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O que é 'condutância de cálcio'?

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Qual é o significado da condutância do cálcio nos canais iônicos. Eu encontrei isso no seguinte texto:

Foi estabelecido que os receptores opióides µ e δ canais de potássio abertos, o que resulta na redução da condutância do cálcio (Simon, 2005).

Além disso, por que a abertura de um canal de potássio deve reduzir a condutância do cálcio. Como eles estão relacionados ?

Referência:

Simon, E. J. (2005). Opiáceos: Neurobiologia. Em J. H. Lowinson, P. Ruiz, R. B. Millman & J. G. Langrod (Eds.), Substance abuse: a abrangente textbook (4ª ed., Pp. Xxiv, 1421 p.). Filadélfia: Lippincott Williams & Wilkins.


A condutância é o inverso da resistência e mede a quantidade de uma determinada substância que flui por um canal. Nesse contexto, significa quantos íons de cálcio entram na célula em um período de tempo.

Existem pelo menos duas maneiras pelas quais os canais de potássio podem impedir que o cálcio entre na célula.

1) A ingestão de potássio pelos canais iônicos diminui o potencial de membrana, restaurando-o ao seu estado de repouso. Como muitos canais de cálcio são dependentes de voltagem, uma redução do potencial de membrana os fecharia, diminuindo efetivamente a condutância do cálcio.

2) Os canais de potássio podem ser acoplados a diferentes vias de sinalização (ou seja, proteínas G), o que pode afetar indiretamente outros canais de cálcio.

No caso dos receptores opióides, parece ser o primeiro mecanismo. Com os canais de potássio abertos, o neurônio tem menos chance de ser ativado, pois precisa de maior estimulação para atingir o potencial de ação. Os canais de cálcio se abrem nos neurônios principalmente durante eventos de potencial de ação (embora possam existir outros canais de cálcio que se abrem em outras condições, isto é, em resposta a hormônios ou neuromoduladores).


Sinalização de cálcio neuronal

Nos neurônios, o cálcio desempenha um papel duplo como portador de carga e mensageiro intracelular. Os sinais de cálcio regulam vários processos de desenvolvimento e têm um papel fundamental na apoptose, liberação de neurotransmissores e excitabilidade da membrana. Como pode um mensageiro intracelular onipresente regular tantos processos vitais diferentes em paralelo, mas também trabalhar de forma independente? A resposta está na versatilidade dos mecanismos de sinalização do cálcio em termos de amplitude e padrão espaço-temporal dentro de um neurônio. Aqui, descrevemos alguns dos principais contribuintes para a sinalização neuronal do cálcio.

Canais de cálcio dependentes de voltagem (VGCCs)

Os canais de cálcio dependentes de voltagem são os mediadores primários da entrada de cálcio induzida pela despolarização nos neurônios. Há uma grande diversidade de subtipos de canais de cálcio devido a vários genes que codificam subunidades de canais de cálcio, splicing alternativo e co-montagem com uma variedade de subunidades de canais de cálcio auxiliares. Isso permite que os VGCCs realizem papéis distintos em subtipos neuronais específicos e em loci subcelulares específicos.

Em condições de repouso, as concentrações de cálcio intracelular ficam na faixa de 100 nM devido às moléculas de tamponamento de cálcio e sequestro nos estoques de cálcio intracelular. A abertura dos VGCCs resulta no influxo de cálcio ao longo do gradiente eletroquímico, levando a uma elevação transitória e localizada da concentração de cálcio intracelular na alta faixa micromolar. Isso, por sua vez, desencadeia uma ampla gama de processos dependentes de cálcio que incluem a transcrição de genes, liberação de neurotransmissores, crescimento de neurites e a ativação de enzimas dependentes de cálcio, como proteína quinase II dependente de calmodulina e proteína quinase C.

Liberação de cálcio de estoques internos

O armazenamento de cálcio é uma das funções comumente atribuídas ao retículo endoplasmático (ER) através dos canais de liberação de cálcio, receptores de trifosfato de inositol (IP3Rs) e receptores de rianodina (RyRs). Sinais de cálcio resultantes da liberação de cálcio dos estoques internos foram encontrados em vários tipos de neurônios em diferentes estágios de desenvolvimento. Enquanto IP3A liberação de cálcio mediada é principalmente desencadeada por neurotransmissores como o glutamato (veja abaixo), os RyRs podem ser ativados por elevações da concentração de cálcio citosólico. Esta liberação de cálcio induzida por cálcio mediada por RyR pode contribuir para a amplificação do influxo de cálcio gerado pelo disparo do potencial de ação nos neurônios. Ambos IP 3Rs e RyRs são regulados pelo próprio cálcio junto com outros fatores intracelulares. Essa dependência do cálcio estabelece um ciclo de feedback que coordena o influxo de cálcio dos estoques internos para o citosol. No caso de IP3Rs, o influxo de cálcio desempenha um papel essencial na geração de ondas de cálcio em neurônios neocorticais e outros tipos.

Receptores NMDA

Os receptores NMDA são receptores ionotrópicos de glutamato e medeiam uma parte importante do influxo pós-sináptico de cálcio nas espinhas dendríticas de vários tipos de células neuronais e córtex. Esse aumento na concentração espinhal de cálcio é particularmente importante para a modificação de longo prazo da força sináptica. Os canais do receptor NMDA são canais catiônicos inespecíficos permeáveis ​​aos íons sódio, potássio e cálcio.

Receptores AMPA permeáveis ​​ao cálcio

Os receptores AMPA permeáveis ​​ao cálcio são outra classe de receptores ionotrópicos de glutamato. Eles são encontrados em muitas formas de neurônios GABAérgicos aspiny e são caracterizados pela falta de uma subunidade do receptor GluR2. Os receptores AMPA sem GluR2 são permeáveis ​​aos íons sódio, cálcio, potássio e zinco. Os receptores AMPA permeáveis ​​ao cálcio têm uma alta condutância em resposta à estimulação tetânica e permitem que os neurônios individuais produzam diferentes tipos de respostas a entradas sinápticas distintas. É importante notar que a presença de receptores AMPA contendo GluR2 (receptores AMPA nativos) e AMPA sem GluR2 (receptores AMPA permeáveis ​​ao cálcio) não é estática, mas é altamente regulada, particularmente em resposta à atividade neuronal. Assim, a permeabilidade dos receptores AMPA ao cálcio é dinâmica dentro de um determinado neurônio e pode, portanto, contribuir para os mecanismos de plasticidade sináptica em neurônios pequenos.

A entrada direta de cálcio pelos receptores AMPA é capaz de desencadear a morte neuronal. Portanto, a divergência na permeabilidade relativa ao cálcio dos receptores AMPA entre diferentes tipos de células neuronais pode ser um determinante importante da vulnerabilidade neuronal seletiva.

Receptores metabotróficos de glutamato (mGluRs)

Os mGluRs são receptores acoplados à proteína G 7-transmembrana que estão amplamente distribuídos nos sistemas nervosos central e periférico. Eles são classificados nos grupos I, II e III mGluRs, são expressos de uma forma específica para o tipo de célula e exercem diversos papéis fisiológicos. As classes de receptores diferem em seus mecanismos de sinalização a jusante, por exemplo, mGluR1 são acoplados à proteína Gq. Em sistemas de expressão, o subtipo mGluR1 deste grupo medeia tanto um aumento no cálcio intracelular, bem como uma corrente interna dependente de TRPC3. Após a ativação de mGluR1, a fosfolipase C medeia a geração de IP3, que se liga a receptores no RE e induz a liberação de cálcio. Em contraste, uma ativação de mGluR5 nativo em neurônios induz diferentes efeitos celulares. Nos neurônios do hipocampo, o mGluR5 induz uma resposta de cálcio intracelular de pico único, enquanto no neocórtex induz oscilações de cálcio intracelular.

Resumo

O principal desafio na análise das várias fontes de sinalização neuronal do cálcio é que geralmente não estão ativas uma de cada vez, mas têm atividades sobrepostas com fortes interações. Portanto, a imagem do cálcio é inestimável para decodificar os mecanismos de sinalização específicos nos neurônios.


Conteúdo

Estruturalmente, os canais BK são homólogos aos canais de potássio controlados por voltagem e ligante, tendo um sensor de voltagem e poro como o domínio que atravessa a membrana e um domínio citosólico para a ligação de cálcio e magnésio intracelular. [5] Cada monômero da subunidade alfa formadora de canais é o produto do gene KCNMA1 (também conhecido como Slo1). A subunidade Slo1 tem três domínios estruturais principais, cada um com uma função distinta: o domínio de detecção de voltagem (VSD) detecta o potencial de membrana através da membrana, o domínio citosólico (detecta a concentração de cálcio, íons Ca²⁺) e o domínio de porta de poro (PGD ) que abre e fecha para regular a permeação de potássio. A porta de ativação reside no PGD, que está localizado no lado citosólico de S6 ou no filtro de seletividade (seletividade é a preferência de um canal para conduzir um íon específico). [5] O domínio de detecção de tensão e o domínio bloqueado por poros são coletivamente referidos como os domínios que abrangem a membrana e são formados pelos segmentos transmembrana S1-S4 e S5-S6, respectivamente. Dentro da hélice S4 contém uma série de resíduos carregados positivamente que servem como o sensor de tensão primário. [6]

Os canais BK são bastante semelhantes aos canais K⁺ dependentes de voltagem; no entanto, nos canais BK, apenas um resíduo carregado positivamente (Arg213) está envolvido na detecção de voltagem através da membrana. [5] Também exclusivo dos canais BK é um segmento S0 adicional, este segmento é necessário para a modulação da subunidade β. [7] [8] e sensibilidade à tensão. [9]

O domínio citosólico é composto por dois domínios RCK (regulador da condutância do potássio), RCK1 e RCK2. Esses domínios contêm dois locais de ligação de Ca2⁺ de alta afinidade: um no domínio RCK1 e o outro em uma região denominada tigela de Ca2 que consiste em uma série de resíduos de ácido aspártico (Asp) que estão localizados no domínio RCK2. O sítio de ligação de Mg²⁺ está localizado entre o VSD e o domínio citosólico, que é formado por: resíduos Asp dentro da alça S0-S1, resíduos Asparagina na extremidade citosólica de S2 e resíduos de Glutamina em RCK1. [5] Na formação do sítio de ligação de Mg²⁺, dois resíduos vêm do RCK1 de uma subunidade Slo1 e os outros dois resíduos vêm do VSD da subunidade vizinha. Para que esses resíduos coordenem o íon Mg²⁺, o VSD e o domínio citosólico das subunidades vizinhas devem estar próximos. [5] Subunidades beta modulatórias (codificadas por KCNMB1, KCNMB2, KCNMB3 ou KCNMB4) podem se associar ao canal tetramérico. Existem quatro tipos de subunidades β (β1-4), cada uma das quais com diferentes padrões de expressão que modificam as propriedades de passagem do canal BK. A subunidade β1 é principalmente responsável pela expressão de células musculares lisas, ambas as subunidades β2 e β3 são expressas neuronalmente, enquanto β4 é expressa dentro do cérebro. [5] O VSD se associa ao PGD por meio de três interações principais:

  1. Conexão física entre o VSD e o PGD por meio do linker S4-S5.
  2. Interações entre o ligante S4-S5 e o lado citosólico de S6.
  3. Interações entre S4 e S5 de uma subunidade vizinha.

