Biofísica - Bioeletricidade

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Medicina – UFCG 
Aula 5 – Biofísica 
Yahanna Estrela 
 
Bioeletricidade 
 
 
INTRODUÇÃO 
 
 Foi observada pela primeira vez no século XIV por Luigi 
Galvani que identificou em laboratório a contração das 
patas de rãs. 
 A bioeletrogênese é o fluxo iônico através da membrana 
plasmática. 
 
Os íons, principalmente sódio e potássio (não são os 
únicos), induzem a corrente de eventos. Os eventos dos 
potenciais de ação se restringem apenas à membrana do 
plano celular, visto que a diferença de potencial existe 
apenas neste plano. O LIC e o LEC são neutros. 
 
 
D.D.P DE MEMBRANA 
 
 O potencial elétrico é mais negativo na face interna da 
membrana. 
 Fatores que levam a ddp de todas as membranas ser 
negativa: 
1. Efluxo de K+. É o principal gerador da ddp negativa 
em todas as células, responsável por 
aproximadamente 90% da ddp de membrana. A 
concentração de potássio maior no LIC que no LEC. 
Cada vez que um potássio sai do LIC para o LEC, ele 
adiciona uma carga negativa a face interna da 
membrana. É sabido que em todas as nossas células 
temos mais carga negativa na face interna do que na 
face externa da célula. Haverá uma inversão durante 
o potencial de ação das excitáveis. 
2. Diferença de concentração iônicas do LIC e do LEC. 
Não só do potássio, mas de demais substâncias, que 
se concentram em maior quantidade no LIC. Embora 
seja uma colaboração pequena, também 
contribuem. 
3. Na+/K+ ATPase ser eletrogênica (bomba de sódio e 
potássio). Cada vez que ela é ativada, joga 3 átomos 
de sódio para o LEC e internaliza 2 potássio. Gerando 
em cada ativação, um déficit de 1 carga positiva no 
LIC, ou seja, adicionando uma carga negativa a cada 
ativação. 
 
 
POTENCIAL TRANSMEMBRANA 
 
 Células não excitáveis: -20mV. Aquelas que não 
conseguem desenvolver o potencial de ação, ou seja, há 
uma inversão de polaridade elétrica produzida pelo 
deslocamento de íons. 
 Células excitáveis: -90mV. Aquelas que conseguem ter 
uma inversão nesse potencial elétrico, conduzindo uma 
corrente elétrica, uma inversão de sinais elétricos, que 
culmina numa resposta muscular/nervosa. Fibras 
musculares e células nervosas. 
 
 
EQUAÇÃO DE NERNST 
 
 
Onde: 
 61 => R T 
 Z é a carga elétrica do íon (+1 para K+, +2 para Ca++) 
 (íone) concentração de iônica Extracelular 
 (íoni) concentração de iônica Intracelular 
 É o potencial eletroquímico para cada íon. 
 Esse potencial eletroquímico prediz a capacidade de uma 
membrana de gerar ddp. 
 Aborda a concentração de determinados íons no LEC e no 
LIC. 
 
 
POTENCIAL DE MEMBRANA EM REPOUSO 
 
1. Se as membranas fossem permeáveis 
exclusivamente ao potássio, a ddp de membrana 
seria: -94mV. 
2. Se as membranas fossem permeáveis 
exclusivamente ao sódio, a ddp de membrana seria: 
+70mV. 
3. Se as membranas fossem permeáveis 
exclusivamente ao cloro, a ddp da membrana seria: 
-86mV. 
 
 
EQUAÇÃO DE GOLDMAN 
 
 Considera ambos os gradientes de concentração-elétrico 
e a permeabilidade relativa da célula a cada íon. 
 
 
 
 Queria obter a ddp final/real das membranas biológicas. 
Porém, o número não bate. Quando se soma os 
potenciais eletroquímico dos principais íons, vê-se que o 
resultado é diferente. A explicação para isso é que cada 
íon, além do seu potencial eletroquímico, precisa se 
deslocar através da permeabilidade da membrana e essa 
permeabilidade não é padrão, ela depende do número de 
proteínas canais e da concentração iônica. 
 Para chegar no objetivo inicial de Goldman (ddp final), é 
preciso se levar em consideração a concentração da 
valência dos íons e sua permeabilidade iônica. 
 
