinada na Vivo na artéria aferente pseudobranquial (Waser e Heisler, 2004). Uma armadilha de bolhas em miniatura no caminho de entrada imediatamente antes do olho serviu para a eliminação de bolhas de gás do perfusato. Oclusões vasculares nos capilares oculares por micro-coágulos e agregações celulares foram evitadas passando o perfusato através de um filtro de malha de 40 μm (poliéster 07-40 / 25, Bückmann, Mönchengladbach, Alemanha Porta-malha: Swinnex 13 mm, Millipore, Eschborn, Alemanha) . A pressão de perfusão foi monitorada por um transdutor T conectado ao cateter que conduz à artéria oftálmica (P23AA, Statham, Hato Rey, Puerto Rico).

Preparação de suspensões de eritrócitos

Sangue de truta coletado de vários indivíduos e sangue humano (sangue de transfusão humana fornecido por Charité, Berlim, Alemanha) foi centrifugado, plasma e glóbulos brancos removidos e os eritrócitos foram lavados três vezes em solução de Ringer de truta (em mmol l -1: NaCl 146,6 , KCl 4, CaCl2 1,3, MgCl2 1,2, d (+) - glicose 7,5, NaHCO3 5,4, piruvato de sódio 3, polivinilpirrolidona 0,5% (p / v), heparina 50 i.u. ml -1), antes de ser ressuspenso e armazenado durante a noite a 4 ° C. O procedimento de lavagem (3 ×) foi repetido na manhã seguinte, antes da ressuspensão para o hematócrito nominal (Hct) utilizado durante a experimentação (0,20). As suspensões resultantes foram condicionadas para o experimento por pelo menos 45 min de equilíbrio a 15 ° C em frascos giratórios de vidro de fundo redondo de 100 ml (Farhi, 1965) com o gás experimental de 0,27% de CO2 no ar[PCO2: 2,0 mmHg (0,27 kPa), PO2: 156,2 mmHg (20,8 kPa)] preparado por bombas de mistura de gás Wösthoff. A transferência de glicose para as células foi facilitada pela adição de 10 uL -1 de insulina (Insuman Rapid, Hoechst Marion Roussel, Bad Soden, Germany Pelster et al., 1989).

Perfusados

Para uma avaliação do papel do efeito Root para O completo2suprimento da retina da truta, os olhos foram perfundidos com duas espécies diferentes de glóbulos vermelhos: células de truta, tendo um efeito Root pronunciado e, portanto, capazes de O maciço.2 liberação em solubilidade física após acidificação, e eritrócitos humanos sem qualquer efeito de O2 liberação após acidificação em alta PO2. Foram utilizados os seguintes perfusados. `Tr ', RBCs de truta em Ringer de truta, pH cerca de 7,48 (início da faixa íngreme da curva de efeito Root), saturação de Hb alta (∼91%, efeito Root menor que 15%` H', RBCs humanos em Ringer de truta, pH cerca de 7,16, saturação de Hb alta (100%), nenhum efeito Root.

Como referência para a oxigenação total de Hb (100% de saturação, 0% de efeito Root), uma suspensão de controle de RBCs de truta em Ringer de truta (`TrC ', pH & gt8) foi preparada e concomitantemente equilibrada.

Determinação de intraocular PO2

Preparações iniciais para determinação de intraocular PO2 eram idênticos aos descritos acima (na Vivo condições). Para os olhos isolados, no entanto, o porta-olhos de metal com suspensão serviu de referência para o PO2 microeletrodo. Leituras de referência de PO2 foram adquiridos sempre durante a perfusão com suspensões de RBC de truta (Tr pH cerca de 7,48 ver acima). PO2 microeletrodos foram avançados na retina até PO2 atingiu um nível máximo. O eletrodo foi então deixado na posição para o restante do experimento, durante o qual a resposta em PO2 foi registado durante a perfusão alternada com trutas e suspensões de RBC humanas. Em algumas ocasiões, os olhos também ficaram vermelhos com solução de Ringer para trutas.

