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<langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=01><source=http://www.vulgaris-medical.com/encyclopedie/potentiel-de-repos-de-la-membrane-cellulaire-3797.html> potentiel de repos de la membrane cellulaire définition voir également membrane cellulaire. différence de potentiel qui existe de part et d autre de la membrane de la cellule au repos. dans chaque cellule de l organisme quand elle est au repos, un potentiel de repos de la membrane s observe. ce phénomène s explique par la différence de perméabilité qui existe d une part et d autre de la membrane de la cellule et ceci pour certains types de molécules plutôt que pour d autres. ce phénomène est à l origine de la création d un voltage (si l on préfère un courant électrique) qui est utilisé par la cellule comme une forme d énergie potentielle. ce potentiel de membrane est le résultat de la séparation des charges électriques qui sont de signes opposés. pour résumer il existe des charges négatives et positif de chaque côté de la membrane cellulaire, ce sont des ions (calcium et potassium ayant perdu des électrons). quand une cellule est au repos on dit que celle-ci présente un potentiel de repos de la membrane qui se situe généralement entre -20 et -200 milivolts (millième de volts) selon l organisme et le type de cellules considérées. à l état normal des cellules baignent dans un liquide appelé liquide interstitiel qui est plutôt riche en ions sodium (na+). ces ions sodium sont le résultat d un atome de sodium qui a perdu un électron. pour comprendre le phénomène de potentiel de membrane il est nécessaire également de savoir que la membrane de la cellule est légèrement perméable à l ion potassium (k+) et presque imperméable à (na+). il s opère donc une entrée de sodium vers l intérieur de la cellule attiré par son propre gradient de concentration (voir ci-dessus) alors que l on observe parallèlement une sortie de potassium également en suivant son gradient de concentration. c est la diffusion inégale de ces deux types d ions à travers la membrane de la cellule qui produit une accumulation d ions positifs à l extérieur de la cellule et d ions négatifs à l intérieur de la cellule. ceci crée le potentiel de repos de la membrane. autrement dit la concentration de potassium est plus élevée dans la cellule que dans le liquide interstitiel extracellulaire (à l extérieur de la cellule). à partir de cet instant la diffusion du potassium vers l extérieur va créer une séparation de charges de part et d autre de la membrane, celle-ci est entretenue par l action de la pompe à sodium et à potassium.certaines cellules comme les cellules nerveuses, les cellules musculaires sont dites excitables car elles possèdent la propriété de modifier l entrée et la sortie des ions précédemment cités, à travers leur membrane, sous l influence d une stimulation (influx nerveux). ceci a pour but de créer un potentiel d action qui inverse les polarisations. la polarisation est l accumulation d ions d un côté ou de l autre de la membrane de la cellule.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=02><source=http://fr.wikipedia.org/wiki/potentiel_de_repos> potentiel de repos
le potentiel de membrane d une cellule est du à la séparation de charges consécutive au flux ionique à travers les canaux potassium, lui même du au déséquilibre ionique entretenu activement par les pompes sodium/potassium
le potentiel de repos (soit un des états possible du potentiel de la membrane) est la polarisation électrique en situation physiologique de repos d une membrane plasmique. en introduisant une électrode de mesure à l intérieur de la cellule (voir la méthode de patch-clamp), on constate une différence de potentiel (ddp): l intérieur de la cellule est négatif par rapport à une électrode de référence extracellulaire.
cette différence de potentiel est due à la séparation de charge de part et d autre de la membrane provoquée par un courant permanent majoritairement d ion potassium à travers des canaux ioniques. ce courant dissipe la force électroosmotique causée par des différences de concentration entre différentes espèces ioniques. cette différence de concentration est maintenue en permanence par l activité consommatrice en énergie des pompes sodium/potassium.
l existence d un potentiel de membrane est universelle aux cellules vivantes.
sommaire
1 mécanismes 1.1 facteurs biologiques 1.2 mécanismes physiques 1.3 calcul de la séparation de charge 2 rôles physiologiques 3 articles connexes
mécanismes
facteurs biologiques
les propriétés de la membrane plasmique sont à l origine de cette différence de potentiel (ddp):
propriétés propres à la bicouche phospholipidique: imperméabilité qui permet de maintenir les différences de concentration de part et d autre de la membrane, et donc un gradient chimique (voir le tableau ci-dessous) haute résistance électrique qui permet de maintenir une différence de potentiel, donc un gradient électrique propriétés propres aux protéines membranaires les canaux potassium de fuite sont responsable d une perméabilité sélective de la membrane ne laissant passer que les ions potassium les pompes potassium/sodium transportent activement les ions sodium vers l extérieur et les ions potassium vers l intérieur.
les concentrations physiologiques des principaux ions chez l homme ion concentration intracellulaire (mmol/l) concentration extracellulaire (mmol/l) rapport potentiel d équilibre d après l équation de nernst na+ 7-12 144 1:12 ca. +60 mv k+ 160 4 40:1 -91 mv ca2+ 10-5-10-4 2 +125 mv bis +310 mv cl- 4-7 120 -82 mv hco3- 8-10 26-28 -27 mv protéine anionique (chargée négativement) 155 5
mécanismes physiques
le modèle pompe/fuite (pump/leak) repose sur les effets antagonistes de la pompe sodium/potassium (na/k atpse) d une part et des canaux potassium d autre part.
la na/k atpase utilise l énergie contenue dans l atp pour maintenir une différence de composition ionique entre l intérieur de la cellule et l extérieur. l activité de la pompe a pour effet direct que les ions potassium sont majoritaires dans le cytoplasme de la cellule, tandis que les ions sodium sont majoritaires à l extérieur de la cellule. l ouverture de canaux potassiums, les seuls canaux qui soient ouverts a l état basal dans la majorité des cellules, permet au gradient chimique du potassium de se dissiper. la séparation de charge résultante crée la différence de potentiel électrique mesurée. l électroneutralité des deux compartiments est violée à proximité de la membrane. toutefois, compte tenu de la géométrie du système, il ne faut qu un surplus d environ 2 ions sur 100 000 pour rendre compte du potentiel de membrane. l électroneutralité est bien respectée macroscopiquement. le champ électrique crée empêche les ions potassiums de sortir.
pour résumer, le potentiel chimique des ions potassiums est en faveur d une sortie de ces ions. cette sortie crée une force électrique qui s oppose à la sortie d un nombre plus important d ions potassium.
dans les neurones et autres cellules excitables, un signal provoque l ouverture transitoire des canaux sodium responsables d une dépolarisation transitoire appelée potentiel d action. le potentiel de nernst des ions sodiums est de l ordre de + 60 mv. également, la spécificité des potentiels d actions est conférée par la grande diversité des canaux ioniques impliqués selon la cellule considérée.
calcul de la séparation de charge
l application numérique qui suit a pour but de démontrer que l électroneutralité de la solution est respectée, malgré l existence d une différence de potentiel membranaire.
l intensité du champ électrique se dissipant à travers la membrane d épaisseur 75 nm est de 1.5 million de volts par mètre, ce qui est considérable et est à la limite de la fracture de la membrane.
rôles physiologiques
toute cellule vivante a un potentiel de membrane. le potentiel électrochimique qui lui correspond constitue une réserve d énergie potentielle qui permet d assurer les transports des substances nécessaires à la survie de la cellule. le potentiel de repos joue un rôle important pour les cellules excitables, comme les neurones et les myocytes. en effet le franchissement par le potentiel de repos d un certain seuil de dépolarisation déclenche chez ces cellules un potentiel d action par l activation de canaux dépendent du potentiel (canaux voltage-dépendent). l importance de la polarisation du potentiel de repos determine donc l excitabilité de la cellule. quand il est très hyperpolarisé (par l activation tonique de canaux potassiques ou chlorures par exemple), la cellule est difficilement excitable, c est á dire qu il faut beaucoup dépolariser la cellule avec des potentiels postsynaptiques excitateurs pour qu elle décharge un potentiel d action. quand le potentiel de repos est très dépolarisé (par la fermeture de canaux potassium ou par l ouverture permanente de canaux sodium), la cellule est plus proche du seuil de déclenchement d un potentiel d action, et donc plus excitable.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=03><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/defpotrepos.html> la membrane neuronale est soumise en permanence à une différence de potentiel transmembranaire : le potentiel de repos dès la fin du xviiième siècle, galvani montrait que l information nerveuse était de nature électrique : il contractait un muscle en appliquant un courant électrique sur son nerf. au début du xxème siècle, adrian démontrait clairement la nature électrique du message nerveux spontané de même que le fait qu une contraction musculaire s accompagne d une activité électrique. ainsi, les nerfs et les muscles en activité donnent naissance à des signaux électriques. ces éléments, capables d émettre des signaux électriques, sont eux même excitables: ils répondent par un signal électrique à une stimulation électrique. l excitabilité est la propriété fondamentale à la base de leur fonctionnement.
si l on place l extrémité d une microélectrode dans une cellule nerveuse, il est possible, dès l entrée dans la cellule, d enregistrer une différence de potentiel (ddp) par rapport au milieu extérieur d environ 60 mv. cette ddp, appelée potentiel de repos, est variable d une cellule à l autre et caractéristique de toutes les cellules vivantes. l intérieur de la cellule est négatif par rapport à l extérieur, ce qui s exprime par un potentiel de repos ou potentiel de membrane (vm) égal à - 60 mv.
la membrane neuronale au repos peut donc être considérée comme une pile électrique, génératrice de courant, dont le pôle négatif serait situé à l intérieur de la cellule et le pôle positif à l extérieur.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=03><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/propelect.html> les propriétés électriques de la membrane neuronale la membrane neuronale est constituée d une bicouche lipidique dans laquelle s insèrent des protéines. elle sépare le compartiment intracellulaire du compartiment extracellulaire.
les protéines membranaires sont des molécules chargées électriquement et, comme tout élément porteur de charges, peuvent conduire un courant électrique. cette propriété peut être schématisée par une conductance ou par une opposition au passage du courant, soit par une résistance (inverse de la conductance : r = 1/g). membranaire transversale. le circuit électrique équivalent à la membrane neuronale correspond donc jusque là à celui d un générateur de courant (pile) de 60 mv dont le pôle positif est orienté vers le compartiment extracellulaire et le pôle négatif vers l intérieur de la cellule alimentant une résistance membranaire rm. la valeur de cette résistance membranaire (rm), directement fonction de la quantité de protéines incluses dans une portion de membrane, est très variable : de 102 à 104 w . cm2; ces valeurs correspondent à des conductances (g = 1/r) variant de 10-4 à 10-2 siemens / cm2.
à l inverse, la bicouche lipidique est constituée de phospholipides non conducteurs, donnant à la membrane des propriétés capacitives, qui peuvent être représentées par un condensateur (deux éléments conducteurs séparés par un isolant) de capacité cm. ce condensateur ne modifie pas la valeur de la ddp mais joue le rôle d un réservoir de charges, qui absorbe les variations instantanées de ddp entre les deux faces de la membrane. la séparation des charges positives et négatives portées par le condensateur induit une ddp entre les deux éléments conducteurs telle que v (volts) = q (coulombs) / cm (farads) où q est la charge portée par les éléments conducteurs. la valeur de la capacité membranaire cm varie peu d un élément de membrane à l autre; elle est en moyenne de 1 µf/cm2.
les deux milieux, intra- et extracellulaire, ne sont pas des conducteurs parfaits. ils présentent une résistance vis à vis du passage du courant électrique, qui peut être schématisée par une résistance longitudinale rl. le schéma du circuit électrique équivalent à la membrane neuronale est maintenant quasi complet. ces propriétés électriques de la membrane neuronale ont des conséquences fonctionnelles.
si l on tient compte des propriétés résistives de la membrane neuronale (résistance transversale rm), l injection d un courant i au travers de cette membrane (courant transmembranaire im) fait apparaître, aux bornes de cette membrane, une tension um telle que :
um = rm x im (loi d ohm)
en réalité, si la variation du courant est rapide, la variation du potentiel de membrane suit une courbe exponentielle, du fait des propriétés capacitives (cm) de la membrane. la résistance transversale rm et la capacité cm conjuguent leurs effets pour déterminer l évolution dans le temps de l installation de la tension um aux bornes de la membrane. le produit rm . cm est la constante de temps du circuit (t). ce produit indique, en secondes, le temps nécessaire pour que la tension aux bornes de la membrane atteigne 63,2% de sa valeur maximum. si l on applique un courant très près d un point a de la membrane d un axone et que l on mesure la tension obtenue aux points a, b, c et d, de plus en plus éloignés du point d application, on observe que l amplitude de la tension maximum observée va en diminuant de a à d. ce phénomène est dû à la résistance longitudinale (rl) de la fibre nerveuse. le courant qui traverse la résistance rl de chaque segment (a-b / b-c / c-d) provoque une chute de tension égale au produit de ce courant par la résistance rl du segment. si l on représente l évolution des tensions maximales mesurées aux différents points a, b, c et d en fonction de leur distance par rapport au point de stimulation, on observe que la chute de tension suit une courbe exponentielle. la distance correspondant à une baisse de la tension de départ de 63,2% détermine la constance d espace du système (l). or, la chute de tension au travers de rl est directement proportionnelle à la valeur même de rl. ainsi, si la résistance longitudinale est faible, la chute de tension est faible et le signal peut être conduit sur une grande distance : la constance d espace l est élevée. au contraire, si la résistance longitudinale est importante, la chute de tension est importante et le phénomène initial décroît très vite : la constance d espace l est faible. la résistance longitudinale rl est directement liée au volume de l axoplasme : une grande résistance longitudinale, et donc une constance d espace faible, est due à un faible volume de l axoplasme, qui correspond à un axone de faible diamètre; au contraire, une fibre de gros diamètre a un volume axoplasmique important, une résistance longitudinale rl faible et donc, une constance d espace élevée. la propagation des phénomènes électriques le long des fibres nerveuses sera donc plus ou moins efficace selon le diamètre des fibres.
fibre de gros diamètre volume élevé rl basse équivaut à chute de tension basse implique l élevée fibre de petit diamètre faible volume rl élevée équivaut à chute de tension élevée implique l basse
de par sa structure, la membrane neuronale est mauvaise conductrice. une stimulation électrique de cette membrane est déformée comme dans un système résistif-capacitif (rm - cm) et ne se propage que sur de courtes distances liées aux diamètres des fibres (rl).
<langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=03><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/mecanion.html> les mécanismes ioniques à l origine du potentiel de repos
dans toutes les cellules, la répartition des ions de part et d autre de la membrane est inégale. les principaux ions libres rencontrés sont les ions na+, k+, ca2+ et cl-.
la distribution des ions de part et d autre d une membrane plasmique obéit à deux grands principes : l électroneutralité et l équilibre osmotique
les solutions ioniques des milieux intra et extracellulaire doivent être électriquement neutre. elles doivent chacune contenir autant d anions (a-) que de cations (c+). c est le principe de l électroneutralité.
milieu extérieur
[cations]e = [anions]e en meq
[na]e + [k]e + 2 x [ca]e = [cl]e 140 + 5 + (2 x 1) = 147 milieu intérieur
[cations]i = [anions]i en meq
[na]i + [k]i + 2 x [ca]i = [cl]i + [p]i
14 + 140 + (2 x 10-4) = 14 + [p]i [p]i = - 140 meq
le nombre de particules en solution situé de chaque côté de la membrane doit être le même, quelle que soit la charge de ces particules. c est l équilibre osmotique. en effet, si la pression osmotique des deux milieux n est pas égale, il se produira des mouvements d eau (du milieu le moins concentré vers le milieu le plus concentré) qui modifieront le volume cellulaire.
[ions]e = [ions]i en mosm
[na]e + [k]e + [ca]e + [cl]e = [na]i + [k]i + [ca]i + [cl]i + [p]i
140 + 5 + 1 + 147 = 14 + 140 + 10-4 + 14 + [p]i
[p]i = 125 mosm valence de p = - 140 / 125 = - 1,12
l existence d un gradient de concentration d un ion de part et d autre d une membrane perméable à cet ion entraîne la formation d un gradient électrique
soit une membrane séparant deux compartiments 1 et 2, contenant des solutions ioniques isotoniques. cette membrane est perméable à l eau et aux cations (+) mais imperméable aux anions (-). la concentration en anions (-) et en cations (+) est plus élevée dans le compartiment 1 que dans le compartiment 2.
a. sous l influence du gradient de concentration : [c+]1 supérieur à [c+]2, les cations, seuls diffusibles, vont passer du compartiment 1 vers le compartiment 2 (flèches noires). ces cations, quittant le compartiment 1, libèrent les charges (-) des anions non diffusibles et créent un excédent de charges (+) dans le compartiment 2. le travail fourni pour déplacer un ion le long de son gradient de concentration dépend :
de la constante des gaz parfaits r = 8.314 joules / mol./ °k
de la température absolue t° kelvin = t° celsius + 273
des concentrations dans chaque compartiment [c+]1 & [c+]2
tel que : w [ ] = r. t. ln [c+]2 / [c+]1
b. le transfert des cations de 1 vers 2 a polarisé la membrane [1 : (-) - 2 : (+)] et crée un gradient électrostatique de 2 vers 1, qui tend à s opposer à la fuite ionique né du gradient de concentration. le travail électrostatique, s opposant à la diffusion de l ion dépend :
de la valence de l ion z de la quantité d électricité que représente un ion gramme f = faraday = 96 500 coulombs de la force électromotrice générée e
tel que : w e = z. f. e
le flux ionique né d un gradient de concentration est autolimité par le champ électrique qu il engendre.
z. f. e. = r. t. ln [c+]2 / [c+]1
eion (volts) = r .t / z . f . ln [c+]2 / [c+]1
équation de nernst attention !
pour effectuer ces calculs, nous partons, à chaque fois, du principe que la membrane est perméable à un seul ion et imperméable aux autres. de plus, les valeurs calculées varient selon les cellules en fonction des concentrations ioniques des milieux extra- et intracellulaires comme de la température centrale de l espèce (invertébrés ou mammifères ) à laquelle appartiennent les cellules étudiées.
soit une membrane neuronale de mammifère :
t = 37°c = 37 + 273 = 310 °k
r . t / f = (8.314 . 310) / 96 500 = 0.026
ln = 2.3 log10
1 volt = 1 000 millivolts (mv)
si, par convention, le milieu extracellulaire est le milieu de référence et que nous prenions les valeurs des concentrations ioniques extra- ([ion]e) et intracellulaires ([ion]i) indiquées sur la figure :
eion (mv) = [(1 000 x 0.026 x 2.3) / z] log10 [ion]e / [ion]i = 60 / z log10 [ion]e / [ion]i
potentiel d équilibre des ions k+
ek = - 87 mv potentiel d équilibre des ions na+
ena = + 60 mv potentiel d équilibre des ions ca2+
eca = + 120 mv potentiel d équilibre des ions cl-
ecl = - 61 mv
<langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=03><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/mecamemb.html> perméabilité membranaire et canaux ioniques : les mécanismes membranaires à l origine du potentiel de repos nous savons que, la couche bilipidique étant imperméable aux ions, les mouvements passifs des ions ne se font qu au niveau de protéines transmembranaires spécialisées : les protéines-canaux dont la structure tridimensionnelle délimite un pore aqueux au travers duquel passent sélectivement certains ions. elles assurent elles-mêmes le passage des ions à travers la membrane - elles sont aussi appelées canaux ioniques. 1. le gradient électrochimique : vm - eion
pour traverser la membrane, un ion est soumis à un gradient électrochimique (ou driving-force des anglo-saxons), qui s exprime par la différence entre le potentiel de membrane (vm) de la cellule et le potentiel d équilibre de l ion considéré (eion). le flux net d une espèce ionique au travers de ses propres canaux est proportionnel à ce gradient électrochimique. potentiel d equilibre
gradient electro-chimique
flux net ek = - 87 mv vm - ek = -60 - (-87) = + 27 mv sortant ena = + 60 mv vm - ena = -60 - (+60) = - 120 mv entrant eca = + 120 mv vm - eca = -60 - (+120) = - 180 mv entrant ecl = - 61 mv vm - ecl = -60 - (-61) = + 1 mv équilibre par convention, le flux net est positif quand un cation a tendance à sortir de la cellule et est négatif quand le cation a tendance à y entrer. 2. la conductance ionique membranaire
d une manière générale, la conductance électrique (exprimée en siemens, s) mesure la facilité avec laquelle un courant se déplace entre deux points : c est l inverse de la résistance (exprimée en ohms, w).
dans le cas d un canal ionique, la conductance caractérise la facilité avec laquelle les ions traversent le pore aqueux de la protéine-canal.
la conductance de toute la membrane d une cellule pour un ion (conductance ionique membranaire), gion, est proportionnelle à la conductance élémentaire d un canal ionique : gion, mais aussi au nombre total de canaux de l espèce ionique considérée dans la membrane : nion et à la probabilité p0 pour que ces canaux soient à l état ouvert :
gion = gion . nion . p0
la valeur de gion peut varier de 10 à 200 ps (1 picosiemens, ps = 10-12 siemens) selon le type de canal ionique. notons que la plupart des canaux ioniques ne sont pas parfaitement sélectifs : la mesure de gion dépend donc des conditions expérimentales et, en particulier, de la présence d autres ions. 3. les courants ioniques
l électrophysiologiste mesure des courants. l intensité du courant (iion, exprimé en ampères : coulombs.sec-1) traversant un canal ionique ou courant ionique élémentaire est égale à : courant ionique membranaire (iion) = gion (vm - eion)
ce qui n est que la transposition de la loi d ohm (v = ri donc i = g v) à un gradient électrochimique 4. la membrane neuronale est perméable à plusieurs ions : détermination du potentiel de repos
on pensait, au début (j. bernstein, 1902), que la membrane neuronale était sélectivement perméable aux ions k+. des études plus récentes ont pu montrer que la membrane neuronale au repos est perméable, à la fois, aux ions k+ et na+. il apparaît simplement, qu au repos, la conductance membranaire des ions k+ (gk) est plus grande que celle des ions na+ (gna).
supposons une cellule dont la membrane comporte, à la fois, des canaux k+ et na+ ouverts. nous savons que cette cellule dispose de mécanismes de transport actif (pompe na+/k+/atpase) qui permettent de maintenir les concentrations des ions k+ et na+, de part et d autre de la membrane, constantes. les potentiels d équilibre des ions k+ (ek) et na+ (ena) restent donc constants. le potentiel de membrane (vm), qui va s établir, est donc intermédiaire entre les potentiels d équilibre des deux ions, soit entre ek (-87 mv) et ena (+ 60 mv).
le potentiel de membrane de la cellule (vm) atteindra un état stable quand le flux net des charges (k+ & na+) passant à travers la membrane sera nul, soit, en termes de courants ioniques, quand ina + ik = 0.
or nous savons que :
ik = gk (vm - ek)
ina = gna (vm - ena)
quand :
gk (vm - ek) + gna (vm - ena) = 0
vm = (gk . ek + gna . ena) / (gk + gna)
la valeur du potentiel de membrane dépend de la conductance relative des deux ions, leurs potentiels d équilibre restant constants, et donc du rapport gna / gk
si a = gna/gk :
vm = (ek + a. ena) / 1 + a
dans notre exemple, où vm = -60 mv, ek = -87 mv et ena = + 60 mv, a = 0.2, ce qui signifie que la conductance des ions k+ est 5 fois plus grande que celle des ions na+ soit : gk = 5. gna.
dans la majorité des cellules au repos, il y a beaucoup plus de canaux k+ que de canaux na+ ouverts. mais, le courant sortant potassique n est cependant pas 5 fois plus important que le courant entrant sodique car le gradient électrochimique potassique (vm - ek = + 27 mv) est beaucoup moins important que le gradient électrochimique sodique (vm - ena = - 120 mv). en fait, 2 ions k+ sortent de la cellule quand 3 ions na+ y entrent. la cellule nerveuse aurait donc tendance à se vider de son k+ et à se remplir de na+ si un système de transport actif, et donc consommateur d énergie, ne venait rétablir l équilibre en expulsant 3 ions na+ contre l entrée de 2 ions k+. 5. la pompe na / k / atpase maintient les concentrations ioniques en k+ et na+ intra- et extracellulaire constantes
une expérience, aujourd hui classique, utilisant du na+ radioactif, montre que du na+ est perpétuellement rejeté de la cellule contre son gradient électrochimique. un axone géant de calmar est incubé quelques minutes dans du liquide de ringer contenant du na+ radioactif : le na+ radioactif pénètre par diffusion passive dans l axone, en fonction du gradient électrochimique du na+.
1. l axone est ensuite placé dans un milieu normal : le milieu s enrichit progressivement en na+ radioactif, qui ne peut provenir que de l axone (sortie de na+), et ce par un mécanisme de transport actif qui s oppose au gradient électrochimique du na+. 2. si l axone empli de na+ radioactif est plongé dans un milieu contenant du dinitrophénol (dnp), soit un inhibiteur du métabolisme cellulaire, le flux sortant de na+ s arrête, et ce de façon réversible : la sortie de na+ est donc bien un phénomène actif lié à des processus métaboliques. l atp étant la plaque tournante du métabolisme énergétique dans la cellule, l adjonction d atp au milieu contenant du dnp provoque bien une reprise de la sortie du na+, dont l importance est proportionnelle à la quantité d atp ajoutée. 3. si l axone empli de na+ radioactif est plongé dans un milieu dépourvu d ions k+, le flux sortant de na+ s arrête également : la sortie de na+ dépend de la présence d ions k+ dans le milieu ([k+]e). 4. en modifiant les concentrations de na+ intracellulaire, on peut également montrer que la sortie de na+ de l axone est fonction de la concentration intracellulaire en na+ ([na+]i).
le modèle, encore hypothétique, de la pompe na+/k+/atpase postule l existence d une protéine transmembranaire dont la partie externe aurait 3 sites de liaison : 2 sites pour les ions k+ et un site pour l ouabaïne (bloquant de la pompe). - la partie interne de la protéine, située vers le cytoplasme de la cellule, porterait le site de liaison de l atp et 3 sites de liaison pour les ions na+. chaque fois que 3 ions na+ sont expulsés de la cellule, 2 ions k+ entrent dans la cellule.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=04><source=http://nte-serveur.univ-lyon1.fr/physiogerland/physiologie_nerveuse/pot_repos.htm> le potentiel de repos
tout le fonctionnement du neurone, autrement dit la réception d informations d entrée, leur convergence grâce aux dendrites sur le corps cellulaire, l élaboration au delà d un seuil d un signal électrique bref, le potentiel d action, propagé le long de l axone et l initiation du processus de transmission synaptique chimique, repose sur l existence de protéines ou canaux ioniques incluses dans la double couche de phospholipides qui forme la membrane cellulaire. ces protéines mettent en communication le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire. par les pores remplis d eau qu elles constituent au travers du film de phospholipides, elles permettent ce contrôler les échanges d ions entre les deux milieux. nous verrons que ces échanges d ions déterminent l état de repos et celui d activité du neurone.
le corps cellulaire du neurone renferme, comme les autres cellules de l organisme, tous les éléments nécessaires à la synthèse de macromolécules. ces synthèses sont guidées par l information contenue dans le noyau de la cellule et elles concernent en grande partie des éléments constitutifs du neurone, des filaments du squelette cellulaire, qui sont des polymères protéiques formant l architecture spécialisée de la cellule en ses différentes parties ; corps cellulaire, dendrites, axone et terminaisons axonales. certaines synthèses ont lieu dans les dendrites elles-mêmes. par contre, l axone n est pas un lieu de synthèse. un double flux de son contenu transporte les éléments nécessaires.
flux antérograde : du corps cellulaire vers l extrémité de l axone, ce sont essentiellement des protéines membranaires qui sont transportées, protéines de structure de la membrane cellulaire ou des membranes des organites internes, enzymes de synthèse du ou des neurotransmetteurs, précurseurs du ou des neurotransmetteurs.
flux rétrograde : de l axone vers le corps cellulaire, il permet d évacuer des déchets.
bien que tous ces éléments soient nécessaires au fonctionnement cellulaire, nous n accorderons attention qu à ceux qui sont directement responsables de la fonction du neurone en tant que cellule spécialisée dans l élaboration et la transmission de messages nerveux, autrement dit aux protéines constituant les canaux ioniques.
la polarisation membranaire de repos
au repos, le neurone est électriquement polarisé. la différence de potentiel mesurée par une électrode placée dans la cellule est d environ 60 millivolts par rapport à une électrode de référence placée dans le milieu extracellulaire. cette polarisation membranaire de repos est stable dans le temps, tant que le neurone n est pas sollicité sur ses entrées dendritiques par des neurones situés en amont dans le réseau. la distribution des ions de part et d autre de la membrane plasmique est inégale. on trouve davantage d ions k+ à l intérieur de la cellule qu à l extérieur. pour les ions na+, ca++ et cl- c est l inverse. ces gradients de concentration qui existent pour chaque espèce ionique entraînent des transports passifs par diffusion. les ions étant des particules chargées, leur déplacement sera fortement influencé par la présence d un champ électrique transmembranaire. ainsi, pour chaque espèce ionique, la condition d équilibre ne sera pas nécessairement obtenue par l égalisation des concentrations comme dans le cas des solutés électriquement neutres.
