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    05-Sep-2018

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    Material Complementar Aula 2 Biofsica

    Potencial de ao

    Um potencial de ao uma onda de descarga eltrica que percorre a membrana de uma

    clula. Potenciais de ao so essenciais para a vida animal, porque transportam rapidamente infor-

    maes entre e dentro dos tecidos. Eles podem ser gerados por muitos tipos de clulas, mas so

    utilizados mais intensamente pelo sistema nervoso, para comunicao entre neurnios e para trans-

    mitir informao dos neurnios para outro tecido do organismo, como os msculos ou as glndulas.

    Uma voltagem eltrica, ou diferena de potencial, sempre existe entre o interior e o exterior

    de uma clula (potencial de repouso). Esse fato causado por uma distribuio de ons desigual

    entre os dois lados da membrana e da permeabilidade da membrana a esses ons. A voltagem de

    uma clula inativa permanence em um valor negativo considerando o interior da clula em

    relao ao exterior e varia muito pouco. Quando a membrana de uma clula excitvel

    despolarizada alm de um limiar, a clula dispara um potencial de ao.

    Um potencial de ao uma alterao rpida na polaridade da voltagem, de negativa para

    positiva e de volta para negativa. Esse ciclo completo dura poucos milisegundos. Cada ciclo e,

    portanto, cada potencial de ao, possui uma fase ascendente, uma fase descendente e, ainda, uma

    curva de voltagem inferior a do potencial de repouso de membrana. Em fibras musculares cardacas

    especializadas, como por exemplo as clulas do marcapasso cardaco, uma fase de plat, com

    voltagem intermediria, pode preceder a fase descendente.

    O potencial de ao no permanece em um local da clula, ele percorre a membrana . Ele

    pode percorrer longas distncias no axnio, por exemplo para transmitir sinais da medula espinhal

    para os msculos do p. Em grandes animais, como as girafas e baleias, a distncia percorrida pode

    ser de vrios metros.

    Neurnios transmitem informao gerando seqncias de potenciais de ao, chamadas trens

    de pulsos. Variando a freqncia ou o intervalo de tempo dos disparos de potencial de ao gerados,

    os neurnios podem modular a informao que eles transmitem.

    o

    Limiar e incio Potenciais de ao so disparados quando uma despolarizao inicial atinge o potencial limiar

    excitatrio. Esse potencial limiar varia, mas normalmente gira em torno de 15 milivolts acima do

    potencial de repouso de membrana da clula e ocorre quando a entrada de ons de sdio na clula

    excede a sada de ons de potssio.

    Fig 1: Uma viso esquemtica do

    potencial de ao idealizado.

    Ilustra as suas vrias fases

    medida que ele percorre um

    nico ponto da membrana

    plasmtica.

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    O influxo lquido de cargas positivas devido aos ons de sdio causa a despolarizao da

    membrana, levando abertura de mais canais de sdio dependentes de voltagem. Por esses canais

    passa uma grande corrente de entrada de sdio, que causa maior despolarizao, criando um ciclo

    de realimentao positiva, que leva o potencial de membrana a um nvel bastante despolarizado.

    O potencial limiar pode ser alcanado ao alterar-se o balano entre as correntes de sdio e

    potssio. Por exemplo, se alguns canais de sdio esto em um estado inativado (comportas de

    inativao fechadas), ento um dado nvel de despolarizao ir ocasionar a abertura de um menor

    nmero de canais de sdio (os que no esto inativados) e uma maior despolarizao ser necessria

    para iniciar um potencial de ao. Essa a explicao aceita para a existncia do perodo refratrio.

    Potenciais de ao so determinados pelo equilbrio entre os ons de sdio e potssio, e so

    usualmente representados como ocorrendo em clulas contendo apenas dois canais inicos

    transmembrana (um canal de sdio voltagem-dependente e um canal de potssio, no-voltagem-

    dependente). A origem do potencial limiar pode ser estudada utilizando curvas de corrente versus

    voltagem (figura 2) que representam a corrente atravs de canais inicos em funo do potencial

    celular transmembrana.

    As voltagens mais positivas neste grfico apenas so alcanadas pelas clulas por meios

    artificiais, isto , voltagens impostas por aparelhos de estimulao eltrica).

