POTENCIAL DE

MEMBRANACONCEITOS E PALAVRAS-CHAVE

MEMBRANA CELULAR

QUAL A CONSTITUIO QUMICA?

MEMBRANA

CONSTITUIO BSICA:

LIPOFLICA/HIDROFBICA

Quais as propriedades?

Permite passagem de gua/ons?

Propriedades da membrana lipoflica:

A permeabilidade seletiva.

No permite a passagem de gua, ons ou molculas

hidroflicas.

Presena de protenas (canais inicos e transportadores/

bombas inicas)

MEMBRANA

CONSTITUIO BSICA: LIPOFLICA

CANAIS INICOS (O QUE SO, TIPOS E PROPRIEDADES)

RELAO ENTRE CANAIS INICOS e PERMEABILIDADE DA MEMBRANA

Palavras-chave adicionais: lipofilia/hidrofilia, camada de solvatao,propriedades dos elementos definida pela tabela peridica,bloqueadores de canais inicos e suas consequncias

Protenas da membrana: transportadoras de ons ou

canais inicos

Canais proteicos da membrana: permitem

movimentao por difuso

Canal de potssio

CANAIS INICOS

So protenas de estrutura complexa

Canal K+

PROCESSO: DIFUSO

DEFINIO

Palavras-chave: movimento Browniano, Lei de Fick, fluxo

(net flow), gradiente de concentrao, coeficiente de

difuso, zero absoluto, difuso de molculas, difuso de

ons, efeito da temperatura

DIFUSO DE ONS PELA MEMBRANA: estude

para responder as questes abaixo

PORQUE E COMO OCORRE?

QUAIS CANAIS ESTO SEMPRE ABERTOS NAS MEMBRANAS CELULARES?

O QUE SE ENTENDE POR SINAIS ELTRICOS E QUAIS CANAIS SE ABREM EM RESPOSTA A SINAIS ELTRICOS (CANAL DEPENDENTE DE VOLTAGEM)?

O QUE SE ENTENDE POR SINAIS QUMICOS E QUAIS CANAIS SE ABREM EM RESPOSTA A SINAIS QUMICOS (CANAL DEPENDENTE DE NEUROTRANSMISSOR)?

A MEMBRANA SEMIPERMEVEL

H VARIAO ENTRE O DIMETRO DOS ONS

PRESENTES NOS MEIOS INTRACELULARES E

EXTRACELULARES?

O DIMETRO DE ELEMENTOS DA TABELA PERIDICA: AS SETAS

APONTAM PARA O SDIO E O POTSSIO DA FAMLIA DOS METAIS

ALCALINOS

... MAS, A CAMADA DE SOLFATAO VARIA INVERSAMENTE

COM O DIMETRO DO ON, PORTANTO ....

A CAMADA DE SOLFATAO DO SDIO MAIOR DO QUE A DE

POTSSIO - desenho retirado do Purves et al

A camada bilipdica no

permite a passagem de ons

ou molculas de gua

A presena de

canais proteicos -

que permitem a

passagem de

certos ons e no

de outros ons

d seletividade

membrana celular

CONCENTRAES INICAS DENTRO

E FORA DAS CLULAS VERIFIQUE QUAIS AS CONCENTRAES INICAS

DENTRO E FORA DAS CLULAS

VERIFIQUE QUE H NEUTRALIDADE ELTRICA COM

RELAO AO CONJUNTO DE ONS (CATIONS +

ANIONS) INTRA E EXTRACELULARES

Concentraes dos ons intra e extracelulares em clulas

neuronais de mamfero e de lula (cefalpodo)

Fonte: Neuroscience do Purves et al

REPRESENTAO ESQUEMTICA DAS CONCENTRAES

INTRA E EXTRACELULARES DOS PRINCIPAIS ONS

ENVOLVIDOS COM POTENCIAIS DE MEMBRANA

CONCENTRAES INICAS DENTRO

E FORA DAS CLULAS

Voc deve ser capaz de nomear:

QUAIS SO OS PRINCIPAIS ONS (CATIONS + ANIONS)

QUE PREDOMINAM NOS COMPARTIMENTOS INTRA E

EXTRACELULARES

EQUILBRIO ELETRO-QUMICO

QUAIS AS FORAS ENVOLVIDAS NO EQUILBRIO

ELETRO-QUMICO DE INS?