Determinação do efeito Root em vitro

A relação entre as mudanças no pH extracelular e a liberação de O associado à Hb2 em dissolução física foi determinada em suspensões de eritrócitos idênticas às usadas para experiências de perfusão. Amostras individuais da mesma preparação de suspensão de eritrócitos foram ajustadas para pH na faixa de 6,0-8,5, seja por alterações em PCO2 do gás de equilíbrio, no plasma [HCO3 -], ou pela adição de cada 200 μl de HCl na concentração necessária. Gases com especificado PCO2 (0,033% a 7,13%) foram produzidos pela mistura de ar com CO2 por bombas de mistura de gás Wösthoff.

Série 1: relação entre pH e O total2concentração em constante (alta) PO2

Onde x = pH, eu = pH no ponto de inflexão, s = inclinação, max = O máximo2 conteúdo e min = O mínimo2contente.

Série 2: elevação de PO2 após acidificação anaeróbica

Suspensões de truta e RBC humano, preparadas com truta Ringer contendo 20 ou 24 mmol l -1 [HCO3 -], respectivamente, foram ajustados para a concentração de tetrâmero de Hb ([Hb4]) de 0,5 mmol l -1 (Hct aprox. 0,10) e equilibrado com um gás de PCO2 = 2,2 mmHg (0,29 kPA) e PO2 de cerca de 150 mmHg (20 kPa), resultando em um pH inicial de cerca de 8,2. Um Hct inferior (ajustando [Hb] para maior precisão) do que o empregado para meios de perfusão foi escolhido para limitar PO2 para menos de 1 atm após a acidificação. O pH inicial das amostras individuais foi reduzido em condições anaeróbicas pela adição a cada uma de 100 mmol l -1 de ácido acético graduado em volume de 0-160 μl g -1 de suspensão de RBC. Depois de misturar por 30 s com uma esfera de metal fechada, PO2 e o pH das amostras acidificadas foram determinados.

Aquisição e análise de dados

Os dados foram registrados em um PC compatível com IBM padrão com uma placa conversora analógica / digital (DAS 1602, Keithley Instruments Inc., Taunton, MA, EUA), usando módulos de tempo de execução personalizados do Test Point (TestPoint 3.0, Capital Equipment Corporation, Billerica, Ma , EUA). Os dados foram analisados ​​usando SigmaPlot 4.01, SigmaStat 2.03 (SPSS Software, Munique, Alemanha), `R '(www.r-project.org) e StarOffice 5.2 (Sun Microsystems, Berlim, Alemanha). Os dados são apresentados como média ± desvio padrão (s. D.). Os níveis de significância estatística foram determinados por Student's t-teste a menos que indicado de outra forma.


Supermodelos subterrâneos

Thomas J. Park e Rochelle Buffenstein
1 de junho de 2012

CORBIS, FRANS LANTING

Pico escuro, úmido e fervilhando de criaturas com dentes de sabre em forma de salsicha, o mundo do rato-toupeira nu africano é um habitat hostil. Na década de 1980, os cientistas fizeram a descoberta notável de que os ratos-toupeiras pelados vivem como cupins com uma única rainha reprodutora dominante e dezenas de ajudantes adultos não reprodutores que nunca deixam sua colônia natal. Mas a bizarrice não para por aí. Os ratos-toupeira nus, ao contrário de outros mamíferos, toleram temperaturas corporais variáveis, atribuídas à falta de uma camada isolante de pêlo. Sua pele rosada não tem pêlos, exceto por fios esparsos semelhantes a bigodes que cruzam o corpo para formar uma matriz sensorial sensível que os ajuda a navegar no escuro. Tanto a pele do rato-toupeira pelado quanto o trato respiratório superior são completamente insensíveis a irritantes químicos como ácidos e capsaicina, o ingrediente picante da pimenta malagueta. Mais surpreendentemente, eles podem sobreviver a períodos de privação de oxigênio que causariam danos cerebrais irreversíveis.