une différence de concentration de part et d autre de la membrane peut exister dans des conditions d équilibre pour un électrolyte si elle est contrebalancée par une différence de potentiel électrique entre les deux compartiments. cette différence de potentiel est appelée potentiel d équilibre pour un ion donné (e ion). elle se calcule avec l équation de nernst
e(ion) = rt/zf ln ( [ion]ext / [ion]int ) r : constante des gaz parfaits t : température absolue en degrés kelvin z : valence de l ion f : faraday, 96500 coulombs/mole d ion [ion]ext : concentration extracellulaire [ion]int : concentration intracellulaire
pour un neurone de mammifère, les potentiels d équilibre calculés sont :
ek = -84mv, ena = +60mv, e ca = +116mv, e cl = -58 mv.
si la membrane n était perméable qu à un seul ion, le potentiel de membrane au repos serait égal au potentiel eion calculé comme ci-dessus. tel n est pas le cas et chaque ion est soumis à un gradient électrochimique exprimé par la différence entre le potentiel de repos em de la membrane et le potentiel théorique calculé e (ion), gradient dont l effet sera de créer un flux d ion, donc un courant ionique. la transposition de la loi d ohm u = r i à un gradient électrochimique donne :
i (ion) = g (ion) ( em – e ion) i (ion ): courant ionique g (ion) : conductance de la membrane pour l ion (inverse de la résistance) em : potentiel de membrane mesuré e (ion) : potentiel d équilibre de l ion considéré.
em est proche de ek : donc ce sont surtout les ions k+ qui déterminent le potentiel de repos. des canaux potassiques dits canaux de fuite sont en permanence ouverts dans la membrane au repos et autorisent la libre sortie des ions k+ selon leur gradient de concentration. en revanche, peu de canaux de fuite na+ sont ouverts au repos. ainsi em se stabilise à une valeur intermédiaire entre ek et ena au prorata des perméabilités respectives. (si la perméabilité de la membrane était la même pour les deux ions potentiel serait à mi valeur entre ek et ena).
on comprend que la forte tendance des ions k+ à sortir de la cellule (nombreux canaux ouverts) et la faible tendance des ions na+ à entrer (peu de canaux ouverts) devrait conduire à un changement des concentrations extra et intracellulaires observées, ce qui n est pas vérifié. il existe donc un dispositif qui récupère les ions k+ qui s échappent de la cellule et qui refoule les ions na+ qui pénètrent dans la cellule. ce dispositif qui déplace des ions, contre leur gradient de concentration, est un transport actif qui nécessite de l énergie : on l appelle la pompe na-k. ( voir le site sur le rein). elle utilise l adénosine triphosphate (atp) comme source d énergie pour transporter les ions contre leur gradient. son rôle, en maintenant stables les concentrations de part et d autre de la membrane pour na et k, est de maintenir stable le potentiel de repos en fonction du temps.
recapitulons
les neurones sont polarisés négativement au repos. la membrane est perméable aux ions qui la traversent librement par des canaux de fuite. l état de repos est principalement du à la perméabilité de la membrane au k+, l ion principal du milieu intracellulaire, qui sort par diffusion. de façon plus limitée, un peu de na+, l ion majoritaire du milieu extérieur, tend à entrer par diffusion à travers les canaux na+ de fuite. ces mouvements passifs d ions devraient tendre à équilibrer les concentrations de part et d autre de la membrane ce qui annulerait la valeur du potentiel de repos. ce phénomène est contrebalancé par le fonctionnement d une pompe na+/k+ qui utilise l énergie pour s opposer aux fuites par diffusion. le potentiel de repos peut ainsi se maintenir stable en fonction du temps.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=05><source=http://www.csrs.qc.ca/mitchellmontcalm/proj/neurones/21.htm> partie ii: des neurones bien branchés!
objectifs:
- démontrer le fonctionnement du potentiel de repos - démontrer les caractéristiques du potentiel d action - démontrer le fonctionnement du potentiel d action dans l axone
le potentiel de repos
toute cellule comporte une membrane. la membrane est ce qui délimite la cellule, ce qui lui donne forme. on pourrait comparer la membrane des cellules à la pelure d une orange. elle lui donne la forme, la délimite, la protège… on voit donc que la membrane des cellules est extrêmement importante pour elles, comme notre peau pour nous. mais pour les neurones, la membrane est encore plus importante que pour les autres cellules. en effet, en plus de les protéger, de leur donner forme, la membrane sert à conduire les messages, les potentiels d action. si le neurone n avait pas de membrane, il aurait donc fallu trouver un autre moyen pour les neurones de conduire l influx nerveux, le potentiel d action. la membrane est donc d une extrême importance. et grâce à elle, le mécanisme de transmission du potentiel d action, qui se propage électriquement des dendrites jusqu aux synapses est un mécanisme des plus extraordinaires! voyons donc l importance de la membrane à travers du moyen de communication des neurones: le potentiel d action.
au départ, il faut connaître l état inactif du neurone, lorsqu il ne fait rien, lorsqu aucun potentiel d action ne s y propage. cet état, c est le potentiel de repos. nous entrerons donc dans des explications un peu plus détaillées, expliquant son fonctionnement. mais à la fin de toutes ces explications, on comprendra le potentiel de repos, et après, le potentiel d action, le moyen de communication des neurones.
lorsque l axone du neurone est au repos, il est inactif. des chercheurs on vérifié, à l aide d une micropipette et d une électrode, le potentiel électrique (mesuré en millivolts ou mv) à l intérieur du neurone, et le potentiel électrique à l extérieur du neurone, lorsqu il est au repos. ils ont donc introduit la micropipette à l intérieur du neurone raccordé à une électrode située à l extérieur. les deux instruments mesuraient donc chacun les milieux où ils étaient (la micropipette mesurait l intérieur, l électrode mesurait l extérieur). on a mesuré une différence de potentiel électrique entre l intérieur et l extérieur de -70 mv. l intérieur était donc chargé négativement et l extérieur positivement. on appelle potentiel membranaire, la différence de potentiel électrique entre l intérieur du neurone et l extérieur, et non l inverse, ceci étant une convention. le potentiel membranaire du neurone au repos est donc de -70 mv. mais comment peut-il garder, lors de son état inactif, une différence de -70 mv entre l intérieur et l extérieur de sa membrane? c est grâce à sa membrane! nous allons donc voir maintenant le fonctionnement du potentiel de repos qui sert en effet à garder un potentiel membranaire de -70 mv.
tout d abord, essayons de comprendre un élément extrêmement important tant pour le potentiel de repos que pour le potentiel d action. cet élément c est l ion. un ion est un atome qui a perdu sa neutralité électrique (tout atome est neutre ayant autant d électrons que de protons) par acquisition ou perte d un ou plusieurs électrons. ainsi, s il perd un ou plusieurs électrons, il devient positif. s il en gagne, il devient négatif. voyons maintenant le rapport des ions avec les neurones. les milieux extérieur et intérieur du neurone baignent dans un liquide. l extérieur du neurone baigne dans un liquide riche en ions sodium, chargés positivement, et en ions chlore chargés négativement. tandis que l intérieur du neurone baigne dans un liquide riche en ions potassium chargés positivement et en protéines chargées négativement. bien entendu, puisque le neurone est neutre, il y a autant de charges positives que négatives baignant dans les liquides des milieux intra et extra cellulaires (à l intérieur et à l extérieur de la cellule).
la membrane du neurone est percée de petits canaux (pores) de différentes tailles, appelés électrorécepteurs. il y en a deux types: les électrorécepteurs sodium, qui ne laissent circuler que les ions sodium, et les électrorécepteurs potassium, qui ne laissent passer que les ions potassium. la membrane cellulaire est traversée également par une pompe sodium-potassium. cette pompe est l élément qui maintient le potentiel membranaire à -70 mv lorsque le neurone est au repos. en effet, lorsque le neurone est au repos, seule la pompe sodium-potassium est ouverte (les électrorécpeteurs sont inactifs). cette pompe a une caractéristique spéciale: pour 3 ions sodium qu elle laisse passer, elle laisse passer deux ions potassium. lorsque le neurone est au repos, les ions ont donc tendance, par diffusion, à vouloir aller du côté où ils sont le plus concentrés, vers le côté où ils sont le moins concentrés. lorsque c est l hiver et qu on ouvre la porte extérieure, un grand courant d air froid vient nous faire grelotter! l air, comme plusieurs autres substances, a donc la même tendance que les ions à vouloir aller du côté le plus concentré vers le moins concentré; c est-à-dire qu il cherche à se disperser, à se diffuser. les ions sodium, chargés positivement, plus nombreux à l extérieur qu à l intérieur du neurone, par diffusion, voudront aller vers le côté où ils sont le moins concentrés, et passeront donc à travers de la membrane pour diffuser à l intérieur du neurone, tandis que les ions potassium, chargés eux aussi positivement, plus nombreux à l intérieur qu à l extérieur, par diffusion, voudront aller vers le côté où ils sont le moins concentrés, et passeront donc à travers de la membrane pour diffuser à l extérieur. c est là que la pompe sodium-potassium entrera en jeu. pour 3 sodium expulsés à l extérieur, elle replacera 2 ions potassium à l intérieur. puisque ces 2 types d ions sont tous les deux à charges positives, il y aura plus de charges positives rejetées à l extérieur qu à l intérieur du neurone, et il y aura donc un potentiel membranaire de -70 mv. c est donc de cette façon que le neurone réussit à maintenir, lors de son inactivité, un potentiel membranaire de -70 mv. et lorsque le neurone est dans cet état, on dit qu il est polarisé, c est-à-dire qu il y a plus de charges positives à l extérieur qu à l intérieur.
1- le potentiel de repos se déroule lorsque le neurone est en état inactif. 2- il y a donc un potentiel membranaire de -70 mv, et le neurone est ainsi qualifié de polarisé . 3- c est grâce à la pompe sodium-potassium qui envoie à l extérieur 3 ions sodium pour 2 ions potassium à l intérieur qu on a un potentiel membranaire de -70 mv.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=06><source=http://www.cardiologie.info/anatomie/donnees_physiologiques/le_potentiel_de_repos.shtml> le potentiel de repos
les cellules cardiaques sont entourées d une membrane siège de mécanismes actifs de passage de différents ions, ce qui aboutit à des différences de concentration de part et d autre de la membrane cellulaire.
ainsi:
le sodium (na+) est 10 fois plus concentré à l extérieur qu à l intérieur de la membrane; la concentration intracellulaire de potassium (k+) est 30 fois supérieure à sa concentration extracellulaire; la concentration extracellulaire de calcium (ca++) est très supérieure à sa concentration intracellulaire.
les différences de concentration de ces particules chargées électriquement aboutissent à des différences de potentiel entre l intérieur et l extérieur de la membrane cellulaire.
au repos, l intérieur de la cellule est chargé négativement avec une différence de potentiel de -90mv.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=07><source=http://sites.univ-provence.fr/wfcup/site/img/pdf/ch2_p4-message_nerveux.pdf>
i – les propriétés de la membrane du neurone au repos la membrane d un neurone présente un état électrique particulier appelé potentiel de repos. on utilise pour ce dispositif une fibre nerveuse de calmar (axone) car son diamètre (0.5 à 1 mm) permet de placer les électrodes réceptrices de part et d autre de ma membrane plasmique de la fibre nerveuse et sa robustesse la rend apte à l étude in vitro. en l absence de stimulation, il existe une différence de potentiel ou ddp entre les 2 faces de la membrane plasmique. la face interne est négative par rapport à la face externe. cette tension électrique entre les 2 faces est appelée potentiel de membrane ou potentiel de repos. elle est exprimée négativement pour rappeler que l intérieur est négatif par rapport à l extérieur. i – le message nerveux à l échelle de la fibre nerveuse : le potentiel d action ii – la propagation du potentiel d action au niveau de la fibre nerveuse iii – le message nerveux à l échelle du nerf dispositif expérimental de mesure du potentiel de repos enregistrement de la différence de potentiel transmembranaire d une fibre nerveuse au 3repos au temps t0 : les 2 électrodes réceptrices e1 et e2 sont placées en surface de la fibre nerveuse sur la membrane plasmique. au temps t1 : l électrode e2 reste externe et l électrode e1 est introduite dans le milieu intracellulaire (électrode intracellulaire) daeu- cours de sciences de la nature et de la vie – marie claire garnier 3 le potentiel de repos est donc – 60 mv pour la fibre de calmar à – 70 mv pour une fibre humaine cette inégale répartition des charges est due à une inégale répartition des ions chargés. le milieu extracellulaire est riches en na+ et le milieu intracellulaire est riche en k+. ce potentiel de repos est caractéristique de toutes les ¢ vivantes. sa valeur varie selon les types ¢aires, mais il est toujours polarisé dans le même sens. ¢ musculaire - 90 mv axone géant de calmar - 60 mv ¢ sensorielle de la rétine - 20 mv
<langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=08><source=http://www.encyclopediefrancaise.com/potentiel_d%27action_cardiaque.html> potentiel de repos de membrane le potentiel de repos de membrane de est provoqué par la différence dans des concentrations et des conductances ioniques à travers la membrane de la cellule pendant la phase 4 du potentiel d action. le potentiel de repos normal de membrane dans le myocarde ventriculaire est environ -85 à -95 système mv. ce potentiel est déterminé par la perméabilité sélective de la membrane de cellules à de divers ions. la membrane est la plus perméable au k+ et relativement imperméable à d autres ions. le potentiel de repos de membrane est donc dominé par le potentiel d équilibre de de k+ selon le gradient de k+ à travers la membrane de cellules. le potentiel de membrane peut être calculé using l équation de tension de goldman-hodgkin-katz de . l entretien de ce gradient électrique est dû à de divers pompes d ion et mécanismes d échange, y compris le na+ - la pompe d échange ionique de k+, l échangeur du ca2+ de na+- courant et le d ik1 rectifiant vers l intérieur le courant de k+.
intracellulairement (dans la cellule), k+ est le cation principal , et le phosphate et les bases de conjugé de des acides organiques sont les anions dominants extracellularly (en dehors de la cellule), le na+ et le cl- prédominent.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=09><source=http://www.santetropicale.com/resume/39106.pdf>
le potentiel de repos les cellules nerveuses possèdent à l état de repos un potentiel de membrane [14] de l ordre de -90mv du fait d une différence de concentration ionique, principalement en cations na+ et k+ de part et d autre de leurs membranes. en théorie, ce potentiel de repos devrait disparaître car il répond à un double phénomène de gradient de concentration (k+ attiré par le milieu intérieur moins concentré) et de gradient électrique (expulsion de l anion cl- et attraction des cations k+ et na+) entre l extérieur et l intérieur de la membrane nerveuse. en réalité, il existe un mécanisme de transport ionique actif capable en particulier de maintenir le k+ intracellulaire et le na+ extracellulaire (tab. 1) mis en évidence par hodgkin et huxley [5] appelé pompe à sodium/potassium.
tableau n°1 : répartition ionique au repos
peu élevé elevé extérieur k+ na+ cl- intérieur na+ cl- k+
il résulte de ce bilan de charge que le milieu intérieur est considéré comme électro-négatif par opposition au milieu extérieur électro-positif. le potentiel de repos reste constant tant que l équilibre entre d une part, les gradients de concentration et les perméabilités ioniques membranaires et d autre part, la pompe na+/k+ ne sont pas altérés. claude bernard [16] a montré que l irritabilité d une cellule se traduit par l inhibition ou l excitabilité. au niveau de la fibre neuronale elle correspond à une fuite de k+ vers le milieu extra cellulaire (inversion de polarisation), sa concentration y est donc corrélée à la notion de douleur [17]. si elle atteint le seuil d excitation (rhéobase) apparaît alors un nouveau potentiel dit d action du fait d une dépolarisation (créant une inversion de charge) se propageant, en s atténuant, le long de la fibre nerveuse par une entrée de na+ très rapide et une sortie de k+. elle est brutale atteignant d emblée sa valeur maximale (spike), expliquant d ailleurs le caractère fulgurant de la douleur dentaire et revient lentement par repolarisation à son état initial, période pendant laquelle la fibre est inexcitable. le retour au potentiel de repos résulte d une part d un arrêt rapide de la diffusion du na+ (freiné par le gradient de concentration) associé à une augmentation progressive de la perméabilité au k+ et d autre part de la pompe na+/k+ refoulant le ne, recaptivant le k+ déplacé lors de l excitation.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=10><source=http://www.neur-one.fr/17_pot_derepos.pdf>
chapitre 4 le potentiel de repos toutes cellules vivantes de l organisme présentent une différence de potentiel électrique transmembranaire ou potentiel de membrane. quand la cellule est au repos, cette différence de potentiel électrique reste stable : c est le potentiel de repos. sa valeur est une caractéristique électrophysiologique de la cellule. certaines cellules (les cellules ‘ excitables , comme les cellules nerveuses, musculaires et glandulaires), sous réserve qu elles soient en activité, (activité spontanée, ou évoquée par stimulation), deviennent capables de produire une (ou plusieurs) brusque(s) et ample(s) variation(s) transitoire(s) de leur potentiel de membrane, et ce à partir de leur potentiel de repos: ces variations rapides et importantes du potentiel de membrane sont les pa. ils caractérisent eux-aussi le type d activité de la cellule émettrice (voir le chapitre suivant). i - mesure du potentiel de repos (fig. 1) 1) mise en évidence le potentiel de repos (er) est caractéristique de toutes les cellules vivantes. il se manifeste par une différence de potentiel entre les deux faces de la membrane cytoplasmique, différence de potentiel qui reste stable tant que la cellule est au repos (et vivante). la figure 1 schématise un enregistrement intracellulaire dans un neurone. durant l étape 1, la microélectrode est approchée de la surface du neurone ; sa pointe est dans le milieu physiologique extracellulaire ; reliée à l une des deux entrées d un voltmètre, elle ne mesure aucune différence de potentiel avec l électrode de référence immergée elle aussi dans le bain extracellulaire et connectée à l autre entrée du voltmètre. l étape 2 débute lors de l introduction de la pointe de la microélectrode dans le corps cellulaire : on constate une brusque déflexion de ‘ l aiguille du voltmètre qui se stabilise à une valeur correspondant ici à -75mv. pour la plupart des cellules, er est compris entre -90 et -60mv ; sa valeur est caractéristique du type de cellules. fig. 1 – mesure et valeur du potentiel de repos cette différence de potentiel er est orientée de façon telle que l intérieur de la cellule est à un potentiel négatif par rapport à l extérieur. en termes d électricité tout se passe comme si les deux faces de la membrane correspondaient aux deux pôles d une pile électrique de force électromotrice égale à er et dont le pôle négatif serait situé vers l intérieur de la cellule. la membrane plasmique séparant deux compartiments liquidiens de compositions ioniques différentes, er ne peut s expliquer que par une répartition différentes des ions de part et d autre de la membrane associée à une perméabilité sélective et dominante de la membrane au repos pour une espèce ionique, ici les ions potassium 2) effets de la modification de la concentration en ions potassium du milieu extracellulaire sur la valeur du potentiel de repos si, comme dans l expérience schématisée dans la figure2, la concentration de potassium du milieu extracellulaire est modifiée de 2,5, 5, ... à 100mm pendant la mesure de er, on s aperçoit que les valeurs de er se stabilisent chaque fois à des valeurs de moins en moins négatives. fig. 2 – mesures de er d une cellule périfusée par différentes solutions de liquide extracellulaire contenant différentes concentrations de potassium. la courbe en trait plein rouge de la figure 3 représente les variations de er mesuré en fonction de [k+]e (échelle logarithmique). fig. 3 – variations des valeurs mesurées de er en fonction du log [k+]e ii - origine ionique du potentiel de repos dans les cellules d eucaryotes, la distribution des ions de part et d autre de la membrane plasmique est inégale. il y a plus d ions k+ à l intérieur de la cellule qu à l extérieur. la situation pour les ions na+, ca2+ et cl- est inverse. ces gradients de concentrations qui existent pour chaque espèce ionique entraînent des phénomènes de transports passifs par diffusion. mais les ions étant des particules chargées, leur déplacement sera également fortement influencé par la présence d un champ électrique transmembranaire. ainsi pour chaque espèce ionique, la condition d équilibre ne sera pas nécessairement (et généralement) obtenue par l égalisation des concentrations comme dans le cas d un soluté électroneutre, mais résultera de l absence d une différence de potentiel électrique entre les deux compartiments. cette différence de potentiel électrique est le plus souvent appelée potentiel d équilibre (eion, ei) et est donnée par l équation de nernst. de plus, ces ions traversent la membrane au niveau de structures spécialisées, des protéines qui font la distinction entre les différentes espèces ioniques, permettant à certaines de traverser la membrane plus facilement que d autres. ces structures sont variées; il peut s agir des transporteurs, des pompes, des canaux ioniques. les protéines qui nous intéressent en premier lieu ici sont les canaux ioniques (et dans une moindre mesure les pompes, voir plus loin). on envisagera à la fin de ce chapitre les différents facteurs qui influencent le mouvement des ions de part et d autre d une membrane à travers les canaux ioniques. 1) expérience de nernst (fig. 4)) l expérience de nernst est schématisée figure 4. au début de l expérience (t=0), 2 compartiments a et b remplis de solutions de kcl à concentrations différentes sont séparés par une membrane strictement perméable aux ions k+. seuls les ions k+ vont passer sous l action du gradient de concentration (d[k+]a-b) du compartiment où ils sont le plus concentrés (a) vers le compartiment où ils sont le moins concentrés (b). simultanément (t1) à la diminution de d[k+]a-b, un gradient de potentiel électrique (d[e]a-b) apparaît à travers la membrane ; ce gradient de potentiel résulte de l accumulation des ions k+ dans b et d un excédent concomitant de cl- dans a. a l équilibre les 2 gradients de potentiel et de concentration sont de même intensité mais dirigés en sens contraire : il en résulte que les ions k+ soumis à 2 forces de même intensité dirigées en sens contraire ne se déplacent plus à travers la membrane bien qu ils soient toujours plus concentrés dans le compartiment a que dans le compartiment b, et en excès par rapport aux ions cl- dans le compartiment b. cette situation d équilibre des ions k+ est à l origine de la polarisation de la membrane. a l équilibre la valeur du potentiel transmembranaire est égal au potentiel d équilibre thermodynamique pour les ions potassium (ek) donné par l équation de nernst (fig. 4b). fig. 4 – equation de nernst 168 la courbe bleue de la figure 5 représente les variations de ek calculées par l équation de nernst en fonction de [k+]b , en prenant comme valeur de [k+]a 140mm. fig. 5 – variations des valeurs calculées de ea-eb en fonction du log [k+]b (pour [k+]a = 140 mm) 2) le potentiel de repos est-il un potentiel d équilibre pour les ions potassium ? en première approximation, er = ek (superposition des courbes en trait plein rouge de la figure 3 et bleu de la figure 5, pour des concentrations de k+ supérieur à 10mm en réalité, la membrane cytoplasmique n est pas seulement perméable aux seuls ions k+ , elle est aussi un peu perméable aux ions sodium (pna/pk = 0,01). l existence de cette faible perméabilité aux ions sodium empêche que er soit strictement égal à ek. dans ces conditions, la valeur du potentiel de repos est donnée par l équation de goldman qui est celle d un potentiel de diffusion (voir ci-dessous). c est cette faible perméabilité au sodium de la membrane cytoplasmique au repos qui rend compte de la différence, pour les concentrations de k+ inférieur à 10mm, entre les courbes en pointillés et en trait plein des figures 3 et 5. curieusement les canaux responsables du potentiel de repos sont encore mal connus. on sait qu il existe des canaux qui sont ouverts au potentiel de repos (canaux k+, canaux cationiques divers dont des canaux na+) et dont les propriétés cinétiques et pharmacologiques ont été mal caractérisées. iii - généralisation de la notion de potentiel de membrane et propriétés électriques passives de la membrane 1) cas où la membrane est perméable à un seul ion: pile de concentration (équation de nernst) d une manière générale, si la perméabilité de la membrane cytoplasmique pour une espèce ionique i augmente, le potentiel de membrane devient égal au potentiel d équilibre thermodynamique de cet ion i donné par l équation de nernst: où: r = constante des gaz parfaits, t = température absolue z = la valence de l ion (+ 1 pour le k+ et le na+, - 1 pour le ci-, et +2 pour le ca2+), f = faraday, [ion]e = concentration de l ion à l extérieur de la cellule, [ion]i = concentration de l ion à l intérieur de la cellule, à 20°c, rt/f = 25 mv. si z = +1, en base 10: si, par convention, le milieu extracellulaire est le milieu de référence, en prenant les valeurs des concentrations ioniques intra- et extracellulaires indiquées dans la figure 1 du n°2 (neurone de mammifère), on trouve que: 169 le potentiel d équilibre des ions k+ est: ek = - 84 mv; le potentiel d équilibre des ions na+ est: ena = + 58 mv; le potentiel d équilibre des ions ci- est: ecl = - 58 mv; le potentiel d équilibre des ions ca2+ est: eca = +116 mv 2) gradient électrochimique; courant ionique à travers un canal au repos, l intérieur des cellules est chargé négativement par rapport à l extérieur. ce potentiel vm, dit de repos, est rarement égal au potentiel d équilibre d une espèce cationique. ceci est essentiellement dû au fait (comme nous le verrons dans le § ci-dessous) que la membrane n est pas sélectivement perméable à un seul ion, mais que différents types de canaux ioniques sont ouverts dans la membrane lorsque le potentiel de membrane est à sa valeur de repos. lorsqu une espèce ionique n est pas en équilibre, le flux net n est pas nul. a ce flux net correspond un courant que l on peut mesurer. a. la différence (vm - eion) est appelée gradient électrochimique le potentiel de membrane (vm) d une cellule au repos varie entre -20 et -90 mv suivant le type cellulaire. il est situé le plus généralement entre -40 et -60 mv, et n est égal à aucun des potentiels d équilibre d une espèce cationique. c est-à-dire qu en définitive, aucun cation n est en équilibre, et (vm - ecation) est différent de 0. on appelle cette différence (vm - ecation): gradient électrochimique (ou driving-force). en première approximation, le flux net d une espèce ionique, jion, sera proportionnel à ce gradient: jion. = (vm. - eion.) par convention, un flux net est positif lorsqu un cation a tendance à sortir de la cellule et négatif lorsqu il a tendance à entrer. ainsi, les ions na+ et ca2+ vont avoir tendance à entrer dans la cellule et les ions k+ à en sortir. la situation pour les ions ci- est plus complexe. dans beaucoup de cellules animales, la concentration intracellulaire en ions chlorure n est pas fixée par un système de transport actif aussi efficace que celui des ions sodium et potassium. il s en suit que, dans beaucoup de cellules les ions chlorure se distribuent uniquement passivement de part et d autre de la membrane, la valeur de ecl s ajustant à une valeur de vm fixée essentiellement par les ions na+ et k+. b. on définit un terme opérationnel: la conductance d une manière générale, la conductance électrique est une mesure de la facilité avec laquelle le courant se déplace entre deux points. la conductance entre deux électrodes placées dans une solution ionique augmente lorsque l on ajoute plus de sel dans la solution. dans le cas d un canal ionique, la conductance caractérisera la facilité avec laquelle les ions traversent le pore. la conductance s exprime en siemens (s), et est l inverse de la résistance r exprimée en ohms (o): ion = 1 /rion par convention, pour une espèce ionique donnée, ion sera la conductance d un canal, ou conductance élémentaire, et gion. la conductance de toute la membrane de la cellule pour cet ion. gion. est proportionnelle à ion, mais aussi au produit nion p0., où nion est le nombre total de canaux de l espèce ionique considérée dans la membrane, et p0. la probabilité pour que ces canaux soient à l état ouvert gion = ion nion p0 la valeur de ? peut varier entre 10 et 200 ps suivant le type de canal ionique. il faut signaler que la plupart des canaux ioniques ne sont pas parfaitement sélectifs, c est-à-dire qu ils laissent préférentiellement passer une certaine espèce ionique, mais que d autres espèces ioniques peuvent aussi, plus ou moins, traverser le pore. cela signifie que la mesure de ? dépendra des conditions expérimentales et en particulier de la présence d autres ions. c. l électrophysiologiste mesure des courants. transposition de la loi d ohm à un gradient électrochimique on peut écrire que l intensité du courant (iion) traversant un canal ionique est égale à: iion. = ion. (vm. - eion) cette expression n est que la transposition de la loi d ohm à un gradient électrochimique. le canal peut donc être représenté par le circuit électrique équivalent ci-contre: le gradient de concentration est assimilé à une pile avec une force électromotrice égale au potentiel d équilibre de l ion mis en jeu. cette pile est placée en série avec une conductance d une manière analogue, on peut écrire que, pour une cellule entière, le courant transmembranaire (iion) transporté par une espèce ionique à travers tous les canaux ioniques de la membrane d une cellule, est égal à : iion = gion (vm. - eion) 170 soit : iion = ion nion p0 (vm. - eion) iion = iion. nion p0 gion étant la conductance transmembranaire pour une espèce ionique. un courant électrique (à travers un canal ou la membrane) est équivalent à un flux net de particules chargées (ions). l unité de courant est l ampère (coulomb . s-1). on peut convertir le courant en flux : iion = z * f * jion. où f est la constante de faraday = 96500 c . mole-1 . 