Descrição Geral
- A maioria das células do corpo humano possui um potencial de membrana.
- A bicamada lipídica da membrana plasmática (MP) isola o interior da célula do exterior e não permite a difusão livre de iões.
- Canais de iões e transportadores seletivos permitem aumentos na concentração de iões carregados dentro e/ou fora da MP.
- A maioria das células tem um potencial elétrico através da sua MP.
- O interior da célula é ligeiramente mais negativo do que o exterior.
- Em algumas células, essa carga pode equalizar ou até reverter rapidamente em resposta a estímulos.
- Tipos de potencial
- Potencial de membrana em repouso
- Potencial de equilíbrio
- Potencial de ação do nervo
Atividade do canal iónico em repouso, durante a despolarização e hiperpolarização
Imagem : “Ion channel activity at rest, during depolarization and and hyperpolarization” por Robert Bear e David Rintoul. Licença: CC BY 4.0Vídeos recomendados
Potencial de Equilíbrio
Descrição Geral
- Também conhecido como potencial de reversão ou “estado isoelétrico”
- Voltagem potencial transmembranar na qual não há fluxo líquido de iões através da MP
- Os iões difundem-se de acordo com o seu gradiente de concentração, bem como para neutralizar as suas cargas elétricas (por exemplo, iões carregados negativamente desejam viajar em direção a áreas carregadas positivamente).
- Podem agir em conjunto para empurrar iões numa direção ou podem opor-se uns aos outros
Equação de Nernst
Usada para calcular o potencial de equilíbrio de uma determinada diferença de concentração de um ião permeável através da membrana celular.
$$ V_{eq}= \left ( RT/zF \right )ln\left ( X_{o} /X_{i}\right ) $$
Veq = potencial de equilíbrio para o ião X
R = constante do gás (8,314 joules por kelvin por mol)
T = temperatura em kelvin (K = °C + 273,15)
z = carga no ião (+1 para Na+, +2 para
Ca2+, −1 para Cl−)
F = constante de Faraday (96.485 Coulombs por mol)
Xi = concentração intracelular (mM)
Xo = concentração extracelular (mM)
Potencial de Membrana em Repouso
Descrição Geral
- Potencial que as células têm através das suas membranas no seu estado basal
- Células excitáveis (neurónios, músculo cardíaco, etc) retornam a esse potencial de repouso entre os potenciais de ação
- As células não excitáveis permanecem constantemente no potencial de repouso.
- Resultado do movimento de várias espécies iónicas diferentes através de vários canais iónicos e transportadores (uniportadores, cotransportadores e bombas) na MP
- O potencial de difusão depende
- Da carga dos iões (principalmente Na+, K+ e Cl-)
- Da diferença na concentração de iões dentro versus fora da célula
- Da permeabilidade da MP aos iões
- Potencial de membrana em repouso de vários tecidos:
- Neurónio -70mV
- Músculo esquelético -90mV
- Cardíaco -90mV
- Potencial de membrana “restless”
- Potencial instável
- Oscila entre -60mV e -40mV
- Visto em tecidos de pacemaker
- Nó sinoauricular (SA) no sistema cardiovascular (SCV)
- Células de Cajal no trato GI
- Complexo pré-Bötzinger: uma rede neuronal no tronco cerebral venterolateral que gera o ritmo respiratório
Equação de Goldman
O potencial de membrana de repouso pode ser considerado a média dos potenciais de equilíbrio de todos os iões que permeiam dentro e fora de uma célula, modificado pela permeabilidade relativa de uma célula a esses íons.
$$ E_{m}=\frac{RT}{F}ln\left ( \frac{P_{K}\left [ K^{+} \right ]_{out}+P_{Na}\left [ Na^{+} \right ]_{out}+P_{Cl}\left [ Cl^{-} \right ]_{in}}{P_{K}\left [ K^{+} \right ]_{in}+P_{Na}\left [ Na^{+} \right ]_{in}+P_{Cl}\left [ Cl^{-} \right ]_{out}} \right ) $$
E m : o potencial de membrana (em volts, equivalente a joules por coulomb)
Pion: a seletividade para aquele ião (em metros por segundo)
[ion]out : a concentração extracelular desse ião (em moles por metro cúbico, para combinar com o outro Sistema Internacional de Unidades (SI))
[ion]in : a concentração intracelular desse ião (em mols por metro cúbico)
R: a constante ideal do gás (joules por kelvin por mol)
T: a temperatura em
kelvins
F: Constante de Faraday (coulombs por mol)
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Potencial de Ação
Descrição Geral
- Visto em células excitáveis (principalmente neurónios)
- Enquanto no potencial de membrana em repouso, os canais iónicos abrem-se e levam a um rápido fluxo de iões através da MP ao longo do seu gradiente de concentração.
