aula 2 potencias de membrana e potencias de ação

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Potenciais de membrana e potenciais de ação 
Prof. Dr. Vitor Angleri
Fisiologia Humana
Em praticamente todas as células do corpo existem potenciais elétricos através das membranas, que são usados para transmitir sinais para toda a célula, desencadeando muitas funções.
Hoje veremos os mecanismos básicos pelos quais são gerados os potenciais de membrana tanto durante o repouso quanto durante a atividade das células nervosas e musculares.
FÍSICA BÁSICA DOS POTENCIAIS DE MEMBRANA – [ÍONS]
Diferenças através de uma membrana permeável seletivamente
Na figura ao lado, a [K+] é maior no interior da fibra nervosa e a membrana é exclusivamente permeável ao K+. Devido ao alto gradiente de [K+] de dentro para fora, muitos K+ se difundem para fora através da membrana;
Quando saem, levam cargas positivas para o exterior e deixam ânions negativos no interior, criando eletropositividade no exterior da membrana e eletronegatividade no interior;
A crescente [ânions] no interior celular faz com que a carga negativa aumente até se igualar a força de difusão do K+, gerando um movimento efetivo de K+ = 0, apesar da diferença no gradiente de [K+];
Quando esse equilíbrio ocorre, a [ânions] no interior da célula faz com que o meio interno da mesma seja de -94mV (potencial de equilíbrio do K+).
Diferenças através de uma membrana permeável seletivamente
Dessa vez, há uma maior [Na+] fora da membrana, e a membrana é exclusivamente permeável ao Na+. A difusão do Na+, positivamente carregados, para dentro cria potencial de membrana com polaridade com negatividade externa e positividade interna;
Pra cada Na+ que entra na célula, um ânion permanece no LEC, até que a [ânions] aumente a ponto de gerar uma força elétrica que se iguale a força de difusão do Na+ para o interior (movimento efetivo de Na+ = 0), apesar da diferença no gradiente de [];
Quando esse equilíbrio ocorre, o potencial fica em torno de +61mV dentro da célula (potencial de equilíbrio do Na+).
Fica evidente que as diferenças entre as [iônicas] nos dois lados de membrana seletivamente permeável criam potencial de membrana. 
Veremos que muitas variações rápidas dos potenciais de membrana, durante a transmissão dos impulsos nervosos e musculares, resultam da ocorrência dessas rápidas variações dos potenciais de difusão.
Mas em células reais, as membranas são permeáveis a vários íons! Como os potenciais serão determinados?
A equação de Goldman é utilizada para calcular o potencial de difusão quando a membrana é permeável a vários íons diferentes
Quando a membrana é permeável a vários íons diferentes, o potencial de difusão que se desenvolve depende de três fatores:
 
A polaridade das cargas elétricas de cada íon; 
A permeabilidade da membrana para cada íon e; 
As concentrações dos respectivos íons no lado interno e externo da membrana.
Quais íons são que determinam os potenciais de membrana?
Os íons Na+, K+ e Cl- são os íons mais importantes envolvidos no desenvolvimento dos potenciais de membrana nas fibras musculares e nervosas, bem como nas células neuronais do sistema nervoso;
O grau de importância de cada um desses íons na determinação da voltagem é proporcional à permeabilidade da membrana para cada íon em particular;
A permeabilidade dos canais de Na+ e K+ passa por rápidas alterações durante a transmissão dos impulsos nervosos, enquanto a permeabilidade dos canais de Cl- não tem grandes alterações durante esse processo.
Overview – Potencial de membrana
Overview – Potencial de membrana
Overview – Potencial de membrana
Overview – Potencial de membrana
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Explique como se dão as diferenças na [Na+ e K+] através da membrana.
O que é o potencial de equilíbrio e como ele se estabelece?
POTENCIAL DE REPOUSO DE MEMBRANA DOS NEURÔNIOS
O potencial de repouso das membranas das fibras nervosas mais calibrosas, quando não estão transmitindo sinais nervosos, é de cerca de –90 milivolts.
Ou seja, o potencial dentro da fibra é 90 milivolts mais negativo do que o potencial no líquido extracelular, do lado de fora da fibra.
