Potencial de membrana - Membrane potential

As diferenças nas concentrações de íons em lados opostos de uma membrana celular levam a uma voltagem chamada potencial de membrana . Os valores típicos do potencial de membrana estão na faixa de –40 mV a –70 mV. Muitos íons têm um gradiente de concentração através da membrana, incluindo o potássio (K + ), que está em alta concentração dentro e em baixa concentração fora da membrana. Os íons sódio (Na + ) e cloreto (Cl - ) estão em altas concentrações na região extracelular e baixas na intracelularregiões. Esses gradientes de concentração fornecem a energia potencial para conduzir a formação do potencial de membrana. Esta voltagem é estabelecida quando a membrana tem permeabilidade a um ou mais íons. No caso mais simples, ilustrado aqui, se a membrana é seletivamente permeável ao potássio, esses íons carregados positivamente podem se difundir no gradiente de concentração para o exterior da célula, deixando para trás cargas negativas não compensadas. Essa separação de cargas é o que causa o potencial de membrana. Observe que o sistema como um todo é eletro-neutro. As cargas positivas não compensadas fora da célula e as cargas negativas não compensadas dentro da célula se alinham fisicamente na superfície da membrana e se atraem através da bicamada lipídica . Assim, o potencial de membrana está fisicamente localizado apenas na vizinhança imediata da membrana. É a separação dessas cargas através da membrana que é a base da voltagem da membrana. Este diagrama é apenas uma aproximação das contribuições iônicas para o potencial de membrana. Outros íons, incluindo sódio, cloreto, cálcio e outros, desempenham um papel menor, embora tenham fortes gradientes de concentração, porque têm permeabilidade mais limitada do que o potássio. Chave : Pentágonos azuis - íons de sódio; Quadrados roxos - íons de potássio; Círculos amarelos - iões cloreto; Retângulos laranja - ânions impermeáveis ​​à membrana (eles surgem de uma variedade de fontes, incluindo proteínas). A grande estrutura roxa com uma seta representa um canal de potássio transmembrana e a direção do movimento líquido do potássio.

O potencial de membrana (também potencial de transmembrana ou voltagem de membrana ) é a diferença de potencial elétrico entre o interior e o exterior de uma célula biológica . Para o exterior da célula, os valores típicos de potencial de membrana, normalmente dado em unidades de mili volts e denotado como mV, gama de -40 mV a -80 mV.

Todas as células animais são circundadas por uma membrana composta por uma bicamada lipídica com proteínas embutidas nela. A membrana serve tanto como isolante quanto como barreira de difusão para o movimento dos íons . As proteínas transmembrana , também conhecidas como proteínas transportadoras de íons ou proteínas de bomba de íons , empurram ativamente os íons através da membrana e estabelecem gradientes de concentração através da membrana, e os canais iônicos permitem que os íons se movam através da membrana nesses gradientes de concentração. As bombas de íons e os canais de íons são eletricamente equivalentes a um conjunto de baterias e resistores inseridos na membrana e, portanto, criam uma tensão entre os dois lados da membrana.

Quase todas as membranas plasmáticas têm um potencial elétrico através delas, com o interior geralmente negativo em relação ao exterior. O potencial de membrana tem duas funções básicas. Primeiro, permite que uma célula funcione como uma bateria, fornecendo energia para operar uma variedade de "dispositivos moleculares" embutidos na membrana. Em segundo lugar, em células eletricamente excitáveis , como neurônios e células musculares , é usado para transmitir sinais entre diferentes partes de uma célula. Os sinais são gerados pela abertura ou fechamento dos canais iônicos em um ponto da membrana, produzindo uma mudança local no potencial da membrana. Essa mudança no campo elétrico pode ser rapidamente detectada por canais iônicos adjacentes ou mais distantes na membrana. Esses canais iônicos podem então abrir ou fechar como resultado da mudança potencial, reproduzindo o sinal.

Em células não excitáveis ​​e em células excitáveis ​​em seus estados basais, o potencial de membrana é mantido em um valor relativamente estável, denominado potencial de repouso . Para os neurônios, os valores típicos do potencial de repouso variam de –70 a –80 milivolts; ou seja, o interior de uma célula tem uma voltagem de linha de base negativa de um pouco menos de um décimo de volt. A abertura e o fechamento dos canais iônicos podem induzir um afastamento do potencial de repouso. Isso é chamado de despolarização se a voltagem interna se tornar menos negativa (digamos de -70 mV a -60 mV), ou uma hiperpolarização se a voltagem interna se tornar mais negativa (digamos de -70 mV a -80 mV). Em células excitáveis, uma despolarização suficientemente grande pode evocar um potencial de ação , no qual o potencial de membrana muda rápida e significativamente por um curto período de tempo (da ordem de 1 a 100 milissegundos), muitas vezes invertendo sua polaridade. Os potenciais de ação são gerados pela ativação de certos canais iônicos dependentes de voltagem .

Nos neurônios, os fatores que influenciam o potencial de membrana são diversos. Eles incluem vários tipos de canais de íons, alguns dos quais são controlados quimicamente e alguns dos quais são controlados por voltagem. Como os canais iônicos dependentes de voltagem são controlados pelo potencial de membrana, enquanto o potencial de membrana em si é influenciado por esses mesmos canais iônicos, surgem circuitos de feedback que permitem dinâmicas temporais complexas, incluindo oscilações e eventos regenerativos, como potenciais de ação.

Base física

O potencial de membrana em uma célula deriva basicamente de dois fatores: força elétrica e difusão. A força elétrica surge da atração mútua entre partículas com cargas elétricas opostas (positiva e negativa) e da repulsão mútua entre partículas com o mesmo tipo de carga (ambas positivas ou negativas). A difusão surge da tendência estatística das partículas de se redistribuir de regiões onde estão altamente concentradas para regiões onde a concentração é baixa.

