Biofísica e Fisiologia dos Fenômenos Elétricos e Contráteis

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Biofísica e Fisiologia dos 
Fenômenos Elétricos e Contráteis 
no Coração Normal e Patológico
Profa. Carla Vasconcelos
2016
Conteúdo Programático
•Estrutura da membrana celular
•Transporte transmembrana
•Potencial de repouso
•Potencial de ação
•Acoplamento excitação-contração
•Contração muscular cardíaca
•ECG e arritmias cardíaca
EVOLUÇÃO DOS MODELOS DE 
MEMBRANA
1- GORTER & GRENDEL (1925) - bicamada lipídica
2- DANIELLI & DAVSON (1935) 
3- STEIN & DANIELLI (1956)
4- LUCY & GLAUERT (1964)
5- BENSON (1966)
6- LENARD & SINGER (1966)
7- SINGER & NICOLSON (1972) - Mosaico Fluido
Protein distribution in erythrocyte membranes from Singer
and Nicolson (1972). Specific proteins were labeled with antibodies.
The circles indicate protein clusters with a diameter of about 30 nm.
Reprinted with permission from AAAS.
Microscopia Eletrônica
Espessura (5 – 10 nm)
Fluid-Mosaic Model
COMPOSIÇÃO DAS 
MEMBRANAS
Fonte Proteína (%) Lipídio (%) Carboidrato (%)
Mielina 18 79 3
Eritrócito 49 43 8
Cloroplasto 70 30 0
Mitocôndria 76 24 0
-Tipos de lipídios
1-Fosfolípídios
• Fosfatidilcolina
• Fosfatidilserina
• Fosfatidiletanolamina
• Fosfatidilinositol
• Esfingomielina 
2- Glicolipídeos
3- Esteróides
• Colesterol
Fosfolipídio
colesterol
ASSIMETRIA DA BICAMADA LIPÍDICA
• Flip-flop
• Difusão lateral (D = 10-8 cm2/s) = 2 m–1 seg
• Rotação
• Flexão
A BICAMADA LIPÍDICA É UM FLUIDO 
BIDIMENSIONAL
Como é possível avaliar a 
fluidez de membrana?
•Transição de fase – é a temperatura em que a
membrana congela (líquido para semi-sólido).
Presença da dupla 
ligação cis
Tamanho da cauda
Presença do 
colesterol
Fig 10-13 Seis modos pelos quais as proteínas da membrana associam-se com a
bicamada lipídica . (1) única -hélice- unipasso, (2) múltiplas -hélice-multipasso, (3)
lipídeo covalentemente lidado à proteína, (4) ligado a um fosfatidilinositol, (5 e 6)
ligação não-covalente com outras proteínas.
PROTEÍNAS DE MEMBRANA
Unipasso multipasso
Unipasso Multipasso
Unipasso
-hélice Multipasso
-hélices
Multipasso
-pregueada
Periférica
Bicamada lipídica
Proteína integral
multipasso
Transporte 
passivo
Transporte 
ativo
Difusão 
simples
Difusão 
facilitada
Mediado por 
canal
Mediado por 
carreador
Transporte 
transmembrana
Transporte transmembrana
Permeability of the Cell 
Membrane-
Differentially Permeable
Permeabilidade da membrana
Facilitated Transport
CLASSIFICAÇÃO DOS CARREADORES
Simporte
Carreador antiporte – Bomba Na+/K+
UNIPORTE ATIVO - Bomba de Ca++ do 
retículo sarcoplasmático
10 -hélices
Sarcoplasmic/Endoplasmic Reticulum Calcium ATPase
MECANISMO CATALÍTICO DA SERCA
Regulação da SERCA
Fosfolamban
(desfosforilado inibe a SERCA)
Fosfolamban
(fosforilada não inibe a SERCA)
Sarcolipina
(desfosforilado inibe a SERCA)
Sarcolipina
(fosforilado não inibe a SERCA)
(-) inibidor endógeno
Proteína Músculo esquelético Músculo 
