Bioeletrogênese. Professora Maíra Valle

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1 Bioeletrogênese Professora Maíra Valle

2 Entre eu pensar em algo e executar quanto tempo leva??? Pode levar por volta de 10 ms Velocidade de condução máxima 430 Km/h

3 A rapidez e eficiência do SN depende da BIOELETROGÊNESE As células excitáveis são capazes de propagar sinais elétricos rápidos como resposta a um estímulo. Em especial neurônios, mas também outras células com as musculares na contração e células beta do pâncreas na secreção de insulina ELETRICIDADE é um termo geral que abrange uma variedade de fenômenos resultantes da presença e do fluxo de carga elétrica

4 Histórico Luigi Galvani (Sec XVIII) Alessandro Volta (Sec XIX)

5 Potencial elétrico é a capacidade que um corpo energizado tem de realizar trabalho, ou seja, atrair ou repelir outras cargas elétricas. Por que é importante entender os potenciais elétricos celulares? Potencial elétrico: Estoque de energia Dessa energia dependem: Transporte de moléculas; Regulação do ph celular; Propagação elétrica (potencial de ação); Secreção de substâncias como hormônios e neurotransmissores; Absorção, reabsorção, secreção no TGI e nos néfrons.

6 Células possuem ddp diferença de potencial elétrico entre o meio extracelular e intracelular Células funcionam como uma pilha

7 Diferença de potencial elétrico

8 Corrente elétrica A corrente ele trica e fluxo ou movimento de ele trons de um ponto com excesso dessas partićulas para outro ponto com falta dessas partićulas. Esse movimento ocorre atraveś de um meio metaĺico (como um fio ele trico de cobre ou alumińio) ou por meio de estruturas quiḿicas chamadas ións, como no caso das células.

9 Íons O a tomo que perdeu ou ganhou ele trons em razão de reações químicas passa a ser denominado ión, que pode ser classificado de duas maneiras: Entre as superfićies interna e externa da membrana celular, naõ existem metais, mas, sim uma soluc aõ eletroli tica. Neste caso, a corrente ele trica flui por meio dos ións da soluc aõ. Ca tion: ión com carga(s) positiva(s). Ex.: Na +, K +, Ca 2+ A nion: ión com carga(s) negativa(s). Ex.: Cl -

10 Principais íons Dentro da célula

11 DDP ou Potencial de membrana LEC: Líquido extracelular LIC: Líquido intracelular O potencial do nome vem do fato de que o gradiente elétrico criado pelo transporte ativo de íons através da membrana celular é uma forma de energia armazenada.

12 Íons se movem passivamente por Gradiente químico (dada pela diferença de concentração entre interior e exterior da célula); Gradiente elétrico para o íon (dado pela relação entre o potencial elétrico de membrana e pela carga do íon); Exemplo: A força de difusão do K + é para a saída da célula, umas vez que sua [] é maior intracelular. Porém, a força elétrica é para sua entrada, uma vez que o interior é negativo e o íon é um cátion. A combinação do gradiente elétrico e químico é chamada de gradiente eletroquímico.

13 Conceitos básicos 1- Os fluídos do organismo seguem o princípio da eletroneutralidade, ou seja, mesmo número de cargas positivas e negativas. 2- Cargas opostas se atraem; 3-Como um isolante elétrico muito fino, a membrana celular pode funcionar como um capacitor. O capacitor e um dispositivo composto por placas condutoras separadas por material isolante (diele trico), capazes de armazenar carga e energia ele trica, que funciona como uma pilha de descarga imediata

14 Conceitos básicos 3- A membrana celular é um isolante elétrico, isto é, não permite a passagem de íons; 4- Separar as cargas opostas requer gasto de energia (ATP!); 5 - Os íons atravessam a membrana pelos poros de proteínas (canais) ou são transportados pelos transportadores primários e secundários;

15 Íons não se difundem livremente pela membrana celular

16 Os íons atravessam as membranas por

17 Três propriedades importantes dos canais iônicos 1. Reconhecem íons específicos 2. Abrem e fecham em resposta a sinais específicos elétricos, mecânicos ou químicos 3. Conduzem íons através da membrana em velocidades extremamente rápidas, proporcionando, assim, um grande fluxo de cargas elétricas ( íons/min/canal)

18 Conceitos básicos O que causa a diferença de concentração de cargas na membrana? -Distribuição assimétrica de íons no lado interno e externo das membranas celulares; - Excesso de cargas negativas não difusíveis (ânions orgânicos). - Diferentes canais para íons, inclusive, com permeabilidades diferentes.

