Potencial de Membrana

O potencial de membrana é a diferença de carga elétrica entre o interior e o exterior de uma célula. Todas as células vivas mantêm uma diferença de potencial através da membrana graças às propriedades isolantes de suas membranas plasmáticas (PMs) e ao transporte seletivo de íons através dessa membrana por transportadores. Existem 3 tipos de potencial: potencial de membrana de repouso, potencial de equilíbrio e potencial de ação. O potencial de membrana ajuda a gerar o potencial de ação, e esses potenciais de ação atuam como sinais de transporte e retransmissão para o SNC e o cérebro para realizar um movimento ou ação específica.

Última atualização: Jul 28, 2022

Responsibilidade editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Descrição Geral

  • A maioria das células do corpo humano possui um potencial de membrana.
    • A bicamada lipídica da membrana plasmática (MP) isola o interior da célula do exterior e não permite a difusão livre de iões.
    • Canais de iões e transportadores seletivos permitem aumentos na concentração de iões carregados dentro e/ou fora da MP.
  • A maioria das células tem um potencial elétrico através da sua MP.
    • O interior da célula é ligeiramente mais negativo do que o exterior.
    • Em algumas células, essa carga pode equalizar ou até reverter rapidamente em resposta a estímulos.
  • Tipos de potencial
    • Potencial de membrana em repouso
    • Potencial de equilíbrio
    • Potencial de ação do nervo
Ion_channel_activity_before_during_and_after_polarization

Atividade do canal iónico em repouso, durante a despolarização e hiperpolarização

Imagem : “Ion channel activity at rest, during depolarization and and hyperpolarization” por Robert Bear e David Rintoul. Licença: CC BY 4.0

Potencial de Equilíbrio

Descrição Geral

  • Também conhecido como potencial de reversão ou “estado isoelétrico”
  • Voltagem potencial transmembranar na qual não há fluxo líquido de iões através da MP
    • Os iões difundem-se de acordo com o seu gradiente de concentração, bem como para neutralizar as suas cargas elétricas (por exemplo, iões carregados negativamente desejam viajar em direção a áreas carregadas positivamente).
    • Podem agir em conjunto para empurrar iões numa direção ou podem opor-se uns aos outros

Equação de Nernst

Usada para calcular o potencial de equilíbrio de uma determinada diferença de concentração de um ião permeável através da membrana celular.

$$ V_{eq}= \left ( RT/zF \right )ln\left ( X_{o} /X_{i}\right ) $$

Veq = potencial de equilíbrio para o ião X
R = constante do gás (8,314 joules por kelvin por mol)
T = temperatura em kelvin (K = °C + 273,15)
z = carga no ião (+1 para Na+, +2 para Ca2+, −1 para Cl−)
F = constante de Faraday (96.485 Coulombs por mol)
Xi = concentração intracelular (mM)
Xo = concentração extracelular (mM)

Potencial de Membrana em Repouso

Descrição Geral

  • Potencial que as células têm através das suas membranas no seu estado basal
    • Células excitáveis (neurónios, músculo cardíaco, etc) retornam a esse potencial de repouso entre os potenciais de ação
    • As células não excitáveis permanecem constantemente no potencial de repouso.
  • Resultado do movimento de várias espécies iónicas diferentes através de vários canais iónicos e transportadores (uniportadores, cotransportadores e bombas) na MP
  • O potencial de difusão depende
    • Da carga dos iões (principalmente Na+, K+ e Cl-)
    • Da diferença na concentração de iões dentro versus fora da célula
    • Da permeabilidade da MP aos iões
  • Potencial de membrana em repouso de vários tecidos:
    • Neurónio -70mV
    • Músculo esquelético -90mV
    • Cardíaco -90mV
  • Potencial de membrana “restless”
    • Potencial instável
    • Oscila entre -60mV e -40mV
    • Visto em tecidos de pacemaker
      • Nó sinoauricular (SA) no sistema cardiovascular (SCV)
      • Células de Cajal no trato GI
      • Complexo pré-Bötzinger: uma rede neuronal no tronco cerebral venterolateral que gera o ritmo respiratório

Equação de Goldman

O potencial de membrana de repouso pode ser considerado a média dos potenciais de equilíbrio de todos os iões que permeiam dentro e fora de uma célula, modificado pela permeabilidade relativa de uma célula a esses íons.

$$ E_{m}=\frac{RT}{F}ln\left ( \frac{P_{K}\left [ K^{+} \right ]_{out}+P_{Na}\left [ Na^{+} \right ]_{out}+P_{Cl}\left [ Cl^{-} \right ]_{in}}{P_{K}\left [ K^{+} \right ]_{in}+P_{Na}\left [ Na^{+} \right ]_{in}+P_{Cl}\left [ Cl^{-} \right ]_{out}} \right ) $$

E m : o potencial de membrana (em volts, equivalente a joules por coulomb)
Pion: a seletividade para aquele ião (em metros por segundo)
[ion]out : a concentração extracelular desse ião (em moles por metro cúbico, para combinar com o outro Sistema Internacional de Unidades (SI))
[ion]in : a concentração intracelular desse ião (em mols por metro cúbico)
R: a constante ideal do gás (joules por kelvin por mol)
T: a temperatura em kelvins
F: Constante de Faraday (coulombs por mol)

