Potencial de Ação

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azevedolab.net
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 A
z
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v
e
d
o
 J
r.
Biofísica
Potencial de ação
Prof. Dr. Walter F. de Azevedo Jr.
Perguntas
O que ocorre com o neurônio quando aplicamos um estímulo elétrico alto o suficiente?
?
Amplificador
Potencial de membrana
Osciloscópio
Gerador de corrente 
elétrica (estímulo 
elétrico)
Questões…
Pode o cérebro ser capaz de entender o próprio
cérebro?
?
Questões…
Se um computador, com a complexidade do cérebro
humano for construído, tal computador terá
consciência?
=?
Fonte: http://www.cray.com/products/XT5.aspx
Fonte: http://www.kurzweilai.net/
Singularidade tecnológica
Fonte: http://www.kurzweilai.net/
O que é singularidade tecnológica?
É uma etapa da evolução humana, onde
segundo alguns autores, a humanidade
atingirá um nível tecnológico que permitirá
uma progressiva substituição de órgãos
por próteses bio-mecânicas. Tal
substituição permitirá um aumento
progressivo da expectativa de vida. Por
último, atingiremos a substituição do
cérebro humano, por um equivalente
computacional. Nesta fase a humanidade
atingirá virtualmente a imortalidade. A
situação onde tal transição ocorrerá é
chamada de singularidade tecnológica.
Singularidade tecnológica
Fonte: http://www.kurzweilai.net/
O gráfico ao lado ilustra a lei de Moore,
que estabelece que a cada
aproximadamente 18 meses a velocidade
de processamento dos computadores
mais rápidos dobram. Tal lei, apesar de ter
sido proposta na década de 1960, tem si
confirmado. Uma extrapolação da lei de
Moore para 2030, ou um pouco depois,
indica que teremos computadores com a
complexidade do cérebro humano.
Terá tal computador consciência?
Estudos de sistemas biológicos
Diferentes formas de estudo de sistemas
biológicos.
In silico. Usa simulação computacional
para o estudo de sistemas biológicos. Tem
como principal vantagem o baixo custo, e
a possibilidade de testarmos diversos
sistemas diferentes em computador. O
principal problema é a confiabilidade dos
sistemas simulados. Nem sempre é
possível obtermos modelos
computacionais realísticos para um
sistema biológico. A abordagem in silico é
comum no estudo de novos fármacos. É
uma forma de acelerar o processo de
descoberta e desenvolvimento de
fármacos, adicionando inteligência e ética
ao desenvolvimento de novos fármacos.
Fármaco contra tuberculose em estudo in silico.
Fonte: Bio-Inspired Algorithms Applied to Molecular 
Docking Simulations. Heberlé G, De Azevedo WF Jr. 
Curr Med Chem 2011; 18 (9): 1339-1352. 
Estudos de sistemas biológicos
Adicionamos inteligência, pois podemos
testar milhares de sistemas em
computador. No caso específico do
desenho de fármacos in silico, podemos
testar em computador milhares, até
mesmos milhões de moléculas, que
apresentam potencial de se tornarem
fármacos.
Adicionamos uma abordagem ética ao
desenvolvimento de fármacos, pois ao
invés de sacrificarmos milhões de cobaias
em testes pré-clínicos, focamos os testes
pré-clínicos nas moléculas mais
promissores.
Muitos testes pré-clínicos são feitos em camundongos e 
em cachorros.
Estudos de sistemas biológicos
In silico (uma história de sucesso).
Algumas décadas atrás ocorreu a primeira
grande epidemia de AIDS. O vírus HIV foi
identificado como o causador da AIDS. No
estudo da biologia do vírus foi identificado
que o vírus expressa uma poliproteína,
que precisa ser clivada para que o HIV
seja ativo. As partes clivadas da
poliproteína formam o vírus maduro que
infecta as células. Se a clivagem for
inibida o vírus é impedido de atingir sua
forma madura. A elucidação de estrutura
da HIV protease permite que o modelo
chave fechadura seja usado para
investigar in silico o potencial de novos
fármacos contra o vírus HIV.
Estrutura da HIV protease resolvida por cristalografia 
por difração de raios X. Código PDB: 7HVP
Estudos de sistemas biológicos
In vitro. Usa experimentos de laboratório
sem envolvimento direto de cobaias
(testes em tubos de ensaios). Tem um
custo relativamente mais alto que a
simulação computacional, mas é mais
realista, visto que os experimentos são
realizados em situações próximas às
encontradas no ser vivo.
