AULA 1 BIOELETROGENESE E MEMBRANA PLASMÁTICA

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BIOELETROGÊNESE E MEMBRANAS BIOLÓGICAS
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BIOELETROGÊNESE
SERES VIVOS
MÁQUINAS ELÉTRICAS
PRODUÇÃO E CONSUMO DE ELETRICIDADE
DEPENDÊNCIA DE POTENCIAL ELÉTRICO DDP (DIFERENÇA DE POTENCIAL)
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Composição do fluído corpóreo
1 - Poque FIC e FEC são diferentes na composição iônica 
Fluído plasmático e intersticial são identicos na composição iônica. A diferença entre plasma e fluído itersticial é o conteúdo protéico.
2 - Porque o plasma contem maior quantidade de proteína que o fluído intersticial
?
?
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Resposta 1
A membrana celular é semipermeável, somente água e pequenas moléculas não carregadas podem mover-se livremente entre os compartimentos intersticial e intracelular. Íon não pode atravesar facilmente.
Todos tipos de bombas iônicas ou canais na membrana celular determinam uma distriuição desigual.
Resposta 2
A parede do capilar sanguíneo é permeável a muitas moléculas incluindo água e eletrólitos, exceto macromoléculas como proteínas.
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Fluido extracelular X fluido intracelular
A membrana celular é altamente permeável à água, mas não à maioria dos eletrólitos (membrana seletivamente permeável). 
Como estas diferenças são mantidas?
Composição iônica
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A distribuição e a composição de iôns dos compartimentos intra e extracelular.
Apesar da diferença de concentração, não há fluxo resultante de ion e o sistema encontra-se em equilibrio dinâmico.
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Responsável pela 
determinação e manutenção
do gradiente químico de Na+ e de K+
O K+ tende a sair e cria dipolo
A permeabilidade ao Na+ é baixa mas ele tende a entrar
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Transporte de íons
Canais iônicos, transportes ativos, transportes acoplados
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Para substâncias com carga, a direção e a magnitude do fluxo depende não só da diferença de concentração, mas também do potencial elétrico através da membrana.
A direção resultante do movimento do soluto (s) vai depender do:
	- efeito da diferença de concentração ou
	- efeito da diferença de potencial elétrico
 
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Modelo do Mosaico Fluido
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Delimitação do Volume Celular e Permeabilidade Seletiva
Membrana Plasmática
Organela que delimita o limite externo das células eucariontes animais.
Determina quais substâncias irão entrar ou sair das células
Quais quantidade e velocidades isso vai acontecer.
Função de seleção denominamos PERMEABILIDADE SELETIVA.
Os mecanismos que determinam a permeabilidade seletiva são denominados mecanismos de transporte através da membrana.
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A MEMBRANA CELULAR E A PERMEABILIDADE
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COMPARTIMENTO INTRACELULAR
COMPARTIMENTO EXTRACELULAR
MEMBRANAS BIOLÓGICAS:
 Membrana citoplasmática 
 Epitélio de revestimento
Ambas realizam trocas de soluto e de solvente (água)
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O organismo realiza trocas de solutos e de solvente seja com o meio ambiente ou entre os compartimentos. As trocas controladas (reguladas) garantem a operacionalidade do meio interno. 
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A membrana citoplasmática apresenta permeabilidade seletiva
Transporte passivo (a favor do gradiente de concentração): NÃO HÁ consumo de energia metabólica 
 a) Simples (sem mediadores)
 b) Facilitado (com mediadores)
Transporte ativo (contra o gradiente de concentração): HÁ consumo de energia metabólica
 a) Primário: energia metabólica (hidrolise de ATP)
 b) Secundário: energia de outras fontes que não a metabólica 
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Transporte de Solutos Através da Célula
Dois tipos de transporte de solutos através da célula:
 Transportes através da Membrana
Solutos atravessam a membrana através da bicamada ou de um transportador protéico
 Transporte em Quantidade, ou em Massa (nos quais a membrana da célula se deforma para a passagem de partículas que não conseguiriam atravessar a membrana)		
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Transportes Através da Membrana
Solutos entram ou saem da célula atravessando a bicamada de lipídeos, ou através de um transportador protéico. 
Nesse caso, temos:
Transportes através da bicamada
Transportes mediados por transportadores protéicos
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Uma pausa para relembrar ...
Quando uma substância é transportada através da membrana, ela pode sair ou entrar na célula.
Acontece que isso pode se dar as custas de energia, ou não.
Quando um transporte precisa de energia para que possa acontecer é denominado TRANSPORTE ATIVO.
