Bioeletrogênese = origem da eletricidade biológica.

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3 Bioeletrogênese = origem da eletricidade biológica. 3

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5 Uma tensão elétrica, ou diferença de potencial, sempre existe entre o interior e o exterior de uma célula. Esse fato é causado por uma distribuição de íons desigual entre os dois lados da membrana e da permeabilidade da membrana a esses íons. A tensão elétrica de uma célula inativa permanence em um valor negativo considerando o interior da célula em relação ao exterior e varia muito pouco. A maioria das células possui esse potencial (potencial de repouso). Se introduzirmos um eletrodo na membrana de um neurônio e medirmos a diferença de potencial nesta membrana, vamos registrar em torno de 65 mv nas fibras mais finas. Já nas fibras mais grossas, o potencial de repouso é de cerca de 90 mv. Isto quer dizer que o potencial dentro da fibra é de 90 mv mais negativo do que o potencial no líquido extracelular, do lado de fora da fibra. 5

6 Existem diferenças de potencial elétrico através das membranas de praticamente todas as células do corpo, e algumas células, como as nervosas e musculares, são "excitáveis isto é, capazes de autogerar impulsos eletroquímicos em suas membranas e, na maioria dos casos, utilizar esses impulsos para a transmissão de sinais ao longo das membranas. Em outros tipos de células, tais como as glandulares, os macrófagos e as células ciliadas, outras classes de variação dos potenciais de membrana têm, provavelmente, participação ativa no controle de muitos aspectos do funcionamento celular. 6

7 Primeira coisa que deve ser lembrada: diferença iônica que existe entre os líquidos intra e extracelular. LEC = líquido extracelular (ou meio interno= MI). LIC = líquido intracelular. 7

8 Dentro do citoplasma tem uma grande quantidade de K+, enquanto no meio extracelular (interstício) predominam Ca++, Na+ e Cl-. Também tem K+ no meio extracelular, mas sua concentração é bem menor do que no intracelular. Já os outros íons como Ca++, Na+ e Cl- estão mais concentrados do lado de fora. Esta é uma diferença que precisa ser guardada (lembrada), porque é bastante importante. Vamos simplificar a explicação, retirando dela o Ca++ e o Cl-. Por que esses dois íons? Porque os íons fundamentais para a gente entender o potencial de repouso da membrana são os íons Na+ e K+ (são eles que são os principais responsáveis pela manutenção do potencial de repouso da membrana, principalmente o K+). 8

9 Fica constantemente bombeando Na+ para fora e K+ para dentro, criando um gradiente de concentração, um gradiente químico. Lembrar que, se for para sofrer difusão, o K+ vai se difundir de dentro para fora e o Na+, de fora para dentro, por causa do gradiente químico gerado por esta bomba de sódio e potássio. 9

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11 Para entendermos a origem do potencial de repouso, precisamos entender o conceito de equilíbrio eletroquímico. A- = representação de algumas espécies aniônicas (ânions, proteínas com carga negativa). Podemos perceber que existe um gradiente, uma diferença química entre um lado e outro, mas por enquanto, não existe diferença elétrica. Imagina que no meio intracelular eu tenha 100 moléculas de K+ e 100 moléculas de A- (100 positivo com 100 negativo = zero). O mesmo se aplica ao meio extracelular: se eu tiver 10 K+ e 10 A-, também dá zero. Portanto, zero de um lado e zero do outro lado: não tem diferença (não tem gradiente elétrico) entre os dois lados, embora haja um gradiente químico muito grande, como é possível perceber. 11

12 Neste caso, o potássio vai seguir o gradiente químico natural e, por difusão, ele vai passar do meio mais concentrado para o menos concentrado, ou seja, vai começar a se difundir do interior da célula para o exterior. No entanto, o K+ possui carga elétrica. Ele é um cátion, ou seja, tem uma carga positiva. Dá para percebermos na figura que para cada K+ que passa para o outro lado, cargas positivas vão se acumulando do lado de fora da membrana. O que significa isto? Se eu tinha 100 K + no meio interno e 3 passaram para o meio externo, a nossa conta ficou: 97 K + e 100 A- no meio interno (ficaram sobrando 3 moléculas de ânions) e 13 K + e 10 A- no meio externo. Então dá para perceber que, para cada molécula de potássio que passa para o meio externo, sobra uma carga negativa no meio interno. Também dá para perceber que foi gerado um gradiente elétrico (além do gradiente químico que já existia, agora temos também um gradiente elétrico). 12

