potencial de membrana e potencial de ação

Neurofisiologia I

Neurofisiologia I: Potencial de membrana

Prof. Dr. Caio Maximino

Marabá/PA-2015

Neurofisiologia I

Estrutura eletrostática da membrana

Potencial graduado

Permeabilidadeseletiva

Estruturaeletrostáticada membrana

Potencial de ação

● A membrana celular é uma estrutura altamente organizada que cumpre várias funções fisiológicas:– Como superfície, forma uma matriz dinâmica para reações

enzimáticas, processos receptivos, e reconhecimento imunológico

– Como barreira de difusão, controla a composição iônica do citoplasma através de transportadores altamente específicos

– Como folheto de isolamento elétrico, contém um mosaico de circuitos elétricos passivos e ativos, controlando o potencial de membrana e as condições eletrodinâmicas próximas à membrana

– Como estrutura mecânica, garante a integridade da célula e influencia seu formato e movimento

Potencial de repouso

Canais iônicos


Estruturaeletrostática

da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Murray et al., 2003

Potencial graduado



Potencial de ação

Potencial graduado



Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Capacitância da membrana

● Em relação ao meio extracelular e ao citoplasma, a membrana celular apresenta resistência elétrica alta e constante dielétrica baixa.

● A membrana é uma interface hidrofóbica extremamente fina que isola duas fases aquosas

● A capacitância c de um capacitor aumenta com a área A das placas (i.e., área de superfície da membrana) e diminui com a separação entre as placas d (i.e., espessura da membrana)

Potencial graduado



Potencial de ação

Potencial graduado



Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I


Potencial graduado



Potencial de ação

C=ϵ Ad

Constante dielétrica

Espessura da membrana (≈25 Å)

Área da membrana

Potencial graduado



Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I


Potencial graduado



Potencial de ação

Cm=ϵd≈1μF /cm2

Potencial graduado



Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Capacitância e separação de cargas

● Como a membrana têm propriedades de capacitância, é capaz de separar cargas

● Esssa separação de cargas produz uma DIFERENÇA DE POTENCIAL através da membranaPotencial

graduado



Potencial de ação

Glazer, 1999

Q=Cm⋅Δ ΨPotencial graduado



Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Potencial graduado



Potencial de ação

Capacitância e separação de cargas

● A alta capacitância da membrana implica que uma pequena quantidade de separação de cargas é suficiente para gerar uma grande diferença de potencial

● Considerando que a carga de um elétron é de 1,6 x 10-19 Coulombs, calcule a quantidade de íons monovalentes necessários para gerar ΔΨ = 100 mV

Potencial graduado



Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Permeabilidade seletiva

● A energia necessária para inserir um íon em uma bicamada lipídica é tão grande que esperaríamos que a membrana fosse impermeável a íons

● Experimentalmente, a permeabilidade a cátions e ânions é finita

● Essa permeabilidade é mediada por CANAIS IÔNICOS que produzem condutâncias (Gi)

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Permeabilidade seletiva

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Equilíbrio eletroquímico

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

● O movimento do íon A na direção de seu gradiente de concentração produz um aumento no Δψ através da membrana

● Eventualmente, um campo elétrico forte irá impedir a difusão posterior do íon A

● Assim, o íon A está sujeito a duas forças opostas: o gradiente de seu potencial químico e uma força eletrostática opositora que surge como resultado de sua própria difusão.

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Exemplo 1

● Uma solução de KCl 10 mM no lado 1 e 1 mM no lado 2

● A membrana hipotética só é permeável ao potássio

● O KCl é eletricamente neutro (i.e., nas condições iniciais o número de cátions e ânions em cada compartimento é igual). POR ISSO, A DIFERENÇA DE CARGAS ATRAVÉS DA MEMBRANA É ZERO

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Exemplo 1

1) Os canais de potássio estão fechados (GK+ = 0)● O movimento térmico dos íons fará com que eles se movimentem, mas não cruzam a

membrana

2) Os canais se abrem● O movimeto do potássio segue o potencial químico (gradiente de concentração)● Quando um íon potássio atravessa a membrana, deixa para trás um íon cloreto,

aumentando a carga positiva do lado 1 e a carga negativa do lado 1

3) Esse movimento gera uma nova força eletrostática não-aleatória– Essa força age sobre os íons, que opõe o movimento na direção do gradiente– Essa separação de cargas produz um potencial (V = Q/C) que aumenta até

que o equilíbrio seja alcançado

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Exemplo I

● Em termos quantitativos, podemos expressar o fluxo total de íons j em termos de gradientes químicos e elétricos

D é o coeficiente de difusão, C é a concentração, R é a constante dos gases, V é a voltagem (=ΔΨ), z é a valência do íon, F é a constante d eFaraday, e T é a temperatura

j=−D⋅[dCdx

+C⋅(zFRT

)⋅(dVdx

)]

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Exemplo I

● Quando j = 0 (i.e., equilíbrio eletroquímico),a equaçao pode ser integrada em

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Δ ψ≡(ψ I−ψII

)=RTzA F

ln(a A

II

a AI)

Equação de NernstPotencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Exemplo 1

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Purves et al., 2004

Δ ψ=58z

ln ([K+1

]2

[K+1]1)=58⋅ln(

110

)=−58mV

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Equação de Goldman-Hodgkin-Katz

● A membrana celular dos neurônios é permeável a mais de um tipo de espécie iônica através de CANAIS específicos

● Assim, a situação j = 0 não depende do gradiente de concentração de um único íon, mas de outros íons permeantes de suas permeabilidades relativas

● Ou seja, temos que considerar os fluxos individuais jNa+, jK+, jCl-, etc.

