Prof. Luís Eduardo Maggi BIOELETRICIDADE Prof. Luís Eduardo Maggi BIOFÍSICA UFAC

INTRODUÇÃO 1 CONCEITO – bioeletricidade é a parte da biofísica que estuda a eletricidade relacionada com a vida. 2 – PRINCÍPIOS Átomo Íons Corpo carregado Campo Elétrico x Campo Gravitacional Volt (ddp) Corrente (elétrica x iônica)

BIOELETROGÊNESE Membrana Plasmática como Capacitor CAPACITOR

EQUAÇÕES Os íons sofrem ação de duas forças. Corrente de Difusão: Difusão é o movimento espacial e aleatório (movimento Browniano) de átomos, moléculas ou partículas, determinado pela energia térmica da própria partícula. Corrente devido ao Campo Elétrico

A – CORRENTE DE DIFUSÃO JD = - q.D. DC/Dx D = m. K. T JD= - m.K.T. DC/Dx

POTENCIAL DE MEMBRANA EM REPOUSO DDP PR=-30 a -100 mV Explorador POTENCIAL DE REPOUSO= POTENCIAL DE MEMBRANA EM REPOUSO Referencial

Composição Iônica da Membrana do Músculo Cardíaco Íon Concentração iônica intracelular [Íon]dentro (mM) Concentração iônica extracelular [Íon]fora (mM) Relação [Íon]fora /[I]dentro Potencial de repouso VK (mV) Ca++ 10-4 2 20.000 124,73 Cl- 5 120 24 -80,05 K+ 150 4 0,0266. -91,30 Na+ 15 145 9,666. 57,15 10,53 de -85 a -95 mV [Íon]fora [Íon]dentro Qual a razão para a diferença entre o valor calculado e o esperado? VK = (58 mV) log ( ) EQUAÇÃO POTENCIAL DE NERST

Composição Iônica da Membrana do Músculo Esquelético de Rã Íon Concentração iônica intracelular [Íon]dentro (mM) Concentração iônica extracelular [Íon]fora (mM) Relação [Íon]fora /[Íon]dentro Potencial de repouso EK (mV) Ca++ 4,9 2,1 0,4286 -10,671 Cl- 1,5 77,5 51,666. 99,366 K+ 124 2,25 0,01815 -100,985 Na+ 10,4 109 10,48 59,181 46,891 -70 mV Qual a razão para a diferença entre o valor calculado e o esperado? EQUAÇÃO POTENCIAL DE NERST

Composição Iônica da Membrana do Axônio de Sépia Íon Concentração iônica intracelular [Íon]dentro (mM) Concentração iônica extracelular [Íon]fora (mM) Relação [Íon]fora /[Íon]dentro Potencial de repouso VK (mV) Ca++ 0,4 10 25 40,540 Cl- 40 560 14 - 66,475 K+ 400 20 0,05 -75,46 Na+ 50 440 8,8 54,78 86,335 -70 mV Qual a razão para a diferença entre o valor calculado e o esperado? BIOFÍSICA wfdaj.sites.uol.com.br

Equação de Goldman-Hodgkin-Katz (GHK) A aplicação da equação de Nernst é inadequada, pois a membrana celular apresenta permeabilidade distinta para cada íon, devido aos diferentes tipos de canais presentes na membrana celular. A análise da permeabilidade levou a uma equação mais realística, como a desenvolvida por Goldman (1941) e Hodgkin & Katz (1949). Na equação os termos PNa , PK e PCl são as permeabilidades dos íons de Na, K e Cl respectivamente. Como a permeabilidade para os outros íons é desprezível, os termos referentes aos outros íons não são incluídos na equação.

