Biofísica das Membranas

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1 Biofísica das Membranas Prof. Romildo Nogueira 1.0 Fluxos iônicos em membranas. A membrana plasmática das células, segundo Singer & Nicholson(1972), consiste de uma bicamada fluídica de lipídios na qual se inserem proteínas em cada um dos seus lados (proteínas periféricas) ou a atravessam inteiramente (proteínas integrais) Numa membrana com essas características, a única via possível para o transporte de íons são as proteínas. A matriz lipídica, devido a sua baixa constante dielétrica em relação aos meios intra e extracelulares, não permite o transporte de íons através da sua estrutura. As proteínas podem transportar íons formando com eles um complexo que é capaz de se mover através da fase lipídica, e são os casos dos carregadores e das bombas ( ATPases transportadoras) ou formando uma estrutura, com o interior hidrofílico e o exterior hidrofóbico, que transpassa a membrana de um lado a outro e que denomina-se canal iônico. Como exemplo de carregadores podemos citar o mecanismo de troca do íon sódio pelo íon cálcio no músculo e como exemplo de bombas pode ser citada a ATPase sódio potássio que mantém o gradiente eletroquímico existente nas células às custas de energia metabólica. Como exemplo de canais iônicos podemos citar os canais de sódio, potássio, cálcio e cloreto envolvidos com a gênese da atividade elétrica nos tecidos excitáveis. Os canais iônicos são usualmente compostos de poucas moléculas de proteínas e algumas vezes por apenas uma única molécula. O canal contém um poro aquoso que ao ser aberto, por mudanças conformacionais na estrutura da proteína, permite o fluxo de cerca de 100 milhões de íons por segundo através da sua estrutura. Este movimento de íons gera uma corrente elétrica que é suficiente para ser medida por técnicas adequadas de registros. Portanto, medindo-se esta corrente pode-se observar a atividade elétrica de um único canal na membrana celular, denominada de single-channel e desta forma obter-se informações acerca das mudanças conformacionais da proteína ou do complexo molecular que forma o canal iônico. Este mecanismo de abrir e fechar do canal é denominado de gating e são controlados por estímulos adequados, tais como: voltagem, neurotransmissores, moléculas de mensageiros citoplasmáticos ou por estímulos sensoriais de vários Os canais mostram uma outra importante propriedade que é a sua seletividade iônica. Isto significa que os canais podem selecionar os íons que os atravessam, permitindo que somente um tipo particular de íon ( sódio, potássio, cálcio,etc.) ou uma certa classe de íons (cátions monovalentes, cátions em geral, ânions ) o atravesse. O gating e a seletividade são aspectos distintos do funcionamento do canal iônico. Estudos da estrutura molecular dos canais iônicos tem evidenciado que parte da molécula formadora do canal é concernente com o gating, enquanto outra parte da molécula pode está relacionada a sua seletividade. A técnica de registrar-se canais unitários (single-channel) foi introduzida em 1976 por Sakmann & Neher e consiste em excitar-se da membrana um pequeno fragmento com todos os seus sistemas de transportes e mantê-los selado à ponta de uma pipeta. Esta técnica permite estudar as correntes iônica que atravessa um único canal iônico. Os canais e carregadores são vias passivas de transporte de íons ou seja, não requerem gasto de energia metabólica oriunda do ATP (trifosfato de adenosina) ou qualquer outro metabólito. A energia envolvida no transporte de íons advém do gradiente eletroquímico do próprio íon