As hipóteses atuais para a existência deste conjunto de características incomuns giram em torno dos traços de estilo de vida igualmente incomuns do rato-toupeira pelado. (Veja a ilustração na página 33.) Os ratos-toupeira nus vivem em grandes grupos familiares em elaboradas tocas subterrâneas. Embora sejam protegidos de grandes flutuações de temperatura, bem como de predadores e patógenos, eles têm que lidar com baixos níveis de oxigênio e altos níveis de dióxido de carbono, devido ao grande número de indivíduos - geralmente 100 a 300 - vivendo e respirando em ambientes fechados sob condições precárias condições ventiladas. A ecologia incomum e a estrutura social do rato-toupeira pelado tornam este um sistema excitante para a compreensão da evolução e especialização, e detalhes dos mecanismos moleculares subjacentes à saúde incomum do rato-toupeira estão fornecendo insights sobre doenças humanas.

Sem oxigênio? Sem problemas!

A maioria dos cérebros dos mamíferos, incluindo os dos humanos, começa a sofrer danos após apenas 3-4 minutos de privação de oxigênio. Isso ocorre porque o tecido cerebral não armazena muita energia e um suprimento constante de oxigênio é necessário para gerar mais. Conseqüentemente, quando o suprimento de oxigênio para o cérebro é reduzido ou bloqueado, as células cerebrais ficam sem energia e o dano ocorre rapidamente. Essa é uma grande preocupação para as vítimas de ataques cardíacos e derrames, nos quais o suprimento de sangue para o cérebro é interrompido. O tecido cerebral de ratos-toupeira nus, por outro lado, permanece funcional sem suprimento de oxigênio por mais de três vezes mais que o tecido cerebral de ratos de laboratório. E quando o nível de oxigênio é restaurado, o tecido cerebral de ratos-toupeiras nus freqüentemente se recupera totalmente, mesmo após vários minutos de inatividade. [1. J. Larson, T.J. Park, "Tolerância extrema à hipóxia do cérebro de rato-toupeira nu", NeuroReport, 20:1634-37, 2009.]

Esta habilidade notável, sem dúvida, decorre do desafio que todos os animais subterrâneos enfrentam: baixos níveis de oxigênio devido à falta de troca de ar com a superfície. A depleção de oxigênio é ainda mais pronunciada para ratos-toupeira pelados porque eles vivem em grandes grupos, com muitos indivíduos compartilhando o mesmo suprimento de ar pobre, e a troca gasosa é limitada à difusão ou turbulência do ar causada por animais se movendo nos túneis. Então, como os ratos-toupeira sobrevivem em condições tão sufocantes?

Os ratos-toupeira nus exibem várias adaptações fisiológicas para a sobrevivência em um ambiente de baixo oxigênio. A hemoglobina em seus glóbulos vermelhos tem uma afinidade maior pelo oxigênio do que a da maioria dos outros mamíferos, o que significa que seu sangue é melhor em capturar o pouco oxigênio que existe. Eles também têm um maior número de glóbulos vermelhos por unidade de volume. Além disso, sua taxa metabólica específica de massa é apenas cerca de 70% da de outros roedores, então eles usam o oxigênio em uma taxa mais lenta. Mas, quando se trata do cérebro, os ratos-toupeiras pelados se protegem tomando emprestada uma estratégia usada pelo cérebro das crianças.

Mamíferos infantis, incluindo humanos, são conhecidos por serem muito mais tolerantes à privação de oxigênio do que os jovens mais velhos ou adultos. Acontece que o cálcio é um fator chave para essa tolerância. Normalmente, os íons de cálcio em nossas células cerebrais desempenham papéis vitais, incluindo ajudar na formação de memórias. Mas é um equilíbrio delicado: pequenas quantidades de cálcio são essenciais para o funcionamento do cérebro, mas muito cálcio torna as coisas descontroladas. Quando as células nervosas ficam sem oxigênio, elas não têm mais energia para regular a entrada de cálcio, resultando em um influxo de cálcio em excesso, o que envenena as células. Esta é a principal causa de morte neuronal durante a privação de oxigênio.

Na última década, os pesquisadores descobriram que os cérebros de adultos e crianças expressam diferentes canais de cálcio em suas membranas celulares. Os canais de cálcio em bebês realmente se fecham durante a privação de oxigênio, protegendo as células cerebrais da overdose de cálcio no útero, onde o bebê recebe muito menos oxigênio. Depois que o bebê nasce, entretanto, o oxigênio é abundante e esses canais são amplamente substituídos por outros que se abrem em resposta à privação de oxigênio, geralmente levando à morte celular.