Os canais BK são associados e modulados por uma ampla variedade de fatores intra e extracelulares, como subunidades auxiliares (β, γ), Slobs (proteína de ligação slo), fosforilação, voltagem de membrana, ligantes químicos (Ca²⁺, Mg²⁺), PKC , As subunidades BK α reúnem-se 1: 1 com quatro tipos auxiliares diferentes de subunidades β (β1, β2, β3 ou β4). [10]

Verificou-se que o tráfego e a expressão de canais BK na membrana plasmática são regulados por motivos de splicing distintos localizados nos domínios RCK C-terminais intracelulares. Em particular, uma variante de splice que excluiu esses motivos impediu a expressão da superfície celular dos canais de BK e sugere que tal mecanismo impacta a fisiologia e a fisiopatologia. [10]

Os canais de BK no sistema vascular são modulados por agentes produzidos naturalmente no corpo, como a angiotensina II (Ang II), a alta glicose ou o ácido araquidônico (AA), que é modulado no diabetes pelo estresse oxidativo (ROS). [10]

Uma sensibilidade de voltagem mais fraca permite que os canais BK funcionem em uma ampla gama de potenciais de membrana. Isso garante que o canal possa desempenhar adequadamente sua função fisiológica. [11]

A inibição da atividade do canal BK por fosforilação de S695 pela proteína quinase C (PKC) é dependente da fosforilação de S1151 no terminal C da subunidade alfa do canal. Apenas uma dessas fosforilações na estrutura tetramérica precisa ocorrer para que a inibição seja bem-sucedida. A proteína fosfatase 1 neutraliza a fosforilação de S695. PKC diminui a probabilidade de abertura do canal encurtando o tempo de abertura do canal e prolongando o estado fechado do canal. PKC não afeta a condutância de canal único, a dependência de voltagem ou a sensibilidade ao cálcio dos canais BK. [11]

Os canais BK são ativados sinergicamente por meio da ligação dos íons cálcio e magnésio, mas também podem ser ativados pela dependência de voltagem. [10] A ativação dependente de Ca²⁺ ocorre quando o Ca²⁺ intracelular se liga a dois sítios de ligação de alta afinidade: um localizado no terminal C do domínio RCK2 (tigela de Ca²⁺) e o outro localizado no domínio RCK1. [5] O sítio de ligação dentro do domínio RCK1 tem uma afinidade um pouco menor para o cálcio do que o reservatório de Ca²⁺, mas é responsável por uma porção maior da sensibilidade ao Ca²⁺. [12] A tensão e o cálcio ativam os canais BK usando dois mecanismos paralelos, com os sensores de tensão e os sítios de ligação do Ca²⁺ se acoplando à porta de ativação de forma independente, exceto por uma fraca interação entre os dois mecanismos. A tigela de Ca²⁺ acelera a cinética de ativação em baixas concentrações de Ca²⁺, enquanto o sítio RCK1 influencia a cinética de ativação e desativação. [11] Um modelo de mecanismo foi originalmente proposto por Monod, Wyman e Changeux, conhecido como o modelo MWC. O modelo MWC para canais BK explica que uma mudança conformacional do portão de ativação na abertura do canal é acompanhada por uma mudança conformacional no sítio de ligação de Ca²⁺, o que aumenta a afinidade de ligação de Ca²⁺. [12]

A ativação de canais BK dependente de magnésio é ativada por meio de um sítio de ligação de metal de baixa afinidade que é independente da ativação dependente de Ca²⁺. O sensor Mg²⁺ ativa os canais BK mudando a tensão de ativação para uma faixa mais negativa. Mg²⁺ ativa o canal apenas quando o domínio do sensor de tensão permanece no estado ativado. O domínio citosólico da cauda (CTD) é um sensor químico que possui vários locais de ligação para diferentes ligantes. O CTD ativa o canal BK quando ligado ao Mg²⁺ intracelular para permitir a interação com o domínio do sensor de tensão (VSD). [11] O magnésio é predominantemente coordenado por seis átomos de oxigênio das cadeias laterais de resíduos contendo oxigênio, grupos carbonil da cadeia principal em proteínas ou moléculas de água. [12] D99 no terminal C do loop S0-S1 e N172 no loop S2-S3 contêm oxigênios de cadeia lateral no domínio do sensor de voltagem que são essenciais para a ligação de Mg²⁺. Muito parecido com o modelo de ativação dependente de Ca²⁺, a ativação dependente de Mg²⁺ também pode ser descrita por um modelo de passagem MCW alostérico. Enquanto o cálcio ativa o canal amplamente independente do sensor de voltagem, o magnésio ativa o canal por canal por uma interação eletrostática com o sensor de voltagem. [12] Isso também é conhecido como o modelo Nudging, no qual o magnésio ativa o canal empurrando o sensor de tensão por meio de interações eletrostáticas e envolve as interações entre as cadeias laterais em diferentes domínios estruturais. [5] A energia fornecida pela ligação de voltagem, Ca²⁺ e Mg²⁺ se propagará para a porta de ativação dos canais BK para iniciar a condução de íons através do poro. [5]

Editar nível celular

Os canais BK ajudam a regular o disparo dos neurônios e a liberação de neurotransmissores. [13] Esta modulação da transmissão sináptica e descarga elétrica no nível celular é devido à expressão do canal BK em conjunto com outros canais de potássio-cálcio. [10] A abertura desses canais causa um impulso em direção ao potencial de equilíbrio de potássio e, portanto, desempenha um papel na aceleração da repolarização dos potenciais de ação. [10] Isso permitiria efetivamente uma estimulação mais rápida. [10] Há também um papel desempenhado na formação da repolarização geral das células e, portanto, após a hiperpolarização (AHP) dos potenciais de ação. [14] O papel que os canais BK têm na fase rápida do AHP foi estudado extensivamente no hipocampo. [14] Ele também pode desempenhar um papel na inibição da liberação de neurotransmissores. [15] Existem muitos canais BK nas células de Purkinje no cerebelo, destacando assim seu papel na coordenação e função motora. [14] Além disso, os canais BK desempenham um papel na modulação da atividade dos dendritos, bem como dos astrócitos e da microglia. [15] Eles não apenas desempenham um papel no SNC (sistema nervoso central), mas também nas contrações do músculo liso, na secreção de células endócrinas e na proliferação de células. [13] Várias subunidades γ durante o desenvolvimento inicial do cérebro estão envolvidas na excitabilidade neuronal e, em células não excitáveis, frequentemente são responsáveis ​​como uma força motriz do cálcio. [10] Portanto, essas subunidades podem ser alvos para tratamentos terapêuticos como ativadores do canal BK. [10] Há evidências adicionais de que a inibição dos canais de BK impediria o efluxo de potássio e, portanto, reduziria o uso de ATP, permitindo a sobrevivência neuronal em ambientes de baixo oxigênio. [10] Os canais de BK também podem funcionar como protetores neuronais, limitando a entrada de cálcio nas células por meio da oxidação da metionina. [10]

Editar nível de órgão

Os canais BK também desempenham um papel na audição. [14] Isso foi encontrado quando a subunidade BK ɑ foi eliminada em camundongos e foi observada perda progressiva das células ciliadas da cóclea e, portanto, perda auditiva. [14] Os canais BK não estão apenas envolvidos na audição, mas também nos ritmos circadianos. As proteínas de ligação a Slo (Slobs) podem modular os canais BK em função dos ritmos circadianos nos neurônios. [10] Os canais BK são expressos no núcleo supraquiasmático (SCN), que se caracteriza por influenciar a fisiopatologia do sono. [14] Os abridores de canal BK também podem ter um efeito protetor no sistema cardiovascular. [10] Em uma concentração baixa de canais BK de cálcio, têm um impacto maior no tônus ​​vascular. [10] Além disso, o sistema de sinalização dos canais de BK no sistema cardiovascular influencia o funcionamento do fluxo sanguíneo coronário. [10] Uma das funções da subunidade β no cérebro inclui a inibição dos canais BK, permitindo a desaceleração das propriedades do canal, bem como a capacidade de auxiliar na prevenção de convulsões no lobo temporal. [10]

Nível de função corporal Editar

As mutações dos canais BK, resultando em uma menor quantidade de expressão no mRNA, são mais comuns em pessoas com deficiência mental (via hipofunção [15]), esquizofrênicas ou autistas. [10] Além disso, o aumento da repolarização causado por mutações do canal BK pode levar à dependência do álcool, iniciação de discinesias, epilepsia ou distúrbios paroxísticos do movimento.[10] Os canais BK não são apenas importantes em muitos processos celulares no adulto, mas também são cruciais para o fornecimento de nutrição adequada a um feto em desenvolvimento. [10] Assim, o estrogênio pode causar um aumento na densidade dos canais de BK no útero. [10] No entanto, a expressão aumentada de canais BK foi encontrada em células tumorais e isso pode influenciar a terapia futura do câncer, discutida mais detalhadamente na seção de farmacologia. [10] Os canais BK são onipresentes em todo o corpo e, portanto, têm um grande e vasto impacto no corpo como um todo e em um nível mais celular, conforme discutido.

Problemas potenciais Editar

Vários problemas surgem quando há um déficit nos canais BK. As consequências do mau funcionamento do canal BK podem afetar o funcionamento de uma pessoa de várias maneiras, algumas com mais risco de vida do que outras. Os canais de BK podem ser ativados por poluentes exógenos e gasotransmissores endógenos monóxido de carbono, [16] [17] óxido nítrico e sulfeto de hidrogênio. [18] Mutações nas proteínas envolvidas com canais BK ou genes que codificam canais BK estão envolvidas em muitas doenças. Um mau funcionamento dos canais BK pode proliferar em muitos distúrbios, como: epilepsia, câncer, diabetes, asma e hipertensão. [13] Especificamente, o defeito β1 pode aumentar a pressão arterial e a retenção de hidrossalina no rim. [13] Foi constatado que mutações de perda e ganho de função estão envolvidas em distúrbios como epilepsia e dor crônica. [15] Além disso, o aumento na ativação do canal BK, por meio de mutantes de ganho de função e amplificação, tem ligações com epilepsia e câncer. [13] Além disso, os canais BK desempenham um papel tanto em tumores quanto em cânceres. Em certos cânceres gBK, um canal iônico variante denominado canal BK de glioma, pode ser encontrado. [14] Sabe-se que os canais de BK influenciam de alguma forma a divisão das células durante a replicação, que quando desregulada pode levar a cânceres e tumores. [14] Além disso, um aspecto estudado inclui a migração de células cancerosas e o papel no qual os canais BK podem facilitar essa migração, embora muito ainda seja desconhecido. [14] Outra razão pela qual a compreensão do canal BK é importante envolve seu papel na cirurgia de transplante de órgãos. Isso se deve à ativação dos canais BK que influenciam a repolarização do potencial de membrana em repouso. [10] Portanto, a compreensão é crucial para a segurança em um transplante eficaz.