2 transportado (transporte passivo), como no caso dos canais iônicos, ou do gradiente eletroquímico de um outro íon nos casos dos processos de transporte iônicos acoplado ( transporte ativo secundário). Estes acoplamentos ocorrem de maneira a transportar os íons moventes e movidos no mesmo sentido, um processo denominado de co-transporte, ou em sentido contrários, um mecanismo denominado de contra-transporte. Um exemplo de contra-transporte é o efluxo de Ca++ às custas do gradiente do íon sódio nas células musculares e um exemplo de co-transporte é o transporte de lactose as custas do gradiente de prótons nas membranas bacterianas. 2.Fundamentos de físico-química. O estudo dos canais iônicos, carregadores e bombas ilustram um dos muitos exemplos na Biologia onde o entendimento das leis da Física e da Química podem trazer importantes informações sobre o fenômeno biológico. Assim, muito do que se conhece acerca dos mecanismos de transporte de íons através de membranas foram deduzidos das leis da eletroquímica. Portanto, conhecimentos básicos em eletroquímica são fundamentais no entendimento dos mecanismos de transporte de íons através das membranas biológicas. A matéria em seu estado natural é neutra e somente quando ela interage surge carga nos corpos materiais. A carga elétrica é decorrente do desequilíbrio no número de prótons e neutros existente na matéria. A quantidade de carga é medida em Coulomb (C), sendo a carga de um elétron igual a - 1,6x10-19 C (carga elementar). Como em Biofísica é comum se trabalhar com grandes quantidades de cargas elementares, expressa-se algumas vezes a carga contida por mol de substância e denomina-se este parâmetro que é igual a 105 C / mol de constante de Faraday (F). A carga de um mol de prótons ou um mol de qualquer outro íon monovalente é igual a um Faraday. A carga de um mol de íon cálcio ou outro cátion divalente é igual a dois Faraday. Por outro lado, a carga de um mol de cloreto ou outro anion monovalente vale -1 Faraday. Fenômenos elétricos ocorrem quando cargas de sinais opostos são separadas. A carga elétrica tem a propriedade de gerar um campo elétrico, definido como a razão entre a força que atua numa carga de prova colocada num ponto do espaço e o valor desta carga. Assim, quando se deseja mover uma carga positiva do pólo negativo para o pólo positivo de uma bateria, necessitamos realizar trabalho contra a força do campo elétrico gerado por esses pólos carregados. A diferença de potencial (ddp) entre os pólos desta bateria é definido como a razão entre o trabalho realizado contra as forças do campo elétrico para deslocar uma carga, com velocidade constante, e o valor da carga deslocada. Se o trabalho realizado para deslocar com velocidade constante uma carga de 1C entre os pólos da bateria for igual a 1 Joule é porque a diferença de potencial ou voltagem entre os seus pólos é igual a 1 Volt. Quando uma d.d.p. é estabelecida num condutor, como por exemplo um metal ou uma solução eletrolítica, observa-se um fluxo de carga elétrica e define-se a razão entre esta quantidade de carga transportada por unidade de tempo de corrente elétrica. A unidade de medida de corrente elétrica no sistema internacional é o Ampère( 1A ) e é definido como o fluxo de 1C de carga que atravessa uma secção de um condutor por segundo. Por convenção, o sentido da corrente é o sentido do movimento das cargas positivas. Então, se eletrodos positivos e negativos são colocados numa solução iônica (solução de Ringer ), Na+, K+ e Ca++ movimentar-se-ão no sentido do pólo negativo e íons Cl- no sentido do pólo positivo e uma corrente elétrica é dita fluir através da solução do pólo positivo para o pólo negativo. Michael Faraday denominou o eletrodo positivo de ânodo e o negativo de cátodo. Na sua terminologia, ânions fluem para o ânodo e os cátions para o cátodo e a corrente elétrica do ânodo para o cátodo. A intensidade da corrente elétrica é determinada pela a d.d.p. entre os eletrodos e a condutância da solução eletrolítica. A condutância elétrica é a medida da facilidade da corrente fluir entre dois pontos à diferentes potenciais elétricos. A condutância entre dois eletrodos numa solução salina pode ser aumentada por adição de mais sal a solução ou a aproximação entre os dois eletrodos. Por outro lado, a condutância pode ser reduzida se for colocado um não- condutor entre os eletrodos, se forem afastados os dois eletrodos, ou

