Biofísica das membranas excitáveis

Apresentação em tema: "Biofísica das membranas excitáveis"— Transcrição da apresentação:

1 Biofísica das membranas excitáveis
Prof. Marcos Aurélio

2 A membrana das células

3 Algumas funções da membrana plasmática
SEPARAR INTEGRAR Algumas funções da membrana plasmática

4 LIPÍDIOS, PROTEÍNAS E AÇÚCARES
MEMBRANA PLASMÁTICA Composição química LIPÍDIOS, PROTEÍNAS E AÇÚCARES

5 Proteínas embebidas na bicamada lipídica;
Estrutura molecular da membrana plasmática Modelo do Mosaico Fluido Modelo de Singer e Nicolson (1972) Proteínas embebidas na bicamada lipídica;

6 Fosfatidiletanolamina
Proteína / Lipídeo • Proporção variável Proteínas Integrais (transmembranas) Periféricas Lipídeos Glicolipídeos Colesterol Fosfolipídeos Fosfatidilcolina Fosfatidiletanolamina Fosfatidilserina Esfingomielina

7 Composição Lipídica de algumas membranas celulares

8 Moléculas Anfipáticas
LIPÍDEOS DE MEMBRANAS  Hidrofílica (cabeça)  Hidrofóbica (caudas)

9 Fosfatidiletanolamina
Fosfolipídeos Fosfatidilcolina Fosfatidiletanolamina Fosfatidilserina Esfingomielina

10 dependente da temperatura
1- Fluidez da membrana Fluido Bidimensional  movimentação dos fosfolipídeos dentro da bicamada Flip Flop Rotação Difusão Lateral dependente da temperatura

11 1- Fluidez da membrana Natureza das caudas de hidrocarbonetos Composição Fosfolipídica Caudas curtas (maior fluidez) que caudas longas Insaturação (maior fluidez) que saturação SATURADOS + viscosa - fluida INSATURADOS - viscosa + fluida

12 Modula a fluidez das membranas em células animais
1- Fluidez da membrana Colesterol Modula a fluidez das membranas em células animais Enrijece a bicamada lipídica, tornando-a menos fluida e menos permeável

13 2- Assimetria da Bicamada Lipídica
Diferenças na composição da bicamada entre as faces citosólica e extracelçular

14 2- Assimetria da Bicamada Lipídica Crescimento da membrana
Flipases

15 3- Permeabilidade da Bicamada Lipídica
Barreira hidrofóbica impermeável a solutos e íons  tamanho da molécula  solubilidade da molécula (em óleo)

16 PROTEÍNAS DAS MEMBRANAS

17 Proteínas de membrana Na+ K+

18 Proteínas Transmembrana
Moléculas anfipáticas ligadas covalentemente aos lipídeos Proteínas -Hélice

19 Proteínas Transmembrana
Proteínas receptoras: cruza a membrana uma única vez Proteínas Transmembrana

20 Proteínas Transmembrana
Poro Hidrofílico: múltiplas -Hélices formam poros aquosos

21 Propriedades das Proteínas de membrana
1- Mobilidade Movimentação das proteínas na bicamada

22 2- Domínios de membrana Restrição de movimento das proteínas, confinando-as em locais específicos

23 AÇUCARES DAS MEMBRANAS

24 Açucares de Membrana Hidratos de carbono ligados covalentemente aos lipídeos e proteínas Glicoproteínas Proteoglicanas Glicolipídeos polissacarídeos glicosaminoglicanas oligossacarídeos GLICOCÁLICE OU GLICOCÁLIX

25 GLICOCÁLICE

26 Comportamento elétrico da membrana celular
Circuito RC Constante de tempo da membrana

27 POTENCIAIS DE MEMBRANA E
POTENCIAIS DE AÇÃO

28 Objetivos - Descrever o comportamento dos canais voltagem-dependente de Na + e K + nas membranas excitáveis; - Compreender como é gerado um potencial de ação; - Compreender o funcionamento da mielina como isolador e caracterizar a condução saltatória.

