2015 Dr. Walter F. de Azevedo Jr. Potencial de Ação

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1 Potencial de Ação Objetivos Apresentar conhecimentos relacionados ao potencial de ação. Aprender o uso do programa HHsim para simular potencial de ação. Materiais 1. Computador imac; 2. Programa HHSim. Introdução Quando aplicamos ao neurônio, um potencial elétrico alto suficiente, é iniciado o potencial de ação. Tal resposta fisiológica é a responsável pela transmissão do impulso nervoso ao longo do axônio, o que permite a liberação de moléculas mensageiras (neurotransmissores). Tais moléculas induzem uma resposta na célula pós-sináptica. O entendimento do potencial de ação é central para o estudo da transmissão sináptica. Podemos dividir o potencial de ação nas seguintes etapas (figura 1). A) Os canais de Sódio e Potássio estão fechados (potencial de repouso). B) O aumento do potencial na membrana leva à abertura do canal de Sódio dependente de voltagem. O que permite o influxo de Sódio na célula, aumentando o potencial de membrana. Esta fase é chamada despolarização (ou fase ascendente). C) Aproximadamente 1 ms depois, os canais de Sódio fecham-se. Em seguida os canais de Potássio dependentes de voltagem (potencial elétrico) abrem-se. Permitindo a saída do excesso de carga positiva da célula. Esta fase é a de repolarização (ou fase descendente). Figura 1. Situação dos canais de Sódio e Potássio em cada fase do potencial de ação. A) Repouso. B) Despolarização. C) Repolarização. D) Hiperpolarização. Fonte da imagem: Acesso em 01 de setembro de

2 D) A saída de grande quantidade de íons de K + leva a célula a atingir um potencial de membrana abaixo do potencial de repouso, esta fase é chamada de hiperpolarização. As etapas canônicas do potencial de ação ocorrem devido à ação coordenada dos canais de Sódio (Na + ) e Potássio (K + ) dependentes de voltagem. A abertura do canal de Sódio dependente de voltagem (despolarização), o fechamento do canal de Sódio e abertura do canal de Potássio (repolarização e hiperpolarização). Estudo do potencial de ação Introduzindo dois microeletrodos no neurônio, conforme o esquema na figura 2, temos o primeiro eletrodo injetando corrente elétrica e o segundo medindo a tensão. Inicialmente temos um potencial negativo, no interior da membrana (potencial de repouso), sem injeção de corrente pelo eletrodo 1. O eletrodo 1 estimula o axônio com um pulso de corrente de 1 na (1 nanoampére = 10-9 A ) e duração de 1 ms (1 milisegundo = 10-3 s ). A subida da tensão é da ordem de mvs ( 1 milivolt = 10-3 V) sem contudo ficar positiva, o neurônio retornará ao potencial de repouso. Vimos anteriormente que, quando o pulso injetado no eletrodo 1 é baixo (corrente inferior a 4 na), temos um comportamento carga e descarga, como num circuito resistivo-capacitivo (circuito RC). Ao injetarmos um pulso de 4 na ou maior, temos o potencial de ação, que será simulado usando-se o programa HHsim. Figura 2. Diagrama esquemático do experimento para medida do potencial de membrana de um neurônio. A membrana tem um comportamento elétrico similar a um circuito resistivo capacitivo, quando o estímulo aplicado está abaixo do potencial limiar. O gráfico à direita ilustra a resposta à excitação, quando o sinal no eletrodo 1 está abaixo de 4 na. Clique no ícone do HHsim. Simularemos o potencial de ação. Clique no clear na tela gráfica. Nas janelas localizadas na parte inferior (amarela (m), verde (h) e azul (n)) 2

3 escolha a opção blank. Clique em Stim1. Esta opção simula o estímulo da membrana além do potencial limiar, o que leva ao disparo de um potencial de ação. O eixo y indica o potencial de membrana, o eixo x indica o tempo. A linha vermelha da tela gráfica indica a variação do potencial de membrana. 1) Faça um esboço do gráfico (linha vermelha) da tela e indique cada uma das fases do potencial de ação. Descreva cada fase do potencial de ação. Clique em clear na tela gráfica. Clique na janela amarela (primeira à esquerda) na opção g_na e na janela verde na opção g_k, deixe a janela azul na opção blank. As opções g_na e g_k indicam as condutâncias ao Na e K, respectivamente. As condutâncias são medidas em Siemens (S), e representam o inverso da resistência elétrica. No programa temos as condutâncias em ps (picosiemens, S). Clique em Stim1. 2) Faça um esboço do gráfico das condutâncias (g_na e g_k). A condutância pode ser analisada como o equivalente da permeabilidade iônica (facilidade com as quais os íons atravessam a membrana), quanto mais alta a condutância para um dado íon maior a permeabilidade deste íon. Por que as condutâncias apresentam diferentes comportamentos durante o potencial de ação? Potencial limiar Volte ao menu principal e clique em clear. Clique na janela de estímulos (Stimuli) na janela principal (terceiro quadrado branco na parte de cima). O gráfico mostra a corrente elétrica aplicada (linha roxa) em função do tempo. 3