3 fazendo-se a solução mais viscosa. Formalmente, a condutância (G) é definida pela razão entre a corrente que atravessa um condutor (I) e a d.d.p. (V), ou seja G = I/V ou I = GxV (1) Defini-se como unidade de condutância o Siemens (S) que equivale a 1 A / V ou em termos de resistência elétrica ao mho (ohm-1). A resistência elétrica é uma medida da dificuldade da corrente fluir num condutor e é definida como o inverso da condutância (R = 1/G). Assim, a expressão V = RxI é equivalente a relação (1). A unidade de resistência é o Ohm (Ω) e equivale a 1Volt / 1 Ampère. Ohm, observou que nos metais a resistência permanecia constante, independente da d.d.p. aplicada e da corrente que os atravessa. Desta forma, os materiais que obedecem esta lei são conhecidos como ohmicos ou lineares. A resistência para um cilindro de comprimento l e área de secção transversal A é dado pela seguinte expressão R = l /A, onde é a resistividade do material. No caso de um canal iônico, pode-se utilizar a expressão acima para estimar a sua resistência, onde a resistividade depende da solução que o permeia. Assim, a resistência de um canal depende não só das caracteristicas físicas do canal, porém também, da solução que o permeia. A bicamada lipídica isolante que constitui as membranas biológicas apresentam a propriedade de separar as soluções condutoras dos meios intra e extra celular. Tal estrutura isolante separando dois condutores constitui o que denominamos em eletricidade de um capacitor. A capacitância de um capacitor é a medida da quantidade de carga que precisa ser transferida de um condutor a outro para atingir-se uma dada diferença de potencial entre eles, formalmente C= Q / V. A unidade de medida de capacitância é o Faraday (1F) e é definido como 1 C / 1 V. A capacitância de um capacitor depende da constante dielétrica do meio e da geometria dos condutores. Assim, a capacitância de um capacitor de placas paralelas de área A e separadas de uma distância d e tendo entre as placas um isolante de constante dielétrica (K), é dada pela seguinte expressão: C = K o A / d, onde o = 8.85 x F / m é a permissividade do vácuo. Como descrito anteriormente, a energia disponível nas membranas celulares para realizar transporte passivo advém do gradiente do potencial eletroquímico do íon transportado. Contudo, uma questão ainda precisa ser respondida : O que é gradiente de potencial eletroquímico? Para entender o conceito de gradiente, considere uma substância hidrossolúvel e não carregada colocada em água. Nesta condição, ocorre um fênomeno conhecido como difusão, que é caracterizado pelo fluxo do soluto para todos os pontos da solução. Este fluxo só termina quando a concentração da substância é a mesma nos diferentes locais da solução. Portanto, existem forças que deslocam as partículas do soluto para que possa haver fluxo, e este fluxo termina, no equilíbrio, quando não mais existem forças atuando nas partículas. Estas forças advém do gradiente de potencial químico do soluto, e são definidas formalmente, da seguinte maneira, força = - gradiente da energia potencial. O gradiente da energia potencial é definido como a variação da energia potencial ( U) ao longo de uma certa distância X, ou seja grad U = U / X, ou ainda grad U = (RT/Ci ).( Ci / X) (Isto só pode ser demonstrado com o cálculo diferencial). Fisicamente, o gradiente é descrito como um

4 vetor orientado das regiões onde as energias são menores para os locais onde as energias são maiores. Portanto, em nosso exemplo, o gradiente de concentração é um vetor orientado do local de menor para aquele de maior concentração. Por esta razão define-se a força que desloca o soluto ( denominada de força termodinâmica) da seguinte maneira, força termodinâmica = - grad U, ou ainda força termodinâmica = -( RT / Ci). Ci / X O fluxo do soluto depende, como mostrado por Nernst- Planck, da força termodinâmica, da mobilidade(mi) e concentração do soluto na solução ( mi ), como segue : fluxo = - mi Ci (RT/Ci) Ci / X, ou J = - mi RT Ci / X, onde J é o fluxo do soluto O termo mirt é denominado de coeficiente de difusão(d). Desta forma pode-se expressar o fluxo difusional como segue: Ji = -D Ci / X. O conceito de fluxo foi introduzido neste texto de maneira intuitiva, contudo uma definição formal também pode ser dada a esta grandeza, como segue: J = Q / A. t, ou seja o fluxo é a quantidade de substância (Q) por unidade de tempo (t) que atravessa uma determina área (A). Esta grandeza é medida em moles / m2.s. Uma outra situação é aquela na qual um componente i (iônico) tem a mesma concentração em todos os pontos da solução, porém existe um campo elétrico (gradiente de potencial elétrico) que induz o componente i a migrar. Neste caso, o fluxo do componente i é denominado de migração iônica e pode ser descrito como segue: Ji = -mici(zi F V/ X ),

