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Bioeletrogênese = origem da eletricidade biológica.

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Uma tensão elétrica, ou diferença de potencial, sempre existe entre o interior e o exterior deuma célula. Esse fato é causado por uma distribuição de íons desigual entre os dois lados damembrana e da permeabilidade da membrana a esses íons. A tensão elétrica de uma célulainativa permanence em um valor negativo — considerando o interior da célula em relação aoexterior e varia muito pouco. A maioria das células possui esse potencial (potencial derepouso).Se introduzirmos um eletrodo na membrana de um neurônio e medirmos a diferença depotencial nesta membrana, vamos registrar em torno de 65 mV nas fibras mais finas. Já nasfibras mais grossas, o potencial de repouso é de cerca de 90 mV. Isto quer dizer que o potencialdentro da fibra é de 90 mV mais negativo do que o potencial no líquido extracelular, do lado defora da fibra.

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Existem diferenças de potencial elétrico através das membranas de praticamente todas ascélulas do corpo, e algumas células, como as nervosas e musculares, são "excitáveis” isto é,capazes de autogerar impulsos eletroquímicos em suas membranas e, na maioria dos casos,utilizar esses impulsos para a transmissão de sinais ao longo das membranas. Em outros tipos decélulas, tais como as glandulares, os macrófagos e as células ciliadas, outras classes de variaçãodos potenciais de membrana têm, provavelmente, participação ativa no controle demuitos aspectos do funcionamento celular.

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Primeira coisa que deve ser lembrada: diferença iônica que existe entre os líquidos intra eextracelular.LEC = líquido extracelular (ou meio interno= MI).LIC = líquido intracelular.

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Dentro do citoplasma tem uma grande quantidade de K+, enquanto no meio extracelular(interstício) predominam Ca++, Na+ e Cl-. Também tem K+ no meio extracelular, mas suaconcentração é bem menor do que no intracelular. Já os outros íons como Ca++, Na+ e Cl- estãomais concentrados do lado de fora. Esta é uma diferença que precisa ser guardada (lembrada),porque é bastante importante. Vamos simplificar a explicação, retirando dela o Ca++ e o Cl-. Porque esses dois íons? Porque os íons fundamentais para a gente entender o potencial de repousoda membrana são os íons Na+ e K+ (são eles que são os principais responsáveis pelamanutenção do potencial de repouso da membrana, principalmente o K+).

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Fica constantemente bombeando Na+ para fora e K+ para dentro, criando um gradiente deconcentração, um gradiente químico. Lembrar que, se for para sofrer difusão, o K+ vai sedifundir de dentro para fora e o Na+, de fora para dentro, por causa do gradiente químicogerado por esta bomba de sódio e potássio.

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Para entendermos a origem do potencial de repouso, precisamos entender o conceito deequilíbrio eletroquímico.A- = representação de algumas espécies aniônicas (ânions, proteínas com carga negativa).Podemos perceber que existe um gradiente, uma diferença química entre um lado e outro, maspor enquanto, não existe diferença elétrica. Imagina que no meio intracelular eu tenha 100moléculas de K+ e 100 moléculas de A- (100 positivo com 100 negativo = zero). O mesmo seaplica ao meio extracelular: se eu tiver 10 K+ e 10 A-, também dá zero. Portanto, zero de umlado e zero do outro lado: não tem diferença (não tem gradiente elétrico) entre os dois lados,embora haja um gradiente químico muito grande, como é possível perceber.

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Neste caso, o potássio vai seguir o gradiente químico natural e, por difusão, ele vai passar domeio mais concentrado para o menos concentrado, ou seja, vai começar a se difundir do interiorda célula para o exterior. No entanto, o K+ possui carga elétrica. Ele é um cátion, ou seja, temuma carga positiva. Dá para percebermos na figura que para cada K+ que passa para o outrolado, cargas positivas vão se acumulando do lado de fora da membrana. O que significa isto? Seeu tinha 100 K+ no meio interno e 3 passaram para o meio externo, a nossa conta ficou: 97 K+ e100 A- no meio interno (ficaram sobrando 3 moléculas de ânions) e 13 K+ e 10 A- no meioexterno. Então dá para perceber que, para cada molécula de potássio que passa para o meioexterno, sobra uma carga negativa no meio interno. Também dá para perceber que foi geradoum gradiente elétrico (além do gradiente químico que já existia, agora temos também umgradiente elétrico).

