FISIOLOGIA

Profa. Alessandra Magalhães

Profa. Alessandra Magalhães

Conceitos relacionados com o funcionamento do corpo humano

MEIO INTERNO: líquido extracelular, formado pelo plasma sanguíneo e o líquido intersticial, onde estão imersas todas as células do nosso corpo, é constituído basicamente de uma solução de NaCl com pequenas concentrações de outros íons como potássio e cálcio (mamíferos).

HOMEOSTASE: equilíbrio geral do meio interno do corpo humano, os mecanismos responsáveis pela regulação do meio interno são os mecanismos de feedback ou retroalimentação.

Compartimentalização do meio interno

ÁGUA: - Principal constituinte de praticamente

todas as estruturas biológicas, incluindo o corpo humano

- Representa 50 a 75% do peso de um homem adulto normal

- A distribuição da água no organismo não é uniforme

- A separação da água entre os diferentes compartimentos é conseqüência da presença das membranas plasmáticas

Concentrações de eletrólitos e outras substâncias orgânicas presentes nos meios intra e extracelular (condições normais)

30mg/dl200mg/dlAminoácidos

1 mEq/L2 mEq/LSulfatos (SO4-)

4 mEq/L75 mEq/LFosfatos (PO4-)

28 mEq/L10 mEq/LBicarbonato (HCO3-)

103 mEq/L4 mEq/LCloreto (Cl-)

3 mEq/L58 mEq/LMagnésio (Mg++)

5 mEq/L<1 mEq/LCálcio (Ca++)

4 mEq/L140 mEq/LPotássio (K+)

142 mEq/L10mEq/LSódio (Na+)

MEIO EXTRACELULARMEIO INTRACELULARELEMENTO

7,47,0PH

45mmHg50mmHgGás carbônico (CO2)

40mmHg20mmHgOxigênio (O2)

80mg/dl0mg/dlGlicose

BASES DA EXCITAÇÃO CELULAR

POTENCIAL DE MEMBRANA: caracteriza-se por uma polaridade de

cargas elétricas, onde o meio extracelular se encontra eletropositivo (predominam cargas positivas) e o meio intracelular se encontra eletronegativo (predomínio de cargas negativas das proteínas e fosfatos).

PROTEÍNAS TRANSMEMBRANOSAS QUE ATUAM COMO CANAIS DE PASSAGEM DOS ÍONS

CANAIS DE POTÁSSIO: esses canais permitem o movimento (saída) de K+ do meio intracelular para o meio extracelular, que é favorecido pelo seu gradiente de concentração (maior no meio intracelular).

CANAIS DE SÓDIO: permitem o movimento (entrada) de sódio do meio extracelular para o meio intracelular através da membrana celular, também favorecido pelo seu gradiente de concentração maior no meio extracelular.

Canais de Na+

e K+

BOMBA DE SÓDIO E POTÁSSIO

É uma proteína de membrana que se utiliza de transporte ativo (com gasto de energia) para movimentar os íons Na+ e K+ através da membrana.

A bomba de Na+/K+ lança 3 íons Na+ para fora da célula e 2 íons K+ para dentro, consumindo em cada etapa de bombeamento, uma molécula de ATP.

BOMBA DE Sódio e Potássio

FATORES QUE CONTRIBUEM PARA O ESTABELECIMENTO DO POTENCIAL DE MEMBRANA:

Contribuição do potencial de difusão de K+: o K+ se difunde para fora da célula mais facilmente, deixando o interior da célula negativo: -94mV.

Contribuição do potencial de difusão de Na+: a membrana é menos permeável ao Na+ do que o K+ (esse último é cem vezes mais permeável que o sódio quando a membrana está repouso).

Assim, entra pouco Na+ através da membrana em repouso. Como entra cargas positivas na célula, o potencial de membrana fica mais eletropositivo: de –94 para –86mV.