Equação de Goldman-Hodgkin-Katz (GHK) T é a temperatura em Kelvin (K = °C + 273.15). R é a constante universal dos gases (8.314 J.K-1.mol-1). F é a constante de Farady (96485 C.mol-1). Permebailidades dos íons, pK : pNa : pCl = 1 : 0.05 : 0.45 Aplicando-se a equação GHK temos: VK = -69,5 mV, bem próximo ao valor determinado experimentalmente (de -70 mV). Diversão: vá para este site e faça alguns exemplos http://www.physiologyweb.com/calculators/ghk_equation_calculator.html

[Eletroneutralidade] POTENCIAL DE REPOUSO FORMAÇÃO PK+ > PNa+ ∆K+ > ∆Na+ A K A K - + Na+ Cl- - + - + K+ - + - + + - + - + - + - - + - + - + - + - + [Eletroneutralidade] Na+ Cl- Na+ + - MB PERMEÁVEL A ÍONS MB IMPERMEÁVEL A ÍONS A K + - - + K+ + - + - EFLUXO K+ = INFLUXO Na+ POTENCIAL ESTABILIZA + - + - + - + - Na/K-ATPase - + - + + - + - Na+ Na+ Cl- + - + - + - Canais passivos (Vazamento) PR=-70 mv TODAS AS CÉLULAS

Por que estudar Potencial de Ação??? P Ação nas células musculares (evento elétrico) promove contração muscular (evento mecânico) que produz movimentos como os de: Inspiração e Expiração (músculos da respiração) Sístole e Diástole (músculos cardíaca) Vasoconstrição e Vasodilatação (músc. dos vasos) É por meio do impulsos nervosos (P Ação) que o SNA participa da regulação de Funções Biológicas. Mecanismos neurais (via PA) regulam as Funções Biológicas dos sistemas: Digestório, Endócrino, Cardiovascular, Respiratório, etc. HOMEOSTASE P. AÇÃO MOVIMENTO

BASES IÔNICAS DO POTENCIAL DE AÇÃO CANAIS PASSIVOS (VAZAMENTO) CANAIS SENSÍVEIS AO ESTÍMULO ESTÍMULO Na+ Na+ K+ NT K+ Na+ Na+ + + + + + + + + + MB X -70 mv + + + + + + + + + + + K+ K+ Na+ INTRACELULAR REPOUSO 1.DESPOLARIZAÇÃO CANAIS ATIVOS (VOLTAGEM DEPENDENTES) Na+: Fechado K+: Fechado CANAIS ATIVOS (VOLTAGEM DEPENDENTES) Na+: Aberto; K+:Início-Fechado Durante- Se abrindo K+ Na+ Na+ K+ Na+ Na+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +30 mv K+ K+ 2.INATIVAÇÃO 3.REPOLARIZAÇÃO CANAIS ATIVOS (VOLTAGEM DEPENDENTES) Na+: Inativado K+: > no canais abertos CANAIS ATIVOS (VOLTAGEM DEPENDENTES) Na+: Início-inativado Final-Fechado (-70mv) K+: Início-Aberto Final-Fechado (-70 mv)

FLUXO DE ÍONS DURANTE O PA É PEQUENO ∆C É MANTIDO PELA Na+-k+-ATPase FASES DO POTENCIAL DE AÇÃO FLUXO DE ÍONS DURANTE O PA É PEQUENO ∆C É MANTIDO PELA Na+-k+-ATPase Ociloscópio 2-INATIVAÇÃO PNa+ 1-ASCENDENTE/ DESPOLARIZAÇÃO 3-DESCENDENTE/ REPOLARIZAÇÃO PNa+ PK+ ESTÍMULO POTENCIAL REPOUSO

ALTERAÇÕES NA CONDUTÂNCIA DA MEMBRANA DURANTE O PA

CANAL DO SÓDIO SENSÍVEL A VOLTAGEM INÍCIO DESPOLARIZAÇÃO FINAL DESPOLARIZAÇÃO REPOUSO FECHADO ABERTO INATIVADO FILTRO DE SELETIVIDADE EXTRA - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + - - + + + + + - - - - - + + + (+30 mv) INTRA GATE DE INATIVAÇÃO GATE DE ATIVAÇÃO GATE DE INATIVAÇÃO GATE DE ATIVAÇÃO GATE DE INATIVAÇÃO GATE DE ATIVAÇÃO CANAL DO SÓDIO SENSÍVEL A VOLTAGEM