ESTÁGIOS DO POTENCIAL DE AÇÃO 
 
1. Repouso 
2. Despolarização 
3. Repolarização 
4. Hiperpolarização 
 
O sódio é o responsável por iniciar o potencial de ação na 
fase de despolarização, fazendo com que a ddp saia de 
valores negativos e atinja valores positivos. A 
repolarização ocorre por meio da abertura dos canais de 
voltagem dependente de potássio, fazendo com que o 
potássio saia em uma corrente iônica de alta intensidade, 
trazendo os valores negativos para a ddp de membrana 
novamente. 
 
 
POTENCIAL DE AÇÃO (D.D.P) 
 
 Canais de sódio: os canais de rápidos sódio são um tipo 
especializado de canal iônico dependente de voltagem. 
Sua abertura está condicionada a valores menos 
negativos do potencial de membrana, acima de um valor 
limite de voltagem o canal abre-se, permitindo o influxo 
de íons de sódio na célula. O canal permanece aberto por 
poucos milisegundos. O tempo suficiente para elevar o 
potencial de membrana para 50 mV. O canal de sódio 
possui dois portões distintos, portões m (de ativação) e h 
(de inativação). O portão h fecha-se após a 
despolarização e permanece fechado, não permitindo o 
início de um novo potencial de ação (período refratário). 
 Canais de potássio: esse canal abre-se imediatamente 
após a despolarização, o que permite a saída de carga 
positiva da célula, na forma de íons de potássio. O canal 
de potássio fica aberto durante toda a fase de 
repolarização, onde o potencial de membrana será 
trazido a valores negativos, chegando a ficar mais 
negativo que o potencial de repouso, durante a fase 
seguinte a repolarização, chamada de fase de 
hiperpolarização. 
 Os canais de Na+, dependentes de voltagem, da 
membrana plasmática do axônio são os responsáveis 
primários pelo potencial de ação. Podemos pensar no 
potencial de ação como um evento “tudo ou nada” e 
auto-regenerante. 
 
 Vejamos atentamente essa animação (figura abaixo, 
animação apresentada em aula) do funcionamento dos 
canais durante as fases de despolarização e 
repolarização. Os canais de Na+, dependentes de 
voltagem abrem-se, permitindo a elevação do potencial, 
gráfico ao lado. Vemos claramente os íons do Na+ (cargas 
positivas) entrando na célula, e o potencial de membrana 
respondendo a essa entrada no gráfico. 
 
 
 
 
 
 
 
 Nessa fase (abaixo) vemos a repolarização, onde as cargas 
positivas (indicadas em verde), devido aos íons de K+, 
saem da célula, concomitantemente temos a queda do 
potencial de membrana no gráfico ao lado. O canal de K+ 
também é indicado em verde. Esse canal fica aberto 
durante toda a fase de repolarização. 
 
 
 
 
 
 
 
 
É importante citar que com esses fenômenos de influxo 
de sódio e efluxo de potássio não há variação da 
concentração desses íons no LEC e no LIC. A concentração 
não muda porque esses fenômenos são ínfimos com 
relação a concentração iônica. O que faz ter variação são 
outros fatores/fenômenos. 
 
 
 
