Aula2_Cap_2_Membranas_biologicas

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Curso de Ciências Biológicas 2009 Disciplina de Fisiologia Comparada Ciclo de Neurofisiologia Cap 2 
Departamento de Fisiologia, IB Unesp-Botucatu Profa. Silvia M. Nishida 
 
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COMPARTIMENTOS E MEMBRANAS BIOLÓGICAS 
 
 
 Os metazoários possuem tegumento de revestimento que separa o meio ambiente externo do 
interno. O meio interno, por sua vez, é constituído de dois compartimentos: o extracelular e 
intracelular. Nos animais que possuem um sistema circulatório fechado, o fluido extracelular está 
distribuído em dois subcompartimentos: o intersticial e o intravascular (plasma). O espaço 
intracelular está separado do extracelular através da membrana citoplasmática e ambos os espaços 
são preenchidos por fluidos cujas composições são bastante distintas. 
Sejam de organização unicelular ou metazoária, os seres vivos não são sistemas 
hermeticamente fechados, ao contrário, estão abertos e realizam trocas (ganhos e perdas) 
obrigatórias e reguladas de material (água, solutos, energia, etc.) com o ambiente externo. 
 
A membrana citoplasmática 
 
A membrana citoplasmática constitui uma barreira física, porém permite trocas de solvente 
(água) e de partículas entre os compartimentos extra e intracelular. Regulando a sua permeabilidade 
as respectivas composições e osmolaridade extra e intracelular são precisamente reguladas. É 
 
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constituída de um mosaico de moléculas protéicas incrustadas em uma bicamada de fosfolipídios 
de consistência fluídica. Esse modelo da membrana citoplasmática é conhecido como mosaico 
fluido. 
Os fosfolipídios são 
moléculas que possuem uma 
cabeça polar (hidrofílica) e outra 
apolar (hidrofóbica). Na 
presença de água as moléculas 
de fosfolipídios se organizam 
espontaneamente de modo que 
os componentes hidrofóbicos voltam-se para dentro da bicamada (cauda) e os hidrofílicos para a 
água (cabeça). Na bicamada estão espalhados vários tipos de proteínas com as mais variadas 
propriedades funcionais (canais iônicos, receptores, enzimas, etc.). 
As membranas citoplasmáticas possuem um padrão de organização semelhante entre si, mas 
de acordo com o tipo de célula apresenta atividade biológica que lhe peculiar. Entre as propriedades 
das membranas estão: 
 Regulação da composição dos fluidos intracelular e extracelular; 
 Regulação do volume celular; 
 Regulação do metabolismo intracelular determinando a concentração de co-fatores enzimáticos e 
de substratos; 
 Regulação da atividade metabólica processada por enzimas presentes na membrana; 
 decodificação de sinais químicos e físicos por meio de moléculas receptoras e reguladoras 
presentes na membrana; 
 Geração e propagação de sinais elétricos; 
 Endocitose e de exocitose. 
 
 
TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA 
 
Transporte Passivo ou por Difusão 
 
 Difusão é o processo de movimento aleatório e espontâneo de partículas suspensas ou 
dissolvidas em solução cuja dispersão ocorre de uma região de maior concentração para outra de 
menor concentração, ou seja, a favor do gradiente de concentração (=energia potencial química). 
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Quando o processo ocorre através de uma membrana, a taxa difusional (Js) depende do coeficiente 
de permeabilidade da membrana à partícula em questão e da área total pela qual ela atravessa. 
Este fenômeno obedece a lei de Fick sendo matematicamente descrito pela equação : 
dQs = Ds A dCs onde: dQs/ dt = taxa de difusão ( Js ) 
dt dx Ds = coeficiente de difusão da subst. s 
dCs/dx = gradiente de concentração de s entre dois pontos 
separados por uma distância x 
A= área total por onde ocorre o transporte 
 
 Sob o ponto de vista da escala que estamos 
acostumados a dimensionar as distâncias e o tamanho dos 
objetos (em milímetros, centímetros, metros ou quilômetros) o 
processo de difusão seria um processo muito lento, mas 
tratando-se das dimensões ao nível celular e intracelular 
(micrômetros) o processo é bastante eficiente. 
As partículas podem ser classificadas em função da sua solubilidade e essa propriedade 
afeta o transporte das partículas através da membrana. 
Partículas lipossolúveis: atravessam diretamente a bicamada lipídica. 
Partículas não-lipossolúveis: necessitam de um corredor aquoso como os canais iônicos ou 
trasportadores especiais. Alguns solutos como as macromoléculas protéicas são completamente 
impermeáveis. 
 
Difusão simples 
 
As substâncias lipossolúveis (como o O2, CO2, o álcool, ácido graxo, hormônios 
esteróides, etc) difundem-se através da bicamada como se o fizessem no fluido circundante a favor 
do seu gradiente de concentração. O grau de solubilidade lipídica é determinado pelo quociente de 
partição óleo/água (K). Considerando-se uma membrana permeável a uma partícula s lipossolúvel, 
rearranjando a lei de Fick, temos: 
Js = Ds . K . A . dCs 
 dx 
 
 
 
Ds = coeficiente de difusão 
K = coeficiente de partição óleo/água 
A = área da membrana por onde ocorre a difusão 
dCs = gradiente de concentração de s entre os dois lados 
dx = espessura da membrana 
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Canais sem comporta: permanentemente abertos 
 
 
O gráfico mostra que a taxa de difusão para as partículas altamente lipossolúveis depende 
do gradiente de concentração existente através da membrana. 
 