In vivo. É o experimento mais realista,
visto que é feito em seres vivos. Tem
como principais problemas o custo
elevado, quando comparado com as
outras abordagens, e os aspectos éticos
envolvidos.
Fonte: http://www.vivopharm.com.au/us/in_vitro.php
Cientistas demonstram a eficácia de nanopartículas para
entrega de droga anticancerígena (doxorubicin) nas
células alvos.
Fonte: http://newsroom.ucla.edu/portal/ucla/srp-
view.aspx?id=138683
Teste clínicos
O teste mais avançado e realista dos
estudos in vivo são os testes clínicos. Em
tais testes, fármacos em potencial são
aplicados em seres humanos. Os testes
visam verificar se o fármaco em potencial
apresenta eficácia e toxicidade tolerável.
Normalmente são realizados testes pré-
clínicos, onde os fármacos em potencial
são testados in vitro e in vivo, com
cobaias animais não humanas.
Classicamente os testes clínicos são
divididos nas seguintes fases:
Fase 0. Tal denominação é recente
("Guidance for Industry, Investigators, and
Reviewers". Food and Drug
Administration. Consultado em 04 de
setembro de 2011.) e visa testar o
fármaco em potencial em humanos em
doses sub-terapêuticas, onde é testado se
o fármaco em potencial comporta-se
como esperado.
Fonte: http://www.almacgroup.com/pharmaceutical-development
Teste clínicos
Fase I. Nesta fase um grupo
relativamente pequeno de indivíduos
(entre 100 e 200) são testados. A fase 1
testa a tolerância da droga e normalmente
usa indivíduos saudáveis. As regras para
a participação nos testes variam de país
para país, nos EUA pagam para
indivíduos participarem de tais testes.
Fase II. Nesta fase é testada a eficácia da
droga, bem como sua toxidade. O número
de indivíduos pode chegar a 300.
Fase III. Nesta fase é realizado um
estudo multi-centros e com um número
maior de pacientes, até 3000.
Fase IV. É a fase pós-mercado, ocorre
depois do fármaco ter sido liberado para
comercialização.
Seriado Two and half men. Alan sendo convencido a 
participar de um teste clínico.
Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=8ypYeK8L-
DQ
Neurônio
Dendritos
Corpo celular
Núcleo
Axônio
Terminais axonais
Direção do
impulso
Cone de implantação
O neurônio é uma célula nucleada,
apresenta diversos dendritos que
possibilitam sua conexão com outros
neurônios e um terminal único e longo,
chamado axônio. O axônio é responsável
pela transmissão do impulso nervoso para
células pós-sinápticas. O neurônio
apresenta uma estrutura característica no
corpo celular, chamada cone de
implantação, que é responsável pela
soma dos impulsos nervosos e pelo
disparo de uma resposta, chamada
potencial de ação. O potencial de ação
propaga-se ao longo do axônio até os
terminais axonais. Nesta aula iremos
discutir as principais características do
potencial de membrana, e as situações
que levam o neurônio a disparar o
potencial de ação.
Neurônio
Dendritos
Corpo celular
Núcleo
Axônio
Terminais axonais
Direção do
impulso
Cone de implantação
Usando-se uma abordagem de sistemas, podemos pensar no neurônio como uma
unidade de processamento de informação. Nesta abordagem destacamos só as partes
fundamentais para o processamento. Temos diversas entradas (Ii), os dendritos,uma
central de processamento (Ii), o cone de implantação, e uma saída (S), o axônio.
Abaixo temos uma representação desta analogia.
Entradas (dendritos)
 IiI1
I2
I3
.
.
.
Central de processamento (cone de implantação)
Saída (axônio)
S =0 ou S = 1
Neurônio
Dendritos
Corpo celular
Núcleo
Axônio
Terminais axonais
Direção do
impulso
Cone de implantação
Dentro desta analogia podemos dizer que o neurônio tem uma saída binária (zero ou
um). A saída “um” indica que há potencial de ação propagando-se pelo axônio, a saída
“zero” indica que o axônio está em potencial de repouso.
Entradas (dendritos)
 IiI1
I2
I3
.
.
.