3) cas d une membrane perméable à plusieurs ions. potentiel de repos julius bernstein, en 1902, fut le premier à proposer une interprétation de l origine du potentiel de repos dans les cellules: les membranes biologiques seraient sélectivement perméables aux ions k+. cette hypothèse reposait sur les données de la distribution des différents ions de part et d autre de la membrane. avec le développement des techniques et des microélectrodes, on s aperçut, une quarantaine d années plus tard, que, au repos, la membrane était aussi perméable aux ions na+. a. que se passe-t-il si la membrane contient deux populations différentes de canaux ouverts ? imaginons une cellule fictive dont la membrane comporterait à la fois des canaux k+ et na+ ouverts (fig. 6). supposons que cette cellule possède également un mécanisme permettant de maintenir constantes les concentrations intracellulaires en ions k+ et na+ (les pompes ioniques jouent effectivement un tel rôle). ek et ena, les potentiels d équilibre des ions k+ et na+, restent donc constants car les concentrations en ions na+ et k+ de part et d autre de la membrane restent constantes. on comprend bien que le potentiel de membrane (vm) qui va s établir ne peut être égal ni à ena, ni à ek mais à un potentiel situé à un niveau intermédiaire. le potentiel d une telle cellule évoluera vers un état stable qui sera atteint quand le flux net de charges à travers la membrane (ici ce ne peut être que les ions na+ et k+) sera nul, ce qui, exprimé en termes de courants ioniques, donne: ig. 6 - quel est le potentiel de membrane d une cellule si la membrane contient autant = 10ps et k = 50 ps, vm sera f dont la membrane est perméable à la fois aux ions na+ et k+ ? supposons que la membrane contienne 5 fois plus de canaux k+ que de canaux na+, tous les canaux étant ouverts (p. = 1 et nk = 5nna), et que les conductances élémentaires de ces deux types de canaux soient égales ( k = na). avec ek = -84 mv et ena = +58 mv, vm. sera égal à: de canaux na+ que de canaux k+, nna = nk; mais si na aussi égal à –60mv. ce qui compte, c est le rapport gna/ gk. b. dans les membranes biologiques, le potentiel de repos se rapproche de ek au repos, gk est plus grande que gm, de l équation précédente, on voit que la valeur du potentiel de membrane va donc dépendre de la conductance relative des différents ions. si a = gna/gk 171 si a est petit, c est-à-dire si gk est grand par rapport à gna, vm se rapprochera de ek. dans notre exemple, avec vm = -60 mv, ek = -84 mv, et ena. = +58 mv, on peut calculer que a = 0,2 , c est-à-dire que le conductance aux ions k+ est 5 fois plus grande que celle des ions na+. or nous avons vu que: gion = ion.* nion. * po où: nion. est le nombre total de canaux de l espèce ionique considérée; ion. la conductance élémentaire d un canal; p0. la probabilité pour que ces canaux soient à l état ouvert. on voit que gk peut être plus grand que gna. si la conductance élémentaire des canaux k+ ouverts au potentiel de repos est plus grande que celle des canaux na+, k supérieur à na , ou si le nombre de ces canaux k+ ouverts est plus grand que le nombre de canaux na+ ouverts, nk * p0. supérieur à nna * p0. dans la majorité des cellules, au repos, il y a beaucoup plus de canaux k+ que de canaux na+ ouverts. l inégalité gk supérieur à gna. explique que l intérieur d une cellule soit négatif par rapport à l extérieur. quels sont les canaux responsables du potentiel de repos ? curieusement, ces canaux sont encore mal connus. on sait qu il existe des canaux qui sont ouverts au potentiel de repos (canaux k+ divers, canaux cationiques non sélectifs, ... ) et dont les propriétés cinétiques et pharmacologiques ont été bien caractérisées. mais il est possible qu il existe également d autres canaux qui participent au potentiel de repos de la cellule mais dont la conductance est trop faible pour que leur activité puisse être enregistrée avec des techniques électrophysiologiques actuelles. généralisation: expression du potentiel de membrane (équation de goldmann) dans les cellules animales, la membrane plasmique possède une grande variété de canaux ioniques et sera donc perméable non seulement aux ions k+ et na +, mais également aux ions ca2+ et cl-. comme précédemment, si l on suppose que des gradients transmembranaires peuvent rester constants, le système évoluera vers un état d équilibre avec un potentiel transmembranaire, vm, qui sera atteint lorsque: 4) variations du potentiel de membrane: dépolarisation, hyperpolarisation, potentiel électrotonique. schéma électrique équivalent de la membrane. lorsque le potentiel de membrane se déplace vers les valeurs plus négatives, on dit que la cellule s hyperpolarise ; lorsqu il se déplace vers les valeurs plus positives, la cellule se dépolarise (fig. 7). un flux entrant de cations dépolarise la cellule; un flux sortant l hyperpolarise. le potentiel de membrane vm peut évoluer entre 2 valeurs extrêmes correspondant aux potentiels d équilibre le plus négatif et le plus positif, soit dans le cas de la plupart des cellules animales entre ek et ena. cette évolution est fonction des conductances relatives de la membrane. si les ions cl- sont distribués passivement, alors le potentiel de repos (vm) d une cellule est en première approximation égal à: ainsi, tout ce qui peut faire varier ena, ek, gna ou gk va modifier la valeur de vm. si par exemple ek se rapproche de 0 (par exemple si [k]e augmente), le deuxième terme (gk.ek) diminue et donc vm se rapproche de ena. toutes les autres solutions sont possibles. fig. 7 – les réponses dépolarisantes ou hyperpolarisantes passives en réponse à des injections de courant à l intérieur de la cellule sont appelées potentiels électrotoniques. deux microélectrodes, l une servant à mesurer le potentiel de membrane, l autre à passer du courant sont placées à l intérieur du neurone. un saut de courant sortant (positif) appliqué par l expérimentateur à l intérieur de la cellule la dépolarise; un saut de courant entrant (négatif) l hyperpolarise. ces sauts de courant entraînent l apparition de potentiels électrotoniques dépolarisants ou hyperpolarisants. dans la figure 8, on voit que les potentiels électrotoniques mettent un certain temps à s établir. la capacité (cm) et la résistance (rm) du schéma électrique équivalent de la membrane sont placés en parallèle. lorsque initialement, un courant (i) est appliqué, celui-ci va charger d abord la capacité de membrane. ic représente le courant passant à travers cm. quand la capacité de membrane est chargée, ic redevient nul après être passé par un maximum; simultanément, à mesure que vm change, de plus en plus de courant traverse les canaux ioniques : lorsque, ic étant devenu nul, tout le courant im passe par rm, le potentiel atteint un plateau. ce changement de potentiel est appelé potentiel électrotonique. le front de montée de ce potentiel est une exponentielle dont la constante de temps t = rm*cm ; t peut être mesuré expérimentalement, il correspond au temps mis par le potentiel pour atteindre 63% de sa valeur finale. fig. 8 – les potentiels électrotoniques mettent un certain temps à s établir, en fonction de la valeur de la capacité de membrane. le schéma illustré sur la figure 9 est en fait la représentation électrique de la membrane de la quasi-totalité des cellules animales, alors que le potentiel transmembranaire est à sa valeur de repos. fig. 9 – schéma électrique équivalent de la membrane au potentiel de repos. chaque type de canal ionique représenté par la combinaison d une pile et d une résistance en série est placé en parallèle avec cm, la capacité de la membrane et les pompes na/k et ca2+. 5) un flux entrant de cations dépolarise la cellule (fig. 10); un flux sortant de cations l hyperpolarise (fig. 11). fig. 10 – un flux entrant de cations dépolarise la cellule. sur un neurone de mammifère on applique localement, près de la surface cellulaire, de la batrachotoxine (btx). cette toxine ouvre des canaux na+ normalement fermés au potentiel de repos de la cellule (a). la membrane (vm=-60mv) se dépolarise jusqu à une valeur v m=-50mv (b). le circuit électrique équivalent correspondant à l état stationnaire est représenté en (c). la btx provoque l ouverture de canaux na+ (branche de gauche) qui sont représentés par gna. dans cette branche du circuit, le courant est entrant. il se reboucle dans la branche de droite par les canaux ouverts au potentiel de repos, où il est sortant. dans la branche de gauche la chute de potentiel aux bornes de gna. est de –108mv, dans la branche de droite, aux bornes de gm, elle est de +10mv. fig. 11 – un flux sortant de cations hyperpolarise la cellule. on applique sur le corps cellulaire de la morphine (a). la cellule s hyperpolarise (b) (v m=-70mv). cette drogue, sur ce neurone, ouvre des canaux k+ symbolisés par gk sur le circuit électrique équivalent (c). des ions k+ sortent de la cellule, hyperpolarisant la cellule. ce courant se reboucle par les canaux ouverts au potentiel de repos, dans la branche de droite, où il est entrant. la chute de potentiel aux bornes de gk est de +14mv, aux bornes de gm, elle est de –10mv.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=11><source=http://chimge.unil.ch/fr/propsol/1prop15.htm>
4. le potentiel de membrane
considérons une membrane réelle imperméable aux anions mais partiellement perméable aux cations. la pression osmotique fait que a+ migre de 1 vers 2. le compartiment 1 se charge négativement (perte de a+) et le compartiment 2 se charge positivement créant ainsi un potentiel électrique appelé potentiel de membrane qui s oppose à la migration de a+.
on peut montrer que ce potentiel dépend des concentrations de l ion de part et d autre de la membrane et on a :
où z est la charge de l ion migrant (z = 1 pour a+) et c2 inférieur à c1.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=11><source=http://chimge.unil.ch/fr/propsol/1prop16.htm>
application : stockage d énergie dans les systèmes vivants et transmission de l influx nerveux
un gradient de concentration d un même ion séparé par une membrane produit un potentiel de membrane. par exemple, les pompes biologiques à potassium et à sodium maintiennent en permanence des gradients de concentration opposés pour ces deux ions.
on peut calculer les potentiels de membrane à 37°c associés à chaque cation:
ces potentiels sont de signes opposés puisque le rapport des concentrations est inversé. la présence d un potentiel électrique dû à un gradient de concentration est d une importance primordiale pour la physiologie et la biologie :
la présence du potentiel de membrane permet de stocker ou de restituer de l énergie à partir du gradient des concentrations. en effet, le potentiel électrique est lié à l énergie libre selon :
on peut donc calculer que de = +88 mv correspond à un stockage d énergie de :
a la fin du mécanisme de la respiration aérobique, le stockage de l énergie résultant de la combinaison de nadh2 avec o2 (chaîne de transferts d électrons) se fait sous forme de gradient de h+ à travers la paroi de la mitochondrie . ce gradient est ensuite utilisé pour recharger l adp en atp.
la modification du potentiel de membrane lors d un changement du gradient de concentration est caractéristique de la transmission nerveuse. si un gradient de concentration peut produire un potentiel électrique, le contraire est aussi vrai; l application d un potentiel électrique peut provoquer la diffusion d ions. c est l origine de notre sensiblité aux chocs électriques.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=12><source=http://biologique.free.fr/cours/nerophysiologie/potentiel%20de%20membrane.pdf>
potentiel de membrane 1. introduction les systèmes hormonal et nerveux sont les deux grands systèmes de communication. système nerveux : le neurone réagit à beaucoup de stimulations : thermiques, chimiques, mécaniques. la cellule sensorielle réagit à des informations extérieures. la cellule nerveuse est à l origine de signaux électriques et l information transmise est appelée influx nerveux. cette conduction est due à des modifications de l état de repos du neurone. la transmission entre neurones met en jeu des phénomènes chimiques mais on peut trouver des synapses électriques. on peut enregistrer des phénomènes électriques avec l électrophysiologie pour étudier le fonctionnement du système nerveux : electroencéphalogramme : étude globale du cerveau. enregistrement in vivo et visualisation des rythmes du cerveau. enregistrements extracellulaires sur tranches de cerveau : étude de réseaux, communication entre cellules. etudes intracellulaires, patch-clamp : récepteur ou canaux ioniques membranaires. 2. mesure du potentiel microélectrode intracellulaire potentiel de membrane au repos on utilise une électrode remplie e kcl poly1 pour un bon contact électrique. on enregistre des différences de potentiels de repos différents selon les cellules. on parle aussi de potentiel de membrane. ce sont des différences de concentrations en ions entre l intérieur et l extérieur de la cellule qui déterminent le potentiel. on dit d une membrane qu elle est polarisée si elle est chargée négativement. mesure du potentiel d action on implante une microélectrode au niveau de l axone et on stimule le neurone au niveau du corps cellulaire poly1. dépassement dépolarisation de la cellule. l intérieur de la cellule devient négatif. le pic dépend du type de cellule. phase descendante de repolarisation suivie d une hyperpolarisation et retour à la valeur de repos.
electrode extracellulaire si les cellules sont trop petites ou si les axones sont trop fins on utilise ce genre d enregistrement. de plus, on peut reconnaître différents types de cellules. on injecte un courant, ce qui amène des charges positives dans l axone. ces charges vont se déplacer le long de l axone, ouvrir les canaux sodiques et déclencher un p.a. si la stimulation est trop faible, on n arrive pas à avoir de p.a. poly2 i variations triphasiques du potentiel ii on a plus de charges positives dans la cellule que dans le bain. on stimule avec deux plaques en métal pour stimuler un nerf poly3 et on utilise aussi deux plaques pour les enregistrements. si on stimule fortement on recrute plus d axones et on enregistre une variation maximale due aux nombres d axones recrutés (des plus petits aux plus grands). 3. mesure des courants membranaires invention de la technique de potentiel imposé par cole, hogkin et huxley et, on a compris le fonctionnement du p.a. en étudiant l activité des canaux. technique basée sur la loi d ohm u=ri on va rendre u constant et on mesure i. on voit la variation de résistance de la membrane et on voit l état des canaux. si r diminue, les canaux s ouvrent. pour imposer le potentiel il faut pouvoir accéder à l intérieur de la cellule, il faut un potentiel de commande choisi par l expérimentateur et un appareil capable de comparer la tension de la membrane et le potentiel que l on veut imposer. cet appareil va injecter un courant pour que le potentiel de la membrane soit au potentiel souhaité. la double microélectrode intracellulaire poly4 on implante une microélectrode qui va mesurer le potentiel de membrane. il va être comparé à l électrode de référence. on va comparer la tension de la membrane à celle que l on veut mesurer. l amplification va injecter un courant à l aide d une seconde électrode pour amener le potentiel de membrane au potentiel que l on veut. il est impossible d utiliser cette technique sur de petites cellules ou des cellules fragilisées. ici on mesure des courants globaux, tous les canaux sont présents et, on ne contrôle pas la composition du milieu intracellulaire. technique de patch-clamp on utilise une pipette en verre qui va coller sur la membrane des cellules poly5. on a des milliers d ions qui vont passer dans les canaux et qu on va pouvoir enregistrer. il existe plusieurs modes pour le patch-clamp : mode cellule attachée mode cellule entière : on enregistre des courants globaux mode outside out : les extrémités de la membrane vont rester attacher et se rabattre sur la pipette mode inside out : la face interne est à l extérieur de la pipette les deux derniers modes sont des patchs excisés.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=13><source=http://www.lille.inserm.fr/site/ifr114ea2689/page.asp?page=208> 3. dissipation du potentiel de membrane mitochondriale, respiration et fonction contractile
la mitochondrie est un élément essentiel de la production d énergie de la cellule cardiaque. dans le muscle cardiaque, plus de 30 % du volume cellulaire est occupé par les mitochondries. grâce au maintien de la phosphorylation oxydative, les mitochondries assurent un perpétuel renouvellement en atp nécessaire aux phénomènes de contraction-relaxation des cardiomyocytes. la production d atp est conditionnée par l activité de l atp synthase ou fof1-atpase, elle-même déterminée par la présence d une force protomotrice générant une différence de potentiel. nous avons montré que les mitochondries isolées de coeurs de rats traités par le lps présentent des anomalies caractérisées par une augmentation de perméabilité, une diminution du potentiel de membrane et une fuite de facteurs pro-apoptotiques, comme le cytochrome c (fauvel et al., 2002). la présence cytosolique de cytochrome c conduit à l activation de la caspase-9, elle-même responsable du clivage et de l activation de la caspase-3. l inhibition pharmacologique de la transition de perméabilité mitochondriale par la cyclosporine permet de prévenir l ensemble de ces phénomènes et améliore la fonction myocardique. ces résultats sont en accord, montrant que la production de tnf-a myocardique conduit à une diminution du potentiel de membrane mitochondrial des cardiomyocytes (favory et al., 2004).
objectifs :
nous testons actuellement dans le laboratoire l hypothèse selon laquelle la dissipation du potentiel de membrane mitochondrial des cardiomyocytes est un évènement majeur induit par le lps qui, en plus de fuite mitochondriale de facteurs pro-apoptotiques comme le cytochrome c, est responsable de la défaillance myocardique septique. nous réaliserons des expériences montrant que la dissipation du potentiel de membrane mitochondrial des cardiomyocytes est responsable d anomalies mitochondriales qui associent une augmentation de perméabilité, un découplage de la chaîne respiratoire, une augmentation de la production de radicaux libres de l oxygène et des anomalies de l homéostasie calcique.
a) dans un modèle de péritonite chez la souris, nous étudierons d abord les effets du sepsis sur le potentiel de membrane mitochondrial des cellules cardiaques. la réduction attendue du potentiel de membrane sera associée à des modifications de la respiration mitochondriale qui sera évaluée grâce à un oxygraphe polarographique haute résolution. l ensemble des résultats obtenus permettra de confirmer que la mitochondrie représente une cible importante modulant la réponse à une agression septique.
b) nous confirmerons également que les modifications de la respiration mitochondriale induites par la péritonite chez la souris s accompagnent d une augmentation de production d espèces réactives de l oxygène (ros) et la concentration de calcium intramitochondrial.
c) une étude fonctionnelle sur cardiomyocytes isolés permettra de montrer le bénéfice fonctionnel de l inhibition de la dissipation du potentiel mitochondrial par l utilisation de la cyclosporine et de dérivé non immunosuppresseur, le n-methyl-4-isoleucine csa (nim 811). en effet, dans ce contexte, un traitement par la cyclosporine et le nim 811 administrés immédiatement après l induction de la péritonite chez la souris prévient la baisse de potentiel de membrane mitochondrial et la libération de cytochrome c. le rôle de bcl-2, une protéine mitochondriale qui peut dans certaines conditions s opposer à la baisse de potentiel de membrane mitochondrial et la libération de cytochrome c, sera évalué grâce à l utilisation de souris transgéniques. nous confirmerons l hypothèse que la sur-expression de la protéine anti apoptotique bcl-2 chez la souris transgénique bcl-2 /22 permet de prévenir la baisse de potentiel de membrane mitochondrial, les anomalies contractiles cardiaques et de réduire la mortalité induite par la péritonite.
méthodes :
les préparations tissulaires et cellulaires seront réalisées à partir de coeurs de rats ou de souris traités ou non par une injection de lps grâce à des protocoles standardisés. les préparations servant à l étude de la fonction mitochondriale seront réalisées sur fibres cardiaques perméabilisées et mitochondries isolées selon des techniques standardisées (ea 2689).
un oxygraphe polarographique haute résolution (oroboros oxygraph-2k) permettra la mesure de la consommation d oxygène et l utilisation de substrats et d inhibiteurs spécifiques des complexes de la chaîne respiratoire permettra d évaluer leur activité respective (ea 2689).
le potentiel de membrane mitochondrial sera évalué par l utilisation de tmre, un fluorophore cationique de localisation mitochondriale. la baisse de la fluorescence obtenue avec le tmre témoigne de la baisse de potentiel de membrane mitochondrial ( m)
la production d espèces réactives de l oxygène (ros) sera évaluée par des techniques de microscopie de fluorescence de la dihydrofluoreceine dcf (eclipse e800 nikon, tokyo, japan) (ea 2689). la transition de perméabilité mitochondriale et le calcium mitochondrial seront évalués en microscopie confocale de fluorescence de la calcéine et du rhod-2, respectivement (leica tcs nt, microsystems, rueil malmaison, france) (service commun d imagerie imprt université de lille2, lille).
une souche transgénique bcl-2 /22 surexprimant le gène bcl-2 (c.d.t.a institut de transgénose, c.n.r.s, orléans) sera utilisée. la vérification de la surexpression de bcl-2 des souris étudiées est effectuée au niveau de la queue, pour chaque souris tg fournie, par l institut de transgénose (dr marie laure dessain - cdta orléans).
la fonction contractile ventriculaire sera évaluée par échocardiographie (toshiba power vision 6000 - sonde linéaire de 8-14 mhz) (inserm u426, faculté de médecine x bichat, paris) et sur coeur isolé et perfusé (harvard apparatus, les ulis, france) (ea 2689). la fraction de raccourcissement des cardiomyocytes sera évaluée par technique de détection de bord cellulaire et la concentration intracellulaire de calcium (ionoptix, milton, ma, usa) sera déterminée par microscopie de fluorescence du fluo-3 (ea 2689)
les paramètres retenus pour l évaluation de la fonction systolique seront les suivants : diamètres du ventricule gauche (vg) en fin de diastole (dtdvg) et en fin de systole (dtsvg), fraction d éjection (fe = dtdvg3 - dtsvg3 / dtdvg3), et la fraction de raccourcissement (fr = dtdvg - dtsvg / dtdvg).
<langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=14><source=http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/07/98/48/pdf/cfm2005_chatkaew_biomecanique_2005.pdf> contribution du potentiel de nernst à la mécanique des membranes biologique résumé : une membrane biologique est constituée d une barrière, la bicouche lipidique, quasi-imperméable aux ions présents dans la solution dans laquelle baigne la cellule. le transfert des ions à travers la membrane est effectué spécifiquement par des protéines localisées au sein de la membrane. l activité membranaire génère ainsi une différence de potentiels électriques v à la membrane et des différences parfois très importantes de concentrations entre l intérieur et l extérieur de la cellule. dans le cas des cellules animales, v est proche du potentiel d équilibre de nernst de l ion potassium. le potentiel de nernst est la différence de potentiels électrique à la membranes nécessaire afin d équilibrer la différence de concentrations entre les concentrations interne et externe de l ion potassium. l objet de ce papier est de déterminer comment les propriétés élastiques d une membrane biologique sont modifiées par la présence du potentiel de nernst. d un point de vue électrique, la membrane peut être considérée en première approximation, comme un diélectrique de très faible épaisseur. le potentiel de nernst engendre donc une distribution ionique de part et d autre de la membrane. le système considéré est une cellule cylindrique. l énergie associée au processus de nernst a été calculée et ainsi, nous montrons que le module élastique de courbure est renormalisé et qu une courbure spontanée de la membrane apparaît. la stabilité de la membrane est affectée. abstract : the structure of a biological membrane is a thin lipid bilayer where proteins are embedded. as the lipid bilayer is a dielectric, ionic transfer through the membrane is maintained by proteins such as pumps and channels. theirs activities generate an electric membrane potential v and differences between intracellular and extracellular concentrations. in the case of animal cells, v is well described by the nernst equilibrium potential of the potassium ion. this potential is the difference of electric potentials across the membrane that equilibrates the difference between internal and external concentrations of the potassium ion. in this paper, the contribution of the nernst potential to the elastic properties of cellular membranes is determined. especially, the renormalization of the elastic modulus of curvature is computed. we show that a spontaneous curvature appears, modifying the stability of the membrane. mots clefs : mécanique des membranes ; élasticité ; potentiel de nernst 1 la problématique l étude de la structure et de la dynamique des membranes est un thème central de recherche dans des domaines aussi divers que la physique des colloïdes, physique et mécanique des interfaces [1,2] ou bien encore de la biomécanique [3]. les motivations sont aussi diverses que leur utilisation dans l industrie cosmétique ou agroalimentaire ou bien encore, une meilleure compréhension de processus biologiques dans lesquels la membrane joue un rôle important. deux exemples patents sont l exocytose et l endocytose. dans le cadre de ce papier, nous nous intéressons aux membranes biologiques [4].
fig. 1 – une membrane biologique est composée d une bicouche de lipides dans laquelle baignent les protéines. le potentiel de membrane v est la différence de potentiels électriques entre l interne et l externe. les membranes biologiques et de protéoliposomes sont constituées d une matrice, une bicouche lipidique formée de deux monocouches de lipides dans laquelle il existe un grand nombre de protéines membranaires : figure 1. l épaisseur est de l ordre de 5 nm. la bicouche lipidique étant imperméable aux ions, la conduction ionique est effectuée par plusieurs classes de protéines membranaires [4,5]. les pompes sont les seules qui soient actives : elles consomment de l énergie chimique par hydrolyse de l atp pour transférer un ion d un côté à l autre de la membrane. dans le régime stationnaire, le courant transmembranaire est nul : le flux membranaire produit par les pompes est compensé par celui d autres protéines telles que les canaux, les cotransporteurs ou bien encore les uniports. ces protéines sont passives. le résultat de cette activité est la génération d un potentiel de membrane v (v est la différence de potentiels électriques entre l interne et l externe) qui varie suivant le type cellulaire de –30 mv à –250 mv. il existe d autres sources du potentiel de membrane comme le potentiel de donnan ou bien le potentiel de nernst. ce dernier décrit correctement le potentiel de membrane v lorsque la conductance des protéines passives de l un des ions transférés par la pompe est grande devant le courant de la pompe divisé par le potentiel de membrane. c est notamment le cas des les cellules animales dont le potentiel de membrane v est bien représenté par le potentiel de nernst de l ion potassium [5] : k t v b (1) où n10 et n18 sont respectivement les densités interne et externe de l ion potassium. la nature thermodynamique du potentiel de nernst provient de l équilibre de la différence de concentrations interne et externe par le potentiel de membrane. elle sera explicitée dans la partie 3.1. l objet de ce papier est d étudier la contribution du potentiel de nernst aux propriétés mécaniques de la membrane : figure 2. fig. 2 – la déformation d une membrane dépend du module élastique de courbure et de la présence d une courbure spontanée. l objet de ce papier est l étude de la stabilité d une membrane cylindrique en déterminant ses caractéristiques mécaniques en présence d un potentiel de nernst. 2 mécanique de la membrane les propriétés élastiques des bicouches lipidiques sont caractérisées par trois types de déformation élastique associées à trois énergies élastiques de nature différente: élongation, cisaillement et courbure [6].
