Biofísica das membranas excitáveis

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Biofísica das membranas excitáveis
01-Introdução
	Galvani foi o primeiro a dedicar-se ao estudo da eletricidade animal. Ele observou que por meio de choque elétrico, era possível obter a contração de músculos. Após estudos, descobriu-se que os músculos se contraiam de acordo com os estímulos elétricos ou originados ou conduzidos pelos nervos.
Potencial de injúria é a ddp entre um músculo íntegro e um músculo lesado.
A lesão destrói o sarcolema e expões o citoplasma cujo potencial elétrico é menor que o meio extracelular.
Corrente de injúria é o fluxo de corrente elétrica entre a zona lesada e a intacta.
Potencial transmembrana é a ddp que toda membrana superficial das células é submetida. E quando ela está em repouso, possui um valor constante – o potencial de repouso.
02- A membrana das células
 	A membrana celular é constituída por uma matriz lipídica onde existem proteínas globulares parcialmente mergulhadas na matriz lipídica e outras proteínas intrínsecas que atravessam toda a espessura da membrana, estabelecendo uma ponte entre o meio intra e extracelular, e elas se movem lateralmente ou transversalmente.
	A zona mais central da membrana celular é dotada de fluidez, há componentes que podem reduzir a fluidez como o colesterol, Ca e Mg a baixas temperaturas ou aumentar como fosfolipídios.
03- Comportamento elétrico passivo da membrana
Circuito RC: 
A membrana superficial se assemelha a uma associação do ripo resistor-capacitor em paralelo.
	Quando a tensão é desligada pela abertura da chave. P capacitor perde progressivamente a carga acumulada.
Correntes de membrana Rm:
Pode ser a expressão dos canais hidrofílicos por onde passam os íons, enquanto o capacitor Cm representa o comportamento da bicamada lipídica envolvida pelos meios condutores intra e extracelular. Por isso a membrana possui duas passagens para corrente elétrica:
Uma que obedece à lei de ohm que está associada aos canais iônicos
Outra com capacidade capacitiva associada ao dielétrico lipídico.
04- O potencial de repouso
(a) O campo elétrico no interior das membranas:
As membranas possuem uma ddp entre as superfícies externa e interna. A dificuldade para obter campos elétricos muito intensos está no dielétrico, pois a substância que o constitui possui uma rigidez dielétrica muito alta para permitir o desenvolvimento do campo e, consequentemente, o aparecimento elétrico de grande magnitude.
 b) Parâmetros elétricos da membrana:
Capacitância das membranas: a matriz lipídica é responsável pelas propriedades dielétricas, isto é, por separar dois meios condutores, as membranas têm propriedades capacitivas. Sua capacitância é de 1μF/cm2.
Resistência das membranas: as membranas possuem uma resistência muito elevada, contudo, a inclusão de certas proteínas faz baixar sua resistência.
c) A assimetria iônica existente nos meios
 O potencial de repouso é gerado pelo fato da membrana ter permeabilidade diferente a diversos íons, bem como pela assimetria na distribuição iônica 
A suspeita de Dean: a membrana, mesmo no repouso, bombeia íons no seu gradiente eletroquímico.
d) A bomba de sódio e potássio
Consiste no sistema de transporte ativo para bombear íons. O transporte de Na+ para fora da célula depende da presença de K+ no exterior e sua eficiência depende da temperatura e o efluxo de Na+ depende da concentração do ATP intracelular.
Localização: 
A bomba está na membrana celular e nos túbulos T. 
A cada ATP hidrolisado, 3 Na são removidos da célula e 2 K são levados para dentro da célula
Assim a cada ciclo, uma carga + é transferida para o meio extracelular e a corrente gerada pela bomba forma o potencial transmembrana, este é hiperpolarizado quando há bombeamento em alta velocidade.]
Afinidades: 
O Na+ intracelular e o K+ extracelular ativam o funcionamento da bomba. 
- A afinidade para o Na+ no lado citoplasmático é cerca de 3 vezes maior que a afinidade do K pelo menos sítio de ligação. 
- Pelo lado extracelular, a afinidade da proteína pelo K+ é 100 vezes maior do que para o Na+
Cotransporte e contratransporte:
A bomba transforma energia química do ATP numa distribuição assimétrica de íons. O sódio se torna mais concentrado no exterior e o citoplasma possui maior concentração de potássio.
