Estudo dirigido sobre Biofísica das Membranas Excitáveis

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Estudo dirigido sobre Biofísica das Membranas Excitáveis
Potencial de Repouso da Membrana
1) Explique o que é o “Circuito Equivalente da Membrana”. Inclua os conceitos de resistência (condutância), Gerador (bateria) e Capacitor da membrana biológica.
Observando a célula como se fosse um circuito, quanto menor a dimensão da membrana bi lipídica maior é a sua capacitância, ou seja, a parte externa da membrana seria o capacitor (grupo hidrofílico), no caso os fosfatos, os carbonos e hidrogênios que formam principalmente a cauda do lipídeo são ótimos isolantes (grupo hidrofóbico). A bateria desse circuito seria então a diferença de potencial dos íons, o gerador de energia para que os canais iônicos funcionem perfeitamente, neste caso eles teriam um papel de resistor do circuito. A condutância no sistema seria baixa caso houvesse alta permeabilidade e poucos íon para permear, e alta quando houvesse alta permeabilidade e muitos íons para permear.
2) O que você entende por Assimetria Iônica da membrana plasmática.
Distribuição diferencial de íons do lado de dentro e do lado de fora da membrana da célula, a assimetria é mantida por transporte ativo, contratransporte, cotransporte e transporte passivo.
3) O que é Potencial de Equilíbrio de um Íon? Como ele pode ser quantificado?
É a diferença do potencial elétrico na membrana celular que equilibra exatamente o gradiente de concentração de um íon, ou seja, a força elétrica anula a força química, sendo que este potencial de equilíbrio é específico para cada íon.
Pode ser quantificado pela equação de Nerst.
4) Qual a relação do Potencial de Equilíbrio de um íon com o Potencial de Repouso da Membrana?
O potencial de repouso da membrana pode ser igual ao potencial de equilíbrio se uma célula for 100% permeável a K+, no repouso apresenta mais canais de K+ abertos em comparação aos canais de outros íons.
5) Porque a Equação de Nernst foi substituída pela Equação de Goldmann-Hodgkin-Katz no cálculo do Potencial de Membrana das células?
A equação de Nernst determina o valor do potencial de membrana para o qual os fluxos de uma espécie iônica para dentro e para fora da célula se igualam, o potencial de equilíbrio, ela implica que os potenciais de equilíbrio do Na+ e do Ca2+ são positivos e que os potenciais de equilíbrio do K+ e do Cl- são negativos, isto tem implicações na determinação dos potenciais de repouso das células e na geração dos potenciais de ação em células nervosas. A equação de Goldman-Hodgkin-Katz (GHK) determina como a densidade de corrente depende das concentrações do íon dos dois lados da célula e do valor do potencial de membrana. 
6) Como podemos quantificar as Correntes Iônicas que fluem através da membrana de uma célula excitável em repouso?
Através da equação de Goldmann-Hodgkin-Katz 
7) Qual o papel da bomba de sódio-potássio na manutenção do Potencial de Membrana?
Manter a assimetria iônica, ela expulsa Na+ em excesso e recupera K+ perdido.
Potencial de Ação do Axônio
1) Qual a sua definição de Potencial de Ação nervoso e como ele pode ser registrado experimentalmente?
É uma variação do potencial de membrana da célula no repouso, rápida e reversível, ocorre a entrada abrupta de Na+ na célula em resposta a um estímulo supra linear, abrindo os canais e elevando o PA e após isso uma saída lenta de K+, a lentindão no fechamento dos canais de K+ faz a célula repolarizar (voltar ao seu estado de repouso) e depois se hiperpolarizar, nesse momento a bomba de Na+ e K+ entra em ação para restaurar o potencial de repouso.
Por meio de dois eletrodos conectados ao axônio.
2) Quais são as fases do Potencial de Ação do axônio e como elas podem ser explicadas?
A célula nervosa recebe um estímulo externo que faz os canais de sódio se abrirem abruptamente, assim, por difusão, o sódio que estava concentrado do lado de fora entra na célula causando a despolarização. 
Ao atingir a despolarização fecham-se os canais de sódio e abrem-se os canais de potássio permitindo a saída de potássio da célula e a membrana inicia o processo de repolarização, pois atingiu o período de ultrapassagem, “overshoot”. 
