Rang e Dale: Farmacologia
Função dos canais
Figura 4.5 Comportamento dos canais de sódio e potássio durante a condução de
um potencial de ação. Ocorre abertura rápida dos canais de sódio na fase de ascensão do potencial de ação. A abertura tardia dos canais de potássio e a inativação dos canais de sódio causam repolarização. E , potencial de membrana; g , condutância da membrana m K ao K+ + ; g , condutância da membrana ao Na.
Na
O mecanismo anterior, com base no trabalho de Hodgkin e Huxley,
realizado há 65 anos, envolve somente os canais de Na+ e K+. Os canais de
cálcio controlados por voltagem (Hille, 2001) foram descobertos
posteriormente (ver Figura 4.1). Estes funcionam basicamente da mesma
forma que os canais de sódio, mas com uma escala temporal ligeiramente
mais lenta; contribuem para a geração do potencial de ação em muitas
células, especialmente as células cardíacas e musculares lisas, mas também
nos neurônios e nas células secretoras. A entrada de Ca2+ através dos canais
de cálcio controlados por voltagem desempenha um papel muito importante
na sinalização intracelular, como descrito nas páginas 52-56.
FUNÇÃO DOS CANAIS
Os padrões de disparo das células excitáveis variam amplamente. As fibras
musculares esqueléticas estão em repouso, a não ser que sejam estimuladas
pela chegada de um impulso nervoso à junção neuromuscular. As fibras
musculares cardíacas disparam espontaneamente em uma frequência regular
(ver Capítulo 22). Em condições normais, os neurônios podem ficar em
repouso ou se despolarizar espontaneamente, regularmente ou em salvas; as
células musculares lisas apresentam uma variedade semelhante de padrões
de disparo. A frequência com que os potenciais de ação ocorrem nas
diversas células também varia muito, desde 100 Hz ou mais, nos neurônios
de condução rápida, até apenas cerca de 1 Hz, nas células musculares
cardíacas. Essas grandes variações funcionais refletem as diferentes
características dos canais de íons expressos nos diversos tipos celulares. As
flutuações rítmicas de [Ca2+]i fundamentam os diferentes padrões de disparo que ocorrem nos diversos tipos celulares (Berridge, 2016).
Fármacos que alteram as características do canal, seja interagindo
diretamente com o canal, seja indiretamente, por intermédio de segundos
mensageiros, afetam a função de muitos sistemas orgânicos, incluindo os
sistemas nervoso, cardiovascular, endócrino, respiratório e reprodutor,
sendo um tema frequente neste livro. Aqui descrevemos alguns
mecanismos-chave envolvidos na regulação das células excitáveis.
Em geral, os potenciais de ação são iniciados por correntes na
membrana que causam despolarização da célula. Essas correntes podem ser
produzidas pela atividade sináptica, pela aproximação de um potencial de
ação vindo de outra parte da célula, por um estímulo sensorial ou pela
atividade espontânea de um marca-passo. A tendência dessas correntes para
iniciar um potencial de ação é governada pela excitabilidade da célula, que
depende principalmente do estado (a) dos canais de sódio e/ou cálcio
controlados por voltagem e (b) dos canais de potássio da membrana em repouso. Qualquer evento que aumente o número de canais de sódio ou
cálcio disponíveis, ou que reduza seu limiar de ativação, tende a aumentar a
excitabilidade, enquanto, ao aumentar a condutância de repouso ao K+, ela
se reduz. Agentes que fazem o inverso, bloqueando os canais ou
interferindo em sua abertura, terão efeito oposto. As Figuras 4.6 e 4.7
apresentam alguns exemplos. As mutações herdadas nas proteínas dos
canais são responsáveis por uma grande variedade de distúrbios
neurológicos e outras alterações genéticas (Imbrici et al., 2016).
Uso-dependência e voltagem-dependência
▼ Os canais controlados por voltagem existem em três estados
funcionais (Figura 4.8): em repouso (durante o potencial de repouso
normal, eles permanecem fechados), ativado (a despolarização breve
favorece sua abertura) e inativado (estado de bloqueio decorrente de
uma oclusão tipo alçapão na abertura do canal, efetuada por um
apêndice móvel situado na porção intracelular da proteína do canal).
Muitos canais de sódio permanecem no estado inativado depois da
passagem do potencial de ação; depois que o potencial de membrana
retorna a seu valor de repouso, os canais inativados demoram para
retornar ao estado de repouso, ficando, assim, disponíveis para nova
ativação. Enquanto isso, a membrana está temporariamente refratária.