Voltagem

Campo elétrico (setas) e contornos de tensão constante criados por um par de objetos com cargas opostas. O campo elétrico está em ângulo reto com os contornos da tensão, e o campo é mais forte onde o espaçamento entre os contornos é menor.

Voltagem, que é sinônimo de diferença no potencial elétrico , é a capacidade de conduzir uma corrente elétrica através de uma resistência. Na verdade, a definição mais simples de uma tensão é dada pela lei de Ohm : V = IR, onde V é a tensão, I é a corrente e R é a resistência. Se uma fonte de tensão, como uma bateria, for colocada em um circuito elétrico, quanto maior a tensão da fonte, maior será a quantidade de corrente que ela conduzirá através da resistência disponível. O significado funcional da tensão reside apenas nas diferenças de potencial entre dois pontos em um circuito. A ideia de uma voltagem em um único ponto não tem sentido. É convencional em eletrônica atribuir uma tensão de zero a algum elemento do circuito escolhido arbitrariamente e, em seguida, atribuir tensões para outros elementos medidos em relação a esse ponto zero. Não há significado em qual elemento é escolhido como o ponto zero - a função de um circuito depende apenas das diferenças e não das tensões em si . No entanto, na maioria dos casos e por convenção, o nível zero é geralmente atribuído à parte de um circuito que está em contato com o terra.

O mesmo princípio se aplica à voltagem na biologia celular. No tecido eletricamente ativo, a diferença de potencial entre quaisquer dois pontos pode ser medida inserindo um eletrodo em cada ponto, por exemplo, um dentro e um fora da célula, e conectando ambos os eletrodos aos condutores do que é, em essência, um voltímetro especializado. Por convenção, o valor potencial zero é atribuído ao exterior da célula e o sinal da diferença de potencial entre o exterior e o interior é determinado pelo potencial do interior em relação ao zero exterior.

Em termos matemáticos, a definição de tensão começa com o conceito de campo elétrico E , um campo vetorial que atribui magnitude e direção a cada ponto no espaço. Em muitas situações, o campo eléctrico é um campo conservativo , o que significa que ele pode ser expresso como a inclinação de uma função escalar V , isto é, E = -∇ V . Este campo escalar V é conhecido como distribuição de tensão. Observe que a definição permite uma constante arbitrária de integração - é por isso que os valores absolutos de voltagem não são significativos. Em geral, os campos elétricos podem ser tratados como conservadores apenas se os campos magnéticos não os influenciarem significativamente, mas essa condição geralmente se aplica bem ao tecido biológico.

Como o campo elétrico é o gradiente da distribuição de voltagem, mudanças rápidas na voltagem em uma pequena região implicam em um forte campo elétrico; ao contrário, se a voltagem permanecer aproximadamente a mesma em uma grande região, os campos elétricos nessa região devem ser fracos. Um forte campo elétrico, equivalente a um forte gradiente de voltagem, implica que uma forte força é exercida sobre qualquer partícula carregada que se encontre na região.

Íons e as forças que conduzem seu movimento

A schematic diagram of two beakers, each filled with water (light-blue) and a semipermeable membrane represented by a dashed vertical line inserted into the beaker dividing the liquid contents of the beaker into two equal portions. The left-hand beaker represents an initial state at time zero, where the number of ions (pink circles) is much higher on one side of the membrane than the other. The right-hand beaker represents the situation at a later time point, after which ions have flowed across the membrane from the high to low concentration compartment of the beaker so that the number of ions on each side of the membrane is now closer to equal.
Os íons (círculos rosa) fluirão através de uma membrana da concentração mais alta para a concentração mais baixa (descendo um gradiente de concentração), causando uma corrente. No entanto, isso cria uma voltagem através da membrana que se opõe ao movimento dos íons. Quando essa tensão atinge o valor de equilíbrio, os dois se equilibram e o fluxo de íons para.

Sinais elétricos dentro de organismos biológicos são, em geral, impulsionados por íons . Os cátions mais importantes para o potencial de ação são o sódio (Na + ) e o potássio (K + ). Ambos são cátions monovalentes que carregam uma única carga positiva. Os potenciais de ação também podem envolver cálcio (Ca 2+ ), que é um cátion divalente que carrega uma carga positiva dupla. O ânion cloreto (Cl - ) desempenha um papel importante nos potenciais de ação de algumas algas , mas desempenha um papel insignificante nos potenciais de ação da maioria dos animais.

Os íons atravessam a membrana celular sob duas influências: difusão e campos elétricos . Um exemplo simples em que duas soluções - A e B - são separadas por uma barreira porosa ilustra que a difusão garantirá que elas eventualmente se misturem em soluções iguais. Essa mistura ocorre devido à diferença em suas concentrações. A região com alta concentração se difundirá em direção à região com baixa concentração. Para estender o exemplo, deixe a solução A ter 30 íons de sódio e 30 íons de cloreto. Além disso, deixe a solução B ter apenas 20 íons de sódio e 20 íons de cloreto. Assumindo que a barreira permite que ambos os tipos de íons viajem através dela, então um estado estacionário será alcançado em que ambas as soluções têm 25 íons de sódio e 25 íons de cloreto. Se, no entanto, a barreira porosa é seletiva para os íons que são deixados passar, então a difusão por si só não determinará a solução resultante. Voltando ao exemplo anterior, vamos agora construir uma barreira que é permeável apenas aos íons de sódio. Agora, apenas o sódio pode se difundir através da barreira de sua concentração mais alta na solução A para a concentração mais baixa na solução B. Isso resultará em um maior acúmulo de íons de sódio do que os íons de cloreto na solução B e um número menor de íons de sódio do que íons cloreto na solução A.

