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Ciências Biológicas
Biofísica dos Sistemas Biológicos 1
Membranas Excitáveis:
Gradiente Eletroquímico,
Potencial de Repouso e
Potencial de Ação
Ciências Biológicas
Profa. Dra. Daniela Priscila Marchi Salvador
Roteiro da Aula
Introdução
• Membranas celulares
• Canais transmembranares
Gradiente eletroquímico
Potencial de repouso
Potencial de ação
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Porque as células biológicas
necessitam de membranas e canais
transmembranares?
Introdução
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Considerações:
Reações biológicas ocorrem em soluções aquosas
• vida está intimamente ligada a água
Água não é o melhor meio para moléculas hidrofóbicas
Introdução
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Conservação do material interno da célula
Proteção contra moléculas indesejadas
Membranas Celulares
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Células necessitam trocar material e informação com o
meio externo
Isso deve ser feito de maneira altamente seletiva
Canais proteicos fazem esse transporte
Quando os canais transmembranares se abrem aumenta a
condutância através da membrana
Canais Transmembranares
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Ciências Biológicas
Biofísica dos Sistemas Biológicos 2
Abertura e fechamento de canais por sistema porta
Canais de Voltagem Dependentes Abertura em função da mudança do potencial da
membrana Canais de K+ e Canais de Na+
Canais Vazantes Difusão Simples
Canal de Na+/K+
Canais de Ligantes
Abertura em função da ligação de moléculas Acetilcolina (Na+)
Glutamato (Ca2+)
Todos os canais fazem parte do mecanismo de controle de
condução
Canais Iônicos
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Gradiente Eletroquímico
Células Vivas DDP entre os dois lados
da membrana
Originado pela distribuição assimétrica de Na+,
K+, Cl-, HPO4= e ptns aniônicas (negativas)
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Gradiente Eletroquímico
Membrana = capacitor
soluções condutoras separadas por uma delgada camada
isolante
Interior sempre negativo
Exterior sempre positivo
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Membrana
Potencial de Repouso
É originado por um mecanismo simples de alternância
entre os transportes ativo e passivo de pequenos íons
Potencial de Ação
Variação brusca do potencial de membrana provocada por
estímulos externos que o deflagre
Estímulos químicos, elétricos, eletromagnéticos e mecânicos
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Repouso
Resultado de uma distribuição desigual de íons através
da membrana
Espaço perimembranar interno –
Espaço perimembranar externo +
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Presente em todas as células humanas e desaparece
quando a célula morre
Valor característico para cada tipo celular
Relacionado com a conformação e ao funcionamento da
membrana
O potencial de repouso é sensível a íons em
proporção à sua capacidade de permear a membrana
Potencial de Repouso
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Ciências Biológicas
Biofísica dos Sistemas Biológicos 3
Forças q atuam nas trocas iônicas entre a célula e o meio
Potencial de Repouso
FE: força elétrica
FD: força de difusão
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Canais vazantes de Na+/K+: permitem a entrada de Na+ e
saída de K+ por difusão através de uma cinética lenta
Na+ entra em maior quantidade por difusão do q sai K+
K+ tem maior permeabilidade membranar
Atração de cargas internas (-) celular não permite a
saída de K+ e atrai os Na+ para o interior celular
Potencial de Repouso - Considerações
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Três Fases:
Entrada passiva de Na+
Gradiente de concentração
Expulsão de Na+ e introdução de K+ ativamente Ação de ATPases
Saída passiva de K+
Gradiente de concentração e grande mobilidade
Potencial de Repouso
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Repouso
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Cl- entra na célula por co-transporte com Na+ (atração
elétrica) e sai por difusão
potencial elétrico = Célula polarizada