29 Potencial elétrico de membranas existe em todas as células;
Potencial de membranas – gradientes de energia elétrica potencial. As células neurais e musculares são excitáveis – capazes de autogeração de impulsos eletroquímicos na membrana que serão usados na transmissão de sinais.

30 MENSURAÇÃO DO POTENCIAL DE MEMBRANA

31 POTENCIAL DE MEMBRANA RESULTANTES DA DIFUSÃO

32 TODAS AS CÉLULAS POSSUEM ÍONS DISTRIBUÍDOS EM DIFERENTES CONCENTRAÇÕES ENTRE OS MEIOS INTRA E EXTRACELULAR

33 A DIFERENÇA NESTA DISTRIBUIÇÃO DOS ÍONS OCASIONA
UMA DIFERENÇA DE POTENCIAL ELÉTRICO ENTRE OS LADOS INTRA E EXTRACELULAR B- C- A+ C- A+ A+ B- C- B- C- C- A+ D+

34 - + Voltímetro E esta diferença pode ser medida

35 ESTA DIFERENÇA DE POTENCIAL ELÉTRICO É CHAMADA DE
POTENCIAL DE MEMBRANA SEU VALOR DEPENDE DO TIPO DE CÉLULA

36 Valor do potencial de membrana
Neurônios: em torno de – 70 mV Células musculares: em torno de – 90 mV O sinal negativo indica que o interior é mais negativo que o exterior da célula. Qual é a razão?

37 Presença de ânions protéicos na face interna
Permeabilidade da membrana ao K+ K+ Na+ Atividade da Na+/K+ ATPase Extracelular Fonte: SERVIER Medical Art Intracelular

38 Membrana polarizada

39 ALTERAÇÕES DO POTENCIAL DE MEMBRANA

40 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Na + K+ Membrana polarizada

41 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Na + K+ Despolarização

42 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
Na + K+ Membrana despolarizada

43 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
Na + K+ Repolarização

44 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Na + K+ Cl _ Membrana polarizada

45 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Na + K+ Cl _ Hiperpolarização

46 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Na + K+ Membrana polarizada

47 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Na + K+ Hiperpolarização

48 POTENCIAL DE AÇÃO Células excitáveis são aquelas capazes de se excitar, ou seja, gerar e conduzir potenciais de ação. O potencial de ação é um evento de natureza elétrica que se inicia no ponto em que a célula é estimulada, e se estende por toda a célula, podendo-se propagar também para células vizinhas. O potencial de ação é a maneira pela qual as informações “trafegam” pelo sistema nervoso.

49 O potencial de ação do neurônio apresenta duas fases:
Despolarização: determinada pela entrada de íons Na+ Repolarização: ocasionada pela saída de íons K+ Fonte: SERVIER Medical Art

50 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Na + K+ Despolarização

51 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
Na + K+

52 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
Na + K+ Repolarização

53 A figura mostra a variação da voltagem da membrana do neurônio durante o potencial de ação, que dura cerca de 3ms. - 60 - 20 - 40 - 80 20 40 Procure identificar o repouso, o limiar de excitação, despolarização, repolarização e novamente o repouso. Voltagem (mV)

54 Período refratário É o período durante o potencial de ação em que a célula excitável está incapaz de responder a um novo estímulo para dar início a um novo potencial de ação. Divide-se em: absoluto e relativo.

55 Procure estabelecer uma relação entre período refratário e o comportamento dos canais iônicos da membrana do neurônio. Fonte: SERVIER Medical Art

56 POTENCIAL DE NERNST É O VALOR DE POTENCIAL QUE IMPEDE A DIFUSÃO EFETIVA DE ÍONS EM QUALQUER DIREÇÃO DA MEMBRANA. Potencial de equilíbrio – não ocorre qualquer movimento efetivo de cargas. Pode ser aplicado a qualquer íon que esteja em equilíbrio através de uma membrana. EK = C log10 ([K+]direita/[K+]esquerda)

57 POTENCIAL DE NERNST O POTENCIAL DE NERNST É CALCULADO DENTRO DA MEMBRANA – SINAL + SE O ÍON FOR POSITIVO E – SE O ÍON FOR NEGATIVO. K mV Na mV

58 POTENCIAL DEPENDE: 1- da polaridade da carga elétrica de cada íon; 2- da permeabilidade da membrana; 3- da concentrações dos íons dentro e fora da membrana.

