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Biofísica do Sistema Nervoso

Objetivos:

Conceituar eventos físicos em nível celular: bioeletricidade,

biopotenciais, bioeletrogênese. Compreender aspectos da

comunicação celular, sua propagação e integração. Entender

potencial de ação.

Prof. Daniel MartinsFarmacêutico

Microbiologista e ImunologistaMestre em Ciências - UFRJ

Imunogeneticista – CEMO/INCA

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O Campo Eletromagnético

Noções de Eletricidade Aplicada à Biologia:

A matéria de um modo geral é neutra, tem distribuição equivalentede cargas positivas e negativas.

Estado elétrico da matéria:

Neutra: Ex: +-+-+-+-+-+-

Polarizada: Ex: +++++++ ------------

A realização de Trabalho (Força x deslocamento) é capaz de separaras cargas.

Unidade de carga: Coulomb = 6,2 x 1018 (+ ou -).

Partícula (próton ou elétron)=1,6 x 10-19C.Quanto mais massa, mais matéria. Quanto mais coulomb, mais carga elétrica.

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• Movimentação de cargas:

Nos sólidos, apenas os elétrons se movimentam;

Nos líquidos e gases (sistemas biológicos), o movimento é de íons positivos

(cátions) e negativos (ânions).

•Voltagem (Diferença de Potencial-ddp):

É a diferença de energia entre dois pontos, medida em volts (V).

1V corresponde à 1 Joule (1 N · m = 1 kg · m2 / s2) para transportar a carga de 1

coulomb entre dois pontos A e B. Lembrando que (F=m.a) 1N= ML/T2.

Quanto maior a voltagem, maior a energia elétrica.

Amperagem (vazão): movimentação de cargas elétricas em função do

tempo. Ampère = coulomb / segundo.

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• Potência: capacidade de realizar trabalho elétrico em função do tempo.Unidade é watt (W).

1 w = 1 A x 1 V

•Resistência Elétrica (“atrito”) X Condutância (Condutividade)

Exemplos:

Alumínio: baixa resistividade, alta condutividade (bom condutor).

Plástico: alta resistividade, baixa condutividade (mau condutor).

Unidades: Resistência: OHM = Volt / Ampère

Condutância: inverso do OHM (MHO x cm-1)

• Capacitância: fenômeno relacionado ao acúmulo de cargas opostas emcondutores separados por um meio isolante.

1ª Lei de Ohm: a intensidade da corrente elétrica que percorre um resistoré diretamente proporcional à tensão entre os seus terminais.

U(v) = R(Ω) x i(A)

Voltagem = resistência x corrente elétrica

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BIOELETRICIDADE E POTENCIAIS DE AÇÃO

Os seres vivos são verdadeiras usinas elétricas, pois a maioria dos

fenômenos utiliza a eletricidade. As células apresentam diferença de

potencial (ddp) entre os dois lados da membrana. A origem dessa

ddp é uma concentração heterogênea de íons, principalmente Na+,

K+, Cl- e PO4.

A Bioeletricidade ou Bioeletromagnetismo (algumas vezes também

chamado de biomagnetismo) refere-se à voltagem estática de células

biológicas e as correntes elétricas que fluem em tecidos vivos, tal

como nervos e músculos, em consequência de potenciais de ação.

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Em praticamente todas as células, o interior é negativo em relação ao

exterior. O potencial elétrico através da membrana e -70mV.

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Movimento de moléculas pela membrana

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Formas de transporte pela membrana plasmática

1111

Tipos de transporte nas proteínas carreadoras

1212

Tipos de Canais Iônicos

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POTENCIAL DE REPOUSO

Entre o líquido no interior de uma célula e o fluido extracelular há uma

diferença de potencial elétrico denominado de potencial de membrana.

Esse potencial pode ser medido ligando-se, por meio de microeletrodos,

os pólos de um medidor de voltagem ao interior de uma célula, e ao

líquido extracelular. Quando as pontas dos dois eletrodos estão no

mesmo meio, a diferença de potencial medida ∆V é nula, indicando que

o potencial elétrico é o mesmo em qualquer ponto desse meio.

O potencial elétrico do fluido extracelular, por convenção, é considerado

nulo e V é o potencial no interior da membrana. Assim, a ddp (∆V) entre

os dois meios e:

∆V = 0-V = -V

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A membrana celular tem elevada resistência elétrica, diferente do

citoplasma e do meio externo, ambos ricos em eletrólitos. A ddp

estabelecida em um meio biológico (sangue, por exemplo), onde se

encontram células, as direções das correntes terão diferentes trajetórias,

de acordo com a resistência da membrana.

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POTENCIAL DE REPOUSO

O potencial de repouso da membrana é uma carga elétrica de aproximadamente -75

milivolts (mV) que existe entre o lado interno e o lado externo da membrana. Esta

pequena carga é a base de todos os fenômenos da bioeletricidade, isto é, a geração e uso

de energia elétrica por células excitáveis (neurônio, músculo) para executar suas

funções de armazenamento e transmissão de informação.

O Potencial de Repouso é o potencial de membrana antes que ocorra a excitação da

célula nervosa, ou o potencial gerado pela bomba de Na e K que joga 3 Na+ para fora e

2 K+ para dentro contra os seus gradientes de concentração, pela permeabilidade

seletiva da membrana ao K+, e não ao Na+, e pelos ânions com carga negativa retidos

no interior da célula pela membrana celular.

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Bomba de Na+/K+ ATPase

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MENSURAÇÃO DO POTENCIAL DE MEMBRANA

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POTENCIAL DE AÇÃO

• Com a excitação da células nervosa, por estímulos que atinjam olimiar de excitabilidade da célula (-65mV), um potencial de ação serádisparado dentro de um princípio denominado de “tudo ou nada”.

•O potencial de ação se caracteriza por três etapas distintas:Despolarização, repolarização e hiperpolarização.

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ETAPA DE DESPOLARIZAÇÃO

É a etapa em que a membrana torna-se extremamente permeável

aos íons Na+, ocorre portanto influxo de Na+ e consequente aumento

de carga positiva no interior da célula. Nesta fase a célula parte de

-75 mV e atinge +35 mV.

ETAPA DE REPOLARIZAÇÃO

É a etapa em que ocorre fechamento dos canais de Na+ e abertura

dos canais de K+. Nesta fase a célula parte de +35 mV e atinge -75

mV.

ETAPA DE HIPERPOLARIZAÇÃO

É um período de alguns milissegundos em que a célula não reage aos

neurotransmissores, pois estão com excesso de negatividade em seu

interior o que impede a ocorrência de um novo potencial de ação.

Nesta fase a célula parte de -75 mv e chega até -90 mV.

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