Como os canais de potássio demoram para se fechar acaba saindo mais potássio que o da quantidade do repouso, nota-se que a membrana entra em um estado de hiperpolarização, pois o potencial de membrana está mais negativo do que quando em repouso. 
Para sair desse estado em que se encontra, é ativado o mecanismo da bomba de Na+ e K+, que faz com que a membrana retorne ao estado de repouso, tornando-se polarizada novamente.
3) Quais as principais características do Potencial de Ação do axônio?
O PA apresenta várias características importantes que podem ser explicadas com base nas mudanças de permeabilidade iônica:
O PA É DISPARADO POR UMA DESPOLARIZAÇÃO: O estímulo que inicia um PA em um neurônio é uma redução do potencial de membrana, isto é, uma despolarização. Normalmente essa desplarização é produzida por um estímulo externo, como o estiramento de um músculo no caso do reflexo patelar ou pela ação de outro neurônio, como na excitação do neurônio sensorial sobre o neurôniomotor da medula espinhal.
UM LIMIAR DE DESPOLARIZAÇÃO DEVE SER ATINGIDO PARA QUE UM PA SEJA DISPARADO: Uma pequena despolarização da membrana não é suficiente para deflagar um PA. Na maioria dos neurônios é necessário uma despolarização de 10-20 mV. Se o neurônio possui um Em=-70 mV, esse potencial deve ser reduzido para -50 mV para disparar o PA.
O PA É UMA RESPOSTA DO TIPO "TUDO OU NADA": Se o estímulo for supralimiar, a amplitude do PA independe da magnitude do estímulo, isto é, a amplitude e a forma do PA mantém-se sempre constante.
O PA PROPAGA-SE AO LONGO DO AXÔNIO COM A MESMA AMPLITUDE E DURAÇÃO, EMBORA COM VELOCIDADE BEM MENOR DO QUE A ELETRICIDADE EM UM FIO ELÉTRICO: A velocidade decondução em uma fibra nervosa de mamífero é aproximadamente 10-20 m/s, podendo atingir até 100 m/s.
NO PICO DO PA, O POTENCIAL DE MEMBRANA REVERTE O SEU SINAL, TORNANDO-SE POSITIVO NA FACE INTERNA: Esse evento é chamado “overshoot". Quando o PA se repolariza em direção ao Em normal, a membrana torna-se ligeiramente mais negativa do que no repouso. Essa faz é chamada ündershoot" do PA.
DEPOIS DE UM NEURÔNIO DISPARAR UM PA EXISTE UM PERÍODO CHAMADO PERÍODO REFRATÁRIO ABSOLUTO DURANTE O QUAL É IMPOSSÍVEL DERAR UM SEGUNDO PA: O período refratário absoluto varia de neurônio para neurônio mas geralmente é de 1 ms. Essa restrição limita o número de PA que podem ser disparados por segundo em 1000 (frequência de disparo).
4) Por que os biofísicos (em colaboração com os engenheiros eletrônicos) criaram a Técnica de Fixação de Voltagem?
Para entender a causa e o efeito do PA. A entrada rápida de sódio e a saída lenta de potássio (causa), geram uma variação no potencial de repouso da membrana (efeito).
5) O que é observado quando um estímulo despolarizante supra-limiar é aplicado em um axônio conectado a um circuito de Fixação de Voltagem?
Registra a variação das correntes na membrana quando um PA é gerado na célula, uma corrente de entrada negativa (entrada de sódio que despolariza o axônio e gera o PA) e uma corrente de saída positiva (saída de potássio para a repolarização do axônio).
6) Descreva as características biofísicas das correntes de sódio e potássio geradas quando um estímulo despolarizante supra-limiar é aplicado em um axônio.
Quando uma célula excitável (neurônio) recebe um estímulo nervoso do tipo limiar ou supralimiar, sua d.d.p. de repouso é elevada até o limitar de despolarização ou o ultrapassa, respectivamente, desencadeando o potencial de ação. Neste momento, na membrana celular abrem canais de sódio (Na+). Com isso, grande quantidade de sódio entra na célula, tornando seu interior mais positivo e seu exterior mais negativo. Este mecanismo é conhecido como despolarização e a d.d.p. nesta fase é aproximadamente +45mv.
A entrada de grande quantidade de Na+ na célula estimula o fechamento dos canais de Na+ e a imediata abertura de canais de K+, ocorrendo a saída de K+. Nesta fase, a bomba de sódio-potássiofunciona transportando ativamente três moléculas de Na+ para o exterior e recolocando duas moléculas de K+ no interior da célula, tornando seu interior mais negativo e seu exterior mais positivo.