ESTADO DOS CANAIS (Na+/ K+) 2.INATIVAÇÃO +30 mv ESTADO DOS CANAIS (Na+/ K+) DURANTE O POTENCIAL DE AÇÃO 1.DESPOLARIZAÇÃO 3.REPOLARIZAÇÃO * Animação ESTÍMULO PL -50 REPOUSO -70 REPOUSO Tempo (ms) Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ A A A A A I I I I I K+ K+ K+ K+ K+ A A A A A A GATE ATIVAÇÃO CANAL Na+: RESPONDE RÁPIDO À DESPOLARIZAÇÃO GATE INATIVAÇÃO CANAL Na+/ GATE ATIVAÇÃO CANAL K+: RESPONDE LENTAMENTE À DESPOLARIZAÇÃO

BLOQUEADORES DE CANAIS 2.INATIVAÇÃO BLOQUEADORES DE CANAIS +30 mv TETRODOTOXINA (Na+) TETRAETILAMÔNIO (K+) ANESTÉSICOS LOCAIS (Na+ e K+) 1.DESPOLARIZAÇÃO 3.REPOLARIZAÇÃO ESTÍMULO PL -50 REPOUSO -70 REPOUSO Tempo (ms) Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ A A A A A I I I I I K+ K+ K+ K+ K+ A A A A A A GATE ATIVAÇÃO CANAL Na+: RESPONDE RÁPIDO À DESPOLARIZAÇÃO GATE INATIVAÇÃO CANAL Na+/ GATE ATIVAÇÃO CANAL K+: RESPONDE LENTAMENTE À DESPOLARIZAÇÃO

DURAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO CÉLULA NERVOSA CÉLULA MUSCULAR ESQUELÉTICA CÉLULA MUSCULAR CARDÍACA

POTENCIAL DE AÇAO X PROPAGAÇÃO POTENCIAL DE AÇÃO PROPAGAÇAO

PROPAGAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO CÉLULAS EXCITÁVEIS (NÃO NEURÔNIOS) ESTÍMULOS CANAIS SENSÍVEIS À VOLTAGEM Geração e Propagação do PA CANAIS DE VAZAMENTO Formação do PR CANAIS SENSÍVEIS AO ESTÍMULO Na+ Na+ Na+ K+ Na+ Na+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + K+ + + + + + + ÁREA ATIVA Na+ Na+ Na+ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + - - + CÉLULAS EXCITÁVEIS (NÃO NEURÔNIOS) (CONDUÇÃO PONTO A PONTO)

PROPAGAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO FIBRAS AMIELÍNICAS (CONDUÇÃO PONTO A PONTO) INÍCIO DO PA

PROPAGAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO FIBRAS MIELÍNICAS (CONDUÇÃO SALTATÓRIA) Na+ Na+ Na+ + + - - - - - - + + +

PROPAGAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO DIREÇÃO DA CONDUÇÃO NEUROTRANSMISsORES OU MEDIADORES QUÍMICOS INÍCIO DO PA

PROPAGAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO DIREÇÃO DA CONDUÇÃO INÍCIO DO PA

PROPAGAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO DIREÇÃO DA CONDUÇÃO

PROPAGAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO VELOCIDADE DE CONDUÇÃO 1- MIELINIZAÇÃO 2- DIÂMETRO DO AXÔNIO 3- POTENCIAL DE REPOUSO K+ <PR < VELOCIDADE CONDUÇÃO PA

PROPAGAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO CONDUÇÃO NÃO É DECREMENTAL

TRANSMISSÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO Na+ CÉLULAS EFETORAS: NEURÔNIO MUSCULAR ESTRIADA (ESQUELÉTICA, CARDÍACA, MUSCULATURA RESPIRATÓRIA) MUSCULAR LISA GLANDULAR

TRANSMISSÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO CANAIS SENSÍVEIS ESTÍMULO