Estudos recentes em ratos-toupeira pelados mostram que esta espécie retém canais de cálcio infantis até a idade adulta. [2. B.L. Peterson et al., "Cérebro de rato-toupeira nu adulto retém a subunidade do receptor NMDA GluN2D associada à tolerância à hipóxia em mamíferos neonatais", Neurosci Lett, 506: 342-45, 2012.] Consequentemente, as técnicas de imagem de cálcio mostram que a privação de oxigênio leva a muito menos entrada de cálcio nas células cerebrais de ratos-toupeira adultos nus em comparação com outros mamíferos adultos. [3. B.L. Peterson et al., "Resposta de cálcio neuronal embotada à hipoxia no hipocampo de rato-toupeira pelado", PLoS One, 7: e31568, 2012.] Essas descobertas sugerem uma nova estratégia que pode ajudar vítimas humanas de ataque cardíaco e derrame: aumentar o número de canais de cálcio do tipo infantil no cérebro. As células cerebrais de humanos adultos já possuem alguns desses canais, mas não o suficiente para protegê-los durante a privação de oxigênio. Se uma droga é projetada para aumentar rapidamente a produção de canais infantis no cérebro de vítimas de ataque cardíaco e derrame, ela pode fornecer proteção valiosa durante um período em que um suprimento constante de sangue rico em oxigênio não chega ao cérebro.

Cavando a vida subterrânea

Ratos-toupeiras nus (Heterocephalus glaber) são roedores encontrados nas regiões tropicais quentes do Chifre da África. Quando descreveu pela primeira vez um rato-toupeira pelado em 1842, o famoso naturalista alemão Eduard Rüppell suspeitou que havia encontrado um espécime doente - porque o animal não tinha pelos e dentes permanentemente protuberantes. Somente depois que vários outros espécimes foram coletados, tornou-se aparente que sua aparência estranha, variadamente descrita como semelhante a linguiças dente de sabre ou morsas em miniatura, era normal.

Os ratos-toupeira nus vivem em um labirinto de túneis subterrâneos que podem se estender por mais de uma milha de comprimento e até 2,5 metros abaixo da superfície do solo. Suas tocas contêm duas câmaras de ninho, cuidadas por animais trabalhadores estéreis, e vários banheiros, que os animais usam religiosamente para evitar a contaminação de seu espaço de vida. Para localizar as raízes, tubérculos e pequenos bulbos semelhantes à cebola que comem, os ratos-toupeira precisam cavar o solo, expandindo seus túneis usando seus dentes incisivos crescentes e semelhantes a cinzéis. Eles ocasionalmente fazem uma abertura para o mundo exterior para chutar o solo escavado para a superfície, onde forma pequenos montes em forma de vulcão - os únicos sinais acima do solo das vastas colônias abaixo. Dada essa existência estritamente subterrânea, não é surpreendente que os ratos-toupeiras pelados tenham desenvolvido um conjunto de características altamente adequadas para a vida em tocas escuras e úmidas.

Não sentindo dor

Além de lidar com os baixos níveis de oxigênio, viver em tocas subterrâneas lotadas também significa que os ratos-toupeiras pelados devem lutar com alto dióxido de carbono (CO2) concentrações. Em contraste com a concentração atmosférica típica de CO2 de cerca de 0,03 por cento, CO2 os níveis nos túneis de ratos-toupeira nus estão próximos de 2%, podendo atingir concentrações de 5% ou mais em suas câmaras de ninho. Altos níveis de CO2 pode ser doloroso para os olhos e nariz devido à formação de ácido na superfície desses tecidos - semelhante à sensação de arrotar pelo nariz depois de beber uma bebida gaseificada - mas os ratos-toupeira são completamente insensíveis a esse fenômeno. A pele e o trato respiratório superior de ratos-toupeira nus também são insensíveis a outros irritantes, incluindo outros ácidos, amônia e capsaicina. Comportamentalmente, os animais não mostram sinais de irritação ou desconforto quando uma solução de capsaicina é aplicada em suas narinas, enquanto os ratos esfregam vigorosamente o nariz após tal exposição. Ao contrário de ratos e camundongos, os ratos-toupeiras pelados também não conseguem evitar os fortes vapores de amônia. Quando colocados em uma arena com esponjas saturadas de amônia ou água, os ratos-toupeiras passam tanto tempo próximos à amônia quanto à água. Os animais também não mostram resposta à capsaicina ou solução salina ácida (como suco de limão) injetados na pele do pé, enquanto os mesmos irritantes causam fricção e arranhões no local da injeção em humanos e lambidas vigorosas em ratos e camundongos.