la première déformation correspond à un étirement isotrope (ou contraction) dans le plan de la membrane d un élément de surface. elle est donc reliée au module de compressibilité de la membrane. l énergie nécessaire afin d augmenter la surface de quelques % est considérable devant l énergie d agitation thermique kbt. dans notre travail, la surface de la membrane est donc constante. la seconde déformation est le cisaillement lié au mouvement opposé des deux monocouches à surface constante. dans les membranes fluides que nous considérons, la résistance est faible. ce terme est donc négligé. le troisième type de déformation est la courbure de la membrane à surface constante. la densité surfacique d énergie fmech est alors [2,6] :
où ? et g sont le modules élastique de courbure et le module gaussien. c1,2 et c0 sont respectivement les courbures principales et la courbure spontanée de la membrane. l intégration se fait sur la surface de la membrane. d après le théorème de gauss-bonnet, le second terme de l énergie ne dépend que de la topologie du système [2]. il est donc constant dans cette étude. il est omis dans la suite. 3 modèle 3.1 système et équations de base le système étudié est une membrane cylindrique de rayon r et d épaisseur d. la membrane contient divers ions notés j dont la valence est zj et la densité est nji. elle est plongée dans une solution contenant aussi les ions j dont la densité est nje. dans le cadre d un modèle simple, on suppose que seul l ion 1 est susceptible de traverser la membrane. si les densités interne et externe de 1 sont différentes, l ion 1 traverse la membrane et charge donc la capacité que constitue la bicouche électrique. le potentiel de membrane v engendré est la différence entre les potentiels électriques interne fi et externe fe: v=fi-fe. les distributions spatiales de chaque ion sont affectées de part et d autre de la membrane par v. dans une théorie de champ moyen, le profil de chaque densité ionique est donné par la distribution de boltzmann. les effets de corrélation sont négligés [7,8]. les densités ioniques vérifient l équation de poisson :
où nj8 et nj0 sont les densités ioniques de l ion j loin de la membrane à l extérieur et à l intérieur. vi est le potentiel de membrane tandis que ve est choisi égal à zéro (origine des potentiels). au sein de la membrane, entre r+=r+d/2 et en r-=r-d/2, le potentiel électrostatique satisfait l équation de laplace. le potentiel électrostatique est continu à la traversée de chaque interface solution-membrane en r+ et en r- tandis que le champ électrique est discontinu : en. f i,e =e mn. f mi,me (4) où e, em et n sont respectivement la permittivité de l eau, la permittivité de la membrane et le vecteur unitaire normal à la membrane. le système d équations est résolu analytiquement et numériquement le cas échéant dans le cadre de l approximation de debye-hückel. c est à dire que les potentiels fe et fi-v sont petits devant le potentiel thermique kbt/e ˜ 25 mv, approximation justifiée dans le cadre du potentiel de nernst. ainsi, les distributions de botzmann sont linéarisées et l intégration facilitée. 3.2 méthode et calcul de l énergie l énergie associée au processus de nernst comprend deux contributions. la première est électrostatique et provient de l existence d une différence de potentiels électriques à la membrane et donc, d une distribution ionique de chaque côté de la membrane. la seconde est fournie par l agitation thermique qui se retrouve aussi dans le profil des distributions ioniques. le cas n10 inférieur à n18 est considéré car, c est celui-ci qui peut être validé expérimentalement par une étude sur les protéoliposomes : à noter que la figure 1 correspond au cas opposé (celui des cellules animales). les résultats ne dépendent pas de cette hypothèse. une manière simple d évaluer l énergie de nernst est de considérer la variation d énergie dfnernst lorsque une quantité dn1 d ions 1 est transférée à la membrane : dfnernst=(µ1i-µ1e)dn1 où µ1i = z1efi+kbtln(n10) et µ1e = z1efe+kbt ln(n18) sont respectivement les potentiels électrochimiques de l ion 1 à l intérieur et à l extérieur. les potentiels chimiques standards ont été omis car, ils n interviennent pas dans le calcul. l intégration s effectue entre n1 égal à zéro et la quantité finale n1f d ions 1 transférés. n1f se détermine par la condition d équilibre dans l état final : µ1i=µ1e qui fournit la valeur du potentiel v dans l état final donnée par l équation (1). dans le cas d une membrane cylindrique, la somme des densités surfaciques d énergies mises en jeu f = fnernst + fmech peut être développée en puissance de 1/r : f= fplan +b/r+c/r2 où fplan est l énergie de la densité d énergie d une membrane plane. ce développement correspond aussi à celui d une membrane élastique cylindrique dont le module élastique effectif de courbure eff et la courbure spontanée c0eff sont renormalisés : eff = 2c et c0eff = -b/2c. cette méthode est générale. elle a été appliquée dans la littérature au cas de membranes dont les lipides ou protéines portent une charge fixe [9,10]. 4 résultats la résolution des équations (3,4) permet de déterminer la variation du potentiel électrique dans le système. le potentiel électrique comprend deux parties : figure 3. la première est le saut de potentiel de l ordre de v à la traversée de la membrane. son origine thermodynamique a été précisé en 3.1. c est le potentiel de nernst. la seconde partie est la couche de debye de part et d autre de la membrane. la densité de charge est écrantée sur une longueur caractéristique appelée la longueur de debye d= ?-1 : figure 3. elle varie comme l inverse de la racine carrée de la concentration en sel : e z j n j0, j /ekbt
fig. 3 – le potentiel électrique d une membrane soumise à un potentiel de nernst v (v=0.1 v) varie exponentiellement à l approche de la membrane. cela correspond à l écrantage ionique. ainsi, la différence de potentiels à la membrane vm = fi(r-) - fe(r+) est différente du potentiel de nernst v. les valeurs des paramètres ont été choisies pour la clarté de la figure : 0=5.107 m-1, 8=108 m-1, r=1 µm, d=5 nm, em=5.10-11 fm-1 et e=7.1 10-10 fm-1. int ext
toute la contribution à la mécanique de la membrane est contenue dans la couche de debye. car, l énergie nécessaire pour courber la membrane doit prendre aussi en compte les changements induits dans la distribution ionique. ainsi, le module effectif eff de plus de 10 % est modifié pour des valeurs de 0 inférieures à 5.0 107 m-1 ce qui correspond à une concentration interne en sel monovalent de 0.25 mm : figure 4. dans les cellules biologiques, la concentration ionique dépasse largement les 100 mm. il est facile de conclure que le potentiel de nernst ne modifie pas la valeur du module élastique de courbure des cellules biologiques. en revanche, les systèmes modèles tels que les vésicules géantes contiennent de faibles quantités d ions (en général, moins d 1mm) et sont donc affectés par le potentiel de nernst. pour un cas extrême dont la concentration ionique interne est de 0.01 mm, le module de courbure est plus que doublé. le terme en 1/r du développement de l énergie (partie 3.2) est non nul pour une membrane asymétrique. c est à dire pour une membrane dont les concentrations ioniques interne et externe sont différentes. dans la limite où 0 inférieur à 8 , on montre : ( ) eff c e e mv 2ed / 2 0 ˜ 0 . ce dernier résultat sera présenté en détail dans une future publication. fig. 4 – variation du module élastique effectif de courbure eff en fonction de l inverse de la longueur interne de debye (x10-7). les valeurs des paramètres sont : 8=108 m-1, d=5nm, em=5 10-11 fm-1 et e=7.1 10-10 fm-1, = 10 kbt et v= 100 mv. 5 conclusion dans ce papier, nous avons montré comment évaluer un effet de l activité cellulaire sur les propriétés mécaniques stationnaires des membranes biologiques. si le module de courbure est peu affecté dans le cas de cellules biologiques, il n en va pas de même pour les systèmes modèles tels que les protéoliposmes et vésicules. toutefois, la caractéristique fondamentale est l apparition d une courbure spontanée due uniquement au potentiel de nernst. il est nécessaire que les solutions ioniques interne et externe aient des concentrations ioniques différentes ce qui est généralement cas que ce soient pour des systèmes modèles ou bien des cellules biologiques.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=15><source=http://www5.ac-lille.fr/~svt/exao/expotmemb/potmemb.htm>
mesure du potentiel de membrane d une cellule oeuf
objectif de la manipulation
mettre en évidence l existence d un potentiel de membrane en mesurant, à l aide de deux électrodes, l une externe, l autre interne, cette différence de potentiel entre les deux faces de la membrane plasmique qui entoure le jaune d un oeuf de poule.
principe de la manipulation
enregistrer par exao la différence de potentiel qui apparaît dès qu une électrode pénètre dans le jaune d oeuf, la seconde électrode restant à l extérieur.
matériel et montage
matériel exao : interface nortek et logiciel winbio. une vieille loupe binoculaire dont les optiques ont été enlevées et remplacées par deux bouchons perforés portant les électrodes. la crémaillère de la loupe binoculaire permet le mouvement des électrodes au moment de la pénétration dans le jaune d oeuf. les trous des valets permettent de fixer une fiche de mise à la terre. deux électrodes réalisées à l aide de fil téléphonique (50 cm) dont une extrémité à été dénudée sur quelques centimètres ; l autre extrémité est reliée à la borne a (+) ou b (-) de l ampli 2 de l interface. deux gaines de stylos feutres permettent de rigidifier les électrodes qui traversent les deux bouchons percés de la loupe binoculaire ; le fil est collé dans la gaine du stylo à chaque extrémité (colle pour plastique), seule la partie dénudée dépasse de la pointe de la gaine.
electrode externe : faire une boucle avec la partie dénudée du fil pour qu il puisse prendre appui sur le jaune d oeuf sans le crever. elle sera reliée à la borne b de l ampli 2.
electrode interne : la partie dénudée (environ 1 cm) sera en un premier temps à la surface du jaune puis devra y pénétrer jusqu à la base de la gaine qui servira d isolant vis à vis du blanc d oeuf. elle sera reliée à la borne a de l ampli 2.
le montage obtenu est analogue à celui d une microélectrode interne reliée à la plaque supérieure d un oscilloscope.
matériel biologique : un oeuf de poule, à température ambiante, cassé dans un bécher de 50 ml de forme haute. ne conserver que la quantité de blanc nécessaire pour couvrir le jaune qui doit toucher le fond du bécher afin d éviter son enfoncement lors du mouvement des électrodes. visualiser le montage
protocole
lancer winbio / choisir une manipulation / choix de la manipulation / phénomènes lents. attendre la fin du chargement du logiciel de l interface. choisir les conditions de la mesure : mesure / mesure ampli 2. ajuster verticalement l échelle à la taille de l écran. vérifier que le bouton poussoir de l interface est en position manu.
choisir les échelles : echelle de temps : 0 à 1 min echelle de tension = échelle ampli 2 : - 100 à + 25 mv amener les deux électrodes à la surface du jaune d oeuf. lancer une mesure (exécution / lancer la mesure) et bien amener le graphe à 0 à l aide du bouton decalage continu de l interface ; arrêter la mesure (double clic droit) ; lancer à nouveau la mesure. au bout d une vingtaine de secondes, faire pénétrer l électrode interne dans le jaune d oeuf en tournant d un coup sec la vis de mise au point de la loupe binoculaire.
résultats
visualiser un enregistrement
difficultés
elles peuvent être dues à la présence de parasites qui perturbent l enregistrement. dans ce cas, éloigner au maximum le dispositif d enregistrement et l interface des ordinateurs. il suffit souvent de tenir à la main le bécher contenant l oeuf pour que les parasites disparaissent. on peut aussi disposer à l arrière et sous le bécher une feuille d aluminium type albal . la mise à la terre du support des électrodes est indispensable. si l électrode interne déchire la membrane, le potentiel enregistré peut s atténuer rapidement : il faut coller minutieusement le fil de cuivre à l extrémité de l étui plastique et empêcher les bavures de colle.
obligations
utiliser un oeuf le plus frais possible pour une bonne amplitude du potentiel de membrane et le porter à température ambiante avant la mesure.
remarques
l électrode interne peut aussi être fabriquée à l aide de fil téléphonique et d une pipette pasteur : on chauffe l extrémité de la pipette de manière à ce qu elle se soude à la partie dénudée du fil qui dépasse d environ 1 cm. une telle électrode est toutefois plus fragile.
avantage : le jaune d oeuf peut facilement être utilisé deux fois de suite voire plus ; chaque élève peut faire sa mesure.
inconvénient : aucun
temps de réalisation : 10 min temps de préparation :
5 min par poste de travail. coût : celui des oeufs manipulation : facile. sensibilité : très bonne danger : aucun.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=15><source=http://www5.ac-lille.fr/~svt/exao/expotmemb/resultat.htm>
potentiel de membrane d une cellule-oeuf de poule.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=16><source=http://www.cnrs.fr/cnrs-images/sciencesdelavieaulycee/lexique.htm>
potentiel de membrane : différence de potentiel électrique entre les deux faces de la membrane plasmique d une cellule. le coté interne de la membrane est polarisée négativement par rapport à la face externe.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=17><source=http://www.apteronote.com/revue/neurone/article_80.shtml>
neurone
le génie des neurones: repos et action
a- enregistrement de 100msec d un neurone de l hippocampe de rat en courant imposé. b- schéma d un potentiel d action d une durée de 3msec. dans la section précédente, on a vu que les neurones possèdent des canaux ioniques dépendants du voltage, spécifiques pour divers ions (na+, k+ et ca++), qui s ouvrent lorsqu ils sentent un changement de voltage membranaire pour laisser passer un petit courant électrique déterminé par un des gradients électrochimiques générés par les pompes échangeuses d ions. a partir de ces protéines électroniques , comment un neurone est-il capable de produire des influx nerveux?
on mesure l activité des neurones par des techniques d électrophysiologie principalement par la technique de courant imposé (current-clamp) qui mime mieux les conditions physiologiques normales. pendant un enregistrement électrophysiologique de courant imposé, le voltage (ou potentiel) membranaire du neurone varie librement tandis que le courant est contrôlé par l expérimentateur. faisons un petit rappel : la loi d ohm, u=rxi, affirme que le voltage (u) est le produit de la résistance (r) et du courant (i). rappelons-nous aussi que les canaux ioniques dans la membrane des neurones changent la résistance (r) de la membrane. ainsi, tous changements de résistance de la membrane (dûs à l activité du neurone et ses canaux ioniques), dans des conditions de courant imposé (stable et connu par l expérimentateur), se reflètent en variations de voltage. un enregistrement typique d un neurone est présenté à la première figure. on y voit le potentiel de membrane qui varie selon l activité du neurone. on utilise généralement le terme potentiel, au lieu de voltage ou tension ou encore différence de potentiel. tous ces termes sont cependant équivalents. initialement, le neurone est inactif ou au repos et son potentiel de membrane est autour de -70mv. on appelle le potentiel durant cette période potentiel de repos . ensuite, le neurone produit une série de pics de potentiels que l on appelle des potentiels d action. les potentiels d action sont l expression électrique de nos influx nerveux.
en regardant de plus près un potentiel d action, on se rend compte que celui-ci possède plusieurs caractéristiques. premièrement, toute augmentation du potentiel de membranaire est nommée dépolarisation parce qu elle rend la membrane moins négative (de -70mv, on va vers zéro et les valeurs positives). inversement, une diminution du potentiel membranaire est nommée hyperpolarisation puisqu elle rend la membrane encore plus négative (de -70mv vers des valeurs encore plus négatives). le potentiel d action est donc la dépolarisation maximale qu un neurone peut produire. en fait, le potentiel d action est une vague d inversion de la polarité électrique de part en part de la membrane cellulaire passant de -70mv à +40mv. pour qu un potentiel d action puisse se produire, le potentiel membranaire doit dépasser un seuil que l on appelle potentiel de seuil . on dit d ailleurs que la production d un potentiel d action se fait selon la loi du tout ou rien . il n y a pas de demi-mesure : on a un potentiel d action ou on en a pas ! après le potentiel d action, il y a toujours une chute du potentiel membranaire sous le potentiel de repos que l on nomme post-hyperpolarisation . cette période, suivant le potentiel d action, est aussi nommée période réfractaire parce qu il est plus difficile durant ce temps de stimuler le neurone étant donné que son potentiel est plus loin du potentiel de seuil. le potentiel de repos des neurones est établi grâce à l ouverture de quelques canaux ioniques au potassium (k+). la pompe na/k établit un gradient chimique de tel sorte que les ions k+ sont concentrés dans le milieu interne du neurone.cependant, quelques ions k+ sortent de la cellule via les canaux potassiques entraînant un surplus de charges positives du côté externe. le gradient électrostatique généré par la différence de distribution des charges de part et d autre de la membrane, s oppose au gradient chimique. un équilibre de flux d ions k+ entrant et sortant s établit. a l aide l électrode de chaque côté de la membrane, on mesure un potentiel de repos autour de -70mv. le repos des neurones : potentiel de repos
lorsque les neurones sont au repos, ils ont un niveau de potentiel membranaire relativement stable qui dépend principalement des canaux ioniques au potassium (k+). les autres canaux ioniques sont fermés parce que niveau de potentiel membranaire nécessaire pour les activer n est pas atteint. seuls les canaux ioniques au potassium, qui ont un niveau d activation plus bas, peuvent s ouvrir.
la pompe échangeuse na/k fait continuellement sont travail, lentement mais sûrement, établissant les gradients chimiques pour les ions sodium (na+) et potassium (k+) (voir génie 101). les ions na+ sont concentrés à l extérieur du neurone, tandis que les ions k+ sont concentrés dans le neurone. le travail des pompes échangeuses d ions garde le potentiel pratiquement neutre (autour de zéro) et ne permet pas d établir un potentiel électrique à elles seules. cependant, puisque les canaux ioniques au k+ sont ouverts, quelques ions k+ sortent du neurone sous la poussée du gradient chimique des ions k+. cette sortie d ions k+ déséquilibre les charges électriques de chaque côté de la membrane. par conséquent, il y a plus de charges positives du côté externe du neurone que du côté interne. en mesurant avec des électrodes de chaque côté de la membrane, on a déterminé que le potentiel de repos était autour de -70mv. suite à l établissement du potentiel de membrane à une valeur négative, une autre force agit sur les ions k+. en effet, les charges négatives dans le neurone attirent les ions k+, tandis que les charges positives les repoussent. dit autrement, une force électrostatique attire les ions k+ vers le milieu interne du neurone. -70mv est le point d équilibre entre le gradient chimique et la force électrostatique pour les ions k+ ce qui explique l établissement du potentiel de repos à cette valeur. cependant, les ions na+ ont un léger effet qui dépolarise la membrane au repos parce que de rares canaux sodiques sont ouverts. le potentiel de repos est donc légèrement plus positif qu à l effet seul des canaux potassiques et des ions k+. neurone at work : potentiel d action
le potentiel d action est une vague d inversion de la polarité électrique de la membrane cellulaire, selon le principe du tout ou rien. si le potentiel de repos implique les canaux ioniques au potassium (k+), le potentiel d action nécessite en plus les canaux ioniques au sodium (na+) (voir canaux sodiques). voyons-le étape par étape (voir la figure au bas de la page).
initialement, le neurone est au repos et sa membrane est autour de -70mv (en 1). seuls quelques canaux au k+ sont ouverts (canal en vert). les canaux ioniques au na+ sont tous fermés. le gradient électrostatique est plus positif à l extérieur de la membrane.
conductances des canaux ioniques au sodium et au potassium en relation avec les étapes d un potentiel d action. soudainement (en 2), un stimulus représenté par l étoile rouge et généralement produit par l action des synapses, dépolarise la membrane légèrement. si le potentiel de membrane atteint alors le potentiel de seuil, un potentiel d action est déclenché. le potentiel de seuil représente la limite minimale à laquelle suffisamment de canaux sodiques peuvent s ouvrir. l ouverture des canaux au na+ permet un influx important d ions na+ dans le neurone (canal en jaune). cet influx d ions chargés positivement change rapidement la polarité de la membrane vers des valeurs plus positives. la membrane se dépolarise. l entrée d ions na+ est forte parce que le gradient chimique des ions na+ (en jaune) et le gradient électrostatique (en noir) vont dans la même direction. l ouverture des canaux sodiques et l entrée d ions na+ agissent ensemble comme une réaction en chaîne (ou comme une rétroaction positive). plus de canaux sodiques s ouvrent, plus d ions na+ entrent et dépolarise la membrane qui active plus de canaux sodiques…
rapidement cependant, la membrane se dépolarise complètement jusqu à +30mv. ce faisant, le gradient statique s inverse (en 3). l entrée d ions na+ diminue de plus en plus (canal en jaune), puisque la force statique (en blanc) s oppose au gradient chimique des ions na+ (en jaune). par contre, sous l influence de la dépolarisation de la membrane, plusieurs canaux ioniques au k+ s ouvrent (canal en vert). de plus, le gradient électrostatique de la membrane dépolarisée et le gradient chimique des ions k+ vont maintenant tous les deux dans la même direction (vers l extérieur) et permettent la sortie massive d ions k+.
les canaux ioniques au sodium (en 4) s inactivent rapidement (en jaune), ce qui bloque l entrée d ions na+. cependant, les canaux potassiques (en vert), plus lents à réagir, laissent toujours sortir des ions k+ en grand nombre. cette sortie massive d ions potassium chargés positivement rend l extérieur de la membrane plus positive et l intérieur plus négative. la membrane se repolarise, c est-à-dire que son potentiel membranaire revint vers des valeurs plus négatives.
les canaux au potassium sont lents au point où trop d ions k+ sortent et le potentiel membranaire passe sous le potentiel de repos (en 5). la membrane s hyperpolarise le temps que la plupart des canaux potassiques se referment et que le gradient chimique des ions k+ et le gradient électrostatique se rééquilibrent. pendant, ce temps, les canaux ioniques au na+, inactivés pendant le potentiel d action, se rechargent et reprennent une conformation fermée, mais activable. puisque les canaux sodiques sont inactivés, il est très difficile de stimuler le neurone pour avoir un autre potentiel d action immédiatement. cette période est donc nommée période réfractaire.
la découverte du mécanisme du potentiel d action date de 1952 et est l exploit de hodgkins, huxley et katz. dans cinq articles scientifiques de grande qualité, tant par la clarté que l élégance des expériences, ils ont présenté leur étude électrophysiologique de l axone géant du calmar. hodgkins et huxley ont gagné le prix nobel pour cette formidable découverte. l idée que les pores laissant passer les ions sont en fait des protéines date des années 70 et a pu être possible grâce à la découverte de drogues bloquant les canaux ioniques au sodium et au potassium impliqués dans le potentiel d action.
<langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=18><source=http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/cmlv/cmlv-b2.htm#2> la cellule musculaire lisse vasculaire (cmlv) 2.1.1 couplage électromécanique : modification du potentiel de membrane
2.1.1.1 potentiel de membrane
en fonction des territoires vasculaires, le potentiel de membrane des cellules musculaires lisses varie entre -45 et -70 mv (hirst et al., 1989 ; serebryakov et al., 1992). deux types de canaux ioniques interviennent dans la modulation du potentiel de membrane dans les cmlv : des canaux k+ et des canaux cl-, tous deux dépendant du ca2+. dans le cas d une augmentation de la concentration en ca2+, ces canaux sont activés. le canal chlore dépendant du ca2+ va provoquer une sortie de cl-, et donc une dépolarisation de la membrane plasmique. au contraire, l activation par le ca2+ des canaux potassiques dépendants du ca2+ provoque une sortie de k+ et donc une hyperpolarisation et par voie de conséquence une diminution du tonus vasculaire.
2.1.1.2 canaux calciques dépendants du voltage
la modification du potentiel de membrane de 3 mv augmente (dépolarisation) ou diminue (hyperpolarisation) de deux fois l entrée de ca2+ par les canaux calciques voltage dépendants. les études pharmacologiques et électrophysiologiques ont montré qu il existe six types de canaux calciques voltage dépendants (ccvds) : les ccvds de type l, t, n, r, q et p (godfraind et govoni, 1995). dans les cmlv, deux types sont présents : le type l ( long-lasting ) et le type t ( transient ) (hurwitz, 1986 ; bean, 1989 ; pelzer et al., 1990 ; tsien et al., 1991). les canaux de type t sont activés par des dépolarisations moyennes (-30 mv) et sont inactivés rapidement (20 à 60 ms). les canaux de type l sont activés par de forte dépolarisation, à partir de –40mv, mais leur activation est complète à 0 mv, et ils sont inactivés moins rapidement que les canaux de type t (300 à 600 ms) (tsien et al., 1991 ; mcdonald et al., 1994).
<langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=19><source=http://www.vet-nantes.fr/rech/elements/posters_secualiments/listeria.pdf> physiologie cellulaire des formes viables non cultivables de campylobacter jejuni
obtention des formes vnc : 3 souches de c. jejuni d origine humaine (bf, 79 et 85) sont mises en suspension dans de l eau de surface, filtrée, stérilisée, ajustée à ph 6, agitée (100rpm) et incubée à 4°c. le dénombrement des formes cultivables est réalisée par étalement sur gélose columbia au sang, le dénombrement total et le dénombrement des formes viables sont déterminés par la double coloration ctc/dapi (4). mesures des paramètres physiologiques : après 15 et 30 jours d incubation, les cellules sont prélevées, centrifugées et lavées. le volume cellulaire, le ph interne et le potentiel de membrane sont mesurés par un marquage radioactif (5-6-7). les concentrations en ions potassium sont mesurées par spectrophotométrie d absorption atomique après minéralisation sulfurique. les dosages des atp, adp et amp sont réalisés par hplc. j0 j15 j30 volume cellulaire (ml/mg de protéines) bf 1,85±0,41 5,07±0,72 10,60±0,39 79 1,04±0,50 5 ,07±0,76 11,24±0,31 85 2,31±0,79 3,87±0,25 11,06±0,83 ph interne bf 6,73±0,10 6,30±0,21 5,85±0,35 79 6,75±0,19 6,13±0,008 6,05±0,21 85 6,63±0,18 6,00±0,11 5,75±0,05 potentiel de membrane (mv) bf -54±1 -31±8 -5±1 79 -66±3 -34±1 -14± 85 -79±1 -50±1 -2±1 concentration en potassium (mmol-1) bf 115±3,1 21,2±0,7 2,3±0,4 79 124±2,5 6,3±0,2 1,5±0,3 85 170±5,2 3,6±0,2 1,7±0,5 j0 j15 j30 atp (nmol.mg protéines-1) bf 0,47±0,007 nd nd 79 0,32±0,007 nd nd 85 0,19±0,004 nd nd adp (nmol.mg protéines-1) bf 0,13±0,003 nd nd 79 0,13±0,003 nd nd 85 0,13±0,004 nd nd amp (nmol.mg protéines-1) bf 0,21±0,005 0,26±0,006 0,26±0,005 79 0,51±0,010 0,13±0,003 0,19±0,004 85 0,68±0,015 0,29±0,006 0,39±0,008 resultats et discussion introduction materiels et methodes chez les souches de c. jejuni étudiées, le passage à l état vnc s accompagne : - d une diminution du ph interne, - d une diminution du potentiel de membrane qui tend à s annuler, - d une augmentation du volume cellulaire, d une diminution de la concentration intracellulaire en potassium, - d une diminution des concentrations en atp et adp ainsi que du maintient de la concentration en amp. il est admis qu une perte en potassium intracellulaire correspond à une fragilisation cellulaire (8). la très faible teneur mesurée chez les cellules vnc semble montrer que des concentrations minimales en potassium, compatibles avec le maintient de la vie ont été atteint. il est vraisemblable que la diminution du potentiel de membrane observée corresponde à la sortie des ions k+. de même, l acidification observée résulte en partie d échanges k+/h+, les protons entrant dans la cellule pour compenser le déficit en ions k+. les valeurs de ph interne mesurées chez les cellules vnc âgées de 30 jours, sont bien inférieures aux ph habituellement mesurés chez les bactéries acidophiles. l absence d atp disponible dans ces cellules ne permet pas au système h+/k+ atp dépendant, d assurer une régulation du ph interne (9). l augmentation considérable de volume cellulaire constatée ici peut être expliquée par une teneur intracellulaire en protéines plus faible chez les cellules vnc, le volume étant exprimée en ml par mg de protéines cellulaires. les valeurs très basses des concentrations en atp et adp constatées chez les cellules vnc, indiquent des charges adényliques très faibles. il est intéressant de noter que l amp constitue vraissemblablement la forme ultime de stockage cellulaire des nucléotides adényliques chez les formes vnc de campylobacter jejuni. concentration bactérienne temps v.n.c. conditions hostiles figure 1 schématisation de l entrée à l état vnc d une suspension bactérienne dénombrement microscopique total dénombrement microscopique des cellules viables dénombrement des cellules cultivables l état viable non cultivable chez les bactéries a été mis en évidence par les microbiologistes travaillant sur la qualité des eaux côtières. ceux-ci ayant remarqué des disproportions importantes entre les dénombrements bactériens réalisés d une part par culture sur milieu solide, et d autre part par observation microscopique. différentes études ont ensuite démontré que des bactéries soumises à des conditions environnementales défavorables peuvent perdre leur capacité de se multiplier et donc de former des colonies sur milieu de culture. cependant, ces bactéries restent viables, comme l atteste la persistance d une activité métabolique mise en évidence par différentes techniques. cet état de dormance, schématisé sur la figure 1 est appelé viable non cultivable (vnc). l existence de l état vnc a ensuite été démontré chez de nombreux agents pathogènes, parmi lesquels escherichia coli, vibrio cholerae (1), salmonella enteritidis (2), campylobacter jejuni (3). pour ce dernier, c est la privation en nutriments qui semble constituer le facteur essentiel du passage à l état vnc. l activité des cellules vnc de c. jejuni peut être appréciée par la double coloration ctc/dapi (4). l objectif de cette étude est de caractériser l état vnc de c. jejuni par des mesures du volume cellulaire, du ph interne, du potentiel de membrane, des concentrations intracellulaires en potassium et en atp, adp et amp. tableau 1 volume cellulaire, ph interne, potentiel de membrane et concentration intracellulaire en potassium mesurés chez 3 souches de c.jejuni (bf,79 et 85) à l état cultivable (j0) et à deux stades de l état vnc (j15 et j30) tableau 2 concentrations intracellulaires en atp, adp et amp mesurées chez 3 bibliographie
<langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=20><source=http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.102.b3/content/access.htm>
la différence de potentiel transmembranaire
la différence de potentiel transmembranaire, ou potentiel de membrane, d une cellule animale est proche de -70mv, la face cytoplasmique étant chargée négativement par rapport à la face externe. le potentiel de membrane est le résultat de mouvements ioniques transmembranaires. ces mouvements sont la conséquence d une distribution inégale de part et d autre de la membrane des ions et macromolécules chargées (comme les glucides complexes, les nucléotides et les protéines). cette distribution est elle- même la conséquence de transports transmembranaires actifs avec une contribution majeure de l atpase na+/k+.
dans un état repos c est le mouvement de k+ au travers de la membrane qui prédomine, parce qu il y a plus de canaux potassiques que de canaux sodiques ouverts. en conséquence, la valeur du potentiel de repos est essentiellement déterminée par le mouvement de k+. grâce à sa concentration intracellulaire très élevée, le k+ sort de la cellule en polarisant la face cytoplasmique négativement par rapport à la face externe. le potentiel ainsi créé s oppose au mouvement suivant de au travers de la membrane, c est-à-dire que le gradient électrochimique de k+ diminue. sans la présence de na+, le potentiel atteint la valeur de -90mv (potentiel d équilibre du potassium), valeur pour laquelle il y a équilibre entre les deux forces (gradient électrochimique du potassium nul). cependant, le potentiel de membrane créé par le k+, induit une augmentation considérable du gradient électrochimique du na+ ce qui provoque un flux entrant de na+ de plus en plus important. a un moment donné, inférieur à 1ms, il s installe un équilibre dynamique où il y autant de k+ qui sortent que de na+ qui entrent (courant net nul) : c est le potentiel de membrane de repos.