Desenvolvimentos atuais Editar

Os canais BK podem ser usados ​​como alvos farmacológicos para o tratamento de vários distúrbios médicos, incluindo acidente vascular cerebral [19] e bexiga hiperativa. [20] Houve tentativas de desenvolver moléculas sintéticas direcionadas aos canais de BK, [21] no entanto, seus esforços se mostraram amplamente ineficazes até o momento. Por exemplo, o BMS-204352, uma molécula desenvolvida pela Bristol-Myers Squibb, não conseguiu melhorar o resultado clínico em pacientes com AVC em comparação com o placebo. [22] No entanto, houve algum sucesso do agonista para canais BKCa, BMS-204352, no tratamento de déficits observados em camundongos knockout para Fmr1, um modelo de síndrome do X Frágil. [23] [24] Os canais de BK também funcionam como bloqueadores na isquemia e são um foco na investigação de seu uso como terapia para AVC. [10]

Editar direções futuras

Existem muitas aplicações para estratégias terapêuticas envolvendo canais BK. Tem havido pesquisas mostrando que um bloqueio dos canais BK resulta em um aumento na liberação de neurotransmissores, indicando efetivamente futuras possibilidades terapêuticas no aprimoramento da cognição, melhora da memória e alívio da depressão. [13] Uma resposta comportamental ao álcool também é modulada pelos canais de BK, [10] portanto, uma maior compreensão dessa relação pode ajudar no tratamento de pacientes que são alcoólatras. O estresse oxidativo nos canais BK pode levar aos prejuízos negativos da redução da pressão arterial por meio do relaxamento cardiovascular, tanto no envelhecimento quanto nas doenças. [10] Assim, o sistema de sinalização pode estar envolvido no tratamento da hipertensão e aterosclerose [10] por meio do direcionamento da subunidade ɑ para prevenir esses efeitos prejudiciais. Além disso, o papel conhecido que os canais BK podem desempenhar no câncer e tumores é limitado. Assim, não há muito conhecimento atual sobre aspectos específicos dos canais de BK que podem influenciar tumores e cânceres. [14] Mais estudos são cruciais, pois isso pode levar a um grande desenvolvimento em tratamentos para pessoas que sofrem de câncer e tumores. Sabe-se que as epilepsias se devem à superexcitabilidade dos neurônios, cujos canais BK têm grande impacto no controle da hiperexcitabilidade. [4] Portanto, a compreensão pode influenciar o tratamento da epilepsia. Em geral, os canais BK são um alvo para futuros agentes farmacológicos que podem ser usados ​​para tratamentos benevolentes de doenças.


Potencial de Membrana

Introdução

Uma membrana excitável tem um potencial estável quando não há corrente iônica fluindo através da membrana. Dois fatores determinam o fluxo líquido de íons através de um canal iônico aberto: o potencial de membrana e as diferenças nas concentrações de íons entre os espaços intracelular e extracelular. Como as células têm potenciais intracelulares negativos, a força elétrica tenderá a direcionar íons carregados positivamente (cátions como sódio, potássio e cálcio) para o fluxo para a célula. Conseqüentemente, as forças elétricas irão direcionar um fluxo interno de íons sódio, potássio e cálcio e um fluxo externo de íons cloreto. A direção do movimento do íon produzido pela "força de concentração" depende das diferenças de concentração do íon entre os compartimentos intracelular e extracelular. Os íons sódio, cálcio e cloreto têm concentrações extracelulares mais altas em comparação com as concentrações intracelulares. A concentração intracelular de potássio é maior do que a concentração extracelular. As forças de concentração direcionam um fluxo interno de íons sódio, cálcio e cloreto e um fluxo externo de íons potássio. O potencial de membrana no qual as forças elétricas e de concentração são equilibradas para um determinado íon é chamado de equilíbrio ou potencial de Nernst para um determinado íon. No potencial de equilíbrio, os movimentos da corrente para dentro e para fora são equilibrados para um íon específico devido ao equilíbrio das forças elétricas e de concentração. Para um determinado cátion, em potenciais de membrana que são negativos em comparação com o potencial de equilíbrio, os íons fluem para a célula, e em potenciais de membrana que são mais positivos do que o potencial de equilíbrio, a corrente transportada pelo íon específico fluirá para fora da célula. A direção do movimento da corrente para um íon específico sempre tende a trazer o potencial de membrana de volta ao potencial de equilíbrio para aquele íon específico. Exemplos de potenciais de equilíbrio aproximados para íons no músculo esquelético são mostrados na Tabela 1.

Tabela 1 . Potenciais de equilíbrio

ÍonPotencial de equilíbrio (mV)
Sódio65
Potássio−105
Cálcio& ampgt100
Cloreto-95 (potencial de repouso)
Potencial de descanso−95

O potencial de membrana representa um equilíbrio entre os potenciais de equilíbrio dos íons aos quais a membrana é permeável. Quanto maior a condutância de um íon, mais esse íon influenciará o potencial de membrana da célula. As principais condutâncias responsáveis ​​por estabelecer o potencial de membrana em repouso são as de cloreto, potássio e sódio. A condutância do cloreto é grande nas fibras do músculo esquelético, nas quais é mediada pelos canais de cloreto do músculo esquelético. As fibras nervosas periféricas têm condutâncias de cloreto menores. No músculo esquelético, o cloreto é a condutância da membrana dominante, respondendo por aproximadamente 80% da condutância da membrana em repouso. Os canais de cloreto no músculo esquelético são incomuns, pois são bloqueados pela presença de íons nos orifícios intracelular e extracelular, e não pelo potencial de membrana. O canal provavelmente se abrirá quando um íon cloreto se apresentar. As propriedades exclusivas de passagem dos canais de cloreto resultam na distribuição dos íons cloreto pela membrana de acordo com o potencial da membrana. Consequentemente, a condutância do cloreto não define o potencial da membrana.

Em vez disso, a condutância do cloreto atua como um freio para dificultar a despolarização da membrana. Portanto, a condutância do cloreto fornece uma importante influência estabilizadora no potencial da membrana.

O íon dominante na definição do potencial de membrana em repouso é o potássio. A condutância do potássio é responsável por aproximadamente 20% da condutância da membrana em repouso no músculo esquelético e é responsável pela maior parte da condutância em repouso nos neurônios e nas fibras nervosas. Isso é principalmente atribuível a canais de íons não alongados, que são compostos de retificador interno e canais de "vazamento lento". Os canais retificadores internos são responsáveis ​​por manter o potencial da membrana na ausência de uma corrente elétrica de excitação. São os canais iônicos não alongados que são responsáveis ​​pelas diferenças na resposta elétrica de vários tipos de células. Por exemplo, os neurônios, que contêm canais iônicos não alongados para potássio, sódio e cloreto, têm um potencial de membrana em repouso que se desvia do potencial Nernst calculado para K + (especialmente em baixas concentrações), enquanto as células gliais, que contêm canais iônicos não alongados apenas para potássio, tem um potencial de membrana em repouso que corresponde intimamente ao potencial de Nernst calculado para K +.

A pequena quantidade de condutância de sódio no músculo esquelético em repouso, ou membrana nervosa, resulta no potencial de membrana em repouso sendo ligeiramente positivo ou despolarizado em comparação com o potencial de equilíbrio para o potássio (Tabela 2). A classe específica de canal de potássio que determina o potencial de membrana em repouso é o canal de potássio retificador interno ou anômalo. A condutância do cálcio em repouso é excessivamente pequena. Portanto, o cálcio não contribui para o potencial de membrana em repouso.

Mesa 2 . Potencial de membrana sob diferentes condições

Estado da membranaCondutância da membrana dominantePotencial de membrana
Em repousoK + Perto do potencial de equilíbrio de K +, aproximadamente -95 mV
Potencial de pico de açãoNa + Perto do potencial de equilíbrio de Na +, aproximadamente 40 mV

Durante um potencial de ação, os canais de Na + se abrem e a condutância da membrana dominante é a do Na +. Consequentemente, o potencial de membrana é aproximadamente o mesmo que o potencial de equilíbrio de Na + (Tabela 2).


Outros problemas

Modelos baseados em condutância para células excitáveis ​​são desenvolvidos para ajudar a entender os mecanismos subjacentes que contribuem para a geração de potencial de ação, disparos e explosões repetitivas (ou seja, padrões oscilatórios) e assim por diante. Por sua vez, essas características intrínsecas afetam os comportamentos nas redes neuronais.

No entanto, conforme o número de correntes incluídas nos modelos baseados em condutância se expande, torna-se mais difícil entender e prever a dinâmica do modelo resultante devido ao número crescente de equações diferenciais. Por exemplo, o modelo original de Hodgkin-Huxley é um sistema de 4ª ordem de EDOs. Esforços foram feitos não apenas para capturar a dinâmica qualitativa de modelos baseados em condutância (por exemplo, modelo de FitzHugh-Nagumo), mas também para reduzir a complexidade do sistema (por exemplo, Kepler et al. 1992).

Distinções matemáticas em modelos baseados em condutância usando sistema dinâmico e análises de bifurcação estão disponíveis. Os detalhes são descritos em Izhikevich (2007).


A estrutura tridimensional de um canal bacteriano K + mostra como um canal iônico pode funcionar

A notável capacidade dos canais de íons de combinar uma seletividade de íons requintada com uma alta condutância intrigou os cientistas há muito tempo. Os canais de vazamento de K +, por exemplo, conduzem K + 10.000 vezes melhor do que Na +, embora os dois íons sejam esferas sem características com diâmetros semelhantes (0,133 nm e 0,095 nm, respectivamente). A substituição de um único aminoácido no poro de um canal de K + pode resultar em perda de seletividade de íons e morte celular. A seletividade normal não pode ser explicada pelo tamanho dos poros, pois o Na + é menor que o K +. Além disso, a alta taxa de condutância é incompatível com o canal tendo sítios seletivos de ligação de K + de alta afinidade, já que a ligação de íons K + a tais sítios retardaria muito sua passagem.

O quebra-cabeça foi resolvido quando a estrutura de um bacteriana K + canalfoi determinado por cristalografia de raios-X. O canal é feito de quatro subunidades transmembrana idênticas, que juntas formam um poro central através da membrana (Figura 11-23). Os aminoácidos carregados negativamente estão concentrados na entrada citosólica do poro e acredita-se que atraiam cátions e repelam ânions, tornando o canal seletivo para cátions. Cada subunidade contribui com duas hélices transmembrana, que são inclinadas para fora na membrana e juntas formam um cone, com sua extremidade larga voltada para o lado externo da célula, de onde os íons K + saem do canal. A cadeia polipeptídica que conecta as duas hélices transmembrana forma uma hélice curta & # x003b1 (o hélice de poro) e um laço crucial que se projeta na seção larga do cone para formar o filtro de seletividade. Os loops de seletividade das quatro subunidades formam um poro curto, rígido e estreito, que é revestido pelos átomos de oxigênio carbonil de suas estruturas polipeptídicas. Como os loops de seletividade de todos os canais de K + conhecidos têm sequências de aminoácidos semelhantes, é provável que formem uma estrutura muito semelhante. A estrutura cristalina mostra dois íons K + em arquivo único dentro do filtro de seletividade, separados por cerca de 8 & # x000c5. Acredita-se que a repulsão mútua entre os dois íons ajude a movê-los através do poro para o fluido extracelular.