    Quatro importantes pontos no grfico i/V esto indicados por setas na figura:

    A seta verde indica o potencial de repouso da clula e tambm o valor do potencial de

    equilbrio para o potssio (Ek). Como o canal de K+ o nico aberto em voltagens to negativas, a

    clula permanecer no potencial Ek. Note que um potencial de repouso estvel ser observado em

    qualquer voltagem na qual a soma i/V (linha verde) ultrapassa o ponto de corrente nula (eixo das

    abscissas) com um ngulo positivo, como na seta verde. Consideremos: qualquer perturbao do

    potencial de membrana na direo negativa resultar em um influxo de ons que despolarizar a

    clula de volta ao ponto de cruzamento, enquanto qualquer perturbao do potencial de membrana

    celular na direo positiva resultar em um efluxo de ons que ir hiperpolarizar a clula de volta ao

    ponto inicial. Portanto, qualquer perturbao do potencial de membrana em torno de uma inclinao

    positiva tender a retornar a voltagem ao ponto de cruzamento.

    A seta amarela indica o potencial de equilbrio para o Na+ (ENa). Neste sistema de dois ons,

    ENa o limite natural do potencial de membrana, o qual uma clula no pode ultrapassar. Valores de

    corrente ilustrados neste grfico que excedem ENa so medidos artificialmente estimulando a clula

    alm de seu limite natural. Note, entretanto, que ENa apenas poderia ser atingido se a corrente de

    potssio cessasse completamente.

    A seta azul indica a voltagem mxima que o pico do potencial de ao pode atingir. Este ,

    na verdade, o maior potencial de membrana que esta clula pode alcanar. No possvel atingir

    ENa por causa da influncia contrria da corrente de potssio.

    Fig. 2: Grfico de corrente (fluxo

    de ons) versus voltagem (potencial

    transmembrana).

    Ilustra a ao do potencial

    limiar excitatrio (seta vermelha)

    de uma clula ideal, na qual h dois

    canais inicos transmembrana: um

    canal de potssio no-dependente

    de voltagem e um canal de sdio

    dependente de voltagem.

    A curva verde representa a

    soma dos fluxos de sdio (Na+) e

    potssio(K+).

    http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Curva_I/V&action=edit&redlink=1http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Curva_I/V&action=edit&redlink=1http://pt.wikipedia.org/wiki/Potencial_de_equil%C3%ADbriohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Potencial_de_equil%C3%ADbriohttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Curva_I/V&action=edit&redlink=1http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Curva_I/V&action=edit&redlink=1http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Whole_cell_IV_showing_rest_and_AP_thresh.jpghttp://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Whole_cell_IV_showing_rest_and_AP_thresh.jpg

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    A seta vermelha indica o potencial limiar. a partir deste potencial que a corrente inica

    passa a ter resultado lquido em direo ao interior da clula. Note que este cruzamento se d a uma

    corrente nula, mas exibe uma inclinao negativa. Qualquer voltagem menor que o limiar tende a

    fazer a clula retornar ao potencial de repouso e qualquer voltagem maior que o limiar faz com que

    a clula se despolarize. Esta despolarizao leva a um maior influxo de ons, desta forma a corrente

    de sdio se regenera. O ponto no qual a linha verde atinge seu valor mais negativo o ponto no qual

    todos os canais de sdio esto abertos. Despolarizaes alm desse ponto diminuem o influxo de

    sdio, conforme a fora eletroqumica (driving force) diminui com a aproximao do potencial de

    membrana do ENa.

    O potencial limiar excitatrio comumente confundido com o limiar para a abertura dos

    canais de sdio. Esse conceito est incorreto, pois os canais de sdio no possuem um limiar de

    abertura. Pelo contrrio, eles se abrem em resposta despolarizao de uma maneira aleatria. A

    ocorrncia de despolarizao no s abre o canal, mas tambm aumenta a probabilidade dele ser

    aberto. At mesmo em potenciais hiperpolarizados, um canal de sdio se abrir ocasionalmente.