Central de processamento (cone de implantação)
Saída (axônio)
S =0 ou S = 1
Potenciais
Ao inserimos eletrodos na célula e ligarmos tais eletrodos a um voltímetro, podemos
medir um potencial elétrico, denominado de uma forma geral de potencial de
membrana da célula. Assim, o potencial elétrico medido na célula, para qualquer
situação fisiológica, é chamado de potencial de membrana. Não precisa que a célula
esteja em repouso. Quando a célula está em repouso, o potencial de membrana
recebe um nome específico, potencial de repouso. Caso a célula receba um
estímulo, alto o suficiente, teremos como resultado que o potencial de membrana
apresentará uma súbita elevação, tal etapa é chamada potencial de ação.
Amplificador
Potencial de membrana
Osciloscópio
Para que a célula esteja em repouso não é necessário a ausência de estímulos,
significa, simplesmente, que a soma dos estímulos elétricos que chegam à célula
estão abaixo de um potencial de referência, chamado potencial liminar. O potencial é
de poucos milivolts acima do potencial de repouso. Estímulos abaixo deste valor de
referência, fazem a membrana celular funcionar como um circuito resistivo-capacitivo,
onde a membrana é capaz de acumular carga elétrica Q, como indicado abaixo.
+Q
-Q
Capacitor de placa planas e paralelas Modelo de membrana
+Q
-Q
Potencial de repouso
P
o
te
n
c
ia
l 
d
e
 m
e
m
b
ra
n
a
Tempo(ms)
Potencial de repouso
Potencial limiar
0
Voltando à nossa abordagem de sistemas. Podemos dizer que a soma de todas as
entradas ( Ii ) apresenta um potencial abaixo de um valor de referência, chamado
potencial limiar, nesta situação a saída é zero (S = 0), não há potencial de ação no
axônio.
Entradas (dendritos)
 IiI1
I2
I3
.
.
.
Central de processamento (cone de implantação)
Saída (axônio)
Se Ii < potencial limiar S = 0
Potencial de repouso
O potencial de repouso é resultado da ação conjunta da bomba de Na+/K+ e do canal
de K+. A ação da bomba de Na+/K+ tem como resultado líquido o envio de 3 íons de
Na+ para o meio extracelular e 2 íons de K+ para o meio intracelular, com gasto de
uma molécula de ATP (adenosina trifosfato). Aproximadamente um terço do ATP gasto
pela célula é usado pela bomba Na+/K+ para manter este fluxo iônico. O canal de K+
permite que o excesso de K+ seja expelido da célula, sem gasto de ATP. A ação
conjunta das duas proteínas intrínsecas leva a uma perda de carga positiva pela
célula, causando o aparecimento de um potencial negativo no meio intracelular, este
potencial é chamado de potencial de repouso, pois não precisamos de estímulo
externo para gerá-lo.
Bomba 
de 
Na+/K+
Na+
K+
K+
Citoplasma
Meio extracelular
Canal 
de
K+
Potencial de repouso
Canais iônicos
Quando o neurônio passa para o estado
de potencial de ação, onde um aumento
do potencial de membrana, além do
potencial limiar, leva o neurônio a uma
situação onde há influxo de sódio, entram
em ação dois outros canais
transmembranares, os canais de sódio e
potássio, ambos dependentes do potencial
elétrico da membrana. Aqui cabe uma
pequena observação. Na linguagem física
não usamos o termo “voltagem” para
indicar potencial elétrico, contudo, a
grande maioria dos textos de fisiologia em
português, quando referem-se aos canais
citados, usam a denominação
“dependentes de voltagem”. No presente
texto usaremos os termos “canais
dependentes de voltagem”, para
mantermos os termos usados na área de
fisiologia.
Fases indicadas no gráfico acima
1 Potencial de repouso
2 Despolarização
3 Repolarização Potencial de ação
4 Hiperpolarização
P
o
te
n
c
ia
l d
e
 m
e
m
b
ra
n
a
 (
m
V
)
Tempo(ms)
1
2 3
4
Canais iônicos
As etapas canônicas do potencial de ação,
ocorrem devido à ação coordenada dos
canais de sódio e potássio dependentes
de voltagem. A abertura do canal de sódio
dependente de voltagem (despolarização),
o fechamento do canal de sódio e abertura
do canal de potássio (repolarização e
hiperpolarização), conforme vemos no
gráfico ao lado. A linha roxa indica o
estímulo que é dado para o início do
potencial de ação, veja que o estímulo não
está em escala com o potencial indicado
pela linha vermelha. O eixo horizontal é o
eixo do tempo (em ms), e o eixo vertical o
eixo do potencial de membrana (em mV). A
linha vermelha indica a variação do
potencial de membrana, durante as
diferentes etapas do potencial de ação. O
neurônio é considerado inicialmente em
potencial de repouso.