HPO4= sai da célula lentamente; externamente participa
de rápidas reações e retorna para o interior celular
[HPO4=] interno e sai por difusão
Potencial de Repouso - Considerações
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Repouso - Considerações
Saída de K+ = Carga externa positiva
[K+] interna não é capaz de igualar as cargas de Cl-, HPO4= e
Ptns aniônicas
Interior celular negativo
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Ciências Biológicas
Biofísica dos Sistemas Biológicos 4
ATPase de Na+ / K
+
[K+]externo
[Na+]interno 2 K+
3 Na+
+ Pi
Manter uma distribuição assimétrica de íons
Atividade da bomba = ± 85% de sua capacidade
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Repouso
O potencial de
repouso independe da
[Na+]
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Repouso
[K+] externo é o principal
regulador da bomba de
Na+/K+
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Lei do Tudo ou Nada
PA – “Tudo” – Propagação de um
pulso de potencial elétrico
característico ao longo de uma célula
PR – “Nada” – Rápida atenuação da
perturbação, sem que ocorra a
excitação da célula
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Ação
Sinal elétrico em propagação para conduzir uma
informação, seja uma ordem ou uma notícia
Propaga-se ao longo das membranas excitáveis
célula a célula – sinapses
tecido a tecido – placa motora
intimidade do tecido muscular – tubos T
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Ação
Células excitáveis
Células nervosas (neurônios)
Células musculares
Células auto excitáveis
Capazes de gerar impulsos eletroquímicos em suas
membranas e utiliza estes impulsos para transmitir sinais
ao longo das membranas
Células cardíacas
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Potencial de Ação
Despolarização
Abrem os canais voltagem dependentes de Na+
(canais rápidos do tipo limiar excitatório)
influxo de Na+ (carga positiva) por difusão simples
a carga vai se igualar (0 / 0)
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Ação
Inversão ou polarização invertida
Na+ continua entrando em grande quantidade
Interior celular positivo (+ / -)
Atividade da bomba de Na+/K+: 10-15% de sua
capacidade
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Ação
Repolarização
Fecham-se os canais de Na+ e abrem os canais voltagem
dependentes de K+ efluxo de K+
a permeabilidade ao K+ devido ao excesso de
cargas (+) intracelulares (saída de K+ [K+] interna)
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Ação
Hiperpolarização
Consequente repolarização além do potencial de
repouso [K+] externa
[K+] externa induz da atividade da bomba de Na+/K+
(100% de sua capacidade)
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Ação
O potencial de ação de uma célula excitável dura
apenas alguns milésimos de segundo (2-3 mili segundos)
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Ação
Repouso
Retorno das [ ] originais do repouso elétrico (- / +)
Nas células excitáveis do músculo cardíaco o PA (despolarização)
varia de 1,15 a 0,3 segundos e são denominados de Platô
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Canais Voltagem-Dependentes
Abertura e fechamento dos canais de K+ e de Na+
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Ação
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Membranas Excitáveis:
Células Nervosas e
Células Musculares
Ciências Biológicas
Profa. Dra. Daniela Priscila Marchi Salvador
Roteiro da Aula
Células Nervosas
• Potencial de Repouso e Potencial de Ação
Anatomia das fibras nervosas
• Condução do PA
Células Musculares
• Potencial de Ação e Contração Muscular
Sinapses
Neurotransmissores
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Núcleo
Dendritos
Axônio
Células nervosas (neurônio) processam informação
Neurônios conectam-se uns aos outros por sinapses
(cadeias neuronais) ou aos músculos (placas motoras)
transmissão de informações / impulsos elétricos
Núcleo – informação genética
Dendritos – conexões com neurônios vizinhos
Axônio – transmissão de impulsos nervosos
Células Nervosas
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Fibras nervosas de grande calibre - 90mV em relação
líquido intersticial
Fibras nervosas mais delgadas (sistema nervoso central) e
