aula4_biofisica_2011_1

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Curso de Biofísica 
Prof. Dr. Plínio Delatorre
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Parte I - Bioeletricidade
Potenciais celulares e excitabilidade 
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1. Potencial de Repouso
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Porque Células biológicas necessitam de membranas e canais transmembrana?
Reações biológicas ocorrem em soluções aquosas
( vida está intimamente ligado a água )
Água não é o melhor meio para moléculas hidrofóbicas
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Conservação do material interno da célula
Proteção contra moléculas indesejadas 
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Lipídeos
São excelentes como membranas celulares
1- Interação hidrofóbica é a força de formação;
2- Auto montagem em água;
3- Tendência de formar superfície fechada;
4- Auto vedação;
5- Extensiva – por mais de milímetros; 
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Células necessitam de trocar material e informação com o meio externo
(lembre-se isso deve ser feito de maneira altamente seletiva) 
Canais protéicos fazem esse transporte
 
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Difusão de lipídeo
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Permeabilidade
Baixa permeabilidade íons e compostos polares
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Potencial Elétrico de Membranas
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Canais Iônicos 
- Abertura e fechamento de canais por sistema porta
 Canais de voltagem 
	Abertura em função da mudança do potencial da membrana 
		Canal de Potássio (K)
 Canais de Ligantes
	 Abertura em função da ligação de Moléculas
		Acetilcolina (Na)
		Glutamato (Ca)
Ambos os canais fazem parte do mecanismo de controle de condução 
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Rica camada de glicídeos  Glicocálix
MEMBRANA PLASMÁTICA
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Na,K-ATPase
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-80 mV
[K+] = 135
[Na+] = 7
[Cl-] = 11
A-
[K+] = 2.5
[Na+] = 125
[Cl-] = 130
A-
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
+
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O potencial de repouso independe da concentração de Na
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O potencial de repouso é o resultado de uma distribuição desigual de íons através da membrana. O potencial de repouso é sensível a íons em proporção à sua capacidade de permear a membrana.
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+
+
+
+
-
-
-
-
+

