BF-089-Bioeletrogenese

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Bioeletrogênese
Professora Maíra Valle
Entre eu pensar em algo e executar quanto
tempo leva???
Pode levar por volta de 10 ms
Velocidade de condução máxima 430 Km/h
A rapidez e eficiência do SN depende da 
BIOELETROGÊNESE
• As células excitáveis são capazes de propagar sinais elétricos
rápidos como resposta a um estímulo.
• Em especial neurônios, mas também outras células com as 
musculares na contração e células beta do pâncreas na secreção
de insulina
• ELETRICIDADE é um termo geral que abrange uma variedade de 
fenômenos resultantes da presença e do fluxo de carga elétrica
Histórico
Alessandro Volta (Sec XIX)Luigi Galvani (Sec XVIII)
Potencial elétrico é a capacidade que um corpo energizado tem de 
realizar trabalho, ou seja, atrair ou repelir outras cargas elétricas.
Por que é importante entender os potenciais elétricos celulares?
Potencial elétrico: Estoque de energia 
Dessa energia dependem: 
• Transporte de moléculas;
• Regulação do pH celular;
• Propagação elétrica (potencial de ação);
• Secreção de substâncias como hormônios e neurotransmissores;
• Absorção, reabsorção, secreção no TGI e nos néfrons.
Células possuem ddp – diferença de potencial elétrico
entre o meio extracelular e intracelular
• Células funcionam como uma pilha
Diferença de potencial elétrico
Corrente elétrica
A corrente elétrica é fluxo ou
movimento de elétrons de um ponto
com excesso dessas parti ́culas para 
outro ponto com falta dessas
parti ́culas. 
Esse movimento ocorre atrave ́s de 
um meio meta ́lico (como um fio
ele ́trico de cobre ou alumi ́nio) ou
por meio de estruturas qui ́micas
chamadas i ́ons, como no caso das 
células. 
Íons O a ́tomo que perdeu ou ganhou ele ́trons em razão de reações químicas
passa a ser denominado íon, que pode ser classificado de duas maneiras:
Ca ́tion: i ́on com carga(s) positiva(s). Ex.: Na+, K+, Ca2+
A ̂nion: i ́on com carga(s) negativa(s). Ex.: Cl-
Entre as superfi ́cies interna e externa da 
membrana celular, não existem metais, 
mas, sim uma solução eletroli ́tica. Neste
caso, a corrente elétrica flui por meio
dos i ́ons da solução.
Principais íons
Dentro da célula
DDP ou Potencial de membrana
• LEC: Líquido extracelular
• LIC: Líquido intracelular
O potencial do nome vem do fato de que o gradiente
elétrico criado pelo transporte ativo de íons através da
membrana celular é uma forma de energia armazenada.
Íons se movem passivamente por…
• Gradiente químico (dada pela diferença de concentração entre interior e 
exterior da célula);
• Gradiente elétrico para o íon (dado pela relação entre o potencial elétrico de 
membrana e pela carga do íon);
Exemplo: A força de difusão do K+ é para a 
saída da célula, umas vez que sua [] é maior
intracelular. Porém, a força elétrica é para 
sua entrada, uma vez que o interior é
negativo e o íon é um cátion.
A combinação do gradiente elétrico e 
químico é chamada de gradiente
eletroquímico.
Conceitos básicos
1- Os fluídos do organismo seguem o 
princípio da eletroneutralidade, ou seja, 
mesmo número de cargas positivas e 
negativas.
2- Cargas opostas se atraem;
3-Como um isolante elétrico muito fino, a 
membrana celular pode funcionar como um 
capacitor.