nas fibras musculares (músculo liso) -40mV a -60mV
Potencial de repouso no interior da fibra nervosa
Canais de Vazamento de Na+/K+ difusão simples
Bomba de Na+/K+ gradientes de concentração da membrana
neural de repouso
Células Nervosas: Potencial de Repouso
Biofísica dos Sistemas Biológicos
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Bomba de Na+/K
+ X Canais de Vazamento de Na
+/K
+
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Células Nervosas: Potencial de Repouso
Difusão de Na+/K+
Reduzida permeabilidade de íons pela membrana
Condutância do K+ é de 50-100 x mais permeável que o Na+
Determinante do valor do potencial de repouso
Potencial interno da membrana obtido por este conjunto de
fatores é de -86mV
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Células Nervosas: Potencial de Repouso
Bomba de Na+/K+
Eletrogênica: + cargas positivas são bombeadas para o
exterior (3 Na+) que para o interior (2 K+) déficit efetivo
de cargas (+) no interior ou acúmulo de cargas (-) no
interior da membrana celular
Grau adicional de negatividade: -4mV
Potencial de membrana efetivo: -90mV
Difusão de Na+/K+: -86mV
Bomba de Na+/K+: -4mV
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Células Nervosas: Potencial de Repouso
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Células Nervosas: Potencial de Repouso
-90
+30
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Células Nervosas: Potencial de Ação
Lei do Tudo ou Nada
Um neurônio só consegue enviar um impulso se a
intensidade deste for acima de um determinado nível que
induza q sua membrana seja despolarizada e repolarizada
Potencial Limiar
Menor estímulo necessário para desencadear um potencial
de ação
Valores sublimiares estão abaixo do potencial limiar e são
característicos para cada célula
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Células Nervosas: Potencial de Ação
Sinais neurais transmitidos por variações muito rápidas do
potencial de membrana potenciais de ação
Início: modificação abrupta do potencial de repouso para
um potencial positivo
Continuidade: rápido retorno para o potencial negativo,
alternância e deslocamento pela fibra nervosa sinal neural
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Despolarização (0 / 0)
Ativação dos canais de voltagem dependentes de Na+
voltagem para -70 e -50mV alterações
conformacionais abertura da comporta de ativação
Condutância do Na+: de 50 a 500 x
Células Nervosas: Potencial de Ação
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Esta despolarização percorre o axônio como um
condutor do PA
Despolarização
-90
+30
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Células Nervosas: Potencial de Ação
Inversão (+ / -)
Inativação dos canais de voltagem dependentes de Na+
voltagem +30mV alterações conformacionais
fechamento da comporta de inativação
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Repolarização (- / +)
Ativação dos canais de voltagem dependentes de K+
voltagem -30mV alterações conformacionais
abertura (lenta) do canal de K+
Células Nervosas: Potencial de Ação
Biofísica dos Sistemas Biológicos
A despolarização e repolarização rápida produz um
padrão chamado de ponto de descarga
Repolarização
-90
+30
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Hiperpolarização (- / +)
Inativação dos canais de voltagem dependentes de K+
Tensão inferior ao potencial de repouso: -95mV
Ocorre após breve retardo
Células Nervosas: Potencial de Ação
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Este é o período refratário
Hiperpolarização
-90
+30
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Células Nervosas: Potencial de Ação
Não é possível nova abertura dos canais de Na+ até q o
potencial de membrana retorne a seu valor de repouso
ou muito próximo a ele
Potencial de Ação
Células Nervosas
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Axônios envoltos pela bainha de mielina fibra mielínica
(neurofibra ou fibra nervosa) envoltas por oligodentrócitos
(células de Schwann)
Anatomia da Fibra Nervosa
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Interior do axônio ocupado pelo axoplasma (líquido
intracelular viscoso)