Isso significa que há uma carga líquida positiva na solução B da concentração mais alta de íons de sódio carregados positivamente do que de íons de cloreto carregados negativamente. Da mesma forma, há uma carga líquida negativa na solução A da maior concentração de íons cloreto negativos do que íons sódio positivos. Uma vez que cargas opostas se atraem e cargas semelhantes se repelem, os íons agora também são influenciados por campos elétricos, bem como por forças de difusão. Portanto, os íons de sódio positivos terão menos probabilidade de viajar para a solução B, agora mais positiva, e permanecer na solução A, agora mais negativa. O ponto em que as forças dos campos elétricos neutralizam completamente a força devida à difusão é chamado de potencial de equilíbrio. Nesse ponto, o fluxo líquido do íon específico (neste caso, sódio) é zero.

Membranas de plasma

A membrana celular, também chamada de membrana plasmática ou plasmalema, é uma bicamada lipídica semipermeável comum a todas as células vivas. Ele contém uma variedade de moléculas biológicas, principalmente proteínas e lipídios, que estão envolvidos em uma vasta gama de processos celulares.

Cada célula é envolvida por uma membrana plasmática , que tem a estrutura de uma bicamada lipídica com muitos tipos de moléculas grandes embutidas nela. Por ser composta por moléculas lipídicas, a membrana plasmática possui intrinsecamente uma alta resistividade elétrica, ou seja, uma baixa permeabilidade intrínseca aos íons. No entanto, algumas das moléculas embutidas na membrana são capazes de transportar íons ativamente de um lado da membrana para o outro ou de fornecer canais através dos quais eles podem se mover.

Na terminologia elétrica, a membrana plasmática funciona como um resistor e um capacitor combinados . A resistência surge do fato de que a membrana impede o movimento de cargas através dela. A capacitância surge do fato de que a bicamada lipídica é tão fina que um acúmulo de partículas carregadas em um lado dá origem a uma força elétrica que puxa as partículas com carga oposta para o outro lado. A capacitância da membrana é relativamente afetada pelas moléculas que estão embutidas nela, então ela tem um valor mais ou menos invariante estimado em cerca de 2 μF / cm 2 (a capacitância total de um pedaço de membrana é proporcional à sua área). A condutância de uma bicamada lipídica pura é tão baixa, por outro lado, que em situações biológicas é sempre dominada pela condutância de vias alternativas fornecidas por moléculas incorporadas. Assim, a capacitância da membrana é mais ou menos fixa, mas a resistência é altamente variável.

A espessura de uma membrana plasmática é estimada em cerca de 7 a 8 nanômetros. Como a membrana é muito fina, não é necessária uma voltagem transmembrana muito grande para criar um forte campo elétrico dentro dela. Os potenciais de membrana típicos em células animais são da ordem de 100 milivolts (ou seja, um décimo de volt), mas os cálculos mostram que isso gera um campo elétrico próximo ao máximo que a membrana pode sustentar - calculou-se que uma voltagem uma diferença muito maior do que 200 milivolts pode causar ruptura dielétrica , ou seja, formação de arco através da membrana.

Difusão e transporte facilitados

Difusão facilitada nas membranas celulares, mostrando canais iônicos e proteínas transportadoras

A resistência de uma bicamada lipídica pura à passagem de íons é muito alta, mas as estruturas embutidas na membrana podem aumentar muito o movimento do íon, ativa ou passivamente , por meio de mecanismos chamados de transporte e difusão facilitados . Os dois tipos de estrutura que desempenham os papéis mais importantes são os canais iônicos e as bombas iônicas , ambos geralmente formados a partir de conjuntos de moléculas de proteínas. Os canais de íons fornecem passagens através das quais os íons podem se mover. Na maioria dos casos, um canal iônico é permeável apenas a tipos específicos de íons (por exemplo, sódio e potássio, mas não cloreto ou cálcio) e, às vezes, a permeabilidade varia dependendo da direção do movimento do íon. As bombas de íons, também conhecidas como transportadores de íons ou proteínas transportadoras, transportam ativamente tipos específicos de íons de um lado da membrana para o outro, às vezes usando energia derivada de processos metabólicos para fazer isso.

Bombas de íons

A bomba de sódio-potássio usa energia derivada do ATP para trocar sódio por íons de potássio através da membrana.

As bombas de íons são proteínas integrais da membrana que realizam o transporte ativo , ou seja, usam a energia celular (ATP) para "bombear" os íons contra seu gradiente de concentração. Essas bombas de íons absorvem os íons de um lado da membrana (diminuindo sua concentração ali) e os liberam do outro lado (aumentando sua concentração ali).

A bomba de íons mais relevante para o potencial de ação é a bomba de sódio-potássio , que transporta três íons de sódio para fora da célula e dois íons de potássio para dentro. Como consequência, a concentração de íons de potássio K + dentro do neurônio é cerca de 20 vezes maior do que a concentração externa, enquanto a concentração externa de sódio é aproximadamente nove vezes maior do que a interna. De maneira semelhante, outros íons têm concentrações diferentes dentro e fora do neurônio, como cálcio , cloreto e magnésio .

Se os números de cada tipo de íon fossem iguais, a bomba de sódio-potássio seria eletricamente neutra, mas, por causa da troca três por dois, dá um movimento líquido de uma carga positiva de intracelular para extracelular para cada ciclo, contribuindo assim para uma diferença de tensão positiva. A bomba tem três efeitos: (1) torna a concentração de sódio alta no espaço extracelular e baixa no espaço intracelular; (2) torna a concentração de potássio alta no espaço intracelular e baixa no espaço extracelular; (3) dá ao espaço intracelular uma voltagem negativa em relação ao espaço extracelular.

