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1 FISIOLOGIA RAUL BICALHO – MEDUFES 103 Bioeletrogênese Cardíaca INTRODUÇÃO Quando falamos de potencial de ação, temos que ter noção dos potenciais de membrana, dos potenciais de equilíbrio da membrana e a diferença de potencial entre as células. O músculo cardíaco, nesse contexto, segue grande parte daqueles conhecimentos estudados no módulo passado (Neurofisiologia), visto que o músculo cardíaco também segue o padrão de uma célula com diferenças de gradiente de concentração e elétrico nos dois lados da membrana. No cardiomiócito, as diferenças de concentração são bem semelhantes ao neurônio por exemplo. Sendo assim, o principal íon presente do lado de fora da membrana é o íon sódio, com uma concentração de, aproximadamente, 140mEq/L e dentro da célula, aproximadamente, 10-14mEq/L. Já do íon potássio, dentro da célula há, aproximadamente, 150 mEq/L e do lado de fora, aproximadamente, 4mEq/L. Além do sódio e do potássio, outros íons são importantes, como o cloreto, que fica em torno de 119 mEq/L (miliequivalentes por litro) do lado de fora e em torno de 20 mEq/L do lado de dentro. Já o cálcio, que é mais concentrado do lado de fora, tem uma concentração alta neste meio, na ordem de milimolar (10^-3 Molar). No sangue, por exemplo, a concentração de cálcio está por volta de 1,2 mM (milimolar), sendo que isso representa a parte dele que está livre como cálcio ionizado e não a parte que está ligado a fosfatos, sulfatos e proteínas. Já dentro da célula, a concentração de cálcio é bem baixa, na ordem de 10^-7 Molar. Porém, dentro do retículo da célula, há uma concentração um pouco mais alta que no citosol, na ordem de 10^-4 molar. Ainda, os fosfatos, sulfatos e proteínas, todos com cargas negativas, ajudam a manter o cardiomiócito, durante o estado de repouso, negativo dentro e positivo fora. Por fim, o íon bicarbonato ajuda a ligar o resto de sódio do lado de fora da célula (já que o cloreto não é suficiente), com aproximadamente 23 mEq/L. Toda essa diferença de gradiente de concentração dos íons entre o interior e o exterior da célula, abre a questão de como ela é mantida e por que as concentrações não se igualam. Isso ocorre porque os canais iônicos são seletivos e possuem permeabilidade diferenciada e variada conforme a voltagem. Logo, caso haja a abertura dos canais de sódio, por exemplo, essa diferença de concentração vai alcançar o equilíbrio, que foi calculado por Nernst. A Equação de Nernst relaciona a diferença de voltagem com a diferença de concentração, chegando ao resultado do potencial de equilíbrio do íon. No caso do sódio, tanto pela força do gradiente de concentração, quanto pela força do gradiente elétrico, quando os canais se abrem o íon entra e à medida que vai entrando as forças que o puxavam vão diminuindo até chegar no equilíbrio que, para o sódio, é em torno de +60 mV. Como o sódio, cada íon vai ter o seu potencial de equilíbrio; e, como a célula tem vários íons, o potencial da membrana vai ser calculado por um somatório da capacidade de cada íon desse de aumentar ou diminuir a permeabilidade durante a excitação da membrana. Então, o potencial de membrana que é gerado na célula cardíaca INTRACELULAR EXTRACELULAR SÓDIO 10-14 mEq/L 140 mEq/L POTÁSSIO 150 mEq/L 4 mEq/L CLORETO 20 mEq/L 119 mEq/L CÁLCIO Ordem de 10^7 M Ordem de 10^3 M BICARBONATO 10 mEq/L 23 mEq/L OBS.: Não podemos ter variações muito grandes da concentração de potássio do lado de fora da célula, visto que isso causa uma bagunça em todas as células do nosso corpo. Logo, esse nível de potássio é muito bem controlado, inclusive por 3 hormônios (Aldosterona, Noradrenalina/Adrenalina e Insulina). CAP. 28 - MARGARIDA DE MELLO AIRES / PROFA. IVANITA 2 FISIOLOGIA RAUL BICALHO – MEDUFES 103 é regido por 2 grandes forças: o gradiente de concentração através das membranas e a permeabilidade da membrana aos íons. Numa condição normal (fisiológica), o gradiente