OUTROS ESTÍMULOS QUE PODEM GERAR POTENCIAL DE AÇÃO K+ RECEPTORES P/ ESTIMULOS INTERNOS (FISIOLÓGICOS): OSMOLARIDADE ALTERAÇÃO DA P. ARTERIAL O2, CO2, pH, GLICOSE Terminação nervosa ou célula especializada OSMORRECEPTORES BARORRECEPTORES QUIMIORRECEPTORES MECANORRECEPTORES TERMORRECEPTORES RECEPTORES PARA LUZ POTENCIAL RECEPTOR ESTÍMULOS K+ EXTERNOS (AMBIENTAIS): QUÍMICO MECÂNICO TÉRMICO LUMINOSO + + + + + X (TRANSDUTOR DE SINAL) Na+ ENERGIA DOS ESTÍMULOS SINAL ELÉTRICO FENÔMENO ELÉTRICO (DESPOLARIZAÇÃO)

RECEPTORES PARA ESTÍMULOS (TRANSDUTORES DE SINAL) TERMORRECEPTOR 1- TERMINAÇÕES NERVOSAS LIVRES 2- TERMINAÇÕES NERVOSAS ENCAPSULADAS MECANORRECEPTOR QUIMIORRECEPTOR 3- CÉLULAS ESPECIALIZADAS 4- RECEPTORES DE MEMBRANA PARA NEUROTRANSMISSORES Na+ CANAL SENSÍVEL AO NT

Na+ K+ Na+ Na+ K+ CORPÚSCULO DE PACINI ESTÍMULO PRESSÃO + + + Na+ Na+ CANAIS DE VAZAMENTO Formação do PR CANAIS SENSÍVEIS À VOLTAGEM Geração do PA CANAIS SENSÍVEIS AO ESTÍMULO (ESTIRAMENTO MB) Na+ K+ Na+ Na+ + + + + + + + + + + + + + + + +30 mv + + + + + + + + + K+ + + + CORPÚSCULO DE PACINI Na+ Na+ CANAL SENSÍVEL AO ESTIRAMENTO DA MEMBRANA CANAL SENSÍVEL À VOLTAGEM

Na+ K+ Na+ Na+ K+ CÉLULA ESPECIALIZADA ESTÍMULOS GOSTO, SOM, LUZ, ETC (ALTERAM A PERMEABILIDADE DA MEMBRANA A ÍONS) ESTÍMULOS NEUROTRANSMISSORES CANAIS SENSÍVEIS À VOLTAGEM Geração do PA CANAIS SENSÍVEIS AO NEUROTRANSMISSOR CANAIS SENSÍVEIS AO ESTÍMULO GUSTATIVO, SONORO, LUMINOSO Na+ K+ Na+ Na+ Na+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + X K+ + + + + + + + + + + + + + + + CÉLULA ESPECIALIZADA NEURÔNIO SENSORIAL

ESTÍMULO LIMIAR A LEI DO TUDO OU NADA POTENCIAL LIMIAR A LEI DO TUDO OU NADA POTENCIAL LIMIAR ESTÍMULO LIMIAR ESTÍMULOS SUBLIMIARES ESTÍMULOS SUPRALIMIARES

DISCRIMANAÇÃO DE INTENSIDADE DOS ESTÍMULOS 1- NÚMERO DE RECEPTORES ATIVADOS 2- FREQUÊNCIA DE PA GERADOS

PERÍODO REFRATÁRIO PR ABSOLUTO PR RELATIVO

PERÍODO REFRATÁRIO PR ABSOLUTO PR RELATIVO Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ +30 mv 2.INATIVAÇÃO +30 mv PR ABSOLUTO 1.DESPOLARIZAÇÃO 3.REPOLARIZAÇÃO ESTÍMULO PL -50 PR RELATIVO -70 Tempo (ms) Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ A A A A A I I I I I FECHADO ABERTO INATIVADO INATIVADO FECHADO

FIM

P AÇÃO = IMPULSO NERVOSO OU MUSCULAR Neurotransmissor (ach)

