Potenciais de membrana
Por que é importante estudar os potenciais de membrana e as propriedades elétricas das células?
Essas modificações das cargas elétricas através da membrana plasmática (ou de organelas), chamados de potenciais de membrana, são responsáveis por vários mecanismos importantes para determinar a composição do líquido intracelular (LIC) e do líquido extracelular (LEC), por meio do transporte de íons e de outras substâncias. Não só são essenciais para a função celular, mas esses fenômenos elétricos são a base para a sinalização intracelular e comunicação com outras células, secreção hormonal e de neurotransmissores, contração muscular, batimento cardíaco, memória e aprendizado, percepção sensorial, controle do pH celular, absorção e secreção no intestino e túbulos renais e vários processos celulares que garantem a boa execução de inúmeras tarefas do nosso cotidiano.
Potenciais elétricos da membrana
Já sabemos que as cargas elétricas produzem campos elétricos, onde podem exercer atração ou repulsão a outras cargas elétricas. Essa interação entre cargas elétricas origina a energia potencial que pode levar ao movimento das cargas (corrente elétrica). Assim, a diferença de potencial entre dois pontos, ou potencial elétrico, é a força eletromotriz (tensão) que corresponde ao trabalho necessário para deslocar essas cargas elétricas.
O potencial elétrico é dado em volts. Nas nossas células, as voltagens são muito pequenas, por isso o potencial é expresso em milivolts (mV). O volt corresponde à quantidade de energia potencial elétrica (joules) por unidade de carga (Coulomb). A voltagem medida junto à membrana plasmática, o potencial de membrana, varia em cada célula de 5 a 100 mV, com a face citoplasmática negativa em relação à superfície extracelular da membrana.
Os potenciais elétricos nas células são um “desequilíbrio elétrico” através da membrana, por isso são chamados de potencial de membrana. Desequilíbrio elétrico significa dizer uma diferença de cargas elétricas entre as superfícies externa e interna da membrana. Se o número de cargas positivas e negativas for igual, não há diferença de potencial, e a voltagem será zero.
Para medir a voltagem correspondente aos potenciais de membrana são utilizados dois eletrodos. Um eletrodo de referência (fio terra) é colocado no meio extracelular, e por convenção possui voltagem igual a zero. Outro eletrodo é inserido na célula (LIC) e registra a diferença de voltagem em relação ao eletrodo de referência (LEC). Para quantificar essa diferença, os eletrodos são ligados a um voltímetro (Figura 1). Para visualizar as diferenças de potencial na membrana ao longo do tempo, o voltímetro pode ser conectado um osciloscópio.
Figura 1. Registro do potencial de membrana. Observe que o eletrodo está registrando apenas a carga adjacente à superfície da membrana, nas faces intra e extracelular (Fonte: Aprendendo Fisiologia).
É importante relembrar que essas cargas, na realidade, são íons, isto é, átomos carregados eletricamente, como o íon sódio (Na+ ) e o íon potássio (K + ). Os átomos são neutros (mesmo número de prótons e elétrons), mas quando perdem ou ganham elétrons eles formam os íons. O átomo que ganhou um ou mais elétrons, fica com carga negativa, e será chamado de ânion. Quando o átomo perde elétrons, ele se torna um íon positivo, e será chamado de cátion.
A presença de ânions orgânicos, como proteínas aniônicas e fosfato orgânico, no citoplasma também contribui para essa diferença de cargas que gera os potenciais elétricos. Além disso, esses ânions, que possuem carga negativa, não se difundem pela membrana, mas atraem íons com carga positiva e repelem aqueles com cargas negativas (Figura 2), modificando a distribuição das cargas de cada lado da membrana (equilíbrio de Gibbs-Donnan).
Alguns fatores são fundamentais para determinar essas diferenças de cargas através da membrana. Os mais importantes são a distribuição desigual dos íons em cada lado da membrana e a permeabilidade seletiva da membrana a esses íons. Estes dois fatores são determinantes do fluxo de íons através da membrana, o que vai modificar a distribuição de cargas de cada lado da membrana e, consequentemente, a diferença de potencial. Vale lembrar que os íons poderão passar através de canais iônicos ou por transporte ativo, a favor ou contra seus gradientes eletroquímicos, respectivamente (Figura 2). A permeabilidade da membrana a esses íons pode variar ao longo do tempo, em geral por poucos milissegundos, tempo suficiente para abertura e fechamento de canais iônicos. Essas alterações de permeabilidade serão responsáveis por produzir sinais elétricos, que a célula usa para executar diversas funções.
Figura 2. Distribuição e fluxo de íons através da membrana, por meio de canais de vazamento e pela bomba Na+ K + ATPase em uma célula em repouso. Observe também as concentrações dos íons no LIC e no LEC e o sentido dos gradientes de concentração e elétrico de cada íon (Fonte: Aprendendo Fisiologia).