Bainha de mielina circunda o axônio e é interrompida
pelos nodos de Ranvier
Anatomia da Fibra Nervosa
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Bainha de mielina
Substâncias lipídicas – “esfingomielina”
Atua como um isolante elétrico
Aumenta a velocidade dos sinais
Capaz de diminuir o fluxo iônico através da membrana por 5000 x e reduzir a capacitância da membrana 50 x
Bainha de mielina
Biofísica dos Sistemas Biológicos
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Ponto de junção entre duas células de Schwann sucessivas
Pequena região não isolada - 2 a 3 mm de extensão
Íons fluem do líquido extracelular para o interior do
axônio
Nodo de Ranvier
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Condução
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Condução saltatória
PA conduzido de nodo a nodo
Íons não fluem significativamente pela bainha de
mielina porém fluem facilmente pelos nodos de Ranvier
Importância
Despolarização saltatória por longos trechos
velocidade de transmissão neural
Somente nodos se polarizam perda de íons 100 x
(economia de energia)
Condução do PA em Fibras Mielínicas
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Fibras Mielínicas (120m/s)
Fibras Amielínicas (0,5 m/s)
Nodos de Ranvier
Condução em Fibras Amielínicas x Mielínicas
Membrana do axônio em contato direto com tecidos vizinhos
Membrana do axônio envolvida pela bainha de mielina
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Ação e Condução
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Todos os impulsos nervosos são iguais durante o seu
percurso pela membrana celular do axônio porém podem
ter diferentes resultados ao alcançarem o final do axônio,
onde se forma uma sinapse
Potencial de Ação em Progressão
Despolarização
Repolarização
Repouso
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Ciências Biológicas
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Axônios ramificam e terminam perto de dendritos de células
vizinhas
Potencial de Ação em Progressão
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Sinapse: diferença de potencial que separa os
terminais do axônio e dos dendritos
Potencial de Ação em Progressão
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Sinapse
Transmissão do impulso nervoso
Neurônio – Neurônio
Neurônio – Músculo (placa motora)
Biofísica dos Sistemas Biológicos
PA trafega ao longo de um nervo motor até suas terminações
nas fibras musculares
Células Musculares: Potencial de Ação
Na sinapse é secretada a
acetilcolina (NT) q atravessa
a sarcolema e liga-se com
receptores de acetilcolina
permitindo a abertura de
canais acetilcolina-
dependentes de Na+ e K+ da
membrana da fibra muscular
Saída de K+
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Colinesterases ligam-se a acetilcolina e as clivam em
colina + acetato, tornando-as invativas
Fechamento dos canais de Na+ e K+ acetilcolina-
dependentes da membrana da fibra muscular
[K+] da membrana da fibra muscular induz a abertura
dos canais voltagem-dependentes de Na+
Entrada de Na+ na membrana da fibra muscular no ponto
terminal neural desencadeia PA na fibra muscular
Células Musculares: Potencial de Ação
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Despolarização no sistema de túbulos T causa a abertura de
canais de Ca2+ através da ativação dos receptores de DHP
e transmissão do sinal para o receptor de rianodina
Células Musculares: Potencial de Ação
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Ciências Biológicas
Biofísica dos Sistemas Biológicos 12
Liberação do Ca2+ do retículo
sarcoplasmático pelo receptor de
rianodina
Difusão do Ca2+ pela região das
miofibrilas
Ligação do Ca2+ na troponina C
Ca2+ provoca forças atrativas entre os
filamentos de actina e miosina
processo contrátil
Células Musculares: Potencial de Ação
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Captação do Ca2+ das miofibrilas pelas
ATPases de Ca2+ e bombeamento para
o interior do retículo sarcoplasmático
[Ca2+] dissociação do Ca2+ da
troponina C fim da contração
muscular
Retorno às concentrações iniciais de
Ca2+ no sarcoplasma
Ca2+ armazenados no retículo
sarcoplasmático até que um novo PA
ocorra
Células Musculares: Potencial de Ação