 A imagem acima será utilizada para abordar o potencial 
de ação, entender como é a distribuição de cargas no 
plano da membrana e que as concentrações iônicas no 
LEC e no LIC permanecem sem alteração. 
 É a representação de uma membrana celular de uma 
célula excitável. 
 Têm-se o LEC, no qual encontra-se muito sódio e pouco 
potássio. 
 No LIC, na face interna da membrana, tem-se muito 
potássio e pouco sódio. 
 Durante o repouso, a ddp dessa fibra é -70mV. 
 Quanto mais negativa for a ddp, maior será a 
concentração de cargas negativas na face interna. 
 Quando o potencial de ação é iniciado na despolarização, 
quanto mais próximo do zero, a ddp vai diminuindo e em 
zero não há diferença de potencial elétrico, a diferença de 
cargas é nula. 
 Há redução do número de cargas negativas na face 
interna e de cargas positivas na face externa (a 
concentração dessas cargas até chegar em 0 tem 
unidade). 
 Quando a ddp atingir valores positivos, ou seja, quando 
houver inversão de cargas ou potencial de overshoot, 
existirão cargas positivas na face interna e negativas na 
face externa. 
 Quanto mais positiva for essa ddp, maior será a 
concentração de cargas positivas na face interna e maior 
a de negativas na face externa. 
 A membrana está em repouso. Incide nela um estímulo 
despolarizante (existem estímulos hiperpolarizantes) que 
aumenta a condutância ao sódio, aumentando a abertura 
dos canaisde sódio e fazendo com que a ddp diminua. 
 Se a ddp atingir a voltagem específica de abertura dos 
canais de sódio dependente, haverá uma rápida 
despolarização (despolarização em Spike, porque forma 
uma agulha e é muito rápido, muito da abrupta). 
 Após atingir esse limiar de despolarização, ou seja, essa 
voltagem positiva máxima, os portões dos canais de sódio 
voltagem dependente se fecham e se abrem os portões 
dos canais de potássio voltagem dependentes. 
 Acontece a repolarização. 
 A condutância tanto ao sódio quanto ao potássio se altera 
ao longo das etapas do potencial de ação. 
 É preciso evocar o equilíbrio dinâmico de Gibbs-Donnan 
visto anteriormente. 
 A concentração desses íons permanece constante nos 
dois meios em todas as etapas do potencial de ação, 
mesmo com entrada de sódio (essa entrada é inerte a 
produzir uma variação de concentração). 
 O sódio terá um potencial químico, ou seja, de 
concentração, todo tempo para entrar na célula durante 
todas as etapas do potencial de ação. Porém, o potencial 
elétrico varia: quanto mais negativa for a ddp, maior 
concentração de cargas negativas na face interna da 
membrana. 
 É preciso estar atento pois sódio, por ter valência positiva, 
será atraído para o lado interno (será empurrado pelo 
potencial químico, porque tem muito só de fora e pouco 
dentro) e será atraído pelas cargas negativas da face 
interna da membrana. Essa atração será maior quanto 
mais negativa for a ddp. 
 A medida que a ddp na despolarização vai diminuindo, 
essa atração elétrica vai diminuindo progressivamente, 
até atingir o 0mV, na qual não haverá mais atração 
elétrica, pois não terá diferença de cargas elétricas. 
 No potencial de overshoot, o campo elétrico irá fazer com 
que o sódio diminua sua entrada, por isso tem-se uma 
diminuição na intensidade no influxo de sódio durante a 
fase positiva da despolarização. É um mecanismo que 
ajuda na finalização da despolarização, juntamente com a 
fechamento dos portões h os canais de sódio voltagem 
dependentes. 
 O influxo de sódio ocorre durante a ddp negativa, 
favorável ao Gradiente químico e favorável Gradiente 
elétrico. 
 Durante a overshoot (inversão da polaridade), apenas o 
gradiente químico faz com que o sódio se desloque do LEC 
para o LIC. Só que esse influxo é de menor intensidade. 
 Uma vez cessando-se a despolarização, não tem mais 
entrada de sódio pelos canais de cinética rápida e tem-se 
uma abertura dos canais de cinética rápida de potássio. O 
potássio se encontra em muito maior quantidade no LIC 
que no LEC. 
 O potássio, durante a ddp positiva, o potencial inversão 
de overshoot, sairá da célula (será empurrado para fora) 
favoravelmente ao gradiente químico e ao elétrico, já que 
tem uma concentração de cargas negativas na face 
externa da membrana e positiva na face interna. 
 Então, durante o overshoot, o potássio sairá favorecido 
pelos dois ingredientes (químico e elétrico). 
 Quando a membrana cruza a barreira do zero, ao se 
repolarizar, e há novamente uma ddp negativa, o potássio 
continua a sair (empurrado pelo gradiente químico), mas 
o gradiente elétrico será desfavorável. Isso ocorre porque 
voltará a ter carga negativa na face interna e positiva na 
face interna. 
 Quanto mais negativa for a ddp, maior a concentração de 
cargas negativas e menor será a tendência do potássio de 
sair, porque o campo elétrico vai tentar prender ele no 
LIC. 
 Entender esse mecanismo/variação de cargas elétricas, 
esse balanceio entre potencial eletroquímico, é 
fundamental para entender a variação de condutância e 
também entender porque é que, principalmente em 
relação ao potássio, a variação da sua concentração no 
LEC, a hipocalemia e a hipercalemia, vão repercutir no 
potencial de ação de todas as células excitáveis. 
 A alteração da concentração do potássio é o principal 
causador de alteração no potencial de ação. 
 A variação na concentração do sódio extracelular vai 
induzir um efeito osmótico. O sódio é o principal é a gente 
na osmolalidade, então a sua concentração não vai 
interferir tanto no potencial de ação. 
 Porém, a variação da concentração de potássio, como 
dito anteriormente, irá interferir, sendo o principal 
causador de patologias relacionadas a função da 
eletrofisiologia. 
 