FATORES QUE CONTRIBUEM PARA O ESTABELECIMENTO DO POTENCIAL DE MEMBRANA:

Contribuição da bomba de sódio-potássio: pelo fato de retirar 3 Na+ do interior da célula e devolver 2 de K+, a bomba cria um grau de negatividade adicional de -4mV. Em suma, o potencial de difusão causado somente pelo K+ e Na+ daria um potencial de membrana –86mV, quase tudo determinado pela difusão de potássio

POTENCIAL DE AÇÃO

É uma variação momentânea do potencial de membrana

O potencial de ação ocorre somente em algumas células especiais do organismo, que têm a característica de serem excitadas

Ex: os neurônios, as células da musculatura estriada esquelética, lisa e cardíaca e algumas glândulas do organismo.

POTENCIAL DE AÇÃO

POTENCIAL DE AÇÃO

É através do potencial de ação que o impulso nervoso é conduzido

Um estímulo externo (exemplo: calor, frio, umidade, corrente elétrica, pressão, etc.) só é percebido pelo cérebro graças a propagação do potencial de ação

Entrada sensorial

Saída motora

Integração

Sensorial e motora

Órgãos EfetuadoresMusculares Estriado Liso Cardíaco

Glandulares

Órgãos dos Sentidos Gerais e especiaisViscerais

Como funcionam...

Como funcionam...

Como o sistema nervoso processa as informações sensoriais e gera comandos motores?

NEURÔNIOS

NeurônioSensorial

Neurôniosassociativos

Neurôniomotor

Órgãos efetuadores

Sistema Nervoso

Estímulos Comportamentoe ajustes fisiológicos

MúsculosGlândulas

Células nervosas

NEURÔNIO Neurônios são células

especializadas para receber certas conexões específicas, executar funções apropriadas e passar suas decisões a um evento particular a outros neurônios que estão relacionados com aqueles eventos.

ELETROFISIOLOGIA

* Foi Galvani (1780) quem constatou pela primeira vez a natureza elétrica da atividade nervosa.

Mais recentemente, o emprego de microeletrodos, colocados dentro e fora dos axônios gigantes de lulas, possibilitou a medida do potencial elétrico do axônio em repouso e em atividade.

Neurônio Gigante de lula: modelo de estudo

Os estudos sobre a eletrofisiologia dos neurônios começaram com Hodgkin e Huxley (gigantes de lula).

Para saber mais....

Não há diferença de potencial elétrico (DP=0mv) quando os eletrodos está do lado de fora.

Eletrodo de registro

Eletrodo de referência

Quando o eletrodo (vermelho) atravessa a membrana, o voltímetro acusa a existência de uma DP de - 60mV sendo que a face interna da membrana citoplasmática é negativa em relação à externa .

Ao estimular o neurônio (com uma corrente elétrica), o voltímetro acusa alteração transitória do potencial de membrana, seja em forma de ondas de despolarização de baixa amplitude ou na forma de um potencial de ação, conforme a intensidade do estimulo .

Despolarização

Potencial de ação

ELETROFISIOLOGIA

Sabemos que, em repouso, a membrana do axônio tem carga elétrica externa positiva e interna negativa.

Isto é, em parte, conseqüência de uma elevada taxa de íons Na+ fora da célula, mantida por um mecanismo chamado bomba de sódio.

Fala-se então que o axônio está polarizado.

ELETROFISIOLOGIA

Aplicado um estímulo num ponto do axônio, ocorrem em seqüência os seguintes eventos:

1- A membrana torna-se bruscamente muito permeável ao sódio, que passa do meio para o interior do axônio em maior quantidade do que a saída de íons potássio. A superfície externa fica negativa e a interna, positiva. Nesse ponto e nesse instante, a membrana sofreu inversão de polaridade.

2- O mecanismo da bomba de sódio expulsa então esse íon, voltando a membrana à polaridade inicial.

3- Cada ponto estimulado modifica a permeabilidade na região vizinha. O impulso nervoso propaga-se, então, como uma onda dinâmica de inversão de polarização da membrana do axônio em toda a sua extensão. É essa onda que pode ser medida eletricamente e corresponde ao impulso nervoso nas fibras amielínicas, como, por exemplo, as da substância cinzenta do SNC.