Transporte de íons. 
 
Os íons só atravessam a membrana através de corredores aquosos formados por canais 
protéicos denominados canais iônicos ou através de carreadores protéicos. Os canais iônicos são 
de dois tipos: 
Canais sem comporta: estão sempre 
abertos, mas são seletivos conforme o raio de 
hidratação do íon. Reconhecemos assim, canais de 
sódio, canais de potássio, canais de cálcio, etc. 
 Canais com comporta: assumem dois 
estados: abertos ou fechados. Suas comportas (gates) 
se abrem ou se fecham mediante agentes externos (neurotransmissores, mudança de potencial da 
membrana, fosforilação, etc.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Difusão facilitada 
Algumas moléculas 
hidrossolúveis como a glicose 
e aminoácidos não podem 
atravessar os canais iônicos e 
usam carreadores protéicos. 
A partícula a ser transportada 
se liga a uma proteína da 
membrana e muda a sua 
conformação espacial. Essa 
mudança causa a translocação da partícula de um lado para o outro da membrana. Se o processo for 
realizado a favor do seu gradiente eletroquímico denominamos essa forma de transporte como 
difusão facilitada. Como o número total de carreadores é limitado, existe uma capacidade máxima 
de transferência de partículas. 
 
Transporte Ativo 
 
Até agora descrevemos os mecanismos em que as partículas são transportadas passivamente 
utilizando apenas a energia livre do próprio sistema. Muitas partículas precisam ser transportadas 
contra o seu potencial de difusão e, para isso, será necessário consumir energia externa ao sistema 
como a aquela originada do metabolismo celular. Por isso, esse tipo de transporte é chamado 
transporte ativo. Há dois tipos de transporte ativo. 
Transporte ativo primário. O transporte da 
partícula se realiza com a hidrólise de ATP. Um 
bom exemplo é enzima ATPase Na/K que 
hidroliza o ATP e transporta3Na
+
 para fora da 
célula e 2K
+
 para dentro, ambos contra os 
respectivos gradientes eletroquímicos. A enzima 
é conhecida como bomba dependente de Na/K 
(ou, simplesmente bomba de Na). 
 
Transporte ativo secundário (ou acoplado). A partícula é transportada contra o seu gradiente. 
Nesse caso, ao nível da superfície epitelial do intestino, a glicose é transportada contra o seu 
gradiente para dentro da célula utilizando a energia livre do gradiente de concentração de outro 
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soluto. O íon Na apresenta um gradiente de concentração de fora para dentro da célula, portanto, 
dispõe de energia potencial. Muitos solutos são co-transportados contra o seu gradiente usando um 
carreador. Se o movimento da partícula que pega 
“carona” e ocorre no mesmo sentido daquele que 
forneceu a energia é denominado de sinporte e se no 
sentido contrário, antiporte. Observe que tanto no 
transporte primário e secundário há consumo de 
energia; a diferença é está na fonte de energia. 
 
Note que na membrana basolateral a glicose é 
transportada por difusão facilitada, de dentro da célula 
par o sangue. A figura ilustra ainda o transporte ativo 
primário de Na e K contra os respectivos gradientes de 
concentração, requerendo ATP. 
 
Endocitose e Exocitose 
 
O transporte de macromoléculas é realizado através de endocitose (entrada de material para 
dentro da célula) e exocitose (o contrário). Se houver absorção de liquido apenas, a endocitose é 
chamada de pinocitose e de sólidos, fagocitose. 
 
Comunicação entre as células 
 
As células de diferentes tecidos sejam vizinhas ou distantes precisam manter uma 
comunicação eficaz para que a coordenação de trabalhos entre os diferentes tecidos ocorra de 
 
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eficazmente. As superfícies das células de um mesmo tecido estão aderidas umas nas outras e 
conforme o tipo de tecido o grau de aderências varia. 
 
Junções abertas (gap junction): permitem que as células comuniquem-se umas com as outras 
trocando íons ou moléculas orgânicas hidrossolúveis. Essas conexões são formadas por proteinas 
transmembranas (conexinas) e formam canais acoplados. Assim as células ficam elétrica e 
metabolicamente acopladas entre si e se tornando-se funcionalmente um corpo único. Esse tipo de 
junção está presente no tecido nervoso de invertebrados e no músculo cardíaco de vertebrados. 
Por outro lado, o total impedimento de trocas de material entre células vizinhas é essencial para se 
garantir trocas transcelulares. As junções aderentes (tigh junction) formam faixas de aderência e 
de oclusão entre as celulas epiteliais e promovem uma eficiente vedação física: a) zônula de 
oclusão cinturão entre as células vizinhas epiteliais que veda a passagem de substâncias entre as 
células vizinhas e possibilita a delimitação de compartimentos apicais, baso-laterais e intercelulares; 
b) zônula de adesão cinturão contínuo ao redor da célula que se une às adjacentes através de 
ligações entre moléculas de adesão dependentes de Cálcio e a função é a de garantir a coesão entre 
as células epiteliais resistente ao atrito, trações e pressões. Os desmossomas formam regiões 
pontuais de adesão entre as células enquanto que os hemi-desmossomas, ligações com a lamina 
basal promovendo a adesão do tecido epitelial ao tecido conjuntivo subjacente. 
 
