resumo de biofísica das membranas excitáveis

5/14/2018 Resumo de Biofísica das Membranas Excitáveis - slidepdf.com

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Biofísica das membranas excitáveis

01-Introdução

Galvani foi o primeiro a dedicar-se ao estudo da eletricidade animal. Ele observouque por meio de choque elétrico, era possível obter a contração de músculos. Apósestudos, descobriu-se que os músculos se contraiam de acordo com os estímulos elétricosou originados ou conduzidos pelos nervos.

• Potencial de injúria é a ddp entre um músculo íntegro e um músculo lesado.A lesão destrói o sarcolema e expões o citoplasma cujo potencial elétrico é menor que o

meio extracelular.• Corrente de injúria é o fluxo de corrente elétrica entre a zona lesada e a intacta.• Potencial transmembrana é a ddp que toda membrana superficial das células é

submetida. E quando ela está em repouso, possui um valor constante – o potencial derepouso.

02- A membrana das células

A membrana celular é constituída por uma matriz lipídica onde existem proteínasglobulares parcialmente mergulhadas na matriz lipídica e outras proteínas intrínsecas que

atravessam toda a espessura da membrana, estabelecendo uma ponte entre o meio intra eextracelular, e elas se movem lateralmente ou transversalmente.A zona mais central da membrana celular é dotada de fluidez, há componentes que

podem reduzir a fluidez como o colesterol, Ca e Mg a baixas temperaturas ou aumentarcomo fosfolipídios.03- Comportamento elétrico passivo da membrana

• Circuito RC:A membrana superficial se assemelha a uma associação do ripo resistor-capacitor

em paralelo.Quando a tensão é desligada pela abertura da chave. P capacitor perde

progressivamente a carga acumulada.• Correntes de membrana Rm:

Pode ser a expressão dos canais hidrofílicos por onde passam os íons, enquanto ocapacitor Cm representa o comportamento da bicamada lipídica envolvida pelos meioscondutores intra e extracelular. Por isso a membrana possui duas passagens para correnteelétrica:• Uma que obedece à lei de ohm que está associada aos canais iônicos• Outra com capacidade capacitiva associada ao dielétrico lipídico.04- O potencial de repouso

(a) O campo elétrico no interior das membranas:

As membranas possuem uma ddp entre as superfícies externa e interna. A

dificuldade para obter campos elétricos muito intensos está no dielétrico, pois a substânciaque o constitui possui uma rigidez dielétrica muito alta para permitir o desenvolvimento docampo e, consequentemente, o aparecimento elétrico de grande magnitude. b) Parâmetros elétricos da membrana:• Capacitância das membranas: a matriz lipídica é responsável pelas propriedades

dielétricas, isto é, por separar dois meios condutores, as membranas têm propriedadescapacitivas. Sua capacitância é de 1μF/cm2.

• Resistência das membranas: as membranas possuem uma resistência muito elevada,contudo, a inclusão de certas proteínas faz baixar sua resistência.

c) A assimetria iônica existente nos meiosO potencial de repouso é gerado pelo fato da membrana ter permeabilidade

diferente a diversos íons, bem como pela assimetria na distribuição iônica

• A suspeita de Dean: a membrana, mesmo no repouso, bombeia íons no seu gradienteeletroquímico.

d) A bomba de sódio e potássio



Consiste no sistema de transporte ativo para bombear íons. O transporte deNa+ para fora da célula depende da presença de K + no exterior e sua eficiênciadepende da temperatura e o efluxo de Na+ depende da concentração do ATPintracelular.• Localização:

A bomba está na membrana celular e nos túbulos T.A cada ATP hidrolisado, 3 Na são removidos da célula e 2 K são levados paradentro da célula

Assim a cada ciclo, uma carga + é transferida para o meio extracelular e acorrente gerada pela bomba forma o potencial transmembrana, este éhiperpolarizado quando há bombeamento em alta velocidade.]• Afinidades :

O Na+ intracelular e o K + extracelular ativam o funcionamento da bomba.- A afinidade para o Na+ no lado citoplasmático é cerca de 3 vezes maior que a afinidade doK pelo menos sítio de ligação.- Pelo lado extracelular, a afinidade da proteína pelo K + é 100 vezes maior do que para oNa+

• Cotransporte e contratransporte :A bomba transforma energia química do ATP numa distribuição assimétrica de

íons. O sódio se torna mais concentrado no exterior e o citoplasma possui maiorconcentração de potássio.