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Equação de Goldman-Hodgkin-Katz

Δ Ψ=(RTF

)⋅ln(PNa⋅[Na ]e+PK⋅[K ]e+PCl⋅[Cl ]iPNa⋅[Na ]i+PK⋅[K ]i+PCl⋅[Cl ]e

)

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

onde PA é permeabilidade para um dado íon e a concentração é determinada dentro e fora da célula

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

http://www.nernstgoldman.physiology.arizona.edu/

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Potencial de membrana

● O potencial da membrana é um potencial eletroquímico, consequência da separação de cargas

● Em condições de repouso,o potencial de membrana é chamado de POTENCIAL DE REPOUSO, e pode ser representado como uma bateria que deve estar em série com a resistência

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Lembrando...

– Bicamada lipídica Capacitância→

– Canais iônicos Condutâncias→

– Gradientes iônicos Baterias→

● Propriedades básicas da capacitância– Q = CV– Para carregar um capacitor, é necessária uma corrente I = dQ/dt

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Correntes e condutâncias

● A corrente percorrendo a porção condutiva da membrana pode ser expressada como um produto de uma condutância e uma força eletromotriz

onde V – Ee é a força motriz e g é a condutância (R = 1/g), expressa em Siemens (S)

V potencial de membrana→

Ee potencial de reversão (=→ ΔΨ no qual j = 0)

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Correntes e condutâncias

● Na membrana em repouso, o potencial V é constante e corrente total = 0

● Cada condutância pode carregar uma corrente, mesmo se a corrente total for 0

INa + IK + ICl = 0● Assim,

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

V=Δ Ψ=ENa⋅gNa+EK⋅gK+ECl⋅gCl

gNa+gK+gCl

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Como cada condutância afeta o potencial de membrana?

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

● CONSIDERANDO ENa = 41,3 mV, EK = -73,3 mV, e EL = -50,8 mV, calcular V e IA para as seguintes situações:

A) gK = 2,02, gNa = 0

B) gK = 0, gNa = 3,97

C) gK = 0,37, gNa = 0,02

D) gK = 2,55, gNa = 29,5Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I


● Na situação (C), a condutância predominante é do K+

● A “bateria” carregada pela condutância do potássio gera uma corrente de dentro para fora que será “drenada” pelas condutâncias do sódio e de vazamento (gL ≣gCl) (i.e., Ic = 0)

● O V resultante se encontra entre ENa e EK, mas mais próxima deste último PORQUE A CONDUTANCIA DE POTÁSSIO É MAIOR

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I


● Na situação (D), a condutância predominante é do Na+

● A condutância de Na+ produz um grande fluxo de corrente de fora para dentro que é “drenada” pelas condutâncias gK e gL

● De forma importante, o potencial de membrana muda de sinal DESPOLARIZAÇÃO→

● A despolarização depende de condutâncias que mudam conforme o potencial de membrana muda

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicosPotencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



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Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Canais iônicos

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

● Proteínas integrais de membrana especializadas que permitem a passagem de íons com alta frequência quando “abertas”

● São a base molecular das condutâncias

● Ciclam entre pelo menos dois estados, aberto (A) e fechado (F)

● PA = A/(A+C)Lent, 2010



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Registrando canais iônicos

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



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Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Comportas de canais iônicos

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



da membrana

Potencial de ação

Potencial graduado



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Potencial de ação


Canais iônicos



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Canais iônicos e o potencial de ação

● Um potencial de ação é um sinal elétrico propagado por um axônio ou fibra muscular que influencia outros neurônios ou induz a contração muscular

● A excitação de um neurônio ocorre quando o potencial de membrana na região do cone de implantação do axônio muda do repouso para um valor menos negativo (despolarização)

● A despolarização de uma porção da membrana pode ser causada por canais iônicos ativados por neurotransmissores ou pela transmissão eletrotônica das correntes próximas



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Propagação eletrotônica



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Potencial de ação

● Se o potencial de membrana Vm aproxima-se de um valor crítico (limiar), canais de sódio depedentes de voltagem são ativados

● O aumento resultante na condutância ao sódio (gNa) leva a uma entrada de sódio na célula, despolarizando mais a membrana (retroalimentação positiva) e produzindo uma despolarização tudo-ou-nada chamada de potencial de ação

● Como resultado, o Vm colapsa rapidamente, alcançando valores positivos.

● gNa cai antes do pico (inativação dos canais), enquanto gK aumenta (abertura de canais de potássio dependentes de voltagem)



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Potencial de ação



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Período refratário

● Em diversas situações, gK ainda está elevada depois que o potencial de repouso foi restaurado, e Vm aproxima-se do potencial do potássio, resultando em um pós-potencial hiperpolarizador.

● Nessa situação, o Vm estará mais negativo, e a probabilidade de um novo potencial de ação é menor.



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Propagação do potencial de ação



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Integração sináptica: Somação espacial



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Integração sináptica:Somação espacial



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

Neurofisiologia I

Potencial pós-sináptico inibitório



da membrana

Potencial de ação


Canais iônicos

potencial de membrana e potencial de ação

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