POTENCIAL DE MEMBRANA Todas as células em condições de repouso têm uma

diferença de cargas eléctricas entre os dois lados da membrana celular, sendo o interior da célula negativo.

Este potencial denomina-se potencial membranar de repouso ou, simplesmente, potencial de repouso.

Por convenção, assume-se que o fluído extracelular tem uma voltagem de zero e que a polaridade (negativa ou positiva) do potencial de membrana é definido em termos do sinal do excesso de carga presente no interior da célula.

POTENCIAL DE MEMBRANA Os potenciais de membrana podem ser quantificados através de um

microeletrodo intracelular e de um eletrodo extracelular conectados a um voltímetro.

O potencial de repouso varia geralmente entre os -40 e os -80 m V, dependendo do tipo de célula.

O número de cargas positivas e negativas que estão separadas pela membrana celular representam uma ínfima parte do total das cargas dos dois compartimentos.

O potencial de repouso é determinado principalmente por dois fatores: 1) Diferenças nas concentrações iônicas específicas dos fluídos intra e

extracelular; 2) Diferenças na permeabilidade da membrana para os diferentes íons

(refletem o no. de canais iônicos abertos para os vários íons).

Na maioria dos tecidos, os íons não se encontram em equilíbrio entre o fluído extracelular e o citoplasma.

Os íons mais importantes na gênese do potencial de repouso são o Na+, K+ e o Cl-

POTENCIAL DE MEMBRANA

O potencial de membrana é, aproximadamente, -70 mV para células musculares e nervosas típicas.

Apesar do potencial de repouso não ser igual ao potencial de equilíbrio do potássio ( -90 m V) nem ao do sódio (+60 m V), está mais próximo do potencial de equilíbrio do potássio, uma vez que a permeabilidade da membrana ao potássio é muito maior do que a permeabilidade ao sódio.

Assim, há um movimento contínuo através dos canais iônicos de Na+ para o interior e de K+ para o exterior.

POTENCIAL DE MEMBRANA

A razão pela qual não há aumento progressivo do Na+ intracelular e do K+

extracelular é a existência da bomba Na+/K+, que repõe os gradientes destes dois íons.

Na célula em repouso, as [ ]s destes íons não variam porque o nº. de íons deslocados pela bomba é igual ao no. de íons que se deslocam em direção oposta através dos canais iônicos.

POTENCIAL DE AÇÃO

Potencial de repouso Hiperpolarizaçâo

POTENCIALDE AÇÃO: alteração transitória na diferença de potencial elétrico da membrana de neurônios (e de células musculares) cuja duração e amplitude são fixas.

Des

po

lari

zaçã

o Rep

olarização

Tempo

Potencial de Membrana

POTENCIAL DE AÇÃO1) são eventos de "tudo ou nada" (a sua amplitude é

praticamente constante e independente da grandeza do estímulo )

2) Propagam-se ao longo da membrana sem perda de

intensidade.

As células musculares e nervosas, bem como algumas células do sistema endócrino, reprodutivo e imunitário são capazes de produzir potenciais de ação.

Estas membranas dizem-se excitáveis e a sua capacidade de gerarem potenciais de ação designa-se por excitabilidade.

FASES DO POTENCIAL DE AÇÃO

REPOUSO: equivale ao potencial de membrana da célula

LATÊNCIA: período compreendido entre a origem do estímulo e o início da abertura de canais de sódio.

LIMIAR: o estímulo que pode ter intensidade suficiente ou insuficiente para disparar um potencial de ação.

FASES DO POTENCIAL DE AÇÃO DESPOLARIZAÇÃO: ocorre a abertura dos

canais de Na+. Quando estes canais de Na+ se abrem ocorre um influxo muito grande de íons de Na+, tornando o meio intracelular mais positivo.

