Membranas Excitáveis_bio

Ciências Biológicas

Biofísica dos Sistemas Biológicos 1

Membranas Excitáveis:

Gradiente Eletroquímico,

Potencial de Repouso e

Potencial de Ação


Profa. Dra. Daniela Priscila Marchi Salvador

Roteiro da Aula

Introdução

• Membranas celulares

• Canais transmembranares

Gradiente eletroquímico

Potencial de repouso

Potencial de ação

Biofísica dos Sistemas Biológicos

Porque as células biológicas

necessitam de membranas e canais

transmembranares?

Introdução


Considerações:

Reações biológicas ocorrem em soluções aquosas

• vida está intimamente ligada a água

Água não é o melhor meio para moléculas hidrofóbicas

Introdução


Conservação do material interno da célula

Proteção contra moléculas indesejadas

Membranas Celulares


Células necessitam trocar material e informação com o

meio externo

Isso deve ser feito de maneira altamente seletiva

Canais proteicos fazem esse transporte

Quando os canais transmembranares se abrem aumenta a

condutância através da membrana

Canais Transmembranares




Abertura e fechamento de canais por sistema porta

Canais de Voltagem Dependentes Abertura em função da mudança do potencial da

membrana Canais de K+ e Canais de Na+

Canais Vazantes Difusão Simples

Canal de Na+/K+

Canais de Ligantes

Abertura em função da ligação de moléculas Acetilcolina (Na+)

Glutamato (Ca2+)

Todos os canais fazem parte do mecanismo de controle de

condução

Canais Iônicos


Gradiente Eletroquímico

Células Vivas DDP entre os dois lados

da membrana

Originado pela distribuição assimétrica de Na+,

K+, Cl-, HPO4= e ptns aniônicas (negativas)


Gradiente Eletroquímico

Membrana = capacitor

soluções condutoras separadas por uma delgada camada

isolante

Interior sempre negativo

Exterior sempre positivo


Potencial de Membrana

Potencial de Repouso

É originado por um mecanismo simples de alternância

entre os transportes ativo e passivo de pequenos íons

Potencial de Ação

Variação brusca do potencial de membrana provocada por

estímulos externos que o deflagre

Estímulos químicos, elétricos, eletromagnéticos e mecânicos



Resultado de uma distribuição desigual de íons através

da membrana

Espaço perimembranar interno –

Espaço perimembranar externo +


Presente em todas as células humanas e desaparece

quando a célula morre

Valor característico para cada tipo celular

Relacionado com a conformação e ao funcionamento da

membrana

O potencial de repouso é sensível a íons em

proporção à sua capacidade de permear a membrana





Forças q atuam nas trocas iônicas entre a célula e o meio


FE: força elétrica

FD: força de difusão


Canais vazantes de Na+/K+: permitem a entrada de Na+ e

saída de K+ por difusão através de uma cinética lenta

Na+ entra em maior quantidade por difusão do q sai K+

K+ tem maior permeabilidade membranar

Atração de cargas internas (-) celular não permite a

saída de K+ e atrai os Na+ para o interior celular

Potencial de Repouso - Considerações


Três Fases:

Entrada passiva de Na+

Gradiente de concentração

Expulsão de Na+ e introdução de K+ ativamente Ação de ATPases

Saída passiva de K+

Gradiente de concentração e grande mobilidade





Cl- entra na célula por co-transporte com Na+ (atração

elétrica) e sai por difusão

potencial elétrico = Célula polarizada

HPO4= sai da célula lentamente; externamente participa

de rápidas reações e retorna para o interior celular

[HPO4=] interno e sai por difusão




Saída de K+ = Carga externa positiva

[K+] interna não é capaz de igualar as cargas de Cl-, HPO4= e

Ptns aniônicas

Interior celular negativo




ATPase de Na+ / K

+

[K+]externo

[Na+]interno 2 K+

3 Na+

+ Pi

Manter uma distribuição assimétrica de íons

Atividade da bomba = ± 85% de sua capacidade



O potencial de

repouso independe da

[Na+]



[K+] externo é o principal

regulador da bomba de

Na+/K+


Lei do Tudo ou Nada

PA – “Tudo” – Propagação de um

pulso de potencial elétrico

característico ao longo de uma célula

PR – “Nada” – Rápida atenuação da

perturbação, sem que ocorra a

excitação da célula


Potencial de Ação

Sinal elétrico em propagação para conduzir uma

informação, seja uma ordem ou uma notícia

Propaga-se ao longo das membranas excitáveis

célula a célula – sinapses

tecido a tecido – placa motora

intimidade do tecido muscular – tubos T


Potencial de Ação

Células excitáveis

Células nervosas (neurônios)