Já sabemos que se a molécula não tem carga, a diferença de concentração entre dois pontos vai mover o soluto pela força difusional, até que se estabeleça o equilíbrio químico, e a diferença de concentração deixe de existir. Podemos ver na Figura 2, que a distribuição desigual dos íons de cada lado da membrana, gera o gradiente eletroquímico dos íons. Cada íon sofrerá a influência do seu gradiente eletroquímico.
Mas o que é o gradiente eletroquímico?
Como os íons possuem carga, além da força do gradiente de concentração, o fluxo dos íons é influenciado pelo gradiente elétrico. A soma da influência desses dois gradientes se chama de gradiente eletroquímico. Se os gradientes de concentração e elétrico se opuserem, exercendo forças de mesma magnitude mas em direções contrárias, chegamos ao equilíbrio eletroquímico deste íon, também chamado de equilíbrio iônico. Neste equilíbrio, o movimento do íon para um lado é contraposto pelo movimento igual para o lado oposto e a resultante do fluxo do íon será zero.
O potencial de equilíbrio de um íon é a voltagem através da membrana capaz de impedir o movimento que ocorreria apenas pelo gradiente de concentração. O movimento de cargas gerado pelo gradiente de concentração gera uma alteração do potencial elétrico. Ou seja, cada íon que se desloca para o outro lado da membrana, leva consigo a sua carga, modificando eletricamente o outro compartimento. Se o fluxo continuar até que o movimento é impedido devido à força elétrica que se opõe a esse movimento, teremos alcançado o potencial de equilíbrio deste íon. Observe que, graças a essa força elétrica, as concentrações iônicas não chegam a se equilibrar no número de mols em ambos os lados. Na realidade, a força elétrica, contrária ao gradiente de concentração, contribui para o "desequilíbrio das concentrações dos ions". Por outro lado, podemos pensar que se não existir gradiente de concentração, não haverá fluxo de íons e o potencial de equilíbrio será zero também.
Por exemplo, o íon potássio se difunde para o LEC, uma vez que sua concentração é maior no LIC. À medida que esse movimento do K+ ocorre, o LEC vai ficando cada vez mais positivo e o LIC mais negativo, pelo déficit intracelular da carga positiva que está saindo. Quando a carga negativa intracelular for suficiente para impedir a saída do K+ , que ocorreria apenas pelo gradiente de concentração, esta voltagem é o potencial de equilíbrio do K+ . Este valor é de aproximadamente -90mV. Do mesmo modo, a carga positiva carregada pelo K+ se acumula no LEC e dificulta a saída de mais carga positiva.
Figura 3. Potencial de equilíbrio. Observe do lado esquerdo da figura que o K+ se desloca do LIC para o LEC, a favor de seu gradiente de concentração. Na parte direita da figura, se vê a força eletromotriz (emf) atuando no sentido contrário, empurrando o K + do LEC para o LIC, devido ao acúmulo de carga negativa no LIC e de carga positiva no LEC. Essa voltagem é o potencial de equilíbrio do K + . (Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Situa%C3%A7%C3%A3o_hipot%C3%A9tica_para_demonstra %C3%A7%C3%A3o_do_Potencial_de_Equil%C3%ADbrio.png).
Para pensar e pesquisar: No caso do Na+ , você acha que o potencial de equilíbrio deve ser uma voltagem de carga positiva ou negativa?
O potencial de equilíbrio iônico envolve as forças geradas pelo gradiente eletroquímico de um determinado íon. Embora em uma célula real tenhamos a influência de vários íons simultaneamente, é possível calcular o potencial de equilíbrio de cada íon, a partir da sua valência (z) e das suas concentrações intra (i) e extracelulares (e) na equação de Nernst.
Esta equação calcula o potencial de equilíbrio de cada íon, incluindo também temperatura absoluta (T), constante de Faraday (F), constante universal dos gases (R), além da valência (z) e o logaritmo natural (ln) da razão entre as concentrações intra (i) e extracelular do íon (e).
Em= RT/zF.ln [íon]e/ [íon]i
Você Sabia?
Que existem técnicas para examinar as propriedades de apenas um canal iônico? Em 1991, os pesquisadores Sakmann e Neher ganharam o prêmio Nobel de Fisiologia e Medicina, por terem desenvolvido a técnica chamada de patch clamping. Eles conseguiram isolar uma pequena parte da membrana (patch=retalho) e estudar o fluxo de íons por um canal apenas, medindo a corrente elétrica gerada por esse fluxo iônico.
Algumas células, como as musculares e os neurônios, conseguem gerar tipos específicos de potencial, com a capacidade de propagação a longas distâncias, chamados de potencial de ação. Por esta característica, estes são chamados de tecidos excitáveis, mas todas as células possuem uma diferença de cargas entre um lado e outro da membrana plasmática, o chamado potencial de repouso ou potencial de membrana em repouso elétrico (Figura 4). Talvez fosse melhor denominar este potencial de basal e não de repouso, uma vez que repouso dá ideia de que “não está acontecendo nada”, provavelmente em comparação com o “potencial de ação”. Na verdade, há um estado “estacionário”, relativamente constante, embora o fluxo de íons seja mais ou menos contínuo, uma vez que os gradientes são mantidos com gasto energético pela ATPase Na+K + . Se não houvesse o gasto energético e a ação desta ATPase, o sistema entraria em equilíbrio e os gradientes eletroquímicos seriam desfeitos
Figura 4. Potencial de membrana em repouso em um axônio (Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Resting_Potential.png)
Qual a origem do potencial de repouso?