P
o
te
n
c
ia
l d
e
 m
e
m
b
ra
n
a
 (
m
V
)
Tempo(ms)
1
2 3
4
Fases indicadas no gráfico acima
1 Potencial de repouso
2 Despolarização
3 Repolarização Potencial de ação
4 Hiperpolarização
Canais iônicos
A análise da afinidade iônica do canal de
potássio dependente de voltagem indicou
que o mesmo apresenta uma afinidade
10.000 vezes maior por potássio do que
por sódio. Em 1998 foi elucidada a
estrutura tridimensional do canal de
potássio dependente de voltagem de uma
bactéria (Streptomyces lividans), e foi
lançada alguma luz sobre o mecanismo de
ação desse canal. A técnica usada para
elucidação de estrutura 3D foi a
cristalografia de proteínas, por difração de
raios X.
P
o
te
n
c
ia
l d
e
 m
e
m
b
ra
n
a
 (
m
V
)
Tempo(ms)
1
2 3
4
Fases indicadas no gráfico acima
1 Potencial de repouso
2 Despolarização
3 Repolarização Potencial de ação
4 Hiperpolarização
Canal de K+ dependente de voltagem
O canal de K+ dependente de voltagem é formado de duas partes, um filtro (proteína
indicada na parte superior) e um portão (estrutura na parte inferior). O filtro permite a
saída de K+ e o portão abre e fecha o canal em resposta ao ambiente (potencial elétrico
por exemplo). A figura abaixo traz a representação do canal de K+ inserido na
membrana celular. Analisaremos aspectos relevantes desta estrutura.
Fonte: http://www.rcsb.org/pdb/static.do?p=education_discussion/molecule_of_the_month/pdb38_2.html).
Citoplasma
Meio extracelular
Canal abertoCanal fechado
Um aspecto curioso das estruturas é que vemos claramente íons de K+ na estrutura
fechada (esferas verdes), e não há íons de K+ na estrutura aberta. As esferas
vermelhas são moléculas de água.
Canal de K+ dependente de voltagem
A habilidade mostrada pelos canais de K+
dependentes de voltagem, de só
permitirem a saída de íons de K+, é
conseguida por meio de um filtro de
seletividade, presente numa das
extremidades do poro, como mostrado na
figura ao lado. Esta figura ilustra a
passagem de íons de K+ (esferas verdes)
pelo canal de K+. A região mostrada é a
parte do filtro. Em solução, os íons de K+
apresentam-se envolvidos por 8 moléculas
de água (esferas vermelhas na figura),
formando uma camada de hidratação. A
esferas dehidratação dos íons de K+,
acomodam-se no canal de K+ e começam
a perder as moléculas de água, a
interação com a água é substituída pela
interação com os oxigênios das carbonilas
do canal de K+ dependente de voltagem.
Canal de K+ interagindo com íons de K+ (esferas verdes) 
(fonte: 
http://www.rcsb.org/pdb/static.do?p=education_discussio
n/molecule_of_the_month/pdb38_4.html ).
Meio extracelular
Citoplasma
Canal de K+ dependente de voltagem
A região do canal de K+, que captura a
esfera envoltória de K+, apresenta um
tamanho preciso para uma interação
favorável com a camada de hidratação
envoltória de K+. No caso do íon de Na+, a
esfera envoltória é menor que a do K+,
levando a uma interação fraca com o canal
de K+. Assim, o sistema da esfera de Na+,
não tem uma interação favorável com o
canal de K+, permanecendo no interior da
célula.
Canal de K+ interagindo com íons de K+ (esferas verdes) 
(fonte: 
http://www.rcsb.org/pdb/static.do?p=education_discussio
n/molecule_of_the_month/pdb38_4.html ).
Meio extracelular
Citoplasma
Canal de K+ dependente de voltagem
A estrutura do canal de K+ dependente
de voltagem de Streptomyces lividans
apresenta estrutura quaternária
tetramérica (4 cadeias polipeptídicas),
representadas na figura ao lado. Cada
cadeia é formada por três hélices
transmembranares e um loop (laço), o
íon de potássio está representado no
centro do tetrâmero em verde. Também
vemos o loop P e a hélice P, que são
responsáveis pela seletividade iônica
(indicados em azul). O loop P é formado
pelo resíduos Gly-Tyr-Gly, que estão
alinhados de forma a estreitar o funil
formado pela estrutura do canal.