 
 
 
Tipos de junções intercelulares 
 
Luz 
Sangue 
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Comunicação paracrina: células sintetizam mediadores químicos e os exocitam para o meio 
extracelular. Os mediadores difundem-se e se ligam a células-alvo que possuem receptores 
protéicos e como resultado ocorrem mudanças de função celular. 
Comunicação Endócrina: células especializadas sintetizam mediadores que são liberados para d 
entro da corrente sanguinea. Como conseqüência, os mediadores podem atingir células-alvo 
distantes. As células secretoras são chamadas de endócrinas e os mediadores, hormônios 
endócrinos. Quando as células nervosas liberam seus mediadores na circulação temos neuro-
hormonios. 
Comunicação sináptica: os neurônios estabelecem comunicação entre si e entre as células 
efetuadoras (glândula, músculo, etc.). Os neurônios possuem a propriedade de gerar sinais elétricos 
e propagarem através de suas fibras até o seu terminal. Quando o impulso chega ao terminal ocorre 
a exocitose de mediadores químicos denominados neurotransmissores (NT) que se ligam a 
receptores protéicos. Assim o neurônio influencia o outro ou uma célula efetuadora. Esse tipo de 
comunicação é extremamente rápido. 
 
As sinapses são uma das formas de comunicação mais rápidas entre as células de 
organismos multicelulares. O sistema nervoso exerce a sua influência rápida e de maneira 
localizada sobre os órgãos por meio de impulsos elétricos. Uma outra maneira de estabelecer 
comunicação entre células fisicamente distantes é utilizando o sistema circulatório. Já vimos que 
células glandulares que secretam os mediadores químicos na corrente sanguínea (hormônios 
endócrinos) formam o Sistema Endócrino cuja função é também de regular as funções de 
 Paracrrina 
 
Endocrina 
 
 
 
Sinapse 
 
 
 
 
Neuroendócrina 
 
 
 
Nervosa 
 
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diferentes células do corpo. Os dois sistemas são parceiros e operam de maneira mais ou menos 
independente, mas o sistema nervoso controla o sistema endócrino. Como os hormônios caem na 
corrente sanguínea, o modo de ação do sistema endócrino é mais lento, difuso e sustentado. As 
células vizinhas comunicam-se pela via parárina. Finalmente, a mediação química pode se dar 
entre os indivíduos por meio de feromônios. 
 
 
 
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POTENCIAL ELETROQUÍMICO DE UMA PARTÍCULA E POTENCIAL DE DIFUSÃO 
 
A figura abaixo ilustra o processo de difusão quando KCl é acrescentado à água pura no 
lado 1. Após um certo tempo, os lados 1 e 2 entram em equilíbrio, e passam a apresentar a mesma 
concentração de K e Cl, não havendo mais fluxo resultante de íons através da membrana. 
 
O potencial de difusão de uma partícula s (s) é uma grandeza que expressa o conteúdo de 
energia livre ou útil que potencialmente poderá ser utilizado para realizar trabalho, isto é, nesse 
caso, o movimento de partículas. Sob o ponto de vista termodinâmico, quando uma partícula se 
move de uma região de alto potencial eletroquímico para outra de baixo potencial, a difusão é 
espontânea e ocorre sem custo adicional de energia. Daí, o processo ser denominado de 
transporte passivo. 
Em nosso modelo, no estado de equilíbrio, os dois compartimentos ficaram com as 
concentrações de soluto e não havia mais movimento resultante de íons. Acontece que as células 
eucarióticas, ao contrário, apresentam imensas diferenças de concentração de solutos em relação ao 
meio extracelular e são ativamente mantidas neste estado. Essa diferença é, em parte, devido à 
impermeabilidade de algumas partículas como proteínas que ficam retidas no interior das células, 
mas e as várias outras partículas altamente permeáveis,como impedir que a diferença de 
concentração seja dissipada ao longo do tempo? E como explicar a presença de potencial elétrico 
através da membrana? 
Existindo uma diferença de potencial eletroquímico entre dois pontos A e B, através da 
membrana, a partícula s se moverá espontaneamente, a favor desse gradiente. Como o próprio 
nome diz, o potencial eletroquímico de s leva em conta dois componentes: uma grandeza de 
natureza química (diferença de concentração) e outra, elétrica (diferença de potencial elétrico): 
A diferença de potencial elotroquímico de s entre dois pontos A e B ( sA -  sB) 
separados por uma membrana pode ser descrito como : 
 
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 S 1 -  S 2 = RT ln [ s 1 ] + Zs . F. (  2 -  1 ) ou : 
 [ s 2 ] 
 
   s = RT ln [ s A ] + Zs . F. (  2 -  1 ) 
 [ s B ] 
 