Por que estudar Potencial de Ação no Módulo de Funções Biológicas ??? P AÇÃO NA CÉLULA MUSCULAR (Evento Elétrico) CONTRAÇÃO Evento Mecânico Movimento Contração e relaxamento da musculuratura respiratória – Inspiração e Expiração Contração e relaxamento da musculuratura cardíaca – Sístole e Diástole Contração e relaxamento da musculatura dos vasos – Vasoconstrição e Vasodilatação SISTEMA RESPIRATÓRIO SISTEMA CARDIOVASCULAR P AÇÃO P AÇÃO Ca2+ P AÇÃO P AÇÃO

ALTERAM A PERMEABILIDADE DA MEMBRANA A ÍONS ESTÍMULOS CANAIS SENSÍVEIS ESTÍMULO

TRANSMISSÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO

TRANSMISSÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO

GNa+ GK+ ALTERAÇÕES NA CONDUTÂNCIA DURANTE O POTENCIAL DE AÇÃO

FATORES QUE PODEM GERAR POTENCIAL DE AÇÃO EXTERNOS (AMBIENTAIS): MECÂNICO TÉRMICO LUMINOSO QUÍMICO RECEPTORES (TRANSDUTOR DE SINAL) CÉLULAS ESPECIALIZADAS TERMINAÇÕES NERVOSAS LIVRES RECEPTORES DE MEMBRANA MECANORRECEPTORES TERMORRECEPTORES RECEPTORES PARA LUZ QUIMIORRECEPTORES OSMORRECEPTORES BARORRECEPTORES ESTÍMULOS FENÔMENO ELÉTRICO (DESPOLARIZAÇÃO) INTERNOS (FISIOLÓGICOS): NEUROTRANSMISSORES OSMOLARIDADE O2, CO2,pH, Glicose, etc ALTERAÇÃO DA P. ARTERIAL ENERGIA DOS ESTÍMULOS SINAL ELÉTRICO ESTÍMULOS (ALTERAM A PERMEABILIDADE DA MEMBRANA A ÍONS) Na+ Na+ CANAIS SENSÍVEIS AO ESTÍMULO NT -70 mv + + + + + + + + + + + + -70 mv +30 mv - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - REPOUSO DESPOLARIZAÇÃO REPOLARIZAÇÃO

RECEPTORES PARA ESTÍMULOS (TRANSDUTORES DE SINAL) TERMORRECEPTOR 1- TERMINAÇÕES NERVOSAS LIVRES 2- TERMINAÇÕES NERVOSAS ENCAPSULADAS MECANORRECEPTOR QUIMIORRECEPTOR 3- CÉLULAS ESPECIALIZADAS 4- RECEPTORES DE MEMBRANA PARA NEUROTRANSMISSORES Na+ Na+ Na+ CANAL SENSÍVEL AO NT CANAL SENSÍVEL AO ESTIRAMENTO CANAL SENSÍVEL À VOLTAGEM

Na+ K+ Na+ Na+ K+ K+ ESTÍMULOS + + + + + + (ALTERAM A PERMEABILIDADE DA MEMBRANA A ÍONS) CANAIS DE VAZAMENTO Formação do PR CANAIS SENSÍVEIS À VOLTAGEM Geração do PA CANAIS SENSÍVEIS AO ESTÍMULO Na+ K+ Na+ Na+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +30 mv X K+ + + + K+ + + + + + +

RECEPTORES PARA ESTÍMULOS (TRANSDUTORES DE SINAL) TERMINAÇÕES NERVOSAS LIVRES CÉLULAS ESPECIALIZADAS RECEPTORES DE MEMBRANA ESTÍMULO Na+ CANAIS SENSÍVEIS AO NT + + + + + + + - - - - - - - -

RESPIRATÓRIO DIGESTÓRIO CARDIOVASCULAR NUTRIENTES O2 NUTRIENTES SANGUE CARDIOVASCULAR O2 NUTRIENTES GLICOSE AG GLICOSE AG ATP