Bioeletrogênese e Potencial de ação

Prévia do material em texto

Bioeletrogênese e Potencial de Ação 
Organização e Comunicação no sistema nervoso 
O sistema nervoso é uma rede complexa de comunicação 
do organismo com o meio ambiente. 
Componentes: 
• Sensorial: detecta variação que o meio ambiente 
estimula 
• Motores: geram movimento. Exemplo: músculo 
esquelético, secreção, etc 
• Integrativos: recebe informação do sensorial, 
armazenam e processam; elabora resposta motora 
apropriada 
 
• Sistema nervoso central: encéfalo e medula 
espinhal. 
• Sistema nervoso periférico: receptor sensorial, 
nervos sensoriais e motores, gânglios fora do 
sistema nervoso central. 
 O sistema nervoso central e periférico se comunicam 
extensamente para que respostas ocorram de forma 
adequada. 
 
 O potencial de ação é essencial para que haja resposta. 
Célula Nervosa – Neurônio 
 
Dendritos: recebe estímulo 
Sinapse: comunica células 
Bainha de mielina: facilita condução 
Axônio: conduz estímulo 
Bioeletrogênese 
Ocorre no sistema nervoso e nos músculos. 
A diferença de potencial através da membrana 
plasmática é o que permite realização. 
Todas as células apresentam diferença de potencial 
elétrico através da membrana (voltagem). 
Alteração na permeabilidade iônica da membrana varia 
nível do potencial. 
Experimentos 
 Estudos da eletrofisiologia dos neurônios começaram a 
ser feitos com Hodgkin e Huxley usando neurônios gigantes de lula 
como modelo de estudo 
Neurônio era colocado em banho de solução semelhante 
ao líquido extracelular. 
Colocava dois eletrodos do lado de fora do neurônio e a 
diferença de potencial era de 0 mV. Mas quando um dos eletrodos 
atravessava a membrana plasmática do neurônio a diferença de 
potencial ficava -60mV (valor do meio intracelular negativa em 
relação à externa). 
Outro experimento foi usar corrente elétrica para 
estimular o neurônio. Todo estímulo chegava ao voltímetro que era 
medido. 
O estímulo gerou despolarização e passava de -60mV 
para -50mV. Dando um estímulo maior houve uma resposta maior, 
ficando com a diferença de potencial positivo de 40mV (membrana 
interna). Isso foi chamado de potencial de ação. 
 
 
 
 
 
 
 Cada célula tem seu próprio potencial de ação: 
Neurônio: -90mV 
Músculo esquelético: -80mV 
Músculo cardíaco: -80mV 
Músculo liso: -55mV 
Membrana plasmática 
 
Canais são seletivos para cátions ou ânions (depende de 
sua própria carga). Podem estar sempre abertos ou em resposta 
a um estímulo 
Carreadora tem velocidade máxima porque sofrem 
saturação. 
 
 
 Bomba ativa mantem diferença de potencial colocando 
íons contra gradiente de concentração. 
 
 
Potencial de equilíbrio eletroquímico (E) de um íon (J/mol) 
 Diferença de energia potencial do íon entre dois 
compartimentos. 
Membrana permeável apenas ao cátion, apenas aos 
ânions ou ao cátion e ânions simultaneamente (nesse último caso 
ambos potenciais de equilíbrio se anulam). 
 
Equação de Nernst 
 Mede o potencial de equilíbrio de um determinado íon 
específico. 
 Quando se usa essa formula assume que o potencial 
liquido extracelular vale 0mV e o potencial Nernst é o potencial do 
lado interno da membrana. O sinal é positivo se o íon, difundindo-
se de dentro para fora, for negativo e negativo se o íon for positivo. 
 
 O potássio é um íon de grande importância na 
determinação do potencial de membrana. O potencial de repouso é 
determinado pela grande permeabilidade da membrana ao 
potássio. 
 0 mV -90mV 
+ + 
- - 
 
Equação de Hodgkins-Katz-Goldman 
 
 Leva em consideração diversos íons, descobre o 
equilíbrio de vários íons. Nesse caso, depende da polaridade das 
cargas elétricas de cada íon, a permeabilidade da membrana para 
cada íon e as concentrações dos respectivos íons no lado externo 
e interno da membrana. 
 O grau de importância de cada um desses íons na 
determinação da voltagem é proporcional à permeabilidade da 
membrana para cada íon em particular. Isso é, se a membrana 
tiver permeabilidade zero para os íons potássio e cloreto, o 
potencial de membrana passa a ser totalmente dominado pelo 
gradiente de concentração dos íons sódio, e o potencial de Nernst 
para o sódio. 
 