5 onde ZiF V/ X é o gradiente de energia potencial elétrica. É interessante observar que também neste caso o fluxo é dado pela equação de Nernst- Planck, onde Ji = - mici grad U, sendo U neste caso é a energia potencial elétrica. Num caso mais geral no qual a substância é um íon e houver tanto um gradiente de concentração quanto um gradiente elétrico, o fluxo da substância será induzido por um gradiente eletroquímico. Nesta situação o fluxo será expresso pela seguinte equação : Ji = - (mi Zi F V / X ) (( Ci(2)exp (Zi F V/RT) - Ci(1)) / exp(zi F V/RT)-1) 3.Transporte passivo através de membranas 3.1 A difusão através de membranas A difusão através de membranas segue as mesmas leis da difusão num sistema contínuo, porém o fenômeno só ocorre se a membrana for permeável ao soluto que está se difundindo. Portanto, neste caso, a existência do gradiente de energia é uma condição necessária porém não suficiente para que o fenômeno da difusão ocorra. A questão central nesta secção é o conceito de permeabilidade. O que é permeabilidade? Permeabilidade(P) de uma membrana é definida da seguinte maneira: P = ß. D / X, onde ß é o coeficiente de partição, D o coeficiente de difusão e X a espessura da membrana. O coeficiente de partição ß é a razão entre as concentrações de uma substância entre dois meios não miscíveis na condição de equilíbrio ou seja ß = C(1) / C(2), onde C(1) é a concentração da substância na fase 1 e C(2) é a sua concentração na fase 2. O fluxo difusional através de uma membrana pode ser expresso de maneira semelhante aquele descrito para um meio contínuo, ou seja Ji = -D grad C i, onde C i é a concentração da substância no interior da membrana. expressão acima pode ser descrita como segue: A Ji = - D ( C (2) -C (1) / X), onde C (1) é a concentração da substância no interior da membrana e próximo a fase 1, C (2) é a concentração no interior da membrana porém próximo a fase 2. A figura 2 mostra uma membrana separando as duas fases (1 e 2). O fluxo difusional pode ser escrito em função do coeficiente de partição do componente i, como segue: Ji = - Dß/ X (C(2) - C(1)), onde C(2) e C(1) são as concentrações da substância nas fases 1 e 2. Assim, o fluxo difusional pode ser expresso em função da permeabilidade da seguinte maneira:

6 Ji = -P C. 3.2 A migração iônica através de membranas A migração iônica através de uma membrana também depende da permeabilidade desta membrana. Este fato pode ser facilmente demonstrado partindo-se da expressão da migração para um meio homogêneo : Ji = - mi C i Zi F ( V / X), onde C i é a concentração da substância no interior da membrana. Expressando-se esta concentração em função da concentração do componente i na solução que banha a membrana (Ci), tem-se: Ji = -mi ßCiZi F ( V/ X) Multiplicando-se e dividindo-se a expressão acima por RT, obtem-se: Ji = -RTmißCiZi F V/ X RT Ji = - (Di ß / X) Zi Ci F V/ RT ou ainda Ji = -Pi Zi FCi V/ RT. 3.3 Fluxos induzidos por gradientes eletroquímicos. Nas células existem tanto gradiente elétrico como químico, ou seja gradiente eletroquímico e neste caso o fluxo através da membrana é descrito pela seguinte equação: Ji=-(PiZiF V/RT )( ( Ci(2)exp(ZiF V/RT) / RT)-Ci(1)/exp(ZiF V/RT)-1) 4. Perguntas orientadoras ( transporte através de membranas) Após a leitura do texto, responder as perguntas orientadoras é de fundamental importância no processo de auto-avaliação da aprendizagem Questões: 1. Conceitue canal iônico. 2. O que distingue o transporte realizado por um carregador daquele que se efetua através de canal iônico? 3. Descreva o tipo de resposta de um canal iônico quando estimulado. Quais os possíveis tipos de estímulos? 4. Um mol de íon sódio tem que quantidade de carga? e um mol de Mg++? 5. Conceitue as seguintes grandezas: a) diferença de potencial elétrico; b) corrente elétrica; c) condutância e resistência.