O capacitor e ́ um dispositivo composto por placas condutoras
separadas por material isolante (diele ́trico), capazes de 
armazenar carga e energia ele ́trica, que funciona como uma pilha
de descarga imediata
Conceitos básicos
3- A membrana celular é um isolante elétrico, isto é, não 
permite a passagem de íons; 
4- Separar as cargas opostas requer gasto de energia (ATP!);
5 - Os íons atravessam a membrana pelos poros de proteínas 
(canais) ou são transportados pelos transportadores 
primários e secundários;
Íons não se difundem livremente pela 
membrana celular
Os íons atravessam as membranas por…
Três propriedades importantes dos canais iônicos
1. Reconhecem íons específicos
2. Abrem e fecham em resposta a sinais 
específicos elétricos, mecânicos ou químicos
3. Conduzem íons através da membrana em 
velocidades extremamente rápidas, 
proporcionando, assim, um grande fluxo de 
cargas elétricas (100000000 íons/min/canal)
Conceitos básicos
O que causa a diferença de concentração de 
cargas na membrana?
-Distribuição assimétrica de íons no lado 
interno e externo das membranas celulares;
- Excesso de cargas negativas não
difusíveis (ânions orgânicos).
- Diferentes canais para íons, inclusive, com 
permeabilidades diferentes.
Quais são os canais/bomba responsáveis pela ddp?
Canal de Sódio
Canal de Potássio – mais importante *alta permeabilidade
Bomba Sódio/Potássio
A maioria das células é cerca de 40 vezes mais permeável
ao K+ do que ao Na+
K+ alta 
permeabilidade
Ânions orgânicos
(proteínas, PO4
3-)
totalmente
impermeáveis
Na+ e Ca2+ baixa 
permeabilidade
Aumento de permeabilidade transitória quando canais se abrem em decorrência de estímulos)
Cl- baixa 
permeabilidade
Bomba Na+/K+
A bomba apresenta 2 Efeitos:
- Bomba Eletrogênica: 
transferência efetiva de carga 
positiva para o meio extracelular (3 
Na+ para fora e 2 K+ para dentro da 
célula).
- Cria um gradiente de
concentração para o Na+ e o K+
Porém, ela não é a principal
causadora da ddp
Pausa pedagógica
• Qual é o principal cátion intracelular? E extracelular?
• A carga negativa dentro da célula deriva principalmente de quais
componentes químicos?
• Quais gradientes são responsáveis pela taxa de difusão de um íon
através de uma membrana? Explique resumidamente cada um.
Potencial de equilíbrio para um íon (Eíon)
É a voltagem através da membrana em que não há fluxo 
de um íon específico através dela. Ou seja, é o 
momento em que o gradiente químico e o gradiente 
elétrico se anulam. O sistema atingiu o equilíbrio
eletroquímico.
É calculado pela equação de Nernst
Ex: Potencial de quilíbrio potássio (EK+)
Ek+ = 61 * (-1,477) mV
Ek+ = 61 mV . log 5
+1 150
Ek+ = 61 mV . log [K+]LEC
Z [K+]LIC
Potencial de Equilíbrio:
Diferença de potencial necessária para anular a 
força difusional do LIC para o LEC
LIC
K+
150 mM
LEC
K+
5 mM
Célula em repouso
Ek+ = -90 mV
E se invertermos as []? Como fica o EK+?
Ek+ = 61 * (1,477) mV
Ek+ = 61 mV . log 150
+1 5
Ek+ = 61 mV . log [K+]LEC
Z [K+]LIC
Se invertermos as as [], invertemos o potencial de equilíbrio. 
LEC
K+
150 mM
LIC
K+
5 mM
Obs.: Situação hipotética
Ek+ = +90 mV
Potencial de equilíbrio e concentração dos 
íons nas células de mamíferos
Os íons tendem a buscar o seu potencial de equilíbrio (energicamente mais favorável).
Porém, a “capacidade” de um íon em se aproximar do seu potencial de equilíbrio depende da
permeabilidade da membrana a esse dado íon.
O que cria a ddp? 
1. O gradiente de concentração de íons entre LEC e LIC.
2. A membrana celular seletivamente permeável.
Gradiente químico
Como a ddp é formada?
Gradiente elétrico
Porém, vários íons são capazes de se mover 
através da membrana…
O potencial de repouso de uma célula (Vm) pode ser calculado ao se levar em 
consideração as concentrações intra e extracelulares dos íons aos quais a 
membrana é permeável
considera os gradientes de concentração de íons permeáveis e a
permeabilidade relativa da célula para cada íon
Se a membrana não é permeável a um íon, o valor de 
permeabilidade daquele íon é zero, e o íon sai da 
equação. Por ex., células em repouso normalmente não
são permeáveis ao Ca2+ e, portanto, o Ca2+ não faz parte 
da equação GHK.