OVERSHOOT OU PICO: ocorre fechamento dos canais de Na+ regulados por voltagem e portanto cessa a entrada de Na+. Simultaneamente, ocorre também a abertura de canais de K+

REPOLARIZAÇÃO: ocorre a saída de K+ através da abertura em massa dos canais de K+ regulados por voltagem

FASES DO POTENCIAL DE AÇÃO

HIPERPOLARIZAÇÃO: fase em que a célula se torna mais polarizada (mais negativa) do que era antes do estímulo, devido à resposta lenta dos canais de potássio à mudanças na voltagem, que ainda permanecem parcialmente abertos.

RETORNO AO ESTADO DE REPOUSO: é efetuado pela bomba Na+/K+. Os canais de Na+ somente voltam a poder ser estimulados depois que a membrana estiver totalmente repolarizada (período refratário absoluto).

COMO O IMPULSO NERVOSO É GERADO PROPAGADO?

http://www.blackwellpublishing.com/matthews/channel.html

As células excitáveis ou estão em REPOUSO ou em ATIVIDADE (geram e propagam impulsos elétricos denominados de POTENCIAIS DE AÇÃO)

Nos neurônios multipolares, o potencial de ação inicia-se no cone de implantação do axônio (zona de gatilho).

As alterações do potencia de membrana (excitabilidade) são devidos a movimentos de íons (cargas elétricas) através da membrana citoplasmática. O movimento de íons ocorre através de canais iônicos.

Colesterol

Glicoproteína GlicolipidioEXTRACELULAR

Proteínas deMembrana

CanaliônicoFosfolipídio INTRACELULAR

MECANISMOS IÔNICOS DO POTENCIAL DE REPOUSO

Excitabilidade: capacidade de gerar e propagar bioeletricidade é uma propriedade filogeneticamente antiga. Está presente nos protozoários precedendo às células nervosas dos animais que surgem pela primeira vez nos cnidários.

Contratilidade: capacidade de reagir a estímulos através da atividade dos miofilamentos também já estão presentes nos protozoários .

A excitabilidade é um fenômeno filogeneticamente antigo.

alimento

Locomoção ciliar

Paramecium

Fluxo de íons Ca- Entrada: despolarização-Saída: hiperpolarização

Conseqüências locomotoras- Mudanças no padrão de batimento ciliar

A face interna é negativa em relação à externa.

POTENCIAL DE REPOUSODiferença no potencial de membrana das células excitáveis na ausência de estimulo.

DIFERENÇADIFERENÇA de concentração do íon e permeabilidade para o íon

Fluxo resultante 0

O cátion se move a favor do seu gradiente de concentração

O movimento de cargas iônicas vai criando uma diferença de potencial diferença de potencial elétricoelétrico através da membrana (Em)

IGUALDADEIGUALDADE de concentração e permeabilidade para o íon

Fluxo resultante = 0Não ocorre geração de potencial elétrico através da membrana

O Em se se estabiliza e se opõeopõe ao gradiente de concentração do íon.

Fluxo resultante = 0Em = Potencial de equilíbrio do Potencial de equilíbrio do ionion

EQUILIBRIO

Tensão

Peso

Diferença de Diferença de CONCENTRAÇÃO QUÍMICA CONCENTRAÇÃO QUÍMICA

(mEq/Kg)(mEq/Kg)

Diferença de Diferença de POTENCIAL ELÉTRICOPOTENCIAL ELÉTRICO

Em (mV)

ANALOGIAANALOGIA

Apesar da diferença de potenciais químico, há potencial elétrico que se opõe ao movimento passivo do íon.Fluxo resultante = 0Equilíbrio

Íons

Extracelular

(mM)

Intracelular

(mM)

Extra:Intra

E ion(mV)

Na+ 100 5 1 : 20 + 80

K+ 15 150 10 : 1 - 62

Ca+

+ 2 0,000210.000 :

1+

246

Cl- 150 13 11,5 : 1 - 65

Composição e concentração iônica intra e extracelular e o respectivo potencial de equilíbrio teórico.