O potencial de repouso é a diferença de potencial gerada pela distribuição de cargas na membrana de uma célula, incluindo todas as moléculas carregadas e íons de cada lado da membrana plasmática. Já vimos que essa diferença ocorre porque temos uma distribuição desigual de cargas e porque a membrana tem permeabilidade diferente para cada substância com carga. Considerando a influência desses fatores, o potencial de repouso ocorre devido a três principais razões:
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A presença de macromoléculas carregadas, como os ânions orgânicos das proteínas estão presentes no LIC mas não no LEC, uma vez que no líquido intersticial normalmente a concentração de proteínas é muito baixa ou nula. Isso contribui para o excesso de cargas negativas na face citoplasmática, uma vez que esses ânions não são difusíveis através da membrana, permanecendo no LIC.
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A membrana plasmática é muito mais permeável ao íon K+ do que ao íon Na+ . Isso significa que a membrana possui mais canais de vazamento para o potássio. Como seu gradiente eletroquímico o “empurra” para fora da célula, o íon potássio se move para o LEC, levando sua carga positiva. Isso contribui para o déficit de carga positiva intracelular. O íon sódio também vaza para o LIC, mas como a permeabilidade da membrana ao potássio é muito maior, acaba predominando o acúmulo de carga positiva no LEC.
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O íon potássio vai sair para o LEC levado sua carga positiva até que o LIC esteja tão negativo que dificulte sua saída, atingindo seu potencial de equilíbrio. Do mesmo modo, o íon sódio entra por vazamento, embora em menor quantidade. A tendência seria que em algum momento as concentrações de cada íon se igualassem nos dois lados da membrana. Porém, o transporte ativo adiciona energia e move os íons contra seus gradientes. Assim, a bomba Na+/K+ transporta estes íons de volta, mantendo suas diferenças de concentração iniciais. Ou seja, o íon Na+ que entrou a favor do gradiente de concentração, é retirado para o LEC pela bomba. Do mesmo modo, o íon K+ que saiu para o LEC é carregado de volta para o LIC pela bomba (Figura 5). Além disso, a bomba é eletrogênica, gera uma diferença de cargas, uma vez que carrega dois K+ para o LIC e três Na+ para o LEC (Figura 2).
Figura 5. Fluxo de íons através da membrana plasmática. Difusão de K+ e Na+ por canais iônicos, a favor de seus gradientes eletroquímicos, e pela bomba Na+ K + contra os gradientes (Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sodium-potassium_pump_and_diffusion.png).
Já vimos que a membrana plasmática é um isolante elétrico e o LIC e o LEC são os condutores elétricos. O fluxo de íons só vai ocorrer pelos canais iônicos ou transporte ativo. Revise o capítulo “Princípios da bioeletrogênese” para relembrar os tipos de canais iônicos presentes nas membranas. Brevemente, podemos dizer que os canais iônicos podem ser passivos, permitindo o vazamento contínuo desde que exista gradiente eletroquímico para o íon se difundir. Outros canais são fechados, e só abrirão a partir de um estímulo específico. Os principais estímulos são mediadores químicos (ligantes) e a voltagem da membrana, e os canais iônicos serão chamados de canais dependentes de ligante e canais dependentes de voltagem, respectivamente.
A membrana é muito fina e permite a interação das cargas através dela, de modo que as cargas excedentes acabam se aproximando da membrana de cada lado, sem que o restante do LIC e do LEC sejam afetados por essas diferenças de carga (Figura 4).
Para pensar e pesquisar: A bomba Na+ K + pode ser bloqueada pela ouabaína. O que você acha que aconteceria ao potencial de repouso se essa ATPase fosse bloqueada ou deixasse de funcionar por falta de ATP?
Para calcular o valor do potencial de repouso, é preciso considerar a influência de todos os íons que podem se difundir pela membrana. A equação de Goldman-Hodgkin-Katz (GHK) leva em consideração a permeabilidade da membrana a cada íon, além dos fatores já considerados na equação de Nernst (concentração intra e extracelular do íon e valência). Lembre-se que a equação de Nernst estima o potencial de equilíbrio de apenas um íon. Como a membrana em repouso tem maior permeabilidade aos íons sódio, potássio e cloreto, estes são os íons incluídos normalmente no cálculo do potencial de repouso.
Como a membrana em repouso é mais permeável ao íon potássio, ele influencia muito mais o potencial de repouso do que os outros íons. Por isso, o potencial de repouso (-70mV) é mais próximo ao potencial de equilíbrio do potássio (-95mV) do que do sódio (+61mV).