Equação GHK: Soma ponderada 
dos potenciais de equilíbrio 
para o Na+, K+, Cl- e outros.
Potencial de Repouso
• Universal – todas as células possuem uma
diferença de potencial (ddp) em repouso
• Célula sempre eletricamente negativa
• -90mV<Vm<-20mV
• Estável em escala de tempo de segundos
Medida do potencial de membrana
Pausa pedagógica
1. Quais íons, dentre esses, encontram-se mais próximos do equilíbrio eletroquímico numa célula de 
mamíferoem repouso (Vm: -70mV)? Qual a tendência de cada íon segundo o gradiente químico e o 
gradiente elétrico? 
2. Em uma célula em repouso elétrico, qual dos dois íons, sódio ou potássio, apresenta o gradiente 
eletroquímico de maior magnitude? Por quê? 
3. Se uma célula artificial, produzida em laboratório, tivesse permutados os valores das permeabilidades
de sódio e de potássio, como seria o potencial elétrico de repouso observado na membrana dessa
célula, em comparação a uma célula normal? Justifique sua resposta.
Alterações do potencial de repouso podem ser
hiperpolarizantes ou despolarizantes
Despolarização – Vm menos negativo
Estimulatórias
Hiperpolarização – Vm mais negativo
Inibitórias
Potencial graduado
• A mudança no potencial de repouso de uma célula é 
chamada de POTENCIAL GRADUADO, ou 
ELETROTÔNICO.
• Os potenciais graduados são sinais de força variável 
que percorrem distâncias curtas e perdem força à 
medida que percorrem a célula.
O Potencial graduado pode ser:
sublimiar: não deflagra um potencial de ação
supralimiar: deflagra um potencial de ação
Para que os sinais elétricos possam ser propagados a longas distâncias, os 
potenciais graduados devem gerar potenciais de ação
• Os potenciais de ação são grandes despolarizações muito breves que ocorrem devido a 
estímulos (E) supralimiares e percorrem longas distâncias por um neurônio sem perder força. 
• A sua função é a rápida sinalização por longas distâncias, como do cérebro até o pé. 
O potencial de ação tem padrão de despolarização e 
repolarização estereotipados para um tipo celular.
+30
P
o
te
n
c
ia
l 
tr
a
n
sm
e
m
b
ra
n
a
E
in
t
–
E
e
x
t
(m
V
)
+20
+10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
MOTONEURÔNIO VENTRÍCULO CARDÍACOM. ESQUELÉTICO
EM 3 DIFERENTES CÉLULAS DO ORGANISMO
O potencial de ação é do tipo tudo ou nada
O PA está presente, ou ausente.
Logo, é um sinal BINÁRIO
Limiar de 
ativação
Potenciais 
graduados
Os responsáveis pela geração do PA são canais que
respondem a alteração da voltagem da membrana
• .
Canais para sódio dependentes de voltagem
(presentes apenas em células que deflagram PA)
Anestésicos locais fazem com que o 
canal para sódio dependente de 
voltagem fique estável no estado 
inativado
Também chamados de canais rápidos
Por que o canal de Na+ se fecha no pico da 
despolarização?
Os portões de inativação também respondem à despolarização, mas
eles se fecham mais lentamente do que a ativação abre os portões,
permitindo, assim, o fluxo de íons por um curto período.
Potencial de ação
O potencial de ação só ocorre devido à presença de canais dependentes de voltagem
1-2 Potencial de repouso
2-3- Potencial graduado supralimiar
5 Despolarização: Entrada de Na+
5-7 Repolarização: Saída de K+
7-8 Hiperpolarização
9 Retorno ao Potencial de Repouso
Fechamento canais rápidos de Na+
Abertura canais lentos de K+
Condutância (G)
Dois canais são responsáveis pelo PA:
1. Canal de Na+ dependente de voltagem rápido
2. Canal de K + dependente de voltagem lento
A facilidade com que os íons fluem através de 
um canal é denominada condutância do canal 
(G). Ela se altera ao longo do curso de um PA.