cardíaco
Múscul
o liso
Não-
múscul
o
Contração rápida Contração lenta
Fetal Adulto Fetal Adulto Átrio Ventrícul
o
SERCA 2a ++ − + ++ ++++ +++ + +
PLB − − + ++ ++ ++++ ++ −
SLN + + ++ ++ ++++ + − −
Table 1. Expressão diferencial da SERCA, Fosfolamban e sarcolipina em tecido 
muscular de roedores
Trocador Na+/Ca++
• ~950 aminoácidos (108 kDa)
• 9 -hélices
• Superfície de membrana (TT & SL)
• 1 Ca2+ para fora/3 Na para dentro 
da célula
• Movido pelo potencial do Na
(Bomba Na/K-ATPase)
• Modo reverso durante a 
despolarização
NCX
Na+/Ca2+ eXchanger 1 Ca 3 Na
Philipson & Nicoll, Annual Review in Physiology 2000
XIP – domínio de ligação para 
calmodulina
• ~1300 aminoácidos
• 10 -hélices
• Superfície de membrana (SL & TT)
• 1 Ca/ATP hidrolizado
PMCA
Plasma Membrane Ca-ATPase
Carafoli, Journal of Biological Chemistry 2000
Coelho, 
homem, 
gato, 
cão, 
cobaia, 
furão
Rato,
camundongo
Sistemas de remoção do cálcio intracelular
Bassani et al (1994)
Representação Esquemática de uma Célula Ventricular Cardíaca
(Bers, 2002 – Nature)
contração
PA
miofilamentos
sarcolema
sarcolema
miofilamentos
PA
contração
Fase de platô – influxo de cálcio
Acoplamento excitação-contração
Ca++
Relaxame
nto
Contraçã
o
Retículo
sarcoplasmático
Retículo
sarcoplasmático
Túbulo 
T
Ca++
Ca++
Nas ULCs, canal de cálcio tipo-L e RyR 
(grupos)
Músculo esquelético Músculo cardíaco
-Grupo menor de RyR (até 50) - Grupo maior de RyR (50-200)
-Maior organização espacial (tétrade) - Menor organização espacial 
(randômico)
-Número maior de justaposição - Número menor de justaposição
-Acoplamento conformacional - CICR
AEC no miócito ventricular
C
TANAKA et al., 2003
di-2-ANEPEQ
Fluo-3
AEC no miócito atrial
TANAKA et al., 2003
di-2-ANEPEQ
Família de canais liberadores de 
cálcio localizado na membrana do 
retículo sarcoplasmático (RS)
Unidades liberadoras de cálcio (ULC) – justaposição
entre as membranas do RS e plasmática
A – Tríade
- 1 Túbulo T
- 2 cisternas terminais 
do RS
B e C – Díade
- 1 Membrana (B) ou 
Túbulo T (C)
- 1 cisterna terminal 
do RS
Receptor de rianodina (RyR)
-São homotetrâmeros (2.000 kDa)
-3 isoformas: RyR1, RyR2 e RyR3
-Complexo macromolecular com outras 
proteínas
RyR2
DHP
R
Ca2+
Mg2+
ATP PKA 
CaMK
II
TRD, 
JUN
CSQ
CaM
FKBP
FKBP 12.6 – promover o acoplamento entre os RyR
Condições normais Insuficiência cardíaca
Dissociada
(Gomes; Guatimosim, 2012)
Calsequestrina
Calsequestrina condensadas
Túbulo T
Retículo Sarcoplasmático
Tríade
Wagenknecht et al,, 2002
CANAIS IÔNICOS
Canais iônicos são seletivos
Canal de Na+:
• Diâmetro do poro
• Tamanho do íon
• Carga do canal
• Carga do íon
ESTÍMULOS QUE ATIVAM OS CANAIS
Canais para cálcio
Figure 1. Signal transduction by voltage-gated Ca2+ channels. Ca2+ entering cells initiates numerous intracellular events, including 
contraction, secretion, synaptic transmission, enzyme regulation, protein phosphorylation/dephosphorylation, and gene transcription. 
