Bioeletrogenese I- Resumo Biofísica PDF

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Neste resumo contém distribuição de cargas através da membrana celular, tipos de canais iônicos, potencial de membrana e de repouso, tipos de transporte através da membrana e depolarização, propriedades do potencial de ação....

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Biofísica: Bioeletrogênese

► Resumo

Distribuição de cargas: em repouso, o meio intracelular é mais negativo e o meio extracelular é mais positivo. Essas cargas não possuem uma distribuição igual, onde elas são capazes de se movimentar. Canais iônicos: é o meio que permite a movimentação das cargas. Seletividade: são canais iônicos específicos para um determinado íon. Dependentes de voltagem: precisam de uma variação de carga para eles se abrirem, ou seja, precisam de uma despolarização. Bombas: dependem de uma hidrolização de ATP e de liberação de energia para que funcionem. Movimentos iônicos Difusão: a favor do gradiente de concentração. O potássio é mais concentrado no meio intracelular, com isso ele se movimento, devido ao gradiente de concentração, do meio intracelular para o meio extracelular. Potencial elétrico (voltagem) Condutância e resistência: a condutância é a movimentação da carga iônica de um lugar para outro, havendo uma certa facilidade nessa movimentação. A resistência é uma dificuldade que a carga iônica encontra para que ela se movimente de um ponto a outro.

Despolarização: quando temos uma célula em repouso, as cargas no meio intracelular são negativas e as cargas no meio extracelular são positivas. Quando há uma despolarização, vai ocorrer a inversão dessas cargas, onde o meio intracelular vai ficar mais positivo e o meio extracelular vai ficar mais negativo. Potencial de ação: quando a despolarização atinge um limite, há o disparo de um potencial de ação.

► Meio aquoso

Para que a movimentação de cargas aconteça, são necessários 3 elementos básicos para isso: a água, a membrana plasmática e proteínas (são os canais iônicos). A molécula da água realiza ligação covalente polar. A membrana plasmática é uma bicamada fosfolipídica. O lipídio possui uma cabeça polar (hidrofílica), ficando em contato com o meio aquoso e uma calda apolar (hidrofóbica).

Biofísica: Bioeletrogênese

O lado esquerdo é o meio intracelular e o lado direito é o meio extracelular. Na figura 1, não há movimentação iônica, pois os íons não conseguem atravessar diretamente a membrana plasmática. Na figura 2, existem canais que são permeáveis à sódio e cloreto; com isso, através da difusão simples, haverá um equilíbrio das concentrações de sódio e cloreto.

Os canais iônicos possuem seletividade, onde existem canais específicos para cada íon, onde essa especificidade se dá através da interação com as subunidades, como proteínas, permitindo ou não a passagem do íon através o canal. Mas não é apenas através do gradiente de concentração que os íons conseguem se movimentar. Condutância é a facilidade que a carga elétrica possui de migrar de um ponto a outro.

► Potencial de membrana

A distribuição de cargas no meio intracelular e extracelular não é homogenia, onde no meio extracelular há um acúmulo de cargas positivas e no meio intracelular há um acúmulo de cargas negativas. O potássio é mais concentrado no meio intracelular, com isso, através de um gradiente químico de concentração, o potássio sai do meio intracelular e vai para o meio extracelular. Mas quando começa a ocorrer essa saída de potássio, que possui carga positiva, as cargas de potássio que ficam no meio intracelular passam a ser atraídas pelas cargas negativas presentes no meio intracelular. Com isso, em um certo momento, não será possível ocorrer o fluxo de potássio na direção do gradiente de concentração, pois haverá uma interação eletrostática entre as cargas negativas do meio intracelular e as cargas positivas dos íons potássio que ficaram no meio intracelular. Por esse motivo, a concentração de cargas não se dá de forma homogenia entre as membranas.

