Voltar a: Biologia – 10ºAno

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Ficha n.º 17 – Proteína Canalrodopsina 2 (ChR2)

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Em 2010, optogenética foi escolhida como o método do ano entre todos os campos de engenharia e ciência pela revista “Nature Methods“. Ao mesmo tempo, foi destacada no artigo “Insights of Decade” publicado na revista “Science“. Em 2013, alcançou o seu maior reconhecimento ao ser usada para gerar memórias artificiais em roedores transgénicos. No entanto, seu objetivo principal é identificar o funcionamento dos circuitos cerebrais neuronais. Esse fato, aliado à simplicidade do método e ao custo relativamente baixo do equipamento, e à facilidade de aprendizagem tem promovido a universalidade dessa técnica.

Sem a necessidade de elétrodos, a optogenética implica um controle muito subtil dos mecanismos neuronais. Essa nova técnica envolve injetar em grupos selecionados de neurónios um vírus benigno contendo proteínas fotorreceptoras (chamadas opsinas) cujas informações genéticas vêm de algas fotossensíveis. Assim, as células neurais tornam-se sensíveis à luz. As proteínas, que atuam como interruptores, ligam ou desligam os neurónios de acordo com os flashes de luz enviados em milissegundos por cabos de fibra ótica. Esses feixes de luz podem estimular ou suprimir certos pensamentos e memórias.

Opsinas são canais iónicos que se abrem com a presença de luz instantaneamente. A alga utilizada é Chlamydomonas reinhardtii, e sua característica é baseada na capacidade de se mover em direção a uma fonte de luz, e se move em direção à luz através da ação da proteína Canalrodopsina 2 (ChR2). Através da estimulação com um feixe de luz de 473 nm, luz azul, o ChR2 se abre permitindo a passagem de iões através do gradiente eletroquímico da célula. Os neurónios têm proteínas ChR2 suficientes para que a luz azul, por fibra óptica, permita a abertura de canais de sódio e, com ela, a entrada de iões Na⁺ no interior dos neurónios. O próximo passo é sequênciar o gene que contém as informações que serão codificadas nos microorganismos (algas ou bactérias) para esses canais e inseri-las nos neurónios desejados. Isto pode ser conseguido a partir da injeção de vírus no corpo, portador desses genes. Esses vírus são obtidos por engenharia genética e, além do gene específico a ser codificado, envolve outra série de genes que permitem que a proteína ative apenas nos neurónios que queremos. Se não fosse esse o caso, haveria o risco de a proteína ser inserida em qualquer tecido do corpo. Depois de ter o animal expressando o proteína que queríamos e nos tipos neurónios neurais, o próximo passo será ativar essas proteínas. Para fazer isso, é feito um implante de fibra óptica por cirurgia  para alcançar a região onde queremos regular a atividade. Esta fibra óptica deve ser conectada a uma fonte de luz de um determinado comprimento de onda para uso do laser. A partir daí, tudo consiste em ligar ou desligar a luz para regular e modular o efeito que queremos obter. Para desligar a luz, uma segunda proteína diferente de ChR2, a halorodopsina, que captaria uma gama de cores diferente da luz, é usada, o que ativa a inibição da resposta do neurónio. A  halorodopsina usa a energia da luz verde / amarela para mover os iões cloro para a célula.

Figura 1 – Técnica de optogenética.

1.  As anfetaminas são drogas sintéticas que  interferem com a  dopamina e noradrenalina, que são neurotransmissores do  Sistema Nervoso. Essas drogas atuam aumentando a libertação e diminuindo a recaptação desses transmissores. A dopamina e noradrenalina possuem várias funções fisiológicas e comportamentais. Os estados de apetite, saciedade, vigília e funções psíquicas estão envolvidos. A ingestão de anfetamina causa insônia, perda de apetite e um estado de hiperexitabilidade. A pessoa se torna muito ativa, inquieta, e extrovertida.

Tendo por base o mecanismo de ação das anfetaminas explica o estado excitatório que se se verifica nos indivíduos que consomem este tipo de drogas,

2. A proteína ChR2 corresponde a uma proteína ____ .

(A) intrínseca, que atravessa a membrana plasmática.

(B) extrínseca, que se encontra na face externa da membrana plasmática.

