Biofísica do Sistema Nervoso. Conceituar eventos físicos em nível celular: bioeletricidade, biopotenciais, bioeletrogênese. Compreender aspectos da

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1 Biofísica do Sistema Nervoso Objetivos: Conceituar eventos físicos em nível celular: bioeletricidade, biopotenciais, bioeletrogênese. Compreender aspectos da comunicação celular, sua propagação e integração. Entender potencial de ação. Prof. Daniel Martins de Souza 1

2 O Campo Eletromagnético Noções de Eletricidade Aplicada à Biologia: A matéria de um modo geral é neutra, tem distribuição equivalente de cargas positivas e negativas. Estado elétrico da matéria: Neutra: Ex: Polarizada: Ex: A realização de Trabalho é capaz de separar as cargas. Unidade carga: Coulomb= 3,2 x 10*18 (+ ou -) 2

3 Movimentação de cargas: Nos sólidos, apenas os elétrons se movimentam; Nos líquidos e gases (sistemas biológicos), o movimento é de íons positivos e negativos. Voltagem: É a diferença de energia entre dois pontos, medida em volts (V). 1V corresponde 1 Joule para transportar a carga de 1 coulomb entre dois pontos A e B. Quanto maior a voltagem, maior a energia elétrica. Amperagem: movimentação de cargas elétricas em função do tempo. Ampère = coulomb / segundo. 3

4 Potência: capacidade de realizar trabalho elétrico em função do tempo. Unidade é watt (W). 1 w = 1 A x 1 V Exemplos: Resistência Elétrica ( atrito ) X Condutância (Condutividade) Alumínio: baixa resistividade, alta condutividade (bom condutor). Plástico: alta resistividade, baixa condutividade (mau condutor). Unidades: Resistência: OHM = Volt / Ampère Condutância: inverso do OHM (MHO x cm*-1) Capacitância: fenômeno relacionado ao acúmulo de cargas opostas em condutores separados por um meio isolante. 1ª Lei de Ohm: a intensidade da corrente elétrica que percorre um resistor é diretamente proporcional à tensão entre os seus terminais. U(v) = R(Ω) x i(a) 4

5 BIOELETRICIDADE E POTENCIAIS DE AÇÃO Os seres vivos são verdadeiras usinas elétricas, pois a maioria dos fenômenos utiliza a eletricidade. As células, apresentam diferença de potencial (ddp) dos dois lados da membrana. A origem dessa ddp é uma concentração heterogênea de íons, principalmente Na+, K+, Cle PO4. A Bioeletricidade ou Bioeletromagnetismo (algumas vezes também chamado de biomagnetismo) refere-se à voltagem estática de células biológicas e as correntes elétricas que fluem em tecidos vivos, tal como nervos e músculos, em conseqüência de potenciais de ação. 5

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8 Em praticamente todas as células, o interior é negativo em relação ao exterior. O potencial elétrico através da membrana e -70mV. 8

9 Movimento de moléculas pela membrana 9

10 Formas de transporte pela membrana plasmática 10

11 Tipos de transporte nas proteínas carreadoras 11

12 Tipos de Canais Iônicos 12

13 POTENCIAL DE REPOUSO Entre o líquido no interior de uma célula e o fluido extracelular há uma diferença de potencial elétrico denominado de potencial de membrana. Esse potencial pode ser medido ligando-se, por meio de microeletrodos, os pólos de um medidor de voltagem ao interior de uma célula, e ao líquido extracelular. Quando as pontas dos dois eletrodos estão no meio externo, a diferença de potencial medida ΔV é nula, indicando que o potencial elétrico é o mesmo em qualquer ponto desse meio. O mesmo aconteceria se os dois eletrodos pudessem ser colocados no interior da célula, pois ambos meios são condutores. O potencial elétrico do fluido extracelular, por convenção, é considerado nulo e V é o potencial no interior da membrana. Assim, a ddp ΔV entre os dois meios e: ΔV = V 0 = V 13

14 A membrana celular tem elevada resistência elétrica, diferente do citoplasma e do meio externo, ambos ricos em eletrólitos. A ddp estabelecido em um meio biológico (sangue, por exemplo), onde se encontram células, as direções das correntes terão diferentes trajetórias, 14 de acordo com a resistência da membrana.

15 POTENCIAL DE REPOUSO O potencial de repouso da membrana é uma carga elétrica de aproximadamente -75 milivolts (mv) que existe entre o lado interno e o lado externo da membrana. Esta pequena carga é a base de todos os fenômenos da bioeletricidade, isto é, a geração e uso de energia elétrica por células excitáveis, tais como o neurônio, para executar suas funções de armazenamento e transmissão de informação. Pode ser dito que o Potencial de Repouso é o potencial de membrana antes que ocorra a excitação da célula nervosa, ou o potencial gerado pela bomba de Na e K que joga 3 Na + para fora e 2 K + para dentro contra os seus gradientes de concentração, pela permeabilidade seletiva da membrana ao K + e não ao Na + e pelos ânions com carga negativa retidos no 15 interior da célula pela membrana celular.