Vin
Vext
 l
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Equação da Difusão 
Equação do Gradiente eletroquímico
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Nernst Equation
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Potencial Iônico de Equilíbrio 
Potencial de membrana em que o fluxo líquido de um tipo de íon = zero
O número de íons que se deslocam para dentro da célula = o número de íons que se deslocam para fora da célula para uma determinada espécie de íon
JNa + JK + JCl = 0
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Potencial Nernst
Assume que a membrana é permeável ao íon
Conforme a temperatura aumenta a difusão aumenta
Como a carga sobre a molécula aumenta, diminui as diferenças de potencial necessário para equilibrar as forças de difusão..
Eion = (RT/zF) ln [ion]o/[ion]in
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Eion (37°C) 
Ena = 61.54mV ln [Na]o/[Na]I = 62 mV
EK = 61.54mV ln [K]o/[K]I = -80 mV
ECa = 30.77mV ln [Ca]o/[Ca]I = 123 mV
CCl = -61.54mV ln[Cl]o/[Cl]I = - 65 mV
Eion = (RT/zF) ln [ion]o/[ion]in
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Alguns detalhes importantes: Deriva da equação de Nernst-Planck 
Usa-se permeabilidades ao invés de condutâncias
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Há uma diferença importante entre uma célula com fluxo de potássio em repouso e outra com fluxos múltiplos
Na+
K+
K+ difusão
K+ campo elétrico
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Um neurônio pode ser modelado com um circuito elétrico 
 Para entender a dependência do tempo de mudanças na concentração iônica, ou estado de condutância, etc Para facilitar a separação de correntes de espécies específicas do íon
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Vm
INa + IK = 0
Vi - Vo = EK + IK / gK
Vi - Vo = ENa + INa / gNa
IK = gK(Vm - EK)
INa = gNa(Vm - ENa)
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A membrana conduz íons muito mal e permite a separação de espécies iônicas. 
O resultado é uma diferença de potencial entre o exterior e o interior da membrana.
A magnitude do potencial de repouso é determinado pela permeabilidade seletiva da membrana à espécies iônicas.
Podemos quantificar a magnitude do potencial de repouso, considerando as propriedades difusivas e elétricas.
A fim de compreender a dependência temporal e as contribuições individuais de espécies iônicas ao potencial da membrana é conveniente usar um circuito elétrico.
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Permeabilidade da Membrana
Membrana é 50 vezes mais permeável ao  
K do que a Na
Pk/Pna = 50
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Goldman Equation
Eion = 2.303 RT/zF log Pk[K]o+Pna[Na]o 		 Pk[K]I+Pna[Na]I
Vr= 61.54 mV log	50[5]o +1[150]o 				50[100]i+1[15]I
 = - 65mV 
 Vm= RT/F ln Pk[K]o+ Pna[Na]o+ PCl[Cl]i
 Pk[K]I+ Pna[Na]I+ PCl[Cl]o
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2. Potencial de Ação
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Potencial de Ação
Alterações na permeabilidade permite o fluxo de íons sódio para dentro e provoca um aumento do fluxo de tensão K para o exterior através de canais iônicos  Provoca a mudança transitória no potencial da membrana A alteração na permeabilidade de íons é provocada 
por despolarização transitória da membrana
Bainha de mielina
Atua como um isolante elétrico
Não está presente em todas as células
Quando presente aumenta a velocidade dos sinais.
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Comunicação entre neurônios 
Os neurônios se comunicam por meio de um sinal elétrico chamado de potencial de ação
Potenciais de ação são baseados em movimentos de íons entre o exterior e o interior da célula
Quando um potencial de ação ocorre uma mensagem molecular é enviada para os neurônios vizinhos
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Concentrações de íons
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Membranas Celulares são 
Semi-Permeavéis 
Potencial de Repouso
Em repouso, o interior da célula é a -70 milivolts
Despolarização antes do PA
AP abre a membrana celular para permitir a passagem do (NA+)
o interior da célula torna-se rapidamente mais positivo do que fora
esta despolarização percorre o axônio como um condutor do PA
Repolarização
Após a despolarização o potássio (K +) move-se para fora para restaurar a tensão negativa
Repolarização
A despolarização e repolarização rápida produz um padrão chamado de ponto de descarga
Hiperpolarização
A Repolarização leva a uma tensão inferior ao potencial de repouso, chamado de hiperpolarização
Agora neurônio não pode produzir um novo potencial de ação
Este é o período refratário
Neurônio à Neurônio
Axônios ramificam e terminam perto de dendritos de células vizinhas
A diferença de potencial que 
	separa os terminais do axônio dos dendrites é chamada de Sinapse
Sinapse
terminais do axónio contém sacos de armazenamento pequenos chamados de vesículas sinápticas
neurônio
receptor 
Neurotransmissor
O Potencial de Ação causa a abertura da vesícula	
O Neurotransmissor é liberado na sinapse
O receptor molecular na membrana é fechado pós-sinapse
Neurotransmissor
íons positivos (NA +) despolarizam o neurônio íons negativos (CL) hiperpolarizam
Alguns fármacos atuam sobre receptores
Antagonistas: se ajustam mal ao receptor, e bloqueiam o NT
Ex. toxina Botulínica 
Agonistas: se encaixam bem ao receptor e agem como o NT Ex. nicotina. 
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Condutância = g
Quantas cargas (íons) entra ou sai da célula (inverso da resistência)
devido a:
número de canais / área de membrana
Maior densidade no cone axonal
número de canais abertos
concentração de íons de ambos os lados da membrana 
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Action Potentials
Can travel up to
100 meters/second
Usually 10-20 m/s
0.1sec delay between muscle and sensory neuron action potential
Action Potential: a transient and rapid sequence of changes in the membrane potential
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Alterações durante o potencial ação  A membrana plasmática torna-se permeável 
	aos íons de sódio Aumenta a permeabilidade de 2 para 20  
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Características do potencial de ação
Provocado por despolarização
Um potencial de membrana menos negativo que ocorre transitoriamente
Caracterizado por despolarização, repolarização 
e hiperpolaização
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	Há um limite  necessários para desencadear o potencial de ação 10-20 mV despolarização deve
ocorrer
	 para desencadear do potencial de ação
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É um evento do tipo tudo-ou-nada A amplitude do PA é a mesma independentemente do evento despolarizante ser fraco  
	(+20 mV) ou forte (+40 mV).
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Propaga sem decréscimo ao longo do axônio
A forma (amplitude e tempo) do potencial de ação não se altera à medida que viaja ao longo do axônio
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No pico do potencial de ação o potencial de membrana inverte a polaridade Torna-se positiva no interior 
 Ao restabelecer o potencial da membrana 0 potencial fica mais negativo do que o em repouso 
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Período refratário absoluto de um potencial de ação para o seguinte dura 1 ms Durante esse tempo, outra potencial de ação  NÃO PODE ser emitido, mesmo que haja uma despolarização transitória. Limites à taxa de disparo 1000PA/sec
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Key words: myelin sheath; action potentials; axon
Interesting facts:
- The myelin sheath is NOT a part of the axon. The myelin sheath is actually formed of glial cells (oligodendricytes and Schwann cells) that wrap around the axon.
- You may have often heard the brain referred to as either white matter or gray matter. The myelin sheath appears white in nature. Hence, the term white matter refers to areas of the brain that are myelinated. Gray matter refers to areas of the brain that are unmyelinated.
- When you accidentally cut yourself, you often visually notice that you've cut yourself before you actually feel any pain from the cut. The reason for this is that visual information uses myelinated axons; whereas, pain information uses unmyelinated axons.
- The loss of myelin is a significant factor in the disease multiple sclerosis (MS). When myelin is lost, the high-speed transmission of information is slowed down or blocked completely, which could lead the person with the inability to walk, write or speak. 
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Key words: ion concentrations; cell membrane; intracellular fluid; extracellular fluid; Na+; Cl-; K+
Slide ten represents a schematic of the typical concentrations of the intracellular and extracellular fluids. There are large concentrations of sodium and chloride ions concentrations of on the outside of the cell (relative to inside the cell). There are large concentrations of potassium ions and protein molecules on the insde of the cell (relative to concentrations on the outside of the cell).
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Key words: Cell membrane; semi-permeable; K+; Na+; Cl-
The cell membrane is semi-permeable. That is, when the neuron is at rest, the cell membrane allows some ions (K+) to pass freely through the cell membrane, whereas other ions (such as Na+ and Cl-) cannot.
Hit enter once and K+ ions will slowly pass through the cell membrane.
After K+ animation is finished, hit enter again and animation showing that Na+ and l- ions cannot pass through the membrane will occur.
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Key words: axon terminal
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key words: axon terminal; synaptic vesicles; neurotransmitters