O transporte ativo de íons envolve gasto de energia, nesse caso, ocorre o aumento da atividade metabólica celular para a obtenção de maior suprimento energético. Na célula, uma molécula de adenosina trifosfato (ATP) é quebrada, liberando um fosfato inorgânico (Pi), uma molécula de adenosina difosfato (ADP) e energia, necessária para o transporte dos íons. A repolarização faz com que o potencial de membrana volte a ser negativo, retornando a sua d.d.p. normal de potencial de repouso (-75 mV).
Quando uma célula recebe um estímulo inibitório, ocorre a saída do íon potássio (K+) e a entrada do íon cloro (Cl-), tornando o meio interno da célula mais negativo e o meio externo mais positivo, inibindo a propagação do potencial de ação. A hiperpolarização dura alguns milissegundos e, nesta fase, a d.d.p. pode chegar até a -90mV.
7) Qual o efeito da Tetrodo Toxina (TTX) e do Tetra Etil Amônio (TEA) sobre as correntes iônicas que geram o potencial de ação do axônio.
TTX bloqueia a abertura de canais de sódio, não permitindo a despolarização.
TEA bloqueia a abertura de canais de potássio, não permitindo a repolarização.
Potencial de Ação Cardíaco
1) Quais são as fases do Potencial de Ação do músculo cardíaco e como elas podem ser explicadas?
Fase 0: DESPOLARIZAÇÃO, fase de subida rápida por conta da entrada abrupta de íons Na+ para o interior da célula, isto eleva ainda mais polaridade da membrana, até atingir entre +20 mV a +30 mV.
Fase 1: REPOLARIZAÇÃO PARCIAL INCOMPLETA, onde os canais de Na+ são inativados bruscamente, canais de Cl – se abrem por um curto período para entrada de Cl-, e os íons K+ saem da célula, o PA diminui de +20 para 0 mV.
Fase 2: PLATÔ, tempo prolongado onde não há alteração do PA, mantém-se em 0 mV, devido a entrada lenta de Ca+, pelos canais do tipo L, e Na+ e saída contrabalanceada de K+.
Fase 3: REPOLARIZAÇÃO, abertura dos canais de K+, grande quantidade de K+ saíndo e fechamento dos canais de Ca+ e a célula vai se repolarizando a célula até a fase 4.
Fase 4: REPOUSO, onde todos os canais se fecham só ficam abertos os de: Na, Ca e K lentos, que são responsáveis pelo equilíbrio eletroquímico. Bombas de Ca e Na e K atuam mantendo a assimetria iônica.
2) Explique onde tem origem o potencial de ação do coração.
No nodo sinoatrial, ao lado da entrada da veia cava no átrio direito.
3) Discorra sobre as vias de condução dos potenciais cardíacos através dos átrios e ventrículos.
O ciclo cardíaco começa no nódulo sinoatrial ao lado da entrada da veia cava no átrio direito, as despolarizações que surgem no nódulo sinusal que se espalham (via junções GAP) rapidamente pelos dois átrios e depois entram para os dois ventrículos por uma única via de entrada que seria o nódulo atrioventricular (marca passo cardíaco). Entrando no nodo atrioventricular as despolarizações percorrem rapidamente o sistema pelo feixe de Risse do lado esquerdo e direito e pelas fibras de Purkinje que vão irrigar as duas paredes dos ventrículos direito e esquerdo.
4) Como variam as condutâncias para os íons sódio, potássio e cálcio ao longo das fases do potencial de ação cardíaco?
Fase 0: alta condutância de Na+.
Fase 1: condutância de Cl-.
Fase 2: condutância de Ca+.
Fase 3: alta condutância de K+.
Fase 4: condutância de todos os íons.
5) Como se origina o potencial de ação no nódulo sinusal (marca-passo cardíaco)?
Começa quando o estímulo proveniente do nodo sinusal é transmitido célula-a-célula. Alguns canais de sódio se abrem e os íons Na+ se movem para dentro da célula. Isto deixa o interior da célula menos negativo (ou mais positivo).
6) Qual o papel das junções comunicantes (“Gap Junctions”) na propagação dos potenciais de ação cardíacos?
Ligam as células e permitem a troca de íons e as ligam eletricamente permitindo a contração quase que simultânea de todas as células.
7) Quais as semelhanças e diferenças e as diferenças dos potenciais de ação do nervo e do coração?
Diferenças: a duração (cardíaco é mais lento, causada pelo platô e a entrada de cálcio), repolarização parcial (não acontece no PA nervoso) e a hiperpolarização (não acontece no PA cardíaco).
Semelhanças: despolarização e repolarização. 
Estudo dirigido sobre Biofísica das Membranas Excitáveis
 