Quando um transporte não precisa de energia para que possa acontecer é denominado TRANSPORTE PASSIVO.
A questão é: o que leva alguns transportes a precisarem de energia e outros não ??
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Uma pausa para relembrar ...
Isso vai depender da diferença (gradiente) de concentração entre os meios através dos quais acontece o transporte.
Quando o transporte se dá do meio mais concentrado para o menos concentrado, dizemos que ele ocorre à favor de um gradiente de concentrações. 
Esse tipo de transporte não gasta energia. 
É portanto TRANSPORTE PASSIVO.
Quando o transporte se dá do meio menos concentrado para o mais concentrado, dizemos que ele ocorre contra um gradiente de concentrações. Esse tipo de transporte gasta energia. 
É portanto TRANSPORTE ATIVO.
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Uma analogia útil ...
Quando o transporte se dá do meio mais concentrado para o menos concentrado, dizemos que o soluto desce a ladeira .... Portanto não gasta energia e é passivo.
Quando o transporte se dá do meio menos concentrado para o mais concentrado, dizemos que o soluto sobe a ladeira .... Portanto gasta energia e é ativo.
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Características dos transportes através da bicamada
Para que uma substância possa atravessar a bicamada de lipídeos deve necessariamente ser apolar (Por quê ?). 
Nesse caso a substância será transportada à favor do gradiente o que implica dizer que será do meio de maior concentração para o de menor concentração. 
Os transportes através da bicamada são portanto transportes passivos.
O único tipo de transporte através da bicamada é a DIFUSÃO SIMPLES. 
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Características dos transportes mediados por transportador
Obs.: o transporte de íons utiliza canais iônicos que são proteínas de membrana, mas que não apresentam necessariamente as 3 características acima. 
A dinâmica do transporte através de canais iônicos é igual a da difusão simples. 
Substâncias polares não conseguem atravessar a bicamada (você lembra por quê ?).
Devem portanto utilizar um transportador protéico para sair ou entrar na célula.
A interação do soluto que está sendo transportado com o transportador faz com que os transportes mediados por transportadores apresentem as seguintes características:
 Saturação
 Estéreo Especificidade
 Competição
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Tipos de transportes mediados por transportador
Existem três tipos de transportes mediados por transportadores:
Difusão facilitada
Transporte Ativo
Primário
Secundário
O quadro a seguir resume as principais características dos transportes através da membrana.
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DIFUSÃO SIMPLES
DIFUSÃO SIMPLES OU PASSIVA
Processo não seletivo
Molécula capaz de dissolver-se na bicamada lipídica e atravessar a membrana plasmática
Moléculas pequenas e relativamente hidrofóbicas.
Moléculas pequenas carregadas e moléculas grandes como glicose não passam.
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DIFUSÃO SIMPLES
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PERMEABILIDADE DAS BICAMADAS FOSFOLIPÍDICAS
Gases, moléculas hidrofóbicas, moléculas polares pequenas  difusão
Moléculas polares maiores, moléculas carregadas  não atravessam por difusão.
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DIFUSÃO FACILITADA
DIFUSÃO FACILITADA
Processo seletivo
Molécula não é capaz de dissolver-se na bicamada lipídica.
Passagem mediada por proteínas.
Moléculas grandes e carregadas.
Proteínas carreadoras e canais protéicos
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CANAIS IÔNICOS
Canais protéicos mais bem conhecidos são os canais iônicos.
Propriedades são fundamentais para desempenho de suas funções:
Transporte extremamente rápido:
~1milhão de íons/seg.
Altamente seletivos:
Poros restringem passagem somente a íons com tamanho e carga apropriados.
Maioria não está permanente aberta.
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CONFORMAÇÃO FECHADA:
FLUXO DE ÍONS BLOQUEADA POR UM PORTÃO
ABERTURA DO PORTÃO POSSIBILITA QUE OS ÍONS FLUAM RAPIDAMENTE ATRAVÉS DO CANAL
CANAL CONTÉM UM PORO ESTREITO QUE RESTRINGE A PASSAGEM A ÍONS QUE TENHAM TAMANHO E CARGA APROPRIADOS.
MODELO DE UM CANAL IÔNICO
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Gradiente de íons e potencial de membrana
Na+ e K+ íons que participam da transmissão de impulsos nervosos.
Na+ bombeado para fora da célula concentração maior fora do axônio
K+ bombeado para dentro da célula concentração maior do lado de dentro do axônio
Membrana em repouso mais permeável ao K+ do que ao Na+ mais canais de K+ abertos
Fluxo de K+ responsável pela manutenção do potencial de membrana em repouso  -60mV.
