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FISIOLOGIA – AULA 1 (REMOTO) Neurofisiologia Potencial de Membrana em Repouso Todas as células do organismo apresentam diferença de potencial elétrico através da membrana celular (Vm). Além disso, algumas células apresentam excitabilidade, como as células nervosas, musculares e são capazes de gerar impulsos elétricos que se modificam com grande rapidez em suas membranas e esses impulsos são usados para transmitir sinais por toda a membrana. Ainda, em outros tipos de células como as glandulares, macrófagos e células ciliadas, alterações locais dos potenciais de membrana também ativam muitas funções celulares. Potencial de Membrana em Repouso: O potencial de membrana em repouso é a diferença de potencial existente através da membrana das células excitáveis no período em que não estão transmitindo impulso elétrico. Medir o potencial de membrana é simples na teoria e complicado na prática, em razão das pequenas dimensões da maioria das células. Nas condições de repouso, o potencial elétrico no interior da membrana é negativo. Dois eletrodos conectados a um voltímetro (mede voltagens pequenas mV – milivolts). Quando os eletrodos estão na solução salina o voltímetro registra um potencial de zero mV (potencial do líquido extracelular). Conforme o eletrodo passa através da membrana celular o registro do voltímetro passa para o valor negativo. O potencial de repouso é negativo na face interna da célula em comparação com a face externa. Ex. Nas fibras nervosas mais grossas e nos cardiomiócitos contráteis o potencial de repouso é -90mV, ou seja, o potencial de dentro da célula é 90mV mais negativo do que o potencial no líquido extracelular. Como é criado um potencial negativo dentro da célula: Dois compartimentos A e B, separados por uma membrana, dois eletrodos ligados a um voltímetro, no voltímetro está registrado valor 0, porque há equilíbrio de cargas. Para cada cátion (X), tem um ânion (Y), então há uma neutralidade no compartimento. A seta representa a força difusional, gerada pela diferença de concentração das substâncias no compartimento A e B. Como o cátion X e o ânion Y estão mais concentrados em A do que em B, essa diferença de concentração é que gera a força difusional (gradiente de concentração). Agora tornamos a membrana permeável a apenas um dos elementos (cátion X), graças a força difusional nós temos um gradiente de concentração onde o X passa do lado A para o lado B e por ser carregado positivamente torna o lado B positivo, já o lado A fica com excesso de Y negativo, gerando negatividade no compartimento A. O ânion Y não passa para o lado B porque não existe permeabilidade para ele. A membrana é seletiva e possui permeabilidade somente para o cátion, por isso houve divisão de cargas. O voltímetro passa a registrar potencial negativo, nos referimos ao potencial intracelular com relação ao extracelular. Força difusional ≠ força elétrica: como separamos cargas, um lado da membrana ficou negativo e outro positivo, cargas elétricas com sinais opostos se atraem. A negatividade gerada do lado A passa a atrair B, resumindo o cátion se difunde por seu gradiente de concentração, carreia cargas positivas através da membrana, deixando o lado B positivo e o lado A negativo e agora a eletronegatividade em A retarda ou interrompe a continuidade dessa difusão. Nesse ponto alcançamos o equilíbrio eletrolítico do íon X+. Potencial de equilíbrio eletroquímico: é o potencial no qual a força elétrica é igual e em sentido oposto a força difusional do íon, não mais ocorrendo movimentação efetiva. Membrana do neurônio: a face interna da membrana plasmática com acúmulo de cargas negativas e face externa da membrana com acúmulo de cargas positivas. Quando temos essa diferença de potencial elétrico dentro e fora da célula, com negatividade em seu interior, dizemos que a célula está em repouso. Existe diferença de concentração de diversos íons através da membrana plasmática, em destaque Na+ (mais concentrado fora da célula), K+ (mais concentrado dentro da célula). A existência do potencial de repouso deve- se principalmente a diferença de concentração de Na+ e K+ dentro e fora da célula. Essa diferença é mantida por meio de um mecanismo de bombeamento ativo de íons pelas membranas celulares, em que Na+ é forçado a sair da célula e o K+ a entrar (bomba sódio-potássio-ATPase) Quais são os fatores que geram o potencial da membrana em repouso? O potencial de membrana em repouso é estabelecido por potenciais de difusão resultante das diferenças de concentração dos diversos íons pela membrana, cada íon permeável tenta levar o potencial de membrana ao valor do seu próprio potencial de equilíbrio, sendo que os íons com maiores permeabilidades em repouso fazem as maiores contribuições ao potencial de membrana em repouso e os com menores permeabilidades contribuem pouco. Durante o repouso a membrana plasmática é muito permeável ao íon potássio, que sai da célula. O principal íon que contribui para a geração de um potencial elétrico através da membrana plasmática (negativo no lado intracelular), em condições de repouso, é o íon K+. Sendo assim, o potencial de repouso se aproxima do potencial de equilíbrio eletroquímico do potássio. Canais proteicos inseridos na membrana que são específicos para cada íon ou substância