7 Defina as unidades de medidas das grandezas acima. 6. Enuncie a lei de Ohm. O que significa dizer que membrana apresenta um comportamento linear? 7. Discuta a seguinte afirmação: A condutância de um canal iônico depende não só das suas características geométricas, porém também da solução que o permeia. 8. Conceitue capacitância. Qual a unidade em que se mede esta grandeza? Qual relação existente entre uma célula e um capacitor? 9. Os resultados experimentais têm evidenciado que a capacitância das membranas celulares é cêrca de 1µF/cm2. Determine a espessura da membrana,sabendo que a constante dielétrica dos lipídeos é igual a Conceitue as seguintes grandezas: a) coeficiente de difusão; b) coeficiente de partição; c) coeficiente de permeabilidade; d) fluxo; Defina as unidades nas quais as grandezas acima são medidas. 11) Caracterize os seguintes fenômenos (em meios contínuos e através de membranas) : a) Difusão b) Migração iônica c) Fluxo induzido por gradiente eletroquímico. 5.Potenciais bioelétricos. 5.1 Potenciais de equilíbrio e a equação de Nernst. Todos os sistemas movem-se no sentido do equilíbrio, um estado onde o fluxo resultante de todas as forças atuantes no sistema é nulo. Para ilustrar esta situação considere uma câmara com dois compartimentos separados por uma membrana permeável unicamente a íons K+ (figura 3). No lado direito da câmara colocamos uma alta concentração (C1) de um sal K+ A- e no lado esquerdo colocamos o mesmo sal a uma baixa concentração (C2). Com o auxílio de um voltímetro, monitoramos a d.d.p. através da membrana. Inicialmente o voltímetro lê 0 mv. Contudo, a medida que os íons K+ difundem-se através da membrana devido ao seu gradiente de concentração, vai sendo gerado através dela uma d.d.p., uma vez que o ânion não pode cruzar a membrana. Contudo, ao passar do tempo, a força térmica que causa a difusão do íon potássio para direita é agora contrabalançada por uma força elétrica, que impulsiona os íons potássio no sentido contrário. Assim, a d.d.p. através da membrana atinge um valor estável de equilíbrio (VK+), no momento em que a força elétrica contrabalança a força térmica e o potencial eletroquímico para o íon potássio nos dois compartimentos se igualam. Nesta condição pode-se expressar o potencial de equilíbrio para o íon potássio ( VK+ ) pela equação de Nernst:

8 VK+= (RT/ZK+F) ln(c1/c2), onde R é a constante dos gases, T a temperatura em graus K, Z é a valência do íon potássio, F é a constante de Faraday. A equação acima mostra que o potencial de equílibrio varia linearmente com a temperatura absoluta e logaritmicamente com a razão das concentrações nos dois compartimentos. 5.2 Potenciais poliônicos e a equação de Goldman Se uma membrana for permeável a vários íons e estiver banhada por soluções salinas de concentrações diferentes em cada um dos seus lados, a difusão dos íons devido aos seus gradientes de concentrações pode gerar uma d.d.p. através da membrana. A figura 4, ilustra a situação descrita acima, onde os sais contidos em cada compartimento separado pela membrana, são os cloretos de sódio e potássio. Numa condição estacionária, onde os gradientes eletroquímicos entre os dois compartimentos se mantem constantes ( por bombas ), pode-se calcular a diferença de potencial através da membrana pela seguinte equação: V21 = -(RT/F) ln. ((PKCK(2)+PNaCNa(2)+PClCCl(1 )) / (PKCK(1)+PNaCNa(1)+PClCCl(2) ) A expressão acima é denominada equação de Goldman, Hodgkin e Katz. Esta equação se reduz a equação de Nernst no caso da membrana ser permeável a um único íon. Isto pode ser verificado fazendo-se nula todas as permeabilidades menos a da espécie permeável na equação acima.(tente fazer isto!). 5.3 O potencial de repouso celular. As células apresentam uma diferença de potencial negativa e constante entre o seu interior e o seu exterior. Esta diferença de potencial, denominada de potencial de repouso celular, pode ser medida utilizando-se a técnica do microeletródio. Esta técnica consiste em colocar-se um capilar de vidro de ponta muito fina e com solução eletrolítica no seu interior dentro da célula e medir-se a d.d.p. em relação ao meio extra- celular. Diferentes valores foram obtidos nos diferentes tipos celulares, por ex., em células musculares esta ddp é cêrca de -90 mv, nos axônios dos neurônios este valor é cêrca de -60 mv. A manutenção deste potencial de repouso nas células não decorre de um estado de equilíbrio, porém de