4 Vamos variar a amplitude (altura) do estímulo. Coloque a amplitude do estímulo 1 (Stim 1) em 2 na ( 1 na = 10-9 A), movendo a barra vertical da esquerda. Volte ao menu principal e clique em clear. Clique em Stim1. Observe o potencial de membrana (linha vermelha). Aumente o estímulo para 3 na. Volte ao menu principal e clique em Stim1. Observe o potencial de membrana (linha vermelha). 3) Aumente o estímulo para 4 na. Volte ao menu principal e clique em Stim1. Observe o potencial de membrana (linha vermelha). Há disparo do potencial de ação? Por quê? Período Refratário Clique no clear na tela gráfica. Clique na janela de estímulos (Stimuli) na janela principal (terceiro quadrado branco na parte de cima). Aumente o estímulo para 10 na. Este gráfico mostra a corrente elétrica aplicada (linha roxa) em função do tempo. Volte à janela principal do HHsim. Nas janelas amarela, verde e azul clique na opção blank. Na janela de estímulos (Stimuli) altere a corrente do segundo pulso de corrente (Pulse 2 height) no estímulo 1 (Stim1). Aumente a corrente até o valor de 10 na, deverá aparecer um segundo pulso de corrente no gráfico. Volte à janela principal do HHsim. Clique em Stim1. Observe o gráfico do potencial contra o tempo. O segundo pulso de corrente foi disparado 1 ms após o primeiro pulso. Aumente o intervalo de tempo entre os dois pulsos de corrente elétrica na janela de estímulos, para o estímulo 1 (stim1). Passe o intervalo de tempo para 2 ms, clicando em inter-pulse interval. Volte à janela principal do HHsim. Clique em Stim1. Observe o gráfico do potencial contra o tempo. O segundo pulso de corrente foi disparado 2 ms após o primeiro pulso 4) Repita o procedimento aumentado o intervalo de tempo para 8 ms. Volte à janela principal do HHsim. Clique em Stim1. Faça o gráfico do potencial contra o tempo. O segundo pulso de corrente foi disparado 8 ms após o primeiro pulso. Há disparo de um segundo potencial de ação? Por quê? 4

5 Potencial de Ação (Teste farmacológico) Na janela stimuli clique reset. Feche a janela Stimuli. Na janela principal clique clear. Nas janelas amarela, verde e azul clique na opção blank. Clique na janela drugs (quarta janela branca da parte de cima). No HHsim podemos testar o efeito de 3 drogas: tetrodoxina (TTX), tetraetilamônio (TEA) e pronase. TTX bloqueia canais de Sódio, TEA bloqueia canais de Potássio e a pronase é uma enzima que catalisa a clivagem do portão de inativação do canal de Sódio. Teste da TTX A TTX causa paralisia por meio de interferência na junção neuromuscular. Sua estrutura molecular está representada na figura 3. A TTX apresenta origem não proteica, ou seja, não é uma proteína ou peptídeo. Na natureza a TTX é encontrada na pele, ovário, fígado e intestino de certos peixes, como o baiacu. Figura 3. Estrutura molecular da TTX encontrada no peixe baiacu. No HHsim, coloque a inibição da TTX em 100 % na janela drugs e clique Enter. Volte à janela principal do HHsim. Clique em Stim1. Faça um esboço do gráfico do potencial com relação ao tempo. 5

6 Teste da TEA. A estrutura do tetraetilmetano está mostrada na figura 4. O TEA é usado como agente anti-arritmia e vasodilatador. Figura 4. Estrutura do tetraetilamonium (TEA). No HHsim, clique clear na janela principal. Clique na janela drugs. Clique em reset. Na janela principal clique em clear. Coloque a inibição da TEA em 100 % na janela drugs e clique enter. Volte à janela principal do HHsim. Faça um esboço do gráfico do potencial com relação ao tempo. 6

7 Teste da pronase Clique na janela drugs. Clique em reset. Na janela principal clique em clear. Clique na opção pronase na janela drugs. Na janela principal clique em Stim1. Faça um esboço do gráfico do potencial com relação ao tempo. A pronase é uma enzima que catalisa a degradação do portão de inativação do canal de Sódio dependente de voltagem. 5) A partir da análise dos 3 gráficos anteriores discuta o efeito de cada droga no potencial de ação, compare estes gráficos com o gráfico do potencial de ação sem efeito de drogas. Referências BORON, W., BOULPAEP, E. Medical Physiology, Saunders, Philadelphia, HODGKIN, A. L., Proc. Royal Soc London B, 148(930):1-37, 1958 PURVES, W. K., SADAVA, D., ORIANS, G. H. HELLER, H. G. Vida. A Ciência da Biologia, 6a ed. Artmed editora WRIGHT, S.H. Adv Physiol Educ 28: , 2004; doi: /advan