conferem a permeabilidade da membrana. Os canais de vazamento de K+ permanecem abertos durante o repouso, conferindo alta condutância, ou seja, facilidade para os íons K+ fluírem através de.les,. A força difunsional do potássio é para ele sair ou entrar na célula? Sair, porque ele é mais concentrado dentro do que fora da célula. O principal determinante do potencial de repouso é a alta permeabilidade da membrana plasmática ao K+ e graças ao seu gradiente químico temos uma força difusional de saída da célula., levando consigo cargas positivas para fora e deixando no interior da célula os ânions correspondentes. Podemos resumir que o principal íon que contribui para a geração de um potencial elétrico através da membrana plasmática negativo no lado intracelular em condições de repouso é o íon K+, sendo assim o potencial de repouso se aproxima do potencial de equilíbrio eletroquímico do potássio. Calcular o potencial de equilíbrio eletroquímico do potássio: Equação de Nerst: calcula o potencial de equilíbrio eletroquímico (E) de um íon. Ou seja, no interior da célula nós temos registrado o valor de 94 mV mais negativo do que fora da célula, nós não temos mais fluxo efetivo do potássio, pois ele está no seu equilíbrio. Exemplo de membrana permeável somente ao K+: • Maior concentração de K+ intracelular: tende a saída destes íons (efluxo), devido ao gradiente de concentração. • Com o efluxo de K+, cargas positivas fluem para fora da célula e gera eletronegatividade intracelular em função dos ânions (proteínas e fosfatos) que permanecem dentro da célula. • A célula com cargas negativas internamente cria um gradiente elétrico (força elétrica) que se opõe à saída de K+ adicional. • Atinge-se o potencial de equilíbrio eletroquímico do K+ em -94Mv. Agora existe uma força difusional para o efluxo do potássio, mas também existe uma força elétrica para a permanência do potássio dentro da célula. Quando essas duas forças se equivalem (tem um mesmo valor em módulo), só que na direção oposta, nós vamos ter o potencial de equilíbrio eletroquímico. Calcular o potencial de equilíbrio eletroquímico do sódio: O Exemplo de membrana permeável somente ao Na+: • Maior concentração de Na+ extracelular: tende a saída destes íons (influxo) devido ao gradiente de concentração. • Com o influxo de Na+, cargas positivas fluem para dentro da célula. • A célula com cargas positivas internamente, cria um gradiente elétrico que se opõe aentrada de Na+ adicional. • Atinge-se o potencial de equilíbrio eletroquímico do Na+ em +61Mv. Essas análises levam em consideração a membrana permeável somente ao K+ ou o Na+, mas na realidade a membrana tem canais abertos (canais de vazamentos) específicos para os dois íons, porém mais canais de K estão abertos comparados com os canais de Na, por isso a permeabilidade ao potássio é maior em repouso. Relação da permeabilidade em repouso Quando uma célula é permeável a vários íons, o potencial de repouso desenvolvido pela célula é diretamente proporcional a permeabilidade da membrana aos íons. Equação de Goldman-Hodgkin-Katz. Essa equação leva em consideração o potencial de equilíbrio eletroquímico de cada íon, mas também a sua condutância, que está relacionada a permeabilidade do íon. Na fibra nervosa em repouso a permeabilidade da membrana ao potássio chega a ser 100x maior do que a permeabilidade ao sódio. Bomba Na+/K+ ATPase Contribui para a geração do potencial de membrana em repouso negativo do lado intracelular de duas maneiras: 1ª - responsável por manter as diferenças de concentração de Na+ e K+ entre o meio intra e extracelular. 2ª - a bomba é eletrogênica, porque ela tira 3 íons Na+ e coloca apenas 2 íons K+. A bomba está inserida na membrana e tem atividade ATPase, pois transporta íons contra o gradiente de concentração, por isso precisa ser energizada. No primeiro ciclo tem-se a ligação de 3 Na+ na face intracelular da membrana, o Na+ é menos concentrado dentro da célula, então, por isso a bomba precisa ser energizada. Após a saída dos Na+ ocorre uma alteração conformacional no sítio de ligação onde vão se ligar agora 2 K+ e a bomba vai coloca-los para dentro da célula. Ela é eletrogênica porque tira mais cátions do que incorpora cátions, então existe a perda efetiva de uma carga positiva a cada ciclo que a bomba gera. Fatores que contribuem para a geração do potencial elétrico de repouso através da membrana celular: 1- Saída de potássio da célula, devido à alta permeabilidade da membrana plasmática a esse íon, e devido sua diferença de concentração (mais concentrado dentro da célula). Vai existir uma corrente de efluxo de potássio até que o potencial eletroquímico do potássio seja atingido (-94Mv). 2- A membrana durante o repouso também é menos permeável ao sódio, que está mais concentrado fora da célula. Vai acontecer influxo de sódio, porém não vai chegar nem perto do potencial de equilíbrio eletroquímico do sódio porque a permeabilidade a esse íons durante o repouso é muito pequena. Então acaba contribuindo bem pouco, mas o suficiente para tornar esse potencial que era de -94Mv um pouco menos negativo, atinge -86Mv, que foi o valor aqui nós calculamos pela equação de Goldman. 3- Bomba Na+/K+ ATPase eletrogênica, que causa déficit de cargas positivas intracelulares. Contribui com -4mv para o potencial de repouso, ficando -90mV.