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Alteração do potencial de membrana após estímulo. ENa e EK = potenciais de equilíbrio do Na+ e K+.
Potencial de membrana inicialmente aumenta a medida de canais de Na+ dependente de voltagem se abre. Potencial de membrana decresce até os canais de Na+ serem inativados e os canais de K+ controlados por voltagem serem abertos. Esses são inativados e o potencial retorna ao seu valor de repouso
POTENCIAL DE MEMBRANA E CANAIS DE ÍONS
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SELETIVIDADE DE ÍONS DOS CANAIS DE Na+
Poro estreito permite a passagem de Na+ ligado a uma molécula de água
Interfere na passagem do K+ ou íons maiores.
Canais de Na+  mais de 10mil vezes mais permeáveis ao Na+ do que ao K+.
Poro estreito : filtro por tamanho
Canais de K+  mais de mil vezes mais permeáveis ao K+ do que ao Na+.
Interfere na passagem do K+ ou íons maiores.
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SELETIVIDADE DE ÍONS DOS CANAIS DE K+
Estreito filtro de seletividade circundado por átomos de oxigênio da carbonila (C=O)
Poro largo para passagem do K+ desidratado
Dissociação das moléculas de água devido a interação K+ e oxigênio da carbonila.
Na+ muito pequeno para interagir com oxigênio do filtro seletivo.
Na+ permanece ligado à água (complexo hidratado grande).
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INATIVAÇÃO DOS CANAIS DE K+ E Na+
Após abertura controlada por voltagem, canais de K+ e Na+ são rapidamente inativados pela ligação de porções citoplasmáticas de cadeias polipeptídicas ao poro.
Canal de K+  inativação por mecanismo de bola e cadeia.
Canal de Na+  inativação mediada por alças intracelulares.
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TRANSPORTE ATIVO
Transporte ativo
Energia fornecida por reação associada (como a hidrólise de ATP) é utilizada para possibilitar que ocorra o transporte de uma molécula em uma direção energeticamente desfavorável.
Bombas de íons
Manutenção dos gradientes de íons através da membrana plasmática.
Propagação de sinais elétricos em nervos e músculos
Manutenção do balanço osmótico e do volume celular
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TRANSPORTE ATIVO PRIMÁRIO: BOMBA DE Na+/K+ ATPASE
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Bomba de sódio e potássio
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ORIGEM DO POTENCIAL DE REPOUSO NAS CÉLULAS
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BASES MOLECULARES DO POTENCIAL DE AÇÃO
CANAIS
FORMADOS POR PROTEÍNAS QUE ATRAVESSAM A MEMBRANA  PORO DE PASSAGEM DE ÍONS.
CANAIS IÔNICOS SELETIVOS
DIFERENTES PERMEABILIDADES DA MEMBRANA CELULAR DAS CÉLULAS EXCITÁVEIS
CONSIDERÁVEL ESPECIFICIDADE PARA CADA ÍON
CANAIS ABERTOS OU FECHADOS 
PERMEABILIDADE AO ÍON
 MAIOR QUANTO MAIS CANAIS ESPECÍFICOS PARA ESTE ÍON ESTIVER ABERTO
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PROTEÍNAS constituintes da membrana = muitas delas são CANAIS IÔNICOS.
A membrana NÃO É TOTALMENTE IMPERMEÁVEL A ÍONS. 
Existem vários tipos diferentes de canais iônicos. Cada tipo corresponde a uma proteína diferente e é ESPECÍFICO PARA UM DETERMINADO ÍON (ou classe de íons).
SOBRE O POTENCIAL DE REPOUSO
POROS SELETIVOS (ou não) NA MEMBRANA PLASMÁTICA
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- CANAL DE K+ (passivo)  DETERMINA O POTENCIAL DE REPOUSO, comum a todas as células excitáveis ou não. É encontrado em toda a membrana plasmática.
- CANAL DE Na+ DEPENDENTE DE VOLTAGEM  permite fase de DESPOLARIZAÇÃO do potencial de ação. É encontrado apenas ao longo do axônio.
- Canal de K+ dependente de voltagem  permite rápida REPOLARIZAÇÃO do neurônio de volta ao potencial de repouso. 
 
- Canal de Na+ dependente de estímulo mecânico  presente nas células receptoras do tato.
- CANAIS DEPENDENTES DE ESTÍMULO QUÍMICO  são abertos apenas na presença de uma determinada molécula = o NEUROTRANSMISSOR.
ALGUNS DOS DIFERENTES TIPOS DE CANAIS IÔNICOS
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É o GRADIENTE ELETROQUÍMICO de um íon que define o seu movimento através da membrana.