Potencial de Repouso da Membrana
 
1)
 
Explique o que é o “Circuito Equivalente da Membra
na
”. Inclua os conceitos 
de resistência (condutância), Gerador (bateria) e Capacitor da membrana 
biológica.
 
Observando a célula como se fosse um circuito, quanto menor a dimensão da membrana 
bi lipídica maior é a sua 
capacitância
, ou seja, a
 
parte externa da 
membrana seria o 
capacitor
 
(grupo hidrofílico), no caso os fosfatos
, os carbonos e hidrogênios que formam
 
principalmente a cauda do lipídeo são ótimos 
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(grupo hidrofóbico)
. A 
bateria
 
desse circuito seria então a diferença de potencial dos íons, o gerador de energia para que 
os canais iônicos funcionem perfeitamente, neste caso eles teriam um papel de 
resistor
 
do circuito. A 
condutância
 
no sistema seria baixa caso houvesse alta permeab
ilidade e 
poucos íon para permear, e alta quando houvesse alta permeabilidade e muitos íons para 
permear.
 
2)
 
O que você entende por Assimetria Iônica da membrana plasmática.
 
Distribuição diferencial de íons do lado de dentro e do lado de fora da membrana da 
c
élula, a assimetria é mantida por transporte ativo, contratransporte, cotransporte e 
transporte passivo.
 
3)
 
O que é Potencial de Equilíbrio de um Íon? Como ele pode ser quantificado?
 
É a d
iferença do potencial elétrico na membrana celular que equilibra exatam
ente o 
gradiente de concentração de um íon,
 
ou seja, a força elétrica anula a força química, sendo 
que este potencial de equilíbrio é específico para cada íon.
 
Pode ser quantificado pela equação de Nerst.
 
4)
 
Qual a relação do Potencial de Equilíbrio de um íon
 
com o Potencial de 
Repouso da Membrana?
 
O 
potencial de repouso da membrana pode ser igual ao potencial de equilíbrio se uma 
célula for 100% permeável a K+, no repouso apresenta mais canais de K+ abertos em 
compa
ração aos canais de outros íons.
 
5)
 
Porque a Eq
uação de Nernst foi substituída pela Equação de Goldmann
-
Hodgkin
-
Katz no cálculo do Potencial de Membrana das células?
 
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de uma espécie iônica para dentro e para fora da cél
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implica que os potenciais de equilíbrio do Na+ e do Ca2+ são positivos e 
que os potenciais de equilíbrio do K+ e do Cl
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determinação dos potenciais de repouso das células
 
e na geração dos potenciais de ação 
em células nervosas
. A equação de Goldman
-
Hodgkin
-
Katz (GHK) determina como a 
densidade de corrente depende das concentrações do íon dos dois lados da célula e do 
valor do potencial de membrana. 
 
 
Estudo dirigido sobre Biofísica das Membranas Excitáveis 
Potencial de Repouso da Membrana 
1) Explique o que é o “Circuito Equivalente da Membrana”. Inclua os conceitos 
de resistência (condutância), Gerador (bateria) e Capacitor da membrana 
biológica. 
Observando a célula como se fosse um circuito, quanto menor a dimensão da membrana 
bi lipídica maior é a sua capacitância, ou seja, a parte externa da membrana seria o 
capacitor (grupo hidrofílico), no caso os fosfatos, os carbonos e hidrogênios que formam 
principalmente a cauda do lipídeo são ótimos isolantes (grupo hidrofóbico). A bateria 
desse circuito seria então a diferença de potencial dos íons, o gerador de energia para que 
os canais iônicos funcionem perfeitamente, neste caso eles teriam um papel de resistor 
do circuito. A condutância no sistema seriabaixa caso houvesse alta permeabilidade e 
poucos íon para permear, e alta quando houvesse alta permeabilidade e muitos íons para 
permear. 
2) O que você entende por Assimetria Iônica da membrana plasmática. 
Distribuição diferencial de íons do lado de dentro e do lado de fora da membrana da 
célula, a assimetria é mantida por transporte ativo, contratransporte, cotransporte e 
transporte passivo. 
3) O que é Potencial de Equilíbrio de um Íon? Como ele pode ser quantificado? 
É a diferença do potencial elétrico na membrana celular que equilibra exatamente o 
gradiente de concentração de um íon, ou seja, a força elétrica anula a força química, sendo 
que este potencial de equilíbrio é específico para cada íon. 
Pode ser quantificado pela equação de Nerst. 
4) Qual a relação do Potencial de Equilíbrio de um íon com o Potencial de 
Repouso da Membrana? 
O potencial de repouso da membrana pode ser igual ao potencial de equilíbrio se uma 
célula for 100% permeável a K+, no repouso apresenta mais canais de K+ abertos em 
comparação aos canais de outros íons. 
5) Porque a Equação de Nernst foi substituída pela Equação de Goldmann-
Hodgkin-Katz no cálculo do Potencial de Membrana das células? 
A equação de Nernst determina o valor do potencial de membrana para o qual os fluxos 
de uma espécie iônica para dentro e para fora da célula se igualam, o potencial de 
equilíbrio, ela implica que os potenciais de equilíbrio do Na+ e do Ca2+ são positivos e 
que os potenciais de equilíbrio do K+ e do Cl- são negativos, isto tem implicações na 
determinação dos potenciais de repouso das células e na geração dos potenciais de ação 
em células nervosas. A equação de Goldman-Hodgkin-Katz (GHK) determina como a 
densidade de corrente depende das concentrações do íon dos dois lados da célula e do 
valor do potencial de membrana.