A bomba de sódio-potássio é relativamente lenta em operação. Se uma célula fosse inicializada com concentrações iguais de sódio e potássio em todos os lugares, levaria horas para a bomba estabelecer o equilíbrio. A bomba opera constantemente, mas torna-se progressivamente menos eficiente à medida que as concentrações de sódio e potássio disponíveis para o bombeamento são reduzidas.

As bombas de íons influenciam o potencial de ação apenas estabelecendo a razão relativa das concentrações de íons intracelulares e extracelulares. O potencial de ação envolve principalmente a abertura e o fechamento de canais iônicos, não de bombas iônicas. Se as bombas de íons forem desligadas removendo sua fonte de energia ou adicionando um inibidor como a ouabaína , o axônio ainda pode disparar centenas de milhares de potenciais de ação antes que suas amplitudes comecem a diminuir significativamente. Em particular, as bombas de íons não desempenham nenhum papel significativo na repolarização da membrana após um potencial de ação.

Outra bomba de íons funcionalmente importante é o trocador de sódio-cálcio . Essa bomba opera de maneira conceitualmente semelhante à bomba de sódio-potássio, exceto que em cada ciclo ela troca três Na + do espaço extracelular por um Ca ++ do espaço intracelular. Como o fluxo líquido de carga é para dentro, essa bomba funciona "morro abaixo", de fato, e, portanto, não requer nenhuma fonte de energia, exceto a voltagem da membrana. Seu efeito mais importante é bombear o cálcio para fora - ele também permite um fluxo interno de sódio, neutralizando assim a bomba de sódio-potássio, mas, como as concentrações gerais de sódio e potássio são muito maiores do que as concentrações de cálcio, esse efeito é relativamente sem importância. O resultado líquido do trocador sódio-cálcio é que, no estado de repouso, as concentrações intracelulares de cálcio tornam-se muito baixas.

Canais Ion

Seven spheres whose radii are proportional to the radii of mono-valent lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium cations (0.76, 1.02, 1.38, 1.52, and 1.67 Å, respectively), divalent calcium cation (1.00 Å) and mono-valent chloride (1.81 Å).
Apesar das pequenas diferenças em seus raios, os íons raramente passam pelo canal "errado". Por exemplo, os íons de sódio ou cálcio raramente passam por um canal de potássio.

Os canais iônicos são proteínas de membrana integrais com um poro através do qual os íons podem viajar entre o espaço extracelular e o interior da célula. A maioria dos canais são específicos (seletivos) para um íon; por exemplo, a maioria dos canais de potássio são caracterizados por uma razão de seletividade de 1000: 1 para o potássio sobre o sódio, embora os íons de potássio e sódio tenham a mesma carga e difiram apenas ligeiramente em seu raio. O poro do canal é normalmente tão pequeno que os íons devem passar por ele em uma ordem de arquivo único. Os poros do canal podem ser abertos ou fechados para a passagem de íons, embora vários canais demonstrem vários níveis de sub-condutância. Quando um canal é aberto, os íons permeiam através do poro do canal ao longo do gradiente de concentração transmembrana para aquele íon específico. A taxa de fluxo iônico através do canal, ou seja, a amplitude da corrente de um canal, é determinada pela condutância máxima do canal e pela força motriz eletroquímica para aquele íon, que é a diferença entre o valor instantâneo do potencial de membrana e o valor do potencial de reversão .

Schematic stick diagram of a tetrameric potassium channel where each of the monomeric subunits is symmetrically arranged around a central ion conduction pore. The pore axis is displayed perpendicular to the screen. Carbon, oxygen, and nitrogen atom are represented by grey, red, and blue spheres, respectively. A single potassium cation is depicted as a purple sphere in the center of the channel.
Representação do canal de potássio aberto, com o íon potássio mostrado em roxo no meio e átomos de hidrogênio omitidos. Quando o canal é fechado, a passagem é bloqueada.

Um canal pode ter vários estados diferentes (correspondendo a diferentes conformações da proteína), mas cada um desses estados é aberto ou fechado. Em geral, os estados fechados correspondem a uma contração do poro - tornando-o intransponível para o íon - ou a uma parte separada da proteína, fechando o poro. Por exemplo, o canal de sódio dependente de voltagem sofre inativação , na qual uma parte da proteína oscila para o poro, fechando-o. Esta inativação desliga a corrente de sódio e desempenha um papel crítico no potencial de ação.

Os canais iônicos podem ser classificados pela forma como respondem ao ambiente. Por exemplo, os canais iônicos envolvidos no potencial de ação são canais sensíveis à voltagem ; eles abrem e fecham em resposta à voltagem através da membrana. Os canais dependentes de ligantes constituem outra classe importante; esses canais iônicos abrem e fecham em resposta à ligação de uma molécula de ligante , como um neurotransmissor . Outros canais de íons abrem e fecham com forças mecânicas. Ainda outros canais iônicos - como os dos neurônios sensoriais - abrem e fecham em resposta a outros estímulos, como luz, temperatura ou pressão.

Canais de vazamento

Os canais de vazamento são o tipo mais simples de canal iônico, pois sua permeabilidade é mais ou menos constante. Os tipos de canais de vazamento que têm maior significado nos neurônios são os canais de potássio e cloreto. Mesmo estes não são perfeitamente constantes em suas propriedades: primeiro, a maioria deles é dependente da voltagem, no sentido de que conduzem melhor em uma direção do que em outra (em outras palavras, são retificadores ); em segundo lugar, alguns deles são capazes de ser desligados por ligantes químicos, embora não exijam ligantes para operar.