Biofísica: Bioeletrogênese O potencial de equilíbrio de um íon é o potencial elétrico que contrabalança o gradiente químico. Se houver 20 íons potássio dentro da célula, onde se for aberto um canal de potássio, esse íon começa a sair, mas não há uma saída de 10 íons e 10 íons ficam retidos, pois a medida que o potássio vai saindo o meio intracelular vai ficando cada vez mais negativo, fazendo com que haja uma nova atração pelo potássio que saiu. Esse valor pode ser calculado através da Equação de Nernst.

Na primeira figura, por não existir um canal, a condutância é zero, pois não há geração de corrente. Na segunda figura, com a abertura de um canal, há uma condutância, pois a passagem do potássio por esse canal gera uma corrente elétrica. Na última figura, foi estabelecido um equilíbrio dinâmico, mas o potássio continua mais concentrado no meio intracelular.

► Potencial de repouso

O potencial de repouso de uma célula é de -65 mV. O cálcio (123 mV), sódio (62 mV) e cloreto (-65 mV) são mais concentrados no meio extracelular, mas possuem potenciais de equilíbrio diferentes. Se um canal seletivo para cada um deles for aberto, qual apresentará maior força difusional, ou seja, qual entra na célula com mais força? O cálcio vai entrar na célula com mais força, pois ele está muito mais concentrado no meio extracelular, apresentando um maior potencial de equilíbrio.

Biofísica: Bioeletrogênese ►Potencial de membrana

O potássio é mais concentrado no meio intracelular. Com isso, quando há a abertura de um canal de potássio, ele vai para o meio extracelular a favor do seu gradiente de concentração, mas ao mesmo tempo que ele sai, ele também vai entrar, pois as cargas negativas do meio intracelular atraem o potássio, que possui carga positiva. O cálcio é mais concentrado no meio extracelular. Com isso, quando há a abertura de um canal de cálcio, ele vai para o meio intracelular a favor do seu gradiente de concentração, mas por possuir carga positiva, ele apresenta alta afinidade pela carga negativa do meio intracelular, fazendo com que o cálcio entre com força no meio intracelular. Nesse exemplo, existem 3 canais de potássio e 1 canal de sódio. Com isso, a permeabilidade do potássio é muito maior que a do sódio. Além disso, o potencial de repouso da célula é mais próximo do potencial de equilíbrio do potássio. Os ratos Weaver possuem uma mutação nos canais de potássio, alterando a seletividade do canal de potássio, fazendo com que esse canal, além do potássio, permita a passagem de sódio. O sódio entra a favor do seu gradiente de concentração e também a favor do seu gradiente elétrico, pois é mais concentrado no meio extracelular e as cargas negativas do meio intracelular atraem o sódio, que possui carga positiva. Dessa forma, o meio intracelular se torna menos negativo, ou seja, mais positivo, havendo então uma despolarização, mas uma despolarização desordenada, causando desequilíbrio motor. Em humanos, essas mutações em canais de potássio estão relacionadas com a epilepsia.

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► Transporte ativo

Para manter o meio intracelular negativo e o meio extracelular positivo na célula em repouso, é necessário haver uma movimentação contrária ao gradiente de concentração. Um exemplo desse mecanismo é a bomba de sódio/potássio ATPase. Para manter o sódio mais concentrado no meio extracelular, esse sódio é transportado para o meio mais concentrado, mas isso se dá contra o seu gradiente de concentração, mas para isso é necessária muita energia, que é proveniente da hidrolise do ATP, que vai ser transformado em ADP. Quando há sódio no meio intracelular, pelo fato do sódio ser mais concentrado no meio extracelular, é necessário ativar a bomba, havendo então uma troca de sódio e potássio, mas para isso há gasto de energia. Dessa forma, 3 moléculas de sódio são transportadas para o meio extracelular e 2 moléculas são transportadas para o meio intracelular. A bomba se sódio/potássio ATPase, através do transporte ativo, impede que o gradiente iônico se dissipe, reduzindo o potencial de equilíbrio da membrana. Quando há uma entrada de cargas positivas, como no caso do sódio, não haverá mais uma diferença de concentração, com isso, há uma redução do potencial de equilíbrio da membrana, fazendo com que o potencial de ação não seja disparado de forma adequada. Existe também a bomba de cálcio. Nesse caso, há uma troca entre cálcio e hidrogênio, para que dessa forma, o cálcio seja retirado do meio intracelular (pois o cálcio pode causar danos à célula, como contração muscular), mas por ser mais concentrado no meio extracelular, o cálcio vai ser retirado contra o seu gradiente de concentração, havendo um gasto de energia.