Cada potencial de ação faz com que os canais passem por esse ciclo de
três estados. A duração do período refratário determina a frequência
máxima dos potenciais de ação. Fármacos que bloqueiam os canais de
sódio, tais como anestésicos locais (ver Capítulo 44), medicamentos
antiarrítmicos (ver Capítulo 22) e anticonvulsivos (ver Capítulo 46),
normalmente apresentam afinidade seletiva para um desses estados
funcionais do canal, e, em sua presença, a proporção de canais no estado
de alta afinidade é aumentada. Fármacos que se ligam fortemente aos
canais inativados, favorecendo a adoção desse estado, são
particularmente importantes, pois prolongam o período refratário,
reduzindo a frequência máxima de geração dos potenciais de ação. Esse
tipo de bloqueio é chamado uso-dependente porque a ligação desses
fármacos aumenta em função da frequência de disparo do potencial de
ação, que governa a taxa pela qual os canais inativados – e,
consequentemente, sensíveis ao fármaco – são gerados. Isso é
importante no caso de alguns fármacos antiarrítmicos (ver Capítulo 22)
e anticonvulsivos (ver Capítulo 46), pois disparos de alta frequência
podem ser inibidos sem afetar a excitabilidade em frequências normais.
Os fármacos que bloqueiam rapidamente os canais de sódio em repouso
(p. ex., anestésicos locais; ver Capítulo 44) previnem a excitação tanto
em frequências baixas quanto altas.
Em sua maioria, os fármacos que bloqueiam os canais de sódio são
catiônicos no pH fisiológico, sendo afetados pelo gradiente de voltagem
através da membrana celular. Eles bloqueiam o canal pela face interna
da membrana, de modo que sua ação bloqueadora é favorecida pela
despolarização. Esse fenômeno, conhecido como voltagem-
dependência, também é relevante para a ação de fármacos
antiarrítmicos e antiepilépticos, porque as células responsáveis por
arritmia ou atividade convulsivante geralmente estão um pouco
despolarizadas, sendo bloqueadas com mais intensidade do que as
células sadias. Considerações semelhantes aplicam-se aos fármacos que
bloqueiam os canais de potássio ou de cálcio, mas sabe-se menos sobre
a importância da dependência do uso e da voltagem em relação a esses
canais do que em relação aos canais de sódio.
Figura 4.6 Canais iônicos associados a efeitos excitatórios e inibitórios da
membrana e alguns fármacos e outros ligantes que os afetam. Os quadros verdes mostram os agentes que abrem os canais, enquanto os agentes bloqueadores e inibitórios estão nos quadros de cor salmão. Canais Na 2+ + /K ativados por hiperpolarização são conhecidos como canais controlados por nucleotídios cíclicos, ativados por hiperpolarização, (HCN); canais ativados por H + são conhecidos como canais iônicos sensíveis a ácido (ASIC). GPCR, receptor acoplado à proteína G (Gprotein-coupled receptor).
Figura 4.7 Canais de ação de fármacos e toxinas que afetam os canais envolvidos
na geração de potenciais de ação. Muitos outros mediadores afetam esses canais indiretamente, por meio de receptores de membrana, por fosforilação ou alteração de sua expressão. STX, saxitoxina; TTX, tetrodotoxina.
Canais de sódio
Na maioria das células excitáveis, a corrente de entrada regenerativa que
inicia o potencial de ação resulta da ativação dos canais de sódio
controlados por voltagem. Os estudos iniciais de Hodgkin e Huxley com
clampeamento de voltagem no axônio gigante de lula, descritos na página
57, revelaram as propriedades funcionais essenciais desses canais.
Posteriormente, usou-se a ação bloqueadora e altamente seletiva da
tetrodotoxina (TTX, ver Capítulo 44) para marcar e purificar a proteína do
canal e, subsequentemente, cloná-la. Os canais de sódio consistem em uma
subunidade α central e formadora de poro (mostrada na Figura 3.20) e em
duas subunidades β auxiliares. Foram identificadas em mamíferos nove
subunidades α (Na v1.1 até Nav1.9) e quatro subunidades β. As subunidades α contêm quatro domínios semelhantes, cada qual compreendendo seis
hélices transmembranares (Catterall e Swanson, 2015). Uma dessas hélices,
a S4, que contém diversos aminoácidos básicos, formando o sensor de
voltagem, se move para fora e abre o canal quando a membrana é
despolarizada. Uma das alças intracelulares tem configuração para oscilar e
bloquear o canal quando a S4 está deslocada, inativando o canal.
Figura 4.8 Estados de repouso, ativado e inativado, dos canais operados por
voltagem exemplificados aqui pelo canal de sódio. A. A despolarização da membrana causa rápida transição do estado de repouso (fechado) para o de ativação (aberto). A partícula de inativação (parte do domínio intracelular da proteína do canal) é, então, capaz de bloquear o canal. Com a despolarização prolongada, abaixo do limiar para abertura, os canais podem passar diretamente do repouso para a condição inativa sem se abrirem. B. Alguns fármacos bloqueantes (como a tetrodoxina) bloqueiam o canal pelo lado de fora, como um interruptor, enquanto outros (como os fármacos anestésicos locais e antiepilépticos) entram pelo interior da célula, mostrando, com frequência, preferência por estados abertos ou inativados, afetando, assim, o comportamento cinético dos canais, com implicações em sua aplicação clínica.