GRADIENTE ELÉTRICO e GRADIENTE QUÍMICO: SE IGUAIS EM MAGNITUDE E DIREÇÕES OPOSTAS
= EQUILÍBRIO ELETROQUÍMICO (não há passagem efetiva através da membrana)
SOBRE O POTENCIAL DE REPOUSO
MOVIMENTO DE ÍONS PELA MEMBRANA = FORÇA MOTRIZ
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A atividade elétrica nos tecidos vivos é um fenômeno que se dá em nível celular
Estritamente dependente da membrana celular.
Em praticamente todas as células vivas em que isso foi medido detectou-se alguma diferença de potencial (DDP) elétrico citoplasma e o exterior.
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1. Potenciais de membrana de repouso dos nervos:
O potencial de repouso no interior da fibra nervosa é de - 90 mV.
Depende do gradiente de concentração dos diferentes íons: 
 Na+ (externo) 142 mEq/L
 Na+ (interno) 14 mEq/L
 K+ (externo) 4 mEq/L
 K+ (interno) 140 mEq/L 
POTENCIAIS DE MEMBRANA E POTENCIAIS DE AÇÃO
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Potencial de Repouso ou Potencial de Membrana
Valor varia em diferentes tipos de células
De 5 a 100 mV (negativos)
Quase sempre com o interior negativo em relação ao exterior.
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Potenciais de Ação Neural:
 São variações rápidas do potencial de membrana, responsáveis pela transmissão dos sinais neurais.
Início do Potencial de Ação
Potencial de membrana positivo
Variação abrupta do Potencial negativo da membrana
Volta abrupta para o potencial de membrana negativo
POTENCIAIS DE MEMBRANA E POTENCIAIS DE AÇÃO
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Etapas sucessivas do Potenciais de Ação:
Dependem dos canais voltagem dependentes de Na+ e K+.
Etapa de repouso
Etapa de despolarização
Etapa de repolarização
Etapa de Repouso – Membrana Polarizada 	 É o potencial de membrana em repouso, antes que ocorra o potencial de ação, corresponde a – 90 mV. 
POTENCIAIS DE MEMBRANA E POTENCIAIS DE AÇÃO
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Etapa de Despolarização
  É o potencial de membrana variando no sentido da possitividade, devido a permeabilidade (influxo) íons sódio para o interior da célula nervosa. 
Etapa de Repolarização
  É o restabelecimento progressivo do potencial de membrana de repouso normal devido a rápida difusão de íons potássio para o exterior da célula.
POTENCIAIS DE MEMBRANA E POTENCIAIS DE AÇÃO
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Partipação de outros íons ou compostos no Potenciais de Ação:
Íons com carga negativa
  moléculas protéicas
  compostos fosfatados
  compostos sulfatados
Mantém a carga
negativa se houver deficit de Na+ e K+ 
B) Íons cálcio
  Bomba de cálcio  cálcio  para o exterior da célula e para dentro do retículo sarcoplasmático
  Canais voltagem-dependentes
 - Tem ativação mais lenta (10 a 20 vezes menor que dos íons sódio)
 - São muito numerosos nos músculos cardíacos e lisos
POTENCIAIS DE MEMBRANA E POTENCIAIS DE AÇÃO
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 Desencadeamento do Potencial de Ação
Membrana da fibra nervosa em repouso (potencial de membrana -90 mv)
Elevação do potencial de ação 
 (limiar para início de - 65 mV) 
Abertura dos canais voltagem dependentes de sódio 
Influxo rápido de íons sódio. Geração potencial de ação
Inativação dos canais de sódio e abertura dos canais de potássio (término do potencial de ação)
POTENCIAIS DE MEMBRANA E POTENCIAIS DE AÇÃO
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 Propagação do Potencial de Ação
(Princípio de tudo ou nada) 
Restabelecimento do gradiente iônico após potenciais de ação
Depende da bomba de sódio e potássio
(processo ativo com consumo de energia ATP)
Platôs em alguns potenciais de ação: paticipam os canais voltagem dependentes
Canais rápidos – dependes de sódio – potencial de ponta
Canais lentos – dependentes de cálcio – platô do potencial de ação
POTENCIAIS DE MEMBRANA E POTENCIAIS DE AÇÃO
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POTENCIALDE AÇÃO: alteração transitória na diferença de potencial elétrico da membrana de neurônios (e de células musculares) cuja duração e amplitude são fixas. 