(C) intrínseca, que se encontra na face externa da membrana plasmática.

(D) extrínseca,  que atravessa a membrana plasmática.

3. A emissão  de luz azul, por fibra óptica, conduz à ________ gerando-se um potencial de _____.

(A) despolarização ….. ação

(B) despolarização ….. repouso

(C) repolarização …… ação

(D) repolarização …. repouso

4.  O gene que codifica a proteina ChR2 é constituído por uma sequência de ______ e na alga  Chlamydomonas reinhardtii localiza-se no _____.

(A) ribonucleótidos ….. núcleo

(B) ribonucleótidos ….. citoplasma

(C) desoxirribonucleótidos ….. núcleo

(D) desoxirribonucleótidos …… citoplasma

5.  Quando ocorre a fotoestimulação dos neurónios das cobaias por um  um feixe de luz de 473 nm,  os iões Na⁺ movem-se na membrana  ______ do seu gradiente de concentração por _______.

(A) a favor …… difusão

(B) a favor …… transporte ativo

(C) contra …… difusão

(D) contra ….. transporte ativo

6. Por emissão de um feixe de luz verde/amarela a ação da halorodopsina permite restabelecer o potencial de ______ pois contribui para a ______ da membrana.

(A) repouso ….. despolarização

(B) repouso ….. repolarização

(C) ação …… despolarização

(D) ação ….. repolarização

7. Os neurónios das cobaias enviam sinais a um ______.

(A) órgão efetor através de neurónios eferentes.

(B) recetor sensorial através de neurónios aferentes.

(C) órgão efetor através de neurónios sensitivos.

(D) recetor sensorial através de neurónios motores.

8. Ao nível das sinapses, a ligação de um neurotransmissor a um dado recetor do neurónio pós-sináptico conduz diretamente à ______ de iões sódio e à consequente ______ da sua membrana.

(A) saída ……. repolarização

(B) entrada ….. repolarização

(C) saída ……. despolarização

(D) entrada ….. despolarização

9. A presença dos nódulos de Ranvier _______

(A) nos neurónios desmielinizados, aumenta a velocidade de condução do impulso nervoso.

(B) nos neurónios mielinizados permite que a despolarização/repolarização ocorra apenas nesses locais.

(C) nos neurónios desmielinizados, permite que a despolarização/repolarização ocorra apenas nesses locais.

(D) nos neurónios mielinizados, potencia uma diminuição da velocidade de condução do impulso nervoso.

10. Se não ocorrer a repolarização,   __________.

(A) o neurónio  mantém-se em potencial de repouso

(B)  os canais iónicos do K⁺ mantêm-se abertos

(C) os canais iónicos do Na⁺ mantêm-se abertos

(D) os canais iónicos do Na⁺ mantêm-se fechados

11. Ao nível dos neurónios a  bomba Na⁺-K⁺  atua ______ .

                (A)  de modo continuo, contra o gradiente de concentração.

(B) de modo contínuo, a favor do gradiente de concentração.

(C) apenas quando estes recebem um impulso nervoso, contra o gradiente de concentração.

(D) apenas quando estes recebem um impulso nervoso, a favor do gradiente de concentração.

12. Ordene as letras de A a E  de modo a reconstituir a sequência cronológica dos acontecimentos que decorrem na cobaia após a fotoestimulação. Inicie pela letra  A.

A. Emissão de um flash de luz azul.

B. Alteração da permeabilidade da membrana ao Na+.

C. Criação de um potencial de ação.

D. Alteração da conformação da ChR2 por ação da luz.

E. Alteração da permeabilidade aos iões cloreto

F. Alteração da conformação da halorodopsina por ação da luz.

G. Criação de um potencial de repouso.

13. Faça corresponder a cada uma das afirmações da coluna A o respetivo termo que lhe corresponde expresso na coluna B.

Coluna A	Coluna B
(A) Ramificação curta de um neurónio. (B) Zona de interrupção da bainha de mielina. (C)  Comunicação entre um neurónico eferente e a placa motora.	1. Axónio 2. Bainha de mielina 3. Corpo celular 4. Dendrite 5. Nódulo de Ranvier 6. Junção neuromuscular 7. Placa motriz