Estamos olhando do meio extracelular
para o meio intracelular.
Canal de potássio visto do meio extracelular para o 
meio intracelular.
Fonte: Sansom, MS. Current Biology 1998, 8:R450–R452
http://biomednet.com/elecref/09609822008R0450
O canal de K+ dependente de voltagem
forma uma passagem na membrana
celular. Esta passagem é altamente
seletiva por K+ e sensível à mudança de
potencial. A parte intracelular do tubo do
canal de K+ apresenta uma cavidade de
10 Å de diâmetro. Esta cavidade está
alinhada com resíduos hidrofóbicos e
preenchida por moléculas de água. As
dimensões desta cavidade, permitem um
ajuste ideal para interação com os íons
de K+.
Canal de potássio visto do meio extracelular para o 
meio intracelular.
Canal de K+ dependente de voltagem
A figura a lado mostra um zoom da
região que interage com o íon de K+. A
carga positiva do íon de K+ interage
eletrostaticamente com os oxigênios das
carbonilas dos resíduos de Tyr58, com
as distâncias interatômicas variando de
3,07 a 3,21 Å. Os oxigênios das
carbonilas não apresentam uma carga
elétrica completa, mais uma carga
elétrica parcial negativa, que sofre
atração eletrostática pela carga positiva
do íon de K+. O íon de K+ é mostrado
pela esfera verde no centro da figura.
Canal de K+ dependente de voltagem
Na figura ao lado vemos a superfície
molecular do canal de K+ . A coloração
azul indica carga positiva, a vermelha
carga negativa e a azul ciano carga
neutra. O íon de K+ (indicado pela esfera
verde no centro da estrutura) sofre
interação eletrostática com as
concentrações de cargas negativas do
canal de K+ .
Canal de K+ dependente de voltagem
Na figura ao lado removemos o
monômero D, o que possibilita
visualizarmos o interior do canal de K+. A
figura foi girada 90º em relação à
anterior. O tubo formado permite a
passagem do íon de K+ do meio
intracelular (parte de baixo) para o meio
extracelular (parte de cima). Na parte de
baixo, vemos uma região essencialmente
hidrofóbica, no centro do canal (indicada
por uma circunferência branca), esta
região apresenta uma cavidade, que
permite a passagem dos íons de K+.
Canal de K+ dependente de voltagem
O íon de K+ intracelular é capturado e
desloca-se para a cavidade hidrofóbica,
indicada pela circunferência branca.
Acima desta cavidade temos o loop P,
com a sequência de resíduos de
aminoácido Gly-Tyr-Gly, que estreitam o
tubo que liga ao meio extracelular,
selecionando os íons de K+. A presença
de resíduos glicina (Gly) no loop P
confere grande flexibilidade estrutural a
esta região da proteína.
Loop P
Cavidade hidrofóbica
Canal de K+ dependente de voltagem
Como já destacamos anteriormente, um aspecto estrutural comum a muitas proteínas
intrínsecas é a presença de hélices alfas na região transmembranar. Na estrutura do
canal de K+ vemos um feixe de hélices alfas interagindo com as caudas hidrofóbicas da
bicamada fosfolipídica, como mostrado abaixo. O canal de K+ tem um aspecto de cone
invertido, como se fosse uma casquinha de sorvete.
K+
Citoplasma
Meio extracelular
Canal de K+ dependente de voltagem
Os canais de K+ dependentes de
voltagem são de fundamental importância
na sinalização nervosa, assim qualquer
interferência com tal proteína
transmembranar pode ter efeitos danosos
à transmissão do sinal nervoso. Algumas
espécies de escorpião tiram vantagem
disso para paralisar suas presas.
Podemos pensar no veneno de
escorpiões como um coquetel de
peptídeos e proteínas. Um dos
componentes do veneno do escorpião
(Leiurus quinquestriatus hebraeus)
apresenta uma neurotoxina, formada por
um peptídeo de 37 resíduos de
aminoácidos, que bloqueia o canal de K+
dependente de voltagem.
Canal de K+ dependente de voltagem
Fonte: 
http://www.latoxan.com/VENOM/SCORPION/Leiurus-
quinquestriatus-hebraeus.php
A figura abaixo ilustra este peptídeo neurotóxico. O peptídeo apresenta uma hélice alfa
no N-terminal e uma folha beta anti-paralela no C-terminal (figura da esquerda). Análise
da sua estrutura tridimensional indica o posicionamento de resíduos de aminoácidos
positivamente carregados numa porção da folha beta (figura da direita). Tal
concentração de carga positiva foi proposta como mecanismos de ação neurotóxica do
peptídeo.