Palavras-chave: equao de Nerst, equao de Goldman,

potencial de equilbrio do potssio

Condutncia

CONCEITO DE CONDUTNCIA

A condutncia do potssio: aumento significa que

aumenta a sada de potssio das clulas

(hiperpolarizao).

A condutncia do sdio: aumento significa que

aumenta a entrada de sdio nas clulas

(despolarizao).

A condutncia do cloro: aumento significa que

aumenta a entrada de cloro nas clulas.

POTENCIAL DE MEMBRANA

QUAL A RELAO ENTRE POTENCIAL DE

MEMBRANA E POTENCIAL DE REPOUSO?

QUAIS TECIDOS POSSUEM CLULAS COM

POTENCIAL DE REPOUSO?

QUAL A PROPRIEDADE QUE POSSUEM E COMO

ESSES TECIDOS SO CHAMADOS ?

A importncia dos

canais de potssio

para o potencial

de membrana

POTENCIAL DE REPOUSO

QUAIS OS FATORES RESPONSVEIS PELO POTENCIAL DE MEMBRANA NAS CLULAS (POLARIDADE DA MEMBRANA)?

QUAL O VALOR (FAIXA) DO POTENCIAL DE REPOUSO NOS NEURNIOS?

A equao de Goldman-Hodkgin-Katz (GHZ)

Estude para compreender o significado da equao de Goldman e de Nerst

R a constante universal dos gases, igual 8.314 JK1mol1

T a temperatura absoluta, em graus kelvin (K = C + 273,15)

z a carga do on

F a constante de Faraday (96,485 Cmol1 or JV1mol1)

[K+]o = extracelular de potssio, em molm3 or mmol1

[K+]i = concentrao intracelular de potssio

Leitura complementar: The Capacitance and Resistance

of the membrane

The plasma membrane is made of a molecular lipidbilayer. Inserted in this bilayer, there are membraneproteins that have the important function of transportingmaterials across the membrane. The lipid bilayer acts likean insulator separating two conducting media: the externalmedium of the axon and the internal medium or axoplasm.This geometry constitutes an electric capacitor where thetwo conducting plates are the ionic media and themembrane is the dielectric. The capacitance c of acapacitor increases with the area of the plates anddecreases with the separation between the platesaccording to the relationC= E A/dwhere A is the membrane area, d is the separationbetween the plates or the membrane thickness, E is thedielectric constant and C is the capacitance.

100 mv= 6,250 ions per m2

It is important to notice that in the case of the plasmamembrane a small amount of charge separation is able togenerate a large potential difference. For example, toobtain a membrane potential of 100 mV it is necessary toseparate the product of Cm =1(F/cm2) times Vm = 0.1(Volts), that is, Q=0.1 Coulombs/cm2.

To get an idea of the magnitude of this charge, we cancompute the number p of monovalent ions that must beseparated across the membrane to explain this charge

p = 0.1 x 10-6 (coul/sq cm)/1.6 x 10-19 (coul/ion)= 6.25 x1011 (ion/cm2), which corresponds to only 6250 ions perm2 of membrane.