de concentração é constante, o que não ocorre com a permeabilidade da membrana, que é a capacidade da membrana de deixar passar íons, situação que gera corrente elétrica, que é possível calcular por analogia à Lei de Ohm. Por analogia à Lei de Ohm, temos que V = R x i, onde V é a variação de voltagem na membrana, R é a resistência da membrana à passagem de íons e i é o fluxo de corrente. Reorganizando essa fórmula, tem-se que i = V / R. Sabendo que R = 1 / G, onde G é a condutância em repouso, ficamos com i = V x G. Quando se aumenta a permeabilidade da membrana ao íon, ele tenta chegar no potencial de equilíbrio e nisso gera a corrente. Essa corrente vai ser muito parecida nos casos do sódio e do potássio por exemplo. POTENCIAL DE AÇÃO CARDÍACO O potencial de ação cardíaco pode ser de 2 tipos: o potencial de ação do tipo rápido e o potencial de ação do tipo lento. O do tipo rápido é encontrado nos ventrículos, nos átrios e no sistema de condução (His-Purkinje), já o do tipo lento é encontrado nos nodos (sinoatrial e atrioventricular). POTENCIAL DE AÇÃO CARDÍACO DO TIPO RÁPIDO Como já dito, é encontrado nos átrios, ventrículos e sistema de condução. Além disso, lembrar que o potencial de repouso da membrana da célula cardíaca é por volta de -90 mV. OBS.: Potássio é cerca de 100 vezes mais permeável a membrana que o sódio. OBS.: O potencial de ação do tipo rápido é chamado de rápido porque a fase 0 (despolarização) acontece muito rapidamente. V = R x i i = V / R Se R = 1 / G i = V x G OBS.: Observar que na imagem foram consideradas as fases de 1 a 5, em vez de 0 a 4. Logo 0 = 1, 1 = 2, 2 = 3 etc. 3 FISIOLOGIA RAUL BICALHO – MEDUFES 103 Quando ocorre um estímulo a essa célula, abrem-se os canais de sódio e inicia rapidamente a despolarização da membrana (lembrar que se busca o equilíbrio, então há a tentativa de chegar ao potencial de equilíbrio do sódio de +60 mV). Essa etapa ocorre muito rápido (milissegundos), visto que o gradiente é muito grande. Essa primeira fase do potencial de ação é devida ao aumento da condutância ao sódio e é chamada de Fase 0 (zero). É importante mencionar que essa despolarização fecha o retificador de influxo de potássio (Ik1). Uma vez que o potencial de membrana vai ficando mais positivo, essa despolarização inicial começa a ativar os canais de potássio que também são voltagem-dependentes e alguns outros canais da membrana como o de cálcio. Como essa abertura dos canais de cálcio inicia quando o potencial de membrana ainda está negativo (por volta de - 65/-55 mV), o cálcio entra por conta dos gradientes elétrico e de concentração, deixando mais positivo ainda do lado de dentro e aumentando a condutância ao cálcio. Sendo assim, essa primeira fase é caracterizada no gráfico (mV do potencial da membrana X tempo) por uma linha que sobre bem abruptamente, porém logo ela desce, visto que os canais de sódio inativam e o sódio para de entrar. Junto com esses canais de cálcio, outros canais importantes começam a abrir, os de potássio. Logo, quando o potencial de membrana alcança em torno de +30 mV (mais positivo dentro do que fora), o ambiente começa a ficar “desagradável” para o potássio e seu gradiente elétrico, junto do gradiente de concentração, induz sua saída (na tentativa de alcançar seu potencial de equilíbrio de -91 mV). Essa corrente de potássio, a partir do seu efluxo, é chamada de IKto ou Ito1 (“I” de corrente / “K” de potássio / “to” de “transient outward” = transiente para fora = efluxo) e dá início a um processo de repolarização, que representa a Fase 1 desse potencial de ação, quando se tem o aumento da condutância ao potássio. Ainda, é importante mencionar a abertura de canais de cloreto. Logo, assim que o interior da célula vai ficando mais positivo na despolarização, o gradiente eletroquímicodo cloreto induz sua entrada, gerando a corrente de influxo de cloreto (Ito2). Sendo assim, a fase 1 é caracterizada por um aumento da condutância