figure 9. différence de potentiel membranaire
voir une version animée de la différence de potentiel membranaire
comme on le verra plus-tard, l ouverture d un plus grand nombre de canaux qui laissent passer le na+ (le récepteur à l acétylcholine et le canal de na+ dépendant du voltage) va faire basculer les événements ; c est la mobilité de na+ qui prédomine et détermine principalement la valeur du potentiel transmembranaire (par exemple lors du potentiel d action).
il est important de savoir que les flux ioniques responsables du potentiel de repos n impliquent que des quantités minimes (de l ordre de la picomole) par rapport aux concentrations ioniques de la cellule et son environnement (de l ordre de la millimole). a court terme, ces mouvements n ont pas d effets importants sur la concentration des ions, intra ou extracellulaire. en revanche, lorsqu on inhibe l atpase na+/k+ par de l ouabaïne, la cellule perd progressivement (plusieurs minutes) son potentiel de membrane et son volume augmente à la suite d un gain net en ions intracellulaires. une part considérable (25 à 50%) de l atp cellulaire disponible sert à maintenir les gradients de concentration d ions à travers la membrane plasmique et les membranes intracellulaires.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=21><source=http://fr.wikipedia.org/wiki/potentiel_d%27action>
potentiel d action
le potentiel d action, autrefois et encore parfois appelé influx nerveux, correspond à une dépolarisation transitoire, locale, brève et stéréotypée de la membrane plasmique des neurones, selon une loi du tout ou rien.
la membrane plasmique présente une perméabilité sélective, modulable par différents facteurs comme son degré de polarisation ou par des neurotransmetteurs, à l égard de différents ions (en particulier, sodium, potassium, chlore et calcium).
la différence de concentration ionique résultante détermine la valeur locale du potentiel transmembranaire.
au repos, il existe un potentiel transmembranaire d environ -70 mv : c est le potentiel de repos, ce qui pour une membrane de 7 nm d épaisseur donne un champ électrique de :
\| \overrightarrow{e} \| = \frac{7 \cdot 10^{-2}} {7 \cdot 10^{-9}} = 10\, 000\, 000\, \mathrm{v/m}
le potentiel d action est constitué d une succession d événements :
une dépolarisation transitoire et locale de cet état de repos, d une amplitude spécifique de +100 mv, le potentiel de la membrane interne passant de -70 à +30 mv, une repolarisation de la membrane interne dont le potentiel repasse à -70 mv, une hyperpolarisation, pour les cellules non myélinisées, où le potentiel diminue plus qu à l état basal (-80 mv), pour ensuite retourner à -70mv. durant ce temps on ne peut plus induire d autre potentiel d action, c est la période réfractaire.
le potentiel d action dure entre 2 et 3 millisecondes. sommaire [masquer]
1 création 1.1 différentes étapes d un potentiel d action 2 conduction 3 modulation 4 articles liés 5 voir aussi
création
la genèse du potentiel d action a lieu au niveau du cône d émergence, à la base du corps cellulaire du neurone (ou le péricaryon) qui fait la sommation des potentiels gradués provenant des synapses situées le long des dendrites et sur le corps cellulaire :
si cette somme ne dépasse pas le seuil d excitabilité du neurone (-55 mv en général), le message nerveux n est pas relayé par l axone. si ce seuil est atteint, un potentiel d action est créé : l ouverture des canaux de la membrane dépend du courant membranaire, ainsi ce seuil correspond à l ouverture des canaux, ces canaux laissent passer des ions qui dépolarisent la membrane et engendrent le potentiel d action ce qui transmet une plus forte dépolarisation sur une portion membranaire voisine induisant l ouverture des canaux de cette portion voisine donc la propagation du potentiel d action. s ensuit la période réfractaire.
tout d abord la période réfractaire absolue : durant environ 1,5 ms le seuil d excitabilité devient infini, il est donc impossible de créer un autre potentiel d action au même endroit que précédemment.
puis vient la période réfractaire relative, durant laquelle le seuil d excitabilité diminue jusqu à revenir à valeur normale de -55 mv. si pendant cette phase, le potentiel du corps cellulaire est encore supérieur au seuil d excitabilité, ou le redevient par action des dendrites, un nouveau potentiel d action est créé, et ainsi de suite jusqu à ce que le seuil d excitabilité ne soit plus dépassé.
tous les potentiels d action ayant la même amplitude (+100 mv), le codage de l influx nerveux se fait donc en modulation de fréquence.
il faut rappeler que les valeurs ici décrites sont celles du neurone idéal des électrophysiologistes, elles peuvent avoir des valeurs très différentes pour le seuil d excitabilité, le potentiel de repos...
les potentiels d actions se propagent par processus des bases ioniques.
les potentiels d actions, de repos et gradués dépendent : des gradients de concentration, de la perméabilité de la membrane aux ions potassium et sodium.
initiation du potentiel d action : augmentation de la perméabilité de la membrane, diffusion des ions sodium et potassium le long des gradients de concentration.
différentes étapes d un potentiel d action [modifier]
au repos, les canaux de fuites sont les mêmes que ceux qui sont perméables au potassium : pas de canaux sodiques ouverts, potentiel de repos est proche du potentiel d équilibre du potassium (-70 mv).
1) dépolarisation jusqu au potentiel seuil (v inférieur à v0) : la stimulation entraîne une ouverture d un nombre croissant de canaux sodium voltage-dépendants, qui laissent entrer selon le gradient électrochimique un nombre croissant d ions na+ dans le milieu intracellulaire.
2) potentiel seuil atteint (v = v0) : la dépolarisation est alors suffisante pour ouvrir tous les canaux sodium.
3) maximum de potentiel (v = v max ~ v d équilibre du na+) : la totalité des canaux sodium sont ouverts de sorte que la concentration en sodium intracellulaire a atteint son maximum, et que le gradient électrochimique, force motrice du na+, s est annulé.
4) repolarisation vers un niveau de repos : ouverture différée des canaux de rectification au potassium voltage-dépendant qui laissent sortir selon le gradient électrochimique le potassium intracellulaire, tandis-que les canaux na+ sont inactifs. cette perte de charge positive compense l entrée antérieure des charges positives sodiques conduisant à une repolarisation progressive du neurone.
5) mais... après la fermeture des canaux sodiques dépendants, quelques canaux potassiques restent encore ouverts (fluctuations statistiques) laissant sortir plus de potassium qu il n était entré de sodium,
hyperpolarisation de la membrane.
6) d où l apparition d une hyperpolarisation transitoire (v inférieur à v0). période réfractaire absolue
un 2e stimulus ne pourrait pas déclencher un 2e potentiel d action. lorsque la membrane s est dépolarisée, il faut attendre un certain temps avant qu elle puisse de nouveau subir une dépolarisation.
période réfractaire relative
c est la période qui se produit juste après la période absolue... c est un intervalle de temps (1 à 15 ms) durant lequel un stimulus ne déclencherait plus un potentiel d action sauf si celui-ci est supérieur à la normale.
période réfractaire fonctionnelle
possible de déclencher un potentiel d action mais ça va être très difficile.
7) restauration des différences de concentrations initiales au potentiel de repos par une pompe ionique sodium-potassium atp dépendante qui fait rentrer activement le potassium et fait sortir l excédent de sodium.
conduction
lorsqu un potentiel d action apparaît à un endroit donné de l axone, la portion voisine qui lui a donné naissance entre en période réfractaire, ce qui l empêche d être excitée à son tour. cette période réfractaire est expliqué par la désensibilisation des canaux sodiques dépendant du voltage.
en revanche la portion voisine qui n a pas encore présenté de potentiel d action commence à être excitée. cette excitation provient de petits courants électriques très locaux qui s établissent entre portion excitée et portion non encore excitée. de proche en proche, se créent donc les conditions de naissance d un potentiel d action à côté de la portion qui est en train de réaliser un potentiel d action (propagation régénérative).
ainsi, la période réfractaire explique l unidirectionalité de l influx nerveux, depuis le cône d émergence jusqu à ses extrémités, les terminaisons synaptiques.
l influx nerveux conserve toutes ses caractéristiques (amplitude, fréquence) durant sa progression : il est conservatif.
la conduction peut se faire soit de proche en proche le long de l axone lorsque ce dernier est nu, soit de manière saltatoire lorsque l axone possède une gaine de myéline. la myéline est maintenue autour de l axone par les cellules de schwann pour les neurones du système nerveux périphérique (ensemble des nerfs) et par les oligodendrocytes pour les neurones du système nerveux central (encéphale + moelle épinière), et chacune de ces cellules est séparée de ses deux voisines par un petit espace appelé nœud de ranvier : l influx nerveux saute alors (origine étymologique de saltatoire) de nœud de ranvier en nœud de ranvier, car la myéline joue le rôle d isolant électrique ce qui permet une conduction beaucoup plus rapide (jusqu à plus de 100 m/s, au lieu d environ 1 m/s).
modulation
les potentiels d action dans le système nerveux sont très souvent couplés de telle façon que ce n est plus leur profil (amplitude, durée, etc.) qui importe mais les rythmes qu ils suivent dans leurs émissions, leur fréquence, et le codage de l information nerveuse se fait par cette fréquence.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=21><source=http://fr.wikipedia.org/wiki/synapse_et_transmission_synaptique>
synapse et transmission synaptique
l adjectif synaptique redirige ici. pour le logiciel (gestionnaire de paquet), voir synaptic. pour l entreprise (fabriquant de pavé tactile), voir synaptics.
l adjectif synaptique possède également un paronyme : synoptique.
la synapse (du grec. syn = ensemble; haptein = toucher, saisir; c est-à-dire connexion) désigne une zone de contact fonctionnelle qui s établit entre deux neurones, ou entre un neurone et une autre cellule (cellules musculaires, récepteurs sensoriels...). elle assure la conversion d un potentiel d action déclenché dans le neurone présynaptique en un signal dans la cellule postsynaptique. on estime, pour certains types cellulaires (par exemple cellule pyramidale, cellule de purkinje...), qu environ 40 % de la surface membranaire est couverte de synapses.
on distingue habituellement deux types de synapses :
la synapse chimique, très majoritaire, qui utilise des neurotransmetteurs pour transmettre l information ; la synapse électrique où le signal est transmis électriquement par l intermédiaire d une jonction communicante (en anglais gap-junction).
on les distingue au microscopie électronique par la taille de la fente synaptique ; de l ordre de 2 nanomètres pour les synapses électriques, entre 10 et 40 nm pour les synapses chimiques. on peut également, dans le cas des synapses électriques, observer les jonctions communicantes. au niveau d une synapse, il s agit toujours d un contact entre deux membranes plasmiques, il n y a jamais fusion en un syncitium. sommaire
1 histoire des sciences : synapses et réfutation de la théorie réticulariste 2 la synapse chimique 2.1 morphologie 2.2 transmission de l influx nerveux 2.2.1 evénements présynaptiques : la libération des neurotransmetteurs 2.2.2 la diffusion des neurotransmetteurs dans la fente synaptique 2.2.3 les événements postsynaptiques : l activation des récepteurs membranaires 2.2.4 l arrêt de la stimulation nerveuse 2.3 influence des substances psychoactives 3 la jonction neuromusculaire 4 la synapse électrique 5 intégration du signal : zoom sur l élément postsynaptique 6 pathologie 7 articles connexes
histoire des sciences : synapses et réfutation de la théorie réticulariste
la découverte du mode de fonctionnement du système nerveux a eu lieu au xixe siècle. camillo golgi inventa un colorant permettant une teinture optimale du neurone et de ses prolongements cellulaires.
par la suite, santiago ramón y cajal reprit les méthodes de coloration de golgi et proposa le concept de neurone. le terme de synapse , quant à lui, fut proposé en 1897 par le physiologiste et prix nobel britannique sir charles scott sherrington pour désigner le point de contact entre deux neurones. toutefois, golgi était lui-même opposé à l hypothèse selon laquelle le système nerveux pouvait être composé d unités discontinues. en 1906 golgi et cajal reçurent conjointement le prix nobel de médecine et physiologie, pour deux théories de l organisation du tissu neuronal (neuronisme et réticularisme). il a été demontré par la suite que les synapses électriques sont très rares et l on admet aujourd hui que le système nerveux est constitué majoritairement d unités contiguës (thèse neuroniste).
la synapse chimique
la synapse chimique est la plus fréquente des synapses du système nerveux. ce type de synapses transmet le signal nerveux d un neurone à un autre en utilisant un neurotransmetteur qui est émis par le neurone afférent, diffuse dans la fente synaptique et se lie aux récepteurs postsynaptiques.
un dysfonctionnement de certains type de synapses est à l origine de beaucoup de troubles nerveux, tels que l épilepsie ou le trouble déficitaire de l attention traité avec le méthylphénidate mieux connu sous l appellation de ritalin®, inhibiteur de recapture présynaptique de la dopamine.
transmission chimique du neurone a (émetteur) au neurone b (récepteur)
1. mitochondrie 2. vésicule synaptique avec des neurotransmetteurs 3. autorécepteur 4. fente synaptique avec neurotransmetteur libéré (ex : sérotonine ou dopamine) 5. récepteurs postsynaptiques activés par neurotransmetteur (induction d un potentiel postsynaptique) 6. canal calcium 7. exocytose d une vésicule 8. neurotransmetteur recapturé
nombreux contacts synaptiques
dans certaines synapses les cellules gliales jouent un rôle particulièrement actif, notamment en effectuant la recapture du neurotransmetteur ( ex : glutamate). dans les synapses motrices, une enzyme, la cholinestérase, dégrade le neurotransmetteur dans la fente synaptique.
morphologie
il existe deux morphologies de synapses chimiques : la synapse en bouton et la synapse en passant . elles fonctionnent toutes les deux de la même façon et l on y retrouve les mêmes composants. la synapse en bouton se situe à l extrémité de la fibre nerveuse alors que les synapses en passant sont réparties régulièrement le long de l axone.
il existe un grand bestiaire de synapses chimiques selon le type de neurone, la localisation, etc. le calice de held dans le tronc cérébral auditif, par exemple, est un cas de synapse géante qui entoure quasiment complètement la cellule postsynaptique.
la synapse est constituée de trois parties : l élément présynaptique, l élément postsynaptique et entre les deux l espace intersynaptique.
l élément présynaptique se présente sous la forme d un renflement de l axone, rempli de petites vésicules de formes variées (les vésicules synaptiques) contenant le neurotransmetteur. on y trouve aussi un appareil de golgi très développé et de nombreuses mitochondries, signe d une activité de synthèse intense. les neurotransmetteurs sont en effet en partie synthétisés sur le lieu d utilisation. l élément postsynaptique en revanche est totalement dépourvu de vésicule. mais il contient quelques mitochondries, nécessaires pour assurer le fonctionnement de la synapse. dans certains cas la membrane y est plus épaisse, ce qui permet de caractériser des synapses asymétriques. l espace intersynaptique (ou fente synaptique) est la zone qui sépare les membranes des deux neurones. elle est de petite dimension (quelques dizaines de nanomètres) et dépourvue de lame basale (contrairement à la plaque motrice).
transmission de l influx nerveux
l influx nerveux est transmis le long d un neurone sous la forme d une séquence de potentiel d action. au niveau d une synapse chimique, l information change de nature : elle est transmise par une libération de neurotransmetteurs dans l espace synaptique. les trains d onde de dépolarisation supportés par des courants électrochimiques (les potentiels d action), sont convertis en codage par concentration de neurotransmetteur dans la fente synaptique.
pendant longtemps, le credo a fait force de loi : un neurone, un neurotransmetteur. aujourd hui, on sait qu un neurone peut libérer plusieurs neurotransmetteurs au niveau de la synapse, en général un transmetteur principal associé à un ou plusieurs neuropeptides. le transmetteur principal peut même évoluer, comme par exemple certains neurones orthosympathiques (noradrénergiques), qui peuvent libérer de la sérotonine suite à une lésion.
evénements présynaptiques : la libération des neurotransmetteurs
il faut d emblée différencier les neurotransmetteurs peptidiques et non peptidiques. les neurotransmetteurs peptidiques sont produits par le neurone à partir d acides aminés précurseurs présents dans le sang. une grande partie de leur synthèse a lieu dans le péricaryon, en suivant le schéma classique de toute production protéique (transcription de l adn en arnm, lecture et traduction de l arnm par un ribosome sur le réticulum endoplasmique) puis transport antérograde rapide le long du cytosquelette de l axone dans des vésicules provenant du bourgeonnement de l appareil de golgi. une étape de maturation a lieu dans les vésicules golgiennes (clivages des extrémités n-ter et c-ter par des exopeptidases, clivage dans le peptide par des endopeptidases, amidation sur des acides aminés glycine, acétylation...). les vésicules sont ensuite accumulées près de l extrémité présynaptique, dans l attente d une dépolarisation.
les neurotransmetteurs non peptidiques sont produits à partir d acides aminés (catécholamines comme l adrénaline ou la noradrénaline à partir de la tyrosine, le gaba (gamma aminobutyric acid),...), de lipides (thc pour tetrahydrocannabinol)... ils sont produits dans le cytoplasme du neurone ou de la cellule excitable et sont activement pompés (par des enzymes utilisant l atp ou atpases) dans des vésicules issues des endosomes ou d une endocytose.
le changement de polarité de membrane provoqué par l arrivée d un potentiel d action (pa) au niveau d une synapse déclenche l ouverture de canaux calcium membranaires dépendants du voltage (voc = voltage operated channels). l augmentation de la concentration en calcium intracellulaire qui en résulte provoque la fusion de la membrane vésiculaire avec la membrane plasmique et la libération des neuromédiateurs. ce phénomène s appelle l exocytose. la biologie cellulaire a montré que cette exocytose était assurée par un complexe appelé snare composé principalement de 3 protéines :
vamp (aussi appelée synaptobrévine), insérée dans la membrane plasmique de la vésicule la syntaxine arrimée à la membrane plasmique dde la cellule snap 25 arrimée dans la membrane plasmique
lors d une dépolarisation ouvrant des voc au calcium (voc ca++), une brusque entrée de calcium précipite la fusion de vamp avec snap 25 et la syntaxine, ce qui arrime la vésicule à la membrane plasmique. la modification tridimensionelle de ce complexe ternaire conduit à la fusion de la vésicule avec la membrane et à la libération du neurotransmetteur dans la fente synaptique.
trois mécanismes peuvent arrêter l exocytose et donc faire cesser la libération de neurotransmetteur dans la fente synaptique :
l ouverture de canaux potassium, qui ramènent le potentiel de membrane à sa valeur d origine et inhibent ainsi les canaux dépendants du voltage; des pompes calciques, situées sur le réticulum et la mitochondrie, qui captent les ions calcium entrés dans la cellule, ce qui fait cesser le signal calcique ; disparition des vésicules synaptiques chargées en neurotransmetteur capable de fusionner avec la membrane (épuisement).
ces trois mécanismes expliquent l existence de plasticités synaptiques à plus ou moins long terme.
la diffusion des neurotransmetteurs dans la fente synaptique
les neurotransmetteurs libérés dans la fente synaptique atteignent la membrane postsynaptique par simple diffusion. avec le délai nécessaire pour provoquer l exocytose, c est l étape qui nécessite le plus de temps dans la transmission synaptique. dans le cas de la plaque motrice, la concentration en acétylcholine dans la fente atteint une concentration de 100 mmol/l 10 µs après sa libération. elle mettra environ 100 µs pour revenir à une concentration proche de zéro. cette disparition du neurotransmetteur de la fente synaptique peut impliquer un recaptage ou une hydrolyse par une enzyme spécialisée. le codage de l information étant fréquentiel, il est important de faire cesser l excitation le plus vite possible.
les événements postsynaptiques : l activation des récepteurs membranaires
les neurotransmetteurs se fixent sur des récepteurs de la membrane postsynaptique. il en existe deux sortes :
les récepteurs ionotropes qui sont des protéines-canal s ouvrant pour générer un courant ionique ; les récepteurs métabotropes qui sont des transducteurs de signal produisant des seconds messagers dans le cytoplasme. les seconds messagers peuvent s associer à une protéine-canal ou bien provoquer une cascade de réactions. parmi les voies métaboliques activées par ces seconds messagers, des facteurs de traduction de l adn sont impliqués, ce qui influence le pool de gènes exprimé par la cellule, et donc pourrait être impliqué dans le phénomène de mémorisation. cette voie est beaucoup plus lente que la première.
on assiste alors à une réponse physiologique locale appelée potentiel générateur, potentiel gradué (pg) ou potentiel postsynaptique. on caractérise deux types de potentiel postsynaptique :
le potentiel postsynaptique excitateur (ou ppse) diminue la différence de potentiel entre les deux côtés de la membrane plasmique. autrement dit le ppse dépolarise localement la membrane ; le potentiel postsynaptique inhibiteur (ou ppsi) augmente la différence de potentiel. elle hyperpolarise la membrane.
si la membrane dépasse le seuil critique de dépolarisation, un potentiel d action est initié. les ppsi empêchent le déclenchement d un potentiel d action alors que les ppse le favorisent.
en général, un neurone est couvert de synapses excitatrices et de synapses inhibitrices. il se produit alors une sommation à la fois temporelle et spatiale des entrées synaptiques pour décider du déclenchement ou non d un potentiel d action. en fait les dendrites ont peu de canaux sodiques dépendants du voltage, responsables du déclenchement du potentiel d action. il est donc rare qu un potentiel d action y soit déclenché. les potentiels postsynaptiques se propagent le long des dendrites jusqu au péricaryon. à la jonction du péricaryon et de l axone se trouve une région particulièrement riche en canaux sodiques dépendants du voltage, il s agit du cône d initiation. c est au niveau du cône d initiation que sont générés le plus souvent les potentiels d actions qui se propageront ensuite le long de l axone vers d autres synapses...
le potentiel d action, une fois initié, a toujours la même amplitude et le même décourt temporel. sa valeur informative ne dépend pas de l importance de la dépolarisation qui l a initié. c est cela qu on appelle la loi du tout ou rien. si la dépolarisation continue suffisamment longtemps après le déclenchement du potentiel d action, un autre potentiel d action peut être initié. les potentiels d action codent l information en fréquence.
plusieurs molécules étant libérées lors de la transmission synaptique et plusieurs types de récepteurs pour le même neurotransmetteur pouvant être présents sur la même membrane postsynaptique, plusieurs effets peuvent avoir lieu simultanément. c est par exemple le cas de nombreuses synapses gabaergiques qui présentent un ppsi rapide dû aux récepteurs ionotropes gabaa et un ppsi lent dû aux récepteurs métabotropes gabab.
l arrêt de la stimulation nerveuse
pour éviter que la stimulation du neurone postsynaptique ne se prolonge, deux systèmes éliminent la molécule de l espace intersynaptique :
la dégradation, qui met en jeu des enzymes spécifiques qui vont métaboliser le neurotransmetteur, mettant fin à son effet sur le neurone postsynaptique exemple la mao issue des synthèses mitochondriales ; la recapture, pendant laquelle le neurotransmetteur ou ses précurseurs issus de la dégradation enzymatique est récupéré par le neurone présynaptique, ou par la cellule gliale avoisinante, pour être réutilisé ou détruit.
en général les deux sont associés. dans le cas de l acétylcholine, une dégradation limitée est suivie d une recapture de la choline qui sera utilisée pour resynthétiser l acétylcholine.
influence des substances psychoactives [modifier]
les substances psychoactives sont des drogues, des médicaments,... qui modifient les perceptions sensorielles, les sensations, l humeur ... elles ont comme principal mode d action de modifier le passage des neurotransmetteurs.
comme pour les neurotransmetteurs, il existe plusieurs modes d action possibles à ces drogues, dont :
se lier aux récepteurs sans entrainer d effet (effet antagoniste). les récepteurs ne sont alors plus disponibles pour lier l agoniste (neurotransmetteur) ; empêcher ou limiter la sortie ou la destruction de neurotransmetteur, qui active davantage et plus longtemps le récepteur (exemple du prozac®).
les conséquences à long terme sont de modifier la réceptivité de la synapse, par exemple en modifiant le nombre de récepteur, en réaction de défense, ce qui entraine l accoutumance et la dépendance.
la jonction neuromusculaire
lors du réflexe myotatique cf réflexe de flexion, l élément présynaptique rencontre la plaque motrice de la fibre musculaire qui est composée d une membrane plasmique appelée sarcolemme faisant office d élément postsynaptique et contenant plusieurs centaines de myofibrilles. la jonction neuromusculaire est historiquement très importante puisque ce sont les observations sur le muscle extenseur du muscle de patte de grenouille qui ont donné naissance à l électrobiologie qui eut un retentissement rapide auprès du grand public, comme en témoigne l engouement de l époque pour les phénomènes électriques. on se rappellera que le monstre du dr frankenstein est animé par l électricité.
1. axone 2. jonction 3. fibre musculaire 4. myofibrille
vue détaillée d une jonction.