Figura 11-23

A estrutura de um canal bacteriano de K +. (A) Apenas duas das quatro subunidades idênticas são mostradas. Do lado citosólico, o poro se abre em um vestíbulo no meio da membrana. O vestíbulo facilita o transporte, permitindo que os íons K + (mais.)

A estrutura do filtro de seletividade explica a requintada seletividade de íons do canal. Para que um íon K + entre no filtro, ele deve perder quase todas as suas moléculas de água ligadas e interagir, em vez disso, com os oxigênios de carbonila que revestem o filtro de seletividade, que são rigidamente espaçados na distância exata para acomodar um íon K +. Um íon Na +, em contraste, não pode entrar no filtro porque os oxigênios de carbonila estão muito distantes do íon Na + menor para compensar o gasto de energia associado à perda de moléculas de água necessárias para a entrada (Figura 11-24).

Figura 11-24

Especificidade K + do filtro de seletividade em um canal K +. O desenho mostra os íons K + e Na + (A) no vestíbulo e (B) no filtro de seletividade do poro, vistos em corte transversal. No vestíbulo, os íons são hidratados. No filtro de seletividade, (mais.)

Estudos estruturais do canal de K + bacteriano indicaram como esses canais podem abrir e fechar. Os loops que formam o filtro de seletividade são rígidos e não mudam de conformação quando o canal abre ou fecha. Em contraste, as hélices transmembrana interna e externa que revestem o resto do poro se reorganizam quando o canal se fecha, fazendo com que o poro se contraia como um diafragma em sua extremidade citosólica (Figura 11-25). Embora o poro não feche completamente, a pequena abertura que resta é revestida por cadeias laterais de aminoácidos hidrofóbicos, que bloqueiam a entrada de íons.

Figura 11-25

Um modelo para o gating de um canal bacteriano de K +. O canal é visualizado em seção transversal. Para adotar a conformação fechada, as quatro hélices transmembranares internas que revestem o poro no lado citosólico do filtro de seletividade (consulte a Figura 11-22) se reorganizam (mais.)

As células que mais usam os canais iônicos são os neurônios. Antes de discutir como eles fazem isso, devemos fazer uma digressão para revisar brevemente como um neurônio típico é organizado.


Os canais SK regulam as propriedades de repouso e a confiabilidade da sinalização de um neurônio de pico rápido em desenvolvimento

A transmissão de sinal confiável e precisa é essencial nos circuitos do tronco cerebral auditivo para codificar o tempo com precisão de submilissegundos. As células espessas globulares transferem de forma confiável e fiel os sinais de pico para os neurônios principais do núcleo medial do corpo trapezoidal (MNTB) por meio da sinapse glutamatérgica gigante, o cálice de Held. Assim, o MNTB funciona como um núcleo relê que preserva o padrão temporal de disparo em alta frequência. Usando gravações de patch-clamp de células inteiras, observamos uma condutância de K + mediada por canais de potássio ativado por cálcio (SK) de pequena condutância nos neurônios MNTB de ratos de ambos os sexos. Os canais SK foram ativados por faíscas de Ca 2+ intracelulares e correntes de saída transitórias espontâneas mediadas em neurônios MNTB em desenvolvimento. Os canais SK também foram ativados pelo influxo de Ca 2+ através de canais de Ca 2+ dependentes de voltagem e receptores NMDA ativados sinapticamente. O bloqueio dos canais SK com apamina despolarizou o potencial de membrana em repouso, reduziu a condutância em repouso e afetou a capacidade de resposta dos neurônios MNTB às entradas de sinal. Além disso, os canais SK foram ativados por potenciais de ação e afetaram o pico após a hiperpolarização. O bloqueio dos canais SK interrompeu a transmissão do sinal um-para-um dos cálices pré-sinápticos para os neurônios MNTB pós-sinápticos e induziu potenciais de ação pós-sinápticos extras em resposta ao disparo pré-sináptico. Esses dados revelam que os canais SK desempenham papéis cruciais na regulação das propriedades de repouso e na manutenção da transmissão de sinal confiável dos neurônios MNTB.DECLARAÇÃO DE SIGNIFICADO A transmissão de sinal confiável e precisa é necessária nos circuitos auditivos do tronco cerebral para localizar a fonte de som. O cálice da sinapse de Held no núcleo medial do corpo trapézio dos mamíferos (MNTB) desempenha um papel importante na localização do som. Nós investigamos os canais de potássio que moldam a confiabilidade da transferência de sinal através da sinapse calicinal e observamos uma condutância de potássio mediada por canais de potássio ativado por cálcio (SK) de pequena condutância em neurônios principais MNTB de rato. Descobrimos que os canais SK são ativados tonicamente e contribuem para as propriedades da membrana em repouso dos neurônios MNTB. Curiosamente, os canais SK são ativados transitoriamente por faíscas de cálcio e influxo de cálcio durante os potenciais de ação e controlam a transmissão do sinal um-para-um dos cálices pré-sinápticos para os neurônios MNTB pós-sinápticos.

Palavras-chave: MNTB SK canal excitabilidade canal potássio repouso potencial membrana transmissão fidelidade.

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Figuras

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Os canais SK mediam STOCs. UMA , Gravações STOC no controle e após o banho ...

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Mudança de desenvolvimento de STOCs. UMA , Gravações STOC representativas em neurônios MNTB de rato ...

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As faíscas de cálcio ativaram a corrente SK transitória. UMA , Gravações STOC sob controle ...

Corrente Tônica SK. UMA ,…

Corrente Tônica SK. UMA , B , Etapas de tensão de despolarização (15 s) de ...

Ativação da corrente SK. UMA…

Ativação da corrente SK. UMA , Uma rampa de voltagem lenta (5 mV / s) evocada ...

Efeitos dos canais SK em ...

Efeitos dos canais SK nas propriedades da membrana em repouso dos neurônios MNTB. UMA ,…

Efeitos dos canais SK em ...

Efeitos dos canais SK na capacidade de resposta. DE ANÚNCIOS , Respostas de tensão a formas de onda semelhantes às sinápticas ...

Ativação de canais SK por ...

Ativação de canais SK pelo influxo de Ca 2+ através de receptores NMDA. UMA ,…

Ativação de canais SK durante ...

Ativação de canais SK durante o potencial de ação. UMA , Uma breve etapa de tensão ...

A ativação do canal SK foi necessária para ...

A ativação do canal SK foi necessária para uma transmissão de sinal altamente confiável. UMA , Traço representativo ...


Conteúdo

Um equilíbrio de magnésio é vital para o bem-estar de todos os organismos. O magnésio é um íon relativamente abundante na crosta terrestre e no manto e é altamente biodisponível na hidrosfera. Esta disponibilidade, em combinação com uma química útil e muito incomum, pode ter levado à sua utilização na evolução como um íon para sinalização, ativação enzimática e catálise. No entanto, a natureza incomum do magnésio iônico também levou a um grande desafio no uso do íon em sistemas biológicos. As membranas biológicas são impermeáveis ​​ao magnésio (e outros íons), então as proteínas de transporte devem facilitar o fluxo de magnésio, tanto para dentro quanto para fora das células e compartimentos intracelulares.

A clorofila nas plantas converte água em oxigênio como O2. A hemoglobina em animais vertebrados transporta oxigênio como O2 No Sangue. A clorofila é muito semelhante à hemoglobina, exceto que o magnésio está no centro da molécula da clorofila e o ferro está no centro da molécula da hemoglobina, com outras variações. [6] Este processo mantém as células vivas na Terra vivas e mantém os níveis básicos de CO2 e O2 na atmosfera.

Saúde humana Editar

A ingestão inadequada de magnésio freqüentemente causa espasmos musculares e tem sido associada a doenças cardiovasculares, diabetes, hipertensão, distúrbios de ansiedade, enxaquecas, osteoporose e enfarte cerebral. [7] [8] A deficiência aguda (ver hipomagnesemia) é rara e mais comum como efeito colateral de um medicamento (como o uso crônico de álcool ou diurético) do que devido à baixa ingestão alimentar em si, mas pode ocorrer em pessoas alimentadas por via intravenosa por longos períodos de tempo.

O sintoma mais comum de ingestão excessiva de magnésio oral é a diarreia. Suplementos à base de quelatos de aminoácidos (como glicinato, lisinato etc.) são muito mais bem tolerados pelo sistema digestivo e não têm os efeitos colaterais dos compostos mais antigos usados, enquanto os suplementos dietéticos de liberação sustentada evitam a ocorrência de diarreia. [ citação necessária ] Uma vez que os rins de humanos adultos excretam o excesso de magnésio com eficiência, o envenenamento oral por magnésio em adultos com função renal normal é muito raro. Bebês, que têm menos capacidade de excretar o excesso de magnésio mesmo quando saudáveis, não devem receber suplementos de magnésio, exceto sob os cuidados de um médico.

As preparações farmacêuticas com magnésio são usadas para tratar doenças, incluindo deficiência de magnésio e hipomagnesemia, bem como eclâmpsia. [9] Essas preparações geralmente são na forma de sulfato ou cloreto de magnésio quando administradas por via parenteral. O magnésio é absorvido com razoável eficiência (30% a 40%) pelo corpo a partir de qualquer sal de magnésio solúvel, como o cloreto ou citrato. O magnésio é similarmente absorvido dos sais de Epsom, embora o sulfato nesses sais aumente seu efeito laxante em doses mais altas. A absorção de magnésio dos sais insolúveis de óxido e hidróxido (leite de magnésia) é errática e de menor eficiência, pois depende da neutralização e solução do sal pelo ácido do estômago, que pode não ser (e geralmente não é) completa .