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Potencial de Ação

Descrição Geral

  • Visto em células excitáveis (principalmente neurónios)
  • Enquanto no potencial de membrana em repouso, os canais iónicos abrem-se e levam a um rápido fluxo de iões através da MP ao longo do seu gradiente de concentração.
  • Leva a mudanças rápidas na voltagem através da MP (despolarização)
  • As alterações estão localizadas na área ao redor dos canais iónicos abertos.
  • Canais iónicos sensíveis à voltagem em áreas adjacentes abrem-se em resposta à mudança no potencial de membrana, permitindo o influxo de iões.
  • O potencial é assim propagado por toda a superfície da membrana celular.

Fases de um potencial de ação do nervo

  • Potencial de membrana em repouso num neurónio
    • Na linha de base -70mV
    • Reflete o potencial de equilíbrio do K+ devido à sua alta condutância através da MP (de dentro para fora)
      • Num neurónio em repouso: alta concentração de Na+ no líquido extracelular (LEC) e alta concentração de K+ no líquido intracelular (LIC)
      • Os canais de vazamento de K+ estão abertos enquanto os canais de Na+ estão fechados.
      • Leva a um fluxo de iões K+ de dentro da célula, gerando um potencial de membrana em repouso negativo
  • Período latente
    • Quando um estímulo é dado, não ocorre imediatamente uma resposta.
    • Intervalo de tempo entre o estímulo e a resposta
  • Aumento do potencial de ação ou despolarização
    • Ocorre despolarização, o que causa a abertura dos canais de Na+ dependentes de voltagem
    • Leva ao rápido influxo de iões Na+ na célula ao longo do seu gradiente de concentração
    • Condutância Na+ > Condutância K+
    • Isso faz com que o potencial de membrana se aproxime do potencial de equilíbrio do Na+ (+65mV).
    • O potencial de membrana permanece positivo por um breve período de tempo.
  • Repolarização
    • A despolarização causa as seguintes alterações
      • Fecha as portas de inativação dos canais de Na+
      • Abre lentamente os canais de K+, causando um aumento da condutância de K+ mais do que o potencial de membrana em repouso
    • Condutância K+ > condutância Na+, causando repolarização
    • A repolarização ocorre principalmente devido ao efluxo de K+
  • Overshoot ou hiperpolarização
    • O canal de Na+ fecha.
    • A condutância do K+ permanece mais alta que o potencial de repouso da membrana em repouso durante algum tempo.
    • O potencial de membrana fica próximo do potencial de equilíbrio do K+, que é -90mV.
Action_potential_propagation_animation

Potencial de ação do nervo

Imagem : Action potential propagation animation” por John Schmidt. Licença: CC BY 4.0

Períodos refratários

  • Período refratário absoluto
    • Do disparo a ⅓ da repolarização
    • Durante este período, um 2º estímulo, por maior que seja, não pode iniciar outro potencial de ação.
  • Período refratário relativo
    • Do final do período refratário absoluto até o potencial de membrana atingir o seu nível de repouso
    • Durante este período, o potencial de ação pode ser elicitado se for fornecido um estímulo maior.

Relevância Clínica

  • Potenciais de ação cardíacos e potencial de pacemaker: as células do coração transmitem potenciais de ação diferentes daqueles observados nos neurónios. As fases de pico dos potenciais de ação duram mais do que as observadas nos neurónios devido à atividade dos canais de cálcio (Ca) mais lentos, que abrem e mantêm o potencial de ação por mais tempo. Além disso, um grupo de células especiais no nó SA é caracterizado como tendo potencial de pacemaker. Esse potencial de ação é gerado automaticamente no final do anterior, dando ao processo um padrão automático repetitivo que regula os batimentos cardíacos.
  • Síndrome de Brugada: uma condição genética que leva a arritmias cardíacas devido a mutações hereditárias nos canais de Na+ no músculo cardíaco, que levam à condução aberrante do potencial de ação, arritmia e paragem cardíaca súbita. Os pacientes são tratados com desfibrilhadores cardíacos implantados que podem detetar ritmos aberrantes e aplicar um choque ao coração para redefinir o potencial de ação.

Referências

  1. Costanzo, Linda S. (2019). Fisiologia. Abra o WorldCat. http://brs.lwwhealthlibrary.com/book.aspx?bookid=2385
  2. Chrysafides, Steven M, et ai. (Ed.). (2021). Fisiologia, potencial de repouso. StatPearls. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK538338/
  3. Chen, I, & Forshing, L. (2021). Neuroanatomia, potencial de ação do neurônio. StatPearls. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK546639/
  4. Salão, J.E. (2016). Em Guyton e Hall Textbook of Medical Physiology. (13ª edição) Elsevier.
  5. Zaydman, MA, et ai. (2012). Doenças associadas a canais iônicos: Visão geral dos mecanismos moleculares. Revisões Químicas. 112(12), 6319-6333. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3586387/

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