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Se a gente lembrar da difusão, até quando uma molécula se difunde? Até haver um equilíbrioquímico, ou seja, até que as concentrações se igualem. Mas será que isto vai acontecer aquineste modelo? A resposta é NÃO. Por que não? É porque, à medida que o potássio vaiatravessando de um lado para outro impulsionado pelo gradiente químico (gradiente deconcentração ou gradiente osmótico), mais cargas positivas são se acumulando do lado de fora(meio extracelular) e, como o K+ tem carga positiva, é repelido por carga positiva (positivorepele positivo). Assim, vai chegar um momento em que vão existir duas forças no sistema: umaforça química (gradiente de concentração), que direciona o potássio a favor do gradiente deconcentração químico, e uma força elétrica (gradiente elétrico), que atua no sentido contrário.Assim, a força elétrica joga o potássio de volta, pois o lado interno está negativo e o potássio épositivo (cargas diferentes se atraem, e o potássio é atraído pelas moléculas negativas e repelidopelas positivas). Vai chegar um momento em que estas duas forças vão se igualar, ou seja, aforça química vai ter a mesma intensidade da força elétrica. Nesse momento vai parar omovimento de K+, ou seja, o K+ vai parar de atravessar a membrana? NÃO! Quimicamente elevai ser movido para fora e eletricamente para dentro. No entanto, esses dois fluxos são iguais.Logo, o fluxo resultante vai ser zero. Assim, na prática, não vai haver fluxo de K+ para ladonenhum. Nesse momento, dizemos que o K+ atingiu seu equilíbrio eletroquímico. Logo, oequilíbrio eletroquímico é conseguido por meio de dois “desequilíbrios”: um químico e o outroelétrico, ou um gradiente químico e o outro elétrico que somados se anulam e o sistema entraem equilíbrio. Se medirmos o potencial do lado de dentro da membrana, veremos que quando oK+ atinge o seu potencial de equilíbrio, serão registrados valores negativos: o potencial deequilíbrio do K+ é em torno de 80 mV.

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Potencial de equilíbrio: potencial de membrana que impede difusão efetiva do íon através damembrana.

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(a) Vejam agora o mesmo esquema para o sódio; só que agora o sódio está mais concentradofora da célula. Novamente é um sistema que está em desequilíbrio químico, ou seja, existe umgradiente grande de concentração química, mas por enquanto não existe gradiente elétrico. Osódio se anula com os ânions no meio extracelular, ocorrendo o mesmo no meio intracelular.(b) O que vai acontecer se colocarmos um canal de sódio neste sistema? O sódio vai serimpulsionado por um gradiente químico a atravessar a membrana de fora para dentro.Novamente, para cada sódio que entra na célula, sobra uma carga de ânions fora da célula.(c) Quando esse movimento vai cessar? Quando o ambiente intracelular estiver positivo osuficiente para se igualar com o gradiente químico, semelhantemente ao que aconteceu com opotássio. Se medirmos o potencial do lado de dentro da membrana, veremos que quando o Na+atinge o seu potencial de equilíbrio, serão registrados valores positivos: o potencial de equilíbriodo Na+ é em torno de +62 mV.

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Na temperatura normal do corpo (37°C), a diferença elétrica que vai calibrar uma dada diferençade concentração de íons univalentes pode ser determinada pela fórmula a seguir chamada deequação de Nernst.

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Ci também pode ser considerada como concentração de origem e Ce como concentração dedestino.

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Os valores finais são aproximados, pois foram arredondados.

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Também chamada de equação de Goldman-Hodgkin-Katz.Atenção para os íons de carga negativa, como os íons cloro: inversão de Ce e Ci na fórmula.

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Como a saída de sódio não é acompanhada pela entrada de potássio na mesma proporção,estabelece-se uma diferença de cargas elétricas entre os meios intra e extracelular: há déficit decargas positivas dentro da célula e as faces da membrana mantêm-se eletricamente carregadas.

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Além da bomba de sódio e potássio, os dois processos de difusão de sódio e potássio podemacontecer simultaneamente. Assim, afirma-se que o potencial de membrana (potencial derepouso) é um potencial dissipativo e não um potencial de equilíbrio eletroquímico de Na+ ou deK+ porque no potencial de membrana persistem os fluxos resultantes desses íons.

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O potencial de repouso das fibras nervosas mais grossas, quando estas não estão transmitindosinais nervosos, é de cerca de –90 mV, ou seja, o potencial dentro da fibra é 90V mais negativodo que o potencial do líquido extracelular (LEC). Como o potencial de equilíbrio do K+ é em tornode –80 mv e o do Na+ em torno de +62 mV, isto é um indicativo de que o íon que estácontribuindo mais para o potencial de repouso da membrana seja o potássio. De fato, opotencial de repouso da membrana é majoritariamente determinado pelo potássio, comoveremos a seguir.

