Bioeletrogênese: Geração de Potencial Elétrico nas Células

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Bi󰈡󰇵le󰉃󰈹󰈡gê󰈝󰇵󰈼e
Bioeletrogênese: Capacidade da célula em gerar e
alterar a diferença de potencial elétrico através da
membrana plasmática.
Propriedade exclusiva de algumas células
- Células nervosas
- Células cardíacas
- Células glandulares
Ap󰈗i󰇸󰈀çõ󰇵s 󰈝a󰈼 c󰈎ê󰈝󰇸󰈏as 󰇷󰈀 󰈼󰇽úde
● ECG de repouso
● ECG de esforço – Teste ergométrico
● Holter
● EEG Topografia cerebral de EEG
O fluxo iônico através das membranas é a base da
comunicação intercelular, de extrema importância
nos processos fisiológicos. A modulação destes
processos se dá pela regulação de canais iônicos,
receptores e bombas através da regulação intrínseca
ou uso de fármacos.
(1) DDP = 0mV - eletrodos estão do lado de fora
da célula.
(2) Eletrodo (vermelho) atravessa a membrana
CITOPLASMA (-)
Eletrodo preto – líquido nutritivo - MEIO
EXTRACELULAR
Voltímetro - DDP = - 60mV
(3) Neurônio estimulado – injeção de com
corrente elétrica
Voltímetro - alteração transitória do potencial de
membrana
Ondas de despolarização de baixa amplitude ⇨
intensidade do estímulo
Potencial limiar ► Potencial de ação ⇨
intensidade do estímulo
↓DDP diminui
> amplitude do estímulo ► > variação da DDP.
Pat󰇹󰈋 c󰈗a󰈛p 󰉃󰈩󰇸h󰈝󰈏󰈬u󰈩
● Permite a medida direta das correntes iônicas
controlando simultaneamente o potencial de
membrana da célula
● Estudo de canais iônicos individualmente.
● Neher & Sackmann, 1970-80
Tipos celular Em (mV)
Neurônio -70
Músculo esquelético -80
Músculo cardíaco
(atrial e ventricular)
-80
Músculo liso -55
Células não-excitáveis -20
O qu󰈩 é 󰉊m 󰈥o󰉄󰈩n󰇹󰈏a󰈘 󰈩lé󰉃󰈹󰈏co?
● É uma forma de energia potencial.
● É uma forma de armazenar energia para
realizar trabalho.
● Trabalho elétrico:
- fluxo de cargas elétricas = corrente
elétrica
Pot󰈩󰈝󰇸󰈏al 󰇷󰈩 M󰇵󰈛b󰈸a󰈞󰈀
● Diferença de voltagem (carga elétrica) entre
o interior e o exterior da célula
● Potencial de repouso da membrana
- Interior mais negativo que o exterior
- Assimetria na distribuição dos íons
positivos e negativos
- Permeabilidade diferente aos
diversos íons
Principais classes de proteínas transportadoras de
membrana
Proteínas carreadoras: ligam a um soluto específico a
ser transportado e sofrem mudanças conformacionais
para transferir através da membrana. Transporte ativo
ou passivo.
Ex: Na+K+ATPase
Proteínas-canal: Não necessitam se ligar ao soluto.
Formam poros hidrofílicos que se estendem através
da bicamada lipídica. Quando abertos, permitem
passagem de solutos específicos. Sempre transporte
passivo.
Ex: Canais iônicos
Pro󰉃󰈩í󰈞󰇽s- 󰇹a󰈞󰈀l
● Especificamente relacionadas ao transporte
de íons: canais iônicos
● Maior capacidade de transporte que porteínas
carreadoras
● São seletivos: Na+ , K+ , Ca2+ e Cl-
(tamanho e carga).
● Oscilam entre o estado aberto e fechado por
estímulos: voltagem, tensão mecânica,
ligação com neurotransmissor (extracelular),
íons ou nucleotídeos (intracelular)
Per󰈚󰈩󰇽󰇻il󰈎󰇷󰇽󰇶e re󰈗󰈀󰉄󰈏va do íon󰈻 no re󰈥󰈡󰉊󰈼o em
ne󰉉󰈸ô󰈞󰈏os
Espécie
iônica
K⁺ Na⁺ Cl⁻
Permeabili
dade
(repouso)
1 0,04 0,45
O K⁺ é a principal causa do potencial fora de
equilíbrio dos neurônios, uma vez que é o íon mais
permeável.
