EXCITABILIDADE I 1 - Introdução 1.1 Objetivo da aula: Estudar os mecanismos fisiológicos responsáveis pelos potenciais elétricos através das membranas celulares 1.2 Roteiro da aula: 1.2.1- Estudar o potencial de membrana em repouso O que é? Importância Quais são os fatores determinantes? O que é? Importância Diferença de voltagem elétrica através da membrana plasmática celular Variações no potencial de repouso de membrana podem desencadear potenciais de ação (respostas propagáveis ) nos tecidos excitáveis TECIDOS EXCITÁVEIS Esquema da separação de cargas Gerar e propagar potenciais de ação Axônio Potencial de ação Segmento axonal LEC Potencial de ação Células musculares LIC Potencial de ação Quais são os fatores determinantes? 2 - Permeabilidade seletiva da membrana a determinados íons TRANSPORTADORES IÔNICOS - Transportam ions ativamente contra gradiente de concentração - Criam gradiente de concentração Neurônios Fatores determinantes: Distribuição de íons nos compartimentos intracelular e extracelular (mmol/l) CANAIS IÔNICOS - Permitem que os íons se difundam a favor do gradiente de concentração - Apresentam permeabilidade seletiva a determinados íons! 1
Fatores determinantes: Distribuição de íons nos compartimentos intracelular e extracelular (mmol/l) Fatores determinantes: Como o gradiente de concentração iônico através da membrana contribui com a determinação do potencial de membrana em repouso? K K + + Cl - Cl- Na + Na + A C A membrana é impermeável Célula artificial O lado interno da célula desenvolve um potencial de membrana negativo Gradiente de concentração do K + Gradiente elétrico do K + B A membrana é permeável somente ao K + Difusão a favor do gradiente de concentração Equilíbrio eletroquímico Potencial de equilíbrio Força de concentração = Força elétrica Gradiente de concentração iônico entre o LIC e o LEC Cálculo matemático do potencial de equilíbrio EQUAÇÃO DE NERST somente permeável ao K + E = 60 +1 log [5mM] 10 [150mM] Potencial de equilíbrio E 60 íon = z log [íon] e 10 [íon] i E K + = - 90mV Gradiente de concentração do K + : mais Na +, Cl - mais K +, proteína (anion) Onde: 60 é uma combinação de várias constantes Gradiente elétrico do K + mais a temperatura; Z é a carga elétrica do íon (+1 para K + ) [íon] é a concentração de íons dentro e fora da célula somente permeável ao Na + E Na + = 60 +1 log [140mM] 10 [2mM] Fatores determinantes: Potencial de equilíbrio E Na + = +60mV Gradiente de concentração iônico entre o LIC e o LEC EQUAÇÃO DE NERST Potencial de equilíbrio E K + = - 90mV E Na + = + 60mV E Cl - = - 70mV Gradiente elétrico do Gradiente de concentração do Na + : mais Na +, Cl - mais K +, proteína (anion) 2
Fatores determinantes: 2. Permeabilidade seletiva da membrana a determinados íons Potencial de equilíbrio E K + = - 90mV E Na + = + 60mV Equação de Goldman Considera ambos os gradientes de concentração e a permeabilidade relativa da célula a cada íon. P V = 58 K [K] e + P Na [Na] e + P Cl [Cl] i log10 PK [K] i + P Na [Na] i + P Cl [Cl] e V = -70mV Potencial de membrana em repouso das células é mais próximo ao E K + = -90mV Voltagem através da membrana As células são 40 vezes mais permeáveis ao K + COMO DESCOBRIRAM QUE A MEMBRANA CELULAR É MAIS PERMEÁVEL AO K + DURANTE O REPOUSO? COMO DESCOBRIRAM QUE A MEMBRANA CELULAR É MAIS PERMEÁVEL AO K + DURANTE O REPOUSO? Alan Hodgkin e Bernanrd Katz (1949) O que aconteceria com o potencial de membrana em repouso se a concentração externa de K +, Na + ou Cl - fosse alterada? registro Alan Hodgkin e Bernanrd Katz (1949) O que aconteceria com