O orotato de magnésio pode ser usado como terapia adjuvante em pacientes em tratamento ideal para insuficiência cardíaca congestiva grave, aumentando a taxa de sobrevida e melhorando os sintomas clínicos e a qualidade de vida do paciente. [10]

Edição de condução nervosa

O magnésio pode afetar o relaxamento muscular por meio de ação direta nas membranas celulares. Os íons Mg 2+ fecham certos tipos de canais de cálcio, que conduzem íons de cálcio carregados positivamente para os neurônios. Com um excesso de magnésio, mais canais serão bloqueados e a atividade das células nervosas diminuirá. [11] [12]

Hipertensão Editar

O sulfato de magnésio intravenoso é usado no tratamento da pré-eclâmpsia. [13] Para outra hipertensão que não seja relacionada à gravidez, uma meta-análise de 22 ensaios clínicos com intervalos de dose de 120 a 973 mg / dia e uma dose média de 410 mg concluiu que a suplementação de magnésio teve um efeito pequeno, mas estatisticamente significativo, diminuindo pressão arterial sistólica em 3-4 mm Hg e pressão arterial diastólica em 2-3 mm Hg. O efeito foi maior quando a dose foi superior a 370 mg / dia. [14]

Diabetes e tolerância à glicose Editar

A maior ingestão de magnésio na dieta corresponde a uma menor incidência de diabetes. [15] Para pessoas com diabetes ou com alto risco de diabetes, a suplementação de magnésio reduz a glicose de jejum. [16]

O Instituto de Medicina dos EUA (IOM) atualizou as necessidades médias estimadas (EARs) e as permissões dietéticas recomendadas (RDAs) para o magnésio em 1997. Se não houver informações suficientes para estabelecer EARs e RDAs, uma estimativa designada ingestão adequada (AI) é usada em seu lugar . Os EARs atuais de magnésio para mulheres e homens com 31 anos ou mais são de 265 mg / dia e 350 mg / dia, respectivamente. As RDAs são 320 e 420 mg / dia. Os RDAs são maiores do que os EARs para identificar valores que irão cobrir as pessoas com necessidades acima da média. A RDA para gravidez é de 350 a 400 mg / dia, dependendo da idade da mulher. A RDA para a lactação varia de 310 a 360 mg / dia pelo mesmo motivo. Para crianças de 1 a 13 anos, a RDA aumenta com a idade de 65 para 200 mg / dia. Quanto à segurança, o IOM também define os níveis de ingestão superiores toleráveis ​​(ULs) para vitaminas e minerais quando a evidência é suficiente. No caso do magnésio, o UL é fixado em 350 mg / dia. O UL é específico para o magnésio consumido como suplemento dietético, pois o excesso de magnésio consumido de uma vez pode causar diarreia. O UL não se aplica ao magnésio de origem alimentar. Coletivamente, os EARs, RDAs e ULs são referidos como Dietary Reference Intakes. [17]

Ingestão diária de referência de magnésio [18]
Era Masculino Fêmea Gravidez Lactação
Do nascimento aos 6 meses 30 mg * 30 mg *
7 a 12 meses 75 mg * 75 mg *
1-3 anos 80 mg 80 mg
4-8 anos 130 mg 130 mg
9–13 anos 240 mg 240 mg
14-18 anos 410 mg 360 mg 400 mg 360 mg
19-30 anos 400 mg 310 mg 350 mg 310 mg
31-50 anos 420 mg 320 mg 360 mg 320 mg
51+ anos 420 mg 320 mg

A Autoridade Europeia para a Segurança dos Alimentos (EFSA) refere-se ao conjunto coletivo de informações como Valores de Referência Alimentares, com Ingestão de Referência da População (PRI) em vez de RDA e Requisito Médio em vez de EAR. AI e UL definidos da mesma forma que nos Estados Unidos. Para mulheres e homens com 18 anos ou mais, os IAs são fixados em 300 e 350 mg / dia, respectivamente. Os IAs para gravidez e lactação também são 300 mg / dia. Para crianças de 1 a 17 anos, os IAs aumentam com a idade de 170 para 250 mg / dia. Esses AIs são inferiores aos RDAs dos EUA. [19] A Autoridade Europeia para a Segurança dos Alimentos revisou a mesma questão de segurança e definiu seu UL em 250 mg / dia - inferior ao valor dos EUA. [20] O UL de magnésio é o único que é menor do que alguns dos RDAs. Aplica-se à ingestão de um agente farmacológico ou suplemento dietético apenas e não inclui a ingestão de alimentos e água.

Para fins de rotulagem de alimentos e suplementos dietéticos dos EUA, a quantidade em uma porção é expressa como uma porcentagem do valor diário (% DV). Para fins de rotulagem de magnésio, 100% do valor diário era de 400 mg, mas em 27 de maio de 2016, foi revisado para 420 mg para ficar de acordo com a RDA. [21] [22] A conformidade com os regulamentos de rotulagem atualizados foi exigida até 1º de janeiro de 2020, para fabricantes com $ 10 milhões ou mais em vendas anuais de alimentos, e em 1º de janeiro de 2021, para fabricantes com menos de $ 10 milhões em vendas anuais de alimentos. [23] [24] [25] Durante os primeiros seis meses após a data de conformidade de 1º de janeiro de 2020, o FDA planeja trabalhar em cooperação com os fabricantes para atender aos novos requisitos do rótulo de Fatos Nutricionais e não se concentrará em ações de fiscalização em relação a esses requisitos durante esse Tempo. [23] Uma tabela dos antigos e novos valores diários para adultos é fornecida na ingestão diária de referência.

Os vegetais verdes, como o espinafre, fornecem magnésio devido à abundância de moléculas de clorofila, que contêm o íon. Nozes (especialmente castanhas do Brasil, castanha de caju e amêndoas), sementes (por exemplo, sementes de abóbora), chocolate amargo, soja torrada, farelo e alguns grãos inteiros também são boas fontes de magnésio. [26]

Embora muitos alimentos contenham magnésio, ele geralmente é encontrado em níveis baixos. Como acontece com a maioria dos nutrientes, é improvável que as necessidades diárias de magnésio sejam satisfeitas com uma porção de qualquer alimento. Comer uma grande variedade de frutas, vegetais e grãos ajudará a garantir a ingestão adequada de magnésio. [ citação necessária ]

Como o magnésio se dissolve prontamente na água, alimentos refinados, que muitas vezes são processados ​​ou cozidos em água e secos, em geral, são fontes pobres de nutrientes. Por exemplo, o pão de trigo integral tem duas vezes mais magnésio do que o pão branco, porque o germe e o farelo ricos em magnésio são removidos quando a farinha branca é processada. A tabela de fontes alimentares de magnésio sugere muitas fontes dietéticas de magnésio. [ citação necessária ]

A água "dura" também pode fornecer magnésio, mas a água "macia" contém menos íon. Pesquisas dietéticas não avaliam a ingestão de magnésio da água, o que pode levar à subestimação da ingestão total de magnésio e sua variabilidade.

O excesso de magnésio pode dificultar a absorção do cálcio pelo corpo. [ citação necessária ] Uma quantidade insuficiente de magnésio pode causar hipomagnesemia, conforme descrito acima, com batimentos cardíacos irregulares, pressão alta (um sinal em humanos, mas não em alguns animais experimentais, como roedores), insônia e espasmos musculares (fasciculação). No entanto, como observado, acredita-se que os sintomas de baixo teor de magnésio devido à deficiência alimentar pura são raramente encontrados.

A seguir estão alguns alimentos e a quantidade de magnésio neles: [27]

    sementes, sem cascas (1/4 xícara) = 303 mg, (1/4 xícara) = 162 mg [28] farinha (1/2 xícara) = 151 mg (1/4 xícara) = 125 mg
  • Farelo de aveia, cru (1/2 xícara) = 110 mg
  • Cacau em pó (1/4 xícara) = 107 mg (3 oz) = 103 mg (1/4 xícara) = 99 mg (1/4 xícara) = 89 mg
  • Farinha de trigo integral (1/2 xícara) = 83 mg, fervida (1/2 xícara) = 79 mg, fervida (1/2 xícara) = 75 mg, 70% de cacau (1 onça) = 73 mg, firme (1 / 2 xícara) = 73 mg, fervido (1/2 xícara) = 60 mg, cozido (1/2 xícara) = 59 mg (2 colheres de sopa) = 50 mg (1/4 xícara) = 46 mg, descascado (1/4 xícara) = 41 mg, fervido (1/2 xícara) = 39 mg, fervido (1/2 xícara) = 37 mg, fervido (1/2 xícara) = 36 mg, cozido (1/2 xícara) = 32 mg ( 1 colher de sopa) = 32 mg, sem gordura (1 xícara) = 27 mg, expresso (1 onça) = 24 mg (1 fatia) = 23 mg

Em animais, foi demonstrado que diferentes tipos de células mantêm diferentes concentrações de magnésio. [29] [30] [31] [32] Parece provável que o mesmo seja verdadeiro para as plantas. [33] [34] Isso sugere que diferentes tipos de células podem regular o influxo e o efluxo de magnésio de maneiras diferentes, com base em suas necessidades metabólicas exclusivas. As concentrações intersticiais e sistêmicas de magnésio livre devem ser delicadamente mantidas pelos processos combinados de tamponamento (ligação de íons a proteínas e outras moléculas) e abafamento (transporte de íons para armazenamento ou espaços extracelulares [35]).

Em plantas, e mais recentemente em animais, o magnésio foi reconhecido como um importante íon sinalizador, tanto ativando quanto mediando muitas reações bioquímicas. O melhor exemplo disso é talvez a regulação da fixação de carbono em cloroplastos no ciclo de Calvin. [36] [37]

O magnésio é muito importante na função celular. A deficiência do nutriente causa doenças no organismo afetado. Em organismos unicelulares, como bactérias e leveduras, baixos níveis de magnésio se manifestam em taxas de crescimento muito reduzidas. Em cepas de bactérias knockout para transporte de magnésio, as taxas saudáveis ​​são mantidas apenas com a exposição a concentrações externas muito altas do íon. [38] [39] Na levedura, a deficiência de magnésio mitocondrial também causa doenças. [40]

Plantas deficientes em magnésio apresentam respostas ao estresse. Os primeiros sinais observáveis ​​de privação de magnésio e superexposição em plantas é uma diminuição na taxa de fotossíntese. Isso se deve à posição central do íon Mg 2+ na molécula de clorofila. Os efeitos posteriores da deficiência de magnésio nas plantas são uma redução significativa no crescimento e na viabilidade reprodutiva. [4] O magnésio também pode ser tóxico para as plantas, embora isso seja normalmente visto apenas em condições de seca. [41] [42]

Em animais, a deficiência de magnésio (hipomagnesemia) é observada quando a disponibilidade ambiental de magnésio é baixa. Em animais ruminantes, particularmente vulneráveis ​​à disponibilidade de magnésio em pastagens, a condição é conhecida como 'grama tetânica'. A hipomagnesemia é identificada por uma perda de equilíbrio devido à fraqueza muscular. [43] Vários transtornos de hipomagnesemia atribuíveis geneticamente também foram identificados em humanos. [44] [45] [46] [47]

A superexposição ao magnésio pode ser tóxica para células individuais, embora esses efeitos tenham sido difíceis de demonstrar experimentalmente. [ citação necessária A hipermagnesemia, uma superabundância de magnésio no sangue, geralmente é causada pela perda da função renal. Animais saudáveis ​​excretam rapidamente o excesso de magnésio na urina e nas fezes. [48] ​​Magnésio urinário é chamado magnesúria. As concentrações características de magnésio em organismos modelo são: em E. coli 30-100 mM (ligado), 0,01-1 mM (livre), em levedura de brotamento 50 mM, em células de mamífero 10 mM (ligado), 0,5 mM (livre) e no plasma sanguíneo 1 mM. [49]

O Mg 2+ é o quarto íon metálico mais abundante nas células (por mole) e o cátion divalente livre mais abundante - como resultado, é profunda e intrinsecamente entrelaçado no metabolismo celular. De fato, enzimas dependentes de Mg 2+ aparecem em praticamente todas as vias metabólicas: a ligação específica de Mg 2+ a membranas biológicas é frequentemente observada, Mg 2+ também é usado como uma molécula de sinalização e grande parte da bioquímica de ácido nucleico requer Mg 2+, incluindo todas as reações que requerem liberação de energia de ATP. [50] [51] [37] Em nucleotídeos, a fração de fosfato triplo do composto é invariavelmente estabilizada por associação com Mg 2+ em todos os processos enzimáticos.