uma condição estacionária. Qual a diferença entre os estados de equilíbrio e estacionário? No estado de equilíbrio não há fluxo resultante de uma certa espécie iônica através da membrana porque não há gradiente de potencial eletroquímico para aquela espécie iônica, enquanto no estado estacionário não há fluxos resultantes de íons, apesar de existir gradientes de potenciais eletroquímicos para aquelas espécies iônicas. No caso do estado estacionário os fluxos passivos estão sendo compensados pelos fluxos ativos ( bombas) das mesmas espécies iônicas através da membrana plasmática celular. Assim, a maioria das células mantém potencial de repouso porque os fluxos passivos dos íons sódio e potássio são compensados pelos fluxos ativos daqueles mesmos íons. 5.4 O potencial de ação Uma característica encontrada no sistema nervoso das diferentes espécies animais é a sua capacidade de conduzir informação com rapidez e eficiência. No homem, por exemplo, o sistema nervoso funciona como uma rede de comunicação entre o sistema nervoso central e as várias partes

9 do organismo. Estas informações são codificadas, através da modulação em frequência de um sinal elétrico que é o impulso nervoso propagado. Este sinal propagado no nervo se caracteriza do ponto de vista elétrico por uma abrupta alteração do potencial de repouso celular. Esta alteração rápida do potencial transmembrana é denominado de potencial de ação e as correntes iônicas transmembrana que dão origem a esta variação do potencial são as correntes de ação. Várias são as formas de potenciais de ação encontradas nos diferentes tecidos excitáveis e alguns tipos de registro destes eventos, registrados com microeletródios intracelulares, são mostrados na figura 5, para o axônio do Loligo e músculos. Os eventos que iniciam um potencial de ação nas células excitáveis são denominados de estímulos. Estes estímulos podem ser de origem elétrica, hormonal, térmica, mecânica, eletromagnética, química e outros. Contudo, seja qual for a origem do estímulo todos eles sofrem um processo de transdução nos receptores para um sinal elétrico. Este sinal elétrico é o agente responsável pelo disparo da atividade elétrica nos tecidos excitáveis. Assim, estímulos que são capazes de disparar potenciais de ação propagados são aqueles cuja intensidade e duração estão acima de um certo valor denominado de limiar de excitabilidade celular. Os estímulos com essas características são denominados de estímulos supralimiar e aqueles com intensidade e duração insuficientes para produzir um potencial de ação são denominados de sublimiares. O limiar de excitabilidade permite a célula funcionar como um descriminador de sinal elétrico. Assim, apenas estímulos com intensidade e duração que permitam disparar um potencial de ação produzem transferência de informação nas células excitáveis. Os estímulos sublimiares apesar de não iniciar um potencial de ação induzem alterações no potencial de membrana que são denominados de respostas locais ou sublimiares. Estas respostas elétricas locais são dependentes da intensidade do estímulo que a gerou e depende das propriedades resistiva e capacitiva da membrana e resistiva do fluido celular. Este tipo de resposta- que é uma propriedade das células em geral e não unicamente daquelas que são excitáveis- se atenuam a medida que se propaga ao longo de uma fibra de maneira semelhante a um cabo elétrico, e daí a denominação de propriedades de cabo das células. O potencial de ação, ao contrário, é do tipo tudo ou nada, isto quer dizer que o estímulo ou é suficiente para atingir o limiar de excitabilidade e disparar um potencial de ação que se propaga ao longo da fibra excitável sem variação da forma de onda e com velocidade constante (tudo) ou então o estímulo é sublimiar e neste caso, não dispara um potencial de ação (nada). A codificação da intensidade e duração do estímulo supralimiar é realizada através do intervalo de tempo entre os potenciais de ação, uma vez que os potenciais de ação tem amplitude constante. Assim, a transferência de informação no sistema nervoso se faz por modulacão em frequência e não em amplitude. Os receptores, por sua vez, funcionam como transdutores de amplitude para frequência. Os estímulos sublimiares apesar de não produzirem potenciais de ação podem sofrer somação com um outro estímulo sublimiar e atingir o limiar de excitabilidade da célula e, com isto, disparar um potencial de ação. Uma característica interessante das células excitáveis é a sua incapacidade de responder a novos estímulos durante a fase inicial do potencial de ação. O intervalo de tempo no qual este fenômeno ocorre, é denominado de periodo refratário absoluto. Após este período, um potencial de