Experimentos recentes mostraram que as fibras nervosas chamadas fibras C, que normalmente respondem a altos níveis de CO2e outros irritantes químicos, são muito menos sensíveis em ratos-toupeira pelados do que em outros mamíferos. Essas fibras têm diâmetro pequeno e liberam neuropeptídeos - notadamente a substância P e o peptídeo relacionado ao gene da calcitonina - em alvos no sistema nervoso central para transmitir uma sensação de ardência ou queimação. É importante ressaltar que as mesmas fibras C que respondem ao ácido e à capsaicina são responsáveis ​​pela dor que as pessoas sentem minutos, horas ou mesmo dias após uma lesão.

Surpreendentemente, estudos fisiológicos revelaram que as fibras C de rato-toupeira pelado que inervam seus olhos, nariz e pele respondem à capsaicina, mas que os nervos não produzem os neuropeptídeos normalmente liberados por causa de um defeito nos promotores de genes associados ao tratamento analgésico células nervosas. Enquanto os animais expressam os neuropeptídeos em outras partes do corpo, como cérebro e intestinos, a falta desses neuropeptídeos das fibras C atua para “desconectar” as fibras do sistema nervoso central, evitando a sensação de dor e irritação. Com certeza, quando os pesquisadores introduziram um dos neuropeptídeos ausentes, a Substância P, nas fibras C dos pés de rato-toupeira pelado usando terapia genética, os animais lamberam o local da injeção de forma semelhante a ratos e camundongos. [4. T.J. Park et al., "Insensibilidade à dor inflamatória seletiva no rato-toupeira pelado africano (Heterocephalus glaber),” PLoS Biol, 6: e13, 2008.]

A insensibilidade à solução salina ácida parece ser mediada por um mecanismo diferente. Em contraste com sua resposta à capsaicina, as fibras C em ratos-toupeira pelados não respondem completamente à solução salina ácida. Um estudo recente revelou que a insensibilidade ao ácido envolve canais de sódio dependentes de voltagem, que são necessários para propagar sinais ao longo das fibras nervosas. [5. E.S. Smith et al., "A base molecular da insensibilidade ao ácido no rato-toupeira pelado africano", Ciência, 334: 1557-60, 2011.] Em ratos-toupeira pelados, esses canais têm uma mutação que os faz desligar em condições ácidas.

As fibras C de rato-toupeira pelado também têm um padrão incomum de conectividade na medula espinhal. Quase metade das células no corno dorsal profundo da medula espinhal recebe conexões diretas das fibras C, enquanto em outras espécies, a maioria das fibras C termina no corno dorsal superficial, na borda externa da medula espinhal. O significado desse padrão incomum de conexão não é claro, mas sugere que quaisquer sinais transmitidos pelas fibras C podem não seguir as vias usuais de dor e irritação, uma vez que alcançam a medula espinhal.

Curiosamente, ratos-toupeira pelados respondem normalmente a beliscar e aquecer apenas a dor mediada pela fibra C foi silenciada nesses animais. Uma maior compreensão de como esse tipo de processamento da dor é alterado em ratos-toupeira nus pode ter implicações significativas para o tratamento da dor crônica em humanos, como dor pós-cirúrgica, articular e muscular, e dor inflamatória.