Canais controlados por ligante

Canal de cálcio controlado por ligante nos estados fechado e aberto

Canais de íons controlados por ligante são canais cuja permeabilidade é grandemente aumentada quando algum tipo de ligante químico se liga à estrutura da proteína. As células animais contêm centenas, senão milhares, desses tipos. Um grande subconjunto funciona como receptores de neurotransmissores - eles ocorrem em locais pós - sinápticos , e o ligante químico que os bloqueia é liberado pelo terminal pré-sináptico do axônio . Um exemplo desse tipo é o receptor AMPA , receptor do neurotransmissor glutamato que, quando ativado, permite a passagem dos íons sódio e potássio. Outro exemplo é o receptor GABA A , receptor do neurotransmissor GABA que, quando ativado, permite a passagem de íons cloreto.

Os receptores de neurotransmissores são ativados por ligantes que aparecem na área extracelular, mas existem outros tipos de canais dependentes de ligantes que são controlados por interações no lado intracelular.

Canais dependentes de voltagem

Canais iônicos dependentes de voltagem , também conhecidos como canais iônicos dependentes de voltagem , são canais cuja permeabilidade é influenciada pelo potencial de membrana. Eles formam outro grupo muito grande, com cada membro tendo uma seletividade de íons particular e uma dependência de voltagem particular. Muitos também são dependentes do tempo - em outras palavras, eles não respondem imediatamente a uma mudança de voltagem, mas apenas após um atraso.

Um dos membros mais importantes desse grupo é um tipo de canal de sódio controlado por voltagem que sustenta os potenciais de ação - às vezes, são chamados de canais de sódio Hodgkin-Huxley porque foram inicialmente caracterizados por Alan Lloyd Hodgkin e Andrew Huxley em seu prêmio Nobel estudos da fisiologia do potencial de ação. O canal é fechado no nível de voltagem de repouso, mas abre abruptamente quando a voltagem excede um certo limite, permitindo um grande influxo de íons de sódio que produz uma mudança muito rápida no potencial de membrana. A recuperação de um potencial de ação é parcialmente dependente de um tipo de canal de potássio ativado por voltagem que é fechado no nível de voltagem de repouso, mas abre como consequência da grande mudança de voltagem produzida durante o potencial de ação.

Potencial de reversão

O potencial de reversão (ou potencial de equilíbrio ) de um íon é o valor da voltagem transmembrana na qual as forças difusivas e elétricas se contrabalançam, de modo que não há fluxo de íon líquido através da membrana. Isso significa que a voltagem transmembrana se opõe exatamente à força de difusão do íon, de modo que a corrente líquida do íon através da membrana é zero e inalterada. O potencial de reversão é importante porque fornece a voltagem que atua nos canais permeáveis ​​a esse íon - em outras palavras, fornece a voltagem que o gradiente de concentração de íons gera quando atua como uma bateria .

O potencial de equilíbrio de um íon particular é geralmente designado pela notação íon E. O potencial de equilíbrio para qualquer íon pode ser calculado usando a equação de Nernst . Por exemplo, o potencial de reversão para íons de potássio será o seguinte:

Onde

  • E eq, K + é o potencial de equilíbrio para o potássio, medido em volts
  • R é a constante universal do gás , igual a 8,314 joules · K −1 · mol −1
  • T é a temperatura absoluta , medida em kelvins (= K = graus Celsius + 273,15)
  • z é o número de cargas elementares do íon em questão envolvido na reação
  • F é a constante de Faraday , igual a 96.485 coulombs · mol −1 ou J · V −1 · mol −1
  • [K + ] o é a concentração extracelular de potássio, medida em mol · m −3 ou mmol·l −1
  • [K + ] i é a concentração intracelular de potássio

Mesmo que dois íons diferentes tenham a mesma carga (isto é, K + e Na + ), eles ainda podem ter potenciais de equilíbrio muito diferentes, desde que suas concentrações externas e / ou internas sejam diferentes. Considere, por exemplo, os potenciais de equilíbrio de potássio e sódio nos neurônios. O potencial de equilíbrio de potássio E K é -84 mV com 5 mM de potássio fora e 140 mM dentro. Por outro lado, o potencial de equilíbrio de sódio, E Na , é de aproximadamente +66 mV com aproximadamente 12 mM de sódio dentro e 140 mM fora.

Mudanças no potencial de membrana durante o desenvolvimento

O potencial de membrana em repouso de um neurônio realmente muda durante o desenvolvimento de um organismo. Para que um neurônio finalmente adote sua função adulta completa, seu potencial deve ser rigidamente regulado durante o desenvolvimento. À medida que um organismo progride através do desenvolvimento, o potencial de membrana em repouso torna-se mais negativo. As células da glia também estão se diferenciando e proliferando à medida que o desenvolvimento progride no cérebro . A adição dessas células gliais aumenta a capacidade do organismo de regular o potássio extracelular . A queda do potássio extracelular pode levar a uma diminuição do potencial de membrana de 35 mV.

Excitabilidade celular

A excitabilidade celular é a mudança no potencial de membrana necessária para as respostas celulares em vários tecidos. A excitabilidade celular é uma propriedade induzida durante a embriogênese inicial. A excitabilidade de uma célula também foi definida como a facilidade com que uma resposta pode ser desencadeada. Os potenciais de repouso e limiar formam a base da excitabilidade celular e esses processos são fundamentais para a geração de potenciais graduados e de ação.