13 Se a gente lembrar da difusão, até quando uma molécula se difunde? Até haver um equilíbrio químico, ou seja, até que as concentrações se igualem. Mas será que isto vai acontecer aqui neste modelo? A resposta é NÃO. Por que não? É porque, à medida que o potássio vai atravessando de um lado para outro impulsionado pelo gradiente químico (gradiente de concentração ou gradiente osmótico), mais cargas positivas são se acumulando do lado de fora (meio extracelular) e, como o K+ tem carga positiva, é repelido por carga positiva (positivo repele positivo). Assim, vai chegar um momento em que vão existir duas forças no sistema: uma força química (gradiente de concentração), que direciona o potássio a favor do gradiente de concentração químico, e uma força elétrica (gradiente elétrico), que atua no sentido contrário. Assim, a força elétrica joga o potássio de volta, pois o lado interno está negativo e o potássio é positivo (cargas diferentes se atraem, e o potássio é atraído pelas moléculas negativas e repelido pelas positivas). Vai chegar um momento em que estas duas forças vão se igualar, ou seja, a força química vai ter a mesma intensidade da força elétrica. Nesse momento vai parar o movimento de K+, ou seja, o K+ vai parar de atravessar a membrana? NÃO! Quimicamente ele vai ser movido para fora e eletricamente para dentro. No entanto, esses dois fluxos são iguais. Logo, o fluxo resultante vai ser zero. Assim, na prática, não vai haver fluxo de K+ para lado nenhum. Nesse momento, dizemos que o K+ atingiu seu equilíbrio eletroquímico. Logo, o equilíbrio eletroquímico é conseguido por meio de dois desequilíbrios : um químico e o outro elétrico, ou um gradiente químico e o outro elétrico que somados se anulam e o sistema entra em equilíbrio. Se medirmos o potencial do lado de dentro da membrana, veremos que quando o K+ atinge o seu potencial de equilíbrio, serão registrados valores negativos: o potencial de equilíbrio do K+ é em torno de 80 mv. 13

14 Potencial de equilíbrio: potencial de membrana que impede difusão efetiva do íon através da membrana. 14

15 (a) Vejam agora o mesmo esquema para o sódio; só que agora o sódio está mais concentrado fora da célula. Novamente é um sistema que está em desequilíbrio químico, ou seja, existe um gradiente grande de concentração química, mas por enquanto não existe gradiente elétrico. O sódio se anula com os ânions no meio extracelular, ocorrendo o mesmo no meio intracelular. (b) O que vai acontecer se colocarmos um canal de sódio neste sistema? O sódio vai ser impulsionado por um gradiente químico a atravessar a membrana de fora para dentro. Novamente, para cada sódio que entra na célula, sobra uma carga de ânions fora da célula. (c) Quando esse movimento vai cessar? Quando o ambiente intracelular estiver positivo o suficiente para se igualar com o gradiente químico, semelhantemente ao que aconteceu com o potássio. Se medirmos o potencial do lado de dentro da membrana, veremos que quando o Na+ atinge o seu potencial de equilíbrio, serão registrados valores positivos: o potencial de equilíbrio do Na+ é em torno de +62 mv. 15

16 Na temperatura normal do corpo (37 C), a diferença elétrica que vai calibrar uma dada diferença de concentração de íons univalentes pode ser determinada pela fórmula a seguir chamada de equação de Nernst. 16

17 C i também pode ser considerada como concentração de origem e C e como concentração de destino. 17

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20 Os valores finais são aproximados, pois foram arredondados. 20

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22 Também chamada de equação de Goldman-Hodgkin-Katz. Atenção para os íons de carga negativa, como os íons cloro: inversão de C e ec i na fórmula. 22

23 Como a saída de sódio não é acompanhada pela entrada de potássio na mesma proporção, estabelece-se uma diferença de cargas elétricas entre os meios intra e extracelular: há déficit de cargas positivas dentro da célula e as faces da membrana mantêm-se eletricamente carregadas. 23

24 Além da bomba de sódio e potássio, os dois processos de difusão de sódio e potássio podem acontecer simultaneamente. Assim, afirma-se que o potencial de membrana (potencial de repouso) é um potencial dissipativo e não um potencial de equilíbrio eletroquímico de Na + ou de K + porque no potencial de membrana persistem os fluxos resultantes desses íons. 24

25 O potencial de repouso das fibras nervosas mais grossas, quando estas não estão transmitindo sinais nervosos, é de cerca de 90 mv, ou seja, o potencial dentro da fibra é 90V mais negativo do que o potencial do líquido extracelular (LEC). Como o potencial de equilíbrio do K + é em torno de 80 mv e o do Na + em torno de +62 mv, isto é um indicativo de que o íon que está contribuindo mais para o potencial de repouso da membrana seja o potássio. De fato, o potencial de repouso da membrana é majoritariamente determinado pelo potássio, como veremos a seguir. 25