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Em repouso, a membrana possui canais de vazamento abertos apenas para potássio, ou seja, amembrana em repouso é permeável ao potássio, mas não ao sódio. Logo, o potencial derepouso da membrana é basicamente determinado pelo potássio.

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Como o sódio tem carga positiva e está mais concentrado no exterior celular, qualquer eventoque abra um canal de sódio vai permitir que o sódio entre na célula, devido ao gradiente deconcentração. Assim, vai ocorrer a despolarização. Despolarizar significa que estaremosreduzindo os valores negativos; ela vai “caminha” na direção do zero.

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Em alguns décimos de milésimos de segundos após a membrana ter ficado muito permeável aosíons sódio, os canais de sódio começam a se fechar e os canais de potássio se abrem mais do queo normal. Então, a rápida difusão dos íons potássio para o exterior restabelece o potencial derepouso negativo da membrana. Isto é referido como repolarização da membrana.

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Um potencial de ação é uma alteração rápida na polaridade da tensão elétrica, de negativa parapositiva e de volta para negativa. Esse ciclo completo dura poucos milisegundos. Cada ciclo — e,portanto, cada potencial de ação, possui uma fase ascendente (despolarização), uma fasedescendente (repolarização) e, ainda, uma curva de tensão elétrica inferior a do potencial derepouso de membrana (hiperpolarização). Em fibras musculares cardíacas especializadas, umafase de platô, com tensão elétrica intermediária, pode preceder a fase descendente.

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Cada potencial de ação começa por uma alteração súbita do potencial de membrana normalnegativo para um potencial positivo, terminando, então, com retorno quase tão rápido para opotencial negativo. O agente necessário para provocar a despolarização e a repolarização dasmembranas nervosas durante o potencial de ação é o canal de sódio regulado por voltagem. Ocanal de potássio regulado por voltagem também tem participação importante, por aumentar arapidez da repolarização da membrana. Esses dois canais regulados pela voltagem atuam, deforma adicional com a bomba de sódio e potássio e com os canais de extravasamento de sódio epotássio.

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No potencial de repouso, todos os canais de Na+ dependentes de voltagem e a maioria doscanais de K+ dependentes de voltagem estão fechados. As Na+/K+-ATPases (bombas desódio/potássio) bombeiam ativamente íons K+ para dentro da célula e íons Na+ para fora.

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Uma hiperpolarização é qualquer mudança no potencial de membrana que torna a membranacelular mais polarizada, ou seja, o potencial de repouso da membrana (PRM) fica ainda maisnegativo.Diferentemente de uma célula despolarizada (é excitatória devido a uma diminuição dopotencial de membrana, de -70 mV para +40 mV, por exemplo), quando há um redução nopotencial de membrana (de -70 mV para -90 mV, por exemplo) dizemos que a célula estáhiperpolarizada, tornando menos provável que a mesma gere um potencial de ação, portanto,ela é inibitória.

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O nível crítico de despolarização que deve ser atravessado a fim de desencadear um potencialde ação é chamado limiar. Assim, os potenciais de ação são causados pela despolarização damembrana além do limiar.

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Esse potencial limiar varia, mas normalmente gira em torno de 15 milivolts acima do potencialde repouso de membrana da célula e ocorre quando a entrada de íons de sódio na célula excedea saída de íons de potássio. O influxo líquido de cargas positivas devido aos íons de sódio causa adespolarização da membrana, levando à abertura de mais canais de sódio dependentes detensão elétrica . Por esses canais passa uma grande corrente de entrada de sódio, que causamaior despolarização, criando um ciclo de realimentação positiva (feedback positivo) que leva opotencial de membrana a um nível bastante despolarizado.

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Não confundir com condutividade, que pode definida simplesmente como a facilidade oucapacidade de um material em poder conduzir um valor determinado de corrente elétrica (éuma característica própria do material).

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O potencial limiar pode ser alcançado ao alterar-se o balanço entre as correntes de sódio epotássio. Por exemplo, se alguns canais de sódio estão em um estado inativado (comportas deinativação fechadas), então um dado nível de despolarização irá ocasionar a abertura de ummenor número de canais de sódio (os que não estão inativados) e uma maior despolarizaçãoserá necessária para iniciar um potencial de ação. Essa é a explicação aceita para a existência doperíodo refratário.O período refratário divide-se em absoluto e relativo.