Transporte ativo dos íons Na+ e K+ através da membrana — A bomba de Na+-K+
Todas as membranas celulares contêm uma bomba de Na+-K+ que transporta continuamente Na+ para fora e K+ para dentro da célula;
Essa é uma bomba eletrogênica, que envia mais cargas positivas para fora do que para dentro (3 Na+ para fora a cada 2 K+ para dentro), gerando um déficit de íons positivos no interior e um potencial negativo dentro das membranas celulares.
A bomba de Na+-K+ produz gradiente de [] para o Na+ e K+, através da membrana nervosa em repouso. Esses gradientes são os seguintes:
ORIGEM DO POTENCIAL DE REPOUSO NORMAL DA MEMBRANA
Contribuição do potencial de difusão do K+
Vamos assumir que o único movimento iônico através da membrana é o de difusão do K+, como demonstrado pelos canais abertos entre os símbolos de potássio (K+) dentro e fora da membrana;
A alta proporção de K+ dentro e fora (35:1), resulta em um potencial de -94mV, de modo que, se o K+ fosse o único fator causador do potencial de repouso, esse potencial seria de -94mV dentro da fibra.
Contribuição da difusão do Na+ através da membrana nervosa
É possível permeabilizar ligeiramente a membrana nervosa ao Na+ por meio da difusão diminuta do Na+, pelos canais de extravasamento de Na+-K+. Esse extravasamento gera um potencial de +61mV;
Como a membrana é muito permeável ao K+ que ao Na+ (100x mais), o potencial de equilíbrio do K+ contribuirá muito mais para o potencial de membrana do a difusão do Na+;
Nesse sentido, ao usar esses valores na equação de Goldman, será obtido o potencial do lado de dentro da membrana de –86mV que se aproxima do potencial de K+.
Contribuição da bomba de Na+-K+
A bomba Na+-K+ contribui adicionalmente para o potencial de repouso, ao bombear continuamente 3 Na+ para o exterior para cada 2K+ bombeados para o lado interno da membrana;
O bombeamento de mais Na+ para fora do que K+ para dentro produz perda contínua de cargas positivas pelo lado interno da membrana, criando um grau adicional de negatividade (–4mV) no lado interno, além da produzida pela difusão;
Dessa forma, os potenciais de difusão causados pela difusão do Na+ e K+ atuando isoladamente produziriam potencial de –86mV, quase todo determinado pela difusão do K+. Então, –4mV são gerados pela bomba de Na+-K+, resultando –90mV.
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Como o K+ contribui para a geração do potencial de repouso da membrana?
Como o Na+ contribui para a geração do potencial de repouso da membrana?
Qual a contribuição da bomba Na+ - K+ na geração do potencial da membrana?
POTENCIAL DE AÇÃO DOS NEURÔNIOS
Os sinais nervosos são transmitidos por potenciais de ação, que são rápidas alterações do potencial de membrana do estado negativo para o positivo, se deslocando ao longo da fibra nervosa até sua extremidade final.
Estágio de repouso
O estágio de repouso é o potencial de repouso da membrana, antes do início do potencial de ação. A membrana está “polarizada” durante esse estágio, em razão do potencial de membrana de −90 mV existente.
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Estágio de despolarização
A membrana fica subitamente muito permeável ao Na+, permitindo que esse íon se difunda para o interior do axônio;
O estado normal de “polarização” de –90 mV é imediato neutralizado pelo influxo do Na+ com carga positiva, com o potencial aumentando rapidamente para valor positivo (despolarização);
Em fibras nervosas calibrosas, o grande influxo de Na+ faz com que o potencial de membrana “ultrapasse” (overshoot) rapidamente o nível 0, tornando-se positivo;
Em algumas fibras delgadas, como neurônios do sistema central, o potencial de membrana se aproxima de 0, mas não o ultrapassando para chegar ao estado positivo.
Estágio de repolarização
Imediatamente após a membrana ter ficado muito permeável ao Na+, os canais de Na+ começam a se fechar, e os canais de K+ se abrem mais que o normal;
A rápida difusão do K+ para o exterior restabelece o potencial derepouso negativo da membrana que é referido como repolarização da membrana.