Esses gradientes de concentração são usados como fonte de energia para que haja a repolarização/despolarização celular
Cotransporte: a movimentação de um cátion arrasta consigo um ânion
Contratransporte: íons de mesma polaridade são trocados entre lados da membrana.
Estrutura da bomba de Na/K: 
A bomba possui duas subunidades a alfa, com função catalítica, e a beta com função de estabilizar a enzima na matriz lipídica. A ATPase permite à proteína mover-se lateralmente.
Isoformas da bomba de Na/K: 
Ao se observar a resposta da bomba à oubaína, identificou-se diferentes formas que são conhecidas α1,α2, α3, que possui localizações em tecidos diferentes.
Regulação da bomba de Na/K: 
Ela é regulada pelo K+ extra e pelo Na+ intra, e opera com 10-15% da sua capacidade máxima.Quando o músculo aumenta seu trabalho, a atividade de bombeamento pode ser aumentada (hormônios como epinefrina, insulina proporcionam isso).
e)A difusão de íons e a formação do potencial de repouso
A membrana é seletivamente permeável para alguns íons. Há a tendência 1 - + 2
de haver migração do lado mais concentrado para o menos concentrado gerando 		φD
um fluxo φ. 										[S1] [S2]
Fluxo difusional é o fluxo gerado devido à tendência do íon migrar do 
lado mais concentrado para o menos.
Fluxo elétrico é o fluxo criado devido o gradiente de potencial elétrico 				φE
correspondente a positividade do lado 2 e a negatividade do lado 1
Potencial de Equilíbrio de um íon: 
A soma das energias potenciais elétrica e química resulta na energia potencial eletroquímica.
No potencial de equilíbrio, o fluxo do íon em ambos os lados se torna constante. Nessas condições temos o potencial de equilíbrio de um íon que é a ddp entre as faces da membrana permeável ao íon. 
A equação de Nernst determina o potencial de equilíbrio:
R-constante dos gases perfeitos
T –temperatura em Kelvin
Z –valência do íon
Ce –concentração do lado 1 exterior
Ci –concentração do lado 2 interior
	 Por essa equação, determina-se que os potenciais de equilíbrio do Na e Ca são + e do K e Cl são –
f) A contribuição do potássio para formar o potencial de repouso das células musculares:
Hodgin & Horowicz suspeitaram que ou o K ou o Cl seriam responsáveis pelo potencial de membrana. Então, resolveram manter constante a concentração extracelular de potássio e variaram a do cloreto, obtiveram que o potencial de membrana variou de modo não sustentado. Já fazendo o contrário, com o potássio variando, o potencial de membrana mantinha-se sustentável. 
Assim, concluíram que o potássio controla o potencial da membrana e que o cloreto ajusta suas concentrações de acordo com o nível do potencial existente.
Durante o repouso, a membrana é mais permeável ao K do que ao Na. Por isso, o potencial de repouso da célula está muito próximo do potencial de equilíbrio do potássio.
g) Fatores que alteram o potencial de repouso
A diminuição da atividade da bomba de NA/K
A diminuição na produção de ATP como na anoxia
Ação de drogas que alteram a permeabilidade da membrana a íons que forma o potencial de repouso como a acetilcolina, que aumentando a permeabilidade ao K hiperpolariza a célula.
h) As principais correntes iônicas que atravessam a membrana celular
	Durante o repouso, a resistência da membrana permanece constante e o potencial é invariável (nessa situação o meio intracelular é negativo em relação ao extracelular).
	O potencial de repouso é formado principalmente pela movimentação dos íons potássio e a corrente de saída do potássio é contrabalanceada pelo sódio.
05-O potencial de ação do axônio
a)A descoberta do potencial de ação
	Nos músculos e nervos, o potencial de ação é o sinal elétricoque se propaga para transmitir informação ou iniciar a contração.
b)A teoria de Bernstein e o overshoot
	Esse cientista imaginou que a membrana e o citoplasma do meio extracelular eram condutores de eletricidade e a membrana deveria possuir baixa condutividade
No repouso, a membrana seria permeável unicamente ao potássio e que por isso, a ddp depende desse íon. Já quando a célula é estimulada, a membrana ficaria permeável a todos os íons e a movimentação deles levaria o potencial da membrana para valores próximos de zero.