o potencial de membrana em repouso se a concentração externa de K + fosse alterada? K + K + K + K + K + Célula Solução salina K + K + K + K + K + K + K + K + K + K + K + Para dentro referência (0mV) Equipamento de registro Voltímetro COMO DESCOBRIRAM QUE A MEMBRANA CELULAR É MAIS PERMEÁVEL AO K + DURANTE O REPOUSO? Alan Hodgkin e Bernanrd Katz (1949) O que aconteceria com o potencial de membrana em repouso se a concentração externa fosse alterada? COMO DESCOBRIRAM QUE A MEMBRANA CELULAR É MAIS PERMEÁVEL AO K + DURANTE O REPOUSO? Alan Hodgkin e Bernanrd Katz (1949) O que aconteceria com o potencial de membrana em repouso se a concentração externa de Cl - fosse alterada? registro Para dentro Voltímetro registro Para dentro Voltímetro Na + Na + Na + Na + Na + Célula Solução salina Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + referência (0mV) Equipamento de registro Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - Célula Solução salina Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - referência (0mV) Equipamento de registro 3
Que tipo de alteração o aumento da concentração externa de potássio promove no potencial de membrana? COMO DESCOBRIRAM QUE A MEMBRANA CELULAR É MAIS PERMEÁVEL AO K + DURANTE O REPOUSO? registro Para dentro Voltímetro Alan Hodgkin e Bernanrd Katz (1949) O que aconteceria com o potencial de membrana em repouso se a concentração externa de K +, Na + ou Cl - fosse alterada? Aumento da concentração externa de K + alterava o potencial de membrana muito mais que o aumento da concentração externa de Cl - ou Na + K + K + K + K + K + Célula Solução salina K + K + K + K + K + K + K + K + K + K + K + referência (0mV) Torna o potencial de membrana menos negativo Equipamento de registro A MAIOR PERMEABILIDADE DA MEMBRANA AO K + CONTRIBUI SIGNIFICATIVAMENTE COM O POTENCIAL DE MEMBRANA EM REPOUSO Fatores determinantes: 2 - Permeabilidade seletiva da membrana a determinados íons Bomba / K + : bomba eletrogênica BOMBA / Difusão 3 Fluido intracelular -70 mv A bomba K + contribui para o potencial de membrana pelo bombeamento de 3 Na + para fora e 2 K + para dentro BOMBA / 2 Fluido extracelular 0 mv INTERIOR Difusão EXTERIOR TIPOS DE ALTERAÇÕES DE POTENCIAL DE MEMBRANA O cianeto é um veneno e age como inibidor da cadeia respiratória, bloqueando a síntese de ATP. Qual é o efeito do cianeto sobre o potencial de membrana das células? Com o tempo isso levaria a um acúmulo dentro da célula e consequentemente, o potencial de membrana se tornaria mais positivo Potencial de mem mbrana (mv) Diferença do potencial de membrana (V m ) V m diminui V m aumenta Despolarização Repolarização Hiperpolarização 4
BIOELETROGÊNESE Estudamos os mecanismos fisiológicos responsáveis pelo potencial de repouso da membrana celular BIBLIOGRAFIA Potencial de membrana em repouso O que é? Diferença de voltagem elétrica através da membrana plasmática celular FISIOLOGIA HUMANA - Uma abordagem integrada. Capítulo 5: p. 118 a 124, 139 a 146. Sylverthorn, 2a ed. Quais são os fatores determinantes? Transportadores iônicos. Ex. Bomba de / 2 - Permeabilidade seletiva da membrana ao potássio EXCITABILIDADE II 1 - Introdução 1.1 Objetivo da aula: Estudar os mecanismos fisiológicos responsáveis pelas variações dos potenciais elétricos através das membranas celulares que correspondem à base de transferência de informação nas células excitáveis 1.2 Roteiro da aula: Estudar os mecanismos responsáveis pelas alterações do potencial de membrana de repouso Estudar os tipos de alterações de potencial de membrana: Potencial graduado e o potencial de ação Como são gerados? Bases iônicas? Principais diferenças Entender como um anestésico local evita a ocorrência da dor MECANISMOS RESPONSÁVEIS PELAS ALTERAÇÕES DE POTENCIAL DE MEMBRANA EXEMPLO DE CANAL LIGANDO-DEPENDENTE Mudanças na permeabilidade iônica Canais passivos Canais controlados Mecano-dependentes Ligando-dependentes Voltagem-dependentes 5
