Bioeletricidade e Bioeletrogênese

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1 Bioeletricidade e Bioeletrogênese Física e Biofísica Prof. Patrícia Costa Eletricidade A eletricidade é um fenômeno físico originado por cargas elétricas paradas, ou em movimento, e por sua interação. Quando uma carga se encontra em repouso, produz forças sobre outras situadas à sua volta. Se a carga se desloca, produz também campos magnéticos. Há dois tipos de cargas elétricas: positivas e negativas. Corrente elétrica: Movimento de cargas elétricas em meios condutores Medida em Ampères (A) e seus submúltiplos tais como, miliampère (ma, 10 3 A), microampère (µa, 10 6 ), nanoampère (na, 10 9 ) e picoampère (pa, A). E nas células, ocorre geração de eletricidade? 1

2 BIOELETRICIDADE As cargas elétricas que geram os fenômenos elétricos na membrana celular são os íons, tais como, Na, K, Ca e Cl. Potencial de membrana Diferença de potencial elétrico entre o interior e o exterior da célula Potencial de repouso Quando o potencial de membrana permanece inalterado (nao ha influencias externas) Neurônio Eletrodos Colocandose eletrodos dentro e fora de um neurônio, por exemplo, temos uma diferença de potencial de 70 mv. O instrumento usado para medir a diferença de potencial é o voltímetro. Potencial de Repouso Axônio Neurônio Eletrodos Amplificador 70mV Oscilóscopio Meio extracelular Meio intracelular CELULA Em (mv) eurônio 70 Músculo esquelético Músculo cardíaco Músculo liso 55 Dois eletrodos, inseridos no axônio de um neurônio em repouso, detectam a pequena diferença de potencial, entre os meios extra e intra celular. 2

3 Origem do Potencial de Repouso Polaridade elétrica da membrana Face Interna da membrana Negativa excesso de anions (Q) Face externa da membrana Positiva excesso de cations (Q) As cargas eletricas em excesso, Q e Q, que provocam a formacao do potencial de repouso, se localizam em torno da membrana celular. Exemplo As concentrações iônicas são diferentes dentroe foradacélula Devido a atuação: Transportes ativos Bomba de sodio e potassio Transportes passivos Difusão 3

4 Manutenção do potencial de membrana Intracelular K K Na Extracelular Na Seta azul Gradiente quimico Seta vermelha Gradiente eletrico Cl Cl Membrana plasmatica Manutenção do potencial de membrana 1) O íon K está em maior concentração dentro do que fora da célula. Como ele se difunde com alta velocidade, agora ele passa a sair da célula, seguindo seu gradiente químico. Como a célula é mais negativa dentro do que fora, então o gradiente elétrico é oposto ao químico, e tende a "brecar" a saída do potássio Intracelular Extracelular K K 2) O íon Na está em maior concentração fora do que dentro da célula. Ele se difunde a uma velocidade muito baixa, de fora para dentro, seguindo seu gradiente químico, e também seu gradiente elétrico Com o tempo, tanto o potassio quanto o sodio acabariam tendo a mesma concentração dentro e fora, mas a bomba de sódio e potassio mantem essa diferença 3) O ion Cl está também em maior concentração fora do que dentro. Portanto ele se difunde, a uma velocidade menor do que a do potássio, de fora para dentro, seguindo seu gradiente químico. O gradiente elétrico, no entanto, é oposto ao quimico. Assim, ele se equilibra dinâmicamente, sem que haja a necessidade de uma bomba ativa de cloro! Na Cl Cl Na 4

5 Células excitáveis Células excitáveis são capazes de alterar ativamente o potencial da membrana Os principais tipos de células excitáveis são neurônios e fibras musculares. A membrana das células excitáveis responde ativamente a estimulos. A resposta mais típica é o potencial de ação. 5

6 O POTENCIAL DE AÇÃO (PA) é um evento elétrico transitório rapido no qual ocorre a completa inversão da polaridade elétrica da membrana. Para que serve o potencial de ação??????? Estimular a contração muscular Estimular a liberação de neurotransmissores Estimular a secreção de outras substâncias por células neurais e neuroendócrinas 6

7 POTENCIAL DE AÇÃO Etapas do PA: Despolarização Inversão de polaridade da membrana Repolarização Hiperpolarização Neurônio Condução do Potencial de ação 7

8 Os canais de Na, dependentes de voltagem, da membrana plasmática do axônio são os responsáveis primários pelo potencial de ação. Podemos pensar no potencial de ação como um evento tudo ou nada e autoregenerante. 50 V(mV) 0 Potencial limiar 70 Potencial de repouso Tempo(ms) Vejamos atentamente essa animação do funcionamento dos canais durante as fases de despolarização e repolarização. Os canais de Na, dependentes de voltagem abremse, permitindo a elevação do potencial, gráfico ao lado. Vemos claramente os íons do Na (cargas positivas) entrando na célula, e o potencial de membrana respondendo a essa entrada no gráfico. Canal de Na Voltagem (mv) Despolarização Potencial de repouso Tempo(ms) Fonte: 8

9 Nessa fase vemos a repolarização, onde as cargas positivas (indicadas em verde), devido aos íons de K, saem da célula, concomitantemente temos a queda do potencial de membrana no gráfico ao lado. O canal de K também é indicado em verde. Esse canal fica aberto durante toda a fase de repolarização. Voltagem (mv) Repolarização Despolarização Potencial de repouso Hiperpolarização Tempo(ms) Fonte: 9

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11 e os canais de sódio e potássio A) Os canais de sódio e potássio estão fechados B) O aumento do potencial na membrana leva o canal de sódio, que é dependente de voltagem, a abrirse. O que permite o rápido influxo de sódio na célula, aumentando de forma significativa o potencial de membrana. Esta fase é chamada despolarização. C) Aproximadamente 1 ms depois o canal de sódio fechase e os canais de potássio, dependentes de voltagem, abremse. Permitindo a saída do excesso de carga positiva da célula. Esta fase é a de hiperpolarização. D) Por último a célula atinge o potencial de repouso. Membrana plasmática Canal Na Canal K Propriedades do potencial de ação 11

12 Permeabilidade Durante o A abertura e fechamento dos canais mudam a permeabilidade dos neurônios durante o potencial de ação. O rápido aumento da permeabilidade ao íon de Na é responsável pela fase de despolarização do potencial de ação. Permeabilidade Potencial de ação Permeabilidade ao Na Permeabilidade ao K Repouso Propagação do 12

13 Propagação do A animação desse slide mostra um diagrama esquemático para a propagação do potencial de ação. Vemos claramente a seqüência de abertura de canais de Na (em vermelho), seu fechamento e abertura dos canais de K (em verde). O resultado líquido é o aumento da concentração dos íons de Na no interior do axônio, o que aumenta o potencial de membrana promovendo a abertura de mais canais de Na, o potencial de ação propagáse axônio abaixo, na direção do terminal, devido ao período refratário dos canais de Na já disparados. Fonte: 13