eletrofisiologia 4a. c. cassola1 gênese da diferença de potenciais elétricos em membranas...

Eletrofisiologia 4 A. C. Cassola 1

Gênese da diferença de potenciais elétricos em membranas biológicas

1. Difusão e Eletrodifusão (bicamada e canais)

2. Transporte por carregadores


Separação de cargas e capacitância

i j

[KCl]=100mM [KCl]=10mM

0

0

dt

dVdt

dQ

se

CVQC

QV

m

m

m

Bezanilla

ATP

3Na+

2K+

ADP+Pi

Cl-

K+


Quanto de carga é necessário para uma diferença de potencial de -60mV??

22

6 110

cm

f

cm

fC

VCQ

m

Por cm2

)(102.696484

106

10606.010

138

86

molescoulomb

F

Q

coulombVfQ


Transportes (fluxos) passivos através da membrana

Fluxos

i

e

scoulI

FzJI

s

moles

A

J

scm

molesJ

JJJ

i

irii

ri

ri

eii

iei

ri

/

2

e

dissipativos

Passivos

l

li~

l

0~

li

l

l

i

e

ei

ii

ei

ii

iei

ei

iiie

i

c

c

zF

RTV

z

cc

z

Para

VzFc

cRT

ln

0

0

0

ln~


Difusão pela bicamada lipídica – espécies lipossolúveis

m

ii

ei

iimii

A

JJ

ccAPJ

)(

cie

iimi cc

cii

Aii Nr

RTD

6

l

DP iii

s

cmD

s

cmP

i

i

2


Eletrodifusão

dx

dc

dx

dcDM

MMM

sss

ss

es

dss

Nernst-Planck

Fx

RTP s

ss

Equaçao da corrente de Hodgkin-Katz-Goldman

2/

1

cmscoulFJI

e

ecc

RT

VFzPJ

ii

RT

VFz

RT

VFzei

iiii

ii

i


Se a membrana fosse permeável a um e a um só íon:

Fluxos

0

0,000002

0,000004

0,000006

0,000008

0,00001

0,000012

0,000014

0 20 40 60 80 100

t(s)

J (

mo

les

/s)

Km EV gK

i

j

Cm

Vm

-100-80-60-40-20

020406080

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t(s)

vm (

mV

)

Σgi=0


Mas a membrana permeável a vários íons....

....0

0

0

ClNaKm

m

m

IIIIdt

dQdt

dV

seC

QV

exClexNaexK

exClicNaicKm ClPNaPKP

ClPNaPKP

F

RTV

ln

Equação de Hodgkin-Katz-Goldman, considerados apenas os efeitos de íons monovalentes

)(

][

][ln

miii

ex

ici

VEGI

i

i

zF

RTE


Potencial de Repouso: Circuito elétrico equivalente para a membrana

ClKNa

ClCl

NaNa

KK

m

gggG

EG

gE

G

gE

G

gV

Cm

gCl

gK

ic

ex

gNa

ex

ici i

i

zF

RTE ln


Potencial de Repouso

-90mV<Vm<-20mV

K+ Na+ Cl-

[intracel.]

mM120 25 10**

[extracel]

mM4 145 110

Ei(mV) -90 +60 -60

** Variável com Vm. ECl~Vm

O potencial de membrana é determinado, a cada momento, pelo fluxo resultante de vários íons . A contribuição de cada um deles depende a razão das concentrações e da permeabilidade relativa. A contribuição maior é a do K, conclusão a que se chega pela constatação de que Vm está mais próximo de EK..

exK

Clex

K

Naex

exK

Clic

K

Naic

m

exClexNaexK

exClicNaicKm

ClPP

NaPP

K

ClPP

NaPP

K

F

RTV

ClPNaPKP

ClPNaPKP

F

RTV

ln

ln


Vi 0,00E+00 ci 1,00E+02gc 2,00E-07 cj 1,00E+01gai 0,00E+00gat 4,00E-07 V0 0,00E+00Cm 1,00E-06