TIPOS DE ALTERAÇÕES DE POTENCIAL DE MEMBRANA 1 - Potencial graduado TIPOS DE ALTERAÇÕES DE POTENCIAL DE MEMBRANA 1 - Potencial graduado Exemplos Como é gerado? Potencial receptor Potencial sináptico 2 - Potencial de ação TIPOS DE ALTERAÇÕES DE POTENCIAL DE MEMBRANA 1 - Potencial graduado TIPOS DE ALTERAÇÕES DE POTENCIAL DE MEMBRANA Potencial graduado inibitório Hiperpolarização Causado por mudanças na permeabilidade iônica Tipos: excitatório, inibitório Características principais (amplitude, duração, condução) a (mv) Potencial de membrana Diferença do potencial de membrana (V m ) V m diminui Despolarização Repolarização V m aumenta Hiperpolarização Efluxo de Influxo de Cl - TIPOS DE ALTERAÇÕES DE POTENCIAL DE MEMBRANA Potencial graduado excitatório BASES IÔNICAS DO POTENCIAL PÓS-SINÁPTICO EXCITATÓRIO brana (mv) Potencial de memb Diferença do potencial de membrana (V m ) V m diminui Efluxo de K + Influxo NA + Despolarização Repolarização Potencial de Intra-celular 6
Condução do Potencial graduado excitatório Ponto de origem Amplitude do potencial graduado ALTERAÇÕES DE POTENCIAL DE MEMBRANA O potencial graduado excitatório pode ou não desencadear um potencial de ação Conceito de de excitabilidade Distância Distância Potencial de ação Neurônio Em que ponto do neurônio o potencial graduado será mais forte, A ou B? Potencial de membrana (m mv) - 70 Potencial de repouso influxo maior que efluxo de K + efluxo de k + maior que influxo "# "# $ % & $ '(" " TIPOS DE ALTERAÇÕES DE POTENCIAL DE MEMBRANA 2- Como é gerado? Quais são suas bases iônicas? Potencial de membrana (mv) Despolarização Na + entra Repolarização K + sai Hiperpolarização Estímulo Potencial de membrana de repouso " '( $ NA + LEC LIC Potencial de Intra-celular RELAÇÃO ENTRE AS ALTERAÇÕES DE POTENCIAL E DE PERMEABILIDADE IÔNICA DA MEMBRANA 2 - POTENCIAL DE AÇÃO Voltagem transme embrana + POTENCIAL DE EQUILIBRIO - Na + 60 PK < PNa 0 PK = PNa PK > PNa PK >> PNa - 90 POTENCIAL DE EQUILIBRIO - COMO DESCOBRIRAM QUE A DESPOLARIZAÇÃO DA MEMBRANA DURANTE O POTENCIAL DE AÇÃO É CAUSADA PELA MAIOR PERMEABILIDADE DA MEMBRANA AO NA +? Alan Hodgkin e Bernanrd Katz O que aconteceria com o potencial de ação com a remoção do Na + do meio externo? Diminuição da concentração externa diminuía a amplitude do potencial de ação A MAIOR PERMEABILIDADE DA MEMBRANA AO NA + CONTRIBUI SIGNIFICATIVAMENTE COM A FASE DE DESPOLARIZAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO 7
2- POTENCIAL DE AÇÃO POTENCIAL DE AÇÃO Dinâmica da abertura e fechamento dos canais voltagem dependentes Desencadeado pela abertura de canais voltagem dependente Comporta de ativação de K + plasmática 2 Despolarização: canais se abrem Potencial de membran na (mv) fecha abre de K + abre Permeabilidade relativa da membrana 3 Repolarização: canais se fecham e de K + se abrem Comporta de Inativação Comporta de de K + plasmática ativação Comporta de Inativação 1 Repouso: canais e K + estão fechados 4 Hiperpolarização: canais de K + permanecem abertos e fechados POTENCIAL DE AÇÃO Dinâmica da abertura e fechamento dos canais voltagem dependentes POTENCIAL DE AÇÃO Dinâmica da abertura e fechamento dos canais voltagem dependentes 2 Despolarização: canais se abrem