Bomba de Na/K (ou ATPase Na/K dependente) Se ela for bloqueada por uma droga (oabaina), o gradiente se dissipará.

O gradiente favorece fluxos passivos de íons através da membrana.No REPOUSO, a permeabilidade da membrana aos íons é diferente K+ : altamente permeável Na+ : praticamente impermeável Cl- : altamente permeável Ca++ : praticamente impermeável Proteínas eletricamente carregadas: impermeantes

Como o gradiente de concentração é criado e mantido?

Extracelular Intracelular

Íons K

Íons Na

Difusão simples de K para fora, a favor do gradiente

Grandes anions impermeantes (proteínas intracelulares)

Canais de K sem comporta

Formação de dipolo elétrico através da membrana, isto é, a saída de cargas positivas torna a membrana carregada eletricamente.

Agora o K difunde-se passivamente para dentro, impelido pelo gradiente elétrico.

Finalmente, ocorre um Estado de Equilíbrio, em que o fluxo resultante = 0

O valor do Em que se opõe a saída de K (impelido pelo gradiente químico) é denominado Potencial de equilíbrio do ion

Eion = RT ln [Ion in ] Zs.F [Ion ext ]

Equação de Nernst

Calculando-se o potencial de equilíbrio do K usando-se as concentrações conhecidas, verifica-se que EK = - 62mV, próxima a observada: Em = - 65mV .

O potencial de equilíbrio do íon K é o principal responsável pela geração do potencial de repouso das células nervosas (e demais células).

A distribuição diferencial de cargas ocorresomente entre as faces interna e externa da membrana.

O fluxo de íons K é ínfima em relação a sua concentração (NÃO HÁ MUDANÇAS NA CONCENTRAÇAO DE K)

O íon Na e Ca não contribuem para a geração do potencial de repouso pois, durante a fase de repouso, as respectivas permeabilidades são baixas.

Potencial de Repouso

Responsável pela determinação e manutenção

do gradiente químico de Na e de K

O K tende a sair para fora e cria dipolo

A permeabilidade ao Na é baixa mas ele tende a entrar

EXTRA

INTRA

Na+K+

Na+

K+

(Ativo)

Bomba Na+K+

K+

K+canal

K+

Na+

Na+

canal Na+

++++++++

- - - - - - - -

++++++++

- - - - - - - -

MECANISMOS IÔNICOS DO POTENCIAL DE AÇÃO

Propriedades do Potencial de Ação

- Estímulo sublimiar (E1, E2): não causam PA- Estimulo limiar (E3): causa um único PA- Estímulo supra-limiar: causa mais de 1 PA, sem alterar a amplitude ou a duração (ou seja, ocorre uma aumento linear na freqüência dos PA).

A)Para que o PA aconteça é necessário que a zona de gatilho seja parcialmente despolarizada até um valor limiar.

B)Uma vez atingido o limiar, é inevitável o seu acontecimento: é tudo-ou-nada.

C)O PA de cada célula excitável apresenta amplitude e durações fixa.

E1 E2

E3

EstímuloRegistro

Período Refratário Absoluto

Período Refratário Relativo

Estímulos limiar

Refratariedade de resposta

Período Refratário Absolutoos canais de Na estão todos inativos

Período Refratário Relativoos canais de Na estão parcialmente inativos

Propriedades do Potencial de Ação

Ao longo do axônio há canais iônicos de Na e K com comporta sensíveis a mudança de voltagem.

REPOUSO: fechados, mas a alteração de voltagem na membrana causa a sua abertura temporária (abre-fecha)

A abertura causa fluxo resultante passivo de determinados íons e, como conseqüência, mudanças no potencial elétrico.