O retorno ao potencial de repouso deveria ser realizado a custa de um aumento seletivo da permeabilidade da membrana para íons potássio.
	A teoria de Bernstein estava equivocada. Descobriu-se que durante a atividade elétrica, o potencial da membrana sofria inversão da polaridade. O interior, que antes era negativo, tornava-se positivo.
c)A teoria do sódio e potássio
	Hodgkin & Katz,descobriram que caso o potencial de membrana dependesse exclusivamente do potássio o interior da célula seria negativo e se dependesse do sódio seria positivo.Então, o overshoot estaria associado a uma aumento da permeabilidade ao sódio.
	A despolarização era produzida pela entrada do sódio no meio interno e a repolarização ocorria pela fuga de potássio para o meio extracelular.
d) O estudo das correntes de membrana com a técnica do voltage clamp
Após usar a técnica do voltage clamp que colocava um eletrodo no interior de um axônio, descobriu-se que o potencial de ação era formado pela corrente de entrada do sódio e a corrente de saída do potássio.
A fase da despolarização do potencial de ação se deve a um aumento da condutância da membrana ao sódio e a de repolarização, uma maior fuga do potássio.
A condutância da membrana ao potássio permanece aumentada por mais tempo e a célula além de se repolarizar se hiperpolariza.
e)O modelo de Hodgkin & Huxley
	O controle dos canais de sódio se dá por partículas do tipo M (partículas de ativação) e do tipo H (partículas de inativação). Já os canais de potássio não apresentam inativação, são controlados apenas por partículas N.
	As partículas são negativas e se movem, por força elétrica e térmica, entre dois compartimentos próximos a face interna e externa da membrana. As partículas no repouso se concentram no compartimento externo (porque elas são negativas e o citoplasma é negativo também).
	A despolarização da membrana força a migração das partículas do compartimento externo pro interno e isso abre os canais iônicos:
3 partículas M: abrem um canal de Na e 1 partícula H o inativa
4 partículas N: ativam um canal de K
As partículas M se movem do meio intra pro extra com uma constante cinética αm e voltam com ϐm.
Elas são dependentes da voltagem.
	Ao movimento das cargas elétricas no interior da membrana, deu-se o nome de Gating current
f)A excitação da membrana do axônio
O potencial de repouso é -80mV e os pulsos são constantes, mas a intensidade varia para despolarizantes(+) e hiperpolarizantes(-)
Resposta passiva: quando não há variação da resistência da membrana.
Resposta ativa: quando o estímulo é capaz de elevar rapidamente o potencial da membrana além de 20mV. Nesse momento há um grande influxo de sódio = potencial limiar ou limiar de excitação. 
Os estímulos supralimiares fazem surgir o potencial de ação
Gradiente Mínimo excitador e acomodação da membrana: 
*Os estímulos hiperpolarizantes prolongados aproximam o limiar do potencial de ação do potencial de repouso.
 *Os estímulos despolarizantes tendem a afastar o potencial limiar do potencial de membrana.
*Variações lentas da voltagem podem fazer com que o potencial limiar se afaste do potencial de membrana e faz com que a célula não responda quando estimulada - isso é a acomodação da membrana.
*Para que a membrana tenha um potencial de ação, o estimulo deve fazer com que o potencial de membrana varie, é o gradiente mínimo excitador.
06- Potencial de Ação do Coração
a)A resposta elétrica do miocárdio
Na maioria das células miocárdicas, a entrada rápida de sódio é o mecanismo que gera potenciais de ação
O potencial de ação se subdivide em 4 fases 
FASE 0 - Fase inicial de rápida despolarização. Representa a abertura dos canais de Na+ com grande influxo desses íons para o interior da célula. No gráfico essa fase é representada por uma linha quase que vertical, característica das células chamadas de resposta rápida. 
FASE 1 - É uma pequena e rápida repolarização. Representa o fechamento dos canais de Na+ , um efluxo de K+ e uma ação pequena e rápida de canais de Cl-. 
FASE 2 -  Conhecido como Platô, representa a fase de influxo de Ca++, que será em última análise responsável pela contração muscular. ocorre em contrapartida mantendo a estabilidade do potencial durante o platô um efluxo de K+. 