Canal de K+ dependente de voltagem
Estrutura da neurotoxina extraída do veneno do escorpião (Leiurus quinquestriatus hebraeus). Em azul (na figura da direita) estão 
resíduos de aminoácidos básicos, que interagem com o canal de K+ .
Membrana 
plasmática
No repouso
(Vr = -75mV)
Portão m fechado
Portão h aberto
Após a despolarização
(VKr= 50 mV)
Portão m aberto
Portão h aberto
5 ms depois da 
despolarização
(VKr= -50 mV)
Portão m aberto
Portão h fechado
A)
B)
C)
Potencial de ação
O canal de sódio é um tipo especializado
de canal iônico dependente de voltagem
(potencial elétrico). Sua abertura está
condicionada ao aumento do potencial de
membrana. Quando temos um potencial
de membrana, acima de um valor limite de
potencial, o canal abre-se, permitindo o
influxo de íons de sódio na célula. O canal
permanece aberto por aproximadamente
1 milisegundo (1 ms). Tempo suficiente
para elevar o potencial de membrana para
dezenas mV positivos. O canal de sódio
possui dois portões distintos, portões m
(de ativação) e h (de inativação). O portão
h fecha-se após a despolarização e
permanece fechado, não permitindo o
início de um novo potencial de ação
(período refratário).
Canais de potássio. Este canal
abre-se imediatamente após a
despolarização, o que permite a
saída de carga positiva da célula, na
forma de íons de potássio. O canal de
potássio fica aberto durante toda a
fase de repolarização, onde o
potencial de membrana será trazido a
valores negativos, chegando a ficar
mais negativo que o potencial de
repouso, durante a fase seguinte,
chamada de fasede
hiperpolarização.
Membrana 
plasmática
No repouso
(VKr= -75mV)
Canal de 
potássio fechado
Após a despolarização
(Vr = 50 mV)
Canal de 
potássio fechado
5 ms depois da 
despolarização
(VKr= -50 mV)
Canal de potássio aberto
Potencial de ação
A)
B)
C)
Potencial limiar
Potencial de repouso
Tempo(ms)
Os canais de Na+ dependentes de voltagem (potencial elétrico), da membrana
plasmática do axônio, são os responsáveis primários pelo potencial de ação. Podemos
pensar no potencial de ação como um evento “tudo ou nada” ou “um e zero” e auto-
regenerante.
Potencial de ação
V(mV)
50
0
-70
Potencial de ação, passo a passo.
A) Os canais de sódio e potássio estão fechados.
B) O aumento do potencial na membrana leva o
canal de sódio, que é dependente de voltagem
(potencial elétrico), a abrir-se. O que permite o
rápido influxo de sódio na célula, aumentando de
forma significativa o potencial de membrana. Esta
fase é chamada despolarização (ou fase
ascendente).
C) Aproximadamente 1 ms depois, o canal de
sódio fecha-se e os canais de potássio,
dependentes de voltagem (potencial elétrico),
abrem-se. Permitindo a saída do excesso de
carga positiva da célula. Esta fase é a de
repolarização (ou fase descendente).
D) A saída de grande quantidade de íons de K+,
leva a célula a atingir um potencial de membrana
abaixo do potencial de repouso, esta fase é
chamada de hiperpolarização.
Membrana 
plasmática
Potencial de ação
Canal Na+ Canal K
+
A presença do portão de inativação
(portão h) no canal de sódio dependente
de voltagem garante a propagação
unidirecional do potencial de ação. A
entrada de íons de sódio, decorrente da
abertura do canal de sódio dependente de
voltagem, leva a uma difusão de íons de
sódio nos dois sentidos no axônio. Tal
presença de íons de sódio levaria à
reabertura dos canais de sódio, caso não
tivessem o portão de inativação (portão
h). Tal portal permanece fechado por
alguns milisegundos, caracterizando o
período refratário do neurônio. Durante
este período a elevação do potencial
de membrana, além do potencial limiar,
não causa disparo de novo potencial
de ação.