- Leva a mudanças rápidas na voltagem através da MP (despolarização)
- As alterações estão localizadas na área ao redor dos canais iónicos abertos.
- Canais iónicos sensíveis à voltagem em áreas adjacentes abrem-se em resposta à mudança no potencial de membrana, permitindo o influxo de iões.
- O potencial é assim propagado por toda a superfície da membrana celular.
Fases de um potencial de ação do nervo
- Potencial de membrana em repouso num neurónio
- Na linha de base -70mV
- Reflete o potencial de equilíbrio do K+
devido à sua alta condutância através da MP (de dentro para fora)
- Num neurónio em repouso: alta concentração de Na+ no líquido extracelular (LEC) e alta concentração de K+ no líquido intracelular (LIC)
- Os canais de vazamento de K+ estão abertos enquanto os canais de Na+ estão fechados.
- Leva a um fluxo de iões K+ de dentro da célula, gerando um potencial de membrana em repouso negativo
- Período latente
- Quando um estímulo é dado, não ocorre imediatamente uma resposta.
- Intervalo de tempo entre o estímulo e a resposta
- Aumento do potencial de ação ou despolarização
- Ocorre despolarização, o que causa a abertura dos canais de Na+ dependentes de voltagem
- Leva ao rápido influxo de iões Na+ na célula ao longo do seu gradiente de concentração
- Condutância Na+ > Condutância K+
- Isso faz com que o potencial de membrana se aproxime do potencial de equilíbrio do Na+ (+65mV).
- O potencial de membrana permanece positivo por um breve período de tempo.
- Repolarização
- A despolarização causa as seguintes alterações
- Fecha as portas de inativação dos canais de Na+
- Abre lentamente os canais de K+, causando um aumento da condutância de K+ mais do que o potencial de membrana em repouso
- Condutância K+ > condutância Na+, causando repolarização
- A repolarização ocorre principalmente devido ao efluxo de K+
- A despolarização causa as seguintes alterações
- Overshoot ou hiperpolarização
- O canal de Na+ fecha.
- A condutância do K+ permanece mais alta que o potencial de repouso da membrana em repouso durante algum tempo.
- O potencial de membrana fica próximo do potencial de equilíbrio do K+, que é -90mV.
Potencial de ação do nervo
Imagem : Action potential propagation animation” por John Schmidt. Licença: CC BY 4.0Períodos refratários
- Período refratário absoluto
- Do disparo a ⅓ da repolarização
- Durante este período, um 2º estímulo, por maior que seja, não pode iniciar outro potencial de ação.
- Período refratário relativo
- Do final do período refratário absoluto até o potencial de membrana atingir o seu nível de repouso
- Durante este período, o potencial de ação pode ser elicitado se for fornecido um estímulo maior.
Relevância Clínica
- Potenciais de ação cardíacos e potencial de pacemaker: as células do coração transmitem potenciais de ação diferentes daqueles observados nos neurónios. As fases de pico dos potenciais de ação duram mais do que as observadas nos neurónios devido à atividade dos canais de cálcio (Ca) mais lentos, que abrem e mantêm o potencial de ação por mais tempo. Além disso, um grupo de células especiais no nó SA é caracterizado como tendo potencial de pacemaker. Esse potencial de ação é gerado automaticamente no final do anterior, dando ao processo um padrão automático repetitivo que regula os batimentos cardíacos.
- Síndrome de Brugada: uma condição genética que leva a arritmias cardíacas devido a mutações hereditárias nos canais de Na+ no músculo cardíaco, que levam à condução aberrante do potencial de ação, arritmia e paragem cardíaca súbita. Os pacientes são tratados com desfibrilhadores cardíacos implantados que podem detetar ritmos aberrantes e aplicar um choque ao coração para redefinir o potencial de ação.
Referências
- Costanzo, Linda S. (2019). Fisiologia. Abra o WorldCat. //brs.lwwhealthlibrary.com/book.aspx?bookid=2385
- Chrysafides, Steven M, et ai. (Ed.). (2021). Fisiologia, potencial de repouso. StatPearls. //www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK538338/
- Chen, I, & Forshing, L. (2021). Neuroanatomia, potencial de ação do neurônio. StatPearls. //www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK546639/
- Salão, J.E. (2016). Em Guyton e Hall Textbook of Medical Physiology. (13ª edição) Elsevier.
- Zaydman, MA, et ai. (2012). Doenças associadas a canais iônicos: Visão geral dos mecanismos moleculares. Revisões Químicas. 112(12), 6319-6333. //www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3586387/