de canais de potássio associado ao aumento da condutância de canais de cloreto, fazendo com que saia carga positiva e entre carga negativa, iniciando a repolarização. Contudo, ao passo que inicia essa repolarização, aqueles canais de cálcio que começaram a se abrir desde a fase 0 geram uma corrente tão grande de cálcio para dentro da célula, que ela se contrapõe a essa repolarização que se iniciou, resultando uma “desacelerada” na descida do gráfico, isto é, uma “desacelerada” na queda do potencial da OBS.: Existem 2 tipos principais de canais de cálcio no músculo cardíaco: os canais de cálcio do tipo L e os canais de cálcio do tipo T. O do tipo L é o canal lento de cálcio, já o do tipo T é o chamado de transiente. Esse transiente é o que gera menos corrente, porém é transiente, é ativado inicialmente mais cedo (em -55 mV, aproximadamente), gera uma corrente e quando chega perto de 0 mV, essa corrente começa a “morrer”. Já o do tipo lento demora para ser ativado (por volta de -65 mV), porém demora um pouco mais também para fechar, então ele gera uma corrente constante e mais intensa. Então, abrindo esses 2 tipos de canais voltagem- dependentes, entra muito cálcio. OBS.: Existem, no músculo cardíaco, uma série de canais de potássio que são importantes. A maioria deles é voltagem-dependentes (Kv). Existe uma corrente de potássio, que é a Ikto, que é uma corrente de saída. Logo, acaba que também chamamos de Ikto o tipo de canal de potássio que gera essa corrente para fora nessa fase do potencial de ação. Além desse, existem os canais de potássio retificadores retardados/tardios, Iks e Ikr, (“s” de slow, devagar / “r” de rapid, rápido), além de Ikur (“ur” de ultrarrápido). Ainda, existe um canal de potássio mais estável, que é ativado quando a célula está em repouso, é o mais proeminente no repouso, sua permeabilidade é a que determina que a permeabilidade da membrana ao potássio é alta, é o Ik1 (corrente de potássio retificadora de influxo), que, apesar do nome, faz efluxo. Além desses voltagem-dependentes, há outros tipos de canal de potássio, como por exemplo o canal de potássio ativado por neurotransmissor acetilcolina (liga a receptor muscarínico → ativa segundo mensageiro, como GMPc → ativa canais de potássio) ou, ainda, o canal de potássio ativado por concentração de ATP, que na presença desse ATP em determinada concentração se fecha e ao diminuir essa concentração o canal volta a abrir (importante para controle de contração e relaxamento de vasos sanguíneos). 4 FISIOLOGIA RAUL BICALHO – MEDUFES 103 membrana, o que representa a Fase 2 ou Fase de Platô do potencial de ação, quando se tem como mais importante um aumento da condutância dos canais de cálcio, gerando uma fase em que tanto as correntes despolarizantes (influxo de sódio e cálcio) quanto as repolarizantes (efluxo de potássio e influxo de cloreto) são pequenas e de amplitudes praticamente iguais. Os canais de cálcio abrem, porém logo depois se inativam (igual os canais de sódio). Quando esses canais e corrente de cálcio começam a inativar, aquelas correntes de potássio continuam ativas, colaborando para o efluxo desse potássio. Nessa fase, então, há o aumento da condutância dos canais de potássio retificadores retardados (Ikr, Iks, Ikur), e essa saída de carga positiva, enquanto sódio e cálcio já estão inativos, gera a Fase 3 ou Fase de repolarização final. É importante mencionar que esse processo permite a reabertura do canal Ik1, o que contribui para o processo de repolarização. Ainda existe a Fase 4 do potencial de ação, que representa a Fase de repouso. Nesta fase há um balanço entre correntes de efluxo e influxo, de modo que o saldo é uma corrente efetiva nula. É importante mencionar que durante o repouso ficam abertos os retificadores de influxo de potássio (Ik1). PRA E PRR DO POTENCIAL DE AÇÃO DO TIPO RÁPIDO PRA ou Período Refratário Absoluto é quando os canais de sódio voltagem-dependentes estão abertos ou