Schmancer de câncer

Ao contrário dos camundongos, que comumente desenvolvem tumores, nunca se descobriu que os ratos-toupeiras pelados tivessem câncer naturalmente. Além disso, submeter ratos-toupeira à radiação ionizante não induz muito dano ao DNA, como visto em outros animais, nem resulta em tumores, mesmo 5 anos depois. As tentativas de transformar células de rato-toupeira nuas em cancerosas por meio da injeção de oncogenes também falharam, enquanto métodos semelhantes usando células humanas, de camundongo e até mesmo de gado resultam na conversão em células formadoras de câncer altamente agressivas e invasivas. [6. S. Liang et al., "Resistência à tumorigênese experimental em células de um mamífero de longa duração, o rato-toupeira pelado (Heterocephalus glaber),” Célula de Envelhecimento, 9: 626-35, 2010.] Em vez de começar a proliferar de maneira descontrolada, as células transformadas de rato-toupeira-pelado param de se dividir imediatamente, embora não morram. [7. K.N. Lewis et al., "Resistência ao estresse no rato-toupeira pelado: o essencial", Gerontologia, no prelo, doi: 10.1159 / 000335966, 2012.] Da mesma forma, células de rato-toupeira nuas tratadas com uma toxina ou simplesmente alojadas em condições subótimas param imediatamente de se dividir até que as condições melhorem.

Isso levou alguns cientistas a sugerir que as células do rato-toupeira pelado são claustrofóbicas em cultura e param de se dividir assim que tocam outras células, e que essa inibição de contato é um mecanismo de resistência ao câncer. No entanto, vários laboratórios diferentes mostraram agora que as células de rato-toupeira pelado crescem até densidades ainda maiores do que as células de camundongo em condições ideais, e não evitam o contato celular sob essas circunstâncias. Em vez disso, está cada vez mais claro que os tecidos do rato-toupeira pelado são mais capazes de reconhecer células anormais, neutralizar suas propriedades tumorigênicas e reparar seu DNA. Se isso falhar, as células são introduzidas em vias de morte celular programadas.

O genoma recentemente sequenciado do rato-toupeira pelado proporcionou uma série de novos insights sobre por que os ratos-toupeira pelados parecem ser imunes ao câncer. [8. E.B. Kim et al., "O sequenciamento do genoma revela insights sobre a fisiologia e a longevidade do rato-toupeira pelado", Natureza, 479: 223-27, 2011.] Muitos dos genes envolvidos na regulação da proliferação celular são selecionados positivamente ou têm sequências únicas que parecem resultar na saúde incomum do rato-toupeira pelado. Da mesma forma, muitas famílias de genes no genoma do rato-toupeira estão envolvidas nos processos de reparo e desintoxicação do DNA, e a expressão desses genes permanece inalterada à medida que os animais envelhecem. Dado que o câncer é um dos maiores contribuintes para a mortalidade em humanos idosos, a manutenção genômica sustentada e a invulnerabilidade simultânea ao câncer podem contribuir substancialmente para a longevidade excepcional dos ratos-toupeira pelados.

Os ratos-toupeira nus também têm vários mecanismos para garantir o controle da qualidade da proteína e a homeostase. Suas proteínas parecem ser muito resistentes a estressores de desdobramento, como altas temperaturas e ureia, e as células dos animais são particularmente eficientes na remoção de proteínas e organelas danificadas por meio do sistema ubiquitina-proteassoma e autofagia. De fato, os proteassomas do rato-toupeira pelado são mais abundantes e mostram maior eficiência na degradação de proteínas danificadas pelo estresse no tecido hepático do que os proteassomas nos tecidos hepáticos de camundongos de laboratório. [9. K.A. Rodriguez et al., "A composição alterada dos conjuntos de proteassoma do fígado contribui para a atividade aumentada do proteassoma no rato-toupeira pelado de vida excepcionalmente longa", PLoS ONE, 7: e35890, 2012.] Da mesma forma, a autofagia ocorre a uma taxa duas vezes maior em células de rato-toupeira pelado do que em células de camundongo. Coletivamente, esses processos de limpeza intracelular aprimorados podem contribuir para a melhor manutenção de um proteoma de alta qualidade e ajudar as células do rato-toupeira pelado a resistir a danos em face de toxinas celulares, como metais pesados ​​ou agentes diretos de dano ao DNA. Concentrações muito mais altas dessas toxinas são necessárias para matar células de rato-toupeira nuas do que para matar células de camundongo submetidas a tratamento experimental idêntico.