Com󰈥󰈀󰈹󰇽ção da󰈻 co󰈝󰇸󰈩n󰉃󰈹󰇽ções de íon󰈻 no in󰉃󰈩󰈹󰈏or e
no 󰈩󰉕󰉄󰇵ri󰈡󰈸 󰇶󰇵 um󰈀 󰇹é󰈘󰉊la 󰉃í󰈦󰈎c󰇽 󰇷e 󰈛󰈀mí󰇾󰇵󰈹o
Íon
Concentração
extracelular
(mM)
Concentração
intracelular
(mM)
K⁺ 5 150
Na⁺ 145 15
Cl⁻ 110 5
Ca²⁺ 1 - 2 10⁻4
Mg²⁺ 1 - 2
H⁺ 7 x 10 ⁻⁵ (pH
7,2)
4 x 10 ⁻⁵ (pH
7,4)
Tra󰈝󰈼p󰈡󰈸󰉄󰇵 de M󰈡󰈗é󰇸󰉊la󰈻 C󰈀󰈹r󰇵󰈇a󰇶󰈀s
Gra󰇷󰈎󰇵󰈞te E󰈗󰈩󰉄r󰈢󰈫uí󰈛󰈎c󰈢 󰈝a M󰈩󰈛b󰈸󰇽󰈞a
● A soma das energias potenciais elétrica e
química existentes num determinado meio
chama-se energia potencial eletroquímica
(Ψ).
● A força que move um íon de um lado para
outro da membrana surge da diferença de
energia potencial eletroquímica (Ψ) entre os
dois lados existentes.
Pot󰈩󰈝󰇸󰈏al 󰇷󰈩 E󰈬󰉊ilí󰇼󰈹󰈎󰈢 de 󰉉󰈚 Í󰈢󰈞
● Diferença potencial que existe entre as faces
de uma membrana permeável ao íon, quando
o fluxo deste íon é nulo, isto é, quando o
gradiente eletroquímico do íon entre os lados
da membrana é nulo.
● Equação que determina o valor potencial de
equilíbrio (Vs ) de um íon “s” qualquer.
Equação de NERNST
Vs = RT / zF . in . [S]1 / [S]2
R – constante universal dos gases perfeitos
T – temperatura do sistema em graus Kelvin
Z – valencia do íon
[S]1 – concentração do íon do lado 1
[S]2 – concentração do íon do lado 2
● Como a membrana é permeável a mais de
uma espécie iônica, calcula-se o potencial de
membrana pela equação de Goldman,
Hodgkin e Katz (GHK).
● Além da diferença de concentração de íons
nos fluidos intracelular e extracelular, a
célula contém moléculas negativamente
carregadas como HCO3 -1 , PO4 -3 ,
proteínas, ácidos nucléicos, metabolitos
portadores de grupos fosfato e carboxila.
Equ󰈎󰈗í󰇻r󰈏o 󰇷󰈩 G󰈏󰇻b󰈻-󰉍o󰈞n󰈀󰈝
Efeito de um íon impermeante (proteínas) na
distribuição dos íons através de uma membrana
semipermeável → DDP existente em células
excitáveis e não excitáveis em repouso.
Equ󰈎󰈗í󰇻r󰈏o 󰇷󰈩 G󰈏󰇻b󰈻-󰉍o󰈞n󰈀󰈝
Muitos componentes intracelulares são impermeáveis
à membrana, porém tem carga e portanto atraem
contra-íons
A presença de macromoléculas e metabólitos gera
maior concentração de contra-íons dentro do que fora
da célula, e provoca efeito osmótico.
O Equilíbrio de Gibbs-Donnan segue as seguintes
condições:
a) distribuição assimétrica de íons;
b) diferença de potencial transmembrana;
c) polaridade da membrana é igual à carga da
macromolécula impermeante (repouso);
d)permeabilidade a todos os íons difusíveis não é a
mesma.
Pot󰈩󰈝󰇸󰈏al 󰇷󰈩 R󰇵󰈦o󰉉s󰈢
● Na ausência de perturbações externas, os
potenciais de membrana VM das células
permanecem constantes
● Denominados potenciais de repouso V0
● Estímulo externo às células nervosas e
musculares produz uma variação V em seus
potenciais de membrana (potencial de ação)
VM = V0+ V
Parâmetros que auxiliam na manutenção do potencial
de repouso
● Rigidez dielétrica das membranas biológicas
● A bomba de sódio e potássio
A bo󰈚󰇻󰈀 d󰇵 󰈻ó󰇶i󰈡 p󰈢󰉃á󰈼si󰈡 – Pr󰇵󰉏i󰈼õ󰈩s 󰇷󰇵 DE󰉝󰈰
Permeabilidade elétrica
● Dean, 1941: membrana celular é permeável a
íons como sódio e potássio
● Foram utilizados íons radioativos
● A explicação de Dean: “some sort of pump
possibly located in the membrane which can
pump out sodium or, what is equivalent,
pump in the potassium”.
● Mais tarde, a descoberta da bomba de
sódio/potássio viria a confirmar a previsão de
Dean.
A estrutura da Bomba de Na K ATP ase
Proteína carreadora transmembrana, que realiza
transporte ativo de íons.
Possui estrutura em forma de “U”, formada por dois
polipeptídeos:
α: 1.015 – 1.018 aminoácidos
β: 302 aminoácidos
O Funcionamento da Bomba de Sódio Potássio
A fosforilação expõe os íons de sódio (Na+) ao
exterior da membrana, devido ter uma afinidade
baixa com os íons; Dois íons de potássio (K+)
extracelulares se ligam à bomba levando a uma
desfosforilação; O ATP se liga a bomba para liberar
íons de potássio no meio intracelular.