O cloreto tem o potencial de equilíbrio em -80mV, portanto, não contribui muito para o potencial de membrana pois tende a chegar ao equilíbrio rapidamente. Ele está mais concentrado no LEC mas é fortemente repelido pela carga negativa do LIC. Como não há transporte ativo do cloreto ele tende a se difundir para o meio intracelular e entrar em equilíbrio eletroquímico em um valor muito próximo do potencial de repouso. Os íons Cl se distribuem passivamente através da membrana, respondendo ao fluxo de potássio, sendo mais uma consequência do que causa do potencial de repouso. O íon cálcio está mais concentrado no LEC mas não interfere muito no potencial de repouso pois a membrana é pouco permeável a ele. Tanto o íon cloreto como o íon cálcio são importantes na sinalização elétrica gerada por alterações da permeabilidade da membrana em resposta a estímulos, quando os movimentos destes íons alteram o potencial de repouso.
Os valores do potencial de repouso podem variar de acordo com o tipo de célula, do tecido e da espécie estudada. Por exemplo, na célula muscular lisa, o potencial de repouso é de aproximadamente -55mV, no neurônio -70mV, no miocárdio de -80 a -90mV, no músculo esquelético de -80 a -90mV, na célula marcapasso -65mV, etc.
Você Sabia?
Você sabia que a concentração plasmática de íons pode alterar a excitabilidade das membranas plasmáticas? Quando as concentrações do íon cálcio estão baixas no plasma (hipocalcemia) a membrana se torna mais permeável aos íons Na+ , aumentando a excitabilidade da membrana. Ou seja, mais facilmente essa célula alcança o limiar e dispara um potencial de ação.
Como o potencial de repouso estabelece a separação de cargas em dois polos, positivo e negativo, nas superfícies externa e interna da membrana, respectivamente, se diz que a membrana em repouso está polarizada (Figura 6). As alterações do potencial de membrana promovidas por diferentes estímulos produzem voltagens que serão traduzidas em sinais elétricos pela célula. Quando a célula está polarizada, o potencial de membrana é um valor negativo, entre -60 e -90 mV. Ao receber um estímulo que altera sua permeabilidade iônica, a membrana poderá se tornar mais polarizada, com o potencial ainda mais negativo que o repouso, e isso representa uma hiperpolarização. Se, por outro lado, a membrana responder ao estímulo tornando-se menos negativa, dizemos que houve uma despolarização. Quando a membrana retorna ao seu valor de potencial de repouso, se chama de repolarização (Figura 6).
Figura 6. Modificações do potencial de membrana em repouso (polarização). (Fonte: Aprendendo Fisiologia).
Já vimos que todas as células apresentam essa diferença de cargas chamada de potencial de repouso. Qualquer estímulo que modificar a permeabilidade da membrana aos íons, pode alterar seu potencial elétrico. Cada célula responde de modo diferente aos estímulos. Lembre-se que vários estados eletroquímicos podem ocorrer ao mesmo tempo, em diferentes pontos da membrana de uma mesma célula muscular ou neuronal, os tecidos chamados de excitáveis. Enquanto uma região da membrana da célula está em repouso (polarizada), outra pode apresentar um potencial sublimiar e, ainda outra, um potencial de ação (impulso elétrico). Vamos entender melhor como isso se dá.
As pequenas variações do potencial de membrana tendem a se dissipar rapidamente, pois os íons “escapam” pela membrana à medida que se afastam do ponto onde foi gerada a alteração da permeabilidade ao íon, ou seja, a abertura ou fechamento do canal iônico. A transmissão passiva das diferenças de voltagem ao longo da membrana é chamada de condução eletrotônica. Na condução eletrotônica, o sinal decai exponencialmente com a distância e a corrente se dissipa pela membrana. Por esta razão, esses potenciais não possuem efeito a distâncias maiores e seus efeitos são essencialmente locais (Figura 7). O axônio que possui mielina, a qual é isolante elétrico, conduz os potenciais com maior velocidade, pois ocorre menos dissipação de corrente pela membrana. Mais adiante vamos voltar a falar do papel da mielina com mais detalhes.
Lembre-se que a membrana plasmática atua como isolante elétrico e o citoplasma e o LEC são ambientes aquosos condutores de cargas. Apesar disso, tanto a membrana como o citoplasma promovem uma resistência à passagem da corrente elétrica. Como a velocidade de condução eletrotônica varia inversamente com a resistência citoplasmática, o aumento do diâmetro do axônio aumenta a velocidade de condução, pois diminui a resistência ao fluxo de cargas pelo citoplasma.
Figura 7. Dissipação das cargas pela membrana, diminuindo o potencial com a distância. Observa-se um axônio com íons sódio escapando para o LEC por meio de canais e bombas (Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Propagation_d%27un_potentiel_d%C3%A9cr%C3%A9mentiel. svg)
Apesar de se dissiparem com o aumento da distância, essas variações do potencial de membrana são sinais elétricos muito importantes, como nos receptores sensoriais ou na membrana pós-sináptica, por exemplo. Esses potenciais são chamados de graduados, pois sua amplitude é proporcional à intensidade do estímulo (Figura 8).