59 PRINCÍPIO DA NEUTRALIDADE ELÉTRICA
Para cada íon positivo existe um íon negativo próximo que o neutraliza

60 Potencial de membrana nas fibras nervosas grossas é de - 90 mV.
Bomba Na+-K+ - bomba eletrogênica – maior nº de carga + são bombeadas para fora do que - para dentro (3 Na+ p/ 2 K+); A bomba produz gradiente de concentração: Na+ (ext.) 142 mEq/l K+ (ext.) 4 mEq/l Na+ (int.) 14 mEq/l K+ (int.) 140 mEq/l

61 BOMBA DE SÓDIO-POTÁSSIO

62 Vazamento de Na+ e K+ é realizado pelas proteínas de canal na membrana, onde a mesma é mais permeável ao K+ que ao Na+ (100 vezes mais).

63 ESTABELECIMENTO DO POTENCIAL DE REPOUSO

64 POTENCIAL DE AÇÃO Mecanismos usados para sinalização por longas distâncias, tanto no sistema nervoso quanto no músculo. São fenômenos tudo-ou-nada; Não sofrem variação com a distância.

65 ETAPAS DO POTENCIAL DE AÇÃO
Estado de repouso – célula polarizada; Etapa da despolarização – membrana permeável aos íons sódio – interior tende a positividade. Nas fibras grossas o PM ultrapassa o valor zero. Nas fibras delgadas chega próximo a zero; Etapa da repolarização – em milésimos de segundo os canais de sódio se fecham, abrem os canais de potássio. Repolarização da membrana.

66 POTENCIAL DE AÇÃO TÍPICO

67 O agente responsável pela produção da despolarização e da repolarização é o canal de Na+ voltagem dependente (canal rápido). O canal de K+ voltagem dependente tb participa no aumento da velocidade da repolarização da membrana (canais lentos) – atua junto com a bomba de Na+ – K+ e com os canais de vazamento Na+ – K+.

68 ATIVAÇÃO E INATIVAÇÃO DOS CANAIS VOLTAGEM-DEPENDENTES DE SÓDIO E DE POTÁSSIO

69 PAPEL DE OUTROS ÍONS DURANTE O POTENCIAL DE AÇÃO
Dentro do axônio existem íons com carga negativa – ânions da molécula de proteína, compostos orgânicos fosforados, compostos sulfatados – são responsáveis pela carga negativa no interior da fibra quando existe déficit de íons K+ e outros íons positivos.

70 PAPEL DE OUTROS ÍONS DURANTE O POTENCIAL DE AÇÃO
Íons cálcio – todas as células apresentam bomba de cálcio semelhante a bomba Na+ – K+, o cálcio atua junto ou no lugar de Na+ para gerar o PA. A bomba bombeia Ca++ de dentro p/ fora da célula ou p/ dentro do retículo endoplasmático. Os canais de Ca++ voltagem dependente são permeáveis aos íons Na+ e ao íon Ca++. Tb são chamados de canais Ca++-Na+ – tem ativação lenta.

71 Quando existe déficit de Ca++, os canais de Na+ se abrem com variação muito pequena do P. de membrana – a fibra nervosa fica muito excitável – descarga repetitivamente ao invés de ficar no estado de repouso. Queda de 50% abaixo do normal p/ gerar cargas espontâneas. Tetania muscular – pode ser letal devido a contração tetânica dos músculos respiratórios. O que dá início ao PA é o ciclo vicioso de feedback positivo que abre os canais de Na+, acaba o PA com fechamento dos canais Na+ e abertura dos canais de K+.