(Inversão)
Pós-hiperpolarização
Após o Vm ultrapassar o ponto de 0 ddp,
ocorre a inversão do potencial de membrana, 
com mais cargas + dentro que fora.
Após a repolarização ocorre a pós-
hiperpolarização.
Potencial de ação
Período refratário absoluto -> não há como gerar outro potencial de ação.
Canais de sódio totalmente inativos.
Período refratário relativo -> período em que é necessário estímulo maior para gerar um potencial 
de ação. Parte dos canais de sódio já ativos. 
Canais de K+ ficam abertos
mais tempo
Pós-hiperpolarização
Potencial de ação
No período refratário
absoluto há zero 
excitabilidade.
OBSERVAÇÃO
Uma mudança significativa no Vm requer o 
movimento de poucos íons. O gradiente
de [] não precisa reverter para mudar
o potencial de membrana. 
P. ex., para alterar o potencial de 
membrana por 100 mV (de – 70 mV 
para +30 mV no PA), apenas um de 
cada 100 mil K+ deve entrar ou sair
da célula. Isso é uma pequena fração
do número total de íons K+ na célula. 
O gradiente de [] de K + permanece, 
portanto, essencialmente inalterado.
A passagem de poucos íons já altera o Vm.
Observe o ponteiro…
Cálculo da quantidade de íons
KCl 150 mM intracelular
(150 x número de moléculas em 1 M x mili)/L
Onde: 1 M = 6 x 1023 moléculas em 1 L
mili = 10-3 (prefixo do SI)
150 x 6 x 1023 x 10-3 = 900 x 1020 íons K+/L
Porém, um neurônio não contém um volume de 1 L.
Volume neurônio ~ 300 fL ou 300 x 10-15
900 x 1020 x 300 x 10-15 = 27x 109
27 000 000 000 de íons K+ por neurônio.
Estimativa de que 1 PA mova cerca de 2x106 K+.
Isso corresponde a 0,007%.
Uso de Na+ radioativo aponta pra 0,0003 – 0,03%.
Ou seja, não altera o gradiente de [].
Propagação do PA é unidirecional
apesar de haver
Fluxo de corrente local
Potencial de Ação é auto regenerativo
O PA ”se move”para frente por conta do período refratário.
Um PA gerado próximo a zona de gatilho excita a membrana do próximo segmento do axônio.
Os sinais que iniciam nos dendritos viajam através do corpo celular para o axônio pelo
potencial de ação que se autopropaga por toda sua extensão. Na porção distal do axônio, o 
sinal elétrico geralmente ocasiona a secreção de um neurotransmissor ou um 
neurohomônio. Em alguns neurônios do SNC, os sinais elétricos passam de um neurônio para 
o outro diretamente através das junções comunicantes que conectam as duas células.
Transporte axonal anterógrado e retrógado
Proteínas produzidas no corpo celular e mitocôndrias são levadas ao terminal axonal. 
Se o potencial de ação é sempre igual, como um estímulo doloroso, por exemplo, pode 
ser interpretado pelo sistema nervoso como sendo mais forte ou mais fraco que outro?
É a frequência de disparos que sinaliza a intensidade do estímulo, liberando mais
ou menos neurotransmissores. 
CORRENTE DE UM ÍON (Iíon) O fluxo de carga elétrica carregada por um íon, cuja
direção depende do gradiente eletroquímico deste íon
• Íons K+, em geral, movem-se para fora da célula. 
• O Na+, o Cl- e o Ca2+ geralmente fluem para dentro da célula.