Na Figura 8, pode-se ver que o potencial de ação tem sempre a mesma amplitude e duração, independente da intensidade do estímulo, ou seja, não é graduado. Em cada célula, o potencial de ação será sempre igual, desde que o estímulo promova uma alteração da voltagem que atinja o limiar. Por isso, se diz que o potencial de ação é tudo-ou-nada.
Outra característica importante dos potenciais graduados é que eles não possuem limiar. Mesmo que o estímulo tenha muito baixa intensidade, a membrana poderá responder com uma pequena variação do potencial de repouso. Por isso, estes potenciais também são chamados de sublimiares. Os potenciais sublimiares podem ser iniciados sempre que a permeabilidade da membrana aos íons seja alterada, tanto por estímulos químicos dos ligantes, estímulos mecânicos, elétricos, térmicos, etc. Já o potencial de ação, só ocorre se o estímulo provocar uma alteração do potencial de membrana chamada de potencial limiar (Figura 8). Isso ocorre porque o potencial de ação somente acontece quando os canais dependentes de voltagem são ativados por essa voltagem limiar.
Figura 8. Potenciais sublimiares (graduados) são proporcionais à intensidade do estímulo, enquanto o potencial de ação é tudo-ou-nada. Observe o potencial limiar, que dá início ao potencial de ação (Fonte: Aprendendo Fisiologia).
Para pensar e pesquisar: Quando as concentrações de K estão altas no plasma (hipercalemia/hiperpotassemia), consequentemente no líquido intersticial também estão altas. Qual a influência disso no potencial de repouso da célula?
Muitas vezes, os potenciais graduados são desencadeados por um mediador químico, como um neurotransmissor liberado em uma sinapse. Neste caso, o neurotransmissor se liga ao seu receptor na membrana do neurônio pós-sináptico, abrindo um canal iônico e permitindo a entrada ou saída do íon da célula. Já se pode imaginar que há uma grande variedade de possibilidades de íons e de canais, de modo que esses potenciais também variam muito, podendo ser despolarizantes ou hiperpolarizantes. Os potenciais pós-sinápticos despolarizantes aproximam o potencial da membrana do potencial limiar, por isso são chamados de potenciais pós-sinapticos excitatórios (PEPS). Os potenciais hiperpolarizantes são aqueles que deixam o potencial da membrana ainda mais negativo, afastando-se do limiar. Estes são chamados de potenciais pós-sinápticos inibitórios (PIPS). O que vai determinar qual potencial pós-sináptico vai ocorrer é o neurotransmissor liberado na fenda sináptica e o tipo de receptor.
O potencial graduado, ou sublimiar, também tem a característica de poder ser somado quando um segundo estímulo for efetuado próximo do primeiro. A somação temporal é quando o segundo estímulo ocorre no mesmo local mas muito próximo do primeiro no tempo, antes que o potencial retorne à voltagem do potencial de repouso. Já a somação espacial envolve dois estímulos gerados por neurônios pré-sinápticos próximos no espaço (Figura 9). Se o segundo estímulo ocorrer um pouco depois ou um pouco mais distante do primeiro, não será possível ocorrer somação, pois a alteração do potencial causada pelo primeiro estímulo já retornou aos valores do repouso. Veja na Figura 8 os estímulos causados pelos neurônios pré-sinápticos A e B. O local do estímulo B não é próximo o suficiente e não há como somar com o potencial que ocorreu pelo estímulo A, pois essas variações do potencial de membrana são pequenas em amplitude e bastante breves.
Figura 9. Somação de potenciais sublimiares. A: estímulo do neurônio A. A+B: estímulo simultâneo no neurônio A e no neurônio B (estímulos em locais distintos, mas próximos o suficiente para serem somados). (Fonte: Aprendendo Fisiologia)
A consequência da somação é que dois estímulos sublimiares “juntos”, ou melhor, somados, podem alcançar a voltagem limiar e desencadearem um potencial de ação. Isso acontece nos neurônios pós-sinápticos, que recebem inúmeras sinapses e cada sinapse gera um potencial pós-sináptico com amplitude baixa. Se os potenciais de várias sinapses se somarem, poderá ocorrer uma alteração do potencial de membrana capaz de alcançar o limiar de ativação de canais dependentes de voltagem (Figura 9).
Os potenciais sublimiares também podem estar presentes em um receptor sensorial, onde também podem ser somados, desde que os estímulos recebidos sejam suficientemente próximos no tempo ou no espaço. É importante também que ele seja graduado, para codificar a intensidade do estímulo, pois a sua amplitude é proporcional à intensidade do estímulo. O potencial gerado no receptor sensorial é chamado de potencial receptor e possui as mesmas propriedades dos potenciais sublimiares já descritas.