72 PROPAGAÇÃO DO PA NAS DUAS DIREÇÕES AO LONGO DA FIBRA CONDUTORA

73 Em alguns casos a membrana excitável não repolariza imediatamente após sua despolarização o potencial permanece em um platô antes de começar a repolarização. Causa: - Processo de despolarização 1- canais rápidos (Na+ voltagem-dependente); 2- canais lentos (Ca+ voltagem-dependente); Processo de repolarização 1- canais lentos (K+ voltagem-dependente), abertura após o fechamento dos canais lentos.

74 PA DE UMA FIBRA DE PURKING DO CORAÇÃO MOSTRANDO UM PLATÔ

75 Ritmicidade – descargas repetitivas auto-induzidas – coração, na maioria dos músculos lisos e em muitos neurônios do SNC. A membrana deve ser suficientemente permeável ao Na+ ou aos íons Na + e Ca++ pelos canais lentos de Ca++. A membrana apresenta PA de -60 a -70 mV, que não é suficiente para manter os canais de Na+ e Ca++ fechados.

76 1- os íons Na+ e Ca++ fluem para o interior;
2- isso aumenta a permeabilidade da membrana; 3- quantidade ainda maior de íons flui para o interior; 4- aumenta mais a permeabilidade até que seja gerado um PA. Ao término do PA a membrana repolariza. A membrana não repolariza imediatamente porque se torna excessivamente permeável ao K+ – hiperpolarização (PM se torna intensamente mais negativo). Esse estado desaparece gradualmente.

77 POTENCIAL DE AÇÃO RÍTMICOS

78 ASPECTOS ESPECIAIS DA TRANSMISSÃO DO SINAL NOS TRONCOS NERVOSOS
ATUAÇÃO DAS CÉLULAS DE SCHWANN PARA PRODUZIR ISOLAMENTO ELÉTRICO DAS FIBRAS NERVOSAS

79 ASPECTOS ESPECIAIS DA TRANSMISSÃO DO SINAL NOS TRONCOS NERVOSOS
Condução Saltatória - importância 1- faz com que o processo de despolarização salte por sobre longos trechos ao longo da fibra nerrvosa – aumenta a velocidade de transmissão neural em até 50 X; 2- conserva energia p/ o axônio, visto que apenas os nodos despolarizam, perde cerca de 100 x menos energia.

80 CONDUÇÃO SALTATÓRIA AO LONGO DO AXÔNIO MIELINIZADO

81 Não pode ocorrer novo PA em fibra excitável enquanto a membrana ainda estiver despolarizada pelo PA precedente. LIMIAR – valor mínimo do potencial de membrana em que vai ocorre um potencial de ação 50% das vezes. PA subliminares – valores de potencial de membrana inferiores ao valor necessário para a produção de um PA.

82 Período refratário absoluto – período durante o qual nenhum PA pode ser produzido, mesmo com estímulo intenso. É o intervalo de tempo entre o desencadeamento de um PA até o momento em que a maioria das comportas de Na+ deixaram de ficar inativadas pela repolarização da membrana. Período refratário relativo – nesse período estímulos mais intenso que o normal podem excitar a fibra.

83 POTENCIAIS SUBLIMINARES AGUDO QUANDO OS ESTÍMULOS SÃO MENOS INTENSO QUE O VALOR LIMIAR NECESSÁRIO PARA PRODUÇÃO DE PA

84 ESTABILIZADORES E ANESTÉSICOS LOCAIS
Estabilizadores – diminui a excitabilidade neural. Ex.: alta concentração de íons cálcio no líquido extracelular diminui a permeabilidade da membrana pelos íons sódio. Anestésicos locais – agem sobre as comportas de ativação dos canais de sódio, fazendo com que a abertura fique dificultada - reduz a excitabilidade da membrana – até não passar nenhum PA.