26 Em repouso, a membrana possui canais de vazamento abertos apenas para potássio, ou seja, a membrana em repouso é permeável ao potássio, mas não ao sódio. Logo, o potencial de repouso da membrana é basicamente determinado pelo potássio. 26

27 Como o sódio tem carga positiva e está mais concentrado no exterior celular, qualquer evento que abra um canal de sódio vai permitir que o sódio entre na célula, devido ao gradiente de concentração. Assim, vai ocorrer a despolarização. Despolarizar significa que estaremos reduzindo os valores negativos; ela vai caminha na direção do zero. 27

28 Em alguns décimos de milésimos de segundos após a membrana ter ficado muito permeável aos íons sódio, os canais de sódio começam a se fechar e os canais de potássio se abrem mais do que o normal. Então, a rápida difusão dos íons potássio para o exterior restabelece o potencial de repouso negativo da membrana. Isto é referido como repolarização da membrana. 28

29 Um potencial de ação é uma alteração rápida na polaridade da tensão elétrica, de negativa para positiva e de volta para negativa. Esse ciclo completo dura poucos milisegundos. Cada ciclo e, portanto, cada potencial de ação, possui uma fase ascendente (despolarização), uma fase descendente (repolarização) e, ainda, uma curva de tensão elétrica inferior a do potencial de repouso de membrana (hiperpolarização). Em fibras musculares cardíacas especializadas, uma fase de platô, com tensão elétrica intermediária, pode preceder a fase descendente. 29

30 Cada potencial de ação começa por uma alteração súbita do potencial de membrana normal negativo para um potencial positivo, terminando, então, com retorno quase tão rápido para o potencial negativo. O agente necessário para provocar a despolarização e a repolarização das membranas nervosas durante o potencial de ação é o canal de sódio regulado por voltagem. O canal de potássio regulado por voltagem também tem participação importante, por aumentar a rapidez da repolarização da membrana. Esses dois canais regulados pela voltagem atuam, de forma adicional com a bomba de sódio e potássio e com os canais de extravasamento de sódio e potássio. 30

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32 No potencial de repouso, todos os canais de Na + dependentes de voltagem e a maioria dos canais de K + dependentes de voltagem estão fechados. As Na + /K + -ATPases (bombas de sódio/potássio) bombeiam ativamente íons K + para dentro da célula e íons Na + para fora. 32

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39 Uma hiperpolarização é qualquer mudança no potencial de membrana que torna a membrana celular mais polarizada, ou seja, o potencial de repouso da membrana (PRM) fica ainda mais negativo. Diferentemente de uma célula despolarizada (é excitatória devido a uma diminuição do potencial de membrana, de -70 mv para +40 mv, por exemplo), quando há um redução no potencial de membrana (de -70 mv para -90 mv, por exemplo) dizemos que a célula está hiperpolarizada, tornando menos provável que a mesma gere um potencial de ação, portanto, ela é inibitória. 39

40 O nível crítico de despolarização que deve ser atravessado a fim de desencadear um potencial de ação é chamado limiar. Assim, os potenciais de ação são causados pela despolarização da membrana além do limiar. 40

41 Esse potencial limiar varia, mas normalmente gira em torno de 15 milivolts acima do potencial de repouso de membrana da célula e ocorre quando a entrada de íons de sódio na célula excede a saída de íons de potássio. O influxo líquido de cargas positivas devido aos íons de sódio causa a despolarização da membrana, levando à abertura de mais canais de sódio dependentes de tensão elétrica. Por esses canais passa uma grande corrente de entrada de sódio, que causa maior despolarização, criando um ciclo de realimentação positiva (feedback positivo) que leva o potencial de membrana a um nível bastante despolarizado. 41

42 Não confundir com condutividade, que pode definida simplesmente como a facilidade ou capacidade de um material em poder conduzir um valor determinado de corrente elétrica (é uma característica própria do material). 42

43 O potencial limiar pode ser alcançado ao alterar-se o balanço entre as correntes de sódio e potássio. Por exemplo, se alguns canais de sódio estão em um estado inativado (comportas de inativação fechadas), então um dado nível de despolarização irá ocasionar a abertura de um menor número de canais de sódio (os que não estão inativados) e uma maior despolarização será necessária para iniciar um potencial de ação. Essa é a explicação aceita para a existência do período refratário. O período refratário divide-se em absoluto e relativo. 43