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► Despolarização

Ocorre quando o potencial de repouso é alterado, tornando-se menos negativo. A despolarização é uma troca de polos em relação ao repouso. A concentração de potássio no meio extracelular despolariza neurônios. Existem mecanismos de regulação para o potássio para que ele não se concentre no meio extracelular, tais como: barreira hematoencefálica e tamponamento espacial (o astrócito redistribui o potássio para diversas áreas, para não causar dano no neurônio). A injeção letal de cloreto de potássio (KCl) faz com que o coração pare de bater. A célula cardíaca possui membranas excitáveis, assim como os neurônios, mas ela não possui os mecanismos de regulação. Com isso, quando há um aumento da concentração de potássio no meio extracelular na célula cardíaca, o potássio entra na célula e causa uma despolarização, pois torna o meio intracelular mais positivo, e essa despolarização faz com que não haja disparo de potencial de ação, fazendo com que o coração pare de bater.

RESUMO:

Difusão → quanto se tem o potássio, por exemplo, que é mais concentrado no meio intracelular, ele vai para o meio extracelular através do canal de potássio a favor de seu gradiente de concentração. Separação de cargas nas membranas → o meio intracelular possui cargas negativas e o meio extracelular possui cargas positivas. No caso do potássio, ele se difunde para o meio extracelular a favor do seu gradiente de concentração, mas ao mesmo tempo que ele vai para o meio extracelular, ele retorna para o meio intracelular, pois as cargas negativas do meio intracelular fazem uma força de atração por esse potássio que possui carga positiva. Com isso, essa força eletrostática impede que o potássio se difunda de forma balanceada entre o meio intracelular e o meio extracelular. Potencial de membrana → é a diferença de potencial elétrico entre o meio extracelular e o meio intracelular. Potencial de equilíbrio de um íon Condutância → é a facilidade das cargas migrarem de um ponto a outro. Resistência → é a dificuldade das cargas migrarem de um ponto a outro. Potencial de repouso Despolarização →é uma alteração do potencial de repouso em direção ao limiar, ou seja, torna o meio intracelular menos negativo.

Biofísica: Bioeletrogênese Hiperpolarização → é uma alteração do potencial de repouso afastando-se do limiar, ou seja, torna o meio intracelular mais negativo. Na figura, há a representação de canais de potássio. O potássio é mais concentrado no meio intracelular, com isso, ele vai para o meio extracelular a favor do seu gradiente de concentração (seta azul). Com essa saída de potássio, que possui carga positiva, as cargas negativas do meio intracelular realizam uma força de atração com o potássio, fazendo com que ele vá para o meio intracelular (seta laranja). Com isso, a resultante dos vetores de gradiente de concentração e gradiente elétrico é nula (setas em direções opostas), não havendo uma movimentação de cargas e assim não há geração de corrente elétrica. Com isso, esse é o potencial de equilíbrio do potássio.

Na figura, existem 3 canais para potássio e 1 canal para sódio, com isso, há uma melhor condutância para o potássio do que para o sódio. O sódio é mais concentrado no meio extracelular, com isso, ele vai para o meio intracelular a favor do seu gradiente de concentração (seta azul). Por possuir carga positiva, a força eletrostática faz com que o sódio vá para o meio intracelular (seta laranja) por meio da atração entre a carga negativa do meio intracelular e a carga positiva do sódio. Sendo assim, há uma soma dos vetores de concentração e de gradiente elétrico, havendo uma corrente elétrica de alta intensidade.