(Inset) Subunit structure of voltage-gated Ca2+channels (Adapted from Takahashi et al. 1987).
Papel fisiológico dos 
canais para cálcio 
dependentes de 
voltagem
Canal para cálcio
Figure 1. Subunit structure of voltage gated calcium channels (VGCC). The α1 is the pore-forming subunit which contains 
voltage-sensing machinery and the binding sites of channel blockers. α1 subunit contains 4 homologous domains (I–IV), each 
containing 6 transmembrane helices (S1–S6). The α2δ and β subunits enhance expression and modulate the voltage 
dependence and gating kinetics of VGCCs.
- 6 -hélices mas não 
é transmembranar
- glicoproteína 4 -
hélices transmembranar
2 - glicoproteína 
extrínseca ligada por 
ponte dissulfeto a 
subunidade 
Figure 1. Three-dimensional architecture of Ca2+ channels. 
Skeletal muscle CaV1.1 channel based on cryo-electronmicroscopy. 
The proposed model allows for a tight interaction between α1 and δ 
as well as α1 and γ.
2 – subunit extracellular is 
anchored via the disulfide-linked δ 
subunit within the α1 subunit.
α1, γ, and δ subunits are 
embedded into the lipid 
membrane
Canal para cálcio
Subunidade α1C formadora do poro
-4 domínios homólogos (DI-DIV)
-6 segmentos (S1-S6)
-Conectados por loop intracelular
-Os S1-S4 sensor de voltagem
-OsS5-S6 formam o poro e filtro 
de seletividade
(A) Ca2+ channel at rest when no Ca2+ influx 
occurs. At rest, in the absence of Ca2+, the CaM 
binds to peptide A, located between the EF hand 
and the IQ motif of the C terminus of the L-
VDCC α1C subunit.
(B). In response to a depolarizing stimulus, 
Ca2+ enters through the L-VDCC and binds to 
CaM. In the open Ca2+ channel state, the EF 
hand prevents structural conformation of the I–II 
loop required to block Ca2+entry through the 
channel pore .
(C). Upon elevation of [Ca2+]i , the Ca
2+/CaM 
complex undergoes the Ca2+-dependent 
conformational change that relieves the 
inhibition of EF hand, permitting the I–II loop to 
interact with the pore and accelerate the fast 
inactivation process .
(D) Involvement of CaM and CaMKII in the 
facilitation process. CaMKII enhances 
the ICa through phosphorylation of L-VDCC. We 
show murine whole-cell ICa generated from 
paired depolarizing pulses (–60 mV ± 10 mV at 
0.5 Hz) representing Ca2+-dependent facilitation 
(graph).
Figure 1. Evolutionary tree of voltage-gated Ca2+ channels. Tree is based on an alignment of the putative 
membrane-spanning regions and pore loops of the human channels. Alignment of the full-length sequences 
yields a similar pattern, although all the branch points are shifted to the left due to inclusion of nonconserved 
sequences. Low-voltage-activated (LVA) channels appear to have diverged from an ancestral Ca2+ channel 
before the bifurcation of the high-voltage-activated (HVA) channel family into Cav1 and Cav2 subfamilies. 
LVA - Low-voltage-activated
HVA - High-voltage-activated
T
Protocolo do curso-temporal da ICa,L
Protocolo da relação
corrente voltagem da ICa,L
Menezes-Filho et al., 2014
A B
Controle
Quercetina
The four main classes of 
potassium channel
a | 2TM/P channels (which consist 
of two transmembrane (TM) helices 
with a P loop between them), 
exemplified by inwardly rectifying 
K+ channels and by bacterial 
K+ channels such as KcsA.
b | 6TM/P channels, which are the 
predominant class among ligand-
gated and voltage-gated 
K+ channels.