Overview dos eventos causadores do potencial de ação
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Explique as etapas do potencial de ação.
Início do potencial de ação
Até agora, vimos as alterações na permeabilidade da membrana ao Na+ e K+, bem como o desenvolvimento do potencial de ação, mas ainda não explicamos como se origina esse potencial de ação.
Ciclo vicioso de feedback positivo abre os canais de Na+
Caso ocorra qualquer evento capaz de provocar o aumento do potencial de membrana de –90mV para o nível 0, a própria voltagem crescente abrirá vários canais de Na+ regulados pela voltagem;
Esse processo inicia um ciclo vicioso de feedback onde o influxo de Na+ abrirá um número cada vez maior de canais, até que todos sejam abertos;
Em outra fração de milissegundo, o aumento do potencial de membrana fecha os canais de Na+ e abre os canais de K+, e o potencial de ação termina.
O limiar para o início do potencial de ação
-65
-90
O potencial de ação só vai ocorrer se o aumento inicial do potencial de membrana for suficientemente intenso para gerar o feedback positivo descrito anteriormente;
Isso acontece quando o número de íons Na+, que entram na fibra, fica maior que o número de íons K+ que sai dela, elevando o potencial da membrana para aproximadamente -65mV;
Esse nível de –65mV é referido como o limiar de estimulação/excitação.
Propagação do potencial de ação
Um potencial de ação provocado em qualquer parte da membrana, se propagará por toda a membrana;
Cargas elétricas positivas são levadas pelo Na+ que se difunde para o interior, abrindo mais canais de Na+ nas adjacências, de modo que se propague para todas as direções até que toda a membrana seja despolarizada;
Essa transmissão do processo de despolarização na fibra nervosa ou muscular, é referida como impulso nervoso ou muscular, respectivamente.
Propagação do potencial de ação
Os potenciais de ação são, muitas vezes, chamados de fenômenos tudo ou nada, pois ou ocorrem como despolarização máxima (se o estímulo atinge o limiar) ou não ocorrem (se o estímulo está abaixo do limiar). 
A força do estímulo que inicia um potencial de ação não influencia a amplitude do potencial de ação.
Restabelecimento dos gradientes iônicos do Na+ e K+ após o término do potencial de ação — a importância do metabolismo energético
A geração do potencial de ação reduz muito pouco a diferença de [Na+ e K+] dentro e fora da membrana;
Ainda assim, com o passar do tempo, é necessário restabelecer essas diferenças, o que é feito pela bomba de Na+ - K+, que envia o Na+ para fora e o K+ para dentro da célula;
Como a bomba requer energia, esse restabelecimento é um processo metabólico ativo, de modo que sua atividade é intensamente estimulada pelo próprio acúmulo de Na+ intracelular;
Dessa forma, o processo de “recarga” da fibra nervosa pode ser feito rapidamente sempre que as diferenças de [] de Na+ e K+ comecem a diminuir.
A produção de calor aumenta proporcionalmente a frequência de desparos
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Explique o ciclo vicioso de feedback positivo na abertura dos canais de Na+.
O que é o limiar de início do potencial de ação?
Explique o principio do tudo ou nada nos potenciais de ação.
Após o potencial de ação, como as cargas iônicas são restabelecidas?
CARACTERÍSTICAS ESPECIAIS DA TRANSMISSÃO DOS SINAIS NOS TRONCOS NERVOSOS
Fibras nervosas mielinizadas e amielinizadas
As fibras calibrosas são mielinizadas, e as mais delgadas são amielinizadas.
Fibra mielinizada 
A parte central da fibra é o axônio, e a membrana do axônio é a membrana que, de fato, conduz o potencial de ação;
O axônio é cheio em sua parte central por axoplasma, que é um LIC víscido;
Em volta do axônio existe a bainha de mielina, que é frequentemente mais espessa que o próprio axônio, e a cada 1 a 3 milímetros da extensão da bainha de mielina existe um nodo de Ranvier;
A bainha de mielina é depositada no axônio pelas células de Schwann, que envolve o axônio, giram em torno do axônio, formando camadas múltiplas de membrana celular de Schwann, contendo a substância lipídica esfingomielina (isolante elétrico);
Na junção entre duas células de Schwann ao longo do axônio, existe área não isolada por onde os íons ainda podem passar através da membrana. Essa área forma o nodo de Ranvier.