Ciclo de bombeamento da Na K ATPase
● Ligação de Na e fosforização subseqüente da
face citoplasmática induz a proteína a sofrer
modificações conformacionais que transporta
Na através da membrana e o libera no
exterior.
● Ocorre então ligação do K na face externa e
desfosforilação, fazendo que a proteína
retorne à conformação original e entregue K
para o citoplasma.
Fat󰈡󰈸󰇵󰈼 qu󰈩 󰇽󰈗󰉄er󰈀󰈚 󰈢 󰈦ot󰈩󰈝󰇸󰈏al 󰇷󰈩 󰈹󰇵po󰉉󰈻󰈢
● Redução de K extracelular
● Diminuição da atividade Na+K+ ATPase
● Diminuição da produção de ATP
● Alteração na permeabilidade da membrana
⇓
Potencial de ação
Potencial de ação
● Sinal elétrico que se propaga pela membrana
celular para transmitir informações ou iniciar
a contração.
● Despolarização da membrana celular
ocasionada pela mudança temporária de
permeabilidade aos íons Na+ /K+
Ativação do potencial de ação
● O potencial de ação é disparado pela abertura
de canais de sódio quimiodependentes ou
voltagem-dependentes
Pot󰈩󰈝󰇸󰈏al Lim󰈎󰇽󰈸:me󰈝󰈡󰈹 es󰉃í󰈛󰉉l󰈢 ne󰇹󰈩󰈼sá󰈸󰈏o pa󰈸󰈀
de󰈻󰈩󰈞c󰇽󰇷e󰈀󰈹 󰉊m 󰈥o󰉄󰈩n󰇹󰈏a󰈘 d󰈩 󰇽ção.
● Nas células excitáveis, se o potencial VM
numa região da membrana celular ultrapassar
o potencial limiar VL, ocorrerá a transmissão
de um pulso de potencial elétrico através
dessa membrana.
Le󰈎 d󰈢 󰉃u󰇶󰈡 󰈢u n󰈀󰇷󰇽:
● A propagação de um pulso de potencial
elétrico característico ao longo de uma célula
(TUDO 20 mV)
● A rápida atenuação da perturbação, sem que
ocorra a excitação da célula. (NADA 10 mV)
Pro󰈥󰈀󰈈󰇽ção d󰈡 󰈥󰈢󰉄en󰇹󰈎󰇽󰈘 de 󰈀çã󰈢
● Vencimento do limiar de excitação
● Abertura de canais
Eta󰈥󰈀󰈼 d󰈢 󰈥o󰉄󰈩n󰇹󰈏a󰈘 d󰈩 󰇽ção n󰈩󰉊󰈸o󰈞󰈀l
● Despolarização
● “Overshoot”
● Repolarização
● Hiperpolarização
● Polarização
Pot󰈩󰈝󰇸󰈏al 󰇷󰈩 󰇽ção
Etapa 1 – despolarização
● Abertura dos canais de sódio
quimiodependentes
● Despolarização parcial
● Abertura dos canais de Na+
voltagem-dependentes
● Grande influxo de Na+
● Despolarização total
Etapa 2 – repolarização
● Fechamento (inativação) dos canais de Na+
● Abertura dos canais de K+
voltagem-dependentes
● Abertura mais tardia
● Fechamento dos canais de K+
Próximas etapas
● Bomba Na+ /K+ funcionando
constantemente
● Hiperpolarização por demora no fechamento
dos canais de K+
● Transporte ativo regenera gradientes
● 1,0 – 1,5 milissegundos!!
Potencial de Ação- Resumo
1. Estímulo acima do potencial de repouso
2. Despolarização: abertura dos canais de Na+
3. Polarização invertida: Na+ continua entrando
na célula.
4. Repolarização: fechamento dos canais de
Na+ e saída de K+ .
5. Fechamento dos canais de K+ .
6. A (Na+K+ATPase) expulsa o excesso de
Na+ .
O po󰉃󰈩󰈞c󰈏a󰈗 󰇶󰈩 󰇽ção d󰈡 󰈚󰈏o󰇸ár󰇷󰈎󰈢
O potencial de ação do miocárdio se distingue do
potencial de ação do axônio por possuir um longo
platô de despolarização que determina a sua duração
(150 – 500ms).
Fase 0: despolarização da célula
Fase 1: rápida, precoce e incompleta repolarização
Fase 2: célula despolarizada e potencial constante
(Platô)
Fase 3: repolarização propriamente dita
Fase 4: correspondente à diástole
Célu󰈗󰈀󰈼 d󰈢 󰈚a󰈹c󰈀󰈥󰇽󰈼so
Promovem autoestimulação – determinam o rítmo
cardíaco
● Potencial gerado no nódulo sinoatrial
● Propagação para o átrio
● Transmissão para o nódulo atrioventricular
● Transmissão ao feixe de His
● Propagação para os ventrículos
Formas de potencial de ação cardíaco
Tipo A: possui componente rápido. Encontrado em
miocárdio de trabalho e de condução ventricular.
Tipo B: componente rápido pouco desenvolvido.
Células de transição em torno dos nódulos AS e AV.
Tipo C: não possui componente rápido. Células
nodais.