Células musculares

Células auto excitáveis

Capazes de gerar impulsos eletroquímicos em suas

membranas e utiliza estes impulsos para transmitir sinais

ao longo das membranas

Células cardíacas




Potencial de Ação

Despolarização

Abrem os canais voltagem dependentes de Na+

(canais rápidos do tipo limiar excitatório)

influxo de Na+ (carga positiva) por difusão simples

a carga vai se igualar (0 / 0)


Potencial de Ação

Inversão ou polarização invertida

Na+ continua entrando em grande quantidade

Interior celular positivo (+ / -)

Atividade da bomba de Na+/K+: 10-15% de sua

capacidade


Potencial de Ação

Repolarização

Fecham-se os canais de Na+ e abrem os canais voltagem

dependentes de K+ efluxo de K+

a permeabilidade ao K+ devido ao excesso de

cargas (+) intracelulares (saída de K+ [K+] interna)


Potencial de Ação

Hiperpolarização

Consequente repolarização além do potencial de

repouso [K+] externa

[K+] externa induz da atividade da bomba de Na+/K+

(100% de sua capacidade)


Potencial de Ação

O potencial de ação de uma célula excitável dura

apenas alguns milésimos de segundo (2-3 mili segundos)


Potencial de Ação

Repouso

Retorno das [ ] originais do repouso elétrico (- / +)

Nas células excitáveis do músculo cardíaco o PA (despolarização)

varia de 1,15 a 0,3 segundos e são denominados de Platô


Canais de Na.flv

Canais de Na.flv

Canais de Na.flv



Canais Voltagem-Dependentes

Abertura e fechamento dos canais de K+ e de Na+


Potencial de Ação


Membranas Excitáveis:

Células Nervosas e

Células Musculares


Profa. Dra. Daniela Priscila Marchi Salvador

Roteiro da Aula

Células Nervosas

• Potencial de Repouso e Potencial de Ação

Anatomia das fibras nervosas

• Condução do PA

Células Musculares

• Potencial de Ação e Contração Muscular

Sinapses

Neurotransmissores


Núcleo

Dendritos

Axônio

Células nervosas (neurônio) processam informação

Neurônios conectam-se uns aos outros por sinapses

(cadeias neuronais) ou aos músculos (placas motoras)

transmissão de informações / impulsos elétricos

Núcleo – informação genética

Dendritos – conexões com neurônios vizinhos

Axônio – transmissão de impulsos nervosos

Células Nervosas


Fibras nervosas de grande calibre - 90mV em relação

líquido intersticial

Fibras nervosas mais delgadas (sistema nervoso central) e

nas fibras musculares (músculo liso) -40mV a -60mV

Potencial de repouso no interior da fibra nervosa

Canais de Vazamento de Na+/K+ difusão simples

Bomba de Na+/K+ gradientes de concentração da membrana

neural de repouso

Células Nervosas: Potencial de Repouso




Bomba de Na+/K

+ X Canais de Vazamento de Na

+/K

+



Difusão de Na+/K+

Reduzida permeabilidade de íons pela membrana

Condutância do K+ é de 50-100 x mais permeável que o Na+

Determinante do valor do potencial de repouso

Potencial interno da membrana obtido por este conjunto de

fatores é de -86mV



Bomba de Na+/K+

Eletrogênica: + cargas positivas são bombeadas para o

exterior (3 Na+) que para o interior (2 K+) déficit efetivo

de cargas (+) no interior ou acúmulo de cargas (-) no

interior da membrana celular

Grau adicional de negatividade: -4mV

Potencial de membrana efetivo: -90mV

Difusão de Na+/K+: -86mV

Bomba de Na+/K+: -4mV





-90

+30


Células Nervosas: Potencial de Ação

Lei do Tudo ou Nada

Um neurônio só consegue enviar um impulso se a

intensidade deste for acima de um determinado nível que

induza q sua membrana seja despolarizada e repolarizada

Potencial Limiar

Menor estímulo necessário para desencadear um potencial

de ação

Valores sublimiares estão abaixo do potencial limiar e são

característicos para cada célula





Sinais neurais transmitidos por variações muito rápidas do

potencial de membrana potenciais de ação

Início: modificação abrupta do potencial de repouso para

um potencial positivo

Continuidade: rápido retorno para o potencial negativo,

alternância e deslocamento pela fibra nervosa sinal neural


Despolarização (0 / 0)