Eternamente jovem

Embora os ratos-toupeiras pelados sejam do tamanho de um camundongo, pesando apenas cerca de 35–65 gramas, em cativeiro esses roedores vivem 9 vezes mais. Com uma vida útil máxima registrada de 32 anos, eles são os roedores de vida mais longa que se conhece. 10 E, surpreendentemente, eles parecem capazes de manter uma boa saúde durante a maior parte de suas vidas. Com uma idade equivalente à humana de 92 anos, os ratos-toupeiras pelados mostram níveis de atividade e taxa metabólica inalterados, bem como massa muscular sustentada, massa gorda, densidade óssea, saúde cardíaca e número de neurônios. Essas claras indicações de envelhecimento fisiológico atenuado e retardado também são acompanhadas pela manutenção da qualidade da proteína e dos níveis de expressão gênica.

Alguns dos mais velhos ratos-toupeira pelados (& gt26 anos equivalentes aos humanos & gt105 anos de idade) começam a mostrar sinais de perda muscular, osteoartrite e disfunção cardíaca, demonstrando que os ratos-toupeira, eventualmente, envelhecem como outros animais. De alguma forma, eles atrasam o início do envelhecimento e comprimem o período de declínio em uma pequena fração de sua expectativa de vida total. Essas descobertas de boa saúde sustentada são surpreendentes, dado que o rato-toupeira pelado é uma exceção a muitas das teorias atuais sobre por que envelhecemos. Por exemplo, a amplamente aceita teoria do envelhecimento do estresse oxidativo atribui o declínio gradual da função a danos causados ​​pelos radicais livres ou espécies reativas de oxigênio formadas como um subproduto inevitável da respiração de oxigênio. Da mesma forma que o oxigênio faz com que o metal enferruje quando exposto aos elementos, as membranas celulares, as proteínas e o DNA são danificados pelo gás, e esse dano acumulado, diz a teoria, faz com que os sistemas fisiológicos funcionem mal. Ratos-toupeiras nus em cativeiro, entretanto, apresentam níveis muito altos de dano oxidativo em uma idade precoce, mas a função celular não é prejudicada e os animais são capazes de tolerar esses altos níveis de dano oxidativo por mais de 20 anos.

Outra teoria do envelhecimento postula que o comprimento dos telômeros de um organismo, o DNA repetitivo que cobre as extremidades dos cromossomos, é um biomarcador do envelhecimento e se correlacionará com o tempo de vida da espécie. Mas, em comparação com o rato de laboratório de vida muito mais curta, o rato-toupeira pelado tem relativamente baixo telômeros - semelhantes em comprimento aos dos humanos, na verdade. Alternativamente, os níveis celulares de telomerase, uma enzima de transcriptase reversa que estende os telômeros, podem se correlacionar com a longevidade da espécie. Mas, embora a atividade da telomerase tenha sido medida em células de pele de rato-toupeira em cultura, ela geralmente é muito baixa e está limitada aos tecidos que estão se replicando ativamente, como testículos, baço e pele. Portanto, é improvável que o comprimento ou a manutenção dos telômeros expliquem a longevidade excepcional do rato-toupeira pelado.

Claramente, estudos envolvendo este animal de aparência bizarra, mas fascinante, destacaram muitas facetas-chave de sua biologia incomum que são diretamente relevantes para a pesquisa biomédica. Na verdade, esses estudos produziram informações críticas sobre como o cérebro funciona e como os animais respondem à falta de oxigênio e luz, bem como podemos aprender a retardar o envelhecimento, prevenir o câncer e mitigar a dor inflamatória e os efeitos prejudiciais que ocorrem quando o fornecimento de oxigênio é prejudicado. Será emocionante fazer parte da pesquisa contínua sobre essas criaturas incríveis que provavelmente revelarão novos alvos de drogas para uma variedade de doenças humanas.

Thomas Park é professor de ciências biológicas e neurociências na Universidade de Illinois em Chicago. Rochelle Buffenstein é professora de fisiologia no Instituto Barshop para Estudos de Longevidade e Envelhecimento e no Centro de Ciências da Saúde da Universidade do Texas em San Antonio, Texas.