Desta equação podemos deduzir que: 
Se s > 0 : haverá movimento resultante de s no sentido de 1  2 (não está em equilíbrio); 
 s = 0 : não haverá movimento resultante de s através dos dois compartimentos e o sistema se 
encontra em estado de equilíbrio dinâmico. 
 s < 0 : haverá movimento resultante de s de 2 1(não está em equilíbrio) 
 
Se a partículas s não for um íon, isto é, não está carregada eletricamente, Zs=0 então, 
  s = RT ln [ s 1 ] o potencial de difusão só depende do gradiente químico 
 [ s 2 ] 
 
Efeito Donnan 
 
 No início do século passado, Donnan, um físico-químico observou que quando em dois 
volumes iguais de água pura são acrescentados KCl em um dos compartimentos, ambos os íons se 
dissociam e tendem a se difundir passivamente para compartimento adjacente, atingindo em seguida 
um, estado de equilíbrio ou de eletroneutralidade entre os dois pontos. 
Continuando com o nosso experimento, se proteínas impermeáveis forem acrescentadas em um dos 
compartimentos, um novo estado de equilíbrio será atingido, porém, a dinâmica do movimento de íons será 
diferente. 
Suponha que sejam adicionadas 
simultaneamente proteinato de K no 
lado 1 e de KCl no lado2 de modo 
que [K]1=[K]2. Ambos os compostos 
iônicos se dissociarão produzindo 
íons livres. Apesar do gradiente de 
concentração do P
-
 favorecer o seu transporte, como a membrana lhe é impermeável ela fica retida 
no lado 1. Em relação ao K não se espera que haja fluxo resultante já que sua concentração é a 
mesma em ambos os lados. Com relação ao Cl, há uma diferença de concentração e este tenderá a 
fluir passivamente do lado 2 para o 1, a favor do gradiente eletroquímico. 
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Repare que o movimento de Cl do lado 2 para o 1, tornará o lado 2 positivamente carregado 
em relação o outro lado, porém sem atingir igualdade de concentração, ou seja [Cl]2[Cl]1, pois o 
acúmulo de cargas negativas no lado 1 repele a passagem deste ânion. Ao mesmo tempo, este 
desbalanço de cargas elétricas através da membrana favorecerá um fluxo resultante de K, um cátion, 
para o lado 1. A distribuição de P
-
 continua não afetada: lembre-se ele é impermeável. 
Assim, mesmo que haja diferença de concentração de K, Cl e P
-
 através da membrana, o 
sistema se manterá em equilíbrio, sem fluxos resultantes de K e de Cl. Isto mostra que uma 
condição de equilíbrio não é necessariamente uma condição de igualdade de concentração em 
ambos os lados da membrana, mas o fato do fluxo resultante das partículas permeáveis ser igual a 
zero (s = 0). Como resultado desta distribuição, haverá uma diferença de potencial elétrico 
através da membrana: no lado1 acumulará um excesso de cargas negativas e no lado 2, cargas 
positivas. A esta distribuição de solutos permeáveis e não permeáveis eletricamente carregadas 
através de uma membrana semipermeável damos o nome de Equilíbrio de Donnan. 
 
Como podemos calcular o valor do potencial de membrana estabelecido nestas condições? 
Já tínhamos visto que: 
 
   s = RT ln [ s 1 ] + Zs . F. (  2 -  1 ) 
 [ s 2 ] 
 
Se o sistema está em equilíbrio, então   s = 0. Agora podemos calcular a diferença de potencial 
que existe através da membrana, mesmo havendo diferença de concentração: 
 
 2 -  1 = RT ln [ s 2] 
 Zs.F [ s 1] 
 
Como ambos os íons estão em equilíbrio, sob esta diferença de potencial elétrico: 
 
 2 -  1 = RT ln [K]2 = RT ln [Cl]2 Equação 1 
 (+1)F [K]1 (-1)F [Cl]1 
 
Ou seja, no estado de equilíbrio de Donnan, obtemos a distribuição recíproca de cátions e de 
ânions. 
 
 RT ln [K]2 = RT ln [Cl]2 ou 
(+1)F [K]1 (-1)F [Cl]1 
 
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 [K]2 = [Cl]2 
 [K]1 [Cl]1 
 
Se levarmos em conta a presença de P
-
 
 [P
-
] + [Cl
-
]1 = [K
+
]1 
 
 Conhecendo agora algumas propriedades das membranas, vamos analisar o problema, 
levando-se em consideração uma célula de verdade. 
 