Estudos fisiológicos demonstraram que os canais de sódio do coração e
do músculo esquelético diferem em vários aspectos dos canais dos
neurônios. Em particular, os canais de sódio cardíacos (e alguns neurônios
sensitivos) são relativamente insensíveis a TTX, e sua cinética é mais lenta,
em comparação à maioria dos canais dos neurônios. Isso é explicado pela
insensibilidade relativa de algumas subunidades α (Na v1.5, Nav1.8 e Nav1.9) à tetrodotoxina. Pensa-se que alterações no nível de expressão de algumas
subunidades de canais de sódio estejam na base da hiperexcitabilidade dos
neurônios sensitivos em diferentes tipos de dor neuropática (ver Capítulo
43).
Além dos bloqueadores de canais como a tetrodotoxina, outros
compostos afetam o controle e a inativação dos canais de sódio. Por
exemplo, o alcaloide vegetal veratridina e o veneno da pele de sapo
batracotoxina causam ativação persistente, enquanto inúmeras toxinas
provenientes de escorpiões impedem a inativação, mecanismos que
aumentam a excitabilidade neuronal.
Canais de potássio
Em uma célula em repouso típica (p. 57, Figura 4.3), a membrana é
seletivamente permeável ao K+, e o potencial de membrana (cerca de –60
mV) é relativamente positivo em relação ao potencial de equilíbrio do K+
(cerca de –90 mV). Essa permeabilidade de repouso ocorre porque alguns
canais de potássio estão abertos. Se mais canais de potássio se abrirem,
ocorre hiperpolarização da membrana e, então, a célula é inibida, enquanto
acontece justamente o oposto se os canais de potássio forem fechados.
Além de afetarem desse modo a excitabilidade, os canais de potássio também desempenham papel relevante na regulação da duração do
potencial de ação e em seu padrão temporal de disparo; juntos, esses canais
têm ação fundamental na regulação da função celular. Como mencionado
no Capítulo 3, o número e a variedade de subtipos de canais de potássio são
extraordinários, indicando que a evolução foi impelida pela vantagem
biológica que se alcançaria com variações sutis nas propriedades funcionais
desses canais. Um resumo recente lista mais de 60 subunidades formadoras
de poros, além de outras 20 subunidades auxiliares. Trata-se de uma
demonstração evolucionária impressionante, embora difícil de ser
compreendida por muitos de nós.
▼ Os canais de potássio são divididos em três classes principais (Tabela
4.2),4 cujas estruturas são mostradas na Figura 3.20.
• Canais de potássio controlados por voltagem, os quais contêm seis hélices que atravessam a
membrana, uma delas funcionando como sensor de voltagem, o que faz com que o canal se abra quando a membrana se despolariza. Nesse grupo, estão os canais da família shaker, responsáveis pela maior parte das correntes de K + controladas por voltagem conhecidas dos eletrofisiologistas, e outros canais, como os canais de potássio ativados por Ca2+, e dois subtipos que são importantes no coração, os canais HERG e LQT. Muitos desses canais são bloqueados por fármacos como tetraetilamônio e 4-aminopiridina
• + Canais de potássio retificadores de entrada , assim chamados porque permitem que o K entre
com muito mais facilidade do que sai. Eles contêm duas hélices que atravessam a membrana e uma única alça formadora de poro (alça P). Esses canais são regulados pela interação com as
proteínas G (ver Capítulo 3) e medeiam os efeitos inibitórios de muitos agonistas que atuam nos receptores acoplados à proteína G. Certos tipos são importantes no coração,
especialmente na regulação da duração do potencial de ação cardíaco (ver Capítulo 22); outros são alvos das sulfonilureias (fármacos hipoglicemiantes que estimulam a secreção de
insulina por bloqueio desses canais; ver Capítulo 32) e relaxantes da musculatura lisa, como o
minoxidil e o diazóxido, que abrem os canais (ver Capítulo 23)
• Canais de potássio com domínio de dois poros, com quatro hélices e duas alças P.
Apresentam retificação de saída, exercendo forte influência repolarizadora, que se opõe a qualquer tendência de excitação. Esses canais podem contribuir para a condutância de K+ em repouso em muitas células, mostrando-se suscetíveis à regulação por intermédio das proteínas
G; determinados subtipos foram envolvidos na ação de anestésicos voláteis, como o
isoflurano (ver Capítulo 42).
Para mais detalhes e informações sobre os canais de potássio e vários
medicamentos e toxinas que os afetam, ver Jenkinson (2006) e
Alexander et al. (2015).
Anormalidades hereditárias dos canais de potássio (canalopatias)
contribuem para o crescente número de doenças cardíacas, neurológicas e
outras. Entre elas, cita-se a síndrome do QT longo, associada a mutações
nos canais de potássio controlados por voltagem do coração, causando
episódios de parada ventricular que podem provocar morte súbita. O
prolongamento do intervalo QT induzido por fármacos é um efeito colateral
não desejado de vários medicamentos (ver Capítulo 22), incluindo
metadona e vários agentes antipsicóticos. Atualmente, os novos fármacos
são rastreados para essa propriedade logo no início de seu processo de
desenvolvimento (ver Capítulo 60). Alguns tipos de surdez e epilepsia
familiares estão associados a mutações nos canais de potássio controlados
por voltagem (Imbrici et al., 2016).