FASE 3 - Fase de repolarização; representa principalmente uma corrente de saída de potássio que restabelece a diferença de potencial elétrico. 
FASE 4 - Fase de potencial de repouso, onde as concentrações iônicas são restabelecidas. Nas células com automatismo ocorre uma despolarização lenta nessa fase que, uma vez atingindo o potencial limiar, desencadeia novo potencial de ação. As células automáticas do nó sinusal possuem um potencial de repouso menor e uma forma de potencial de ação diferente chamada de resposta lenta, conforme a figura abaixo.  
 b) Os componentes e os tipos do potencial de ação cardíaco:
	Os componentes podem ser:
Rápidos que se assemelha ao potencial de ação do nervo, com a despolarização dependendo da entrada de sódio pelos canais de cinética rápida
Lentos que é característico das células miocárdicas com a taxa de despolarização muito menor do que a do componente rápido e com velocidade de propagação pequena.
As formas de potencial pode ser:
Tipo A: com componente rápido bem desenvolvido e presente nos ventrículos
Tipo B: com componente rápido pouco desenvolvido e com amplitude desses potenciais dada pela intensidade do componente lento, presente em torno do nódulo AS e AV
Tipo C: sem componente rápido e presente nas células nodais
c)Condutância da membrana durante o potencial de ação:
Durante o processo de excitação a membrana célula muda do seu estado passivo para o ativo. A membrana ativa possui alterações na condutância para diversos íons:
Sódio: o pulso aumenta a condutância do Na, depois os canais se inativam, na fase de platô os canais lentos se ativam e com a repolarização volta ao repouso.
Potássio: com a despolarização, a condutância dos canais de potássio reduz-se temporariamente até retornar com o tempo a seu potencial de repouso, nesse instante ocorre um fluxo de saída de potássio que faz com que saia íons positivos; negativando o citoplasma e repolarizando as células.
Cálcio: no repouso há pequena condutância do íon Cálcio, mas durante o platô a condutância aumenta e permite o influxo desse íon.
Nas células do marcapasso, o potencial de ação é caracterizado pela variação contínua do potencial de membrana durante a diástole elétrica (fase 4) –é chamado DDL (despolarização diastólica lenta) que se deve a uma progressiva redução da permeabilidade do K. Quanto maior o DDL maior será a freqüência do marcapasso
d)As correntes iônicas que formam o potencial de ação do miocárdio
	A formação do potencial depende de diversas correntes e existem em virtude de gradientes específicos de concentração iônica e de variações bem definidas da condutância da membrana.
*Durante a fase 4, existem correntes lentas de Na, Ca e K.
*Na fase 0 é gerada pelo sódio por canais rápidos
*Durante o platô as correntes de Cl, Na e Ca
*Na repolarização, a corrente se deve aos subcanais de K
*Nas fibras de Purkinje há correntes rápidas de sódio (INA), das correntes lentas de Na e Ca (ISI) e das correntes repolarizantes pelo K. 
e) Correntes de marcapasso: O desenvolvimento do ritmo cardíaco decorre da capacidade de auto-excitação das células nodais.
f) Características eletrofisiológicas e farmacológicas
A geração de potenciais elétricos depende de correntesiônicas que a atravessam. O fluxo iônico se faz por canais apropriados:
Canais de sódio: O canal rápido de sódio responde pela fase 0 e é bloqueado pela lidocaína. A intensidade dessas correntes depende do potencial de membrana e da concentração extracelular de Ca, que tem função de apressar a inativação dos canais rápidos de sódio.
Canais de cálcio: durante o platô dos potenciais de ação completos, há um aumento da condutância da membrana ao Ca. Com isso esse íon que tem o potencial muito positivo, mantém a despolarização e promove a contração muscular. O influxo de Ca é responsável por uma corrente lenta de entrada. Há canais do tipo L e T.
A repolarização e os canais de potássio: a resposta elétrica característica do coração é o platô dos potenciais de ação. Além das correntes de Na e Ca, o aumento da condutância do K forma o potencial. Quando os canais de K são reativados, a célula se repolariza. 
*No repouso, o canal tipo K1 cria uma corrente para fora da célula. Durante a fase 0, a condutância desses canais diminui e ajuda a formar o platô.
* O canal Kto PE o canal de ativação transitória e se abre na fase 0 e depois se inativa impossibilitando a repolarização imediata.