    Alm disso, o potencial limiar excitatrio no a voltagem na qual a corrente de sdio se torna

    significante, a voltagem na qual a corrente de sdio ultrapassa a de potssio.

    Em neurnios, despolarizaes tipicamente se originam nos dendritos ps-sinpticos e

    potenciais de ao, nos cones de implantao ( leia mais sobre cone de implantao e ZID).

    Teoricamente, entretanto, um potencial de ao pode ter incio em qualquer lugar de uma fibra

    nervosa.

    Propagao Nos axnios, o potencial de ao se propaga de modo misto, alternando entre duas fases: uma

    passiva e outra ativa.

    Transporte passivo ons de carga positiva, propagam-se perimembranalmente e bidirecionalmente de encontro

    negatividade (lei de Coulomb). Contudo, somente os ons que vo na direo imposta da

    propagao criam um potencial de ao nesta membrana, pois a membrana anterior est em perodo

    refratrio; j a membrana posterior est em potencial de repouso de membrana, o que permite que

    nela haja o potencial de ao. Se houver estmulo artificial (um eletrodo) no meio de um axnio, o

    potencial se propagar bidirecionalmente, pois no haver perodos refratrios impedindo-o. Com a

    propagao, a fase passiva perde parte de seus ons, o que acarreta uma menor energia. Esta perda

    d-se de dois modos: choques fsicos dos ons com molculas citoplasmticas e sada dos ons para

    o meio extracelular por canais de vazamento de membrana. Deste modo, quanto mais distantes os

    canais de sdio voltagem-dependentes estiverem, mais perda de energia ocorre.

    Transporte ativo Compreende o potencial de ao propriamente dito. Ocorre quando os ons positivos da fase

    passiva despolarizam a membrana adjacente de modo rpido e suficiente para despertar a avalanche

    de ons sdio, atravs dos canais de sdio voltagem-dependentes. Estes ons ganham o meio

    intracelular, e participaro da fase passiva da propagao. O fornecimento de ons sdio para a fase

    passiva abundante. Como a variao da voltagem nesta fase sempre constante, no ocorre perda

    de energia considervel.

    Fig 3: Os ctions esquerda, dentro

    da clula, so conseguidos a partir de

    um potencial de ao. Passivamente,

    eles se difundem para outro ndulo

    de Ranvier, onde geraro um novo

    potencial de ao.

    http://pt.wikipedia.org/wiki/Estoc%C3%A1sticohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Mielina.PNG

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    Velocidade A velocidade de propagao do potencial de ao pode ser variada ao se variar o tempo de

    durao de alguma das duas fases da propagao. Contudo, a fase ativa costuma ser constante nas

    clulas, durando em torno de 4ms. Deste modo, a clula varia a durao da fase passiva, havendo

    dois modos bsicos:

    Aumento ou diminuio do calibre do axnio ou clula.

    Maior ou menor isolamento da membrana (ao variar a espessura da mielina, se

    houver).

    O aumento do calibre do axnio ou clula provoca um aumento da velocidade de propagao

    do potencial de ao, pois h diminuio da resistncia longitudinal, provocada por uma maior rea

    de seco transversal.

    Em alguns axnios do polvo Atlntico Loligo pealei, a velocidade de propagao do potencial

    de ao alcana velocidades superiores a 100 m/s, em virtude do calibre elevado e da mielina

    espessa.

    Bainha de mielina e Ndulo de Ranvier A bainha de mielina uma membrana lipdica modificada e espessada. Ela pode ser

    sintetizada por duas clulas: oligodendrcitos, no sistema nervoso central, e clulas de Schwann, no

    sistema nervoso perifrico.

    A bainha de mielina fornece um aumento do isolamento celular (aumento da resistncia de

    membrana), em virtude de no haver canais de vazamento de membrana onde h mielina, deste

    modo, a fase passiva perde menos ons, o que aumenta a chance do potencial de ao ter sucesso.

    Alm de no haver canais de vazamento de membrana, no h tambm praticamente nenhum tipo

    de canal de membrana quando h bainha de mielina (ex.: bombas de sdio e potssio), o que

    provoca para a clula uma menor necessidade de sntese protica, ou seja, menos gasto energtico.