Condução “saltatória” de nodo a nodo nas fibras mielinizadas
A condução saltatória é importante por dois motivos:
Pela despolarização saltar trechos ao longo do eixo da fibra nervosa, esse mecanismo aumenta a velocidade da transmissão nervosa nas fibras mielinizadas por 5 a 50x;
Energia para o axônio é poupada pois somente os nodos se despolarizam, gastando 100x menos íons e requerendo menos gasto de energia para restabelecer as diferenças de [Na+ e K+] após série de impulsos nervosos.
Bainha de mielina
Nódulo de Ranvier
Potenciais de ação só ocorrem com a entrada de íons pelos nodos de Ranvier, de modo que os potenciais são conduzidos de novo a nodo (condução saltatória);
A corrente elétrica flui pelo LEC que circunda a parte externa da bainha de mielina assim como pelo axoplasma, de nodo a nodo, excitando os nodos sucessivos um após o outro.
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Quais as diferenças entre fibras mielinizadas e amielinizadas?
Explique o fenômeno da condução saltatória.
ANATOMIA FISIOLÓGICA DA SINAPSE
O neurônio é composto por três partes: 
O corpo celular (soma) que constitui a maior parte do neurônio;
O axônio único que se estende do corpo célula, deixa a medula e se incorpora a nervos periféricos e;
Dendritos, projeções ramificadas do soma, que se estendem para as áreas adjacentes da medula.
Neurônio motor
Encontram-se de 10.000 a 200.000 botões sinápticos (terminais pré-sinápticos), nas superfícies dos dendritos e do corpo celular do neurônio motor (80% a 95% nos dendritos e 5% a 20% no corpo celular).
Esses terminais podem ser excitatórios (secretam neurotransmissores que estimulam o neurônio pós-sináptico) ou inibitórios (secretam neurotransmissores que inibem o neurônio pós-sináptico).
Terminais pré-sinápticos
O terminal pré-sináptico é separado do corpo celular do neurônio pós-sináptico pela fenda sináptica;
No interior do terminal existem as vesículas transmissoras e as mitocôndrias, que desempenham função excitatório ou inibitória na sinapse;
As vesículas liberam neurotransmissor que excita o neurônio pós-sináptico se a membrana neuronal contiver receptores excitatórios, e inibe o neurônio se a membrana tiver receptores inibitórios;
As mitocôndrias fornecem ATP para suprir a energia necessária para sintetizar novas substâncias transmissoras;
Quando o potencial de ação chega ao terminal pré-sináptico, a despolarização libera neurotransmissores das vesículas na fenda sináptica, alterando a permeabilidade da membrana neuronal pós-sináptica, excitando ou inibindo esse neurônio.
SINAPSES DO SISTEMA NERVOSO CENTRAL
Tipos de sinapses — químicas e elétricas
Sinapses químicas: utilizadas para a transmissão de sinais no sistema nervoso central são majoritariamente químicas. Nessas sinapses, o primeiro neurônio secreta o neurotransmissor que atua na membrana do neurônio subsequente, promovendo excitação ou inibição.
Sinapse elétrica: canais conduzem eletricidade de uma célula para a próxima. Junções comunicantes (GAP) permitem o movimento livre dos íons de uma célula para outra. Apenas pequeno número de junções GAP pode ser encontrado no sistema nervoso central. 
Condução “unidirecional” nas sinapses químicas
Nas sinapses químicas os sinais são transmitidos em uma só direção, do neurônio que secreta o neurotransmissor (pré-sináptico), para o neurônio no qual o neurotransmissor age (pós-sináptico), possibilitando que os sinais sejam enviados a alvos específicos;
Esse fenômeno é muito diferente da condução pelas sinapses elétricas que, em geral, transmitem os sinais em ambas as direções.
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No que consiste as sinapses e quais os tipos?
Em qualdireção as sinapses são propagadas?
O que são e para que servem os terminais pré-sinápticos?