Os reguladores mais importantes da excitabilidade celular são as concentrações de eletrólitos extracelulares (ou seja, Na + , K + , Ca 2+ , Cl - , Mg 2+ ) e proteínas associadas. Proteínas importantes que regulam a excitabilidade celular são canais iônicos dependentes de voltagem , transportadores de íons (por exemplo, Na + / K + -ATPase , transportadores de magnésio , transportadores de ácido-base ), receptores de membrana e canais dependentes de nucleotídeos cíclicos ativados por hiperpolarização . Por exemplo, os canais de potássio e os receptores sensíveis ao cálcio são reguladores importantes da excitabilidade em neurônios , miócitos cardíacos e muitas outras células excitáveis ​​como astrócitos . O íon cálcio também é o segundo mensageiro mais importante na sinalização de células excitáveis . A ativação de receptores sinápticos inicia mudanças de longa duração na excitabilidade neuronal. A tireóide , a adrenal e outros hormônios também regulam a excitabilidade celular, por exemplo, a progesterona e o estrogênio modulam a excitabilidade das células do músculo liso miometrial .

Muitos tipos de células são considerados como tendo uma membrana excitável. As células excitáveis são neurónios, miócitos (cardíaca, esquelético, suavizar ), vasculares células endoteliais , pericitos , células justaglomerulares , as células intersticiais de Cajal , muitos tipos de células epiteliais (por exemplo, células beta , alfa células , células delta , células enteroendócrinas , células neuroendócrinas pulmonares , pinealócitos ), células gliais (por exemplo, astrócitos), células mecanorreceptoras (por exemplo , células ciliadas e células de Merkel ), células quimiorreceptoras (por exemplo , células glômicas , receptores gustativos ), algumas células vegetais e possivelmente células imunológicas . Os astrócitos apresentam uma forma de excitabilidade não elétrica baseada nas variações do cálcio intracelular relacionadas à expressão de diversos receptores por meio dos quais podem detectar o sinal sináptico. Nos neurônios, existem diferentes propriedades de membrana em algumas partes da célula, por exemplo, a excitabilidade dendrítica confere aos neurônios a capacidade de detecção de coincidência de entradas espacialmente separadas.

Circuito equivalente

Circuito equivalente para um pedaço de membrana, consistindo em uma capacitância fixa em paralelo com quatro caminhos, cada um contendo uma bateria em série com uma condutância variável

Eletrofisiologistas modelam os efeitos das diferenças de concentração iônica, canais iônicos e capacitância da membrana em termos de um circuito equivalente , que se destina a representar as propriedades elétricas de um pequeno pedaço de membrana. O circuito equivalente consiste em um capacitor em paralelo com quatro caminhos, cada um consistindo de uma bateria em série com uma condutância variável. A capacitância é determinada pelas propriedades da bicamada lipídica e é considerada fixa. Cada uma das quatro vias paralelas vem de um dos íons principais, sódio, potássio, cloreto e cálcio. A voltagem de cada via iônica é determinada pelas concentrações do íon em cada lado da membrana; consulte a seção Potencial de reversão acima. A condutância de cada via iônica em qualquer ponto no tempo é determinada pelos estados de todos os canais iônicos que são potencialmente permeáveis ​​a esse íon, incluindo canais de vazamento, canais dependentes de ligante e canais iônicos dependentes de voltagem.

Circuito reduzido obtido pela combinação das vias específicas de íons usando a equação de Goldman

Para concentrações de íons fixos e valores fixos de condutância do canal de íons, o circuito equivalente pode ser ainda mais reduzido, usando a equação de Goldman conforme descrito abaixo, para um circuito contendo uma capacitância em paralelo com uma bateria e condutância. Em termos elétricos, este é um tipo de circuito RC ( circuito de resistência-capacitância), e suas propriedades elétricas são muito simples. A partir de qualquer estado inicial, a corrente fluindo através da condutância ou da capacitância decai com um curso de tempo exponencial, com uma constante de tempo de τ = RC , onde C é a capacitância do patch de membrana, e R = 1 / g net é a resistência da rede. Para situações realistas, a constante de tempo geralmente fica na faixa de 1 a 100 milissegundos. Na maioria dos casos, as mudanças na condutância dos canais iônicos ocorrem em uma escala de tempo mais rápida, portanto, um circuito RC não é uma boa aproximação; entretanto, a equação diferencial usada para modelar um patch de membrana é comumente uma versão modificada da equação do circuito RC.

Potencial de descanso

Quando o potencial de membrana de uma célula permanece por um longo período de tempo sem mudar significativamente, é referido como potencial de repouso ou voltagem de repouso. Este termo é usado para o potencial de membrana de células não excitáveis, mas também para o potencial de membrana de células excitáveis ​​na ausência de excitação. Nas células excitáveis, os outros estados possíveis são potenciais de membrana graduados (de amplitude variável) e potenciais de ação, que são grandes, aumentos tudo ou nada no potencial de membrana que geralmente seguem um curso de tempo fixo. As células excitáveis ​​incluem neurônios , células musculares e algumas células secretoras nas glândulas . Mesmo em outros tipos de células, no entanto, a voltagem da membrana pode sofrer alterações em resposta a estímulos ambientais ou intracelulares. Por exemplo, a despolarização da membrana plasmática parece ser uma etapa importante na morte celular programada .

As interações que geram o potencial de repouso são modeladas pela equação de Goldman . Isso é semelhante em forma à equação de Nernst mostrada acima, pois é baseada nas cargas dos íons em questão, bem como na diferença entre suas concentrações internas e externas. No entanto, também leva em consideração a permeabilidade relativa da membrana plasmática a cada íon em questão.