inativados, isto é, quando não é possível realizar um novo potencial de ação. Depois disso, os canais de sódio começam a se fechar, ou seja, a entrar no estado “fechado” ou “de repouso”, fazendo com que no final do potencial de ação exista um Período Refratário Relativo (PRR), onde caso tenha um estímulo, há a geração de outro potencial de ação. Ainda, no músculo cardíaco, existe um período de Supranormalidade (SN) bem no final do potencial de ação, que é um período que a célula está muito mais excitável que quando está OBS.: A bomba de sódio/potássio, pela sua estequiometria (2K+ para dentro e 3Na+ para fora) é eletrogênica no coração (envia mais carga positiva para fora), carreando corrente repolarizantes de baixa amplitude durante todo o ciclo cardíaco. Seus efeitos são mais proeminentes durante os 2 períodos em que a intensidade das demais correntes é relativamente baixa, ou seja, durante o repouso e o platô. OBS. 2: As arritmias ocorrem, geralmente, por problemas nos canais iônicos. Há, portanto, fármacos antiarrítmicos de classes diversas, que se diferenciam pelo tipo de canal em que agem. OBS. 3: Relação das fases do potencial de ação rápido com quais íons entram e saem em cada fase, além das correntes e canais iônicos estão sendo utilizados/ativados. 5 FISIOLOGIA RAUL BICALHO – MEDUFES 103 em repouso, visto que o potencial está mais próximo do limiar e os canais de sódio estão aptos a abrir, então um estímulo que normalmente seria sublimiar consegue gerar um novo potencial de ação. DURAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO RÁPIDO Em neurônios e músculo esquelético, a duração do potencial de ação gira em torno de 1 a 10 ms. Já no músculo cardíaco, a duração do potencial de ação é muito maior, podendo chegar a, aproximadamente, 250 ms. Mas porque o potencial de ação do neurônio é tão mais rápido que no coração? Primeiro, temos que pensar na função desse potencial de ação nos diferentes locais. No neurônio, por exemplo, o PA tem a função de transmitir informações. Então, essa transmissão tem que ser feita de forma rápida e, inclusive, essa frequência com que se dispara já informa mais coisas sobre o estímulo (somação temporal modulando a informação). No coração, é totalmente diferente, visto que o estímulo elétrico tem como função fazer com que o músculo contraia e isso não pode ser feito de forma rápida, pois não convém para a funcionalidade do órgão. O coração contrai para bombear sangue e para isso ele deve encher, necessitando, então, uma fase de repouso para que isso ocorra. Logo, caso aumente muito a frequência, o coração não consegue encher de sangue corretamente e, portanto, diminuiria sua eficiência. Resumindo, a frequência cardíaca é modulada dentro de valores que não prejudicam o enchimento, mas que facilitem a ejeção. Nesse sentido, o período refratário absoluto grande vai ajudar nesse aspecto, já que nesse período não ocorre novos potenciais de ação, sendo quando ocorre o recebimento de sangue (enchimento da câmara cardíaca). POTENCIAL DE AÇÃO CARDÍACO DO TIPO LENTO Nos nodos sinoatrial e atrioventricular, o potencial de ação é do tipo lento. Uma das diferenças desse tipo de potencial é que ele não tem um repouso absoluto como o potencial de ação do tipo rápido. O do tipo lento possui células que disparam espontaneamente, chamadas de marca-passo. Sendo assim, a célula começa com um potencial de membrana de aproximadamente -65 mV, mas vai perdendo espontaneamente permeabilidade, logo vai se despolarizando. Então, quando atinge o limiar de excitabilidade, essa despolarização espontânea se transforma em uma despolarização mais rápida, depois ocorre a repolarização, a célula volta até maisou menos -65 mV de novo, espontaneamente vai perdendo permeabilidade, atinge novamente o limiar, despolariza, repolariza e assim segue nesse ciclo desde a vida intrauterina e, algumas vezes, até depois da morte (morte encefálica). Esse limiar de excitabilidade é que