 A proporção de íons sódio através da membrana 
corresponde ao potencial calculado de Nernst no lado de dentro da 
membrana de +61mV enquanto que na difusão do potássio é de -
94mV. Se a membrana for muito permeável ao potássio, mas 
apenas levemente ao sódio, a difusão do potássio contribuirá muito 
mais para o potencial de membrana. Na fibra nervosa, a 
permeabilidade da membrana ao potássio é cerca de 100 vezes 
maior que a permeabilidade do sódio. Ao usar a equação de 
Goldman, será obtido o potencial do lado de dentro da membrana 
de -86mV que se aproxima do potencial de potássio. A bomba de 
sódio e potássio irá contribuir para criar um grau adicional da 
eletronegatividade, o que faz o potencial de membrana efetivo ser 
cerca de -90mV. 
Transporte Ativo 
• Gera potencial elétrico, ou seja, eletrogênico. 
• Na+/K+ ATPase 
Funcionamento do Na+/K+ ATPase 
• 3 sítios de ligação Na+ 
• 2 sítios de ligação K+ 
• Sítio para atividade ATPase 
 
 Três sítios de ligações de sódio da enzima são 
preenchidos e ocorre fosforilação. Os íons sódio vão para região 
extracelular devido mudança de conformação enzimática que 
desencadeia a saída do sódio e acontece a ligação do potássio nos 
dois sítios de ligação. Ocorre desfosforilação e a volta da 
conformação original, colocando íons potássio para meio 
intracelular. 
 Essa bomba é eletrogênica, mas a contribuição para o 
potencial da membrana plasmática é pequena. 
 A inibição da Na/K ATPase por digitálicos cardíacas 
(oubaína) despolariza a célula por poucos milivolts (6-16), em 
média. 
Funções da Na+/K+ ATPase 
Controle de volume, manutenção do potencial de 
membrana por ser eletrogênica. 
 Dentro da célula contém um alto número de proteínas e 
outras moléculas orgânicas com carga negativa. Isso atrai sódio, 
potássio e outros íons positivos, além de a água ir junto deles 
devido ao efeito osmótico. Sem o Na+/K+ ATPase a água entraria 
dentro da célula num volume grande, o que resultaria em morte 
celular. 
Células excitáveis 
 Altera ativamente o potencial de membrana. 
 Os principais tipos de células excitáveis são neurônios e 
fibras musculares. 
 A membrana das células excitáveis responde ativamente 
a estímulos. A resposta mais típica é o potencial de ação. 
 O potencial de ação serve para contração muscular, 
liberação de neurotransmissores e secreção de outras 
substâncias por células neurais e neuroendócrinas. 
 Fases do potencial de ação: 
• Repouso: polarizada, antes do potencial de ação. 
• Despolarização: pode ou não gerar potencial de ação. 
Deixa interior positivo. Essa etapa fica muito permeável 
aos íons sódio, se difundem no interior do axônio, e o 
potencial de membrana ultrapassa rapidamente o nível 
zero e torna-se positivo. 
• Pico 
• Repolarização: canais de sódio começam e se fechar e 
os de potássio se abrem mais que o normal. A rápida 
difusão dos íons potássio para o exterior restabelece o 
potencial de repouso negativo da membrana. 
• Hiperpolarização: quando a repolarização deixa interior 
muito negativo. 
 
 
 
 
 O potencial de ação ocorre quando atinge limiar de 
excitabilidade (mais ou menos 15 a 30 mV do potencial de 
membrana em repouso). Se estímulo for pequeno e não atingir o 
limiar ocorre despolarização, mas não o potencial de ação. 
 