Os três íons que aparecem nesta equação são potássio (K + ), sódio (Na + ) e cloreto (Cl - ). O cálcio é omitido, mas pode ser adicionado para lidar com situações em que desempenha um papel significativo. Sendo um ânion, os termos do cloreto são tratados de maneira diferente dos termos do cátion; a concentração intracelular está no numerador e a concentração extracelular no denominador, que é revertida dos termos catiônicos. P i representa a permeabilidade relativa do íon tipo i.

Em essência, a fórmula de Goldman expressa o potencial de membrana como uma média ponderada dos potenciais de reversão para os tipos de íons individuais, ponderados pela permeabilidade. (Embora o potencial de membrana mude cerca de 100 mV durante um potencial de ação, as concentrações de íons dentro e fora da célula não mudam significativamente. Eles permanecem perto de suas respectivas concentrações quando a membrana está em potencial de repouso.) Na maioria das células animais, o a permeabilidade ao potássio é muito maior no estado de repouso do que a permeabilidade ao sódio. Como consequência, o potencial de repouso costuma estar próximo ao potencial de reversão do potássio. A permeabilidade ao cloreto pode ser alta o suficiente para ser significativa, mas, ao contrário dos outros íons, o cloreto não é bombeado ativamente e, portanto, se equilibra em um potencial de reversão muito próximo ao potencial de repouso determinado pelos outros íons.

Os valores do potencial de membrana em repouso na maioria das células animais geralmente variam entre o potencial de reversão de potássio (geralmente em torno de -80 mV) e em torno de -40 mV. O potencial de repouso nas células excitáveis ​​(capazes de produzir potenciais de ação) é geralmente próximo a -60 mV - voltagens mais despolarizadas levariam à geração espontânea de potenciais de ação. Células imaturas ou indiferenciadas mostram valores altamente variáveis ​​de voltagem de repouso, geralmente significativamente mais positivos do que em células diferenciadas. Em tais células, o valor do potencial de repouso se correlaciona com o grau de diferenciação: as células indiferenciadas em alguns casos podem não mostrar nenhuma diferença de voltagem transmembrana.

A manutenção do potencial de repouso pode ser metabolicamente cara para uma célula devido à sua necessidade de bombeamento ativo de íons para neutralizar as perdas devido aos canais de vazamento. O custo é mais alto quando a função da célula requer um valor especialmente despolarizado de voltagem da membrana. Por exemplo, o potencial de repouso em fotorreceptores de mosca varejeira adaptados à luz do dia ( Calliphora vicina ) pode ser tão alto quanto -30 mV. Este potencial elevado de membrana permite que as células respondam muito rapidamente a estímulos visuais; o custo é que a manutenção do potencial de repouso pode consumir mais de 20% do ATP celular total .

Por outro lado, o alto potencial de repouso em células indiferenciadas não acarreta necessariamente um alto custo metabólico. Este aparente paradoxo é resolvido pelo exame da origem desse potencial de repouso. Células pouco diferenciadas são caracterizadas por resistência de entrada extremamente alta, o que implica que poucos canais de vazamento estão presentes neste estágio da vida celular. Como resultado aparente, a permeabilidade ao potássio torna-se semelhante à dos íons de sódio, o que coloca o potencial de repouso entre os potenciais de reversão do sódio e do potássio, conforme discutido acima. As correntes de fuga reduzidas também significam que há pouca necessidade de bombeamento ativo para compensar, portanto, baixo custo metabólico.

Potenciais graduados

Conforme explicado acima, o potencial em qualquer ponto da membrana de uma célula é determinado pelas diferenças de concentração de íons entre as áreas intracelular e extracelular e pela permeabilidade da membrana a cada tipo de íon. As concentrações de íons normalmente não mudam muito rapidamente (com exceção de Ca 2+ , onde a concentração intracelular de linha de base é tão baixa que mesmo um pequeno influxo pode aumentá-la em ordens de magnitude), mas as permeabilidades dos íons podem mudar em um fração de milissegundo, como resultado da ativação de canais iônicos controlados por ligante. A mudança no potencial da membrana pode ser grande ou pequena, dependendo de quantos canais iônicos são ativados e de que tipo eles são, e pode ser longa ou curta, dependendo do tempo que os canais permanecem abertos. Mudanças desse tipo são chamadas de potenciais graduados , em contraste com os potenciais de ação, que têm amplitude e curso de tempo fixos.

Como pode ser derivado da equação de Goldman mostrada acima, o efeito de aumentar a permeabilidade de uma membrana para um tipo particular de íon muda o potencial de membrana em direção ao potencial de reversão para aquele íon. Assim, a abertura dos canais de Na + desloca o potencial de membrana em direção ao potencial de reversão do Na + , que geralmente está em torno de +100 mV. Da mesma forma, a abertura dos canais de K + desloca o potencial de membrana para cerca de –90 mV, e a abertura dos canais de Cl - o desloca para cerca de –70 mV (potencial de repouso da maioria das membranas). Assim, os canais de Na + deslocam o potencial de membrana em uma direção positiva, os canais de K + o deslocam em uma direção negativa (exceto quando a membrana está hiperpolarizada para um valor mais negativo do que o potencial de reversão de K + ), e os canais de Cl - tendem a se deslocar em direção ao potencial de repouso.

Gráfico exibindo um EPSP, um IPSP e a soma de um EPSP e um IPSP

Os potenciais de membrana graduados são particularmente importantes em neurônios , onde são produzidos por sinapses - uma mudança temporária no potencial de membrana produzida pela ativação de uma sinapse por um único potencial graduado ou de ação é chamada de potencial pós - sináptico . Os neurotransmissores que atuam para abrir os canais de Na + normalmente fazem com que o potencial de membrana se torne mais positivo, enquanto os neurotransmissores que ativam os canais de K + normalmente fazem com que ele se torne mais negativo; aqueles que inibem esses canais tendem a ter o efeito oposto.