In the case of the membrane, it is more convenient todefine the capacitance as independent of the amount ofarea involved and call it the specific capacitance Cm whichis defined as the capacitance per unit area or c/A.Replacing this definition in equation (1) we find Cm=E/d

As the thickness d is only 25 A, the specific capacitance ofthe membrane is very high, close to 1 F/cm2. Having theproperties of a capacitor, the membrane is able to separateelectric charge, achieved by a difference in the number ofanions and cations on each side of the membrane; thischarge separation, in turn produces a potential differenceacross the membrane. In a capacitor the potentialdifference V is related to the charge Q by Q= CV

Leitura complementar

The energy to put an ion into the lipid bilayer is so largethat we would expect the membrane to be practicallyimpermeable to ions. However, experimentally, it hasbeen found that the membrane presents a finitepermeability to cations and anions. Today we know thatthis permeability is mediated through specialized proteinsthat can act as carriers or channels for the passage ofcharged species. What is relevant here is the fact thations can penetrate through specialized pathways whichconstitute the membrane electrical conductance(conductance is the reciprocal of resistance). Thisconductance will be another element of our electric circuitthat will represent the electrical characteristics of themembrane.

Potencial de repouso: o que ocorre quando h a alterao da

concentrao externa do potssio?

Bombas proteicas da membrana: o papel das bombas de

sdio/potssio na manuteno dos gradientes qumicos dentro e fora

das clulas

Inovaes tecnolgicas

Quais eventos precisam ser medidos para que haja a

caracterizao do potencial de membrana?

Quais os desafios tecnolgicos para que essas medidas

sejam realizadas?

OSCILOSCPIO DE RAIOS

CATDICOS PERMITE VISUALIZAR E MEDIR FENMENOS DE

BAIXA INTENSIDADE E CURTA DURAO

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Oscilloscope.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/52/Oscilloscope_diagram.png

O INTERIOR DE UM TUBO DE RAIOS CATDICOS

DE UM OSCILOSCPIO

1- Placa de deflexo, 2- canho de eltrons, 3-feixe de eltrons, 4- eletrodos

de focalizao, parte interna da tela revestida de fsforo (fluorescente)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/98/CRT_oscilloscope.png

A tcnica do voltagem clamp

Permite a medida da condutncia inica atravs

do fornecimento de corrente inica conhecida

para que a voltagem da membrana permanea

constante. Esta corrente equivalente da

condutncia inica que se quer conhecer.

Foi desenvolvida por K. Cole e G. Marmount na

dcada de 40 usando axnio gigantes da lula.

Leitura recomendada: Huxley A (2002) From overshoot to

voltage clamp.Trends in Neurosciences 25:553-558

The voltage clamp operates by negative feedback. The membrane potential amplifier measuresmembrane voltage and sends output to the feedback amplifier; this subtracts the membranevoltage from the command voltage, which it receives from the signal generator. This signal isamplified and output is sent into the axon via the current electrode.

The clamp circuit produces a current equal and opposite to the ionic current.

ANALISE E INTERPRETE

Diagrama do voltagem clamp

Registros experimentais com VC

Fonte: http://www.co-

bw.com/Brain%20Introduction%20to%20Computational%20Neuroscience.htm

UPPER LEFT shows the both the "command voltage" which is applied to the voltage clamp circuitry and the resulting membrane potential. A step from the resting potential (defined to be 0 mV) to 50 mV is applied after 10 msec.

LOWER LEFT plot shows the injection current used to maintain this voltage. The very sharp initial spike is due to the large current needed to quickly charge the membrane capacitance to the clamp voltage. It is followed by an inward Na current, shown as a negative current here, then an outward K current.

The channel conductance plots at the UPPER RIGHT reveal a rapid rise in the Na conductance, followed by a slower decay as it becomes inactivated. The K current has a much slower activation and no inactivation. It doesn't decay until the voltage is dropped back to zero. These conductance changes result in the channel currents shown in the LOWER RIGHT plots. As the Na equilibrium potential is greater than the resting potential, the Na current flow is inward (negative). The superposition of these two currents, plus the initial capacitive current give the injection current. (LOWER LEFT)

In an actual experiment, we would measure currents directly, separating the K current from the total current by blocking or disabling the Na current. We would then be able to calculate the conductances which we have plotted here. In the simulation, we do it the other way around.