Potencial de repouso de uma célula 
 
Através da membrana citoplasmática de todas as células 
do organismo metazoário, existe uma diferença de potencial 
elétrico (Em). Tal fato pode ser demonstrado, implantando-se um 
eletrodo de registro no interior da célula e o de referência, do lado 
de fora. O voltímetro acusará uma diferença de potencial elétrico 
de -65mV. Isso significa que através da membrana existe uma 
distribuição desigual de cargas elétricas sendo que a face interna 
se encontra negativa em relação à externa. Dizemos então que a 
membrana apresenta uma polaridade e comporta-se como uma 
bateria (capacitor) que acumula cargas elétricas nas duas faces. 
Essa diferença de potencial é chamada Potencial de Repouso nos neurônios (e em outras 
células excitáveis) que não estão em atividade. As membranas dos neurônios e das fibras 
musculares são capazes de causar fluxos de íons (cargas positivas ou cargas negativas) através da 
membrana, o que resulta na alteração do Em. 
A propriedade de uma célula mudar transitoriamente o Em de repouso é chamada 
excitabilidade e indica a capacidade de gerar bioeletricidade. Além de gerar eletricidade, as 
células excitáveis são capazes de propagar o impulso elétrico de um ponto a outro da célula, isto é, 
são dotadas de condutibilidade. 
Antes de compreendermos como os impulsos elétricos são gerados, precisamos conhecer 
como o potencial de repouso é gerado e mantido. 
 
 
 
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Potencial de equilíbrio 
 
Veja a figura da página seguinte e considere um sistema (A) onde a membrana é permeável 
apenas ao K
+
 e impermeável ao Cl
-
. Além disso, tanto o lado I como II possuem a mesma 
concentração de KCl. Como não há diferença de concentração, não haverá fluxo resultante de K ( 
 K=0). Se não há fluxo de íons, não haverá nenhuma diferença de potencial elétrico através da 
membrana (é o que o voltímetro está indicando). 
 
Em B, o lado I recebeu uma concentração 10 
vezes maior de KCl, ou seja, agora, os K
+
 poderão se 
difundir passivamente para o lado II, a favor do seu 
gradiente de concentração. O movimento de cátions para 
o lado II tornará esse lado mais positivo em relação ao 
lado I.Passado algum tempo (C) ainda que o gradiente 
químico de K continue a impelir os íons K para o lado II, 
o sistema entra em equilíbrio, isto é,  K=0. Por que? 
A medida que os K se difundem para o lado II, a 
diferença de potencial elétrico através da membrana vai 
progressivamente aumentado, até que o gradiente 
elétrico começa a se opor ao gradiente químico e o 
sistema entra em equilíbrio. O valor do potencial elétrico 
através da membrana que se opõe ao gradiente químico 
do K é chamado então de potencial de equilíbrio do K e pode ser determinado pela equação de 
Nernst. 
 
 
Em = RT ln [K]in = - 58mV a 20
o
C 
 [K]ext 
 
Por analogia, podemos calcular o potencial de equilíbrio para todos os íons permeáveis de 
uma célula de verdade, já que as concentrações químicas são conhecidas. 
 
 
 
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Ion Extracelular Intracelular Razão Extra/Intra Eion (37
o
 C) 
K
+ 
 5 mM 100 mM 1:20 - 80mV 
Na
+ 
150 mM 15 mM 10:1 + 62mV 
Ca
++ 
 2 mM 0,0002 mM .000:1 + 246mV 
Cl
- 
150 mM 13 mM 11,5:1 - 65mV 
 
Pelo que vimos até agora, é fácil imaginar que nem o Na e nem o Ca devem ser os íons 
responsáveis pelo Em do estado de repouso, já que o potencial de repouso observado é de – 65mV. 
Então, o Em deve ser causado pelo potencial de equilíbrio do K
+
 já que é o íon mais permeável e 
não apresenta fluxo resultante. De fato, alterações de concentração externa de K
+
 causam mudanças 
significativas no Em. 
O gráfico ao lado mostra que o aumento 
de [K]ext reduz progressivamente o Em a 
zero, ou seja, a membrana vai sofrendo 
despolarização. No sistema nervoso, 
qualquer excesso de K é rapidamente 
seqüestrado pelos astrócitos que garantem 
uma [K]ext baixa. 
A equação do potencial de equilíbrio de um íon (equação de Nernst) não leva em consideração a 
permeabilidade relativa dos íons através da membrana. Então, Goldmann e seus colegas propuseram 
que apesar da pNa ser muito baixa, haveria uma diferença de permeabilidade entre os íons onde pK 
> pNa na ordem de 40x. Isso significa que o EM real não poderia ser exatamente o potencial de 
equilíbrio do K (EK = - 80mV), mas um pouco menor, devido ao escoamento de correntes de Na. 
 
Em = RT ln pK[K]ext + pNa[Na]ext = - 65mV 
 pK[K]int + pNa[Na]int 
 
E o gradiente de concentração dos íons? Quem origina e o mantem durante o potencial de 
repouso? 
 
Como vimos, o potencial de difusão do K depende da sua elevada permeabilidade à 
membrana e a existência de um gradiente de concentração. Para manter esse gradiente químico 
através da membrana permanentemente é necessária fonte de energia externa ao sistema. A ATPase 
dependente de Na/K resolve o problema transportando 3Na e 2K contra os respectivos gradientes e 
assim, garantindo a sua manutenção. Quando a ATPase é bloqueada pela oubaina, os gradientes 
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químicos e elétricos existentes através da membrana celular se dissipam. Apesar de eletrogênica, a 
contribuição da bomba é insignificante para modificar o Em. 
 