MECANISMOS DE CONTROLE DAS SINAPSES
Ação da substância transmissora sobre o neurônio pós-sináptico — função das “proteínas receptoras”
A membrana do neurônio pós-sináptico (membrana pós-sináptica) contém grande número de proteínas receptoras.
A ativação dos receptores controla a abertura dos canais iônicos na célula pós-sináptica da seguinte forma:
Controle direto dos canais iônicos para permitir a passagem de tipos específicos de íons, através da membrana ou;
Ativação de segundo mensageiro que ativa uma ou mais substâncias localizadas no interior do neurônio pós-sináptico.
Receptores de neurotransmissores que ativam canais iônicos são designados receptores ionotrópicos, enquanto os que atuam através de sistemas de segundos mensageiros recebem o nome de receptores metabotrópicos.
Canais iônicos
Podem ser canais catiônicos (permitem passagem de Na+ e/ou K+ e/ou Ca+) que excitam o neurônio, ou canais aniônicos (permitem a passagem de Cl- e pequena quantia de outros ânions) que inibem o neurônio;
Canais catiônicos tem carga negativa que atraem cátions e repelem ânions, enquanto canais aniônicos tem diâmetro que permite passagem de ânions, mas são estreitos demais para passagem dos cátions;
Neurotransmissores que abem canais catiônicos são transmissores excitatórios, enquanto aqueles que abrem canais aniônicos são transmissores inibitórios;
Os canais abrem e fecham imediatamente ao se conectarem ou desconectarem ao neurotransmissor, respectivamente.
Sistema de segundos mensageiros
Ao contrário de canais iônicos que se fecham após desacoplamento do neurotransmissor, a excitação ou inibição neuronal pós-sináptica prolongada é realizada pela ativação do sistema químico de “segundos mensageiros”.
O tipo mais comum de segundo mensageiro são as proteínas G, que por sua vez, é formada por três componentes, subunidades α, β e γ. 
Durante a ativação pelo impulso nervoso, a porção α da proteína G se separa das porções β e γ e então fica livre para se deslocar pelo citoplasma e desempenhar algumas funções.
Após ativação, alguns receptores pós-sinápticos provocam excitação do neurônio pós-sináptico, e outros causam inibição;
A importância desses dois tipos de receptores é que possibilitam a contenção ou a excitação das ações neuronais.
Receptores excitatórios ou inibitórios na membrana pós-sináptica
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Quais os principais processos necessários para a liberação de substancias transmissoras pelos terminais pré-sinápticos?
Como a substancia transmissora pode atuar no neurônio pós-sináptico?
Descreva o tipo e funções dos canais iônicos.
Descreva como funciona o sistema de segundo mensageiro e suas principais respostas.
Como podem se dar a excitação e inibição das sinapses?
SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS QUE ATUAM COMO TRANSMISSORES SINÁPTICOS
Existem mais de 50 substâncias que agem como transmissores sinápticos, podendo ser divididas em 2 grupos: neurotransmissores de ação rápida, ou neuropeptídeos de ação lenta.
Neurotransmissores
Os neurotransmissores de ação rápida induzem as respostas mais agudas do sistema nervoso (e.g., transmissão de sinais sensoriais para o encéfalo e sinais motores do encéfalo para os músculos);
Neurotransmissores são constituídos por moléculas sintetizadas no citosol do terminal pré-sináptico, entrando nas vesículas sinápticas por meio de transporte ativo;
Quando liberados na fenda sináptica pelo potencial de ação, na maioria das vezes aumentam ou diminuir a condutância dos canais iônicos;
As vesículas armazenadoras de neurotransmissores são constantemente recicladas e utilizadas repetidas vezes;
Após se fundir a membrana pré-sináptica e liberar os neurotransmissores, as vesículas se invaginam de volta e se desprende para o interior da membrana.
Neuropeptídeos
Os neuropeptídeos provocam ações mais prolongadas (e.g., mudanças a longo prazo do número de receptores neuronais, abertura/fechamento por longos períodos de canais iônicos e mudanças a longo prazo do número ou dimensão das sinapses). 
Bora Treinar os Neurônios!?
O que são e quais as funções dos principais neurotransmissores?
O que são neuropeptídeos e quais suas principais diferenças comparados aos neurotransmissores?
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