19 Quais são os canais/bomba responsáveis pela ddp? Canal de Sódio Canal de Potássio mais importante *alta permeabilidade Bomba Sódio/Potássio

20 A maioria das células é cerca de 40 vezes mais permeável ao K + do que ao Na + K + alta permeabilidade Ânions orgânicos (proteínas, PO 4 3- ) totalmente impermeáveis Aumento de permeabilidade transitória quando canais se abrem em decorrência de estímulos) Na + e Ca 2+ baixa permeabilidade Cl - baixa permeabilidade

21 Bomba Na + /K + A bomba apresenta 2 Efeitos: - Bomba Eletrogênica: transferência efetiva de carga positiva para o meio extracelular (3 Na+ para fora e 2 K + para dentro da célula). - Cria um gradiente de concentração para o Na + e o K + Porém, ela não é a principal causadora da ddp

22 Pausa pedagógica Qual é o principal cátion intracelular? E extracelular? A carga negativa dentro da célula deriva principalmente de quais componentes químicos? Quais gradientes são responsáveis pela taxa de difusão de um íon através de uma membrana? Explique resumidamente cada um.

23 Potencial de equilíbrio para um íon (Eíon) É a voltagem através da membrana em que não há fluxo de um íon específico através dela. Ou seja, é o momento em que o gradiente químico e o gradiente elétrico se anulam. O sistema atingiu o equilíbrio eletroquímico. É calculado pela equação de Nernst

24 Ex: Potencial de quilíbrio potássio (EK + ) Ek + = 61 mv. log [K + ] LEC Z [K + ] LIC Ek + = 61 mv. log Ek + = 61 * (-1,477) mv LIC K mm Célula em repouso LEC K + 5 mm Ek + = -90 mv Potencial de Equilíbrio: Diferença de potencial necessária para anular a força difusional do LIC para o LEC

25 E se invertermos as []? Como fica o EK +? Ek + = 61 mv. log [K + ] LEC Z [K + ] LIC Ek + = 61 mv. log LIC K + 5 mm Obs.: Situação hipotética LEC K mm Ek + = 61 * (1,477) mv Ek + = +90 mv Se invertermos as as [], invertemos o potencial de equilíbrio.

26 Potencial de equilíbrio e concentração dos íons nas células de mamíferos Os íons tendem a buscar o seu potencial de equilíbrio (energicamente mais favorável). Porém, a capacidade de um íon em se aproximar do seu potencial de equilíbrio depende da permeabilidade da membrana a esse dado íon.

27 O que cria a ddp? 1. O gradiente de concentração de íons entre LEC e LIC. 2. A membrana celular seletivamente permeável. Gradiente químico

28 Como a ddp é formada? Gradiente elétrico

29 Porém, vários íons são capazes de se mover através da membrana O potencial de repouso de uma célula (Vm) pode ser calculado ao se levar em consideração as concentrações intra e extracelulares dos íons aos quais a membrana é permeável considera os gradientes de concentração de íons permeáveis e a permeabilidade relativa da célula para cada íon Equação GHK: Soma ponderada dos potenciais de equilíbrio para o Na +, K +, Cl - e outros. Se a membrana não é permeável a um íon, o valor de permeabilidade daquele íon é zero, e o íon sai da equação. Por ex., células em repouso normalmente não são permeáveis ao Ca 2+ e, portanto, o Ca 2+ não faz parte da equação GHK.

30 Potencial de Repouso Universal todas as células possuem uma diferença de potencial (ddp) em repouso Célula sempre eletricamente negativa -90mV<Vm<-20mV Estável em escala de tempo de segundos

31 Medida do potencial de membrana

32 Pausa pedagógica 1. Quais íons, dentre esses, encontram-se mais próximos do equilíbrio eletroquímico numa célula de mamífero em repouso (Vm: -70mV)? Qual a tendência de cada íon segundo o gradiente químico e o gradiente elétrico? 2. Em uma célula em repouso elétrico, qual dos dois íons, sódio ou potássio, apresenta o gradiente eletroquímico de maior magnitude? Por quê? 3. Se uma célula artificial, produzida em laboratório, tivesse permutados os valores das permeabilidades de sódio e de potássio, como seria o potencial elétrico de repouso observado na membrana dessa célula, em comparação a uma célula normal? Justifique sua resposta.

33 Alterações do potencial de repouso podem ser hiperpolarizantes ou despolarizantes Despolarização Vm menos negativo Estimulatórias Hiperpolarização Vm mais negativo Inibitórias

34 Potencial graduado A mudança no potencial de repouso de uma célula é chamada de POTENCIAL GRADUADO, ou ELETROTÔNICO. Os potenciais graduados são sinais de força variável que percorrem distâncias curtas e perdem força à medida que percorrem a célula.