Os estímulos podem ser sublimiares, quando não atingem o limiar, limiares ou supralimiares (acima do limiar). Mas o que é limiar?
Limiar é uma voltagem da membrana, uma alteração do potencial de repouso, que corresponde mais ou menos a 15 a 20 mV menos negativo que esse potencial. Ele é chamado de limiar porque é uma voltagem mínima capaz de abrir determinados canais dependentes de voltagem (Figura 10). Ou seja, esse estímulo que a célula recebeu foi capaz de alterar a permeabilidade da membrana a esse íon modificando a voltagem. Observe na Figura 10, que o íon se desloca pelo canal a favor do seu gradiente eletroquímico
Figura 10. Canais dependentes de voltagem. Observe que na voltagem de -70mV o canal está fechado e se abre com voltagem de -50mV (Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:1218_Voltagegated_Channels.jpg).
Cada canal dependente de voltagem tem suas características e sua voltagem limiar para abertura. Nos neurônios, há canais dependentes de voltagem de Na+, K+ e Ca++. Os canais de cálcio estão localizados no terminal axonal e são importantes para que ocorra a exocitose do neurotransmissor. O íon cálcio é indispensável para ativar as proteínas SNARE (Figura 11) e promover a aproximação das vesículas secretoras, contendo os neurotransmissores, da membrana plasmática. Após a ancoragem das vesículas na membrana ocorre a fusão da membrana da vesícula com a membrana plasmática e a liberação do neurotransmissor na fenda sináptica (Figura 12).
Figura 11. Exocitose. Observe que as proteínas SNARE da membrana da vesícula e da membrana plasmática se unem e puxam a vesícula secretora até que esta se funda com a membrana plasmática (Fonte: Pré-Fisiologia).
Figura 12. Sinapse química. Observe as vesículas sinápticas contendo os neurotransmissores e sua liberação por exocitose na fenda sináptica. Para isso os canais de cálcio dependentes de voltagem do terminal pré-sináptico são abertos para que o cálcio entre e ative as proteínas necessárias para ocorrer a exocitose (Fonte: Aprendendo Fisiologia).
Os canais de Na+ e K+ dependentes de voltagem localizam-se principalmente no segmento inicial do axônio e nos nodos de Ranvier em axônios mielinizados (Figura 13). Esses canais dependentes de voltagem são os responsáveis por iniciar o potencial de ação neuronal. Por isso, os locais onde há maior concentração desses canais são os locais onde os potenciais de ação são gerados.
Figura 13. Estrutura de um neurônio mielinizado. O segmento inicial do axônio e os nodos de Ranvier possuem grande concentração de canais dependentes de voltagem e são os locais onde ocorrem os potenciais de ação (Fonte: Aprendendo Fisiologia).
Os dendritos são as estruturas especializadas em receber sinapses, podendo ter projeções chamadas de espinhos dendríticos, que aumentam a superfície de ligação com os neurônios pré-sinápticos. Nesses dendritos pós-sinápticos localizam-se os receptores para os neurotransmissores liberados pelo neurônio pré-sináptico. Estes se difundem pela fenda sináptica e produzem os potenciais pós-sinápticos ao se ligarem aos seus receptores, como já vimos (Figura 14). A sinapse axodendrítica é a mais comum, mas podem ocorrer sinapses com outras partes do neurônio, como as axossomáticas ou axoaxônicas. Estamos falando aqui de transmissão em uma sinapse química, sendo o mediador químico da sinapse o neurotransmissor. Por isso, o canal envolvido nos potenciais pós-sinápticos são canais dependentes de ligante, não de voltagem.
Figura 14. Transmissão sináptica axodendrítica. O terminal do axônio pré-sináptico libera os neurotransmissores na fenda sináptica e estes se ligam aos receptores no dendrito do neurônio póssináptico, onde ocorrem os potenciais pós-sinápticos (Fonte: Aprendendo Fisiologia).
O receptor que vai reconhecer o neurotransmissor na membrana pós-sináptica pode ser ele mesmo um canal (receptor ionotrópico) ou pode estar conectado a uma via intracelular de sinalização (receptor metabotrópico), que quando ativada vai levar à modificação da permeabilidade iônica da membrana, abrindo ou fechando um canal iônico (Figura 15).
Figura 15. Receptores pós-sinápticos. Observe que na membrana pós-sináptica o neurotransmissor vai encontrar seu receptor, que pode ser ionotrópico ou metabotrópico (Fonte: Aprendendo Fisiologia).
O Potencial de ação é um tipo especial de potencial da membrana, caracterizado por atingir distâncias maiores ao longo do axônio, ao contrário dos potenciais sublimiares. Já vimos algumas diferenças entre potenciais sublimiares e potenciais de ação, mas elas estão resumidas no final do texto.
Observe na Figura 16, as fases do potencial de ação neuronal e o potencial limiar, em aproximadamente -55mV (linha azul). Nesta figura podemos ver vários estímulos sublimiares (em amarelo), que não geram o potencial de ação.