1. élément pre-synaptique 2. sarcoplasme 3. vésicules synaptiques 4. récepteur cholinergique nicotinique
l acétylcholine intervient dans la contraction musculaire lors des réflexes de flexion ou d extension au niveau de la jonction neuromusculaire. les neurones la produisant s appellent neurones cholinergiques. ses précurseurs sont la choline d origine alimentaire qui est captée par la terminaison présynaptique dans le sang et l acétylcoenzyme a d origine mitochondriale. ils sont synthétisés par l enzyme choline-acétyltransférase (cat) qui les transforment en acétylcholine. ces neuromédiateurs sont alors enveloppés par des vésicules provenant du bourgeonnement de l appareil de golgi et sont transportés jusqu au renflement (ou bouton) synaptique. au niveau présynaptique il y a non pas un seul renflement mais des centaines afin d assurer une surface de contact plus large, on parle d arborisation terminale.
sous l effet du calcium, les vésicules chargés de neuromédiateurs fusionnent avec la membrane plasmique, déversant leur contenu dans la fente synaptique (exocytose). les neuromédiateurs se fixent alors sur des récepteurs spécifiques de la plaque motrice du muscle strié ce qui a pour conséquence de provoquer sa contraction. l excès de neuromédiateur est ensuite dégradé par une enzyme : acétylcholinestérase (ache) qui libère de l acide acétique et de la choline qui pourra être ensuite recapturée par les récepteurs de l axone présynaptique et recyclé.
la synapse électrique
dans la synapse électrique, les membranes des deux neurones sont reliées par des jonctions communicantes, parfois appelées également nexus (gap junctions). les ions se transmettent donc d une cellule à une autre, ainsi que la dépolarisation membranaire associée. l influx nerveux se transmet sans intervention de neurotransmetteur. ce type de synapse, qui joue un rôle important dans le système nerveux immature, est ensuite relativement rare au stade adulte et est majoritairement retrouvé chez les invertébrés. ce type de communication est très fréquent dans les épithéliums.
transmission électrique du neurone a (émetteur) au neurone b (récepteur)
1. mitochondrie 2. connexine 3. courant ionique
les caractéristiques principales de ce type de synapse sont :
1. un délai de transmission quasi-inexistant (pas de temps de latence dû au franchissement d une synapse) 2. une conduction dans les 3 directions de l espace 3. l absence de période réfractaire (la synapse est restimulable immédiatement après la fin de la transmission)
intégration du signal : zoom sur l élément postsynaptique [modifier]
les synapses sont regroupées selon deux catégories selon les effets qu elles engendrent : excitatrices ou inhibitrices. le principal neuromédiateur inhibiteur du cerveau est le gaba qui se fixe sur les canaux récepteurs gabaa dont l ouverture provoque un influx d ions chlorure et donc une hyperpolarisation de la membrane. il existe une plus grande diversité de récepteurs ionotropes excitateurs, par exemple les récepteurs au glutamate ou à l acétylcholine. l élément postsynaptique possède en général ces deux catégories de récepteurs ainsi que des canaux sodium ou calcium activés par dépolarisation. il réalise une sommation temporelle des signaux excitateurs (ppse, potentiel postsynaptique excitateur) et inhibiteurs (ppsi, potentiel postsynaptique inhibiteur). il propagera le potentiel d action à la condition que la somme des excitations soit supérieure à la somme des inhibitions et si un seuil de dépolarisation est atteint. ce seuil correspond au voltage auquel un nombre suffisant de canaux sodiums sont activés. enregistrement postsynaptique du potentiel membranaire. les flèches marquent les ppse de trois évènements afférents. une sommation de trois ppse donne naissance dans ce cas au déclenchement du potentiel d action.
la sommation spatiale se réfère aux différentes synapses afférentes à l élément postsynaptique. un neurone peut en effet recevoir plus d un millier d afférences différentes mais il ne peut réagir que d une seule manière : conduction ou absence de conduction. si le résultat de la somme algébrique de tous les éléments afférents est supérieure à une valeur seuil, aux environs de -15 mv dans le schéma ci-contre, le neurone intégrateur sera le siège d un potentiel d action. dépolarisation subliminale un seul ppse ne dépolarise pas suffisamment la membrane pour générer un potentiel d action.
une sommation dite temporelle a aussi lieu au niveau de l élément postsynaptique. elle est due à la vitesse d entrée des ions à l intérieur de la cellule. si beaucoup de ppse sont rapprochés dans le temps, ils s ajoutent et peuvent également atteindre le seuil de dépolarisation et donner lieu à un potentiel d action.
un dernier élément d intégration est dû à l existence de la période réfractaire du neurone. si deux signaux afférents excitateurs sont espacés de moins d une milliseconde, le second ne donnera naissance à aucun ppse et sera donc silencieux.
pathologie
l anomalie de fonctionnement de la synapse neuro-musculaire est responsable d une maladie neuromusculaire nommée myasthénie.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=22><source=http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/17459/1/gretsi_2007_129.pdf>
détection de potentiels d action neuronaux par ondelettes
résumé – cet article traite de la mise au point d algorithmes de détection de potentiels d action neuronaux (pas) dans des enregistrements extracellulaires, obtenus sur des matrices de microélectrodes (meas), en vue de leur implémentation sur une architecture électronique embarquée. on utilise la théorie des ondelettes, non pas pour le débruitage des signaux bruts préalables à la détection de potentiels d action, mais plutôt pour la détection proprement dite. différentes approches adaptatives sont proposées avec plusieurs niveaux de complexité et on montre que la détection de potentiels d action dans le domaine des ondelettes est supérieure à l approche traditionnelle pour une complexité additionnelle faible et compatible à une implémentation embarquée. les algorithmes proposés sont comparés sur des données simulées à partir d un modèle simplifié du lobe antennaire de la blatte américaine. abstract – we study different wavelet-based algorithms for the detection of neurological action potentials (aps) recorded using microelectrode arrays (meas). we plan to develop a new family of asic-embedded low power algorithms close to the recording sites. we use the wavelet theory, not for previous-to-the-detection denoising stage (as it is usually used for) but for the detection itself. different adaptive methods are presented with varying complexity levels. we demonstrate that wavelet-based detection of extracellular action potentials is superior to the traditional and simpler approaches, at the expense of a slightly larger computational load. moreover, our methods are shown to be fully compatible with an embedded implementation. proposed algorithms are compared to simulated datasets using a simplified model of the american cockroach antennal lobe. 1 introduction le domaine des neurosciences s intéresse à comprendre la façon dont les réseaux neuronaux codent et décodent l information pour interagir avec le monde extérieur. les potentiels d action neuronaux (ou spikes) ont été largement acceptés comme étant l unité basique d information neurologique [4]. aujourd hui, il est possible de maintenir en vie une culture de tissu nerveux sur des systèmes microélectrodes et d enregistrer simultanément l activité électrique d un grand nombre de cellules. la chaîne de traitement classique pour extraire l information fonctionnelle de l activité neuronale consiste en trois étapes [6] : 1) pré-filtrage ; 2) détection de potentiels d action (pas) neuronaux ; 3) tri des potentiels d action en identifiant à quel neurone correspondent les pas détectés. de plus en plus, on veut intégrer cette chaîne de traitement non supervisé au plus près du système d enregistrement afin de réduire le flux de données avant la transmission et le stockage des signaux. dans cet article, on s intéresse à la mise en place de méthodes de détection robustes, non supervisées et immunes au bruit, qui soient compatibles avec une implémentation proche de l électronique d acquisition. pour cela, nous proposons une approche basée sur la théorie des ondelettes pour la détection des pas. ce type d approche a déjà été utilisé dans le domaine biomédical, par exemple, pour la détection de complexes qrs en ecg [7]. pour valider notre choix, on réalise une comparaison de différentes méthodes de détection sur des données simulées en vue d une mise oeuvre ultérieure sur une électronique embarquée. 2 cadre théorique et problème chaque électrode mesure simultanément l activité d un nombre q de neurones. on utilise le modèle suivant pour la mesure du potentiel extracellulaire y(t) à une électrode donnée :
où iq(t) désigne le courant membranaire du neurone q ; bétaq un coefficient d atténuation lié à la distance du neurone au site de mesure et alpha la résistance électrique moyenne du tissu. le bruit additif b(t) est dû, en partie, à l activité des neurones lointains et aux bruits électronique et électrochimique. on fait l hypothèse d un bruit blanc gaussien centré b(t) de déviation standard nominale sigma (i.e. b(t) ~ n(0, sigma)), statistiquement indépendant du signal utile s(t). pour chaque neurone q, le courant membranaire iq(t) est modélisé par :
avec k,q une variable aléatoire uniforme d atténuation, kq le nombre de pas issus du neurone q aux instants tk,q. la fonction spkq(t) possède une forme stéreotypique, biphasique, à support compact d environ 2.5 ms (fig. 1(b)). les difficultés pour la détection sont liées d une part à l amplitude relative des pas par rapport au bruit, et d autre part à la discrimination effective de pas temporellement très proches. en effet, plus le neurone est éloigné
potentiel d action (b) fig. 1 – comparaison entre a) l ondelette mère : spline quadratique ; et b) un potentiel d action typique de l électrode, plus faible sera l activité électrique mesurée, et plus le réseau neuronal est actif, plus l intervalle temporel entre les pas successifs est faible. 3 algorithmes de détection de pas neuronaux l approche conventionnelle pour la détection de pas neuronaux sur des systèmes embarqués est basée sur un seuillage de l amplitude du signal avec un seuil calculé comme un multiple de la déviation standard estimée du bruit (t) [10]. cette méthode présente l avantage d un faible coût calculatoire, compatible avec un traitement embarqué. néanmoins sa performance est vite dégradée en environnement bruité. l utilisation des ondelettes [8] dans ce contexte permet d améliorer les techniques non supervisées de détection, tout en gardant un faible coût calculatoire [5]. leur avantage principal est de tenir compte à la fois du contenu fréquentiel et de la forme de pas. on construit ainsi une représentation par ondelettes du signal y(t) sur j niveaux {d1, ..., dj , aj} avec dj [n] les coefficients d ondelettes à l échelle 2j et aj l approximation du signal à l échelle 2j. d après notre modèle de mesure, les coefficients d ondelettes s expriment comme : dj [n] = wy(2j , n) = ws(2j , n) +wb(2j , n) (3) ils suivent donc une loi gaussienne : n(ws(2j , n), sigma). on est ainsi amené à réaliser un test statistique binaire pour décider si l échantillon correspond uniquement au bruit, ou bien au signal plus bruit. dans le cas du bruit blanc gaussien, donoho a proposé d utiliser le seuil quasi-optimal
2 ln(n) avec n la longueur du signal [2]. les implémentations non redondantes de la transformée en ondelettes sont pénalisées par l absence d invariance temporelle : les coefficients des niveaux de détail d un signal retardé ne sont pas identiques à une version décalée des coefficients obtenus à partir du signal original. l invariance temporelle de ces coefficients est une caractéristique particulièrement importante quand il s agit de la détection de transitoires à intervalles inconnus, tels que les pas [11]. on a donc choisi d utiliser la transformée en ondelettes stationnaire (swt) [9] [11], qui est une implémentation redondante, car elle préserve l invariance par translation. chaque niveau de détail est obtenu par une convolution du signal brut avec un filtre passe-bande (fig. 3). 0 1000 2000 3000 4000 fréquence [hz] g1 filtre passe-haut g3 filtre passe-bande g4 filtre passe-bande spectrogramme d un pa fig. 2 – réponse fréquentielle de chaque filtre vs. le spectrogramme d un potentiel d action typique dj [n] = (y gj)[n] dj(z) = y (z) · gj (z) (4) gj(z) = g1(z2j-1) jy-2 k=0 h1(z2k) j supérieur 1 le filtre gj est obtenu de manière recursive à partir du filtre passe-bas h1 et du filtre passe-haut g1 dans la décomposition de la théorie des ondelettes. une méthode de détection consiste alors à réaliser un débruitage du signal suivi d une détection conventionnelle [1]. notre approche vise à simplifier cette méthode en réalisant directement la détection dans l espace d ondelettes. de manière optimale, on cherche à combiner différents prises de décision à chaque niveau de résolution pour tirer partie de la corrélation entre les différentes échelles d analyse. dans un premier temps, on étudie la performance d algorithmes simples avec cette méthodologie pour choisir à terme des techniques plus évolués. l utilisation d une ondelette mère spline quadratique est proposée par sa similarité à la forme habituelle de pas neuronaux et sa mise en oeuvre optimale (fig. 1).en effet, on peut prouver que les coefficients des filtres peuvent toujours être exprimés comme la somme de puissances de deux
il est alors possible d implémenter le filtre sans multiplications : les produits peuvent être remplacés par une série de sommes plus un décalage de bits. cette étape additionelle de filtrage n augmente que faiblement le nombre d opérations en virgule fixe par cycle. si la fréquence d échantillonnage fs est 10 khz, on montre que les sous-bandes d3[n] et d4[n] contiennent majoritairement les composantes fréquentielles utiles du signal s(t) (fig. 2) et les coefficients d ondelettes présentent alors des amplitudes maximales en présence de pas neuronaux (fig. 4). ce filtrage adapté ameliore énormément le rapport signal sur bruit des coefficients par rapport au signal d origine. seuillage adaptatif conventionel : l algorithme usuel consiste à estimer sur des fenêtres glissantes disjointes de nwin échantillons la déviation standard du bruit (sigma^). pour chaque fenêtre d observation, on conserve la valeur absolue du signal y(t) supérieure à un seuil = + . un potentiel d action correspond à un maximum global sur chaque intervalle ainsi obtenu. les pas séparés d un nombre inférieur à spkt ol échantillons sont fusionnés. spkt ol correspond à l étendue temporelle moyenne d un pa. fig. 3 – architecture simplifiée de la transformée en ondelettes stationnaire et la méthode de détection de pas proposée.
seuillage adaptatif isolé sur les sous-bandes dans l espace des ondelettes : une version légèrement modifiée du schéma précédent peut être envisagé en faisant un seuillage directement sur les coefficients des ondelettes et non pas sur le signal brut (fig. 3). seuillage adaptatif multi-echelle redondant : la sous bande d4 apporte une information complémentaire pour identifier des pas légèrement plus lents non détectés par la méthode précédente sur la sous bande d3, princi- palement à cause du rapport signal à bruit trop faible. dans cette méthode, on ajoute alors aux pas détectés dans la sous-bande d3 ceux détectés dans la sous-bande d4. cette version du seuillage adaptatif sur les niveaux des ondelettes est appliquée en deux pas consécutifs. premièrement, l étape de seuillage adaptatif est mise en pratique sur d3 et d4 séparément. ensuite, l ensemble des spikes détectés à partir de d3 est complété par les pas identifiés à partir de d4. on peut espérer une diminution des faux négatifs au détriment d une augmentation de faux positifs. pour chacune des méthodes précédentes, l estimation de la déviation standard du bruit b(t) peut être réalisée de manière robuste en calculant la déviation absolue à la médiane (mad, eq. 5) : 1) directement sur le signal d intérêt (respectivement y, d3 et d4) ; ou bien, 2) indirectement sur la sous bande d1 [2].
mad (5) 4 méthodes d évaluation des algorithmes la mise au point d algorithmes de traitement nécessite de modéliser l activité d un petit groupe de neurones. avec l outil simone développé au cea/leti [3], nous disposons d un modèle réaliste de signaux acquis à partir des enregistrements extracellulaires du lobe antennaire de la blatte. on peut ainsi accéder à une référence pour la séquence d activation de chaque neurone {tk,q} et faire varier le niveau de bruit de l enregistrement. on étudie ensuite l espace des paramètres pour différents algorithmes afin
signal brut y sub-bande d3 sub-bande d4 0.2 mv fig. 4 – exemple d un signal d intérêt simulé avec deux niveaux de décomposition (d3 et d4). les pas sont indiqués par des flèches . le rapport signal sur bruit est amélioré : plusieurs pas qui sont complètement noyés dans le bruit, sont mis en relief dans les sous-bandes. de déterminer leur configuration optimale : robustesse, immunité au bruit et performance. on travaille dans un sous espace réduit de paramètres : nwin, spkt ol, k. ceux-ci sont tabulés pour différentes valeurs d après une première analyse permettant de mieux cibler les valeurs (quasi-)optimales pour chacun d entre eux. on évalue la performance p[ i] de chaque algorithme pour chaque jeu de paramètres i, par une formule qui pénalise autant le nombre de fausses alarmes (fp : faux positif) que le nombre de pas non détectés (fn : faux négatif) :
(6) ce calcul est possible puisque l on connait parfaitement la séquence temporelle précise de décharge du réseau. la performance totale d un algorithme pour un jeu de paramètres i donné est obtenue en moyennant p[ i] estimé pour différents niveaux de bruit : { sigma/2 ; sigma ; 2 sigma ; 3 sigma }. une fois que la performance moyenne de chaque méthode est évaluée, on extrait la combinaison optimale de paramètres psyi qui maximisent le score moyen pour chacun des algorithmes. ensuite on compare la performance des configurations psyi* à chaque niveau de bruit. 5 résultats en règles générales on constate que les méthodes proposées sont, à la fois, plus robustes et plus performantes que la méthode de seuillage adaptatif sur y. d après la première analyse où on évalue la performance pour différents jeux de paramètres (fig. 5(a)), on peut extraire différents conclusions. premièrement, on s aperçoit que le seuillage sur le niveau d3 présente une performance clairement supérieure au reste. néanmoins, elle est dégradée si on rajoute la sous bande d4. en effet, cette bande, utilisée de manière indépendante, présente des scores inférieurs à ceux de d3 dans l ensemble des configurations psyi appartient à psy. ce premier jeu des données nous permet de fixer, pour chaque méthode, les valeurs des paramètres liées aux performances moyennes plus élevées.
fig. 5 – a) performance moyenne pour chaque algorithme, évaluée dans l espace ; b) variation de la performance de chaque méthode pour différents niveaux de bruit
de cette manière, chaque algorithme est ensuite ajusté. une deuxième analyse (fig. 5(b)) nous permet alors de valider le degré de robustesse au bruit de chaque méthode. on note que le seuillage sur y est légèrement plus performante pour des rapports signal sur bruit faibles, mais que cette performance est vite dégradée avec une augmentation du bruit. d une autre part, les méthodes basées sur d3 et d3+d4 sont très stables, avec des bons scores, sur toute la plage de tests. en effet, on observe que les coefficients de d3 sont fortement liés à la forme des pas (en plus de leur amplitude). encore une fois, le seuillage sur d4 présente des performances inférieures aux autres alternatives proposées. on constate que l utilisation de la déviation absolue à la médiane sur d1 comme estimateur de la déviation standard rend les algorithmes basés sur d3 ou d4 plus robustes aux changements de paramètres. ceci n est pas le cas pour les autres méthodes, pour lequelles l estimation directe sur le signal d intérêt semble plus efficace. à la vue de ces résultats, on affirme que la méthode de détection basée sur la sous-bande d3 est particulièrement efficace dans la détection de pas, même dans des environnements défavorables de bruit. l utilisation d une décomposition en ondelettes stationnaire et le choix d une ondelette spline quadratique permet également d envisager une implémentation numérique à bas coût calculatoire. 6 perspectives actuellement, on s intéresse à des méthodes plus évoluées avec une prise en compte de la corrélation inter échelles. en plus, on étudie un modèle sur la forme des coefficients d ondelettes en réponse aux pas pour améliorer la détection. ensuite, on envisage confronter nos algorithmes aux méthodes plus avancées de détection (non compatibles avec une implantation embarquée) sur des données réelles. à terme on va développer une architecture en vue d une réalisation en électronique numérique.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=22><source=http://www.biomedicale.univ-paris5.fr/physcerv/c_pouzat/code_folder/pouzat-promo2005-rap.pdf>
rapport d activité 1 recherche scientifique 1.1 travaux des quatre dernières années j ai consacré la majeure partie de ces quatre dernières années au développement de méthodes automatiques de tri de potentiels d actions (pas). 1.1.1 le problème du tri des pas en quelques mots la pleine exploitation des données enregistrées avec des multiélectrodes extracellulaires nécessite la résolution d un problème particulier, le problème du tri des potentiels d action (ou spike-sorting en anglais). ce problème vient de la situation d enregistrement où chaque électrode se trouve typiquement au voisinage de plusieurs neurones actifs. chaque électrode collecte ainsi un signal qui est un mélange des potentiels d action des différents neurones. cette circonstance particulière constitue à la fois la force et la faiblesse des enregistrements extracellulaires. elle est une force car avec relativement peu d électrodes, donc a priori un dommage faible pour le tissu, on peut suivre l activité de nombreux neurones. elle est une faiblesse car les données recueillies par ces enregistrements ne sont pas directement exploitables ; il faut au préalable reconstituer le discours de chacun des neurones vu par chaque électrode. on peut en fait voir plus concrètement ce problème au moyen d une analogie dans laquelle les électrodes extracellulaires deviennent des microphones et les neurones, des personnes relativement indisciplinées, puisqu elles ont tendance à parler en même temps. 1 le problème auquel l analyste est alors confronté est celui de la reconstruction du discours de chaque personne. on peut en fait pousser de façon fructueuse cette analogie et se dire qu il serait peut-être intéressant d inclure, dans l algorithme de reconstruction automatique du discours, certaines propriétés du signal généré par chaque personne (neurone). en particulier, certaines personnes ont une voix grave alors que d autres ont une voix aigue (pour les neurones cela se traduit par une différence de forme des potentiels d action). certaines personnes parlent fort, d autres parlent bas (de même certains neurones génèrent de grands potentiels d action alors que d autre n en génèrent que des petits). une personne peut-être proche d un des micros et plus éloignée d un autre de sorte que son discours est enregistré simultanément par au moins deux micros mais avec des différences d amplitudes (de même un neurone peut-être proche d une électrode et plus éloigné d une autre). certaines personnes parlent pratiquement tout le temps alors que d autres ne font qu acquiescer ou désapprouver de temps en temps, c est-à-dire que la statistique du discours change d une personne à l autre (de même la statistique de décharge des potentiels d action change d un neurone à l autre), etc. on voit ainsi que de nombreux paramètres décrivant des propriétés des discours isolés (des trains de pas provenant de cellule unique) peuvent être inclus dans l algorithme et améliorer grandement, potentiellement au moins, ses performances. c est ce type d approche qui m a conduit avec m delescluse (étudiant en thèse que j encadre depuis 2002), en collaboration avec jean diebolt du laboratoire d analyse et de mathématique appliquées1 (cnrs umr 8050, université de marne la vallée) et pascal viot du laboratoire de physique théorique de la matière condensée2 (cnrs umr 7600 et université pierre et marie curie) à développer une méthode de tri des potentiels d action, radicalement nouvelle. cette méthode est fondamentalement basée sur une analogie du type de celle que nous venons d exposer entre les données enregistrées par les multiélectrodes extracellulaires et un verre de spin de potts . concrètement cela signifie qu une fois que l analogie avait été faite, les algorithmes étaient déjà disponibles chez les physiciens et chez les statisticiens, des adaptations somme tout mineures de ceux-ci s étant avérées suffisantes. de plus, tout l appareil mathématique nécessaire pour prouver la convergence de l algorithme avait aussi déjà été développé par les statisticiens. on s est retrouvé ainsi avec une méthode puissante, construite sur des bases solides, qui de surcroît fourni des intervalles de confiance pertinents sur les estimations qu elle produit. 1.1.2 une version plus détaillée et plus technique des progrès réalisés ces deux dernières années la collaboration avec jean diebolt et pascal viot nous a permis de faire d importants progrès. en effet, la méthode que j avais développée lors de mon séjour post-doctoral [4] ne permettait de travailler qu avec des modèles de mélanges gaussiens (gaussian mixture models, gmm ou apparentés). c est-à-dire avec des modèles dans lesquels la densité de probabilité d un pa ou spike, s, s écrit : p(s) =
où k est le nombre de neurones du modèle, j est la fréquence de décharge relative du je neurone du modèle et p(s | j) est la probabilité de s étant donné j. typiquement on travaille avec des densités conditionnelles, gaussiennes :
où j est la matrice covariance de la distribution gaussienne multivariée du neurone j, uj est sa moyenne et ns est le nombre de points d échantillonnage utilisés pour décrire un spike (pour plus de détails voir [4]). estimer les paramètres de ce type de modèle à partir de données réelles est relativement facile avec, par exemple, l algorithme de maximisation de l espérance (mathématique) (expectation maximization (em) algorithm en anglais). nous avons mis en oeuvre cet algorithme qui constitue toujours la base du logiciel spikeomatic que nous distribuons gratuitement sur notre site.
si cette approche basée sur des gmms fonctionne bien pour certaines données, comme celles qu on enregistre dans le premier relais olfactif du criquet (schistocerca americana), on atteint vite ses limites quand les neurones enregistrés présentent l une des caractéristiques suivantes (ou, bien sûr, les deux) : – la forme des pas est non-stationnaire et dépend du temps écoulé depuis le dernier pa du neurone. – deux neurones génèrent, du fait du bruit d enregistrement, des pas de formes très semblables. la première caractéristique est typique des neurones déchargeant en bouffées pour lesquels on constate une diminution de l amplitude des pas pendant la bouffée. la seconde est très courante dans des tissus où des neurones de même type se trouvent en relativement grande densité. la prise en compte de ces caratéristiques pose de (très) sérieux problèmes d inférence statistique. en effet, les modèles type gmm avec lesquels nous avons commencé entraînent une expression simple pour la vraisemblance4 des données (i.e., l ensemble des spikes enregistrés) qui est alors un produit de la (densité de) probabilité de chaque spike : p(s1, . . . , sn) =
où p(si | j) est donné par l eq. 2. le point crucial est que l évaluation de l eq. 3 nécessite n · k calculs simples (et rapides). n étant le nombre de spikes dans l échantillon (typiquement de l ordre de 1000) et k le nombre de neurones dans le modèle (typiquement de l ordre de 10). ainsi, un algorithme comme le em, qui évalue constamment l eq. 3 a un temps de calcul de l ordre de n · k. la prise en compte de la première caractéristique ci-dessus impose de connaître le temps du spike précèdent de chacun des neurones lorsqu on veut évaluer une expression comme p(si | j)5. de même, notre manière de prendre en compte la seconde caractéristique impose de connaître le temps du la vraisemblance d un ensemble de données est une quantité proportionnelle à la probabilité de celui-ci. en effet, maintenant la forme des spikes est dynamique et dépend du temps écoulé depuis le dernier spike du neurone.
spike précèdent et du suivant de chacun des neurones. la conséquence de la dépendance des probabilités conditionnelles, comme p(si | j), visà- vis des neurones d origine des spikes voisins est que pour calculer la vraisemblance (eq. 3) on doit développer le produit afin de prendre en compte explicitement chacune des configurations. on définit ici, une configuration par la spécification d un neurone d origine pour chaque spike. on a voit alors que la vraisemblance ne comporte plus n · k termes, mais kn ! cela signifie en pratique qu on ne peut plus la calculer explicitement. c est là que la collaboration avec jean diebolt et pascal viot s est avérée cruciale. ce problème d explosion combinatoire a, en effet, déjà été rencontré dans d autres domaines comme : – en physique statistique avec les modèles d ising et potts (entre autres). – en informatique avec les problèmes de coloration de graphes. – en traitement du signal (reconnaissance d images et reconnaissance vocale). – en statistique avec des problèmes d inférence sur des modèles à variables latentes inter-dépendantes. – en recherche opérationnelle avec des problèmes de conception ou de gestion de réseaux variés (comme le réseau internet, les réseaux de distribution d électricité, des réseaux faits d ordinateurs type pc utilisés comme une seule machine parallèle). et des méthodes ont été trouvées pour le contourner. plutôt que de le résoudre directement, ce qui, comme nous venons de le voir, est impossible, ces méthodes estiment la solution (et fournissent des barres d erreurs sur les estimations produites). ces estimations sont systématiquement faites en simulant une chaîne de markov sur l espace des paramètres du problème. dans le cas qui nous occupe, les paramètres de notre problèmes sont les paramètres de notre modèle de génération de données et les configurations. notre chaîne de markov visite donc, à chaque pas de temps, une nouvelle configuration (c est à dire une nouvelle labélisation du train de pas) et une nouvelle valeur pour chacun des paramètres du modèle. cette classe de méthodes est nommée dynamic monte carlo par les physiciens, markov chain monte carlo par les statisticiens et random tours par les gens de la recherche opérationnelle. une de leurs caractéristiques majeures est que la convergence de la chaîne vers la solution du problème posé peut être prouvée. épargne ici au lecteur les détails du modèle plus sophistiqué que le gmm que nous avons introduit pour prendre en compte les deux caractéristiques. si il a le temps et la curiosité il pourra lire nos deux dernières publications [5] et [3].
le lecteur trouvera peut-être que le développement qui précède est un peu abstrait et formel ; il pourra se consoler en se disant que : 1. il a raison, nous sommes ici bien loin de la neurophysiologie classique 2. l auteur ainsi que son étudiant en thèse, matthieu delescluse, se trouvaient dans la même situation il y a deux ans de cela. 3. cela vaut la peine car on obtient une solution générale et rigoureuse pour ce problème qui préoccuppe (une partie de) la communauté des neurophysiologistes depuis 50 ans. 4. il peut utiliser la méthode sans avoir à maîtriser le formalisme mathématique grâce à notre logiciel spikeomatic8, voir sect. 3. pour en arriver à notre algorithme, [5] et [3], il nous a fallu d abord nous comprendre. c est-à-dire, pour moi, apprendre un minimum des dialectes et des méthodes des statisticiens et des physiciens. ensuite, spikeomatic comporte 162 fonctions écrites en c (ce qui représente plus de 12000 lignes de code) ainsi que 30 fonctions r9, pour l interface utilisateur, ce qui représente 4800 lignes de code. il nous a donc fallu, à matthieu delescluse et moi-même, apprendre à gérer de relativement gros projets logiciels. j insiste ici sur le fait que spikeomatic est un logiciel utilisable car complétement documenté. le lecteur est invité à le télécharger10 et à l essayer sur son propre ordinateur (linux ou windows). le lecteur sous estimera peut-être l importance des théorèmes de convergences, ils sont pourtant une aide précieuse, pour ne pas dire fondamentale, pour les personnes qui développent et programment les algorithmes correspondants. ceux-ci deviennent en effet assez vite compliqués et les théorèmes permettent de définir des tests forts de leur bon fonctionnement. en d autres termes, le programmeur peut savoir si sa combinaison, algorithme/implémentation, est viable ou non. il est néanmoins clair qu une compréhension minimale de l algorithme ne peut qu améliorer l utilisation qui en est faite.
la présence de relaxations lentes dans la première version de notre algorithme nous a amenés à pousser plus loin l analogie avec la physique statistique. nous nous sommes, en effet, apperçus que notre modèle de génération de données induit un comportement de nos chaînes de markov analogue à celui observé en physique lors de la simulation de systèmes vitreux ou désordonnés (comme des verres de spin ). heureusement, les physiciens ont depuis quelques années (1996 [2]) développé une méthode efficace pour ce type de situations : la méthode de l échange de répliques (replica exchange method (rem) ou parallel tempering en anglais). nous l avons mis en oeuvre avec succès. c est en fait elle qui a rendu notre algorithme utilisable en pratique. cette méthode, comme sa seconde dénomination anglaise l indique indirectement, se prête à une parallélisation de l algorithme. c est-à-dire que l algorithme peut-être écrit de façon à pouvoir utiliser efficacement plusieurs cpus (central processing unit , ou unité arithmétique et logique en français ou peut-être plus clairement, processeur). pour vous donner une idée, il faut actuellement de 10 à 20 minutes de calcul pour traiter de l ordre de 1000 pas (avec un pentium iv à 3 ghz) en utilisant 9 répliques (e.g., voir le second tutoriel de spikeomatic11). la parallélisation devrait nous permettre de diviser ce temps par pratiquement 9. afin d explorer cette possibilité nous avons récemment fait l acquisition d un cluster beowulf avec 8 noeuds de calcul possédant chacun 2 cpus (en clair ce sont des pc avec linux et un réseau ethernet privé ). cet achat a été financé par un appel d offres en bio- informatique (période 2003-2005) attribué à christophe pouzat, jean diebolt et frédéric marion-poll12, professeur à l inapg. enfin, le rem fournit (presque) automatiquement une estimation de l énergie libre du système simulé ce qui est très interessant pour la raison suivante. la comparaison de modèles, c est-à-dire, dans le contexte qui nous occupe, le choix du nombre de neurones dans le modèle, implique l évaluation d une quantité (la probabilité des données étant donné le modèle) dont le logarithme n est autre, à une constante près, que l énergie libre des physiciens. on peut ainsi en quelque sorte faire d une pierre deux coups : résoudre le problème de relaxation lente et comparer automatiquement (et rigoureusement) des modèles avec différents nombres de neurones. si nous sommes vraiment chanceux, nous pourrons même faire une petite contribution à la solution d un problème important en statistiques (la comparaison de modèles dans un contexte bayesien). nous venons, par ailleurs, de démontrer directement l efficacité de spikeomatic en combinant des enregistrements extracellulaires multiples avec l enregistrement direct13 d une des cellules présente sur l enregistrement extracellulaire. nous avons ainsi une référence indépendante à laquelle comparer la classification produite par notre algorithme. les résultats sont intéressants puisque nous atteignons 98% de bonne classification [1]. 1.2 collaboration avec le laboratoire du professeur kloppenburg de l université de cologne j ai commencé il y a maintenant deux ans une collaboration avec le laboratoire du professeur peter kloppenburg14 de l université de cologne en allemagne. cette collaboration porte sur l étude du codage de l information olfactive chez la blatte (periplaneta americana). le laboratoire de peter kloppenburg étudie cette question au moyen de plusieurs techniques expérimentales : des enregistrements extracellulaires multiples (dans lesquels je suis directement impliqué) et des enregistrements en patch (in vivo et sur des cellules en culture), combinés avec de l imagerie calcique. je me rends dans ce laboratoire une semaine tous les un ou deux mois. nous avons à présent un poste d enregistrements extracellulaires multiples qui fonctionne parfaitement. cela nous a pris du temps, car j ai fait l erreur, croyant gagner du temps, d acheter un amplificateur extracellulaire clés en main avec logiciel d acquisition intégré . le résultat est que si le hardware s est avéré tout à fait satisfaisant, le software ne l était pas du tout. il a fallut se battre (pratiquement au sens propre) pour que le constructeur accepte de prendre en compte nos remarques et commence à modifier son logiciel. bref, après quelques péripéties, nous devenons enfin productifs. avec une pipette de patch en configuration cellule attachée.