Nesse caso, os íons não estão em seu potencial de equilíbrio. Com a entrada de sódio na célula, o meio intracelular sofre uma despolarização, pois a carga positiva do sódio torna o meio intracelular menos negativo. Essa despolarização vai alterar o equilíbrio do potássio, pois há uma maior quantidade de carga negativa no meio intracelular, fazendo com que a força de atração eletrostática do potássio seja alterada. Nesse caso, mesmo com uma despolarização, a célula continua em repouso, pois o fluxo iônico altera o potencial de membrana mas ainda assim não há disparo de um potencial de ação, pois houve uma alteração no potencial de equilíbrio do potássio e a despolarização não atingiu o limiar de excitabilidade para que houvesse o disparo do potencial de ação.

Biofísica: Bioeletrogênese Em A, há o potencial de equilíbrio do íon potássio, onde o potencial de membrana é o mesmo que o potencial de equilíbrio do potássio (-80 mV). Em B, quando começa a entrar sódio mas ainda não há alteração no equilíbrio do potássio, o potencial de membrana continua sendo igual ao potencial de equilíbrio do potássio. Em C, há uma despolarização devido a entrada de íons sódio, mas como não atingiu o limiar de excitabilidade, não há disparo de potencial de ação.

► Filtro de seletividade

O sódio é um íon que possui diâmetro menor que o potássio. Pelo fato do sódio ser menor, ele possui uma força de atração maior, agregando mais moléculas, fazendo com que ele possua um diâmetro maior que o potássio, e quanto maior o diâmetro mais difícil será a sua passagem pelo canal → camada de hidratação. As interações eletrostáticas dentro dos canais são específicas de acordo com o diâmetro do íon e de acordo com o tipo de energia que está sendo trocada e dessa forma os íons são selecionados para passar através do canal.

► Cotransportadores de cloreto

O potencial de equilíbrio do cloreto não é próximo ao potencial de repouso da célula. O cloreto sempre vai para o meio intracelular por meio de transporte ativo. Para isso, ele não utiliza uma bomba. Ele vai se aproveitar da energia criada a partir do influxo de sódio e potássio, havendo o influxo de 2 íons cloreto, havendo uma despolarização (visto a partir da equação de Nernst). Esse cotransportador possui maior expressão no período de desenvolvimento fetal, onde o GABA, que possui papel inibitório, vai desempenhar um papel excitatório, pois quando o GABA abre canais de cloreto, ocorre uma despolarização. Um outro cotransportador de cloreto vai aproveitar a energia de efluxo do íon potássio para transportar cloreto para o meio extracelular. Nesse caso, ocorre uma hiperpolarização, onde com a saída de cloreto, o sinal no meio intracelular fica mais positivo. Esse cotransportador é mais comum em pessoas mais adultas, onde o GABA vai possuir papel inibitório, onde há uma hiperpolarização. Mas em pessoas que sofrem de epilepsia e dores crônicas, quando houver uma descarga Gabaérgica, vai ocorrer uma despolarização, fazendo com que a pessoa sinta dor.

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► Fases do potencial de ação