S4 is marked with plus signs to 
indicate its role in voltage sensing in 
the voltage-gated K+ channels.
c | 8TM/2P channels, which are 
hybrids of 6TM/P and 2TM/P, and 
were first found in yeast.
d | 4TM/2P channels, which consist 
of two repeats of 2TM/P channels. 
8TM/2P
Senyon Choe, 2002
Schematic representation of the 
structural classification of K+ channel 
subunits.
A, 6-TM subunits.
Voltage-gated K+ channels
B, 2-TM subunits.
Kir channels
C, 4-TM subunits
IACh, muscarine-activated K
+ current;
IKDR, delayed rectifying K
+ current;
IKTO, transient outward delayed rectifier;
IKUR, ultrarapid delayed rectifier;
IKr, cardiac rapid delayed rectifier;
IKs, cardiac slow delayed rectifier;
IK1, inward rectifier;
TWIK, two-pore weak inward rectifier;
TASK, TWIK-related acid-sensitive K+ channel;
TRAAK, TWIK-related arachidonic acid-
stimulated K+channel.
Homotetramérico
O painel superior mostra o estado 
fechado, no qual os resíduos 
carregados (+) situam-se dentro de 
uma estreita fenda interna que se 
abre para a solução intracelular.
O painel inferior mostra o estado 
aberto. Depois do domínio 
transmembranar S4 sofrer uma 
rotação e inclinação anti-horária 
(setas vermelhas acima de S4), os 
resíduos carregados tornam-se 
acessíveis ao lado extracelular 
através da fenda externa.
Model for the molecular motion associated with voltage-
mediated gating
The family of inward 
rectifier potassium channels
All members of this family 
share significant structural 
similarity but only Kir2 and 
Kir3 subfamilies represent 
channels carrying classical 
strongly rectifying currents. 
Four members of each Kir2 
and Kir3 subfamilies were 
cloned in mammals. 
Heteromeric assemblies of 
Kir2.1, Kir2.2 and Kir2.3 
subunits underlie IK1 current, 
and heteromeric assembly of 
Kir3.1 and Kir3.4 subunits 
underlies IKACh current.
Anumonwo JM1, Lopatin NA, 2010.
Coração
Figure 1. The primary structures of the subunits of the voltage-gated sodium channels.
PKA
Sítio de glicolisação
PKA
PKA
PKA
PKC
PKC
TTX
Bloqueia a inativação
Aumenta a ativação
Bomba de Na+/K+
•Dean (1941) – propôs a existência da 
bomba de Na/K
“some sort of a pump possibly located in the membrane which can pump 
out the sodium or, what is equivalent, pump in the potassium”
• Hodgkin & Keynes (1955)
1- Axônio gigante de sépia (Sepia officinalis) – água do mar (24Na)
2- Estimulação do axônio
3- Lavagem do axônio
4- Axônio – água do mar (Na)
5- Observaram o aparecimento de radioatividade no meio extracelular
Fonte: Garcia (1998)
HODGKIN & KEYNES (1955)
Fonte: Garcia (1998)
CALDWELL et al (1960)
Sodium-potassium pump with potassium ions (green) in the transport sites and a 
phosphate analogue (yellow) in the ATP-binding site. The cell membrane is shown 
schematically in gray.
Bomba de Na+/K+
TRANSPORTE ATIVO
Bomba de Na+/K+
• 2 subunidades ( e )
• (112.000 daltons) – 10 -hélices
• ( 35.000 daltons) – 1 -hélice - glicoproteína
147.000 daltons – 11 -hélices
The two potassium ions (green) 
are surrounded by oxygen atoms 
(red) from the protein.
A BOMBA NA+/K+ É ELETROGÊNICA
Citosol
H2O
H2O
H2O
H2O
3 Na+
2 K+
H2O
H2O
H2O
ATP
Mantem equilíbrio osmótico da célula
Ouabaína se ligando a Na/K ATPase 
5. É Bloqueada pela Ouabaína ou 
estrofantina G (Strophantus gratus)