Esses gradientes de concentração são usados como fonte de energia para quehaja a repolarização/despolarização celular

Cotransporte: a movimentação de um cátion arrasta consigo um ânionContratransporte: íons de mesma polaridade são trocados entre lados da

membrana.• Estrutura da bomba de Na/K:

A bomba possui duas subunidades a alfa, com função catalítica, e a beta com função deestabilizar a enzima na matriz lipídica. A ATPase permite à proteína mover-se lateralmente.• Isoformas da bomba de Na/K:

Ao se observar a resposta da bomba à oubaína, identificou-se diferentes formas que sãoconhecidas α1,α2, α3, que possui localizações em tecidos diferentes.• Regulação da bomba de Na/K :

Ela é regulada pelo K+ extra e pelo Na+ intra, e opera com 10-15% da suacapacidade máxima.Quando o músculo aumenta seu trabalho, a atividade debombeamento pode ser aumentada (hormônios como epinefrina, insulinaproporcionam isso).

e)A difusão de íons e a formação do potencial de repousoA membrana é seletivamente permeável para alguns íons. Há a tendência

1 - + 2de haver migração do lado mais concentrado para o menos concentrado gerando

φD

um fluxo φ. [S1][S2]

Fluxo difusional é o fluxo gerado devido à tendência do íon migrar dolado mais concentrado para o menos.

Fluxo elétrico é o fluxo criado devido o gradiente de potencial elétricoφE

correspondente a positividade do lado 2 e a negatividade do lado 1• Potencial de Equilíbrio de um íon:

A soma das energias potenciais elétrica e química resulta na energia potencialeletroquímica.No potencial de equilíbrio, o fluxo do íon em ambos os lados se torna constante. Nessas

condições temos o potencial de equilíbrio de um íon que é a ddp entre as faces damembrana permeável ao íon.A equação de Nernst determina o potencial de equilíbrio:

R-constante dos gases perfeitos



T –temperatura em KelvinZ –valência do íonCe –concentração do lado 1 exteriorCi –concentração do lado 2 interior

Por essa equação, determina-se que os potenciais de equilíbrio do Na e Ca são + edo K e Cl são –f) A contribuição do potássio para formar o potencial de repouso das células

musculares:Hodgin & Horowicz suspeitaram que ou o K ou o Cl seriam responsáveis pelo

potencial de membrana. Então, resolveram manter constante a concentração extracelularde potássio e variaram a do cloreto, obtiveram que o potencial de membrana variou demodo não sustentado. Já fazendo o contrário, com o potássio variando, o potencial demembrana mantinha-se sustentável.

Assim, concluíram que o potássio controla o potencial da membrana e que ocloreto ajusta suas concentrações de acordo com o nível do potencial existente.

Durante o repouso, a membrana é mais permeável ao K do que ao Na. Porisso, o potencial de repouso da célula está muito próximo do potencial deequilíbrio do potássio.g) Fatores que alteram o potencial de repouso• A diminuição da atividade da bomba de NA/K

• A diminuição na produção de ATP como na anoxia• Ação de drogas que alteram a permeabilidade da membrana a íons que forma

o potencial de repouso como a acetilcolina, que aumentando a permeabilidadeao K hiperpolariza a célula.

h) As principais correntes iônicas que atravessam a membrana celularDurante o repouso, a resistência da membrana permanece constante e o potencial é

invariável (nessa situação o meio intracelular é negativo em relação ao extracelular).O potencial de repouso é formado principalmente pela movimentação dos íons

potássio e a corrente de saída do potássio é contrabalanceada pelo sódio.05-O potencial de ação do axônio

a)A descoberta do potencial de açãoNos músculos e nervos, o potencial de ação é o sinal elétrico que se

propaga para transmitir informação ou iniciar a contração.b)A teoria de Bernstein e o overshoot

Esse cientista imaginou que a membrana e o citoplasma do meio extracelular eramcondutores de eletricidade e a membrana deveria possuir baixa condutividade

No repouso, a membrana seria permeável unicamente ao potássio e que por isso, addp depende desse íon. Já quando a célula é estimulada, a membrana ficaria permeável atodos os íons e a movimentação deles levaria o potencial da membrana para valorespróximos de zero.