Ativação dos canais de voltagem dependentes de Na+

voltagem para -70 e -50mV alterações

conformacionais abertura da comporta de ativação

Condutância do Na+: de 50 a 500 x



Esta despolarização percorre o axônio como um

condutor do PA

Despolarização

-90

+30



Inversão (+ / -)

Inativação dos canais de voltagem dependentes de Na+

voltagem +30mV alterações conformacionais

fechamento da comporta de inativação


Repolarização (- / +)

Ativação dos canais de voltagem dependentes de K+

voltagem -30mV alterações conformacionais

abertura (lenta) do canal de K+



A despolarização e repolarização rápida produz um

padrão chamado de ponto de descarga

Repolarização

-90

+30




Hiperpolarização (- / +)

Inativação dos canais de voltagem dependentes de K+

Tensão inferior ao potencial de repouso: -95mV

Ocorre após breve retardo



Este é o período refratário

Hiperpolarização

-90

+30



Não é possível nova abertura dos canais de Na+ até q o

potencial de membrana retorne a seu valor de repouso

ou muito próximo a ele

Potencial de Ação

Células Nervosas


Axônios envoltos pela bainha de mielina fibra mielínica

(neurofibra ou fibra nervosa) envoltas por oligodentrócitos

(células de Schwann)

Anatomia da Fibra Nervosa


Interior do axônio ocupado pelo axoplasma (líquido

intracelular viscoso)

Bainha de mielina circunda o axônio e é interrompida

pelos nodos de Ranvier

Anatomia da Fibra Nervosa


Bainha de mielina

Substâncias lipídicas – “esfingomielina”

Atua como um isolante elétrico

Aumenta a velocidade dos sinais

Capaz de diminuir o fluxo iônico através da membrana por 5000 x e reduzir a capacitância da membrana 50 x

Bainha de mielina


Potencial de açao_células nervosas.mp4





Ponto de junção entre duas células de Schwann sucessivas

Pequena região não isolada - 2 a 3 mm de extensão

Íons fluem do líquido extracelular para o interior do

axônio

Nodo de Ranvier


Potencial de Condução


Condução saltatória

PA conduzido de nodo a nodo

Íons não fluem significativamente pela bainha de

mielina porém fluem facilmente pelos nodos de Ranvier

Importância

Despolarização saltatória por longos trechos

velocidade de transmissão neural

Somente nodos se polarizam perda de íons 100 x

(economia de energia)

Condução do PA em Fibras Mielínicas


Fibras Mielínicas (120m/s)

Fibras Amielínicas (0,5 m/s)

Nodos de Ranvier

Condução em Fibras Amielínicas x Mielínicas

Membrana do axônio em contato direto com tecidos vizinhos

Membrana do axônio envolvida pela bainha de mielina


Potencial de Ação e Condução


Todos os impulsos nervosos são iguais durante o seu

percurso pela membrana celular do axônio porém podem

ter diferentes resultados ao alcançarem o final do axônio,

onde se forma uma sinapse

Potencial de Ação em Progressão

Despolarização

Repolarização

Repouso


Potencial de ação e condução.mp4



Axônios ramificam e terminam perto de dendritos de células

vizinhas



Sinapse: diferença de potencial que separa os

terminais do axônio e dos dendritos



Sinapse

Transmissão do impulso nervoso

Neurônio – Neurônio

Neurônio – Músculo (placa motora)