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Potencial de Ação e Contração Muscular
Acetilcolina
secretada
K+
Na+
Ca2+
Ca2+
Potencial de Ação
Células Musculares
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Sinapse excitatória: PA chega a extremidade pré-
sinaptica, libera o neurotransmiossor das vesículas o qual
atravessa a fenda sinaptica e se localiza em receptores
específicos
Sinapse Excitatória X Inibitória
permeabilidade da
membrana ao Na+ q
despolariza a membrana
pós-sináptica e inicia um
PA que continua no
mesmo sentido do
anterior
Biofísica dos Sistemas Biológicos
permeabilidade da
membrana ao K+ e Cl-
que penetram na
membrana pós-sináptica,
provoca
hiperpolarização e o
impulso é bloqueado
Sinapse Excitatória X Inibitória
Sinapse inibitória: neurotransmissor liberado
Principais mediadores inibitórios: Glicina e GABA
(ácido gama-amino-butírico)
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Sinapse Elétrica: feita através de contato elétrico (tipo
especial de sinapse)
Impulso transmitido rapidamente à fibra pós-sináptica
com um mínimo período de latência
Bidirecional e excitatória
Sinapse Elétrica X Sinapse Química
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Ciências Biológicas
Biofísica dos Sistemas Biológicos 13
Sinapse Química: feita através de mediadores químicos
Vesícula libera neurotransmissor transmite impulso
Unidirecional e inibitória ou excitatória
Sinapse mista: há condução química e elétrica
Sinapse Elétrica X Sinapse Química
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Neurotransmissor
Íons positivos (Na+)
despolarizam o neurônio –
sinapse excitatória
Íons negativos (Cl-)
hiperpolarizam o neurônio –
sinapse inibitória
Neurotransmissor (NT)
Receptor
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Três categorias: aminoácidos, aminas e peptídeos
Aminoácidos e aminas: pequenas moléculas orgânicas com
pelo menos um átomo de N armazenados e liberados em
vesículas sinápticas q os liberam por exocitose
Síntese: terminal axonal
Peptídeos: grandes moléculas armazenados e liberados
em grânulos secretores
Síntese: retículo endoplasmático rugoso do corpo celular
Neurotransmissores
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Diferentes neurônios no SNC liberam diferentes NTs
Transmissão sináptica do SNC mediada por aminoácidos
glutamato (Glu), gama-aminobutírico (GABA) e glicina
(Gli)
Transmissão sináptica em junções neuromusculares
mediadas por amina acetilcolina
Neurotransmissores
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Funções específicas de alguns NTs
Dopamina: NT inibitório derivado da tirosina - produz
sensações de satisfação e prazer
Serotonina: NT inibitório derivado do triptofano - regula
o humor, o sono, a atividade sexual, o apetite, o ritmo
circadiano, as funções neuroendócrinas, temperatura
corporal, sensibilidade à dor, atividade motora e funções
cognitivas
Neurotransmissores
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Endorfinas e Encefalinas: bloqueiam a dor – analgésicos
GABA (ácido gama-aminobutirico): principal NT inibitório
do SNC - relacionado com processos de ansiedade
Ácido glutâmico ou glutamato: principal NT estimulador
do SNC - ativação aumenta a sensibilidade aos estímulos
dos outros NTs
Neurotransmissores
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Ciências Biológicas
Biofísica dos Sistemas Biológicos 14
Alguns Fármacos que Atuam Sobre Receptores
Antagonistas: se ajustam mal
ao receptor e bloqueiam o NT
Toxina Botulínica
Agonistas: se encaixam bem
ao receptor e agem como o NT
Nicotina
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Alguns Fármacos que Atuam Sobre Receptores
Biofísica dos Sistemas Biológicos
Alguns Fármacos que Atuam Sobre Receptores
Biofísica dos Sistemas Biológicos Biofísica dos Sistemas Biológicos
Bibliografia Recomendada
• Heneine, I.F. Biofísica Básica. 4ª Ed. São Paulo: Atheneu,
2004, 391p.
• Mourão Jr, C.A.; Abramov, D.M. Curso de Biofísica. 1ª Ed.
Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2009, 260p.
• Garcia E. A. C. Biofísica. 2ª Ed. São Paulo: Sarvier, 2005;
387p.
• Complementar: Livros de Fisiologia e Bioquímica
Biofísica dos Sistemas Biológicos