10 ação pode ser deflagrado,porém em resposta a estímulos muito intensos. Este período é denominado de período refratário relativo. Quais os íons responsáveis pelo fenômeno do potencial de ação? Durante a fase inicial do potencial de ação, denominada de despolarização, são observados primeiro um aumento da permeabilidade da membrana ao íon sódio e posteriormente uma redução desse parâmetro. Desta forma, o fenômeno do ponto de vista iônico, caracteriza-se pelo fluxo rápido de sódio para o interior da célula. Esta corrente de sódio para o interior celular ocorre através de canais iônicos dependentes de voltagem, que se encontram na membrana plasmática e são conhecidos como canais de sódio. Uma característica desses canais é que eles são ativados e posteriormente inativados durante o processo de despolarização da célula. O resultado final desse processo é uma mudança de polaridade através da membrana. A fase final do potencial de ação, denominada de repolarização, é caracterizada pelo retôrno do potencial transmembrana ao seu valor de repouso. Isto ocorre devido ao aumento da permeabilidade da membrana ao íon potássio. Este aumento da permeabilidade ao potássio ocorre devido a abertura de canais de potássio dependentes de voltagem na membrana plasmática. Através dessas vias a corrente de potássio repolariza a membrana. Esta corrente de potássio para o exterior da célula cessa devido o fechamento dos canais de potássio em valores de voltagem próximos ao potencial de repouso. O controle da permeabilidade através de vias especializadas na membrana para o transporte dos íons sódio e potássio foi proposta por Hodgkin & Huxley, em Neste modelo os autores sugeriram que partículas n, m e h controlariam a condutância da membrana aos íons sódio e potássio. Assim, no caso da condutância ao potássio a partícula carregada n sentiria a voltagem da membrana e se deslocaria de uma posição a outra do canal, permitindo a sua abertura. Quanto a condutância ao íon sódio, pode-se imaginar que a partícula m, ao sentir voltagem, desloca-se no interior da membrana e abre uma via condutiva ao íon sódio. A partícula de inativação h também sensível a voltagem, ao contrário, age inativando os canais de sódio e inibindo a passagem deste íon através da via hidrofílica. A inativação do canal só ocorre após passado um intervalo de tempo em relação a sua ativação. Isto se deve ao fato de que as partículas h apesar de também sentirem voltagem, se movem mais lentamente que as partículas de ativação m. Estes dois processos atuando, simultaneamente, na membrana permitem o aumento abrupto da sua condutância, seguido de um decréscimo para um valor igual aquele que a membrana tinha em repouso, como observado durante o fenômeno do potencial de ação. O potencial de ação se propaga como uma onda que se desloca com velocidade constante à partir do local do estímulo para as regiões adjacentes da membrana. Isto ocorre porque no local do estímulo, gera-se uma despolarização e, em virtude da diferença de potencial entre este ponto e os pontos adjacentes da membrana, ocorrem fluxos de íons que vão despolarizar aquelas regiões. Além dessas correntes longitudinais, tem-se as correntes através da membrana, fechando o circuito que denominamos de circuitos locais de corrente. 6. Perguntas orientadoras ( potenciais bioelétricos) 1. Descreva do ponto de vista elétrico:

11 a) Potencial de repouso b) Potencial de ação obs: Não precisa descrever as suas bases iônicas. 2. Os dois tipos básicos de sinais elétricos mediados pelos axônios dos neurônios, são o potencial local e o potencial de ação. Discuta as diferenças entre estes dois tipos de sinais. 3. O potencial de ação é um sinal elétrico que se propaga nos tecidos excitáveis, sem alteração na sua forma de onda. Como justificar que um sinal que tem sempre a mesma forma, possa transmitir ao SNC informações a respeito da intensidade do estímulo que o gerou. 4. O que se significa dizer que um potencial de ação é do tipo tudo ou nada? 5. quais os tipos de correntes que atravessam a membrana do axônio durante o fenômeno do potencial de ação? 6. Discuta as bases iônicas dos potenciais de repouso e de ação?