determina o ponto que o potencial de ação vai ser deflagrado. OBS.: É esse ponto de supranormalidade que pode gerar a arritmia cardíaca, caso comece a ativar a célula nesse período. Logo, um dos tratamentos para arritmia, caso seja determinado que esse foi o problema, é feito por meio de antiarrítmicos bloqueadores de canais de sódio. OBS.: Em 1 segundo, pode ocorrer 4 potenciais de ações (isso se forem logo seguidos, o que normalmente não acontece). Sendo assim, em 1 minuto ocorreriam no máximo 240 potenciais de ação. Mesmo que não seja comum algum indivíduo com frequência cardíaca em 240, podemos colocar esse número como um “limite”. OBS.: A frequência cardíaca normal fica em torno de 60-70 batidas por minuto. OBS.: É importante saber que quem controla a frequência cardíaca é o nodo sinoatrial e o nodo atrioventricular, porém ele é modulado pelo sistema nervoso autônomo (simpático e parassimpático). 6 FISIOLOGIA RAUL BICALHO – MEDUFES 103 Fase 0 é a fase de despolarização, que não vai ser representada pelo aumento da condutância ao sódio (como no potencial rápido), visto que as células estão em repouso em torno de -65 mV e nessa voltagem os canais de sódio estão inativados. Então, para a célula despolarizar quem atua são os canais de cálcio (tipo L e tipo T, principalmente a corrente do tipo L que possui ativação mais lenta e uma densidade de corrente inferior à corrente de sódio) fazendo a abertura para o influxo deste íon. No potencial do tipo lento não ocorre as fases 1 e 2 que ocorrem no potencial do tipo rápido, sendo assim o potencial vai direto para a fase 3. Na Fase 3 quem atua é a corrente os canais de potássio, assim como no potencial rápido. Quando vai aumentado a condutância ao potássio, esse íon vai saindo e a célula vai repolarizando. Quando chega em -65 mV aproximadamente, essas células começam espontaneamente a perder permeabilidade ao potássio, fechando esses canais. Essa fase é chamada de despolarização diastólica lenta, a Fase 4. Portanto, diferente do potencial rápido, a fase 4 no potencial lento é instável e essa instabilidade que é importante para gerar um automatismo. A correntes/canais responsável por essa instabilidade é, primeiramente, a queda da condutância dos canais de potássio (especificamente Ik1). Junto disso, há o aumento da condutância da corrente If, que contribui para o influxo de sódio. Ainda, ocorre um aumento da condutância de canais de cálcio do tipo T (transiente) para o influxo desse íon. A junção desses 3 fatores vai gerando uma despolarização espontânea de forma lenta. É a velocidade dessa despolarização que determina a frequência cardíaca. EFEITOS AUTONÔMICOS SOBRE O CORAÇÃO Lembrando que quem controla a frequência cardíaca é o nodo sinoatrial e o nodo atrioventricular, porém ele é modulado pelo sistema nervoso autônomo (simpático e parassimpático). Nesse contexto, a velocidade da despolarização diastólica lenta (fase 4 do potencial lento dos nodos) é que determina a frequência cardíaca. OBS.: Na corrente If, “f” vem de “funny” = engraçado/interessante, visto que foi descoberto que é um canal de sódio e todos pensavam que o sódio não fazia parte desse potencial lento. 7 FISIOLOGIA RAUL BICALHO – MEDUFES 103 A ação do sistema nervoso autônomo simpático no coração tem 3 efeitos importantes: no nodo sinoatrial aumenta a frequência cardíaca (efeito cronotrópico positivo), no miocárdio ventricular ou atrial causa o aumento da força de contração (efeito ionotrópico positivo) e no nodo atrioventricular causa a facilitação da condução atrioventricular (efeito dromotrópico positivo) No nodo sinoatrial, então, o simpático libera Noradrenalina/Adrenalina → Noradrenalina/Adrenalina se liga ao receptor 1 → 1 aumenta AMPc → Ativa uma série de quinases (como a PKA) → Fosforilação de canal de cálcio → Entra cálcio na célula → Acelera a despolarização da fase 4 → Aumento da frequência cardíaca (efeito cronotrópico positivo). Logo, o SNA simpático