16 Bomba de Na+/K+ ATPase 16

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18 MENSURAÇÃO DO POTENCIAL DE MEMBRANA

19 POTENCIAL DE AÇÃO Com a excitação da células nervosa, por estímulos que atinjam o limiar de excitabilidade da célula (-65mV), um potencial de ação será disparado dentro de um princípio denominado de tudo ou nada. O potencial de ação se caracteriza por três etapas distintas: Despolarização, repolarização e hiperpolarização. 19

20 ETAPA DE DESPOLARIZAÇÃO É a etapa em que a membrana torna-se extremamente permeável aos íons Na+, ocorre portanto influxo de Na+ e conseqüente aumento de carga positiva no interior da célula. Nesta fase a célula parte de -75 mv e atinge +35 mv. ETAPA DE REPOLARIZAÇÃO É a etapa em que ocorre fechamento dos canais de Na+ e abertura dos canais de K+. Nesta fase a célula parte de +35 mv e atinge -75 mv. ETAPA DE HIPERPOLARIZAÇÃO É um período de alguns milissegundos em que a célula não reage aos neurotransmissores, pois estão com excesso de negatividade em seu interior o que impede a ocorrência de um novo potencial de ação. Nesta fase a célula parte de -75 mv e chega até -90 mv. 20

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23 Efeito platô Ocorre quando a membrana não repolariza imediatamente após a despolarização o platô prolonga muito a despolarização, e a repolarização só começa alguns milisegundos após o normal.

24 Efeito platô Em músculo liso e cardíaco. Devido à vagarosa abertura dos canais de cálcio voltagem dependente Que permitem o influxo de íons sódio e cálcio para o meio intracelular Que prolonga a despolarização por alguns milisegundos.

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27 O potencial de ação se subdivide em 4 fases: FASE 0 - Fase inicial de rápida despolarização. Representa a abertura dos canais de Na+ com grande influxo desse ions para o interior da célula. No gráfico essa fase é representada por uma linha quase que vertical, característica das células chamadas de resposta rápida. FASE 1 - É uma pequena e rápida repolarzação. Representa o fechamento dos canais de Na+, um efluxo de K+ e uma ação pequena e rápida de canais de Cl-. FASE 2 - Conhecido como Platô, representa a fase de influxo de Ca++, que será em última análise responsável pela contração muscular. ocorre em contrapartida mantendo a estabilidade do potencial durante o platô um efluxo de K+. FASE 3 - Fase de repolarização, representa principalmente uma corrente de saída de potássio que reestabelece a diferença de potencial elétrico. FASE 4 - Fase de potencial de repouso, onde as concentrações ionicas são reestabelecidas. Nas células com automatismo ocorre uma despolarização lenta nessa fase que, uma vez atingindo o potencial limiar, desencadeia novo potencial de ação. As células automáticas do nó sinusal possuem um potencial de repouso 27 menor e uma forma de potencial de ação diferente chamada de resposta lenta.

28 Com base nessas informações fica fácil entender que uma: SINAPSE EXCITATÓRIA utilizará a abertura dos canais de Na+. SINAPSE INIBITÓRIA utilizará da abertura dos canais de K+. A natureza excitatória ou inibitória está na dependência do neurotransmissor liberado e na natureza do receptor estimulado. EX: um neurônio é excitado pela Acetilcolina e inibido pelo GABA ou Glicina. INTENSIDADE DO ESTÍMULO => quanto maior for o estímulo maior será a freqüência dos potenciais de ação. Não ocorre aumento de intensidade do potencial pois ele é sempre tudo ou nada. 28

29 Quais os tipos de sinapses? Quais suas características? Elétricas Ausência de intermediários químicos Alta velocidade Gap junctions Não ocorre modulação, a informação passa inalterada Químicas Lentas Intermediários químicos Pode ocorrer a modulação da informação (processamento) 29

30 CONDUÇÃO SALTATÓRIA AO LONGO DO AXÔNIO MIELINIZADO

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34 Qual a utilidade das sinapses elétricas? Rápida sincronização de um grande número de células, p. ex. no miocárdio. Importante em organismos mais simples, como os invertebrados. Recrutamento de populações de neuroblastos durante o desenvolvimento do tecido nervoso. Comunicação glial. 34

35 Temas para os Seminários: 1. Hipnóticos e anestésicos (2 alunos); 2. Cafeínas e outras purinas: teofilina e teobromina (2 alunos); 3. Estriquinina (2 alunos); 4. Curare (2 alunos); 5. Toxina butilínica (2 alunos); 6. Organofosfatos (pesticidas) (2 alunos); 7. Drogas Alucinógenas (LSD), Drogas Excitatórias (cocaína) e Drogas Pertubadoras (álcool) (2 alunos); 8. Fármacos com ação em canais iônicos (2 alunos); 9. Choque elétrico (2 alunos); 10. Esclerose múltipla (2 alunos). Aspectos a serem abordados: Histórico e onde é encontrado na natureza; Aspectos (características) físico-químicos e aplicação biomédica; Farmacodinâmica / Toxicodinâmica (é benéfico ou maléfico/letal?); Tempo de ação e como reverter os efeitos (tratamento farmacológico / primeiros socorros); Curiosidades e o papel do farmacêutico; Bibliografia (livros de Medicina Interna, Toxicologia, Farmacologia, Fisiologia, Biofísica, além de artigos científicos); minutos (máximo) / Sorteio dos Temas (dias).

36 Ação de psicofármacos e drogas nas sinapses: - hipnóticos ou anestésicos: deprimem a transmissão de impulsos. - cafeínas ou outras purinas: facilitam a transmissão sináptica. - estriquinina: inibem as sinapses inibitórias e provoca morte por espasmos musculares respiratórios. - curare: se liga aos sítios da acetilcolina impedindo o PA. Ocorre morte por asfixia. - toxina butilínica: impede a liberação da acetilcolina. Concentrações de 0,0001 mg são suficientes para causar a morte. - organofosfatos: inibem a acetilcolinesterase, impedindo a degradação da acetilcolina, o que leva à incapacidade de repolarização. 36