EFEITO PLATÔ
membrana não repolariza imediatamente após a despolarização
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 Fibras mielínicas
	- São mais calibrosas
	- Condução saltatória
	- Velocidade de condução de até 100 m/s
 Fibras amielínicas
	- São menos calibrosas 
	- Condução contínua
	- Velocidade de condução menor
Aspectos especiais de transmissão de sinais por troncos nervosos
POTENCIAIS DE MEMBRANA E POTENCIAIS DE AÇÃO
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Condução Saltatória: Ocorre nos nervos mielínicos, onde a troca iônica se faz apenas nos nódulos de Ranvier, e o impulso salta sobre as bainhas de mielina. Nestes nervos a velocidade de condução é maior que nos nervos amielínicos. 
POTENCIAIS DE MEMBRANA E POTENCIAIS DE AÇÃO
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 Produção do potencial de ação – Excitação
Fatores que promovem a difusão de íons sódio para o 
interior da fibra nervosa e abertura dos canais de sódio 
Distúrbio mecânico simples
	Ex: Pressão mecânica sobre a pele
b) Efeito químico sobre a membrana
	Ex: neurotransmissores
c) Passagem de eletricidade através da membrana 
	Ex: transmissão do estímulo elétrico pelo coração
POTENCIAIS DE MEMBRANA E POTENCIAIS DE AÇÃO
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As canalopatias são recentemente delineadas como um grupo de desordens neurológicas emergenciais devido a determinadas alterações genéticas na função de canais iônicos.
O estudo das doenças associadas a canais iônicos torna-se uma importante “ferramenta” para a compreensão do funcionamento de tecidos eletricamente excitáveis, tais como coração, músculos e cérebro. 
CANALOPATIAS
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No coração, este produz uma arritmia fatal.
No músculo esquelético, produz alterações periódicas da contratilidade, que vão desde a incapacidade de contração (paralisia) à incapacidade de relaxamento (miotonia).
No sistema nervoso central (SNC), provavelmente o mesmo intervalo de perturbação rítmica pode produzir, uma descarga elétrica anormal.
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EQUAÇÃO DE NERNST
EQUAÇÃO DE GOLDMAN
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EQUAÇÃO DE NERNST CALCULA O POTENCIAL ELETROQUÍMICO GERADO POR CARGAS MÓVEIS ASSIMETRICAMENTE DISTRIBUÍDAS
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DDP  determinada por três fatores:
Diferença de concentração do soluto nos dois lados da membrana,
Carga elétrica (ou “valência”) da molécula solúvel,
Diferença de voltagem entre os dois lados da membrana (o chamado potencial transmembrana)
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Se a espécie difusível consistir de apenas um íon, podemos usar a equação derivada em 1888 pelo físico-químico alemão Walter Nernst para predizer teoricamente este potencial eletroquímico:
n=z valência do íon
Efora - Edentro= - RT/nF x ln [Xfora]/[Xdentro]
Efora - Edentro= + RT/nF x ln [Xdentro]/[Xfora]
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A Equação de Nernst é utilizada para o cálculo da diferença de potencial elétrico necessária para a produção de força elétrica que é igual e contrária à força da concentração.
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A equação de Nernst é uma idealização que considera que a membrana celular é permeável a apenas um tipo de íon.
Sua aplicação não prevê o valor final do potencial presente na membrana celular levando-se em consideração a ação dos diversos íons presentes nas regiões intra e extra celular.
Ela é válida para íons monovalentes, para íons de outra valência é necessário dividir pela valência do íon (z).
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A EQUAÇÃO DE NERNST PREDIZ A DIREÇÃO DO FLUXO IÔNICO PARA UM DETERMINADO ÍON
1- Se a DDP medida através da membrana for igual à calculada pela equação de Nernst não há movimento iônico.
2- Se a DDP medida for do mesmo sinal mas superior à calculada, a força elétrica é superior à de concentrações, determinando a direção dos íons.
3- Se a DDP medida for do mesmo sinal mas inferior à calculada, a força da diferença de concentrações é superior à elétrica, determinando a direção dos íons.
4- Se a DDP medida for de sinal contrário à calculada, ambas as forças têm a mesma direção, não podendo haver equilíbrio.
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POTENCIAL DE MEMBRANA = -90mV
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Mais íons presentes, com diferentes gradientes de concentração através da membrana;
Vários tipos de canais iônicos seletivos a esses íons
Potencial de equilíbrio depende das permeabilidades relativas da membrana a esses íons.
Potencial de equilíbrio é dado pela equação de GHK
Goldman-Hodgkin-Katz (GHK).
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Para uma célula permeável a K+, Na+ e Cl- a equação de GHK nos dá: