Fisiologia de Membrana

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Potenciais de Membrana e de Ação
POTENCIAIS DE MEMBRANA CAUSADOS PELA CONCENTRAÇÃO DE
ÍONS
Potencial de difusão: A diferença de potencial entre as partes interna e externa que passa a ser suficientemente grande para bloquear a difusão efetiva de um íon para o exterior ou interior, apesar do alto gradiente de concentração. 
	Nas fibras nervosas normais de mamíferos, a diferença de potencial é cerca de 94 milivolts, com negatividade na face interna da membrana. (K+)
	Nas fibras nervosas de mamíferos, o potencial fica em torno de 61 milivolts, positivo dentro da ​fibra. (Na+)
	Suponhamos uma membrana permeável apenas ao íon K+ e nenhum outro. Por causa do alto gradiente de concentração de K+ dentro da célula, os íons K+ tenderão a se difundir para fora da célula. A difusão do íons K+ cria um potencial de membrana, com eletropositividade na face externa da membrana e uma eletronegatividade na face interna. Em cerca de um milissegundo, a diferença de potencial entre as partes externa e interna, chamada de potencial de difusão, passa a ser suficientemente grande para bloquear a difusão efetiva do K+ para o exterior, apesar do alto gradiente de concentração dos íons K+. 
Desse modo, as diferenças entre as concentrações iônicas nos dois lados de membrana seletivamente permeável podem, sob condições apropriadas, criar potencial de membrana. Muitas variações rápidas dos potenciais de membrana, durante a transmissão dos impulsos nervosos e musculares, resultam da ocorrência dessas rápidas variações dos potenciais de difusão.
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A Equação de Nernst Descreve a Relação do Potencial de Difusão com a Diferença de Concentração de Íons através de uma Membrana.
O valor do potencial de difusão, em toda a membrana, que se opõe exatamente ao da difusão efetiva de um íon em particular através da membrana é conhecido como potencial de Nernst para esse íon. 
A grandeza do potencial de Nernst é determinada pela proporção entre as concentrações desse íon específico nos dois lados da membrana. Quanto maior essa proporção, maior será a tendência para que o íon se difunda em uma direção, e, por conseguinte, maior o potencial de Nernst necessário para evitar difusão efetiva adicional.
Quando se usa essa fórmula, assume-se, em geral, que o potencial no líquido extracelular, por fora da membrana, permanece no potencial zero, e o potencial de Nernst é o potencial no lado interno da membrana. Também o sinal do potencial é positivo (+) se o íon, difundindo-se de dentro para fora, for íon negativo, e negativo (−) se o íon for positivo.
A Equação de Goldman Utiliza-se para Calcular o Potencial de Difusão quando a Membrana é Permeável a Vários Íons Diferentes
Quando a membrana é permeá​vel a vários íons diferentes, o potencial de difusão que se desenvolve depende de três fatores: [1] a polaridade das cargas elétricas de cada íon; [2] a permeabilidade da membrana (P) para cada íon; e [3] as concentrações (C) dos respectivos íons no lado interno (i) e no lado externo (e) da membrana. Assim, a seguinte fórmula, referida como equação de Goldman, ou como equação de Goldman-Hodgkin-Katz, dá o potencial calculado do lado interno da membrana quando dois íons positivos univalentes, sódio (Na+) e potássio (K+), e um íon univalente negativo, cloreto (Cl−), estão envolvidos.
Os íons sódio, potássio e cloreto são os íons mais importantes envolvidos no desenvolvimento dos potenciais de 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.
A permeabilidade dos canais de sódio e potássio passa por rápidas alterações durante a transmissão dos impulsos nervosos, enquanto a permeabilidade dos canais de cloreto não tem grandes alterações durante esse processo. Dessa forma, rápidas alterações da permeabilidade do sódio e do potássio são primariamente responsáveis pela transmissão de sinais nos neurônios. 
Medida do Potencial de Membrana
A pipeta é introduzida através da membrana celular para o interior da fibra. Então, outro eletródio, chamado “eletródio indiferente”, é colocado no líquido extracelular, e a diferença potencial entre as partes interna e externa da fibra é medida usando-se voltímetro apropriado. 
A transferência de um número inacreditavelmente pequeno de íons através da membrana pode estabelecer o “potencial de repouso” normal de –90 milivolts dentro da fibra nervosa. Também, número igualmente pequeno de íons positivos, movendo-se de fora para dentro da fibra pode inverter o potencial de –90 milivolts para o máximo de +35 milivolts. A rápida alternância de íons, dessa maneira, causa os sinais nervosos. 
POTENCIAL DE REPOUSO DE MEMBRANA DOS NEURÔNIOS
Potencial de repouso é a diferença de potencial elétrico entre as faces internas e externas na membrana de um neurônio que não está transmitindo impulsos nervosos.
O potencial de repouso das membranas das fibras nervosas mais calibrosas, quando não estão transmitindo sinais nervosos, é de cerca de -90 milivolts.
Transporte Ativo dos Íons Sódio e Potássio Através da Membrana - A Bomba de Sódio-Potássio (Na+-K+)
A bomba de Na+-K+ transporta continuamente íons sódio para fora da célula, e íons potássio para dentro da célula. É uma bomba eletrogênica, porque mais cargas positivas são bombeadas para fora que para dentro (três íons Na+ para fora, a cada dois íons K+ para dentro), deixando déficit real de íons positivos na parte de dentro; isso gera o potencial negativo, no lado de dentro das membranas celulares.
A bomba de Na+-K+ produz também grande gradiente de concentração para o sódio e para o potássio, através da membrana nervosa em repouso.
Vazamento do Potássio e do Sódio, através da Membrana da Célula Nervosa.
Canais vazantes de potássio ou canais de “vazamento” de potássio (K+), na fibra nervosa, permitem o ​potássio​ vazar de dentro para fora, mesmo na célula em repouso. Esses canais de vazamento de K+ podem também vazar quantidades mínimas de íons sódio, porém são muito mais permeáveis aos íons potássio que aos íons sódio, em geral, cerca de 100 vezes mais permeáveis.
ORIGEM DO POTENCIAL DE REPOUSO NORMAL DA MEMBRANA
Fatores importantes para o estabelecimento do potencial de repouso normal da membrana em -90 milivolts:
Potencial de Difusão do Potássio: Se os íons potássio fossem os únicos fatores causadores do potencial de repouso, o potencial de repouso, dentro da fibra, seria igual a –94 milivolts, pois os íons K+ vazam para fora, deixando o meio intracelular mais eletronegativo. 
Difusão do sódio: como a permeabilidade da membrana ao potássio é muito maior do que a permeabilidade para o sódio (cerca de 100 vezes), a difusão do potássio contribui muito mais para o potencial de membrana do que a difusão do sódio. Ao usar a equação de Goldman, considerando essa permeabilidade do potássio 100 vezes maior, será obtido o potencial do lado de dentro da membrana de –86 milivolts que se aproxima do potencial de potássio. 
Bomba de Na+-K+: realiza o bombeamento contínuo de três íons sódio para o exterior para cada dois íons potássio bombeados para o lado interno da membrana. O bombeamento de mais íons sódio para fora do que íons potássio para dentro produz perda contínua de cargas positivas pelo lado interno da membrana, criando um grau adicional de negatividade (em torno de –4 milivolts adicionais) no lado interno, além da produzida pela difusão. Por essa razão, o potencial de membrana efetivo, com todos esses fatores atuantes ao mesmo tempo, é de cerca de –90 milivolts.
Em resumo: os potenciais de difusão causados pela difusão do sódio e do potássio atuando isoladamente produziriam potencial de membrana de cerca de –86 milivolts, quase todo determinado pela difusão do potássio. Então, –4 milivolts adicionais são somados ao potencial de membrana pela bomba eletrogênica contínua de Na+-K+, resultando no potencial de membrana efetivo de –90 milivolts.
POTENCIAL DE AÇÃO DOS NEURÔNIOS
Potenciais de ação: são rápidas alterações do potencial de membrana que se propagam com grandevelocidade por toda a membrana da fibra nervosa, transmitindo sinais nervosos. 
Cada potencial de ação começa por uma alteração súbita do potencial de membrana normal negativo para um potencial positivo, terminando com retorno quase tão rápido para o potencial negativo. (a célula sai de um potencial elétrico negativo para um potencial positivo e depois volta ao seu potencial elétrico)
Para conduzir o sinal nervoso, o potencial de ação se desloca ao longo da fibra nervosa até sua extremidade final.
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Estágio de Repouso: é o potencial de repouso da membrana, antes do início do potencial de ação. Diz-se que a membrana está “polarizada” durante esse estágio, em razão do potencial de membrana de −90 milivolts negativo existente. 
Estágio de Despolarização: a membrana fica muito permeável aos íons sódio, permitindo que grande número de íons sódio, positivamente carregados, se difunda para o interior do axônio. O estado normal de “polarização” de –90 milivolts é, de imediato, neutralizado pelo influxo dos íons sódio com carga positiva, com o potencial aumentando rapidamente para valor positivo, um processo chamado despolarização.
Estágio de Repolarização: Em alguns décimos de milésimos de segundo após a membrana ter ficado muito permeável aos íons sódio, os canais de sódio começam a se fechar, e os canais de potássio se abrem mais que o normal. Então, a rápida difusão dos íons potássio para o exterior restabelece o potencial de repouso negativo da membrana que é referido como repolarização da membrana.
	Estágio de hiperpolarização: causado pela demora dos canais lentos de potássio de se fecharem, o que leva à uma condutância excessiva de potássio.
OS CANAIS DE SÓDIO E POTÁSSIO REGULADOS PELA VOLTAGEM
O agente necessário para provocar a despolarização e a repolarização da membrana nervosa durante o potencial de ação é o canal de sódio regulado pela voltagem. O canal de potássio regulado pela voltagem também tem participação importante por aumentar a rapidez da repolarização da membrana.
Canal de Sódio regulado pela Voltagem + Canal de Sódio regulado pela voltagem + bomba de Na-K + canais vazantes de Na e K => atuam de forma associada
Ativação e Inativação do Canal de Sódio Regulado pela Voltagem
Esse canal têm duas comportas: ativação (abertura externa) e inativação (abertura interna)
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Ativação do Canal de Sódio Voltagem dependente: ocorre quando o potencial de membrana se torna menos negativo, ele atinge a voltagem, em geral, de cerca de -70 a -50 milivolts, o que provoca uma alteração conformacional abrupta da comporta de ativação, que se abre totalmente. Durante esse estado, os íons de sódio podem entrar pelo canal.
Inativação do Canal: o mesmo aumento da voltagem que faz com que a comporta seja ativada, faz com que ela seja inativada, através de outra alteração conformacional que provoca o fechamento da comporta. Quando o canal de sódio é inativado e se fecha, o potencial de membrana começa a retornar ao seu estado normal de repouso, que é o processo de repolarização. 
Outra característica importante do processo de inativação do canal de sódio é que a comporta inativada só vai reabrir quando o potencial de membrana retornar ou se aproximar do potencial de repouso na condição original. Por essa razão, usualmente não é possível para o canal de sódio voltar a abrir sem que a fibra nervosa seja primeiro repolarizada. 
O Canal de Potássio Regulado pela Voltagem e sua Ativação
Os canais de sódio podem ser bloquea​dos pela toxina chamada tetrodotoxina, quando essa droga é aplicada na parte externa da membrana celular, onde a comporta de ativação do sódio está situada. Alternativamente, o íon tetraetilamônio bloqueia os canais de potássio quando aplicado no interior da fibra nervosa.
Ao longo do estado de repouso, a comporta do canal de potássio está fechada, e os íons potássio são impedidos de passar por esse canal para o exterior. Quando o potencial de membrana aumenta de −90 milivolts para zero, essa variação da voltagem provoca a abertura conformacional da comporta, permitindo aumento da difusão de potássio para fora, por meio desses canais. 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 em poucos décimos de milésimos de segundo. 
O papel do Cálcio no Potencial de Ação
O cálcio, em algumas células, junto com (ou no lugar do) sódio, causa a maior parte do potencial de ação. 
Como a bomba de sódio, a bomba de cálcio transporta os íons cálcio do meio intracelular para o extracelular, criando gradiente iônico de cálcio de cerca de 10000 vezes. Assim, existe um imenso gradiente de difusão para o fluxo passivo de cálcio para a célula.
 Além disso, existem canais de cálcio regulados pela voltagem. Esses canais são ligeiramente permeáveis aos íons sódio e aos íons cálcio, mas sua permeabilidade para os íons cálcio é cerca de 1.000 vezes maior que para os íons sódio, nas condições fisiológicas normais. Quando o canal se abre, em resposta a estímulo que despolariza a membrana celular, os íons cálcio fluem para o interior da célula. A principal função dos canais de cálcio regulados pela voltagem é a de contribuir para a fase de despolarização do potencial de ação, em algumas células.
Todavia, a regulação dos canais de cálcio é lenta, levando 10 a 20 vezes mais tempo que a ativação dos canais de sódio. Por essa razão, eles com frequência são chamados canais lentos, em contraste com os canais de sódio, chamados canais rápidos. 
Os canais de cálcio são muito numerosos no músculo cardíaco e no músculo liso. Na verdade, em alguns tipos de músculo liso, os canais rápidos de sódio são bastante raros, de modo que o potencial de ação ocorre quase exclusivamente pela ativação dos lentos canais de cálcio.
A Permeabilidade dos Canais de Sódio aumenta quando ocorre Déficit de Íons Cálcio. A concentração dos íons cálcio, no líquido extracelular, exerce intenso efeito sobre o valor da voltagem em que os canais de sódio são ativados. Quando ocorre déficit de íons cálcio, os canais de sódio são ativados (abertos) por pequeno aumento do potencial de membrana de seu valor normal, valor ainda muito negativo. Por conseguinte, a fibra nervosa fica muito excitável, algumas vezes descarregando repetitivamente sem qualquer estímulo, em vez de permanecer no estado de repouso. 
INÍCIO DO POTENCIAL DE AÇÃO
Ciclo vicioso de feedback positivo
Caso ocorra qualquer estímulo capaz de provocar o aumento inicial do potencial de membrana de –90 milivolts para o nível zero, a própria voltagem crescente causa a abertura de vários canais de sódio regulados pela voltagem. Essa ocorrência permite o influxo rápido de íons sódio, resultando em maior aumento do potencial de membrana e, consequentemente, abrindo mais canais regulados pela voltagem e permitindo fluxo mais intenso de íons sódio para o interior da fibra. Esse ciclo vicioso continua até que todos os canais de sódio regulados pela voltagem tenham sido ativados. 
Limiar para a estimulação
O potencial de ação só vai ocorrer se o aumento inicial do potencial de membrana for suficientemente intenso para gerar o feedback positivo. Isso acontece quando o nº de íons sódio que entram fica maior que o nº de ións potássio que sai. Qualquer aumento abrupto do potencial de membrana de -90 mV para cerca de -65 mV usualmente provoca o explosivo desenvolvimento do potencial de ação. Esse nível de -65 mV é referido como o limiar para estimulação.
PROPAGAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO
Um potencial de ação, provocado em qualquer parte da membrana excitável, em geral, excita as porções adjacentes da membrana, resultando na propagação do potencial de ação por toda a membrana. A transmissão do processo de despolarização,por fibra nervosa ou muscular, é referida como impulso nervoso ou muscular. Uma área despolarizada produz um “circuito local” de fluxo de corrente, causando despolarização nas áreas adjacentes, que por sua vez produzem outros circuitos locais e mais despolarização e, assim, o processo de despolarização percorre todo o comprimento da fibra.
Direção de propagação
O potencial de ação trafega em todas as direções, afastando-se da região estimulada - mesmo por todas as ramificações da fibra nervosa - até que toda a membrana seja despolarizada.
Príncipio do TUDO ou NADA
A estimulação de um neurônio segue a lei do tudo ou nada. Isso significa que ou o estímulo é suficientemente intenso para excitar o neurônio, desencadeando o potencial de ação, ou nada acontece. Não existe potencial de ação mais forte ou mais fraco; ele é igual independente da intensidade do estímulo.