Potencial de membran na (mv) fecha abre de K + abre Permeabilidade relativa da membrana 3 Repolarização: canais se fecham e de K + se abrem 2 Despolarização: canais se abrem Potencial de membran na (mv) fecha abre de K + abre Permeabilidade relativa da membrana 3 Repolarização: canais se fecham e de K + se abrem Comporta de ativação de K + plasmática Comporta de ativação de K + plasmática 1 Comporta de Inativação Repouso: canais e K + estão fechados 4 Hiperpolarização: canais de K + permanecem abertos e fechados 1 Comporta de Inativação Repouso: canais e K + estão fechados 4 Hiperpolarização: canais de K + permanecem abertos e fechados POTENCIAL DE AÇÃO Dinâmica da abertura e fechamento dos canais voltagem dependentes Alterações de potencial de membrana que podem ocorrer nas células Caracteristica Potential Graduado Potential de Ação 2 Despolarização: canais se abrem Potencial de membran na (mv) Comporta de de K + plasmática ativação Comporta de Inativação 1 Repouso: canais e K + estão fechados fecha abre de K + abre Permeabilidade relativa da membrana 3 Repolarização: canais se fecham e de K + se abrem 4 Hiperpolarização: canais de K + permanecem abertos e fechados Amplitude Duração Canais Localização Variável Variável (depende do estímulo) Químico ou mecânicodependente Dendritos, soma Sempre a mesma (tudo ou nada) Alteração rápida de membrana Voltagem-dependente Cone de implantação axônico, músculo 8
Alterações de potencial de membrana que podem ocorrer nas células Como inibir a dor??? Caracteristica Potential Graduado Potential de Ação mielina nódulos de ranvier Condução Período refratório Com decremento Nenhum Sem decremento Absoluto (não há novos PA); Refratório (PA apenas com estímulos mais intensos) A δ Lidocaina Alteração da voltagem da membrana Propagação Despolarização ou hiperpolarização Não propagável Despolarização, seguida por repolarização e hiperpolarização Propagável C Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + mielina Como inibir a dor??? Nódulos de ranvier EXCTABILIDADE II Estudamos os mecanismos fisiológicos responsáveis pelas variações dos potenciais elétricos através das membranas celulares que correspondem à base de transferência de informação nas células excitáveis A δ C Lidocaina Alterações do potencial de membrana ocorrem devido a mudanças na permeabilidade iônica da membrana Essas alterações podem ser do tipo: Potencial graduado excitatório, inibitório ou potencial de ação O potencial graduado excitatório pode desencadear um potencial de ação se ultrapassar o limiar de excitabilidade da célula Potencial de ação ocorre em resposta a abertura de canais e K + voltagem dependentes Fases do potencial de Ação: despolarização, repolarização, hiperpolarização Estudamos as principais diferenças entre o potencial de ação e os potenciais graduados BIBLIOGRAFIA FISIOLOGIA HUMANA - Uma abordagem integrada. Capítulo 8: p. 220-227. Sylverthorn, 2 a ed. 9
EXCITABILIDADE III 1.1 Objetivo da aula: Estudar as características gerais do potencial de ação que é a base de transferência de informação nas células excitáveis 1.2 Roteiro da aula: Estudar o mecanismo de codificação da intesidade de um estímulo Revisar a dinâmica de abertura e fechamento dos canais e K + voltagem dependentes Estudar a relação entre a abertura dos canais da Na + e K + voltagem dependentes e o período refratário Conceituar período refratário Estudar a relação entre o período refratário e a condução do potencial de ação em um único sentido Estudar os fatores que afetam a velocidade de condução do potencial de ação