Tipos de canaisCanais de Na voltagem dependente- Rápidos (abrem-se primeiro)

Canais de K voltagem dependentes- Lentos (abrem-se depois)

Canais de Sodio voltagem- dependentes: “dois tempos”

Na+

Portão

InativaçãoPortãoInativação

No potencial de repouso( –70 mV)

(a)

Fechado mascapaz de ser aberto

Na+

Do limiar até o pico do PA

(–50 mV a +30 mV)

(b)

Aberturarápida

Aberto (Ativado)

Na+

Do pico ao potential do PA

(+30 mV a –70 mV)

(c)

Fechado e incapaz de ser aberto (inativado)

Fechamentolento

Canais de Potássio Voltagem-dependentes

K+

Abertura lenta

No potencial de repouso;Abre no potencial limiar(-70mV a +30mV)

(d) (e)

Fechado Aberto

K+

Do pico do PA até aHiperpolarização pós-potencial(-30mV a -80mV)

Extracelular

Intracelular

Abertura dos canais de Na: influxo (entrada) de Na DESPOLARIZAÇAO-o influxo é favorecido pelos gradiente químico do íon e do gradiente elétrico-o influxo de cations inverte completamente a polaridade da membrana, até o ENa

Abertura dos canais de K: efluxo (saída) de K REPOLARIZAÇAO-o efluxo é favorecido pelos gradiente químico do ion e do gradiente elétrico que se inverteu- como o fechamento desses canais é lento, ocorre HIPERPOLARIZAÇÃO

O estado de repouso é recuperado pela atividade da ATPase Na+/K+

Os neurônios decodificam o aumento ou redução na intensidade do estimulo em função da freqüência dos impulsos elétricos.

A amplitude do PA de cada célula excitável é invariável.

Estimulo sensorial

Receptor sensorial

SINAPSENERVOSA

Potencial Receptor

Potencial pós-sináptico

Uma vez gerado, o potencial de açâo propaga-se em direção ao terminal axônico.

Direção da propagação do PA

Chegada daexcitação

Zona de gatilho

Por que o PA não se propaga retrogradamente?

Por que a amplitude e a duração do PA são fixas?

Potencial de membrana em função do local

CONDUÇAO OU PROPAGAÇAO DO IMPULSO NERVOSO

O PA se propaga ao longo do axônio sem decremento de sinal, i.e., o sinal é fiel do inicio até o final da fibra.

O PA é gerado na zona de gatilho do neurônio e sempre se propaga no sentido da despolarização.

A propagação bidirecional é evitada devido ao período refratário do PA

POTENCIAL DE AÇAO NAS FIBRAS SEM MIELINA

POTENCIAL DE AÇAO NAS FIBRAS MIELINIZADAS

Nas fibras mielinizadas o PA só se desenvolve nos nodos de Ranvier. Sob a bainha não há canais de sódio e de potássio voltagem dependentes.

Consequência: aumento na velocidade de condução do impulso nervoso

Doenças que causam a perda de mielina afetam a velocidade de condução do impulso nervoso.

A atividade elétrica nervosa pode ser captada e utilizada como sinais clínicos

Eletroencefalografia

Potencial de ação composto

Potencial evocado 1

Potencial evocado 2

PROPAGAÇÃO DO PA EM NEURÔNIOS NÃO MIELINIZADOS:

É gerado na base do corpo (soma) do neurônio e se desloca continuamente (ponto a ponto) ao longo do axônio, por processos sucessivos de despolarização e repolarização, até atingir as terminações sinápticas.

Neurônio Amielínico

Ausência de mielina

Tipo de propagação: contínua

Velocidade: ± 1 m/s

Ocorre com maior gasto de energia

PROPAGAÇÃO DO PA EM NEURÔNIOS MIELINIZADOS

A presença de mielina atua como isolante elétrico na face externa da membrana do axônio, deixando apenas espaços pequenos entre as placas de mielina que envolvem o axônio, chamados de Nódulos de Ranvier

PROPAGAÇÃO DO PA EM NEURÔNIOS

MIELINIZADOS

Propagação: saltatória

Presença de mielina e nódulos de Ranvier

Velocidade: 100m/s

Ocorre um menor gasto de energia para realizar o potencial de ação, pois o impulso saltatório só despolariza o axônio onde há nódulos de Ranvier e não em toda a extensão do axônio, como ocorre nos nódulos não mielinizados.