• Ativação do canal de sódio: Quando o potencial de 
membrana se torna menos negativo que durante o estado 
de repouso, aumentando de -90mv até zero, ele atinge 
a voltagem (em geral, cerca de -70mv a -50mv), o que 
provoca alteração na conformação da comporta de 
ativação, fazendo com que o canal fique totalmente 
aberto. Chama-se estado ativado e aumenta a 
permeabilidade da membrana ao potássio por 500 a 
5000 vezes. 
• Inativação do canalsódio: o mesmo aumento de 
voltagem que abre a comporta também a fecha. A 
comporta de inativação é ativada milésimos de segundo 
após o canal ser aberto. O processo de inativação é mais 
lento que o de ativação. A comporta de inativação só vai 
ser desativada novamente quando o potencial de 
membrana retornar ou se aproximar do potencial de 
repouso na condição original. Nesse momento a 
comporta de ativação substitui a comporta de inativação 
para deixar o canal fechado. 
• Canal de potássio: Quando o potencial de membrana 
aumenta de -90mv para zero provoca a abertura 
conformacional de comporta, permitindo aumento da 
difusão de potássio para fora. Entretanto, devido ao 
pequeno retardo na abertura dos canais de potássio, em 
sua maioria eles só abrem exatamente no mesmo 
momento em que os canais de sódio estão começando a 
se fechar em função de sua inativação. Assim, a redução 
da entrada de sódio na célula e o aumento simultâneo da 
saída de potássio da célula fazem com que o processo de 
repolarização seja acelerado, levando à completa 
recuperação do potencial de repouso da membrana 
dentro de poucos décimos de milésimo de segundo. 
 
 
 
Condutância de Sódio e Potássio 
 No primeiro momento de despolarização o “Canal de 
sódio dependente de voltagem” abre e aumenta condutância de 
sódio para dentro da célula. Num segundo momento, os “Canais 
lentos de potássio” abrem e aumentam condutância de potássio 
para fora da célula. 
 Os canais de sódio demoram para abrir e fechar, por isso 
sua curva é menos acentuada que os canais de sódio e facilitam 
para que ocorra a hiperpolarização com o efluxo de potássio. 
 
Período refratário 
 Após o disparo de um potencial de ação, a célula 
necessita de um tempo antes de disparar um próximo potencial de 
ação. Esse período chama período refratário. 
Há dois tipos de período refratário: 
• Absoluto: não ocorre novo potencial de ação, pois 
independe da intensidade do estímulo. 
• Relativo: pode ocorrer novo potencial de ação, depende 
da intensidade do estímulo. Precisa ter estímulo com 
intensidade maior que o primeiro que gerou potencial de 
ação visto que ainda está ocorrendo o efluxo de potássio, 
por isso, o influxo de sódio precisa superar a saída. 
 
Círculo vicioso de feedback positivo 
 Caso ocorra um evento capaz de aumentar o potencial de 
-90mv para próximo a zero, a voltagem crescente causa a 
abertura de vários canais de sódio regulados pela voltagem. Isso 
permite o influxo rápido de íons sódio, aumentando cada vez mais 
o potencial e desencadeando a abertura maior de canis de sódio. 
Esse processo é um circulo vicioso de feedback positivo e, uma vez 
que ele seja suficientemente intenso, continua ate que todos os 
canis de sódio estejam abertos. Então, em outra fração de 
milissegundos, o aumento do potencial de membrana causa o 
fechamento dos canais de sódio e a abertura dos canais de 
potássio, e o potencial de ação termina. 
O limiar para o inicio do potencial de ação 
 O potencial de ação só vai ocorrer se o aumento inicial do 
potencial de membrana for suficientemente intenso para gerar o 
feedback positivo. Isso ocorre quando o numero de Na+ que entram 
na fibra fica maior que o número de K+ que sai da fibra. Assim, 
qualquer aumento abrupto do potencial de membrana de fibra 
nervosa calibrosa de -90mv para cerca de -65mv usualmente 
provoca o explosivo desenvolvimento do potencial de ação. 
Propagação do potencial de ação 
 Um potencial de ação normalmente provoca a excitação 
das suas partes adjacentes, resultando em uma propagação por 
toda a membrana. As cargas positivas entram e aumentam a 
voltagem, como consequência, os canais de sódio se abrem e o 
explosivo potencial de ação se propaga. Essa transmissão do 
processo de despolarização por fibra nervosa ou muscular é 
referida como impulso nervoso ou muscular. 
 A membrana excitável não tem direção única de 
propagação, mas o potencial de ação trafega por todas as 
direções, afastando -se da região estimulada ate que toda a 
membrana tenha sido despolarizada. 
 
Como o impulso nervoso é gerado e propagado? 
 A mudança do potencial no cone axonal (região de 
transição do corpo do neurônio e o axônio) causa a despolarização 
de toda a membrana. O impulso vai do cone até o botão terminal 
(local da sinapse). 
 Uma vez que o potencial de membrana chegou no cone, 
canais de voltagem dependentes passam a se abrir. Sódio entra, 
muda voltagem, muda potencial adjacente até chegar na porção 
terminal. 
Por que pode ser considerado unidirecional? 
 A partir da entrada do sódio no cone e sua propagação 
até a porção terminal, o local por onde passou ainda está no 
processo de repolarização, ou seja, a comporta de inativação de 
sódio ainda está fechando o canal, portanto, não tem como ocorrer 
outro potencial de ação, o que faz propagação ter apenas uma 
direção. 
 