 
 
CONCENTRAÇÃO DE POTÁSSIO 
 
1. Calemia: 3,5 a 5,5 mEq/L 
2. Hipocalemia: <3,5 mEq/L (<2,5 é crítico). Ocasionado 
por ingestão insuficiente (pacientes com anorexia, 
com restrição alimentar), vômitos, diarréia, alcalose, 
insulina. 
3. Hipercalemia: > 5,5 mEq/L (> 7,5 é crítico). 
Ocasionado por I.R, acidose, citólise, 
hipoaldosteronismo. 
 
 A concentração do potássio no LEC de celular é chamada 
de calemia ou potassemia 
 Hipocalemia é uma diminuição do potássio sérico, sendo 
assim do LEC. 
 De 3,5 a 3 hipocalemia leve. 
 De 3 a 2,5  moderada. 
 Abaixo de 2,5  grave 
 Hipercalemia é o aumento do potássio sérico. A 
hipercalemia crítica pode ser letal. 
 
 
 
O EFEITO DA VARIAÇÃO DO POTÁSSIO NO POTENCIAL 
DE AÇÃO 
 
 Já é sabido que há pouco potássio no LEC (em torno de 
4mEq/L) e 140mEq/L no LIC. 
 Se há uma diminuição da concentração do potássio no 
LEC (no LIC a concentração desses íons é rigorosamente 
mantida pelos processos ativos. Como o LEC está na 
interface com o meio externo através do sistema renal e 
gastrointestinal, pode haver uma variação das 
concentrações dos íons) haverá um aumento no 
gradiente químico. Por exemplo, se a concentração era 
4mEq/L e ela cai para 2mEq/L, haverá uma duplicação do 
gradiente de concentração. Portanto, a força química que 
o potássio tinha para sair, será dobrada. Ocorrendo isso, 
o efluxo passivo do potássio pelos canais vazamento 
ocorrerá com muito maior intensidade. Então a ddp de 
repouso irá aumentar, ficará mais negativa. As células 
excitáveis ficarão hipo-excitáveis, ou seja, elas diminuirão 
a excitabilidade devido a ddp estar maior, estar mais 
negativa. Quanto mais negativa a ddp for, quanto maior 
for a distância da voltagem de despolarização, menos 
excitada essas célula ficará. Isso acarretará em uma 
hipofuncionalidade daquela fibra, seja muscular, seja 
nervosa. 
 Toda a clínica que o paciente apresentar irá depender da 
intensidade dessa hipocalemia. 
 Ela pode apresentar desde flacidez muscular, até 
fenômenos neurais mais complexos. 
 Quanto maior for a hipocalemia, menos suscetível a 
desenvolver o potencial de ação a fibra nervosa e/ou 
muscular estará e o inverso será na hipercalemia. 
 Quando eu tenho o aumento da concentração do 
potássio, haverá diminuição do gradiente de 
concentração. Por exemplo, se é quatro e ele passa para 
oito, haverá diminuição pela metade do gradiente de 
concentração, o gradiente químico, e o potássio sairá com 
menor intensidade. 
 Lembrando que o potássio é o principal mantenedor da 
ddp negativa, porque quando ele sai, leva carga positiva 
para o LEC adicionando para cada potássio que sai, uma 
carga negativa na face interna da membrana. 
 Quando na hipercalemia essa concentração diminui, a 
saída do potássio estará comprometida (ele sairá em 
menor intensidade). A ddp que antes estava em -70, por 
exemplo, começa, sem estímulo algum, a diminuir, 
assumindo valores de -65, -60, e ao atingir -55, as células 
irão se despolarizar (sem nenhum estímulo), 
simplesmente induzida pela hipercalemia, pelo aumento 
da concentração de potássio no LEC. 
 Isso faz com que todas as fibras excitáveis se 
despolarizem. É uma situação grave, que pode levar ao 
óbito. 
 Tanto a hipercalemia quanto a hipocalemia são reveladas 
no traçado eletrocardiográfico. 
 As hipercalemias acima de 7,5 (intensas) causam a não 
repolarização. Quanto maior o aumento dp potássio do 
LEC, menor será a probabilidade de haver a repolarização 
 Isso ocorre porque a repolarização depende 
completamente/exclusivamente da saída do potássio e 
por ele ter uma força química/gradiente químico menor, 
essa repolarizaçãopode não ocorrer. 
 Isso ocorre, por exemplo, na hiperpotassemia 
desenvolvendo a fibrilação ventricular. Em casos de 
hiperpotassemia severa ocorrerá a fibrilação ventricular, 
o coração entra em parada cardíaca.