O retorno ao potencial de repouso deveria ser realizado a custa de um aumentoseletivo da permeabilidade da membrana para íons potássio.

A teoria de Bernstein estava equivocada. Descobriu-se que durante a atividadeelétrica, o potencial da membrana sofria inversão da polaridade. O interior, queantes era negativo, tornava-se positivo.c)A teoria do sódio e potássio

Hodgkin & Katz,descobriram que caso o potencial de membrana dependesseexclusivamente do potássio o interior da célula seria negativo e se dependesse do sódioseria positivo.Então, o overshoot estaria associado a uma aumento da permeabilidade aosódio.

A despolarização era produzida pela entrada do sódio no meio interno e arepolarização ocorria pela fuga de potássio para o meio extracelular.d) O estudo das correntes de membrana com a técnica do voltage clamp

Após usar a técnica do voltage clamp que colocava um eletrodo no interior de umaxônio, descobriu-se que o potencial de ação era formado pela corrente deentrada do sódio e a corrente de saída do potássio.



A fase da despolarização do potencial de ação se deve a um aumento dacondutância da membrana ao sódio e a de repolarização, uma maior fuga dopotássio.

A condutância da membrana ao potássio permanece aumentada por maistempo e a célula além de se repolarizar se hiperpolariza.e)O modelo de Hodgkin & Huxley

O controle dos canais de sódio se dá por partículas do tipo M (partículas de ativação)e do tipo H (partículas de inativação). Já os canais de potássio não apresentam inativação,

são controlados apenas por partículas N.As partículas são negativas e se movem, por força elétrica e térmica, entre dois

compartimentos próximos a face interna e externa da membrana. As partículas no repousose concentram no compartimento externo (porque elas são negativas e o citoplasma énegativo também).

A despolarização da membrana força a migração das partículas do compartimentoexterno pro interno e isso abre os canais iônicos:• 3 partículas M: abrem um canal de Na e 1 partícula H o inativa• 4 partículas N: ativam um canal de K

As partículas M se movem do meio intra pro extra com uma constante cinética α m evoltam com ϐm.

Elas são dependentes da voltagem.Ao movimento das cargas elétricas no interior da membrana, deu-se o nome deGating currentf)A excitação da membrana do axônio

O potencial de repouso é -80mV e os pulsos são constantes, mas a intensidade variapara despolarizantes(+) e hiperpolarizantes(-)• Resposta passiva: quando não há variação da resistência da membrana.

• Resposta ativa: quando o estímulo é capaz de elevar rapidamente o potencialda membrana além de 20mV. Nesse momento há um grande influxo de sódio =potencial limiar ou limiar de excitação.Os estímulos supralimiares fazem surgir o potencial de ação

•

Gradiente Mínimo excitador e acomodação da membrana:*Os estímulos hiperpolarizantes prolongados aproximam o limiar do potencialde ação do potencial de repouso.

*Os estímulos despolarizantes tendem a afastar o potencial limiar dopotencial de membrana.*Variações lentas da voltagem podem fazer com que o potencial limiar seafaste do potencial de membrana e faz com que a célula não responda quandoestimulada - isso é a acomodação da membrana.*Para que a membrana tenha um potencial de ação, o estimulo deve fazer com

que o potencial de membrana varie, é o gradiente mínimo excitador.

06- Potencial de Ação do Coração

a)A resposta elétrica do miocárdio

Na maioria das células miocárdicas, também há o fenômeno da acomodação

e a entrada rápida de sódio é o mecanismo que gera potenciais de ação.

O potencial de ação se subdivide em 4 fasesFASE 0 - Fase inicial de rápida despolarização. Representa a abertura dos canais de Na+

com grande influxo desses íons para o interior da célula.No gráfico essa fase é representada por uma linhaquase que vertical, característica das células chamadasde resposta rápida.FASE 1 - É uma pequena e rápida repolarização.Representa o fechamento dos canais de Na+ , um efluxode K+ e uma ação pequena e rápida de canais de Cl-.FASE 2 - Conhecido como Platô, representa a fase deinfluxo de Ca++, que será em última análise



responsável pela contração muscular. ocorre em contrapartida mantendo a estabilidade dopotencial durante o platô um efluxo de K+.FASE 3 - Fase de repolarização; representa principalmente uma corrente de saída depotássio que restabelece a diferença de potencial elétrico.FASE 4 - Fase de potencial de repouso, onde as concentrações iônicas são restabelecidas.Nas células com automatismo ocorre uma despolarização lenta nessa fase que, uma vezatingindo o potencial limiar, desencadeia novo potencial de ação. As células automáticas donó sinusal possuem um potencial de repouso menor e uma forma de potencial de ação

diferente chamada de resposta lenta, conforme a figura abaixo.b) Os componentes e os tipos do potencial de ação cardíaco:

Os componentes podem ser:• Rápidos que se assemelha ao potencial de ação do nervo, com a despolarização

dependendo da entrada de sódio pelos canais de cinética rápida• Lentos que é característico das células miocárdicas com a taxa de despolarização muito

menor do que a do componente rápido e com velocidade de propagação pequena.As formas de potencial pode ser:

• Tipo A: com componente rápido bem desenvolvido e presente nos ventrículos• Tipo B: com componente rápido pouco desenvolvido e com amplitude desses potenciais

dada pela intensidade do componente lento, presente em torno do nódulo AS e AV• Tipo C: sem componente rápido e presente nas células nodaisc)Condutância da membrana durante o potencial de ação:

Durante o processo de excitação a membrana célula muda do seu estado passivopara o ativo. A membrana ativa possui alterações na condutância para diversos íons:• Sódio: o pulso aumenta a condutância do Na, depois os canais se inativam, na fase de

platô os canais lentos se ativam e com a repolarização volta ao repouso.• Potássio: com a despolarização, a condutância dos canais de potássio reduz-se

temporariamente até retornar com o tempo a seu potencial de repouso, nesse instanteocorre um fluxo de saída de potássio que faz com que saia íons positivos; negativando ocitoplasma e repolarizando as células.

• Cálcio: no repouso há pequena condutância do íon Cálcio, mas durante o platô a

condutância aumenta e permite o influxo desse íon.Nas células do marcapasso, o potencial de ação é caracterizado pela variação contínuado potencial de membrana durante a diástole elétrica (fase 4) –é chamado DDL(despolarização diastólica lenta) que se deve a uma progressiva redução dapermeabilidade do K. Quanto maior o DDL maior será a freqüência do marcapasso

d)As correntes iônicas que formam o potencial de ação do miocárdioA formação do potencial depende de diversas correntes e existem em virtude de

gradientes específicos de concentração iônica e de variações bem definidas da condutânciada membrana.*Durante a fase 4, existem correntes lentas de Na, Ca e K.*Na fase 0 é gerada pelo sódio por canais rápidos*Durante o platô as correntes de Cl, Na e Ca

*Na repolarização, a corrente se deve aos subcanais de K *Nas fibras de Purkinje há além das correntes rápidas de sódio (INA), das correntes lentas deNa e Ca (ISI) e das correntes repolarizantes pelo K. Corrente IK2 relacionada ao marcapassodessas fibreas e uma corrente dinâmica positiva contra o influxo de Cl.e) Correntes de marcapasso: O desenvolvimento do ritmo cardíaco decorre dacapacidade de auto-excitação das células nodais.f) Características eletrofisiológicas e farmacológicasA geração de potenciais elétricos depende de correntes iônicas que a atravessam. O fluxoiônico se faz por canais apropriados:• Canais de sódio: O canal rápido de sódio responde pela fase 0 e é bloqueado pela

lidocaína. A intensidade dessas correntes depende do potencial de membrana e da

concentração extracelular de Ca, que tem função de apressar a inativação dos canaisrápidos de sódio.• Canais de cálcio: durante o platô dos potenciais de ação completos, há um aumento da

condutância da membrana ao Ca. Com isso esse íon que tem o potencial muito positivo,



mantém a despolarização e promove a contração muscular. O influxo de Ca éresponsável por uma corrente lenta de entrada. Há canais do tipo L e T.

• A repolarização e os canais de potássio: a resposta elétrica característica do coração é oplatô dos potenciais de ação. Além das correntes de Na e Ca, o aumento da condutânciado K forma o potencial. Quando os canais de K são reativados, a célula se repolariza.