PA trafega ao longo de um nervo motor até suas terminações

nas fibras musculares

Células Musculares: Potencial de Ação

Na sinapse é secretada a

acetilcolina (NT) q atravessa

a sarcolema e liga-se com

receptores de acetilcolina

permitindo a abertura de

canais acetilcolina-

dependentes de Na+ e K+ da

membrana da fibra muscular

Saída de K+


Colinesterases ligam-se a acetilcolina e as clivam em

colina + acetato, tornando-as invativas

Fechamento dos canais de Na+ e K+ acetilcolina-

dependentes da membrana da fibra muscular

[K+] da membrana da fibra muscular induz a abertura

dos canais voltagem-dependentes de Na+

Entrada de Na+ na membrana da fibra muscular no ponto

terminal neural desencadeia PA na fibra muscular



Despolarização no sistema de túbulos T causa a abertura de

canais de Ca2+ através da ativação dos receptores de DHP

e transmissão do sinal para o receptor de rianodina





Liberação do Ca2+ do retículo

sarcoplasmático pelo receptor de

rianodina

Difusão do Ca2+ pela região das

miofibrilas

Ligação do Ca2+ na troponina C

Ca2+ provoca forças atrativas entre os

filamentos de actina e miosina

processo contrátil



Captação do Ca2+ das miofibrilas pelas

ATPases de Ca2+ e bombeamento para

o interior do retículo sarcoplasmático

[Ca2+] dissociação do Ca2+ da

troponina C fim da contração

muscular

Retorno às concentrações iniciais de

Ca2+ no sarcoplasma

Ca2+ armazenados no retículo

sarcoplasmático até que um novo PA

ocorra



Potencial de Ação e Contração Muscular

Acetilcolina

secretada

K+

Na+

Ca2+

Ca2+

Potencial de Ação

Células Musculares


Sinapse excitatória: PA chega a extremidade pré-

sinaptica, libera o neurotransmiossor das vesículas o qual

atravessa a fenda sinaptica e se localiza em receptores

específicos

Sinapse Excitatória X Inibitória

permeabilidade da

membrana ao Na+ q

despolariza a membrana

pós-sináptica e inicia um

PA que continua no

mesmo sentido do

anterior


permeabilidade da

membrana ao K+ e Cl-

que penetram na

membrana pós-sináptica,

provoca

hiperpolarização e o

impulso é bloqueado

Sinapse Excitatória X Inibitória

Sinapse inibitória: neurotransmissor liberado

Principais mediadores inibitórios: Glicina e GABA

(ácido gama-amino-butírico)


Sinapse Elétrica: feita através de contato elétrico (tipo

especial de sinapse)

Impulso transmitido rapidamente à fibra pós-sináptica

com um mínimo período de latência

Bidirecional e excitatória

Sinapse Elétrica X Sinapse Química


Potencial de ação_células musculares.mp4





Sinapse Química: feita através de mediadores químicos

Vesícula libera neurotransmissor transmite impulso

Unidirecional e inibitória ou excitatória

Sinapse mista: há condução química e elétrica

Sinapse Elétrica X Sinapse Química


Neurotransmissor

Íons positivos (Na+)

despolarizam o neurônio –

sinapse excitatória

Íons negativos (Cl-)

hiperpolarizam o neurônio –

sinapse inibitória

Neurotransmissor (NT)

Receptor


Três categorias: aminoácidos, aminas e peptídeos

Aminoácidos e aminas: pequenas moléculas orgânicas com

pelo menos um átomo de N armazenados e liberados em

vesículas sinápticas q os liberam por exocitose

Síntese: terminal axonal

Peptídeos: grandes moléculas armazenados e liberados

em grânulos secretores

Síntese: retículo endoplasmático rugoso do corpo celular

Neurotransmissores


Diferentes neurônios no SNC liberam diferentes NTs

Transmissão sináptica do SNC mediada por aminoácidos

glutamato (Glu), gama-aminobutírico (GABA) e glicina

(Gli)

Transmissão sináptica em junções neuromusculares

mediadas por amina acetilcolina

Neurotransmissores


Funções específicas de alguns NTs

Dopamina: NT inibitório derivado da tirosina - produz

sensações de satisfação e prazer

Serotonina: NT inibitório derivado do triptofano - regula

o humor, o sono, a atividade sexual, o apetite, o ritmo

circadiano, as funções neuroendócrinas, temperatura

corporal, sensibilidade à dor, atividade motora e funções

cognitivas

Neurotransmissores


Endorfinas e Encefalinas: bloqueiam a dor – analgésicos

GABA (ácido gama-aminobutirico): principal NT inibitório

do SNC - relacionado com processos de ansiedade

Ácido glutâmico ou glutamato: principal NT estimulador

do SNC - ativação aumenta a sensibilidade aos estímulos

dos outros NTs

Neurotransmissores




Alguns Fármacos que Atuam Sobre Receptores

Antagonistas: se ajustam mal

ao receptor e bloqueiam o NT

Toxina Botulínica

Agonistas: se encaixam bem

ao receptor e agem como o NT

Nicotina





Biofísica dos Sistemas Biológicos Biofísica dos Sistemas Biológicos

Bibliografia Recomendada

• Heneine, I.F. Biofísica Básica. 4ª Ed. São Paulo: Atheneu,

2004, 391p.

• Mourão Jr, C.A.; Abramov, D.M. Curso de Biofísica. 1ª Ed.

Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2009, 260p.

• Garcia E. A. C. Biofísica. 2ª Ed. São Paulo: Sarvier, 2005;

387p.

• Complementar: Livros de Fisiologia e Bioquímica


Documents

Membranas Excitáveis_bio