Edição de clorofila

Em organismos fotossintéticos, o Mg 2+ tem o papel vital adicional de ser o íon coordenador na molécula de clorofila. Este papel foi descoberto por Richard Willstätter, que recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1915 pela purificação e estrutura da ligação da clorofila com o sexto número de carbono

Edição de enzimas

A química do íon Mg 2+, conforme aplicada às enzimas, usa toda a gama de sua reação química incomum para cumprir uma série de funções. [50] [52] [53] [54] O Mg 2+ interage com substratos, enzimas e, ocasionalmente, ambos (o Mg 2+ pode fazer parte do sítio ativo). Em geral, o Mg 2+ interage com os substratos por meio da coordenação da esfera interna, estabilizando ânions ou intermediários reativos, incluindo também a ligação ao ATP e a ativação da molécula para o ataque nucleofílico. Ao interagir com enzimas e outras proteínas, o Mg 2+ pode se ligar usando coordenação de esfera interna ou externa, para alterar a conformação da enzima ou participar da química da reação catalítica. Em ambos os casos, como o Mg 2+ raramente é totalmente desidratado durante a ligação do ligante, pode ser uma molécula de água associada ao Mg 2+ que é importante, e não o próprio íon. A acidez de Lewis de Mg 2+ (pKuma 11.4) é usado para permitir reações de hidrólise e condensação (as mais comuns sendo a hidrólise do éster de fosfato e a transferência de fosforil) que, de outra forma, exigiriam valores de pH muito removidos dos valores fisiológicos.

Papel essencial na atividade biológica do ATP Edit

O ATP (trifosfato de adenosina), a principal fonte de energia nas células, deve estar ligado a um íon de magnésio para ser biologicamente ativo. O que é chamado de ATP geralmente é na verdade Mg-ATP. [5]

Ácidos nucléicos Editar

Os ácidos nucléicos têm uma importante gama de interações com o Mg 2+. A ligação de Mg 2+ ao DNA e RNA estabiliza a estrutura, o que pode ser observado no aumento da temperatura de fusão (Tm) de DNA de fita dupla na presença de Mg 2+. [50] Além disso, os ribossomos contêm grandes quantidades de Mg 2+ e a estabilização fornecida é essencial para a complexação dessa ribo-proteína. [55] Um grande número de enzimas envolvidas na bioquímica de ácidos nucléicos ligam Mg 2+ para atividade, usando o íon para ativação e catálise. Finalmente, a autocatálise de muitas ribozimas (enzimas contendo apenas RNA) é dependente de Mg 2+ (por exemplo, os íntrons de auto-processamento mitocondrial do grupo II de levedura [56]).

Os íons de magnésio podem ser críticos na manutenção da integridade posicional de grupos de fosfato intimamente agrupados. Esses aglomerados aparecem em várias partes distintas do núcleo e do citoplasma da célula. Por exemplo, os íons Mg 2+ hexa-hidratados se ligam no sulco principal profundo e na boca externa dos duplexes de ácido nucléico de forma A. [57]

Membranas celulares e paredes Editar

Membranas celulares biológicas e paredes celulares são superfícies polianiônicas. Isso tem implicações importantes para o transporte de íons, em particular porque foi demonstrado que diferentes membranas ligam preferencialmente íons diferentes. [50] Tanto o Mg 2+ quanto o Ca 2+ estabilizam regularmente as membranas pela reticulação de grupos principais de lipídios carboxilados e fosforilados. No entanto, a membrana do envelope de E. coli também demonstrou ligar Na +, K +, Mn 2+ e Fe 3+. O transporte de íons depende tanto do gradiente de concentração do íon quanto do potencial elétrico (ΔΨ) através da membrana, que será afetado pela carga na superfície da membrana. Por exemplo, a ligação específica de Mg 2+ ao envelope do cloroplasto foi implicada em uma perda de eficiência fotossintética pelo bloqueio da captação de K + e a subsequente acidificação do estroma do cloroplasto. [36]

Editar Proteínas

O íon Mg 2+ tende a se ligar apenas fracamente às proteínas (Kuma ≤ 10 5 [50]) e isso pode ser explorado pela célula para ligar e desligar a atividade enzimática por meio de alterações na concentração local de Mg 2+. Embora a concentração de Mg 2+ citoplasmático livre seja da ordem de 1 mmol / L, o conteúdo total de Mg 2+ nas células animais é 30 mmol / L [58] e nas plantas o conteúdo de células endodérmicas da folha foi medido em valores tão alto quanto 100 mmol / L (Stelzer et al., 1990), muitos dos quais armazenados em compartimentos de armazenamento.A concentração citoplasmática de Mg 2+ livre é tamponada pela ligação a quelantes (por exemplo, ATP), mas também, o que é mais importante, pelo armazenamento de Mg 2+ em compartimentos intracelulares. O transporte de Mg 2+ entre os compartimentos intracelulares pode ser uma parte importante da regulação da atividade enzimática. A interação do Mg 2+ com as proteínas também deve ser considerada para o transporte do íon através das membranas biológicas.

Manganês Edit

Em sistemas biológicos, apenas o manganês (Mn 2+) é prontamente capaz de substituir o Mg 2+, mas apenas em um conjunto limitado de circunstâncias. Mn 2+ é muito semelhante ao Mg 2+ em termos de suas propriedades químicas, incluindo complexação de camada interna e externa. O Mn 2+ se liga efetivamente ao ATP e permite a hidrólise da molécula de energia pela maioria das ATPases. O Mn 2+ também pode substituir o Mg 2+ como íon ativador de várias enzimas dependentes do Mg 2+, embora alguma atividade enzimática seja geralmente perdida. [50] Às vezes, essas preferências de enzima-metal variam entre espécies intimamente relacionadas: por exemplo, a enzima transcriptase reversa de lentivírus como HIV, SIV e FIV é tipicamente dependente de Mg 2+, enquanto a enzima análoga para outros retrovírus prefere Mn 2+.

Importância na ligação de drogas Editar

Um artigo [59] investigando a base estrutural das interações entre antibióticos clinicamente relevantes e o ribossomo 50S apareceu na Nature em outubro de 2001. A cristalografia de raios-X de alta resolução estabeleceu que esses antibióticos se associam apenas com o rRNA 23S de uma subunidade ribossômica, e não as interações são formadas com a porção de proteína de uma subunidade. O artigo destaca que os resultados mostram "a importância dos íons Mg 2+ putativos para a ligação de alguns fármacos".

Por isótopos radioativos Editar

O uso de elementos traçadores radioativos em ensaios de captação de íons permite o cálculo de km, Ki e Vmax e determina a mudança inicial no conteúdo de íons das células. O 28 Mg decai pela emissão de uma partícula beta ou gama de alta energia, que pode ser medida usando um contador de cintilação. No entanto, a meia-vida radioativa de 28 Mg, o mais estável dos isótopos de magnésio radioativo, é de apenas 21 horas. Isso restringe severamente os experimentos envolvendo o nuclídeo. Além disso, desde 1990, nenhuma instalação produz rotineiramente 28 mg, e o preço por mCi agora está previsto em aproximadamente US $ 30.000. [60] A natureza química do Mg 2+ é tal que é aproximada por alguns outros cátions. [61] No entanto, Co 2+, Mn 2+ e Ni 2+ foram usados ​​com sucesso para imitar as propriedades do Mg 2+ em algumas reações enzimáticas, e as formas radioativas desses elementos foram empregadas com sucesso em estudos de transporte de cátions. A dificuldade de usar a substituição de íons metálicos no estudo da função enzimática é que a relação entre as atividades da enzima com o íon de substituição em comparação com o original é muito difícil de determinar. [61]

Por indicadores fluorescentes Editar

Vários queladores de cátions divalentes têm diferentes espectros de fluorescência nos estados ligado e não ligado. [62] Os quelantes para Ca 2+ estão bem estabelecidos, têm alta afinidade para o cátion e baixa interferência de outros íons. Os quelantes de Mg 2+ ficam para trás e o principal corante de fluorescência para o Mg 2+ (mag-fura 2 [63]), na verdade, tem uma afinidade maior para o Ca 2+. [64] Isso limita a aplicação deste corante a tipos de células onde o nível de repouso de Ca 2+ é & lt 1 μM e não varia com as condições experimentais sob as quais o Mg 2+ deve ser medido. Recentemente, Otten et al. (2001) descreveram o trabalho em uma nova classe de compostos que podem se mostrar mais úteis, tendo afinidades de ligação significativamente melhores para o Mg 2+. [65] O uso de corantes fluorescentes é limitado à medição de Mg 2+ livre. Se a concentração de íons é tamponada pela célula por quelação ou remoção para compartimentos subcelulares, a taxa de captação medida fornecerá apenas valores mínimos de km e Vmax.

Por eletrofisiologia Editar

Primeiro, microeletrodos específicos de íons podem ser usados ​​para medir a concentração interna de íons livres de células e organelas. As principais vantagens são que as leituras podem ser feitas a partir das células ao longo de períodos de tempo relativamente longos e que, ao contrário dos corantes, muito pouca capacidade extra de tamponamento de íons é adicionada às células. [66]

Em segundo lugar, a técnica de pinça de voltagem de dois eletrodos permite a medição direta do fluxo de íons através da membrana de uma célula. [67] A membrana é mantida em um potencial elétrico e a corrente de resposta é medida. Todos os íons que passam pela membrana contribuem para a corrente medida.

Terceiro, a técnica de patch-clamp usa seções isoladas de membrana natural ou artificial da mesma maneira que o clamp de voltagem, mas sem os efeitos secundários de um sistema celular. Sob condições ideais, a condutância de canais individuais pode ser quantificada. Esta metodologia fornece a medição mais direta da ação dos canais iônicos. [67]

Por espectroscopia de absorção Editar

A espectroscopia de absorção atômica com chama (AAS) determina o conteúdo total de magnésio de uma amostra biológica. [62] Este método é destrutivo, as amostras biológicas devem ser quebradas em ácidos concentrados para evitar entupir o aparelho de nebulização fina. Além disso, a única limitação é que as amostras devem estar em um volume de aproximadamente 2 mL e em uma faixa de concentração de 0,1 - 0,4 μmol / L para uma precisão ideal. Como esta técnica não consegue distinguir entre o Mg 2+ já presente na célula e aquele absorvido durante o experimento, apenas o conteúdo não absorvido pode ser quantificado.

Plasma indutivamente acoplado (ICP) usando as modificações de espectrometria de massa (MS) ou espectroscopia de emissão atômica (AES) também permite a determinação do conteúdo total de íons de amostras biológicas. [68] Essas técnicas são mais sensíveis do que o AAS de chama e são capazes de medir as quantidades de vários íons simultaneamente. No entanto, eles também são significativamente mais caros.