Após atingir a voltagem limiar, ocorre a fase de despolarização, ou ascendente. Nesta fase abrem-se canais de sódio dependentes de voltagem e o íon sódio se desloca para o meio intracelular. Ao carregar sua carga positiva para o interior da célula, o íon Na+ deixa o potencial da membrana menos negativo, despolarizando a membrana. Essa entrada de íons sódio ocorre em grande quantidade, uma vez que tanto o gradiente de concentração como o elétrico são favoráveis ao seu influxo. Ao mesmo tempo que se abrem canais de sódio, os canais de potássio dependentes de voltagem também se abrem, porém essa abertura ocorre mais lentamente (Figura 17).
Figura 16. Potencial de ação no neurônio. Observe que a fase ascendente do potencial inicia assim que a voltagem limiar é alcançada. (Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Potencial_de_acao.png).
Ao contrário do íon sódio, que entra na célula quando seus canais se abrem, a abertura de canais de potássio faz com que este íon saia da célula, a favor do seu gradiente. Com o efluxo do potássio, ocorre saída de carga positiva da célula e começa a fase descendente do potencial de ação. Esta fase é chamada também de repolarização, uma vez que o potencial de membrana retorna ao valor polarizado (negativo) do potencial de repouso. Observe que em apenas cerca de 1 ms o potencial passa pela fase de despolarização e repolarização.
Como os canais dependentes de voltagem do potássio são lentos para abrir e também para fechar (Figura 17), muitas vezes o íon potássio continua saindo, mesmo quando o potencial de repouso já foi restaurado. Esta fase, em que o potencial fica mais negativo do que o potencial de repouso, se chama hiperpolarização.
Na figura 17, estão representadas as permeabilidades da membrana aos íons sódio e potássio no repouso e durante as fases do potencial de ação. Observe que no repouso a condutância da membrana ao potássio é maior do que ao íon sódio. Essa permeabilidade maior ao potássio no repouso é responsável, em grande parte, pelos valores negativos do potencial de repouso.
Quando a célula é estimulada e a voltagem limiar é alcançada, a condutância ao sódio aumenta abrupta e intensamente de modo que a despolarização é muito rápida e ampla. Com isso, o potencial da membrana vai se tornando menos negativo, até que este ultrapasse o zero (overshoot) e chegue a valores positivos. Isso ocorre até atingir um pico, voltagem em que os canais de sódio ficam inativados. Na Figura 17, pode-se ver a condutância ao sódio diminui a partir desse ponto. Isso se deve a uma característica dos canais dependentes de voltagem do sódio, que possuem dois portões ou comportas (Figura 18).
Figura 17. Condutância da membrana durante o potencial de ação. Observe que em repouso a condutância ao íon potássio é maior do que a do íon sódio. (Fonte: Aprendendo Fisiologia).
Quando o neurônio recebe o estímulo, o canal de sódio dependente de voltagem abre a comporta de ativação e o íon pode passar pelo canal. Neste momento as duas comportas estão abertas. Ao atingir o pico, a comporta de inativação se fecha e a de ativação permanece aberta. Neste estado, o íon não pode passar e o canal não pode responder a novo estímulo. Este período é chamado de período refratário absoluto. Mesmo com um estímulo limar ou supralimiar, a comporta de ativação não pode abrir, pois já está aberta. Ainda assim, não há passagem de íons pelo canal, pois a comporta de inativação bloqueia o fluxo iônico. O canal poderá voltar a responder a um estímulo quando a voltagem da membrana repolarizar, as comportas de inativação se abrirem e parte das comportas de ativação já estiverem fechadas. A partir deste ponto, inicia o período refratário relativo, pois parte dos canais poderão abrir em resposta a um estímulo supralimiar.
Figura 18. Canal de sódio dependente de voltagem. O canal fica inativado a uma determinada voltagem, impedindo o canal de responder a um novo estímulo (período refratário). (Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sodium_channel_open_closed.jpg).
Para pensar e pesquisar: Os anestésicos locais inibem os canais de sódio dependentes de voltagem. Você acha que o bloqueio desses canais poderia levar à analgesia e anestesia local por qual mecanismo fisiológico?
Propriedades do potencial de ação
Uma das características mais importantes do potencial de ação é a sua propagação para distâncias relativamente grandes. Isso se deve a sua propriedade de autorregeneração. Ou seja, quando ocorre a entrada de íons sódio e despolariza a membrana, essas cargas positivas geram abertura de outros canais de sódio na membrana fazendo com que cada vez mais íons sódio entrem no LIC. Este é um caso típico de retroalimentação positiva, que é responsável pela rapidez com que o potencial atinge o seu pico.
Além de contribuir para a despolarização de cada potencial de ação, a entrada de grande quantidade de íons sódio depolariza também os espaços adjacentes ao local do potencial de ação, uma vez que se difundem no citoplasma. Desta forma, inicia-se um novo potencial de ação ao lado do anterior, e assim, sucessivamente (Figura 19, 20 e 21).
