Origens do potencial de membrana Excitabilidade celular

Algumas medidas elétricas Potencial (E,V) V (volt) Carga C (coulomb) Corrente (I) A (ampere = C/s) Resistência (R) W (ohm = V/A) Condutância (G) S (siemens = A/V) Lei de Ohm, I = V/R = g.v I V

Gráfico corrente X potencial (IV) Lei de ohm: G = I/V Inclinação = condutância

E como os organismos geram bioeletricidade?

A membrana celular possui proteínas que formam canais que passam íons Íons Canal iônico (g) Membrana Os canais Iônicos podem ser vistos como condutores (g) porque passam corrente elétrica na forma de íons!

O fluxo de íons gera corrente (I) que altera a diferença de potencial através da membrana (V) -80 mv

A célula pode ser representada eletricamente como um circuito equivalente Rm E Cm Cm = membrana Rm = canais E = diferença de potencial

Rm Cm E -80 mv

Convenções eletrofisiológicas de corrente Corrente negativa Corrente de entrada

Convenções eletrofisiológicas de corrente Corrente positiva Corrente de saída

Registro do potencial de repouso 0 mv -80 mv + + + + + + - - - - - - + + + + + + - - - - - - TIPO CELULAR Neurônio -70 Músculo esquelético -80 Músculo cardíaco (atrial e ventricular) -80 Músculo liso -55 Em (mv)

As concentrações iônicas são diferentes dentro e fora da célula íon [íon] 0 (mm) [íon] I (mm) Na + 145 15 Cl - 100 5 K + 4,5 150 Ca ++ 1,8 0,0001

Os íons são segregados por transportadores presentes na membrana que realizam transporte ativo 3 Na + 1 2 K + 3 Na + 2 Ca ++ ATP 3 ADP + P i 1 - Na/K ATPase 2 Trocador Na/Ca 3 Ca-ATPase reticular

A Na/K ATPase é eletrogênica, porém sua contribuição direta para o potencial de repouso é pequena A inibição da Na/K ATPase por digitálicos cardiácos (ouabaína) despolariza a célula por poucos milivolts (2-16), em média. Músculo esquelético: 6-8 mv. Músculo cardíaco: 12-16 mv.

Potencial de equilíbrio eletroquímico (m) de um íon (J/mol) Diferença de energia potencial do íon + entre dois compartimentos (Dm): K + K + Cl - Cl - 0,1 M KCl 0,01 M KCl Lado 1 Lado 2

Potencial de equilíbrio iônico (E i ) Potencial elétrico que contrabalança o potencial químico gerado pela diferença de concentração iônica. Fluxo líquido nulo! 59 mv Membrana permeável apenas ao cátion K + Cl - K + Cl - 0,1 M KCl 0,01 M KCl Lado 1 Lado 2 K + K + K + K + K + K + Cl - K + - + Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - K + K + K + K + K + K + K + Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - Cl -

Se a membrana é permeável apenas ao ânion o potencial inverte de sinal - 59 mv K + Cl - K + Cl - 0,1 M KCl 0,01 M KCl Lado 1 Lado 2

Se ambos os íons se difundem igualmente não é gerado o potencial de equilíbrio Membrana permeável a cátions e ânions (ambos potenciais de equilíbrio se anulam) + - 0 mv K + Cl - K + Cl - 0,1 M KCl 0,01 M KCl Lado 1 Lado 2

Potencial de equilíbrio eletroquímico (m) de um íon Potencial elétrico que contrabalança o potencial químico gerado pela diferença de concentração iônica. Fluxo líquido nulo! Diferença de potencial do K + entre dois compartimentos (Dm): Dm (K + ) = ma(k+) - mb(k + ) = RTln [K + ] A /[K + ] B + zf (E A - E B ) Potencial químico Potencial elétrico R = constante dos gases T = temperatura em K z = valência do íon F = constante de Faraday E A - E B = diferença de potencial através da membrana

O potencial de equilíbrio eletroquímico de um íon é dado pela equação de Nernst E RT i zf ln C i C o E i = potencial de equilíbrio R = constante dos gases T = temperatura em K z = valência do íon F = constante de Faraday C i = concentração interna do íon C o = concentração externa do íon

Equação de Nernst simplificada 61mV C E log dentro i z C fora

Potenciais de Nernst para os principais íons de importância fisiológica íon E Na 61mV 1 E Cl 61mV 1 [íon] fora (mm) [íon] dentro (mm) E i (mv) Na + 145 15 +60 Cl - 100 5-80 K + 4,5 150-94 Ca ++ 1,8 0,0001 +130 log 15 145 E K 61mV 1 log 5 100 E 61mV Ca 2 log 150 4,5 log 0,0001 1,8

Força eletromotriz (FEM) Força que age sobre o íon: FEM = E m - E eq Para uma célula com E m = -80 mv FEM Na = E m - E Na = -80 mv - (+60 mv) = -140 mv

Força eletromotriz (FEM) Força que age sobre o íon: FEM = E m - E eq Para uma célula com E m = -80 mv FEM K = E m - E K = -80 mv - (-94 mv) = +14 mv

Força eletromotriz (FEM) Força que age sobre o íon: FEM = E m - E eq Para uma célula com E m = -80 mv FEM Ca = E m - E Ca = -80 mv - (+129 mv) = -209 mv