Potencial de ação
Dendritos
Corpo celular
Núcleo
Axônio
Terminais axonais
Direção do
impulso
Cone de implantação
Potencial de ação
Vimos, no módulo anterior, que podemos usar uma equação simples para calcularmos
o potencial elétrico devido à diferença de concentração iônica. Esta equação usa os
valores das concentrações iônicas intracelular e extracelular, para o cálculo do
potencial. Usaremos tal equação, chamada equação de Nernst, e os valores
experimentais das concentrações iônicas, medidas em condições fisiológicas, para
avaliarmos se é possível usar a equação de Nernst no cálculo do potencial de repouso
da célula. Ou seja, será que a aplicação direta da equação de Nernst pode determinar
o potencial de repouso da célula? Como só podemos colocar um tipo de íon por vez
na equação de Nernst, iremos calcular o potencial devido a cada íon e, depois,
somarmos a contribuição de cada íon. Este resultado será comparado com o valor
experimental.
Vr = (58,2 mV) log ( )
[Íon]fora
[Íon]dentro
Equação de GHK
Íon Concentração 
iônica 
intracelular 
[Íon]dentro (mM)
Concentração 
iônica 
extracelular 
[Íon]fora (mM)
Relação 
[Íon]fora
/[I]dentro
Potencial 
de 
repouso 
Vr (mV)
Ca++ 10-4 2 20.000 ?
Cl- 5 120 24 ?
K+ 150 4 0,0266. ?
Na+ 15 145 9,666. ?
Vr = (58,2 mV) log ( )
[Íon]fora
[Íon]dentro
Considere a composição do músculo esquelético de rã, indicada na tabela abaixo. O
potencial de repouso é resultado da ação de todos os íons presentes no sistema.
Vamos usar a equação de Nernst para fazer uma estimativa do potencial de repouso.
Como temos a contribuição de 4 íons diferentes na membrana, calcularemos o
potencial, a partir da equação de Nernst, para cada um deles.
Equação de GHK
A soma dos potenciais de cada íon poderia ser uma boa estimativa do potencial de
repouso, para isto temos que somar os potenciais da última coluna.
Íon Concentração 
iônica 
intracelular 
[Íon]dentro (mM)
Concentração 
iônica 
extracelular 
[Íon]fora (mM)
Relação 
[Íon]fora
/[I]dentro
Potencial 
de 
repouso 
Vr (mV)
Ca++ 10-4 2 20.000 124,73
Cl- 5 120 24 80,05
K+ 150 4 0,0266. -91,30
Na+ 15 145 9,666. 57,15
170,63 de -85 a 
-95 mV
Qual a razão para a diferença entre o valor calculado (170,63 mV 
e o esperado (de -85 a -95 mV)?
Equação de GHK
A aplicação da equação de Nernst, para determinar o potencial de repouso devido à
presença de diversos íons, é inadequada, pois a membrana celular apresenta
permeabilidade distinta para cada íon, devido aos diferentes tipos de canais presentes
na membrana celular. A análise da permeabilidade levou a uma equação mais
realística, como a desenvolvida por Goldman (1941) e Hodgkin & Katz (1949). Na
equação os termos PNa , PK e PCl são as permeabilidades dos íons de Na, K e Cl
respectivamente. Como a permeabilidade para os outros íons é desprezível,
comparadas às do Na, K e Cl, para as condições do potencial de repouso, os termos
referentes aos outros íons não são incluídos na equação. A equação abaixo está
calibrada para 20oC, como fizemos para a equação de Nernst.
Equação de GHK
Vr =(58,2mV)log ( )
PNa [Na]fora + PK[K]fora + PCl[Cl]dentro
PNa [Na]dentro + PK[K]dentro + PCl[Cl]fora
Íon Concentração iônica 
intracelular [Íon]dentro (mM)
Concentração iônica 
extracelular [Íon]fora (mM)
Permeabilidade 
iônica relativa
Cl- 5 120 1
K+ 150 4 50
Na+ 15 145 0,5
Fonte: Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000 (pg. 10). e
http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch331/signaltrans/tableionpermeabcells.htm
Equação de GHK
Vamos descrever passo a passo a aplicação da equação de GHK, para o cálculo do
potencial de repouso do músculo esquelético de rã. Consideremos os dados abaixo.