As propriedades químicas e bioquímicas do Mg 2+ apresentam ao sistema celular um desafio significativo ao transportar o íon através das membranas biológicas. O dogma do transporte de íons afirma que o transportador reconhece o íon e então remove progressivamente a água de hidratação, removendo a maior parte ou toda a água em um poro seletivo antes de liberar o íon do outro lado da membrana. [69] Devido às propriedades do Mg 2+, grande mudança de volume de íon hidratado para puro, alta energia de hidratação e taxa muito baixa de troca de ligante na esfera de coordenação interna, essas etapas são provavelmente mais difíceis do que para a maioria dos outros íons. Até o momento, apenas a proteína ZntA de Paramecium demonstrou ser um canal de Mg 2+. [70] Os mecanismos de transporte de Mg 2+ pelas proteínas restantes estão começando a ser descobertos com a primeira estrutura tridimensional de um complexo de transporte de Mg 2+ sendo resolvido em 2004. [71]

A camada de hidratação do íon Mg 2+ tem uma camada interna muito fortemente ligada de seis moléculas de água e uma segunda camada relativamente bem ligada contendo 12-14 moléculas de água (Markham et al., 2002). Assim, presume-se que o reconhecimento do íon Mg 2+ requer algum mecanismo para interagir inicialmente com a camada de hidratação do Mg 2+, seguido por um reconhecimento / ligação direta do íon à proteína. [60] Devido à força da complexação da esfera interna entre Mg 2+ e qualquer ligante, múltiplas interações simultâneas com a proteína de transporte neste nível podem retardar significativamente o íon no poro de transporte. Portanto, é possível que grande parte da água de hidratação seja retida durante o transporte, permitindo a coordenação da esfera externa mais fraca (mas ainda específica).

Apesar da dificuldade mecanística, o Mg 2+ deve ser transportado através das membranas, e um grande número de fluxos de Mg 2+ através das membranas de uma variedade de sistemas foram descritos. [72] No entanto, apenas uma pequena seleção de transportadores de Mg 2+ foi caracterizada em nível molecular.

Edição de bloqueio de canal de íon de ligante

Os íons magnésio (Mg 2+) na biologia celular costumam ser em quase todos os sentidos opostos aos íons Ca 2+, porque também são bivalentes, mas têm maior eletronegatividade e, portanto, exercem maior atração sobre as moléculas de água, impedindo a passagem pelo canal (embora o magnésio em si é menor). Assim, os íons Mg 2+ bloqueiam os canais de Ca 2+, tais como (canais NMDA) e foram mostrados para afetar os canais de junção de lacuna formando sinapses elétricas.

As seções anteriores trataram em detalhes dos aspectos químicos e bioquímicos do Mg 2+ e seu transporte através das membranas celulares. Esta seção aplicará esse conhecimento a aspectos da fisiologia de planta inteira, na tentativa de mostrar como esses processos interagem com o ambiente maior e mais complexo do organismo multicelular.

Requisitos nutricionais e interações Editar

O Mg 2+ é essencial para o crescimento da planta e está presente em plantas superiores em quantidades da ordem de 80 μmol g -1 de peso seco. [4] As quantidades de Mg 2+ variam em diferentes partes da planta e dependem do estado nutricional. Em tempos de abundância, o excesso de Mg 2+ pode ser armazenado nas células vasculares (Stelzer et al., 1990 [34] e em tempos de fome o Mg 2+ é redistribuído, em muitas plantas, das folhas mais velhas para as mais novas. [4] [73]

O Mg 2+ é absorvido pelas plantas através das raízes. As interações com outros cátions na rizosfera podem ter um efeito significativo na absorção do íon. (Kurvits e Kirkby, 1980 [74] A estrutura das paredes das células da raiz é altamente permeável à água e íons e, portanto, a absorção de íons pelas células da raiz pode ocorrem em qualquer lugar, desde os cabelos da raiz até as células localizadas quase no centro da raiz (limitadas apenas pela faixa de Cáspio). As paredes e membranas das células vegetais carregam um grande número de cargas negativas, e as interações dos cátions com essas cargas são a chave para o absorção de cátions pelas células da raiz, permitindo um efeito de concentração local. [75] O Mg 2+ se liga de maneira relativamente fraca a essas cargas e pode ser deslocado por outros cátions, impedindo a absorção e causando deficiência na planta.

Dentro das células vegetais individuais, os requisitos de Mg 2+ são basicamente os mesmos que para toda a vida celular. O Mg 2+ é usado para estabilizar as membranas, é vital para a utilização de ATP, está amplamente envolvido na bioquímica do ácido nucleico e é um cofator para muitas enzimas (incluindo o ribossomo). Além disso, Mg 2+ é o íon coordenador na molécula de clorofila. É a compartimentação intracelular de Mg 2+ em células vegetais que leva a uma complexidade adicional. Quatro compartimentos dentro da célula vegetal relataram interações com Mg 2+. Inicialmente, o Mg 2+ entrará na célula no citoplasma (por um sistema ainda não identificado), mas as concentrações de Mg 2+ livres neste compartimento são rigidamente reguladas em níveis relativamente baixos (≈2 mmol / L) e, portanto, qualquer excesso de Mg 2 + é rapidamente exportado ou armazenado no segundo compartimento intracelular, o vacúolo. [76] A necessidade de Mg 2+ na mitocôndria foi demonstrada em leveduras [77] e parece altamente provável que o mesmo se aplique às plantas. Os cloroplastos também requerem quantidades significativas de Mg 2+ interno e baixas concentrações de Mg 2+ citoplasmático. [78] [79] Além disso, parece provável que as outras organelas subcelulares (por exemplo, Golgi, retículo endoplasmático, etc.) também requerem Mg 2+.

Distribuindo íons de magnésio dentro da planta Editar

Uma vez no espaço citoplasmático das células da raiz, o Mg 2+, junto com os outros cátions, é provavelmente transportado radialmente para a estela e o tecido vascular. [80] Das células ao redor do xilema, os íons são liberados ou bombeados para o xilema e carregados pela planta. No caso do Mg 2+, que é altamente móvel tanto no xilema quanto no floema, [81] os íons serão transportados para o topo da planta e de volta para baixo em um ciclo contínuo de reposição. Portanto, a captação e a liberação das células vasculares são provavelmente uma parte importante da homeostase do Mg 2+ em toda a planta. A Figura 1 mostra como poucos processos foram conectados aos seus mecanismos moleculares (apenas a captação vacuolar foi associada a uma proteína de transporte, AtMHX).

O diagrama mostra um esquema de uma planta e os processos putativos de transporte de Mg 2+ na raiz e na folha, onde o Mg 2+ é carregado e descarregado dos tecidos vasculares. [4] O Mg 2+ é absorvido pelo espaço da parede celular da raiz (1) e interage com as cargas negativas associadas às paredes e membranas celulares. O Mg 2+ pode ser absorvido pelas células imediatamente (via simplástica) ou pode viajar até a faixa de Cáspio (4) antes de ser absorvido pelas células (via apoplástica 2). A concentração de Mg 2+ nas células da raiz é provavelmente tamponada pelo armazenamento em vacúolos das células da raiz (3). Observe que as células na ponta da raiz não contêm vacúolos. Uma vez no citoplasma da célula da raiz, o Mg 2+ viaja em direção ao centro da raiz pelos plasmodesmos, onde é carregado no xilema (5) para transporte para as partes superiores da planta. Quando o Mg 2+ atinge as folhas, é descarregado do xilema para as células (6) e novamente é tamponado em vacúolos (7). Não se sabe se o ciclo de Mg 2+ no floema ocorre por meio de células gerais na folha (8) ou diretamente do xilema para o floema por meio de células de transferência (9). O Mg 2+ pode retornar às raízes na seiva do floema.

Quando um íon Mg 2+ é absorvido por uma célula que o necessita para processos metabólicos, geralmente assume-se que o íon permanece naquela célula enquanto a célula estiver ativa. [4] Em células vasculares, nem sempre é o caso em tempos de abundância, o Mg 2+ é armazenado no vacúolo, não participa dos processos metabólicos diários da célula (Stelzer et al., 1990), e é liberado quando necessário. Mas, para a maioria das células, é a morte por senescência ou lesão que libera Mg 2+ e muitos dos outros constituintes iônicos, reciclando-os em partes saudáveis ​​da planta. Além disso, quando o Mg 2+ no ambiente é limitante, algumas espécies são capazes de mobilizar o Mg 2+ de tecidos mais antigos. [73] Esses processos envolvem a liberação de Mg 2+ de seus estados ligado e armazenado e seu transporte de volta para o tecido vascular, onde pode ser distribuído para o resto da planta. Em tempos de crescimento e desenvolvimento, o Mg 2+ também é remobilizado dentro da planta à medida que as relações entre a fonte e o sumidouro mudam. [4]

A homeostase do Mg 2+ dentro das células vegetais individuais é mantida por processos que ocorrem na membrana plasmática e na membrana do vacúolo (ver Figura 2). A principal força motriz para a translocação de íons nas células vegetais é ΔpH. [82] H + -ATPases bombeiam íons H + contra seu gradiente de concentração para manter o diferencial de pH que pode ser usado para o transporte de outros íons e moléculas. Os íons H + são bombeados para fora do citoplasma para o espaço extracelular ou para o vacúolo. A entrada de Mg 2+ nas células pode ocorrer por meio de uma de duas vias, via canais usando o ΔΨ (negativo no interior) através desta membrana ou por simporte com íons H +. Para transportar o íon Mg 2+ para o vacúolo, é necessário um transportador antiporta Mg 2+ / H + (como AtMHX). As H + -ATPases são dependentes do Mg 2+ (ligado ao ATP) para atividade, de modo que o Mg 2+ é necessário para manter sua própria homeostase.

Um esquema de uma célula vegetal é mostrado incluindo os quatro compartimentos principais atualmente reconhecidos como interagindo com Mg 2+. As H + -ATPases mantêm um ΔpH constante através da membrana plasmática e da membrana do vacúolo. Mg 2+ é transportado para o vacúolo usando a energia de ΔpH (em A. thaliana por AtMHX). O transporte de Mg 2+ para as células pode usar tanto o ΔΨ negativo quanto o ΔpH. O transporte de Mg 2+ para a mitocôndria provavelmente usa ΔΨ como nas mitocôndrias de levedura, e é provável que os cloroplastos recebam Mg 2+ por um sistema semelhante. O mecanismo e a base molecular para a liberação de Mg 2+ dos vacúolos e da célula não são conhecidos. Da mesma forma, as mudanças na concentração de Mg 2+ reguladas por luz nos cloroplastos não são totalmente compreendidas, mas requerem o transporte de íons H + através da membrana tilacóide.

Magnésio, cloroplastos e fotossíntese Editar

O Mg 2+ é o íon metálico coordenador na molécula da clorofila e, nas plantas onde o íon está em grande quantidade, cerca de 6% do Mg 2+ total está ligado à clorofila. [4] [83] [84] O empilhamento de tilacóide é estabilizado por Mg 2+ e é importante para a eficiência da fotossíntese, permitindo que ocorram transições de fase. [85]

O Mg 2+ é provavelmente absorvido pelos cloroplastos em maior extensão durante o desenvolvimento induzido pela luz de proplastídeo para cloroplasto ou etioplasto para cloroplasto. Nessas ocasiões, a síntese da clorofila e a biogênese das pilhas da membrana tilacóide requerem absolutamente o cátion divalente. [86] [87]

Se o Mg 2+ é capaz de entrar e sair dos cloroplastos após esta fase inicial de desenvolvimento tem sido o assunto de vários relatórios conflitantes. Deshaies et al. (1984) descobriram que o Mg 2+ se movia para dentro e para fora dos cloroplastos isolados de plantas jovens de ervilha, [88] mas Gupta e Berkowitz (1989) foram incapazes de reproduzir o resultado usando cloroplastos de espinafre mais velhos. [89] Deshaies et al. afirmaram em seu artigo que os cloroplastos de ervilha mais antigos mostraram mudanças menos significativas no conteúdo de Mg 2+ do que aqueles usados ​​para formar suas conclusões. A proporção relativa de cloroplastos imaturos presentes nas preparações pode explicar essas observações.