44 No período refratário absoluto, qualquer estímulo para gerar potencial de ação é inútil, pois os canais de sódio estão em estado inativo (comporta rápida aberta e comporta lenta fechada). No relativo, alguns destes canais já estarão de volta ao repouso ativável (comporta rápida fechada e comporta lenta aberta), mas nem todos. Estímulos supralimiares conseguem gerar potenciais de ação no período refratário relativo. 44

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48 O terminal axonal típico contém pequenas vesículas membranosas esféricas que armazenam neurotransmissores - as vesículas sinápticas. 48

49 Nas regiões dos nódulos de Ranvier, a onda de despolarização "salta" diretamente de um nódulo para outro, não acontecendo em toda a extensão da região mielinizada (a mielina é isolante). Fala-se em condução saltatória e com isso há um considerável aumento da velocidade do impulso nervoso. 49

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51 Hipocalemia: baixas concentrações extracelulares de potássio promovem uma hiperpolarização da membrana celular, pois no potencial de repouso da membrana (PRM) os canais de potássio estão sempre abertos. A hiperpolarização faz com que o limiar excitatório da célula aumente. Portanto, serão necessários estímulos muito grandes para a geração do potencial de ação. Essa alteração, no músculo cardíaco, leva a deficiência na contratilidade. Hipercalemia: já o aumento da concentração extracelular de potássio resulta na despolarização da membrana celular. Essa despolarização abre canais de sódio dependentes de voltagem, mas em quantidade insuficiente para gerar um potencial de ação. Os canais de sódio então entram em período refratário, aumentando assim o potencial de repouso da membrana. Dessa forma há uma diminuição gradativa do limiar excitatório da célula. Ou seja, serão necessários estímulos cada vez menores para gerar um potencial de ação. As manifestações clínicas importantes de hipercalemia refletem a despolarização de membrana, com diminuição da velocidade de condução e repolarização de membrana mais rápida. Isso pode causar danos cardíacos, neuromusculares e gastrintestinais. No coração, pode levar a fibrilação ventricular ou assistolia. 51

52 Além da hipocalemia, outros fatores como a alta concentração de íons Ca 2+ e anestésicos locais podem diminuir a excitabilidade da membrana. 52

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55 O pâncreas é constituído por dois tipos principais de tecidos: (1) os ácinos, que secretam sucos digestivos no duodeno, e (2) as ilhotas de Langerhans, que secretam insulina, glucagon e somatostatina diretamente no sangue. As ilhotas contêm três tipos principais de células as células alfa, bela e delta - que podem ser distinguidas umas das outras por suas características morfológicas e tintoriais. As células beta, constituem cerca de 60% de todas as células, situam-se principalmente no meio de cada ilhota e secretam insulina. As células alfa, que correspondem a cerca de 25% do total, secretam glucagon. Por fim, as células delta, que formam cerca de 10% do total, secretam somatostatina. Além disso, existe pelo menos outro tipo de célula, a célula PP, encontrada em pequeno número nas ilhotas, que secreta um hormônio de função incerta, denominado polipeptídio pancreático. 55

56 Nas células beta das ilhotas de Langerhans do pâncreas, em repouso e com níveis normais (baixos) de ATP, o K + sofre difusão a favor do seu gradiente de concentração através de canais dek + regulados por ATP, mantendo o potencial intracelular em um nível negativo totalmente polarizado. 56

57 Se houver elevação dos níveis de glicose, a produção de ATP aumenta, resultando em aumento dos níveis intracelulares de ATP, com consequente fechamento dos canais de K + regulados por ATP. Conforme observado nos músculos e nos nervos, a diminuição do efluxo de K + resulta em despolarização das células beta e abertura dos canais de Ca 2+ regulados por voltagem. O consequente aumento de Ca 2+ intracelular desencadeia a secreção do hormônio insulina por exocitose. 57

58 Figura: Na célula em repouso e com níveis normais (baixos) de ATP, o potássio sofre difusão a favor do seu gradiente de concentração, através dos canais de potássio regulados por ATP, mantendo um potencial intracelular negativo (polarizado). A liberação de insulina é mínima. Se houver elevação dos níveis de glicose, a produção de ATP aumenta, ocorre fechamento dos canais de potássio, e as células sofrem despolarização. Conforme observado no músculo e no nervo, os canais de cálcio regulados por voltagem abrem-se em resposta à despolarização, possibilitando a entrada de mais cálcio dentro da célula. O aumento de cálcio intracelular resulta em secreção aumentada de insulina. As células ecretoras de insulina (secretagogos) fecham os canais de potássio dependentes de ATP, com subsequente despolarização da membrana e aumento da liberação de insulina por meio do mesmo mecanismo. 58

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