Vr =(58,2mV)log ( )
PNa [Na]fora + PK[K]fora + PCl[Cl]dentro
PNa [Na]dentro + PK[K]dentro + PCl[Cl]fora
Equação de GHK
Vr =(58,2 mV)log ( )
0,5.145 + 50.4 + 1.5
0,5 .15 + 50.150+ 1.120
Substituindo-se os valores da tabela anterior, na equação de GHK temos:
Calculamos primeiro o termo dentro do logaritmo, como segue,
Vr =(58,2 mV)log ( )
72,5 + 200 + 5
7,5 + 7500+ 120
Vr = (58,2mV)log ( ) Vr = (58,2mV)log(0,03638)
277,5
7627,5
Vr = (58,2mV).(-1,439) = -83,75 mV
Aplicando-se a equação GHK temos: Vr = -83,75 mV, bem próximo ao valor
determinado experimentalmente (de -85 a -95 mV).
Como vimos anteriormente, canais iônicos são responsáveis pelo tráfego de
informações entre o meio extracelular e intracelular. A informação aqui é representada
por íons (sódio e potássio). A ação da bomba de sódio e potássio leva a uma
concentração de íons de sódio no meio extracelular e uma concentração de íons de
potássio no meio intracelular. Tal processo ocorre às custas de gasto energético, obtido
da molécula de ATP (Adenosina tri-fosfato). Para a célula atingir o potencial de repouso,
com dezenas de mV negativos, com relação ao meio extracelular, faz-se necessário a
saída de íons de potássio. Tal saída ocorre através do canal de potássio, que leva a
célula ao seu potencial de repouso (aproximadamente -70 mV). O potencial de
membrana pode ser determinado a partir do conhecimento das concentrações iônicas e
das permeabilidades iônicase o uso da equação de GHK, indicada abaixo.
Equação de GHK
Vr =(58,2mV)log ( )
PNa [Na]fora + PK[K]fora + PCl[Cl]dentro
PNa [Na]dentro + PK[K]dentro + PCl[Cl]fora
Toda vez que modelamos um sistema biológico, quanto mais realista for o modelo, mais
confiável ele será. No caso da equação de GHK, a principal característica para o
sucesso da sua aplicação no cálculo do potencial de repouso, é a inclusão do efeito da
permeabilidade iônica. Esta grandeza física representa a facilidade com a qual os íons
atravessam a membrana celular, especificamente os íons de Na+, K+ e Cl-. Cada qual
com uma “facilidade de atravessar” a membrana distinta. As diferenças na
permeabilidade iônica, refletem a diferença da distribuição de canais iônicos na célula,
bem como a diferença de afinidade por cada íon exibida pelos canais iônicos. Outro
aspecto a ser destacado, é que a célula tem outros íons que atravessam a membrana,
mas a contribuição destes outros íons é desprezível, assim não são incluídos na
equação de GHK. Observe que a concentração do cloro é invertida com relação
aos demais íons, isto deve-se ao fato do íon cloro ser negativo.
Vr =(58,2mV)log ( )
PNa [Na]fora + PK[K]fora + PCl[Cl]dentro
PNa [Na]dentro + PK[K]dentro + PCl[Cl]fora
Equação de GHK
A anestesia local realiza o bloqueio da
propagação do impulso nervoso. Tal
bloqueio determina a perda das
sensações, contudo não levam à
alteração do nível de consciência.
Anestésicos locais funcionam com o
bloqueio do canal de sódio dependente de
voltagem, drogas como lidocaína
(xilocaína), funcionam bloqueando o canal
de sódio, o que cessa o disparo de
potencial de ação e, conseqüentemente, a
transmissão do impulso nervoso da célula
pré-sináptica para célula pós-sináptica.
Praticamente todos os anestésicos locais
agem com bloqueio reversível dos canais
de sódio dependentes de voltagem. Lidocaína
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Anestésicos locais
Anestésicos locais
Além da lidocaína diversas drogas apresentam efeito anestésico, abaixo segue a
estrutura molecular de algumas que interferem com o canal de sódio dependente de
voltagem. Uma dos primeiros anestésicos locais foi a cocaína, mas devido ao seu
efeito viciante não é mais usada.
Cocaína
Tetracaína
Novocaína
OLIVEIRA, Jarbas Rodrigues de; WACHTER, Paulo Harald; AZAMBUJA, Alan Arrieira. 
Biofísica para ciências biomédicas. Porto Alegre: EDIPUCRS, 2002. 313 p.
OKUNO, Emiko; CALDAS, Iberê Luiz; CHOW, Cecil. Física para ciências biológicas e 
biomédicas. São Paulo: Harper & Row do Brasil, 1982. 490 p.
VOET, Donald; VOET, Judith G. Bioquímica. 3ª edição. Porto Alegre: Artmed, 2006. 
1596 p.
Referências