35 O Potencial graduado pode ser: sublimiar: não deflagra um potencial de ação supralimiar: deflagra um potencial de ação

36 Para que os sinais elétricos possam ser propagados a longas distâncias, os potenciais graduados devem gerar potenciais de ação Os potenciais de ação são grandes despolarizações muito breves que ocorrem devido a estímulos (E) supralimiares e percorrem longas distâncias por um neurônio sem perder força. A sua função é a rápida sinalização por longas distâncias, como do cérebro até o pé.

37

38 Potencial transmembrana E int E ext (mv) O potencial de ação tem padrão de despolarização e repolarização estereotipados para um tipo celular. EM 3 DIFERENTES CÉLULAS DO ORGANISMO MOTONEURÔNIO M. ESQUELÉTICO VENTRÍCULO CARDÍACO

39 O potencial de ação é do tipo tudo ou nada O PA está presente, ou ausente. Logo, é um sinal BINÁRIO Limiar de ativação Potenciais graduados

40 Os responsáveis pela geração do PA são canais que respondem a alteração da voltagem da membrana Canais para sódio dependentes de voltagem (presentes. apenas em células que deflagram PA) Também chamados de canais rápidos Anestésicos locais fazem com que o canal para sódio dependente de voltagem fique estável no estado inativado

41 Por que o canal de Na + se fecha no pico da despolarização? Os portões de inativação também respondem à despolarização, mas eles se fecham mais lentamente do que a ativação abre os portões, permitindo, assim, o fluxo de íons por um curto período.

42 Potencial de ação O potencial de ação só ocorre devido à presença de canais dependentes de voltagem Fechamento canais rápidos de Na + Abertura canais lentos de K Potencial de repouso 2-3- Potencial graduado supralimiar 5 Despolarização: Entrada de Na Repolarização: Saída de K Hiperpolarização 9 Retorno ao Potencial de Repouso

43 Dois canais são responsáveis pelo PA: 1. Canal de Na + dependente de voltagem rápido 2. Canal de K + dependente de voltagem lento Condutância (G) A facilidade com que os íons fluem através de um canal é denominada condutância do canal (G). Ela se altera ao longo do curso de um PA.

44 Após o Vm ultrapassar o ponto de 0 ddp, ocorre a inversão do potencial de membrana, com mais cargas + dentro que fora. (Inversão) Após a repolarização ocorre a póshiperpolarização. Pós-hiperpolarização

45 Potencial de ação Canais de K + ficam abertos mais tempo Pós-hiperpolarização Período refratário absoluto -> não há como gerar outro potencial de ação. Canais de sódio totalmente inativos. Período refratário relativo -> período em que é necessário estímulo maior para gerar um potencial de ação. Parte dos canais de sódio já ativos.

46 Potencial de ação No período refratário absoluto há zero excitabilidade.

47 OBSERVAÇÃO Uma mudança significativa no Vm requer o movimento de poucos íons. O gradiente de [] não precisa reverter para mudar o potencial de membrana. P. ex., para alterar o potencial de membrana por 100 mv (de 70 mv para +30 mv no PA), apenas um de cada 100 mil K + deve entrar ou sair da célula. Isso é uma pequena fração do número total de íons K + na célula. O gradiente de [] de K + permanece, portanto, essencialmente inalterado.

48 A passagem de poucos íons já altera o Vm. Observe o ponteiro

49 Cálculo da quantidade de íons KCl 150 mm intracelular (150 x número de moléculas em 1 M x mili)/l Onde: 1 M = 6 x moléculas em 1 L mili = 10-3 (prefixo do SI) 150 x 6 x x 10-3 = 900 x íons K + /L Porém, um neurônio não contém um volume de 1 L. Volume neurônio ~ 300 fl ou 300 x x x 300 x = 27x de íons K + por neurônio. Estimativa de que 1 PA mova cerca de 2x10 6 K +. Isso corresponde a 0,007%. Uso de Na + radioativo aponta pra 0,0003 0,03%. Ou seja, não altera o gradiente de [].

50 Propagação do PA é unidirecional apesar de haver Fluxo de corrente local

51 Potencial de Ação é auto regenerativo Um PA gerado próximo a zona de gatilho excita a membrana do próximo segmento do axônio. O PA se move para frente por conta do período refratário.

52

53 Os sinais que iniciam nos dendritos viajam através do corpo celular para o axônio pelo potencial de ação que se autopropaga por toda sua extensão. Na porção distal do axônio, o sinal elétrico geralmente ocasiona a secreção de um neurotransmissor ou um neurohomônio. Em alguns neurônios do SNC, os sinais elétricos passam de um neurônio para o outro diretamente através das junções comunicantes que conectam as duas células.

54 Transporte axonal anterógrado e retrógado Proteínas produzidas no corpo celular e mitocôndrias são levadas ao terminal axonal.