    A bainha de mielina permite uma maior velocidade da fase passiva da propagao do

    potencial de ao (diminui a capacitncia de membrana e aumenta a resistncia de membrana).

    Alm disso, diminui o nmero de fases ativas da propagao do potencial de ao, tornando a

    propagao mais veloz ainda.

    As fases ativas da propagao ocorrem em mculas da bainha de mielina, os ndulos da

    Ranvier. Neles, diferentemente da zona cercada por bainha de mielina, h abundncia de canais de

    on sdio voltagem-dependentes (densidade at quatro ordens de magnitude a mais que nas

    membranas amielnicas), o que permite a ocorrncia do potencial de ao, que corresponde fase

    ativa da propagao.

    A consequncia de a bainha de mielina queimar etapas na propagao, ao diminuir o nmero

    de potenciais ativos, so os movimentos saltatrios, que possuem este nome em virtude de haver a

    impresso de que os potenciais de ao saltam de ndulo em ndulo.

    Consideraes H um modelo biolgico e um modelo fsico que explicam a propagao do potencial de ao.

    O modelo fsico til na quantificao dos fenmenos que acompanham a propagao, pois se

    utiliza de equaes fsicas, que so deduzidas com base nas trs propriedades passivas da

    membrana: capacitncia da membrana, resistncia da membrana e resistncia longitudinal. Nele, os

    resistores representam canais inicos de membrana, enquanto um capacitor representa a membrana

    lipdica. Para as comportas dependentes de voltagem, usam-se resistores variveis, visto que a

    resistncia nesta comporta varia. J os canais inicos de repouso possuem resistores fixos. Os

    grandientes eletroqumicos dos ons so baterias. Deste modo, o modelo fsico interessante para

    pesquisas e para a indstria, que o usa na fabricao de marca-passos.

    Como a propagao do potencial de ao basicamente a mesma para as diferentes clulas,

    no h como diferenciar as variadas aes que um sinal de propagao pode ter ao chegar ao

    sistema nervoso central (tato, propriocepo, viso etc). Deste modo, o que ir determinar a ao de

    http://pt.wikipedia.org/wiki/Mielinahttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Loligo_pealei&action=edit&redlink=1

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    cada propagao do potencial de ao, via, o caminho seguido por cada um deles, ou seja, as

    diferentes rotas presentes no organismo (ex.: trato espino-cerebelar, trato espino-talmico etc).

    Perodo refratrio

    O perodo refratrio acompanha o potencial de ao na membrana. Tem como efeito limitar a

    freqncia de potenciais de ao, alm de promover a unidirecionalidade da propagao do

    potencial de ao, o que pode ser entendido como conseqncia da limitao de salvas de potenciais

    de ao.

    A transio entre os dois perodos ocorre aproximadamente quando a repolarizao do

    potencial de ao atinge o potencial limiar excitatrio, que quando as comportas lentas do canal

    de sdio voltagem-dependente comeam a abrir.

    Nas clulas miocrdicas, o perodo refratrio estendido por um plat, que mantido pelo

    influxo de ons clcio na clula. Esse alargamento do perodo refratrio permite um maior descanso

    destas clulas, alm de participar na sincronizao dos batimentos. Quando h um estmulo destas

    clulas na hiperpolarizao ps-potencial, tambm conhecida como perodo de supra-normalidade,

    pode ocorrer fibrilao.

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    Fig. 4: Trs situaes possveis para os

    canais de on sdio voltagem-

    dependentes. O perodo refratrio

    absoluto corresponde aos estados ativo e

    inativo. No perodo refratrio relativo,

    alguns canais esto em repouso ativvel,

    enquanto no potencial de repouso de

    membrana, todos esto.

    http://pt.wikipedia.org/wiki/Eric_R._Kandelhttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Principles_of_Neural_Science&action=edit&redlink=1http://pt.wikipedia.org/wiki/Especial:Fontes_de_livros/0838577016http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14946713?dopt=Abstracthttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14946714?dopt=Abstracthttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14946715?dopt=Abstracthttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12991237?dopt=Abstracthttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15561301?dopt=Abstracthttp://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Canais.svghttp://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Canais.svg