Excitabilidade celular: bioleletrogênese e propagação do impulso nervoso 
 
Excitabilidade refere-se a propriedade de certas células 
alterarem transitoriamente Em decorrentes de determinados 
estímulos, a ponto de inverter completamente a polaridade 
elétrica. Tal evento elétrico é chamado de potencial de ação 
(PA). O PA começa com uma rápida despolarização seguida de 
regularização. A despolarização caracteriza-se pela entrada de 
cargas positivas no interior do neurônio o que vai reduzindo a 
diferença de potencial, até que ocorra a completa inversão de 
polaridade. Neste ponto, a face interna da membrana está 
carregada positivamente e a face interna, negativamente. Na repolarizaçâo, o Em volta aos valores 
do repouso graças à saída de cátions. A saída de cátions é tanta que a membrana chega ficar 
momentaneamente hiperpolarizada, isto é, torna-se mais negativamente carregada do que no 
estado de repouso. 
Um neurônio pode ser 
estimulado com 
correntes elétricas 
aplicadas por um 
eletrodo de estimulação. 
A figura ao lado mostra 
o neurônio exibindo 
vários eventos de PA 
enquanto está sendo 
estimulado 
eletricamente. As alterações do Em durante o PA são causadas pelo fluxo de íons (cargas elétricas) 
através da membrana. 
 
Comportamento dos potenciais de membrana das células excitáveis 
 
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A estimulação elétrica das células excitáveis causam outros dois tipos de respostas, alem do 
PA: 
 
1. distúrbios elétricos de baixa voltagem, conhecidos 
como potenciais eletrotônicos que são reações 
puramente passivas da membrana à aplicação do 
estímulo, sem ocorrer alterações de condutância 
iônica. Propaga-se rápida e passivamente a distâncias 
curtas. 
 
2. distúrbios conhecidos como resposta ou excitação local que vai além do potencial eletrotônico 
puro e são causadas por um aumento na condutância da membrana ao Na
+
 mas a despolarização se 
mantêm localizada, com distância perde energia potencial. Estes fenômenos ficam restritos, por 
exemplo, nos dendritos e no soma. 
 
O PA é um tipo de distúrbio elétrico de alta 
voltagem que é muito especial e ocorre somente 
quando a membrana do neurônio é despolarizada até 
um valor critico (potencial limiar). A figura ao lado 
ilustra um neurônio multipolar recebendo conexões 
nervosas aferentes. As regiões do corpo celular e dos 
dendritos são os sítios de recepção dos estímulos 
nervosos e respondem aos estímulos com potencias 
elétricos de baixa voltagem (a, b). Essas respostas 
elétricas são algebricamente computadas e propagadas 
eletrotonicamente até a zona de gatilho do PA no cone 
de implantação do axônio. 
Somente no cone o PA pode ser gerado e propagado ao longo do axônio. 
 
 
 
MECANISMOS GERADORES E CONDUTORES DO POTENCIAL DE AÇÃO 
 
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No cone e ao longo de todo o 
axônio há canais com comporta para o 
Na e K. Durante o repouso esses canais 
estão fechados e a membrana está 
polarizada (cargas negativas na face 
interna e cargas positivas na face externa). 
Se o segmento inicial do axônio for 
despolarizado até o potencial limiar, os 
canais de Na
+
 com comporta, sensíveis a 
voltagem, se abrem e o íon difunde-se 
passivamente para dentro do axônio. A 
entrada de cargas positivas despolariza a 
membrana ainda mais, abrindo mais canais 
de Na
+
 voltagem dependentes num ciclo de 
retro-alimentação positiva a ponto de 
inverter completamente a polaridade da 
membrana (mais cargas positivas na face 
interna). A despolarização continua até que o 
Em alcance valores próximos ao potencial de 
equilíbrio do Na
+
 (ENa). O novo Em se opõe 
ao fluxo passivo de Na e a entrada do cátion diminui. Ao mesmo tempo, os canais de Na voltagem 
dependentes fecham-se tão rapidamente quanto se abriram, tornando-se temporariamente inativos. 
Até aqui ficou claro como se dá a fase de despolarização do PA. 
E como ocorre a repolarizaçâo? Para que o Em volte ao estado de repouso, uma solução 
seria a de reduzir as cargas positivas da face interna da membrana por meio da saída de K. De fato é 
isso que acontece. Diferente dos canais de Na voltagem dependentes que se abrem e se fechamrapidamente os canais de K voltagem dependentes se abrem e se fecham lentamente. O K pode 
agora se difundir passivamente para fora da célula, a favor do seu gradiente elétrico e químico 
causando a repolarização sem qualquer gasto de energia. Como os canais de K
+
 fecharem-se 
lentamente, a face interna da membrana chega a acumular mais cargas negativas do que na condição 
de repouso, tornando-se momentaneamente hiperpolararizada. 
Os estudos com os canais unitários de Na e de K deixam claro que durante a despolarização 
ocorre entrada de corrente (íons) e durante a repolarização, saída em outras palavras movimentos 
de íons. É importante salientar que a quantidade de Na e de K que atravessa a membrana durante o 
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PA não causa qualquer alteração na concentração dos respectivos íons nos dois lados da membrana. 
A prova de que a entrada de íon Na é o responsável pelo desencadeamento do PA é reforçado pelos 
seguintes dados: se houver um grande aumento na concentração de Na extracelular, o neurônio se 
tornará facialmente excitável e se houver redução, ficará bastante inexcitável. O modo de ação dos 
anestésicos locais é um bom exemplo: a lidocaina inibe especificamente os canais de Na voltagem 
dependentes, impedindo a geração de PA nas células sensoriais causando a analgesia. Já a TTX é 
um potente veneno age do mesmo modo. 
 