55 Se o potencial de ação é sempre igual, como um estímulo doloroso, por exemplo, pode ser interpretado pelo sistema nervoso como sendo mais forte ou mais fraco que outro? É a frequência de disparos que sinaliza a intensidade do estímulo, liberando mais ou menos neurotransmissores.

56 CORRENTE DE UM ÍON (I íon ) O fluxo de carga elétrica carregada por um íon, cuja direção depende do gradiente eletroquímico deste íon Íons K +, em geral, movem-se para fora da célula. O Na +, o Cl - e o Ca 2+ geralmente fluem para dentro da célula. O I íon segue a lei de Ohm O (I) é proporcional à diferença do potencial elétrico (V) entre dois pontos e inversamente proporcional à resistência (R) do sistema ao fluxo corrente: I = Vx1 R ou I = V R A R é uma força que se opõe ao fluxo, sendo de 2 tipos no caso dos neurônios: 1) a resistência da membrana celular (diâmetro do axônio) 2) a resistência do citoplasma (no geral, constante)

57 Quanto maior o calibre da fibra menor R Axônios gigantes O diâmetro grande aumenta a velocidade de propagação Menor resistência ao fluxo de íons O nervo de um mamífero possui aproximadamente 200 axônios na mesma área do corte de um axônio gigante de lula - Como a condução pode ser mais rápida nos axônios finos de mamíferos?

58 Axônios com bainha de mielina várias camadas concêntricas de fosfolipídeos de membrana - Sistemas nervosos complexos contêm mais axônios em um nervo pequeno, utilizando axônios de menor diâmetro envoltos por membranas isolantes demielina no lugar de axônios de grande diâmetro não mielinizados. - Um neurônio mielinizado de mamífero com 8,6 μm de diâmetro conduz PA em uma velocidade de 120 m/s (432 km//h), ao passo que o PA em uma fibra de dor não mielinizada e pequena de 1,5 μm de diâmetro a velocidade é de apenas 2 m/s (7,2 km/h)

59 As células de Schwann no SNP e os oligodendrócitos no SNC mantêm e isolam os axônios por meio da formação da mielina, uma substância composta por várias camadas concêntricas de fosfolipídios de membrana.

60 Condução de potenciais de ação em neurônios com mielina condução saltatória: mais rápida. Doenças desmielinizantes: Esclerose múltipla, neuropatia diabética Cinomose canina PA ocorre apenas nas porções de membrana livres, nos nós de Ranvier. Saltando de nó em nó.

61 Perguntas Se a ddp aumenta, a membrana ficará mais positiva ou negativa? Por que na fase de despolarização do PA o valor do potencial de membrana não chega ao valor de ENa + (+65 mv)? O EK de 90 mv é baseado em LEC [K + ] = 5 mm e LIC [K + ] = 150 mm. Utilize a equação de Nernst para calcular o EK + quando LEC [K + ] é (a) 2,5 mm (hipocalemia) e (b) 6 mm (hipercalemia). O que aconcetece com a excitabilidade neuronal na hipercalemia e na hipocalemia?

62 O que aconcetece então na hipercalemia e na hipocalemia?

63 Perguntas para estudo 1. O que é eletroneutralidade? 2. Por que embora o corpo seja eletricamente neutro existe um gradiente elétrico entre as membranas celulares? 3. A bioeletricidade depende de quais componentes químicos? 4. O que é um íon? 5. O que a membrana celular é em termos de eletricidade? 6. Por quais tipos de transportadores os íons atravessam as membranas? Qual a diferença entre eles? 7. O que é o potencial da membrana em repouso? 8. Dê exemplos de respostas biológicas que dependem de sinais elétricos for a do sistema nervoso.

64 Perguntas para estudo 9. Por que a membrana celular é comparada um capacitor? 10. Por que a manutenção do gradiente elétrico gasta ATP? 11. Como é gerada a ddp ou o potencial elétrico? 12. Quais são os principais transportadores envolvidos na ddp? 13. Qual é o principail íon a determinar o potencial de membrana em repouso? Por quê? 14. Qual alteração na membrana celular é capaz de gerar sinais elétricos? 15. O que é a equação de Nernst? O que ela calcula? 16. E a equação de GHK? Quais parâmentros a mais ela considera em relação a Nernst?

65 Perguntas para estudo 17. O que quer dizer que a membrana despolarizou? 18. E repolarizou? 19. E hiperpolarizou? 20. O que é um potencial graduado? Quais são os subtipos de potencial graduado? 21. E o que é um potencial de ação? Quais suas características? 22. Quais são as fases do PA e quais os canais são responsáveis por elas? 23. O que ocorre durante um PA: Uma mudança de gradiente elétrico ou químico? 24. Por que o PA só ocorre em uma direção? 25. O que é período refratário absoluto? E relativo? 26. Por que a condução do PA é mais rápida no axônio com mielina? 27. Qual a origem da mielina?

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