1.3 perspectives dans les années qui viennent nous allons bien sûr poursuivre le développement de spikeomatic. tout d abord, comme évoqué plus haut, en le parallélisant. cela devrait nous fournir une solution au problème de la sélection du nombre de neurones dans le modèle. ensuite nous allons l étendre pour lui permettre de prendre en compte explicitement des interactions entre neurones. la motivation derrière cette extension est d obtenir une description des interactions vues au niveau des trains de pas qui soit plus facilement interpretable, en terme d interactions synaptiques, que les classiques cross-correlograms . nous pourrons ainsi établir un lien entre les expériences extracellulaires que nous effectuons sur les tranches de cervelet et sur l insecte, d une part, et les enregistrements de cellules uniques ou de paires de cellules avec la méthode du patch-clamp, d autre part. ces derniers enregistrements étant effectués par nos collègues du laboratoire de physiologie cérébrale pour le cervelet et par le groupe de peter kloppenburg de l université de cologne, avec qui je collabore depuis deux ans, pour la blatte (periplaneta americana). nous allons également commencer à developper des algorithmes de type mcmc pour analyser les données d imagerie calcique produites par isabel llano au laboratoire (essentiellement de l imagerie de l axone des interneurones de la couche moléculaire du cervelet de rats et souris) ainsi que par le laboratoire de serge charpak, u603 inserm (imagerie des cellules mitrales du bulb olfactif du rat in vivo). l idée est de développer un modèle réaliste de la génération de données17 et d estimer directement les paramètres de ce modèle à partir des données de fluorescence. ce modèle étant complexe il nous faudra avoir recours, comme pour les trains de spikes, à des algorithmes stochastiques type mcmc. nous pourrons à cette fin utiliser la bibliothèque c que nous avons déjà développée. un modèle qui inclura la liaison du calcium à la sonde, la diffusion, la formation de l image par le microscope, la statistique poissoniènne de détection des photons, etc. 2 enseignement, formation et diffusion de la culture scientifique – j encadre depuis septembre 2002 la thèse de matthieu delescluse sur le développement et l application des techniques d enregistrement extracellulaires multiples aux tranches de cervelet (en ce qui concerne la portée de ces travaux, voir la sec. 1). – depuis avril 2004, je co-encadre la thèse d antoine chaffiol sur la détection d odeurs à faibles concentrations par l abeille domestique (apis mellifera) et la blatte (periplaneta americana). le travaille d antoine est essentiellement expérimental et porte dans un premier temps sur la comparaison des réponses (à basse concentration de molécules odorantes) des récepteurs olfactifs et de leurs neurones post-synaptiques (neurones de projection et neurones locaux) dans le premier relais olfactif (le lobe antennaire). nous étudierons ensuite le rôle de l apprentissage dans les réponses olfactives ainsi que la représentation des mélanges de molécules simples (e.g., citral et octanol), appris ou non par l animal. – marie-gabrielle lucas a rejoint mon groupe en fin 2004. elle termine sa thèse que je coencadre avec la dr isabel llano (qui est aussi au laboratoire de physiologie cérébrale). marie-gabrielle développe des algorithmes et de logiciels permettant de travailler avec des modèles réalistes de la génération des signaux de fluorescence dans les expériences d imagerie calcique. la particularité de ces modèles et leur prise en compte des interactions entre calcium et sonde ou tampon endogène, ainsi que du bruit poissonien lors de la détection des photons par la caméra. – hang ung a effectué son stage de deuxième année de master de neurosciences (université paris vi) sous ma direction. son titre de mémoire est : enregistrements multi-unitaires de réponses aux odeurs chez la blatte entre 2002 et 2003 j ai effectué 30 heures de tutorat à l espci (ecole de physique et de chimie industrielles). ces tutorats correspondaient au cours de neurophysiologie du professeur serge charpak. pendant l année universitaire 2004-2005 j ai donné 4 heures de cours sur l olfaction des insectes en master 2 neurosciences (paris vi) ainsi que 4 heures sur l ofaction en master 1 de biologie, option neurosciences (paris vi). j ai aussi donné 4 heures de cours sur les enregistrements par matrices d électrodes extracellulaires et leur analyse a l ina (institut national d agronomie). j ai enseigné (4 heures) à l ecole d été des houches : methods and models in neurophysics au mois d août 2003. 3 transfert technologique, relations industrielles et valorisation nous distribuons, gratuitement, sous licence gpl18 le logiciel spikeomatic. les codes sources avec leur documentation sont disponibles, ainsi que des exécutables pour linux et windows. l interface utilisateur de spikeomatic est construite à partir du logiciel libre r19. une aide en ligne et des tutoriels sont également disponibles. ce logiciel est donc vraiment utilisable par des personnes qui n ont pas contribué à le développer. il est d ailleurs utilisé par plusieurs autres laboratoires et j ai récement eu a évaluer, en tant que referee, un manuscrit utilisant spikeomatic.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=23><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/potact.html>
la cellule nerveuse en activité : le potentiel d action définition et propriétés la stimulation en un point de la membrane d un élément excitable, entraînant une dépolarisation membranaire suffisante (valeur seuil), provoque l apparition d un potentiel d action (pa). ce pa est une inversion brutale et transitoire du potentiel de membrane, qui obéit à la loi du tout ou rien et se propage sans atténuation, de manière autonome, tout au long de la membrane de l élément excité.
1. lorsqu un axone se dépolarise, il apparaît, pour une certaine valeur du potentiel de membrane appelée valeur seuil , une brusque (environ 1 msec) et ample inversion de la polarisation membranaire puisque l électrode intracellulaire passe d une valeur négative de - 50 mv à une valeur positive de + 40 mv, soit une variation de 90 mv (pic). 2. la phase de descente du potentiel d action (pa) est également très rapide (1 à 2 msec), le potentiel de membrane revenant alors vers son niveau initial. 3. puis, à la fin de la phase de descente, le potentiel de membrane atteint une valeur plus négative que le niveau de son potentiel de repos (l axone s hyperpolarise). 4. le retour à la valeur de potentiel initial se fait relativement plus lentement (quelques msec).
ce potentiel d action est un phénomène électrique qui présente deux caractéristiques fondamentales :
a partir de la valeur seuil de dépolarisation, toute augmentation ultérieure de l amplitude de la stimulation n apporte aucun changement dans la réponse observée : le pa obéit à la loi du tout ou rien. si le seuil de dépolarisation n est pas atteint, il n apparaît pas. si le seuil est atteint, la réponse est maximale d emblée. emis en un point de l axone, il se propage sans atténuation tout au long de la fibre.
la valeur du potentiel de membrane atteinte lors du pic du pa tend vers celle du potentiel d équilibre du na+ (ena = + 60 mv). de plus, les premières expériences ont pu montrer que, si l on place un axone dans un milieu où la concentration en na+ est faible, on observe une nette diminution de l amplitude maximale du pa. on pouvait donc penser que le rapport des concentrations intra et extracellulaire de na+ joue un rôle important dans la genèse du pa. on connaît maintenant les mécanismes membranaires à l origine du pa. les mécanismes membranaires à l origine du potentiel d action
neurobiologie cellulaire : le potentiel d action - chapitre 10 - figure 10.7
dans : neurobiologie cellulaire. c. hammond, d. tritsch.editions doin - 1990.
1. la phase ascendante du potentiel d action est due à l ouverture de canaux na+ sensibles au voltage (cf. la membrane). au repos, la probabilité (p0) pour que ces canaux soient ouverts est très faible et la plupart sont fermés. pour une certaine valeur du potentiel de membrane (vm = - 40 mv - valeur seuil), la dépolarisation membranaire provoque une ouverture rapide des canaux na+- vm dépendants, ce qui entraîne une entrée brutale de na+ dans la cellule. ce courant sodique entrant augmente la dépolarisation membranaire, qui elle-même provoque une nouvelle entrée d ions na+ etc ... ce processus régénératif induit la phase ascendante du pa. mais, le pic du pa n atteint pas exactement le potentiel d équilibre des ions na+ (ena = + 60 mv) car, très vite, les processus mis en jeu lors de la phase descendante du pa entrent en jeu. 2. deux facteurs limitent la durée du pa : (a) la dépolarisation finit par inactiver graduellement les canaux na+ (les canaux se referment bien que la membrane reste dépolarisée : ils s inactivent) ce qui induit, avec un certain délai, (b) l ouverture de canaux k+ vm dépendants (supérieur à + 20 mv : p0 d ouverture maximale). ce délai d ouverture leur vaut le nom de canaux k+ de la rectification retardée . 3. dans la plupart des cellules nerveuses, le pa est suivi d une phase d hyperpolarisation transitoire ou post-hyperpolarisation. cette hyperpolarisation apparaît car, contrairement aux canaux na+, les canaux k+ ne s inactivent pas (du moins dans cette échelle de temps) et ce courant sortant potassique hyperpolarise légèrement la membrane. 4. le nombre de canaux k+ ouverts diminue progressivement et le potentiel de membrane revient à son niveau initial.
in vivo, la valeur seuil de la dépolarisation initiale qui déclenche la survenue d un pa peut être atteinte de deux façons :
au niveau des synapses excitatrices, les neuromédiateurs libérés par les terminaisons présynaptiques, qui se lient sur des récepteurs spécifiques postsynaptiques (les récepteurs-canaux) induisent des dépolarisations locales (ppse) dans les éléments postsynaptiques. au niveau des neurones, les ppse se propagent jusqu au segment initial (cf. la membrane), zone particulière où naissent les pa. au niveau des récepteurs sensoriels, un stimulus extérieur provoque une variation de potentiel local appelée potentiel de récepteur , qui, s il est une dépolarisation d amplitude suffisante, déclenche la survenue de pa.
cette dépolarisation initiale est nécessaire à l ouverture des canaux na+ vm dépendants, ouverture qui induit un processus régénératif (phase ascendante du pa). ces mécanismes expliquent que la survenue d un pa réponde à la loi du tout ou rien.
les ions na+ entrant dans le cytoplasme vont chasser les cations intracytoplasmiques les plus abondants (en l occurrence les ions k+ : 2 charges de même signe se repoussent), qui vont conduire le courant à l intérieur de l axone, entraînant, à distance du point où est né le pa, une dépolarisation membranaire locale. si, à ce niveau, les canaux na+ vm dépendants sont en concentration suffisante et que la dépolarisation locale est assez forte, il y aura émission d un autre pa ( conduction régénérative ). remarquons, que lorsque l influx nerveux se propage, il ne peut revenir en arrière du fait de l inactivation des canaux na+. tout ceci explique que le pa se propage sans atténuation tout au long de la fibre. rappelons que plus la fibre nerveuse aura un diamètre important, moins la dépolarisation locale sera atténuée (constante d espace - cf. pot. de repos). la propagation de la dépolarisation locale dépend donc du diamètre de l axone.
à ce propos, la gaine de myéline (isolante) des axones et ses noeuds de ranvier (canaux na+ vm dépendants : plusieurs milliers par µm2 - cf. la membrane) permet une conduction saltatoire de l influx, soit une conduction rapide et énergétiquement économique (excitation confinée à de petites régions).
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=23><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/lasynapse.html>
la synapse - unité morphologique et fonctionnelle de la transmission de l information les divers types de synapse
le terme de synapse, proposé par sherrington (1897), désignait au départ les zones de contact entre neurones, zones de contact spécialisées dans la transmission de l information. mais les synapses ne sont pas uniquement interneuronales; elles lient également les cellules réceptrices aux neurones et les neurones aux cellules effectrices (jonction neuromusculaire). c est au niveau de ces synapses que s effectue la transmission de l information d une cellule à une autre : la transmission synaptique.
selon des critères morphologiques et fonctionnels, on distingue plusieurs types de synapses :
les synapses chimiques, caractérisées par la présence d un espace entre la membrane présynaptique et la membrane post-synaptique : la fente synaptique. une molécule chimique transmet les informations de la cellule présynaptique à la cellule post-synaptique. les synapses électriques ou jonctions communicantes ( gap junctions ), caractérisées par l accolement des deux membranes plasmiques (canaux jonctionnels - connexons). les signaux électriques sont directement transmis d une cellule à l autre sans intermédiaire chimique. ce couplage électrique permet une propagation rapide des potentiels d action entre neurones mais aussi la synchronisation de la contraction de certaines cellules musculaires (coeur, fibre musculaire lisse). les synapses mixtes, formées par la juxtaposition d une synapse chimique et d une jonction communicante.
la synapse chimique
la synapse chimique comprend 3 parties :
1. l élément présynaptique 2. la fente synaptique 3. l élément post-synaptique.
les éléments pré- et post-synaptiques présentent une spécialisation morphologique et fonctionnelle. asymétrie de structure
l élément présynaptique se caractérise par la présence de vésicules synaptiques, organites de stockage du neurotransmetteur, et de nombreuses mitochondries. parfois, on distingue sous la membrane présynaptique une zone dense aux électrons plus ou moins géométrique : la grille synaptique. cette grille synaptique correspond à une organisation particulière du cytosquelette liée à l exocytose des vésicules synaptiques.
l élément post-synaptique se caractérise, dans le cas d une synapse interneuronale, par la présence d une région sous-membranaire, dense aux électrons, qui reflète une organisation particulière du cytosquelette liée à l ancrage des récepteurs post-synaptiques dans cette région.
le complexe synaptique présente donc une asymétrie de structure caractéristique, les vésicules synaptiques n étant présentes que dans l élément présynaptique. asymétrie fonctionnelle : schéma général du fonctionnement d une synapse
le neurotransmetteur est stocké dans les vésicules synaptiques de l élément présynaptique. l arrivée des potentiels d action [1] dans l élément présynaptique entraîne une entrée de calcium [ca2+i] [2], et la fusion d une vésicule avec la membrane plasmique. la durée du potentiel d action détermine l ouverture des canaux calciques et donc, la quantité de neurotransmetteur libéré. la vésicule libère par exocytose [3] le neurotransmetteur dans la fente synaptique. on appelle zone active l ensemble formé par les vésicules présynaptiques et la membrane axonale présynaptique où s effectue l exocytose.
les molécules de neurotransmetteur ainsi libérées peuvent aller se fixer sur la membrane post-synaptique au niveau de récepteurs qui lui sont spécifiques [4]. cette fixation entraîne un passage d ions à travers la membrane post-synaptique [5]. c est la transmission synaptique.
dans le même temps, les molécules de neurotransmetteur présentes dans la fente synaptique sont recaptées par la membrane présynaptique [6] et la membrane elle-même est recyclée.
iconographie personnelle - dr. d. rose
l élément présynaptique renferme la machinerie nécessaire à la synthèse, au stockage, à la libération et à l inactivation du neurotransmetteur. l élément post-synaptique, spécialisé dans la réception des messages, renferme dans sa membrane plasmique les protéines réceptrices du neurotransmetteur : récepteurs-canaux et/ou récepteurs liés aux protéines g.
la transmission synaptique est unidirectionnelle, polarisée ; elle n a lieu que de l élément présynaptique, qui contient le neurotransmetteur, vers l élément post-synaptique à la surface duquel se trouvent les récepteurs du neurotransmetteur.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=23><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/lasynapse2.html>
l intégration synaptique
les neurones reçoivent simultanément des milliers d informations activant des récepteurs-canaux et/ou des récepteurs liés aux protéines g. ils doivent intégrer tous ces messages et générer, en réponse, un signal simple : le potentiel d action. les potentiels post-synaptiques excitateurs la réponse synaptique élémentaire correspond à l activation d un seul récepteur-canal.
le canal ouvert par la fixation du neurotransmetteur génère un courant entrant.
iconographie personnelle - dr. d. rose la fixation d une molécules d acétylcholine sur chacune des 2 sous-unités alpha du récepteur-canal nicotinique permet, grâce au changement de configuration de la protéine transmembranaire, l ouverture du canal ionique ou pore aqueux. ce canal ionique est perméable aux cations na+, k+, ca2+ et mg2+. mais, les ions ca2+ et mg2+ ne participent que très faiblement au courant nicotinique, principalement du aux flux d ions na+ et k+ à travers le canal ouvert.
pour un potentiel de membrane de - 80 mv, le gradient électrochimique (vm - ena) des ions na+ est entrant et égal à - 180 mv alors que le gradient électrochimique (vm - ek) des ions k est sortant et égal à + 20 mv. il entre donc beaucoup plus d ions na qu il ne sort d ions k.
on enregistre donc un courant entrant, qui dépolarise la cellule - la rendant plus positive à l intérieur. dans de nombreuses synapses, l exocytose des vésicules se réalise spontanément à un niveau très faible. l amplitude de la réponse synaptique à la libération spontanée du neurotransmetteur est appelé potentiel postsynaptique miniature. l unité élémentaire de libération du neurotransmetteur correspond au contenu d une vésicule synaptique. chaque vésicule contient environ le même nombre de molécules de transmetteur (3200 molécules dans le cas de l acétylcholine - activation de 1600 récepteurs-canaux). l activation de 1600 récepteurs-canaux - soit la libération d une seule vésicule synaptique - provoque l apparition d un courant entrant de 4 na. au niveau de la jonction neuro-musculaire (synapse nicotinique cholinergique), l arrivée d un seul potentiel d action entraîne la libération de 100 vésicules synaptiques - soit un courant de plaque motrice de 400 na (+ 38 mv), du à l activation de 160 000 récepteurs-canaux. ainsi, l amplitude du potentiel postsynaptique excitateur (ppse) est un multiple de la réponse au contenu d une seule vésicule : le quantum.
dans de nombreuses synapses du système nerveux central, l arrivée d un potentiel d action entraîne la libération d une seule vésicule de neurotransmetteur - générant un ppse de seulement quelques dixièmes de millivolts. les neurones effectuent donc des opérations complexes nécessitant la sommation de tous les ppse pour produire une dépolarisation postsynaptique significative : c est l intégration synaptique.
la sommation spatiale correspond à l addition de tous les ppse générés simultanément au niveau des différentes synapses d un même dendrite. la sommation temporelle correspond à l addition des ppse générés au niveau d une même synapse lorsque les ppse se succèdent très rapidement.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=23><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/lasynapse3.html>
l intégration synaptique rôle des dendrites il reste que le courant entrant au niveau des contacts synaptiques doit se propager le long du dendrite jusqu au soma et provoquer une dépolarisation au seuil de la membrane au niveau de la zone d initiation des potentiels d action : le segment initial. l efficacité d une synapse au niveau d un dendrite dans le déclenchement du potentiel d action dépend donc (1) de la distance entre la synapse dendritique et le segment initial du neurone postsynaptique et (2) des propriétés de la membrane dendritique.
elle dépend donc de la constante d espace du dendrite (l) soit la distance où le taux de dépolarisation représente 37% de la dépolarisation initiale. plus la constante d espace est élevée, plus il est probable que les ppse générés dans les synapses éloignées du dendrite dépolariseront la membrance du segment initial. cette constance d espace dépend à la fois de la résistance longitudinale (rl) et de la résistance membranaire (résistance transversale, rm) du dendrite. le courant se propage plus loin (constante d espace plus élevée) dans un dendrite de gros diamètre (rl basse) - contenant peu de canaux ouverts (rm élevée). si la résistance longitudinale est relativement constante dans un neurone arrivé à maturité, la résistance membranaire dépend du nombre de canaux ioniques ouverts, ce qui varie d un moment à l autre en fonction de l activité des autres synapses. la constante d espace d un dendrite n est donc jamais constante et représente un facteur important de l intégration synaptique. les dendrites de certains neurones contiennent un nombre important de canaux sodiques et/ou calciques sensibles au potentiel. ces canaux dépendants du potentiel situés dans les dendrites jouent un rôle d amplificateurs des petits potentiels postsynaptiques excitateurs générés plus loin sur les dendrites. les potentiels post-synaptiques inhibiteurs les récepteurs postsynaptiques des synapses inhibitrices sont très semblables à ceux des synapses excitatrices. ce sont aussi des récepteurs-canaux, dont le neurotransmetteur est essentiellement le gaba - et qui sont perméables aux ions chlore (cl -).
iconographie personnelle - dr. d. rose 1. cellule au repos
vm = - 60 mv ecl- = - 60 mv vm - ecl- = - 60 mv + 60 mv = + 0 mv flux net d ions cl- nul.
mais, même au repos, tout ppse intervenant lors de l effet du gaba est fortement inhibé = effet shunt.
il est du à l augmentation de la conductance membranaire (ouverture des canaux gaba-a) - et donc, à la diminution de la résistance membranaire. tout courant synaptique évoqué à cet instant n entraîne qu un faible changement de potentiel membranaire (loi d ohm : v = ri).
l inhibition silencieuse gaba-a réduit l amplitude des dépolarisations postsynaptiques et s oppose ainsi à la genèse des potentiels d action postsynaptiques. 2. cellule dépolarisée
vm = + 30 mv vm - ecl- = 30 mv - (-60 mv) = + 90 mv flux net d ions négatifs entrant = courant sortant
l entrée des ions cl - entraîne une hyperpolarisation de la cellule et une inhibition de l activité postsynaptique. 3. géométrie des synapses inhibitrices
les synapses inhibitrices sont regroupées sur le soma et près du cone axonique, occupant une position stratégique pour contrôler l activité du neurone postsynaptique.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=23><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/lasynapse4.html>
l intégration synaptique la neuromodulation il existe de nombreuses synapses liées à des récepteurs couplés aux protéines g, récepteurs qui ne sont pas directement associés à un canal ionique. l activation de ces récepteurs ne produit pas directement des ppse ou des ppsi mais module l efficacité des ppse générés par d autres synapses liées à des récepteurs-canaux. cette modulation se fait par le biais de seconds messagers comme l ampc, qui diffuse librement dans le cytosol. ce second messager agit à son tour sur des protéines kinases (pk) - enzymes de phosphorylation - qui modifient la forme des phosphoprotéines cellulaires et donc, leurs fonctions.
iconographie personnelle - dr. d. rose une des protéines phosphorylées par l élévation des taux d ampc est ici un type particulier de canal potassique (k) de la membrane dendritique. la phosphorylation entraîne la fermeture du canal et donc, diminue la conductance potassique - augmentant d autant la résistance de la membrane dendritique. cette augmentation de la résistance membranaire conduit à une augmentation de la constance d espace du dendrite - favorisant ainsi l action des synapses excitatrices distales et augmentant d autant la probabilité de voir survenir un potentiel d action au niveau du segment initial. le neurone postsynaptique devient ainsi plus excitable.
la fixation de nor-adrénaline sur son récepteur modifie peu, en elle-même, le potentiel membranaire mais augmente nettement la réponse induite par un autre neurotransmetteur au niveau d une synapse excitatrice - et ce, via un récepteur-canal. dans d autres cellules, l ampc avec d autres enzymes peut entraîner des changements fonctionnels inverses sur l excitabilité cellulaire. l important est de bien comprendre que les diverses formes de modulation de la transmission synaptique offrent un nombre presque illimité de possibilités de traitement de l information par le neurone postsynaptique. ainsi, si la transmission synaptique au travers des récepteurs-canaux est simple et rapide, la transmission de l information liée aux récepteurs couplés aux protéines g est beaucoup plus complexe et lente. l avantage majeur de ces chaînes de réaction est sans nul doute la possibilité d une amplification du signal : l activation d un récepteur lié à une protéine g peut entraîner l activation, non pas d un seul, mais de très nombreux canaux ioniques. ces cascades de signaux permettent aussi l existence de nombreux sites de régulation et peuvent générer des modifications durables du métabolisme cellulaire.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=23><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/systnerv/systsens/physiogene2.html>
l information sensorielle est codée par le récepteur
c est dans les récepteurs sensoriels qu a lieu la première étape du codage de l information. il s agit, dans un premier temps, de comprendre par quels mécanismes un stimulus - par définition adéquat - peut exciter un récepteur. nous verrons ensuite comment le récepteur peut coder, en réponse à la stimulation, l intensité, la localisation et la durée du stimulus. les mécanismes de la réception et de la transduction
tous les récepteurs sont des dispositifs capables de convertir un signal, représentant une certaine énergie (physique ou chimique), qualitativement et quantitativement, en un message nerveux. on peut donc parler de transduction : le stimulus signal (physique ou chimique) déclenche et contrôle un mécanisme générateur d influx nerveux (dépolarisation ou hyperpolarisation / potentiel d action - cf. le potentiel d action), lequel relève d une chaîne énergétique intrinsèque à la membrane nerveuse (potentiel de repos & pompe na+/k+/atpase - cf. le potentiel de repos). le stimulus (st) agit sur une structure spécialisée, le site transducteur (t). il s y crée une variation de potentiel membranaire (dépolarisation ou hyperpolarisation) dont le décours et l amplitude sont fonctions des variables du stimulus.
ce potentiel de récepteur (pr) au niveau du site transducteur produit une dépolarisation secondaire en un site membranaire plus ou moins éloigné du site transducteur: le site générateur (g).
cette dépolarisation secondaire ou potentiel générateur (pg) peut cette fois générer des potentiels d action (canaux na+-vm-dépendants) dès lors qu elle atteint un seuil critique. les potentiels de récepteur (pr) et générateur (pg) sont des variations lentes du potentiel de membrane (vm), locales, graduables (en fonction de l intensité du stimulus) et sommables (en réponse à deux stimulus successifs). ils présentent en général une décroissance à partir d une amplitude maximale de départ : ce décours rend compte de l adaptation du récepteur.
d après : figure 1.21 - psychophysiologie sensorielle. neurophysiologie fonctionnelle ii. p. buser et m. imbert. hermann paris - collection méthodes il existe une relation simple, le plus souvent linéaire, entre l amplitude du potentiel générateur (pg) et la fréquence des potentiels d action (ms : message nerveux sensoriel). le potentiel de récepteur (pr) correspond à une modification de la conductance membranaire, avec transit ionique (na+, k+, cl- ou ca2+), dont le mécanisme (comment le stimulus adéquat déclenche un changement de la conductance membranaire ?) reste le plus souvent très mal connu.
dans un certain nombre de sites récepteurs, le site transducteur et le site générateur sont situés dans la même cellule. dans un tel système transducteur-générateur à une seule cellule, les cellules non nerveuses de l entourage peuvent jouer sur les propriétés de transduction du système (corpuscules de pacini dont les enveloppes jouent le rôle de filtre passe haut - fibres du fuseau neuromusculaire dont la contraction règle la sensibilité du système ).
dans un certain nombre d autres récepteurs, le site transducteur et le site générateur sont situés sur des cellules différentes. le site transducteur se trouve alors sur une cellule spécialisée (c) (cellules épithéliales ciliées des récepteurs vestibulaires ), qui s articule avec une terminaison du neurone sensoriel primaire de la voie afférente, où s effectuera la genèse des potentiels d action. dans le cas de la rétine, le site générateur est même à deux synapses du site transducteur. le codage de l intensité du stimulus
au niveau d un récepteur isolé, la fréquence de décharge des potentiels d action (pa) est fonction croissante de l intensité du stimulus, à partir d une certaine intensité liminaire correspondant au seuil absolu. la fréquence des potentiels d action est en général une fonction de puissance de l intensité de stimulation :
f (fréquence des pa) = k (s - s0) n s = intensité de la stimulation s0 = intensité seuil
on retrouve ici la loi de stevens. de même, on peut mesurer le seuil différentiel correspondant à la variation minimale d intensité du stimulus supraliminaire qui provoque une variation détectable de la fréquence des potentiels d action émis par la cellule. ce seuil différentiel est ici aussi une fonction linéaire de l intensité appliquée (loi de weber).
il y a transfert d un système de codage en amplitude (pr - pg) en un système de codage en fréquence (fréquence des potentiels d action). les potentiels d action ainsi formés sont conduits de façon régénérative tout le long de la fibre sensorielle.