RESTABELECIMENTO DOS GRADIENTES IÔNICOS DO SÓDIO E DO POTÁSSIO APÓS O TÉRMINO DO POTENCIAL DE AÇÃO
A transmissão de cada potencial de ação ao longo da fibra nervosa reduz muito pouco a diferença de concentração de sódio e potássio dentro e fora da membrana, devido à difusão para o interior dos íons sódio durante a despolarização, e pela difusão para o exterior dos íons potássio durante a repolarização. Ainda assim, com o passar do tempo, é necessário o restabelecimento das diferenças de concentração entre o sódio e o potássio, o que se consegue pela ação da bomba de Na+-K+. Como essa bomba requer energia para seu funcionamento, essa “recarga” da fibra nervosa é um processo metabólico ativo. A fibra nervosa produz um aumento de calor durante a recarga. 
O grau de atividade da bomba é intensamente estimulado quando ocorre acúmulo excessivo de íons sódio no interior da membrana celular. Na verdade, a atividade da bomba aumenta aproximadamente em proporção à terceira potência da concentração intracelular do sódio. 
O PLATÔ EM ALGUNS POTENCIAIS DE AÇÃO
Em alguns casos, a membrana estimulada não se repolariza imediatamente após a despolarização; ao contrário, o potencial permanece como platô perto do pico do potencial em ponta, por vários milissegundos e somente então é que se inicia a repolarização. Esse tipo de potencial de ação se dá nas fibras musculares do coração.
Causas do platô: A abertura dos canais rápidos de sódio associado à abertura dos canais lentos de cálcio-sódio. Outro fator, é que a abertura dos canais de potássio regulados pela voltagem é mais lenta do que a usual, retardando a repolarização. 
TRANSMISSÃO DOS SINAIS NOS TRONCOS NERVOSOS
Fibras Nervosas Mielinizadas e Amielinizadas.
A bainha de mielina é depositada em torno do axônio pelas células de Schwann que formam camadas múltiplas de membrana celular, contendo esfingomielina. Essa substância é um excelente isolante elétrico. Nas junções entre duas células de Schwann, existe uma área não isolada que forma o nodo de Ranvier. 
Embora quase nenhum íon possa fluir através das bainhas de mielina, eles podem passar com facilidade através dos nodos de Ranvier. Assim, os potenciais de ação ocorrem nos nodos de Ranvier.
Os potenciais são conduzidos de nodo a nodo, num tipo de condução chamada de condução saltatória. Esse mecanismo aumenta a velocidade da transmissão nervosa nas fibras mielinizadas. Outro ponto positivo, é que a condução saltatória conserva energia para o axônio porque somente os nodos se despolarizam, permitindo menor perda de íons do que seria necessário sem os saltos. 
EXCITAÇÃO — O PROCESSO DE GERAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO
Pode resultar de distúrbio mecânico da membrana, de efeitos químicos na membrana, ou da passagem de eletricidade através da membrana. 
O Limiar para a Excitação e o “Potencial Local Agudo”
Estímulos muito fracos causam alteração local do potencial da membrana, mas a amplitude do potencial local deve aumentar até o nível limiar para que seja produzido o potencial de ação.
“Potenciais locais agudos”: alterações dos potenciais de membrana locais 
“Potenciais sublimiares agudos”: quando os estímulos estão abaixo do valor limiar necessário para produzir um potencial de ação.
“PERÍODO REFRATÁRIO” APÓS O POTENCIAL DE AÇÃO
Período refratário é aquele durante o qual um novo estímulo não pode evocar um novo potencial de ação. 
Um novo potencial de ação não pode ocorrer na fibra excitável enquanto a membrana ainda estiver despolarizada pelo potencial de ação precedente. A razão para essa restrição é que logo após o potencial de ação ser desencadeado, os canais de sódio (ou canais de cálcio, ou ambos) ficam inativos, e qualquer quantidade de sinal excitatório aplicado a esses canais, nesse momento, não vai abrir as comportas de inativação.
Período refratário absoluto: período durante o qual o segundo potencial de ação não pode ser produzido mesmo com estímulo muito intenso.