Prof. Luís Eduardo Maggi

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

2 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)

3 BIOELETROGÊNESE Membrana Plasmática como Capacitor CAPACITOR

4 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

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

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

7 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

8 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

9 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

10 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.

11 Equação de Goldman-Hodgkin-Katz (GHK)
T é a temperatura em Kelvin (K = °C ). 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

12 [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

13 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

14 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)

15 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

16 ALTERAÇÕES NA CONDUTÂNCIA DA MEMBRANA DURANTE O PA

17 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

18 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

19 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

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

21 POTENCIAL DE AÇAO X PROPAGAÇÃO
POTENCIAL DE AÇÃO PROPAGAÇAO

22 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)

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

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

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

26 PROPAGAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO
DIREÇÃO DA CONDUÇÃO INÍCIO DO PA

27 PROPAGAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO
DIREÇÃO DA CONDUÇÃO

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

29 PROPAGAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO CONDUÇÃO NÃO É DECREMENTAL

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

31 TRANSMISSÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO
CANAIS SENSÍVEIS ESTÍMULO

32 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)

33 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

34 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

35 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

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

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

38 PERÍODO REFRATÁRIO PR ABSOLUTO PR RELATIVO

39 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

40 FIM

41 P AÇÃO = IMPULSO NERVOSO OU MUSCULAR
Neurotransmissor (ach)

42 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

43 ALTERAM A PERMEABILIDADE DA MEMBRANA A ÍONS ESTÍMULOS
CANAIS SENSÍVEIS ESTÍMULO

44 TRANSMISSÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO

45

46 TRANSMISSÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO

47

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

49

50

51 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

52 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

53 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+ + + + + + +

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

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