Fase ascendente; pico de ultrapassagem; fase descendente; hiperpolarização; período refratário. A partir de uma despolarização, a célula sai do seu potencial de repouso. Se essa despolarização alcançar o limiar de excitabilidade, há a abertura de canais voltagem dependentes. Esses canais podem ser de sódio, que se abre de forma rápida, fazendo com que entre sódio (fase ascendente) e em um certo ponto (pico de ultrapassagem;+40 mV) esses canais de sódio se inativam, mas existem os canais de potássio que estão abertos, mas estes são mais lentos, onde há saída de potássio e assim o meio intracelular se torna mais negativo (fase descendente) e por esses canais serem lentos, a célula se torna negativa além do seu potencial de repouso (hiperpolarização). No período refratário absoluto, não há a presença de canais de sódio, com isso não há disparo de potencial de ação; no período refratário relativo, existem alguns canais de sódio, com isso é possível ocorrer potencial de ação, desde que o estimulo seja maior que o primeiro. Como os canais de potássio são mais lentos, eles demoram pra se fechar, com isso, a célula vai ficando mais negativa, havendo uma hiperpolarização. O principal neurotransmissor excitatório, o Glutamato, também pode gerar um disparo de potencial de ação quando ele se liga a receptores AMPA, NMDA, Cainato, onde há influxo de cátions, fazendo com que a célula despolarize e se essa despolarização for elevada e atingir o limiar de excitabilidade, há a deflagração do potencial de ação. Existem 2 momentos em que ocorre a despolarização: de -70 mV até a abertura do canal de sódio e dessa forma chegar no limiar de excitabilidade havendo disparo do potencial de ação; ou ocorrer essa despolarização saindo do repouso mas não atingir o limiar de excitabilidade e assim não há disparo do potencial de ação. Então, as duas formas de ocorrer despolarização: chegando ou não no limiar de excitabilidade e através da fase ascendente.

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► Propriedades do potencial de ação

Limiar de excitabilidade → é o potencial de membrana que a célula atinge onde há deflagração de um potencial de ação. Para que haja esse disparo de potencial de ação, é necessário atingir esse limiar de excitabilidade. Resposta tudo ou nada → ou atinge o limiar para que haja disparo de um potencial de ação ou caso contrário esse potencial de ação não vai ser deflagrado. Propagação com amplitude constante Período refratário → é quando se tem uma hiperpolarização. Não há disparo de um potencial de ação. O período refratário pode ser dividido em: período refratário absoluto (não há deflagração de um segundo potencial de ação em nenhuma hipótese, pois há a inativação de canais de sódio e há um aumento da condutância de potássio) e período refratário relativo (há deflagração de um segundo potencial de ação, desde que este seja de maior intensidade que o primeiro, pois há a ativação de alguns canais de sódio e há o fechamento dos canais de potássio).

► Estados dos canais de sódio

Os canais de sódio possuem 3 estados: fechado/repouso, ativação e inativação. No repouso, o meio intracelular se encontra negativo e o meio extracelular se encontra positivo. Nesse estado, a comporta de ativação está fechada e a comporta de inativação está aberta. Quando começa a ocorrer a despolarização, há uma inversão de cargas, onde o meio intracelular fica positivo e o meio extracelular fica negativo, a comporta de ativação se abre e a comporta de inativação continua aberta, mas esse estado se dá de forma rápida, pois assim que a comporta de ativação de abre, a comporta de inativação se fecha, tornando o canal inativado. Depois de um certo tempo inativado, durante a hiperpolarização, a comporta de ativação se abre e a comporta de inativação volta a se abrir. Esses 3 estados do canal de sódio é que faz com que haja o período refratário absoluto e o período refratário relativo. O canal de sódio começa a se inativar na fase do pico de ultrapassagem para que não entre mais sódio na célula e assim começa a sair potássio.

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►Lidocaína

Na presença da lidocaína, em nenhuma das conformações do canal de sódio (fechado, aberto ou inativado) o sódio consegue atravessar o canal. Com isso, sem a passagem de sódio, não há despolarização, não há potencial de ação. Dessa forma, a lidocaína é utilizada como anestésico.

► Alterações de condutância dos canais

Em vermelho está representado o potencial de ação. Em roxo são representados os canais de sódio e de potássio. O canal de sódio, por ser mais rápido, se abre primeiro que o canal de potássio, sendo similar ao potencial de ação. O canal de potássio, por ser mais lento, demora a abrir. Durante a fase ascendente, a influência maior é do canal de sódio, pelo fato de...