DNA mitocondrial (mtDNA)

A mitocôndria humana contém 5 & ndash10 moléculas circulares de DNA idênticas. Cada um consiste em 16.569 pares de bases que transportam as informações para 37 genes que codifica:

  • 2 moléculas diferentes de RNA ribossomal (rRNA)
  • 22 moléculas diferentes de transferência de RNA (tRNA) (pelo menos um para cada aminoácido)
  • 13 proteínas

o rRNA e tRNA as moléculas são usadas na maquinaria que sintetiza as 13 proteínas.

  • 7 subunidades que compõem o mitocondrial NADH desidrogenase (complexo I)
  • citocromo b, uma subunidade da citocromo c redutase (complexo III)
  • 3 subunidades de citocromo c oxidase (complexo IV)
  • 2 subunidades de ATP sintase (complexo V)

Cada um desses complexos de proteínas também requer subunidades que são codificadas por genes nucleares, sintetizadas no citosol e importadas do citosol para a mitocôndria. Genes nucleares também codificam

1.000 outras proteínas que devem ser importadas para a mitocôndria. [Mais]

Mutações no mtDNA causam doenças humanas.

Embora muitos órgãos diferentes possam ser afetados, os distúrbios dos músculos e do cérebro são os mais comuns. Talvez isso reflita a grande demanda de energia de ambos os órgãos. (Embora represente apenas

2% do nosso peso corporal, o cérebro consome

20% da energia produzida quando estamos em repouso.)

Algumas dessas doenças são herdadas na linha germinativa. Na grande maioria dos casos, o gene mutante é recebido da mãe porque apenas muito raramente as mitocôndrias do esperma sobrevivem no óvulo fertilizado.

Outros distúrbios são somáticos, ou seja, a mutação ocorre nos tecidos somáticos do indivíduo. Esses distúrbios podem ser causados ​​não apenas por mutações no mtDNA, mas também por mutações no gene 228 nuclear genes que também foram implicados em doenças mitocondriais humanas. Essas últimas mutações podem ser herdadas do pai e também da mãe.

Exemplo: intolerância ao exercício

Vários humanos que sofrem de músculos facilmente fatigados apresentam mutações em seus citocromo b gene. Curiosamente, apenas as mitocôndrias em seus músculos apresentam a mutação - o mtDNA de seus outros tecidos é normal. Presumivelmente, bem no início de seu desenvolvimento embrionário, ocorreu uma mutação no gene do citocromo b na mitocôndria de uma célula destinada a produzir seus músculos.

A gravidade das doenças mitocondriais varia muito. A razão para isso é provavelmente a extensa mistura de DNA mutante e DNA normal nas mitocôndrias à medida que eles se fundem. Uma mistura de ambos é chamada heteroplasmia. Quanto maior a proporção de mutante para normal, maior será a gravidade da doença. Na verdade, por acaso, as células podem ocasionalmente acabar com todas as suas mitocôndrias carregando genomas totalmente mutantes - uma condição chamada homoplasmia (um fenômeno semelhante à deriva genética).

Técnicas de Substituição Mitocondrial

Mutações em cerca de 228 nuclear genes também têm sido implicados em doenças mitocondriais humanas, mas as técnicas de substituição mitocondrial não serão capazes de ajudar com isso.

Por que as mitocôndrias têm seu próprio genoma?

Muitas das características do sistema genético mitocondrial se assemelham às encontradas nas bactérias. Isso fortaleceu a teoria de que as mitocôndrias são descendentes evolutivos de uma bactéria que estabeleceu um endossimbiótico relação com os ancestrais das células eucarióticas no início da história da vida na Terra. No entanto, muitos dos genes necessários para a função mitocondrial, desde então, mudaram para o genoma nuclear.

O recente sequenciamento do genoma completo da alfa-proteobactéria endossimbiótica Rickettsia prowazekii revelou uma série de genes intimamente relacionados aos encontrados nas mitocôndrias. Isso sugere uma ancestralidade compartilhada.


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