• O Iíon segue a lei de Ohm
• O (I) é proporcional à diferença do potencial elétrico (V) entre dois pontos e inversamente
proporcional à resistência (R) do sistema ao fluxo corrente:
𝐼 =
𝑉𝑥1
𝑅
𝑜𝑢 𝐼 =
𝑉
𝑅
• A R é uma força que se opõe ao fluxo, sendo de 2 tipos no caso dos neurônios: 
1) a resistência da membrana celular (diâmetro do axônio)
2) a resistência do citoplasma (no geral, constante)
Quanto maior o calibre da fibra menor R
• Axônios gigantes
• O diâmetro grande aumenta a velocidade de propagação 
• Menor resistência ao fluxo de íons
• O nervo de um mamífero possui aproximadamente 200 axônios na mesma área 
do corte de um axônio gigante de lula
- Como a condução pode ser mais rápida nos axônios finos de mamíferos?
Axônios com bainha de mielina
várias camadas concêntricas de fosfolipídeos de membrana
- Sistemas nervosos complexos contêm mais axônios 
em um nervo pequeno, utilizando axônios de menor 
diâmetro envoltos por membranas isolantes 
demielina no lugar de axônios de grande diâmetro 
não mielinizados.
- Um neurônio mielinizado de mamífero com 8,6 μm
de diâmetro conduz PA em uma velocidade de 120 
m/s (432 km//h), ao passo que o PA em uma fibra de 
dor não mielinizada e pequena de 1,5 μm de 
diâmetro a velocidade é de apenas 2 m/s (7,2 km/h)
As células de Schwann no SNP e os oligodendrócitos no SNC mantêm e 
isolam os axônios por meio da formação da mielina, uma substância 
composta por várias camadas concêntricas de fosfolipídios de membrana.
Condução de potenciais de ação em neurônios com 
mielina – condução saltatória: mais rápida.
Doenças desmielinizantes:
Esclerose múltipla, 
neuropatia diabética
Cinomose canina
PA ocorre apenasnas porções de membrana livres, 
nos nós de Ranvier. ”Saltando” de nó em nó.
Perguntas
• Se a ddp aumenta, a membrana ficará mais positiva ou negativa?
• Por que na fase de despolarização do PA o valor do potencial de membrana não
chega ao valor de ENa+ (+65 mV)?
• O EK de − 90 mV é baseado em LEC [K+] = 5 mM e LIC [K+] = 150 mM. Utilize a 
equação de Nernst para calcular o EK+ quando LEC [K+] é (a) 2,5 mM (hipocalemia) e 
(b) 6 mM (hipercalemia).
• O que aconcetece com a excitabilidade neuronal na hipercalemia e na hipocalemia?
O que aconcetece então na hipercalemia e na
hipocalemia?
Perguntas para estudo
1. O que é eletroneutralidade?
2. Por que embora o corpo seja eletricamente neutro existe um gradiente elétrico
entre as membranas celulares?
3. A bioeletricidade depende de quais componentes químicos?
4. O que é um íon?
5. O que a membrana celular é em termos de eletricidade?
6. Por quais tipos de transportadores os íons atravessam as membranas? Qual a 
diferença entre eles?
7. O que é o potencial da membrana em repouso?
8. Dê exemplos de respostas biológicas que dependem de sinais elétricos for a do 
sistema nervoso.
Perguntas para estudo
9. Por que a membrana celular é comparada um capacitor?
10. Por que a manutenção do gradiente elétrico gasta ATP?
11. Como é gerada a ddp ou o potencial elétrico?
12. Quais são os principais transportadores envolvidos na ddp?
13. Qual é o principail íon a determinar o potencial de membrana em repouso? 
Por quê?
14. Qual alteração na membrana celular é capaz de gerar sinais elétricos?
15. O que é a equação de Nernst? O que ela calcula?
16. E a equação de GHK? Quais parâmentros a mais ela considera em relação a 
Nernst?
Perguntas para estudo
17. O que quer dizer que a membrana despolarizou?
18. E repolarizou?
19. E hiperpolarizou?
20. O que é um potencial graduado? Quais são os subtipos de potencial graduado?
21. E o que é um potencial de ação? Quais suas características?
22. Quais são as fases do PA e quais os canais são responsáveis por elas?
23. O que ocorre durante um PA: Uma mudança de gradiente elétrico ou químico?
24. Por que o PA só ocorre em uma direção?
25. O que é período refratário absoluto? E relativo?
26. Por que a condução do PA é mais rápida no axônio com mielina?
27. Qual a origem da mielina?