From these, we can calculate the behavior of the channel activation and inactivation parameters.

A aplicao do voltage-clamp em

neurnios (fig. Purves)

MANUTENO DO GRADIENTE

QUMICO A bomba de sdio-potssio

Bombas eletrognicas

Inibidores da bomba de sdio-potssio: consequncias

Palavras-chave: transporte passivo e transporte ativo,

inibidores de canais inicos e de bombas

POTENCIAL DE AO

POTENCIAL DE AO

QUAIS OS FATORES ESTO ENVOLVIDOS COM AGERAO DE PA?

QUAL O PRINCIPAL ON ENVOLVIDO NOS PAGERADOS POR NEURNIOS?

POR QUE CHAMADO UM EVENTO/ FENMENOTUDO OU NADA?

RETROALIMENTAO POSITIVA E SEU PAPEL NADETERMINAO DO PERFIL DO POTENCIAL DEAO

Palavras-chaves: limiar, polaridade, despolarizao,hiperpolarizao, potencial em agulha ou

O POTENCIAL DE AO NOS

AXNIOS

Pote

ncia

l da m

em

bra

na

DESPOLARIZAO

REPOLARIZAO

HIPERPOLARIZAO

POTENCIAL DE REPOUSO

tempo

Potencial de ao = inverso momentnea do potencial de membrana

...associada a mudanas na

condutncia aos ons Na+ e K+

Correntes inicas no potencial de ao

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/60/Whole_cell_IV_showing_rest_and_AP_thresh.jpg

Limiar e Perodo refratrio

As fases do P. ao e os perodos refratrios

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4a/Action_potential.svg

Considerando o texto abaixo ou da literatura marque na figura os

perodos refratrios absoluto e relativo

The absolute refractory period coincides withnearly the entire duration of the action potential. Inneurons, it is caused by the inactivation of the Na+channels that originally opened to depolarize themembrane. These channels remain inactivated untilthe membrane hyperpolarizes. The channels thenclose, de-inactivate, and regain their ability to openin response to stimulus.

The relative refractory period immediately followsthe absolute. As voltage-gated potassium channelsopen to terminate the action potential byrepolarizing the membrane, the potassiumconductance of the membrane increasesdramatically. K+ ions moving out of the cell bring themembrane potential closer to the equilibriumpotential for potassium. This causes briefhyperpolarization of the membrane, that is, themembrane potential becomes transiently morenegative than the normal resting potential. Until thepotassium conductance returns to the resting value,a greater stimulus will be required to reach theinitiation threshold for a second depolarization. Thereturn to the equilibrium resting potential marks theend of the relative refractory period.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4a/Action_potential.svg

Clulas marca-passo: o que tm de

diferente?

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Pacemaker_potential.svg

Potencial de repouso (E) e de ao (A a D): o que ocorre quando h

a alterao da concentrao externa de sdio?

Reconhecer os elementos da membrana

e suas funes

Manuteno das

concentraes

inicas dentro e

fora da clula

Fase de

repolarizao

da membrana

Fase de

despolarizao

da membrana

PROPAGAO DO IMPULSO

NERVOSO (1 a 100m/s)

- IMPORTNCIA DO CALIBRE DA FIBRA

- IMPORTNCIA DA PRESENA DE MIELINA

- Palavras-chave: trem-de-impulsos, cdigo de frequncia,

Ndulos de Ranvier, bloqueadores da transmisso de

impulsos

Axnios de gatos domsticos

Conduo saltatria

Clulas da glia produtoras de mielina

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f6/Mielina.PNG

PROPAGAO DO IMPULSO

NERVOSO A velocidade de propagao do potencial de ao pode ser variada

ao se variar o tempo de durao de alguma das duas fases dapropagao. Contudo, a fase ativa costuma ser constante nasclulas, durando em torno de 4ms. Deste modo, a clula varia adurao da fase passiva, havendo dois modos bsicos:

Aumento ou diminuio do calibre do axnio ou clula.