aumenta a frequência cardíaca principalmente (e não apenas) por aumentar a condutância ao cálcio. Já a ação do sistema nervoso autônomo parassimpático no coração tem 3 efeitos importantes: no nodo sinoatrial causa a redução da frequência cardíaca (efeito cronotrópico negativo), no miocárdio (principalmente atrial) causa redução da força de contração (efeito ionotrópico negativo) e no nodo atrioventricular causa o bloqueio da condução atrioventricular (efeito dromotrópico negativo).VELOCIDADE DE CONDUÇÃO Existe velocidade de condução bem diferente nas fibras e nas próprias massas atrial e ventricular. A maior velocidade de condução do estímulo está no sistema de His-Purkinje (em torno de 30 m/s) (livro fala 5 m/s), na massa atrial a velocidade gira em torno de 1-4 m/s (livro fala 0,8-1 m/s). Além disso, existe um retardado nodal na região onde o estímulo sai do nodo sinoatrial para chegar no nodo atrioventricular, isso é importante para o tempo de enchimento do ventrículo, que ocorre quando o estímulo inicia e induz a contração do átrio. O retardo, então, permite que o ventrículo se encha corretamente para depois o estímulo produzir sua contração. Sendo assim, o disparo inicia no nodo sinoatrial, atinge o primeiro ponto no átrio cerca de 20 ms depois. A partir daí, ele se espalha pelos dois átrios como uma onda, levando 80 a 90 ms para completar a ativação. Nesse percurso, a ativação alcança o nodo atrioventricular, em torno de 50 ms depois de iniciada a ativação atrial. Após trafegar nesse nodo durante aproximadamente 60 ms, a frente de ativação alcança o feixe de His e, posteriormente, as fibras de Purkinje, levando outros 60 ms para atingir as primeiras regiões do ventrículo. A partir OBS.: Se o indivíduo tiver algum defeito no disparo do nodo sinoatrial, o nodo atrioventricular pode substituí-lo e, caso esse também tenha defeito, ainda há o sistema His-Purkinje (mesmo sendo potencial tipo rápido). Porém, o problema é que a frequência de disparo de cada um desses locais é diferente, sendo que no nodo sinoatrial é por volta de 70 vezes por minuto, no atrioventricular de 50-60 vezes por minuto, já no sistema His-Purkinje de 30 vezes por minuto. Sendo assim, a falha do marca-passo natural (nodo sinoatrial) causará problemas cardíacos, ocorrendo a necessidade de um marca-passo artificial 8 FISIOLOGIA RAUL BICALHO – MEDUFES 103 daí, essa frente se propaga através da musculatura ventricular, consumindo cerca de 80 ms para completar a ativação ventricular. OBS.: A concentração de potássio não pode variar muito porque se aumenta a concentração dele do lado de fora da célula, há uma despolarização e consequente inativação de canais de sódio voltagem-dependentes, transformando, inicialmente, um potencial rápido em lento. Caso continue esse processo de despolarização, os canais de cálcio também são inativados, acabando com qualquer tipo de potencial de ação, ocasionando uma parada cardíaca. É importante mencionar que a diminuição do potássio extracelular não causa o efeito contrário (hiperpolarização). Inclusive, uma alta diminuição do potássio extracelular pode também gerar uma despolarização. OBS. 2: Existem duas maneiras de enxergar a atividade elétrica do coração. Uma das formas é essa mostrada durante toda a aula (checar gráficos). Essa medição é feita colocando-se dois eletrodos, um do lado de fora e outro do lado de dentro da célula. Portanto, não é possível fazer esse experimento com o indivíduo vivo. Outra forma é pelo Eletrocardiograma (ECG) em que os eletrodos são colocados apenas do lado de fora da célula e, a partir dele, é possível inferir tudo que está acontecendo do lado de dentro da célula. Resumindo, eletrocardiograma é a medida da diferença de potencial, na superfície do corpo, que refletem a atividade do coração. OBS. 3: Antiarrítmicos, suas classes e mecanismos de ação (apenas um extra, aprenderemos em farmacologia):
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