Força eletromotriz (FEM) Força que age sobre o íon: FEM = E m - E eq Para uma célula com E m = -80 mv FEM Cl = E m - E Cl = -80 mv - (-80 mv) = 0 mv nulo (equilíbrio)

A membrana celular possui proteínas que formam canais que passam íons

A permeabilidade iônica da célula varia para cada íon K + Na + Ca ++

A membrana biológica é mais permeável ao potássio (mais canais de potássio abertos) K + Na + Ca ++

O fluxo de íons pela membrana pode ser entendido como uma corrente elétrica (I) e a permeabilidade da membrana a um íon como uma condutância (g) Corrente de potássio = I K = g K.(FEM K ) Corrente de sódio = I Na = g Na.(FEM Na ) No repouso I K + I Na = 0 No repouso I Ca e I Cl podem ser ignorados Então, no repouso I K = I Na g K.(FEM K ) = g Na.(FEM Na ) Em -80 mv, g K.(14 mv) = g Na.(140 mv) g K /g Na = 10

o Um modelo elétrico da célula mais completo C m g K g Na g Ca g Cl i + - 94 mv - - + + 60 mv + 129 mv - 80mV No repouso I K + I Na +I Ca +I Cl = 0 Equação da condutância de corda E m g k g E k g Na g E Na g Ca g E Ca g Cl g E Cl

Equação da condutância de corda simplificada No repouso I K + I Na = 0 E m g k g k g Na E k g Na g k g Na E Na Quanto maior a condutânciade um íon (g i ) mais próximo o potencial da membrana ficará do potencial de equilíbrio desse íon (E i )

Condutância de corda E K I V E Na

O potencial de repouso é uma situação de equilíbrio das correntes iônicas, onde o fluxo líquido de correntes é nulo No repouso I K + I Na = 0 E K I V E Na E repouso

A equação de Goldman-Hodgkin e Katz (GHK) relaciona o potencial de membrana com a permeabilidade

Excitabilidade elétrica

Células excitáveis Células excitáveis são capazes de alterar ativamente o potencial da membrana Os principais tipos de células excitáveis são neurônios e fibras musculares.

Como alterar o potencial da membrana? E m g k g k g Na E k g k g Na g Na E Na g K g Na

Estimulando umá célula excitável (no caso um neurônio)

Que fenômeno é esse?

A membrana das células excitáveis responde ativamente a estimulos. A resposta mais típica é o potencial de ação. Súbita e rápida despolarização tudo-ou-nada da membrana, que viaja ao longo da célula pico 0 mv 5 ms repolarização limiar V repouso pós-hiperpolarização

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

O potencial de ação possui um limiar de disparo

Dependência do potencial de ação ao sódio

O potencial de ação e composto de duas condutâncias sódio e potássio A condutância ao potássio ajuda na repolarizacão do potencial de ação

O Potencial de ação é gerado por um súbito aumento da condutância ao sódio, devido a abertura dos canais de sódio dependentes de voltagem -10 mv -70 mv 5 ms 0 mv 5 ms Corrente de sódio em voltage-clamp Potencial de ação em current-clamp

Dependência de voltagem da corrente de sódio

Relação IV para a corrente de sódio dependente de potencial O limiar do potencial de ação representa o potencial que dá início a abertura dos canais de sódio voltagedependentes

As correntes de sódio e potássio podem ser isoladas farmacologicamente Tetrodotoxina (TTX) Tetraetilamônio (TEA)

O canal de sódio entra em um estado inativado após aberto Fechado Aberto Inativado -70 mv -30 mv -30 mv

O PA é um processo cíclico

Os canais de sódio dependentes de potancial neuronais se conentrem no segmento inicial do axônio

O período refratário reflete a inativação do canal para sódio Após o disparo de um potencial de ação, a célula necessita de um tempo antes de disparar um próximo PA. Esse tempo chama-se período refratário O Período refratário ABSOLUTO não depende da intensidade do estímulo O período refratário RELATIVO depende da intensidade do estímulo Limiar elevado

I/Imax O período refratário reflete a inativação dos canais de sódio -10 mv 5 ms -70 mv Inativação A duração do período refratário reflete a recuperação da inativação dos canais de sódio 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 5 10 ms 15 20 25 1 2 3 4 ms 5 6 7

O Potencial de ação se propaga ao longo da célula Periodo refratario

A transmissão passiva das diferenças de voltagem ao longo da membrana é chamada de condução eletrotônica Gerador de corrente distância l = constante de espaço da membrana (1-3 mm)

A bainha de mielina aumenta a velocidade de propagação do potencial de ação

Os nodos de Ranvier concentram os canais de sódio do nervo Os nodos de Ranvier concentram os canais de sódio do nervo Célula de Shwann Canais de Na axônio Canais de K caspr caspr Canais de K internodo nodo de Ranvier

-O Potencial de ação se inicia no cone axonal e se propaga pelo axônio mielinizado por condução saltatória. - Os nodos de Ranvier são subestações amplificadoras do PA -corantes sensíveis a potencial

Condução do potencial de ação em uma fibra não-mielinizada, analisada por corantes sensíveis a potencial

A bainha de mielina aumenta a velocidade de propagação do potencial de ação