Bainha de mielina 
• Isolante elétrico que envolve o axônio 
• Oligodendrócito ou células de schwann 
• Nódulos de Ranvier – região sem mielina onde ocorre o 
potencial de ação e há uma concentração de canais de 
sódio 
• Condução saltatório (salta de um nódulo para o outro) 
• Aumenta a velocidade de propagação 
 
Imagem mostra axônio sem bainha de mielina 
 
Imagem mostra axônio com bainha de mielina 
 
Princípio tudo ou nada 
 O processo de despolarização trafega por toda a 
membrana se as condições forem adequadas ou não se propagam 
de qualquer modo, se as condições não forem adequadas. Isso se 
aplica a todos os tecidos excitáveis normais. Ocasionalmente, o 
potencial de ação atinge uma região que não gera voltagem 
suficiente para estimular a área seguinte da membrana, quando 
isso ocorre a despolarização é interrompida. Para que ocorra a 
propagação contínua do impulso, a proporção entre o potencial de 
ação e o limiar de excitação deve ser sempre maior que 1. Este 
requisito é referido como fator de segurança para a propagação. 
O platô em alguns potenciais de ação 
 
 Em alguns casos a membrana não se repolariza 
imediatamente após a despolarização. O potencial permanece 
como platô perto do pico do potencial em ponta e prolonga o 
processo de despolarização. Esse tipo de potencial de ação ocorre 
nas fibras musculares do coração, onde o platô dura 0,2 a 0,3 
segundo e faz contração do coração durar esse período. A causa 
disso é a combinação de vários fatores. Primeiro, no coração há 
dois tipos de canais, os usuais de sódio dependentes de voltagem 
(canais rápidos) e os canais de cálcio-sódio (canis lentos). Os 
canais lentos permitem o influxo de íons cálcio para a fibra e são 
responsáveis em grande parte pelo platô. Em segundo lugar, a 
abertura de canais de potássio regulados pela voltagem é mais 
lenta que o normal, só se abrindo por completo no final do platô. 
Isso retarda o retorno do potencial de membrana a seu valor 
negativo normal. 
Na fibra muscular ou células musculares, o potencial de ação 
ocorre de maneira similar, porém o principal íon envolvido é o 
cálcio. O sarcômero é a unidade de contração das miofibrilas, 
composto pelos filamentos delgados de actina, tropomiosina e 
troponina, intercalados pelos filamentos espessos de actina e 
miosina. No momento da contração, os filamentos delgados 
deslizam sobre os filamentos espessos, gerando um encurtamento 
na fibra muscular que é a contração muscular. 
Quando a fibra muscular recebe o estímulo advindo dos 
nervos, ocorre a sua despolarização, ativando canais de cálcio 
dependentes de voltagem, permitindo, assim, o influxo do cálcio. 
Isso estimula a liberação de cálcio intracelular, que fica retido no 
retículo sarcoplasmático, aumentando ainda mais a concentração 
de cálcio intracelular. Os íons Ca2+ então se ligam à troponina, 
induzindo uma alteração conformacional dessa proteína que 
permite o deslizamento dos filamentos e consequente contração 
muscular. De maneira reversa, orelaxamento muscular ocorre 
quando o cálcio é bombeado de volta para o retículo 
sarcoplasmático, e é preciso que ocorra o relaxamento muscular 
para que haja nova contração da fibra. O estímulo para a contração 
muscular advém da passagem do sinal nervoso às fibras 
musculares. Esse mecanismo é dependente da acetilcolina, 
neurotransmissor que também atua na transmissão dos impulsos 
nervosos entre os neurônios. 
 
Ritmicidade de alguns tecidos excitáveis 
 Descargas repetitivas espontâneas ocorrem 
normalmente no coração, na maior parte dos músculos lisos e em 
muitos neurônios do sistema nervoso central. Essas descargas 
rítmicas causam batimento ritmado, o peristaltismo e alguns 
eventos neuronais como o controle ritmado da respiração. Quase 
todos os outros tecidos excitáveis podem descarregar 
repetitivamente se o limiar de excitabilidade dos tecidos celulares 
for suficientemente reduzido. 
 Para que ocorra a ritmicidade espontânea a membrana 
mesmo em seu estado natural deve ser suficientemente permeável 
aos íons sódio ou cálcio e sódio para permitir a despolarização 
automática da membrana.