Maior ou menor isolamento da membrana (ao variar a espessura damielina, se houver).

O aumento do calibre do axnio ou clula provoca um aumento davelocidade de propagao do potencial de ao, pois h diminuioda resistncia longitudinal, provocada por uma maior rea de secotransversal.

Em alguns axnios do polvo Atlntico Loligo pealei, a velocidade depropagao do potencial de ao alcana velocidades superiores a100 m/s, em virtude do calibre elevado e da mielina espessa.

O potencial de ao um evento pr-sinptico

1- inicia-se no cone de

emergncia do axnio

2- propaga-se pelo

axnio at o seu

terminal (telodendria)

3- o que ocorre ao

nvel do terminal?

4- o que ocorre ao

nvel das sinapses?

5- quais tipos de

sinapses existem?

6- quais as diferenas

estruturais e funcionais

entre as sinapses?

O PAPEL DOS

POTENCIAIS LOCAIS NA

TRANSMISSO DA

INFORMAO NERVOSA

POTENCIAIS PS-SINPTICOS

Potenciais ps-sinpticos

POTENCIAIS PS-SINPTICOS EXCITATRIOS

(PEPS) e POTENCIAIS PS-SINPTICOS INIBITRIOS

(PIPS)

O que so, como e onde so gerados?

O que a somao espacial e somao temporal?

Como e quando ocorre somao?

A comunicao entre neurnios ou entre

neurnio e efetor

O cdigo de transmisso um cdigo de

frequncia no axnio e um fenmeno de

somao na regio ps-sinptica

SINAPSES

Sinapses eltricas esto localizadas em circuitos envolvidos com o

desenvolvimento de respostas rpidas como a de coordenao rpida: dos

reflexos de escape, localizam-se na retina e no corao de vertebrados

E (UM POUCO DE REEe

E NO QUE O GOLGI TINHA*...

RAZO? (* um pouco de)

*um pouco

de

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d5/Gap_cell_junction_en.svg

A sinpse qumica

Tipos de sinpses qumicas

Direct Mechanisms via Ligand-gated Channel:

Nicotinic ACh receptor

Change in ion

permeability changes

membrane potential

Sinapse qumica

Potenciais ps-sinpticos

Canais inicos com menor especificidade (permitem a

entra de sdio e a saida de potssio): PEPS

atingido o potencial de equilbrio para o sdio?

Canais inicos que permitem a entra de cloro): PIPS

Somao espacial e temporal

PEPS e PIPS

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/a/a1/IPSPsummation.JPG

Somao de PPS

Recordando

Tipos de canais

Membrane Receptor Classes

1. Ligand - gated channel

2. Receptor enzymes

3. G-protein-coupled

4. Integrin

Reconhecer os elementos da membrana

e suas funes

Efeitos de alteraes eletrolticas

Hipo e hipercalemia

Baixas concentraes extracelulares de potssio promovem umahiperpolarizao no potencial de repouso de membrana da clula, pois oscanais repouso de potssio esto sempre abertos. A hiperpolarizao fazcom que o limiar excitatrio da clula aumente. Portanto, sero necessriosestmulos muito grandes para a gerao do potencial de ao. Essaalterao, no msculo cardaco, leva a deficincia na contratilidade.

J o aumento da concentrao extracelular de potssio resulta nadespolarizao do potencial de membrana das clulas. Essa despolarizaoabre canais de sdio voltagem dependentes, mas em quantidade insuficientepara gerar um potencial de ao. Os canais de sdio ento entram emperodo refratrio aumentando assim o potencial de repouso de membranada clula. Dessa forma h uma diminuio gradativa do limiar excitatrio daclula. Ou seja, sero necessrios estmulos cada vez menores para gerarum potencial de ao. Isso pode causar danos cardacos, neuromusculares egastrintestinais. No corao, pode levar a fibrilao ventricular ou assistolia.