Estudar a relação entre as variações da concetração de K + no LEC e a excitablidade celular Os potenciais de ação em um dado neurônio são idênticos aos outros potenciais de ação no mesmo neurônio. Portanto, como é codificada a intensidade do estímulo? Potenciais de ação Estímulo Potenciais de ação Estímulo Estímulo Fraco Tempo Estímulo Forte CODIFICAÇÃO DA INTENSIDADE DE ESTÍMULO ) " "* +, + -$ ". / 0 1 # PERÍODO REFRATÁRIO Período no qual a membrana não responde normalmente a estímulos adicionais PERÍODO REFRATÁRIO Período no qual a membrana não responde normalmente a estímulos adicionais Absoluto Relativo Absoluto Relativo ABSOLUTO Período em que um novo PA não pode ser iniciado RELATIVO Período em que um novo PA só pode ser iniciado por um estímulo mais intenso V) Potencial de membrana (mv Despolarização Na + entra Estímulo Repolarização K + sai Hiperpolarização Potencial de membrana de repouso ABSOLUTO Período em que um novo PA não pode ser iniciado. Os canais voltagem dependente encontram-se abertos ou inativos e os canais de K + se abrem. V) Potencial de membrana (mv Despolarização Na + entra Estímulo Repolarização K + sai Hiperpolarização Potencial de membrana de repouso 10
PERÍODO REFRATÁRIO Período no qual a membrana não responde normalmente a estímulos adicionais PERÍODO REFRATÁRIO Absoluto Relativo RELATIVO Período em que um novo PA só pode ser iniciado por um estímulo mais intenso. Os canais voltagem dependente voltaram para suas posições de repouso e alguns canais de K + ainda estão abertos. V) Potencial de membrana (mv Despolarização Na + entra Estímulo Repolarização K + sai Hiperpolarização Potencial de membrana de repouso Limita a taxa pela qual os sinais podem ser transmitidos nos neurônios Impede que os potenciais de ação se sobreponham O período refratário absoluto assegura que o potencial de ação sempre seja conduzido num único sentido, ou seja, do corpo celular para o terminal axônico, impedindo que o potencial de ação retorne. CONDUÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO " & "234 PA não perde a sua força com o aumento da distância como ocorre com o potencial graduado " '('( '( CONDUÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO VELOCIDADE DE CONDUÇÃO DO PA PROPAGAÇÃO DO PA EM FIBRAS MIELINIZADAS Nódulo Nódulo Maior calibre + velocidade + rápida economiza energia Nódulo de Ranvier Bainha de mielina Despolarização Corrente se espalha e a condução fica lenta Proprioceptores Músculos Esqueléticos Mecanorrecptores Da Pele Dor Dor, Temperatura Temperatura, Vibração Corrente se espalha e a condução fica lenta 11
)""% 6 78 "# " 5 "# "# " 5 1 "# " 5 "# "# " 5 1 BIOELETROGÊNESE 1 - Introdução Estudamos as características gerais do potencial de ação que correspondem à base de transferência de informação nas células excitáveis A intesidade de um estímulo é codificada pela frequência de potenciais de ação A dinâmica de abertura dos canais da Na + e K + voltagem dependentes contribui com a determinação do período refratário Período refratário é o período no qual a membrana não responde normalmente a estímulos adicionais: Absoluot e relativo O perído refratário determina a condução do potencial de ação em um único sentido no neurônio A velocidade de condução do potencial de ação é afetada pelo diâmetro do neurônio e pela presençã da bainha de mielina As alterações na concentração de K + no LEC alteram a excitabilidade neuronal "# "# "" " "" "2 " 0"" "9'( ": " $""" -" BIBLIOGRAFIA FISIOLOGIA HUMANA - Uma abordagem integrada. Capítulo 8: p. 227-234. Sylverthorn, 2 a ed. "---" " $&" 12