Figura 19. Propagação de um potencial de ação. Observe que o axônio não é mielinizado e o potencial de ação se propaga em todas as direções (Fonte: Aprendendo Fisiologia).
Figura 20. Propagação do potencial de ação em axônio sem mielina. Observe que as cargas positivas se deslocam em direção às negativas tanto no LIC como no LEC (Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Action_potential_propagation_in_unmyelinated_axon.gif).
A região que foi despolarizada, logo é repolarizada, porém a propagação do potencial de ação se dá no sentido anterógrado (do início do axônio em direção ao terminal axonal), porque a região onde acabou de acontecer o potencial, que está repolarizando, ainda está em período refratário e não pode gerar novo potencial de ação. Após a repolarização e quando os canais de sódio dependentes de voltagem já não estiverem inativados, novo potencial pode ser gerado nesse ponto.
Já sabemos que quanto maior o diâmetro do axônio, menor a resistência à passagem de cargas elétricas e, portanto, maior a velocidade de propagação do potencial de ação. Na verdade, o potencial não se propaga, mas é capaz de gerar outro potencial ao lado dele, que gera outro, e assim por diante, até o final do axônio.
Os potenciais sublimiares não se propagam porque não são capazes de gerar novo potencial sem novo estímulo, por isso se dissipam. Após a despolarização e a repolarização, voltam ao repouso e só ocorrerá novo potencial se outro estímulo alterar a permeabilidade da membrana novamente, abrir canais, etc recomeçando o processo.
Figura 21. Propagação do potencial de ação ao longo do axônio. Observe que a propagação se dá no sentido anterógrado, do corpo ao terminal axônico. (Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Action_Potential.gif
Em neurônios que possuem a bainha de mielina envolvendo seus axônios, a propagação dos potenciais de ação é ainda mais rápida porque em vez de gerar um potencial ao lado do outro ao longo de todo o axônio, como ocorre nos axônios sem mielina, nos axônios mielinizados o potencial ocorre apenas nos nodos de Ranvier porque a mielina é isolante elétrica. Isso faz com que não se percam cargas pela membrana e permite o que se chama de condução saltatória (Figura 22, 23 e 24). Nesses axônios mielinizados, o potencial só vai ocorrer nos nodos de Ranvier, como se o potencial estivesse “saltando” de um nodo ao outro, já que no espaço envolto pela mielina não é possível passagem de íons de um lado a outro da membrana.
Figura 22. Condução saltatória em axônio mielinizado. (Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mielina.PNG).
Figura 23. Condução saltatória. Propagação do potencial de ação saltando em cada nodo de Ranvier Observe que as cargas se movem por dentro e por fora do axônio (Fonte: Aprendendo Fisiologia).
Figura 24. Condução saltatória. Propagação do potencial de ação saltando em cada nodo de Ranvier Observe que as cargas se movem por dentro e por fora do axônio, gerando novo potencial de ação no próximo nodo (Fonte: Aprendendo Fisiologia).
Você Sabia?
Você sabia que quando os bebês nascem o sistema nervoso não está com seu desenvolvimento completo? A falta da bainha de mielina e a imaturidade de conexões e sinapses faz com que a criança demore algum tempo para seu completo desenvolvimento neuromotor, quando poderão executar movimentos suaves e coordenados.
Resumo
O potencial de repouso é causado por uma diferença de cargas adjacentes à superfície da membrana plasmática, sendo a face citoplasmática mais negativa do que a extracelular. Isso ocorre porque a membrana é muito permeável ao íon potássio, que sai da célula deixando o interior mais negativo. A célula possui ânions de moléculas que não passam na membrana e permanecem no LIC, contribuindo para as cargas negativas intracelulares. A bomba Na+K + também contribui para o potencial e repouso, uma vez que transporta dois K+ para o LIC e 3 Na+ para o LEC.
As modificações desse potencial de repouso podem ser no sentido da despolarização, quando fica menos negativo, hiperpolarização, quando fica mais negativo ou repolarização, quando retorna ao valor do potencial de repouso.
Os potenciais sublimiares não podem se propagar; possuem efeito localizado. Não atingem o limiar mas podem ser somados, desde que recebam estímulos próximos no tempo ou no espaço. Envolvem canais dependentes de ligante ou de estímulo sensorial químico, mecânico ou térmico. Os potenciais sublimiares são dependentes de canais abertos por ligante, e poderão causar despolarização ou hiperpolarização. Ocorrem geralmente no neurônio pós-sináptico (PEPS ou PIPS) ou em receptores sensoriais (potencial receptor).
O potencial de ação se autorregenera, propagando-se por grandes distâncias, mas não pode ser somado pois possui período refratário. Necessita de uma voltagem limiar de ativação pois usa canais dependentes de voltagem. A propagação do potencial de ação será mais rápida quanto maior o diâmetro do axônio e se o axônio for mielinizado.
Propagação do potencial de ação, ponto a ponto, em axônio sem mielina.