Venenos

Devido importncia dos canais inicos, principalmente de sdio e potssio, no sistema nervoso,

vriosanimais desenvolverammecanismosde defesa e ataque que atuam nos mesmos. Exemplos

Baiacu-ar: um peixe produtor de tetrodotoxina

Tetrodotoxina: atua bloqueando os canais de sdio, impedindo que o potencial de ao seja gerado e, consequentemente, paralisando os organismos que a ingerem. Tal substncia encontrada em algumas espcies de peixe-balo.

Saxitoxina: possui efeito muito semelhante ao da tetrodotoxina, pois um homlogo qumico da mesma. produzida pelos dinoflagelados, constituindo um malefcios da mar vermelha, pois pode contaminar os bivalves que a ingerem atravs dos dinoflagelados.

Alfa-toxinas: prolongam o potencial de ao, causando distrbios nos SNC, uma espcie de confuso do SNC. encontrada no veneno de escorpio.

Beta-toxinas: altera a diferena de potencial nas quais os canais de sdio so ativados (abertos), diminuindo drasticamente tais valores, o que novamente causa distrbios ao SNC. Tambm encontrada no veneno de escorpio.

Batracotoxina: uma toxina alcalide que combina os efeitos das alfa e beta-toxinas. produzida por algumas rs da Amrica do Sul. usada na ponta de flechas por tribos indgenas sul-americanas.

Dendrotoxina, apamina e caibdotoxina: tais toxinas tem como efeito primordial o bloqueio dos canais de potssio.

Tais tipos de venenos no so produzidos exclusivamente por animais, algumas espcies de vegetais produzem substncias semelhantes, como por exemplo a aconitina e a veratridina.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Lagocephalus_laevigatus.JPG

RefernciasFontes gerais

Bear, M.F., B.W. Connors, and M.A. Paradiso. 2001. Neuroscience: Exploring the Brain. Baltimore: Lippincott.

Kandel E.R, Schwartz JH, Jessell TM. Principles of Neuroscience, 4th ed. McGraw-Hill, New York (2000).

Dale Purves, et al. Neuroscience, 2nd ed. 2001. Sinauer Associates, Inc. Ion Channels Underlying Action Potentials.

Kent, M., Advanced Biology. 2000. United Kingdom: Oxford University Press.

Taylor, D.J., Green, N.P.O., & Stout, G.W. 2003. Biological Sciences, 3rd ed. United Kingdom : Cambridge University Press.

Fontes primrias

Hodgkin AL, Huxley AF. Currents carried by sodium and potassium ions through the membrane of the giant axon of Loligo. J Physiol. 1952 Apr;116(4):449-72.

Hodgkin AL, Huxley AF. The components of membrane conductance in the giant axon of Loligo. J Physiol. 1952 Apr;116(4):473-96.

Hodgkin AL, Huxley AF. The dual effect of membrane potential on sodium conductance in the giant axon of Loligo. J Physiol. 1952 Apr;116(4):497-506.

Hodgkin AL, Huxley AF. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J Physiol. 1952 Aug;117(4):500-44.

Clay JR. Axonal excitability revisited. Prog Biophys Mol Biol. 2005 May;88(1):59-90.

Bibliografia recomendada

Considerando o esquema a seguir:a. Qual sinapse mais influente? Justifique. b. Qual (s) o processo que ocorre se chegarem, ao mesmo tempo, potenciais de ao s terminaes pr-sinpticas A e C, considerando-se que as duas sejam excitatrias? E se fosse em A e B ou A e D?c. Neurnios associativos so majoritariamente multipolares, enquanto que neurnios sensoriais so bipolares ou pseudounipolares/unipolares. Discuta as implicaes deste fato do ponto de vista eletrofisiolgico. Existem sinpses dendro-dendrticas?

Correntes inicas no potencial de ao

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/60/Whole_cell_IV_showing_rest_and_AP_thresh.jpg

Miastenia gravis: uma patologia da

sinapse qumica