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No período refratário absoluto, qualquer estímulo para gerar potencial de ação é inútil, pois oscanais de sódio estão em estado inativo (comporta rápida aberta e comporta lenta fechada). Norelativo, alguns destes canais já estarão de volta ao repouso ativável (comporta rápida fechada ecomporta lenta aberta), mas nem todos. Estímulos supralimiares conseguem gerar potenciais deação no período refratário relativo.

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O terminal axonal típico contém pequenas vesículas membranosas esféricas que armazenamneurotransmissores - as vesículas sinápticas.

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Nas regiões dos nódulos de Ranvier, a onda de despolarização "salta"diretamente de um nódulo para outro, não acontecendo em toda a extensão daregião mielinizada (a mielina é isolante). Fala-se em condução saltatória e comisso há um considerável aumento da velocidade do impulso nervoso.

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Hipocalemia: baixas concentrações extracelulares de potássio promovem uma hiperpolarização damembrana celular, pois no potencial de repouso da membrana (PRM) os canais de potássio estão sempreabertos. A hiperpolarização faz com que o limiar excitatório da célula aumente. Portanto, serãonecessários estímulos muito grandes para a geração do potencial de ação. Essa alteração, no músculocardíaco, leva a deficiência na contratilidade.Hipercalemia: já o aumento da concentração extracelular de potássio resulta na despolarização damembrana celular. Essa despolarização abre canais de sódio dependentes de voltagem, mas emquantidade insuficiente para gerar um potencial de ação. Os canais de sódio então entram em períodorefratário, aumentando assim o potencial de repouso da membrana. Dessa forma há uma diminuiçãogradativa do limiar excitatório da célula. Ou seja, serão necessários estímulos cada vez menores para gerarum potencial de ação. As manifestações clínicas importantes de hipercalemia refletem a despolarizaçãode membrana, com diminuição da velocidade de condução e repolarização de membrana mais rápida. Issopode causar danos cardíacos, neuromusculares e gastrintestinais. No coração, pode levar a fibrilaçãoventricular ou assistolia.

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Além da hipocalemia, outros fatores como a alta concentração de íons Ca2+ e anestésicos locaispodem diminuir a excitabilidade da membrana.

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O pâncreas é constituído por dois tipos principais de tecidos: (1) os ácinos, que secretam sucos digestivosno duodeno, e (2) as ilhotas de Langerhans, que secretam insulina, glucagon e somatostatina diretamenteno sangue.As ilhotas contêm três tipos principais de células – as células alfa, bela e delta - que podem serdistinguidas umas das outras por suas características morfológicas e tintoriais. As células beta, constituemcerca de 60% de todas as células, situam-se principalmente no meio de cada ilhota e secretam insulina. Ascélulas alfa, que correspondem a cerca de 25% do total, secretam glucagon. Por fim, as células delta, queformam cerca de 10% do total, secretam somatostatina. Além disso, existe pelo menos outro tipo decélula, a célula PP, encontrada em pequeno número nas ilhotas, que secreta um hormônio de funçãoincerta, denominado polipeptídio pancreático.

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Nas células beta das ilhotas de Langerhans do pâncreas, em repouso e com níveis normais(baixos) de ATP, o K+ sofre difusão a favor do seu gradiente de concentração através de canaisde K+ regulados por ATP, mantendo o potencial intracelular em um nível negativo totalmentepolarizado.

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Se houver elevação dos níveis de glicose, a produção de ATP aumenta, resultando em aumentodos níveis intracelulares de ATP, com consequente fechamento dos canais de K+ regulados porATP. Conforme observado nos músculos e nos nervos, a diminuição do efluxo de K+ resulta emdespolarização das células beta e abertura dos canais de Ca2+ regulados por voltagem. Oconsequente aumento de Ca2+ intracelular desencadeia a secreção do hormônio insulina porexocitose.

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Figura: Na célula em repouso e com níveis normais (baixos) de ATP, o potássio sofre difusão a favor do seugradiente de concentração, através dos canais de potássio regulados por ATP, mantendo um potencialintracelular negativo (polarizado). A liberação de insulina é mínima. Se houver elevação dos níveis deglicose, a produção de ATP aumenta, ocorre fechamento dos canais de potássio, e as células sofremdespolarização. Conforme observado no músculo e no nervo, os canais de cálcio regulados por voltagemabrem-se em resposta à despolarização, possibilitando a entrada de mais cálcio dentro da célula. Oaumento de cálcio intracelular resulta em secreção aumentada de insulina. As células ecretoras deinsulina (secretagogos) fecham os canais de potássio dependentes de ATP, com subsequentedespolarização da membrana e aumento da liberação de insulina por meio do mesmo mecanismo.

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