O estado metabólico do cloroplasto muda consideravelmente entre a noite e o dia. Durante o dia, o cloroplasto coleta ativamente a energia da luz e a converte em energia química. A ativação das vias metabólicas envolvidas vem das mudanças na natureza química do estroma com a adição de luz. O H + é bombeado para fora do estroma (tanto no citoplasma quanto no lúmen) levando a um pH alcalino. [90] [91] Mg 2+ (junto com K +) é liberado do lúmen para o estroma, em um processo de eletroneutralização para equilibrar o fluxo de H +. [92] [93] [94] [95] Finalmente, os grupos tiol nas enzimas são reduzidos por uma mudança no estado redox do estroma. [96] Exemplos de enzimas ativadas em resposta a essas mudanças são frutose 1,6-bisfosfatase, sedoheptulose bifosfatase e ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase. [4] [53] [96] Durante o período escuro, se essas enzimas estivessem ativas, ocorreria uma ciclagem desnecessária de produtos e substratos.

Duas classes principais de enzimas que interagem com Mg 2+ no estroma durante a fase de luz podem ser identificadas. [53] Em primeiro lugar, as enzimas na via glicolítica mais frequentemente interagem com dois átomos de Mg 2+. O primeiro átomo atua como modulador alostérico da atividade das enzimas, enquanto o segundo faz parte do sítio ativo e está diretamente envolvido na reação catalítica. A segunda classe de enzimas inclui aquelas em que o Mg 2+ é complexado aos nucleotídeos di- e trifosfatos (ADP e ATP), e a mudança química envolve a transferência de fosforil.Mg 2+ também pode servir em um papel de manutenção estrutural nessas enzimas (por exemplo, enolase).

Tensão de magnésio Editar

As respostas ao estresse das plantas podem ser observadas em plantas com suprimento insuficiente ou excessivo de Mg 2+. Os primeiros sinais observáveis ​​de estresse de Mg 2+ em plantas, tanto por inanição quanto por toxicidade, é uma depressão da taxa de fotossíntese, presumida por causa das fortes relações entre Mg 2+ e cloroplastos / clorofila. Nos pinheiros, antes mesmo do aparecimento visível de manchas amareladas e necróticas, a eficiência fotossintética das agulhas diminui acentuadamente. [73] Na deficiência de Mg 2+, os efeitos secundários relatados incluem imobilidade de carboidratos, perda da transcrição do RNA e perda da síntese protéica. [97] No entanto, devido à mobilidade do Mg 2+ dentro da planta, o fenótipo de deficiência pode estar presente apenas nas partes mais velhas da planta. Por exemplo, em Pinus radiata com fome de Mg 2+, um dos primeiros sinais de identificação é a clorose nas agulhas nos galhos mais baixos da árvore. Isso ocorre porque o Mg 2+ foi recuperado desses tecidos e movido para as agulhas em crescimento (verdes) mais altas na árvore. [73]

Um déficit de Mg 2+ pode ser causado pela falta do íon no meio (solo), mas é mais comumente causado pela inibição de sua absorção. [4] O Mg 2+ se liga fracamente aos grupos carregados negativamente nas paredes das células da raiz, de modo que os excessos de outros cátions, como K +, NH4 +, Ca 2+ e Mn 2+ podem impedir a absorção. (Kurvits e Kirkby, 1980 [74] Em solos ácidos, o Al 3+ é um inibidor particularmente forte da absorção de Mg 2+. [98] [99] A inibição por Al 3+ e Mn 2+ é mais grave do que pode ser explicado pelo simples deslocamento, portanto, é possível que esses íons se liguem diretamente ao sistema de captação de Mg 2+. [4] Em bactérias e leveduras, essa ligação por Mn 2+ tem já foram observados. As respostas ao estresse na planta se desenvolvem à medida que os processos celulares são interrompidos devido à falta de Mg 2+ (por exemplo, manutenção de ΔpH através do plasma e das membranas de vacúolo). Em plantas com fome de Mg 2+ sob condições de pouca luz, a porcentagem de O Mg 2+ ligado à clorofila foi registrado em 50%. [100] Presumivelmente, esse desequilíbrio tem efeitos prejudiciais em outros processos celulares.

O estresse de toxicidade de Mg 2+ é mais difícil de desenvolver. Quando o Mg 2+ é abundante, em geral as plantas absorvem o íon e o armazenam (Stelzer et al., 1990). No entanto, se isso for seguido por seca, as concentrações iônicas dentro da célula podem aumentar dramaticamente. Altas concentrações citoplasmáticas de Mg 2+ bloqueiam um canal de K + na membrana do envelope interno do cloroplasto, por sua vez inibindo a remoção de íons H + do estroma do cloroplasto. Isso leva a uma acidificação do estroma que inativa enzimas-chave na fixação de carbono, o que leva à produção de radicais livres de oxigênio no cloroplasto que, então, causam dano oxidativo. [101]


O que é 'condutância de cálcio'? - Biologia

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Definição médica para o termo 'intercalado disco'. Dicionário Médico - 'Intercalado Disco'Como pesquisar:. intercalado disco. Tipo: termo. Definições:.
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O que é 'condutância de cálcio'? - Biologia

A plasticidade sináptica é o fortalecimento ou enfraquecimento das sinapses ao longo do tempo em resposta a aumentos ou diminuições em sua atividade. A mudança plástica também resulta da alteração do número de receptores localizados em uma sinapse. A plasticidade sináptica é a base do aprendizado e da memória, permitindo um sistema nervoso flexível e funcional. A plasticidade sináptica pode ser de curto prazo (intensificação sináptica ou depressão sináptica) ou de longo prazo. Dois processos em particular, potenciação de longo prazo (LTP) e depressão de longo prazo (LTD), são formas importantes de plasticidade sináptica que ocorrem nas sinapses no hipocampo: uma região do cérebro envolvida no armazenamento de memórias.

Potenciação e depressão de longo prazo: A entrada de cálcio pelos receptores pós-sinápticos NMDA pode iniciar duas formas diferentes de plasticidade sináptica: potenciação de longo prazo (LTP) e depressão de longo prazo (LTD). LTP surge quando uma única sinapse é repetidamente estimulada. Essa estimulação causa uma cascata celular dependente de cálcio e CaMKII, que resulta na inserção de mais receptores AMPA na membrana pós-sináptica. Na próxima vez que o glutamato for liberado da célula pré-sináptica, ele se ligará aos receptores NMDA e AMPA recém-inseridos, despolarizando a membrana com mais eficiência. LTD ocorre quando poucas moléculas de glutamato se ligam aos receptores NMDA em uma sinapse (devido a uma baixa taxa de disparo do neurônio pré-sináptico). O cálcio que flui através dos receptores NMDA inicia uma cascata diferente dependente da calcineurina e da proteína fosfatase 1, que resulta na endocitose dos receptores AMPA. Isso torna o neurônio pós-sináptico menos responsivo ao glutamato liberado pelo neurônio pré-sináptico.

Melhoria e depressão sináptica de curto prazo

A plasticidade sináptica de curto prazo atua em uma escala de tempo de dezenas de milissegundos a alguns minutos. O aprimoramento sináptico de curto prazo resulta de mais terminais sinápticos liberando transmissores em resposta aos potenciais de ação pré-sináptica. As sinapses se fortalecerão por um curto período de tempo devido a um aumento no tamanho do conjunto prontamente liberável do transmissor empacotado ou um aumento na quantidade de transmissor empacotado liberado em resposta a cada potencial de ação. O esgotamento dessas vesículas facilmente liberáveis ​​causa fadiga sináptica. A depressão sináptica de curto prazo também pode surgir de processos pós-sinápticos e da ativação de feedback de receptores pré-sinápticos.

Potenciação de longo prazo (LTP)

A potenciação de longo prazo (LTP) é um fortalecimento persistente de uma conexão sináptica, que pode durar minutos ou horas. O LTP é baseado no princípio Hebbian: & # 8220 células que disparam juntas são conectadas. & # 8221 Existem vários mecanismos, nenhum totalmente compreendido, por trás do fortalecimento sináptico visto com LTP.

Um mecanismo conhecido envolve um tipo de receptor de glutamato pós-sináptico: receptores NMDA (N-Metil-D-aspartato). Esses receptores são normalmente bloqueados por íons de magnésio. No entanto, quando o neurônio pós-sináptico é despolarizado por várias entradas pré-sinápticas em rápida sucessão (de um neurônio ou de vários neurônios), os íons de magnésio são forçados para fora e os íons de Ca 2+ passam para a célula pós-sináptica. Em seguida, os íons Ca 2+ que entram na célula iniciam uma cascata de sinalização que faz com que um tipo diferente de receptor de glutamato, receptores AMPA (ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolpropiônico), sejam inseridos na membrana pós-sináptica . Os receptores AMPA ativados permitem que os íons positivos entrem na célula.

Portanto, na próxima vez que o glutamato for liberado da membrana pré-sináptica, ele terá um efeito excitatório maior (EPSP) na célula pós-sináptica porque a ligação do glutamato a esses receptores AMPA permitirá que mais íons positivos entrem na célula. A inserção de receptores AMPA adicionais fortalece a sinapse, de modo que o neurônio pós-sináptico tem maior probabilidade de disparar em resposta à liberação do neurotransmissor pré-sináptico. Algumas drogas cooptam a via LTP - esse fortalecimento sináptico pode levar ao vício.

Depressão de longo prazo (LTD)

A depressão de longo prazo (LTD) é essencialmente o reverso da LTP: é um enfraquecimento de longo prazo de uma conexão sináptica. Um mecanismo conhecido por causar LTD também envolve os receptores AMPA. Nessa situação, o cálcio que entra pelos receptores NMDA inicia uma cascata de sinalização diferente, que resulta na remoção dos receptores AMPA da membrana pós-sináptica. Com a diminuição dos receptores AMPA na membrana, o neurônio pós-sináptico responde menos ao glutamato liberado pelo neurônio pré-sináptico. Embora possa parecer contra-intuitivo, o LTD pode ser tão importante para o aprendizado e a memória quanto o LTP. O enfraquecimento e poda de sinapses não utilizadas apara conexões sem importância, deixando apenas as conexões salientes fortalecidas pela potenciação de longo prazo.


Assista o vídeo: Natrium Kalium Pumpen (Junho 2022).


Comentários:

  1. Samuramar

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  2. Tejora

    Tópico muito satisfatório

  3. Jorrell

    Acho que isso é um erro grave.

  4. Zukinos

    Cinco probabilidades

  5. Vomuro

    Ótima mensagem))



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