*No repouso, o canal tipo K1 cria uma corrente para fora da célula. Durante a fase 0, acondutância desses canais diminui e ajuda a formar o platô.* O canal K to PE o canal de ativação transitória e se abre na fase 0 e depois se inativaimpossibilitando a repolarização imediata.*O canal K apresenta uma progressivo aumento de condutância ao potássio à medida quese forma o potencial, produzindo uma corrente de saída no final do platô e são de dois tiposo Kr e o Ks. Esses canais são controlados por uma proteína G• Canais durante o Potencial de Ação:

-CaT limiar-CaL aberto durante todo PA-Kir canal se fecha durante o PA-Kur canal ultra rápido-Kto1 joga corrente para fora e é transitório-Kto2 canal transiente

-Keag repolariza-Kdr(tipo K) delay, abre com retardo e repolariza-Katp é um canal que se abre para o ATPquando o potencial de ação diminui-Nos 2/3 inicias a célula é insensível a qualquerestímulo (Período Refratário Absoluto), nosúltimos 1/3 é o Período Refratário Relativo.-VOCS são canais operados por voltagem eLOCS são canais operados por ligantes

• Canais controlados por ligantes: o Katp necessita da ligação do ATP e o K Ca depende docálcio citoplasmático.

• PCO e PCC: Alguns agentes podem aumentar a condutância dos canais de K ATP. São assubstâncias abridoras de canais de potássio. E são importantes durante a anoxiamiocárdica, pois a grande dispersão dos potenciais facilita aparecimento de arritmias

• Canais de Cloreto:*Ativados pelo AMPc que quando aumenta o AMP intra ativa os canais de cloreto, quecontribui para a repolarização*Ativados por substâncias purinérgicas*Ativados pelo entumecimento celular

g) Canalopatias:

• Canais de sódio: ocorre paralisia temporária de músculos esqueléticos caso hajaalteração em um dos 4 domínios. Paralisia periódica hipercalemia

• Cais de cloreto: No caso da fibrose cística, as células epiteliais não são capazes detransportar eficientemente os íons cloreto, dificultando o transporte de água para a luzdos tubos e espessando o muco.

• Canais de cálcio: doenças como a paralisia periódica hipocalêmica e hipertermiamaligna

• Canais de potássio: síndrome do QT longo.h)O acoplamento celular no miocárdio:

Lesões musculares geram correntes elétricas, as correntes de injúria. A musculaturalisa e miocárdio possuem mecanismos que isolam as áreas injuriadas, isso porque ocoração possui barreiras elétricas transversas, ou discos intercalares, possuindo tambémregiões com membrana juncional para a passagem de correntes elétricas.

• Estruturas dos discos intercalares:*Nexis, que são segmentos curtos que não se distingue separação entre as membranas juncionais, possuem baixa resistência e por isso se relacionam com o acoplamentoelétrico.



*Junções comunicantes: formados por 2 hemicanais chamados conexons e juntos formamum poro hidrofílico(gap junction). Os conexons são formados por 6 proteínas denominadosconexinas (cada uma tem 4 sítios específicos).*Desacoplamento elétrico: soluções hipertônicas rompem os discos intercalares e causambloqueios de condução.i) A propagação do impulso elétrico no miocárdio

A onda elétrica propagada no miocárdio promove a contração das fibras miocárdicas.• O Potencial de ação da membrana: o acoplamento intercelular permite que elas

funcionem de modo sincronizado. O potencial de ação do marca passo é geradosimultaneamente em células centrais do nódulo, mas não se propagam entre as célulascentrais - chamado de potencial de ação da membrana, que excita células periféricas.

• Potencial de ação propagado: ele se propaga na periferia do nódulo sinusal e ésusceptível a bloqueios de condução pelo fato de possuir:*Pequeno acoplamento elétrico (isso restringe o fluxo de corrente despolarizante entreas células)*Grande massa de tecido atrial na borda do nódulo AS, que funciona como um grandesumidouro de corrente despolarizante,*Os potenciais de ação da região central do nódulo sinusal possuem longo períodorefratário.

• Circuito local de corrente: a propagação do potencial se dá por esses circuitos atravésdas junções gap• Transmissão do impulso elétrico: a passagem pelo nódulo AV se dá com um pequeno

retardo, pois os potencias ali são lentos• Microanatomia do miocárdio: os ventrículos devem ser ativados e desativados

sincronicamente, isso é desempenhado pelo impulso elétrico, alem disso para funcionarcorretamente é necessário bom suprimento de oxigênio e substratos para dar a energiaque precisa.

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