I Curso de Férias em Fisiologia - UECE

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1 I Curso de Férias em Fisiologia - UECE Realização: Instituto Superior de Ciências Biomédicas Mestrado Acadêmico em Ciências Biológicas Apoio:

2 1 FISIOLOGIA CELULAR Laboratório de Eletrofisiologia 1. POTENCIAL DE MEMBRANA Fisiologia é o ramo da biologia destinado ao estudo dos processos físicos e químicos necessários a manutenção da vida. Portanto, é assistida pelos conhecimentos da Física e Química para explicar como as funções vitais ocorrem. Uma das características essenciais das células é a presença de uma diferença de potencial (DDP) elétrico negativo em repouso entre os meios intra e extracelular. Essa DDP está envolvida em diversos eventos celulares como: produção de ATP, regulação do volume celular, co-transporte, estabilidade da membrana, excitabilidade celular, dentre outros. Em um neurossoma do gânglio da raiz dorsal o potencial de membrana é aproximadamente -60 mv. Mas como ocorre o estabelecimento de uma DDP através da membrana? E como é mantida? Para encontrar uma resposta razoável para essas questões é necessária a compreensão das bases do potencial eletroquímico celular. Segundo Ohm uma DDP é resultado de um fluxo de carga por um condutor (Primeira lei de Ohm: V=I/G). Como a membrana é uma estrutura hidrofóbica e altamente seletiva, há uma restrição do fluxo de partículas através da membrana quanto ao tamanho (peso molecular) e carga elétrica (figura 01). Portanto, os candidatos mais apropriados são os íons.

3 2 Figura 01: Permeabilidade seletiva da membrana plasmática. Vamos imaginar que existe uma barreira separado um recipiente em dois compartimentos aquosos 1 e 2. No compartimento 1 foi colocado 140mM soluto X. Em um dado momento a barreira passa ser permeável ao soluto X que flui a favor do gradiente de concentração do compartimento 1 para o 2 até encontrar uma distribuição de menor estado energético, ou seja, equilíbrio da [X] entre os meios 1 e 2 (figura 02). Figura 02: Difusão simples. Agora vamos atribuir uma carga positiva a esse soluto X que foi posto no compartimento 1. Mais uma vez, em um dado momento a barreira passa ser permeável apenas X +. Como na condição anterior X + flui a favor do gradiente de concentração (figura 03 A), mas temos que considerar sua carga agora. À medida que X + passa do meio 1 para

4 3 o 2 ele aumentará o número de partículas positiva na face da barreira do compartimento 2. Esse fenômeno cria uma força de repulsão que é contra do fluxo de X + do meio 1 para 2 (figura 03 B). O fluxo de X + irá parar quando as duas forças se igualarem (figura 03 C). Figura 03: Forças que atuam sobre o fluxo iônico. Portanto, a força movente de X + é resultado da combinação da força química e força elétrica (equação 01) e o movimento será igual a zero quando a Força química for igual a força elétrica com sentido oposto (equação 2) F movente = F química + F elétrica (1) F elétrica = - F química (2) Considerando que a membrana é permeável apenas a X +, podemos utilizar a Equação de Nernst para quantificar a DDP necessária para anular o fluxo iônico dado uma diferença de concentração de X + entre 2 meios (equação 3) e predizer a direção do fluxo do íon. V m =(RT/zF) ln[x] o /[x] i (3) Onde R é a constante universal dos gases, T é a temperatura em graus Kelvin, z é a valência do íon, F é a constante de Faraday e ln é o logaritmo natural. Admitindo uma temperatura de 37 C, valência igual a 1 e transformando ln para log de base 10, podemos simplificar a equação 3 para: V m =61,5*log[x] o /[x] i (4)

5 4 Por exemplo, o meio intracelular contém 100mM de K + e o meio extracelular contém 10mM de K +. O potencial de membra será -61,5 mv quando o fluxo de K + através da membrana for igual a zero. Todavia, em condições mais próximas do real a membrana não é permeável apenas a um íon em determinado momento. Nessas condições a equação de Godman-Hodking- Kartz (equação 5) é bem útil para determinar o potencial de membrana de uma célula permeável a mais de um íon. Essa equação considera a membrana homogênea e usa a permeabilidade relativa (P) para íon como fator de ponderação. Vm=(RT/F)ln(P K [K] o +P Na [Na] o /P K [K] i +P Na [Na] i ) (5) No repouso, por exemplo, a relação entre as permeabilidades relativa do K + e Na + é 1/0,04. Também vamos considerar as mesmas concentrações para K + exemplo anterior e que as concentrações para o Na + são opostas as concentrações do K +. Aplicando esses valores a equação 5 obtemos um potencial de membrana igual a -52,62 mv. Outros fatores também contribuem em menor parte com a negatividade do potencial de membrana. Como o efeito Donnan que corresponde as moléculas impermeantes como aminoácidos, glicídios e pequenos peptídeos possuem carga negativa em meio aquoso e ph ácido intracelular. Além da atividade da bomba Na + /K + ATPase que provoca um desequilíbrio de cargas. Em neurossomas, bloqueando a atividade da bomba Na + /K + ATPase com ouabaína ocorre uma despolarização de -5 mv (figura 04). Figura 04: Despolarização da membrana provocada pela ouabaína.

6 5 2. BIBIOGRAFIA HILLE, B. Ion Channels of Excitable Membranes, 3 rd Sunderland, MA, Edn., Sinauer Associates, STATON, B.A.; KOEPPEN, B.M. Fisiologia. 6ª ed.: Elsevier, Rio de Janeiro, CURI, R.; FILHO, J.P.A. Fisiologia Básica. Guanabara Gookan, 2010.