Na figura ao lado um segmento do axônio possui um 
eletrodo de estimulação (s) e dois eletrodos de registros R1 
(mais próximo) e R2 (mais distante). Logo abaixo são 
mostrados os diferentes pulsos de correntes e os respectivos 
registros do Em. 
Repare que o PA só foi gerado apenas quando o 
estimulo indicado pela seta foi aplicado. Além disso, o PA foi 
registrado no ponto R1 e R2, ou seja, o evento elétrico se 
propagou de um lugar para outro e sem alterar a sua 
amplitude. 
A intensidade de estimulo capaz de gerar o PA é 
denominado estímulo limiar e o valor do potencial de 
membrana é denominado de potencial limiar. Os estímulos 
que só provocaram alterações de baixa voltagem (potenciais 
subliminares) são denominados estímulos subliminares. As intensidades acima do estímulo limiar 
são conhecidas como supralimiares. 
 
Propriedades do PA 
 
Se o axônio fosse bem curto, a condução da informação poderia ser feita por condução 
eletrotônica, mas como as mensagens neuronais percorrem distâncias longas, é essencial um 
mecanismo que garanta a total fidelidade da informação. Por exemplo, a condução de eletricidade 
através de cabos elétricos é bem rápida, mas a intensidade do sinal sofre um decaimento 
exponencial com a distância. Como então contornar a perda de sinal com a distância? A solução foi 
produzir um evento elétrico auto-regenerativo e auto-propagável como o PA cuja duração e 
amplitude se propagam imutavelmente ao longo do axônio. 
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Lei do Tudo-ou-Nada: Se um estímulo limiar for aplicado a uma célula excitável, a célula 
responderá com um PA e nada impedirá que o fenômeno seja adulterado. É por isso que o PA é 
conhecido como um fenômeno tudo-ou-nada. Isso ocorre por causa das propriedades intrínsecas 
dos canais voltagem-dependente que se abrem e se fecham sempre de maneira constante. O seu 
fechamento é automático, isto é, não depende de um estimulo. Assim, quando ocorre uma 
despolarização da membrana até o limiar, todos os canais se abrem e se fecham automaticamente. 
 
Decodificação de intensidade do estímulo. Se o PA é um fenômeno 
cuja amplitude não varia, como os neurônios decodificam variações 
de intensidade dos estímulos? A intensidade é codificada em função 
da freqüência dos PA gerados no axônio (numero de PA / unidade 
de tempo). A decodificação da variação de intensidade é realizada do 
estímulo limiar até um máximo. 
 
 
 Período refratário: Se um segundo estímulo limiar for aplicado, 
enquanto o primeiro PA já está em curso, não será possível 
desencadear outro PA, pois os canais de Na não estarão 
completamente inativados, isto é, fechados. Este período corresponde 
ao período refratário absoluto (PRA). A aplicação de um estímulo 
limiar em uma fase posterior, no curso final da repolarização será 
possível desencadear um PA, ainda que de menor amplitude. A este 
período denominamos período refratário relativo (PRR). Esta 
propriedade é também decorrente das propriedades dos canais 
voltagem dependente e indica que um novo PA só pode ser gerado quando a membrana estiver 
completamente repolarizada aos níveis de repouso. 
 
Curva Intensidade-Duração. Um estímulo forte despolariza 
rapidamente a membrana até o limiar e precisa de pouco tempo 
para causar um PA. Já um estímulo mais fraco requer mais tempo 
para que a mesma quantidade crítica de corrente flua através da 
membrana para despolarizar o limiar. O gráfico da curva 
intensidade-duração descreve esta relação. Isto quer dizer que além 
da intensidade, a duração do estímulo aplicado também é 
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igualmente importante para a manifestação do PA. A intensidade mínima de estímulo capaz de 
causar um PA é denominada reobase e o tempo necessário para sua aplicação, tempo de 
utilização. A duração que equivale ao dobro da reobase é denominada de cronaxia. 
 
Acomodação: se uma célula excitável for despolarizada muito lentamente até o limiar, não 
manifestará PA. Isto acontece porque os canais de Na abertos pela despolarização se tornam 
inativos antes de atingir o potencial limiar, limitando o número de canais críticos necessários para 
deflagrar o PA. Além disso, como os canais de K voltagem dependentes também se abrem, a 
membrana se torna refratária. 
 