100 10

Cassola v.01, 2007

Vm

-100-80-60-40-20

020406080

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t(s)

vm (

mV

)

Fluxos

-0,00001

0

0,00001

0,00002

0,00003

0,00004

0,00005

0 20 40 60 80 100

t(s)

J (m

ole

s/s)

i j


Potencial de Repouso: Correntes por canais e pela bomba de Na-K

ATP

3Na+

2K+

ADP+Pi

Cl-

K+

Na+

Se Vm não varia no tempo, para os íons indicados na figura:

Nap

pNaKm

Cl

mCl

p

pClNaKm

II

IIII

I

VE

Se

bombapelaCorrenteI

IIIII

3

1

0

0


Transporte por estruturas

especializadas, formadas por proteínas, na bicamada: POROS,

CANAIS E CARREGADORES

POROS e CANAIS: difusão ou eletroforese

ou ambos por áreas restritas da membrana.

Alterações conformacionais da proteína abrem ou

bloqueiam o canal. Não promovem a translocação


Poros: não há oscilações entre estados (‘gating”)

Porina

Aquaporina


CANAIS

• Seletividade• Estruturas estocásticas nas quais a probabilidade do estado

aberto pode ser modulada (GATING)• Tipos


Canais: Seletividade

Discriminaçao de carga elétrica


A seletividade para um íon específico depende da energia de hidratação nos canais bastante seletivos e melhor conhecidos.

Ionic radius (Å) Número atômico Peso atômico

Na+ 0.95 11 23

Mg2+ 0.65 12 24

K+ 1.33 19 39

Ca2+ 0.99 20 40

Cl- 1.81 17 35


Canais: “gating”Oscilações térmicas levam a proteína a conformações estáveis em escala de tempo de ms, A e F

A

FA

Modulaçao (“gating”): A conformação A (aberto) pode ser favorecida por variáveis físicas, por ligação de outras moléculas ou íons, por fosforilação, etc.

Canais são estruturas estocásticas


Probabilidade do estado abertura e condutância

iioii

i

rm

ii

gPNG

pSg

VV

ig


Nomenclatura dos canaisSeletividade Controle da abertura (“gating”)

K+ • dependente de voltagem • retificadores para dentro• dependente de Ca2+

• dependente de ATP• etc

Na+ • dependente de voltagem• sensíveis a amiloride

Ca2+ • ativados por despolarização forte• ativados em voltagens negativas• operados por estoques

cátions • colinérgico nicotínico• glutamatérgico

Cl- • fibrose cística (CFTR)• dependente de Ca• dependente de voltagem• dependente de glicina


Estrutura do KcsA – Canais para K+


“Gating” do Canal


K+

[K+]=120mM

[K+]=4mM

ATP

3Na+

2K+

ADP+Pi

+++++++++++++++ -------------------------

K+Cl-

2Cl-

Na+

K+

E2~P + K+

E2~P~K+

Pi

E2~K+

E1+K+


Na+

[Na+]=15mM

[Na+]=145mM

ATP

3Na+

2K+

ADP+Pi

+++++++++++++++ -------------------------

-

A.A.Na+

H+

Na+

Ca2+

3Na+

D-GliNa+

2Cl-

Na+

K+

D-G

liN

a+

Nav

ENaC

Cl -

Na

+


Ca2+

[Ca2++]=100nM

[Ca++]=1.5mM

ATP

3Na+

2K+

ADP+Pi

+++++++++++++++ -------------------------

-Ca2+

3Na+

ATP

Ca2+2H+

ADP+P

ATP

Ca2

+ADP+P

+++

IPIP33

CaCa2+2+

CaCa2+2+


Pauling Ionic radius (Å)

Número atômico Peso atômico

Na+ 0.95 11 23

Mg2+ 0.65 12 24

K+ 1.33 19 39

Ca2+ 0.99 20 40

Cl- 1.81 17 35

Propriedades dos principais (quantitativamente) íons em sistemas biológicos.

eletrofisiologia 4a. c. cassola1 gênese da diferença de potenciais elétricos em membranas...

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