*O canal K apresenta uma progressivo aumento de condutância ao potássio à medida que se forma o potencial, produzindo uma corrente de saída no final do platô e são de dois tipos o Kr e o Ks. Esses canais são controlados por uma proteína G
Canais durante o Potencial de Ação:
-CaT limiar
-CaL aberto durante todo PA
-Kir canal se fecha durante o PA
-Kur canal ultra rápido
-Kto1 joga corrente para fora e é transitório
-Kto2 canal transiente
-Keag repolariza
-Kdr(tipo K) delay, abre com retardo e repolariza
-Katp é um canal que se abre para o ATP quando o potencial de ação diminui
-Nos 2/3 inicias a célula é insensível a qualquer estímulo (Período Refratário Absoluto), nos últimos 1/3 é o Período Refratário Relativo.
-VOCS são canais operados por voltagem e LOCS são canais operados por ligantes
Canais controlados por ligantes: o Katp necessita da ligação do ATP e o KCa depende do cálcio citoplasmático.
PCO e PCC: Alguns agentes podem aumentar a condutância dos canais de KATP. São as substâncias abridoras de canais de potássio. E são importantes durante a anoxia miocárdica, pois a grande dispersão dos potenciais facilita aparecimento de arritmias
Canais de Cloreto: 
*Ativados pelo AMPc que quando aumenta o AMP intra ativa os canais de cloreto, que contribui para a repolarização
*Ativados por substâncias purinérgicas
*Ativados pelo entumecimento celular
g) Canalopatias:
Canais de sódio: ocorre paralisia temporária de músculos esqueléticos caso haja alteração em um dos 4 domínios. Paralisia periódica hipercalemia
Cais de cloreto: No caso da fibrose cística, as células epiteliais não são capazes de transportar eficientemente os íons cloreto, dificultando o transporte de água para a luz dos tubos e espessando o muco.
Canais de cálcio: doenças como a paralisia periódica hipocalêmica e hipertermia maligna
Canais de potássio: síndrome do QT longo.
h)O acoplamento celular no miocárdio:
	Lesões musculares geram correntes elétricas, as correntes de injúria. A musculatura lisa e miocárdio possuem mecanismos que isolam as áreas injuriadas, isso porque o coração possui barreiras elétricas transversas, ou discos intercalares, possuindo também regiões com membrana juncional para a passagem de correntes elétricas.
Estruturas dos discos intercalares:
*Nexis, que são segmentos curtos que não se distingue separação entre as membranas juncionais, possuem baixa resistência e por isso se relacionam com o acoplamento elétrico.
*Junções comunicantes: formados por 2 hemicanais chamados conexons e juntos formam um poro hidrofílico(gap junction). Os conexons são formados por 6 proteínas denominados conexinas (cada uma tem 4 sítios específicos).
*Desacoplamento elétrico: soluções hipertônicas rompem os discos intercalares e causam bloqueios de condução.
i) A propagação do impulso elétrico no miocárdio
	A onda elétrica propagada no miocárdio promove a contração das fibras miocárdicas.
O Potencial de ação da membrana: o acoplamento intercelular permite que elas funcionem de modo sincronizado. O potencial de ação do marca passo é gerado simultaneamente em células centrais do nódulo, mas não se propagam entre as células centrais - chamado de potencial de ação da membrana, que excita células periféricas.
Potencial de ação propagado: ele se propaga na periferia do nódulo sinusal e é susceptível a bloqueios de condução pelo fato de possuir:
*Pequeno acoplamento elétrico (isso restringe o fluxo de corrente despolarizante entre as células)
*Grande massa de tecido atrial na borda do nódulo AS, que funciona como um grande sumidouro de corrente despolarizante,
*Os potenciais de ação da região central do nódulo sinusal possuem longo período refratário.
Circuito local de corrente: a propagação do potencial se dá por esses circuitos através das junções gap
Transmissão do impulso elétrico: a passagem pelo nódulo AV se dá com um pequeno retardo, pois os potencias ali são lentos
Microanatomia do miocárdio: os ventrículos devem ser ativados e desativados sincronicamente, isso é desempenhado pelo impulso elétrico, alem disso para funcionar corretamente é necessário bom suprimento de oxigênio e substratos para dar a energia que precisa.