Mecanismo de condução do impulso nervoso (visite site recomendado nos links ) 
 
Assim que o PA é gerado no cone de implantação ele se propaga ao longo do axônio até o 
terminal axônico, como se fosse um rastilho de pólvora em combustão. Como o PA se propaga da 
zona de gatilho até o seu terminal sem depender de novo estimulo e mantendo a sua amplitude e 
duração? 
A membrana citoplasmática é um mal condutor de cargas elétricas, ao contrário dos fluidos 
extra e intracelulares. Quando uma região da membrana sofre uma despolarização (zona ativa), as 
correntes iônicas se propagam longitudinal e transversalmente fechando o circuito. Estas correntes 
eletrotônicas despolarizam a membrana adjacente que se 
encontra em repouso. Assim, quando ocorre entrada de Na 
durante o PA, a região adjacente, “empurra” passivamente 
corrente negativa para a superfície da membrana, 
despolarizando-a passivamente. Esta resposta local despolariza a 
membrana até o seu limiar, ou seja, ativando canais iônicos 
vizinhos de Na e de K voltagem dependentes, gerando novo PA 
A figura ilustra a condução do PA em um axônio sem mielina. Repare que o PA está se propagando da esquerda 
pela direita: assim, primeiro vemos o influxo de Na (despolarização) seguido do efluxo tardio de K (repolarização) 
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e assim sucessivamente. Desta maneira o próprio PA serve de estímulo do PA sucessivo, garantindo 
a sua propagação autoregenerativa, sem qualquer custo adicional de energia metabólica. 
O PA é conduzido sempre do segmento inicial para o terminal axônico (anterogradamente) e isto 
não é devido a uma propriedadeinerente à membrana ou ao mecanismo de propagação. O sentido 
da condução não é revertido porque a membrana do axônio onde o PA acabou de ocorrer se torna 
refratária, i e, os canais de Na se encontram ainda inativos e os de K abertos. Portanto existe um 
efluxo de K que hiperpolariza a membrana, barrando qualquer despolarização eletrotônica 
anterógrada. 
O neurônio sensitivo periférico (neurônio pseudo-unipolar), entretanto possui um 
prolongamento mais longo na periferia que embriologicamente corresponde ao neurito dendritico, 
mas que especialmente podem gerar PA à semelhança dos axonios. 
 
 
Velocidade de Condução do PA 
 
Tipos de fibras nervosas de um nervo de mamífero 
Tipo de Fibra Função 
Diâmetro 
(m) 
Velocidade 
(m/s) 
Duração do 
PA (ms) 
PRA 
 (ms) 
A Propriocepção; Motor somático 10-20 70-120 
0,4 –0,5 0,4-1,0 
 Tato, pressão 5-12 30-70 
 Motor 3-6 15-30 
 Dor, temperatura, tato 2-5 12-30 
B 
Neurônio pré-ganglionar 
autonômico 
< 3 3-15 1,2 1,2 
C 
Raízes 
dorsais 
 
Dor, respostas reflexas 
 
0,4 – 1,2 
 
0,5 –2,0 
 
2 
 
2 
Simpático Neurônios pós-ganglionares 0,3 – 1,3 0,7 – 2,3 2 2 
 
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A tabela acima mostra que a velocidade de propagação dos impulsos depende de dois 
fatores: do calibre e se o axônio é mielinizado ou não. 
O gráfico ao lado resume estas informações. 
1) Diâmetro do axônio. Quanto maior o diâmetro, menor será a resistência ao fluxo de 
corrente no axoplasma e como conseqüência, maior a veleocidade. 
2) Mielinização da fibra. Uma outra maneira de aumentar a velocidade da condução é o de 
isolar o axônio eletricamente a intervalos fixos. Os gliócitos encapam os axônios com mielina com 
exceção dos nodos de Ranvier. O PA iniciado no cone é conduzido de nodo a nodo, onde os canais 
de Na e de K voltagem dependentes estão presentes. O PA no nodo seguinte é causado pela 
propagação eletrotônica de corrente gerado pelo PA anterior. Assim, ao invés do PA se propagar 
continuamente como acontece na fibra sem mielina, ocorre aos saltos, gastando menos tempo até os 
terminais nervosos. O aumento na velocidade de condução nervosa propicia rapidez na transmissão 
de informações sensoriais, na emissão de comandos motores para os órgãos efetuadores, bem como 
no processamento de sinais neurais pelo SNC. 
 
Potencial de ação de um nervo composto 
 
Um nervo periférico é constituído de várias fibras nervosas, tanto motoras como sensitivas 
(com a exceção de alguns nervos cranianos que possuem ou nervos sensitivos ou motores) e pode 
conter fibras mielinizadas como não mielinizadas. Tomando-se um nervo composto, é possível 
registrar o PA composto do nervo, estimulando-o experimentalmente. Na figura abaixo, os registros 
dos PA do nervo a partir de 3 eletrodos colocados a várias distâncias do eletrodo de estimulação. 
Note que o PA composto parece ser constituído de vários picos. O que se vê na verdade é a 
resultante de vários PA unitários das fibras nervosas que compõe o nervo; daí ser denominado de 
potencial de ação composto. O gráfico ilustra a reconstrução do PA composto mostrando o 
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tamanho relativo dos PA unitários conforme o calibre das fibras e a duração do impulso. Repare que 
a amplitude e a duração dos PA unitários são diferentes para cada tipo de fibra.