Se um potencial pós-sináptico é considerado excitatório ou inibitório depende do potencial de reversão para os íons dessa corrente e do limiar para a célula disparar um potencial de ação (em torno de -50mV). Uma corrente pós-sináptica com potencial de reversão acima do limiar, como uma corrente típica de Na + , é considerada excitatória. Uma corrente com potencial de reversão abaixo do limite, como uma corrente típica de K + , é considerada inibitória. Uma corrente com um potencial de reversão acima do potencial de repouso, mas abaixo do limiar, por si só não eliciará potenciais de ação, mas produzirá oscilações de potencial de membrana subliminares . Assim, os neurotransmissores que agem para abrir os canais de Na + produzem potenciais pós-sinápticos excitatórios , ou EPSPs, enquanto os neurotransmissores que agem para abrir os canais de K + ou Cl - normalmente produzem potenciais pós-sinápticos inibitórios , ou IPSPs. Quando vários tipos de canais são abertos no mesmo período de tempo, seus potenciais pós-sinápticos somam (são somados).

Outros valores

Do ponto de vista da biofísica, o potencial de membrana em repouso é apenas o potencial de membrana que resulta das permeabilidades de membrana que predominam quando a célula está em repouso. A equação de médias ponderadas acima sempre se aplica, mas a abordagem a seguir pode ser mais facilmente visualizada. A qualquer momento, existem dois fatores para um íon que determinam quanta influência esse íon terá sobre o potencial de membrana de uma célula:

  1. A força motriz desse íon
  2. A permeabilidade desse íon

Se a força motriz for alta, o íon está sendo "empurrado" através da membrana. Se a permeabilidade for alta, será mais fácil para o íon se difundir através da membrana.

  • A força motriz é a força elétrica líquida disponível para mover aquele íon através da membrana. É calculado como a diferença entre a voltagem que o íon "deseja" estar (seu potencial de equilíbrio) e o potencial real da membrana ( E m ). Então, em termos formais, a força motriz para um íon = E m - íon E
  • Por exemplo, em nosso potencial de repouso calculado anteriormente de −73 mV, a força motriz sobre o potássio é 7 mV: (−73 mV) - (−80 mV) = 7 mV. A força motriz sobre o sódio seria (−73 mV) - (60 mV) = −133 mV.
  • A permeabilidade é uma medida de quão facilmente um íon pode atravessar a membrana. É normalmente medida como a condutância (elétrica) e a unidade, siemens , corresponde a 1 C · s −1 · V −1 , ou seja, um coulomb por segundo por volt de potencial.

Assim, em uma membrana em repouso, enquanto a força motriz do potássio é baixa, sua permeabilidade é muito alta. O sódio tem uma grande força motriz, mas quase nenhuma permeabilidade de repouso. Nesse caso, o potássio carrega cerca de 20 vezes mais corrente do que o sódio e, portanto, tem 20 vezes mais influência sobre o E m do que o sódio.

No entanto, considere outro caso - o pico do potencial de ação. Aqui, a permeabilidade ao Na é alta e a permeabilidade ao K é relativamente baixa. Assim, a membrana move-se para perto E de Na e longe de E K .

Quanto mais íons são permeantes, mais complicado se torna para prever o potencial de membrana. No entanto, isso pode ser feito usando a equação de Goldman-Hodgkin-Katz ou a equação das médias ponderadas. Ao conectar os gradientes de concentração e as permeabilidades dos íons em qualquer instante no tempo, pode-se determinar o potencial de membrana naquele momento. O que as equações GHK significam é que, a qualquer momento, o valor do potencial de membrana será uma média ponderada dos potenciais de equilíbrio de todos os íons permeantes. O "peso" é a permeabilidade relativa dos íons através da membrana.

Efeitos e implicações

Enquanto as células gastam energia para transportar íons e estabelecer um potencial transmembrana, elas usam esse potencial para transportar outros íons e metabólitos como o açúcar. O potencial transmembrana da mitocôndria impulsiona a produção de ATP , que é a moeda comum da energia biológica.

As células podem usar a energia que armazenam no potencial de repouso para impulsionar os potenciais de ação ou outras formas de excitação. Essas mudanças no potencial de membrana permitem a comunicação com outras células (como ocorre com os potenciais de ação) ou iniciam mudanças dentro da célula, o que acontece em um óvulo quando é fertilizado por um espermatozóide .

Nas células neuronais, um potencial de ação começa com uma corrida de íons de sódio para a célula através dos canais de sódio, resultando na despolarização, enquanto a recuperação envolve uma corrida de potássio para fora através dos canais de potássio. Ambos os fluxos ocorrem por difusão passiva .

Veja também

Notas

  1. ^ Observe que os sinais de E Na e E K são opostos. Isso ocorre porque o gradiente de concentração de potássio é direcionado para fora da célula, enquanto o gradiente de concentração de sódio é direcionado para dentro da célula. Os potenciais de membrana são definidos em relação ao exterior da célula; assim, um potencial de -70 mV implica que o interior da célula é negativo em relação ao exterior.

Referências

Leitura adicional

  • Alberts et al. Molecular Biology of the Cell . Garland Publishing; 4ª edição Bk & Cdr (março de 2002). ISBN  0-8153-3218-1 . Nível de graduação.
  • Guyton, Arthur C., John E. Hall. Livro didático de fisiologia médica . WB Saunders Company; 10ª edição (15 de agosto de 2000). ISBN  0-7216-8677-X . Nível de graduação.
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