le codage d intensité repose également sur le nombre de canaux (de récepteurs) parallèlement stimulés. le codage de la localisation du stimulus
la discrimination spatiale du stimulus est indispensable dans la somesthésie et la vision. on peut définir pour chaque récepteur un champ récepteur, contour de la surface cutanée ou de la surface rétinienne à l intérieur duquel le stimulus doit se situer pour exciter le récepteur. il peut également exister un gradient d excitation tel que la réponse du récepteur soit plus importante (et/ou le seuil absolu plus bas) au centre du champ récepteur qu à la périphérie. la discrimination entre deux stimulus ponctuels suppose que les champs récepteurs ne présentent qu un degré limité de chevauchement. parallèlement, le pouvoir séparateur sera d autant plus élevé que le nombre de récepteurs par unité de surface (densité en récepteurs) sera plus grand. le codage de la durée du stimulus
pour un stimulus maintenu constant pendant un certain temps, la fréquence des potentiels d action décroît en fonction du temps d application. la vitesse de cette adaptation dépend du type de récepteur. on distingue ainsi :
1. les récepteurs à adaptation nulle ou lente : nocicepteurs, otolithes vestibulaires. ils renseignent sur la valeur absolue de l intensité du stimulus et sur sa durée. ce sont des récepteurs toniques ou statiques. 2. les récepteurs à adaptation rapide : corpuscule tactile, récepteur de follicule pileux. ils traduisent les variations du stimulus en fonction du temps. ce sont des récepteurs phasiques ou dynamiques. 3. certains récepteurs sont tout d abord phasiques puis toniques : fibres ia du fuseau neuromusculaire.
la rapidité d installation d un stimulus (vitesse) peut conditionner l importance de la réponse d un récepteur phasique ou de la phase dynamique de la réponse d un récepteur phasico-tonique. les récepteurs peuvent également coder (f) le début ou la fin du stimulus (barre noire):
a. soit le récepteur répond à l interruption du stimulus par une bouffée de potentiels d action (réponse off ) - la réponse correspondante à l installation du même stimulus étant qualifiée de réponse on
b. soit, lorsque le récepteur présente une réponse de type tonique lors de l application du stimulus, l arrêt du stimulus peut être marqué par une inhibition temporaire des potentiels d action.
figure 1.13 - psychophysiologie sensorielle. neurophysiologie fonctionnelle ii. p. buser et m. imbert. hermann paris - collection méthodes.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=24><source=http://www.vulgaris-medical.com/encyclopedie/potentiel-d-action-8331.html>
potentiel d action
définition le potentiel d action s explique la manière suivante. le neurone possède un potentiel membranaire de repos. pour comprendre cette notion il est nécessaire de savoir que dans l organisme et il existe des particules qui sont chargées électriquement. ces particules sont appelées ions. il s agit en particulier des ions sodium (na+), des ions (k+) et des ions chlore (cl-). bien entendu il existe d autres régions que nous ne citerons pas ici pour ne pas alourdir l explication.
nous allons étudier le mouvement des trois ions suivants :
l ions na+ , chargée positivement. l ion k + chargé positivement. l ion cl- chargé négativement.
tour mieux comprendre ceci ajoutons que la positivité et la négativité sont également appelées polarités. ce terme risque d être rencontré par la suite.
d autre part selon les lois d électricité qui régissent le mouvement des ions, les charges de mêmes polarités se repoussent alors que les charges de polarité opposée s attirent.
le milieu intracellulaire c est-à-dire l intérieur de la cellule, à l instar du milieu extracellulaire, contient un grand nombre de particules qui sont chargées électriquement. il s agit de deux secteurs qui sont séparés l un de l autre par la membrane plasmique.
la répartition des charges entre le milieu de l intérieur de la cellule et le milieu de l extérieur de la cellule est différent et joue le rôle fondamental en termes de fonctions de la cellule.
si l on résume il existe décharge à l intérieur de la cellule (milieu intracellulaire) et à l extérieur de la cellule (milieu extracellulaire). il s agit de deux secteurs séparés par la membrane plasmique.
nous pouvons aborder maintenant le phénomène du potentiel membranaire de repos. toutes les cellules d un organisme possèdent, sans exception, une différence de potentiel électrique c est-à-dire une différence de charge électrique. ces charges sont séparées par la membrane plasmique. cette différence de potentiel explique s il existe de part et d autre de la membrane cellulaire de polarités qui sont opposées : la polarité moins et la polarité plus.
il est donc nécessaire de retenir que l intérieur de la membrane cellulaire c est-à-dire l intérieur de la cellule est de charge négative alors que l extérieur de la cellule est de charge positive.
ceci s explique par le fait suivant qui est très important : l intérieur de la cellule est riche en ions potassium, 35 fois plus qu à l extérieur, alors que la concentration en ions sodium est 20 fois plus faible qu à l extérieur de la cellule.
pour mieux comprendre le mécanisme à l origine de la différence de polarité de part et d autre de la membrane de la cellule, retenons ce qui suit. les charges négatives qui sont en excès à l intérieur de la cellule sont attirées vers l extérieur de la cellule qui elle est chargée positivement. les charges se rassemblent donc en une couche mince qu il vient se placer sur la surface interne et externe de la cellule.
retenons également qu il existe du liquide à l intérieur de la cellule et du liquide à l extérieur de la cellule qui eux sont neutre sur le plan électrique.
nous avons cité les ions sodium, potassium et chlore mais il est nécessaire de savoir qu il existe d autres particules qui sont chargées mais c est essentiellement le sodium le potassium et le chlore qui se retrouvent à des concentrations élevées et qui jouent donc un rôle particulièrement important dans la production du potentiel de membrane de repos.
c est la différence de potentiel de membrane qui contribue à assurer le potentiel de repos. dans la membrane il existe un système de transport que l on appelle actif et qui repousse en permanence les ions sodium qui sont positifs vers l extérieur de la membrane. dans des conditions de repos la membrane est très peu perméable aux ions sodium positifs de telle sorte que les ions sodium positifs ne peuvent pas pénétrer à l intérieur de la cellule.
la membrane plasmique est en revanche perméable aux ions potassium mais de façon insuffisante. ce qui fait que les charges positives des ions potassium ne parviennent pas à compenser le rejet massif des lésions sodium. au final on constate un déficit d ions positifs à l intérieur de la cellule.
le potentiel d action s explique donc de la manière suivante. ce sont les changements transitoires du potentiel membranaire à partir de son niveau de repos qui constituent les signaux électriques donnant naissance à l influx nerveux. autrement dit le potentiel d action s explique précisément par des variations rapides du potentiel membranaire de repos. le stimulus a pour effet de créer le potentiel d action.
voyons maintenant comment le potentiel d action agit.
au cours d un potentiel d action les ions positif sodium vont faire irruption à l intérieur de la cellule en quantité importante. durant cet instant les charges positives qui vont pénétrer dans la cellule sous la forme d ions sodium sont en nombre plus important que le nombre d ions potassium chargés positivement qui eux veulent sortir de la cellule pour compenser c est-à-dire équilibrer l entrée d ions sodium. on assiste donc à une modification qui va aboutir à une inversion de la polarité des membranes. autrement dit la membrane de la cellule concernée devient positive à l intérieur et négative à l extérieur. il s agit d un phénomène que l on appelle la phase de dépolarisation. il s agit d une phase qui ne peut se faire que si les stimuli sont assez forts pour déclencher l inversion de la polarité de la membrane. on appelle cela des stimuli seuil.
les stimuli d intensité supérieure aux stimuli seuil vont déclencher un potentiel d action de même amplitude. lorsque le stimuli seuil est atteint les phénomènes membranaires ne dépendons alors plus de la force du stimulus, c est la loi du tout ou rien.
on assiste ensuite à l arrivée de la période réfractaire c est-à-dire qu après la décharge d un potentiel d action la membrane devient incapable de répondre durant un court délai à un deuxième stimulus. on peut dire également qu un deuxième potentiel d action, durant la période réfractaire, n arrivent pas à provoquer une dépolarisation membranaire.
comment la membrane cellulaire parvient-elle à revenir à son potentiel de repos ?
pour cela il faut comprendre que d une part les canaux des ions sodium qui étaient ouverts au cours de la phase dépolarisation se referment et d autre part qu un ensemble de canaux d ion potassium commence à s ouvrir, on parle de périodes de repolarisation. la membrane retrouve alors sa polarité de repos c est-à-dire négative à l intérieur et positive à l extérieur.
comment le potentiel d action arrive-t-il à se propager ?
le potentiel d action avance en provoquant ce que l on appelle une dépolarisation des régions voisines. il se produit alors un nouveau potentiel d action et ainsi de suite tout le long de la membrane du neurone. il s agit d une onde de dépolarisation qui accompagne la propagation de l influx nerveux.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=25><source=http://georges.dolisi.free.fr/la%20douleur/pa_in.htm>
potentiel d action et influx nerveux
a) potentiel de repos ou potentiel de membrane
1) une expérience historique
on peut utiliser un neurone géant de calmar que l on place dans de l eau de mer ou un liquide physiologique. 2 électrodes e0 et e1 sont reliées à un oscilloscope : e0 est l électrode de référence, e1 est une microélectrode.
au départ, les 2 électrodes sont dans le même milieu (l eau de mer ou le liquide physiologique) : l oscilloscope montre le zéro électrique (c est la portion avant t1).
a l instant t1, l électrode e1 est enfoncée dans le cytoplasme de la cellule nerveuse (le neurone). le signal dévie brutalement jusqu à environ - 70 mv (millivolts) et reste constant.
a l instant t2, on retire l électrode e1 du neurone, en la laissant dans le même milieu que t0. le signal revient au zéro électrique.
un neurone présente un potentiel de repos (appelé aussi potentiel de membrane) de polarité négative et de valeur constante et égale à - 70 mv.
2) interprétation : le rôle de la membrane plasmique
dans son environnement naturel, la cellule nerveuse (comme les autres cellules) baigne dans un milieu qui contient un nombre très important d ions na+ (sodium), alors que dans son cytoplasme, ce sont les ions k+ (potassium) et des protéinates (grosses molécules chargées négativement) qui dominent.
en règle générale, la membrane s oppose au transfert d ions d un milieu à l autre, du fait de sa nature lipidique. au travers de cette membrane plasmique, des canaux ioniques spécifiques (ce sont des protéines intrinsèques) restent ouverts et permettent le passage d ions en fonction des gradients de concentration de part et d autre de la membrane. le schéma ci-dessous montre, pour une cellule quelconque, les concentrations des principaux ions en mmol/l (millimoles par litre).
comme il y a beaucoup plus de k+ dans la cellule que dans le milieu extracellulaire, le potassium sort par simple diffusion (c est un transport passif, c est-à-dire qui ne consomme pas d énergie). a l inverse, le na+ (sodium) rentre dans la cellule car il y en a beaucoup plus dans le milieu extracellulaire. pour rétablir le déséquilibre ionique nécessaire au bon fonctionnement de la cellule, des pompes appelées na+- k+- atpase assurent le transport actif inverse de ces ions. ce transport se faisant dans le sens inverse des gradients de concentration, il nécessite de l énergie. de l atp (adénosine triphosphate) est transformé en adp (adénosine diphosphate) avec libération d un pi (phosphate inorganique) et de 30,5 kj (kilojoules). cette dégradation nécessite la présence d une enzyme atpase, ce qui explique le nom donné à ces pompes. grâce aux mouvements ioniques dus à la diffusion et à ceux résultant des pompes na+- k+- atpase, le potentiel de repos de la cellule est constant et égal à - 70 mv.
b) le potentiel d action
1) observation sur l oscilloscope
quand un récepteur est excité au-delà de sa valeur seuil, il créé un potentiel d action (pa) qui correspond à une inversion brutale et transitoire du potentiel de membrane (ou de repos). ce pa se propage ensuite de façon constante et sans perte tout au long de l axone. les différentes phases du pa :
ab = temps de latence. c est la durée qui s écoule entre la stimulation (représentée au point a par un petit trait vertical - c est un artéfact) et le début de la déviation du signal. a noter que la connaissance du temps de latence et de la distance entre l électrode de stimulation et l électrode réceptrice (voir ci-dessous), permet de calculer la vitesse de propagation d un pa dans le neurone.
bc = phase de dépolarisation. il y a une brusque inversion du potentiel qui passe de sa valeur négative de repos de - 70 mv à une valeur positive d environ + 40 mv.
cd = phase de repolarisation. la valeur du pa redevient très rapidement négative, jusqu à sa valeur antérieure de repos : - 70 mv.
de = phase d hyperpolarisation : pendant un court instant, le potentiel d action devient plus négatif que le potentiel de repos, puis retrouve sa valeur initiale.
ef = potentiel de repos (ou de membrane).
2) interprétation électrique
1.
deux électrodes de stimulation (s) sont placées sur une extrémité du neurone. la première électrode réceptrice r1 est légèrement enfoncée dans le neurone, la deuxième est dans le milieu. il en résulte, sur l oscilloscope, un potentiel constant et négatif de - 70 mv (potentiel de repos).
2.
une stimulation supérieure au seuil provoque, sur le neurone, l apparition d une onde de dépolarisation. les polarités de la membrane et du cytoplasme qui étaient respectivement positive et négative s inversent. sur l oscilloscope, un artéfact apparaît qui permet de déterminer avec précision l instant de la stimulation. 3.
le potentiel enregistré est toujours de - 70 mv tant que l onde de dépolarisation n atteint pas l électrode réceptrice. c est ce qui explique le temps de latence. le schéma permet de suivre la progression de l onde.
4.
l onde de dépolarisation arrive sous l électrode réceptrice r1. la différence de potentiel provoquée par l onde se traduit sur l oscilloscope par une déviation du signal de - 70 mv à + 40 mv. 5.
très rapidement, l onde dépasse l électrode e1 : le pa redescend à sa valeur initiale de - 70 mv, la dépasse un bref instant, puis se stabilise à sa valeur de repos.
3) interprétation ionique : rôle de la membrane plasmique
dans le a) 2) ci-dessus, il était question de canaux ioniques spécifiques à na+ et k+ (il y en a d autres) qui restent toujours ouverts et permettent le passage des ions par diffusion, l équilibre étant maintenu par des pompes na+- k+ - atpase.
pour ce qui suit, ce sont toujours des canaux ioniques de la membrane plasmique qui interviennent, mais seulement au départ ou à l arrivée d une dépolarisation.
c est la raison pour laquelle on les appelle des canaux voltage dépendants (vd) : na+vd et k+vd. sur les schémas ci-dessous, les canaux vd sont représentés avec une porte qui s ouvre pour laisser passer les ions, ou se referme pour arrêter le flux ionique. en réalité ces canaux sont des protéines intrinsèques (incluses dans la membrane et qui la traversent) qui se déforment pour laisser passer les ions et reprennent leur forme initiale pour les empêcher de passer.
phase de dépolarisation : les canaux na+vd s ouvrent les premiers, puis se referment aussitôt. un nombre important d ions na+ sont ainsi entrés dans la cellule dont l intérieur devient plus positif que l extérieur. l électrode enregistre une variation d environ + 110 mv : le pa est à + 40 mv.
phase de repolarisation : 1 à 2 ms (milliseconde) après, ce sont les canaux k+vd qui s ouvrent, permettant une sortie brutale d ions k+. l intérieur de la cellule redevient négatif, jusqu à sa valeur initiale de - 70 mv.
phase d hyperpolarisation : les canaux k+vd ne se ferment pas aussi rapidement que les canaux na+vd. d autres ions k+ peuvent encore sortir de la cellule et le potentiel devient plus négatif qu au repos. c est la pompe na+- k+ - atpase qui rétablit l équilibre.
c) potentiel d action ou influx nerveux ?
1) définition du potentiel d action
un potentiel d action est une séquence stéréotypée, observable sur un oscilloscope, constituée d une dépolarisation suivie d une repolarisation et d une hyperpolarisation passagère d une membrane plasmique de cellule excitable (neurone ou cellule musculaire). le potentiel d action apparaît chaque fois qu une dépolarisation préalable (provoquée ou due à l excitation d un récepteur sensoriel) a fait atteindre au potentiel une valeur seuil. au cours d un potentiel d action, le potentiel de membrane passe de - 70 mv à + 30 à 40 mv, puis revient à sa valeur initiale après une brève hyperpolarisation. a noter que tous les neurones ne présentent pas des potentiels d action ayant cette amplitude.
2) définition de l influx nerveux
l influx nerveux est un message qui circule le long de la fibre nerveuse (axone) et qui se caractérise par une succession de potentiels d action. c est donc un train d ondes de dépolarisation qui a la particularité d être codé en fréquence.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=26><source=http://nte-serveur.univ-lyon1.fr/physiogerland/physiologie_nerveuse/pot_action.htm>
le potentiel d action
par convention, si le potentiel de membrane se déplace vers des valeurs plus négatives que le potentiel de repos, on parle d hyperpolarisation et dans le cas contraire, de dépolarisation. sous l effet d actions extérieures, le potentiel de repos du neurone peut varier entre deux extrêmes correspondant aux potentiels d équilibre ek, en hyperpolarisation et ena en dépolarisation.
cette variation surviendra si la conductance de la membrane s éloigne de sa conductance de repos, déterminée rappelons le, par les conductances de fuite potassique et sodique. la membrane du neurone porte au niveau du soma et de l axone d autres canaux, différents des canaux de fuite .
les canaux du potentiel d action:
l un est un canal spécifique des ions sodium.
l autre est un canal spécifique des ions potassium.
ces deux canaux sont fermés au repos. donc ils n agissent pas sur le potentiel de la cellule.leur ouverture dépend du potentiel intracellulaire : ils s ouvrent si la membrane est dépolarisée : on dit qu ils sont voltage-dépendants.on les trouve dans le soma pour la genèse du pa et sur l axone pour la propagation du pa
la membrane des dendrites en est généralement dépourvue. elle possède d autres types de canaux notamment dans les régions où le neurone reçoit des entrées synaptiques de la part d autres neurones. ces canaux chimiodépendants ont une ouverture déterminée par la présence de ligands spécifiques, libérés au niveau des synapses : les neurotransmetteurs. globalement, si les entrées synaptiques entraînent une hyperpolarisation, le neurone s éloigne des conditions nécessaires à l apparition d un potentiel d action. au contraire si les entrées synaptiques entraînent une dépolarisation, le potentiel va passer de la valeur de repos à une valeur dépolarisée qui va entraîner le processus d ouverture des canaux na+ voltage dépendants. cette valeur particulière du potentiel à partir de laquelle les canaux na+ s ouvrent s appelle le seuil d excitabilité.
genèse du potentiel d action.
par les canaux na+ qui s ouvrent au seuil, des ions na+, abondants à l extérieur de la cellule, entrent par diffusion dans le soma. cet apport de charges positives intracellulaires dépolarise davantage le neurone et ouvre de nouveaux canaux de même type. le processus s emballe et le potentiel, maintenant entièrement déterminé par cette brusque augmentation de la perméabilité ou conductance sodique, tend vers e na en moins d une milliseconde.
l ouverture des canaux na+ est transitoire. expérimentalement, on peut montrer qu ils se referment même si la dépolarisation qui les a initialement ouverts est maintenue. dans ces conditions, la fin de la brève augmentation de perméabilité sodique signe l impossibilité de rester de façon stable à une valeur de potentiel dépolarisée positive, proche de e na (pointe du pa). l examen attentif du potentiel d action montre que le potentiel s hyperpolarise rapidement après la dépolarisation initiale. ce retour vers le potentiel de repos ne peut pas s expliquer par la seule fermeture des canaux sodiques. la membrane contient des canaux k+ voltage dépendants qui s ouvrent moins vite et plus durablement que les canaux na+. par ces canaux k+ le potassium va sortir de la cellule par diffusion et cette perte de charges positives intracellulaires conduit le potentiel de la membrane vers ek (repolarisation). la forte sortie des ions k+ conduit temporairement le potentiel à des valeurs plus polarisées que le potentiel de repos. ce n est qu après la fermeture des canaux k+ à ces valeurs de potentiel plus basses que leur seuil d ouverture que la membrane peut retrouver plus lentement son potentiel de repos grâce aux canaux de fuite. ces canaux de fuite n ont jamais cessé de fonctionner pendant le potentiel d action mais leur fonctionnement a été supplanté par les courants importants de na+ entrant et de k+ sortant qui se sont établis dans la membrane pendant l activité, pendant le potentiel d action. récapitulons ces étapes avec une animation montrant la genèse du pa.
devenir du pa
le pa apparaît dans une partie du soma appelée zone gachette, au point de départ de l axone. il va circuler le long de l axone par un processus de propagation qui diffère sensiblement selon que l axone est pourvu ou non d une gaine de myéline. a l extrémité de l axone, il déclenche le fonctionnement synaptique par lequel ce neurone communique son information aux neurones suivants dans le réseau auquel il appartient.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=26><source=http://nte-serveur.univ-lyon1.fr/physiogerland/physiologie_nerveuse/propagation_pa.htm>
propagation du potentiel d action
le potentiel d action se propage du soma vers l extrémité de l axone. la vitesse de propagation dépend principalement de deux facteurs : le diamètre de l axone d une part, la présence ou l absence de myéline d autre part.
le diamètre de l axone : l axone peut être assimilé à un fin tube creux. son contenu, l axoplasme contient des ions en particulier des ions k+. au sein des structures biologiques, les ions sont les porteurs de courants susceptibles de s établir entre des régions qui ne sont pas au même potentiel électrique. en tant que milieu conducteur, comme un fil de cuivre, l axoplasme possède une résistance par unité de longueur qui est proportionnelle à sa résistivité, r et au rapport de la longueur de l axone l sur sa section s
r = r l/s
plus s est faible (diamètre faible) plus la résistance de l axoplasme est grande, et plus l écoulement d un courant dans le milieu axonal est difficile. or l ensemble du mécanisme de propagation repose sur la circulation de courants locaux.
nous envisagerons successivement la circulation dans un axone non myélinisé puis dans un axone pourvu d une gaine de myéline.
axone non myélinisé
c est le cas des axones d invertébrés, chez lesquels il n y a pas de synthèse pas de myéline. la membrane de l axone est donc en contact sur toute sa surface avec le milieu extracellulaire. prenons pour exemple un axone à l entrée duquel apparaît un potentiel d action. a cet endroit, l intérieur de la cellule est positif, tandis que tout le reste de l axone est au repos, c est à dire négatif. entre les zones intracellulaires positive et négative, un courant électrique local va circuler. extérieurement, la charge de la membrane est inverse de celle que nous venons de décrire : négative au point ou se trouve le potentiel d action et positive où l axone est au repos. le courant circule du + vers le - dans l axone il va en direction de l extrémité et à l extérieur, il revient vers le potentiel d action. ce courant local a un effet sur la partie de membrane située en avant du potentiel d action : on l appelle encore courant de déplacement car il déplace les charges de part et d autre de la membrane : sous son effet, le potentiel de la cellule est dépolarisé jusqu à la valeur seuil à partir de laquelle des canaux na+ voltage-dépendant s ouvrent. le na+ entre dans l axone par les canaux qui viennent de s ouvrir, la dépolarisation s accentue et signe en ce point l apparition du potentiel d action. localement, la membrane va devenir positive à l intérieur et provoquer plus loin en avant le même processus : dépolarisation jusqu au seuil, naissance du potentiel d action. voyons le mécanisme de la propagation par circuits locaux. bien évidemment, au fur et à mesure que le potentiel d action avance vers l extrémité de l axone, la membrane revient au repos dans la portion de membrane qu il vient de franchir. cela tient au fait que l ouverture des canaux sodiques qui permet l inversion de polarité, est brève et suivie par l ouverture retardée des canaux potassiques qui en laissant sortir des ions k+ repolarisent la membrane. la propagation est lente car le potentiel d action doit occuper successivement tous les points de la membrane. amorcé au niveau du corps cellulaire, ce processus de courants locaux s achève lorsque le potentiel d action atteint l extrémité de l axone.
axone myélinisé
la myéline entoure l axone sur des portions de longueur de l ordre du millimètre. régulièrement, la myéline s interrompt, laissant localement la membrane au contact du milieu extérieur, au niveau des noeuds de ranvier. les canaux sodium et potassium voltage-dépendant sont confinés aux seuls noeuds de ranvier et la portion de membrane située entre deux noeuds peut être considérée comme isolée par rapport au milieu extérieur. le mécanisme de propagation est le même que dans le cas de la fibre non myélinisée. toutefois, le courant interne partant du potentiel d action ne peut pas agir sur la membrane dans toute la zone myélinisée. le courant de déplacement va donc s établir au noeud de ranvier le plus proche, dépolariser la membrane jusqu au seuil d ouverture des canaux sodiques. brusquement, le pa va apparaître à ce noeud de ranvier et disparaître du point précédent. le potentiel d action semble sauter d un noeud de ranvier au noeud suivant, donnant à cette conduction beaucoup plus rapide que la précédente le nom de conduction saltatoire (par sauts). voyons l animation de la conduction saltatoire.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=26><source=http://nte-serveur.univ-lyon1.fr/physiogerland/physiologie_nerveuse/trans_synaptique.htm>
la transmission synaptique
les neurones communiquent entre eux grâce aux synapses. nous avons vu que le neurone comporte une zone d entrée d information, l arbre dendritique, une zone qui collecte ces entrées et qui les convertit au niveau du soma en potentiels d action, et une zone de sortie par laquelle les potentiels d action élaborés dans le soma sont conduits à l extrémité de l axone vers les synapses que ce neurone entretient avec les neurones suivants dans le réseau. les synapses désignent dans leur appellation l élément émetteur présynaptique puis l élément receveur, postsynaptique . ainsi la synapse que nous évoquons ci dessus est une synapse axo-dendritique. c est le type le plus couramment rencontré dans le système nerveux. cependant il existe des synapses axo-somatiques, axo-axoniques et dendro-dendritiques, ce dernier type étant toutefois plus rare.
fonctionnement de la synapse
il peut se résumer aux grandes étapes suivantes :
1. le potentiel d action arrive à l extrémité de l axone qui est renflée en une formation que l on appelle bouton synaptique et qui contient des vésicules en grand nombre contenant un produit chimique, le neuromédiateur. 2. la variation de potentiel (pa) ouvre des canaux ca++ voltage dépendants situés dans la membrane de l élément présynaptique, laissant entrer par diffusion des ions ca++. 3. le ca++ crée des réactions biochimiques au terme desquelles les vésicules synaptiques, qui étaient immobilisées au repos par un réseau de filaments protéiques, se libèrent et viennent fusionner avec la membrane présynaptique, libérant ainsi dans la fente synaptique le neuromédiateur qu elles contiennent. 4. le neuromédiateur diffuse dans la fente synaptique et atteint ses récepteurs spécifiques situés dans la membrane du neurone postsynaptique. 5. le neuromédiateur modifie la perméabilité de la membrane postsynaptique à certains ions et créé localement de petites variations de potentiel appelées potentiels postsynaptiques. 6. les pps se somment à condition que l élément présynaptique continue à alimenter la synapse en pa suffisamment nombreux, ce qui entretient le processus en libérant davantage de neuromédiateur. cette sommation temporelle des effets de plusieurs pa arrivant successivement par une même synapse peut être complémentée par une sommation spatiale due à plusieurs entrées simultanées sur l arbre dendritique. 7. le neuromédiateur excédentaire dans la fente synaptique peut être dégradé par une enzyme : les produits de dégradation seront métabolisés, éliminés par voie urinaire. ces produits du métabolisme ou le médiateur lui-même, non dégradé peuvent être recapturés par la fibre présynaptique et recyclé pour une utilisation ultérieure .
les synapses excitatrices
dans les synapses excitatrices, le neuromédiateur autorise l entrée d ions qui dépolarisent la membrane postsynaptique. par sommation spatiale et/ou temporelle des potentiels postsynaptiques excitateurs ainsi crées dans l arbre dendritique, le potentiel de repos du neurone atteint le seuil d ouverture des canaux na+ et un potentiel d action est généré dans le soma.
dans certains cas, comme dans la transmission synaptique excitatrice entre nerf et muscle, le récepteur du neurotransmetteur, l acétylcholine, est couplé au canal ionique. il s agit d un récepteur-canal. ce dernier est fermé au repos et en présence d acétylcholine, le canal s ouvre et laisse entrer des ions na+ et sortir des ions k+. dans de nombreux autres cas, le récepteur du neurotransmetteur n est pas directement couplé à un canal ionique. le neurotransmetteur en se liant à son récepteur déclenche une cascade de réactions biochimiques dans l élément postsynaptique conduisant à la synthèse d un second messager qui active des enzymes ouvrant ou fermant des canaux de la membrane postsynaptique. l avantage de ce mode de fonctionnement par rapport aux récepteurs canaux réside dans la possibilité de synthétiser un grand nonbre de molécules de second messagers. celles ci peuvent diffuser dans la cellule et ouvrir des canaux hors de la zone synaptique.
les synapses inhibitrices
les étapes initiales sont les mêmes que dans le cas d une synapse excitatrice mais le canal ouvert dans la membrane postsynaptique diffère par le type d ion qu il laisse transiter. schématiquement, il peut s agir d un canal laissant entrer du chlore cl- ou bien d un canal laissant sortir du potassium k+. la sommation des potentiels post-synaptiques inhibiteurs (ppsi) conduit la membrane à s hyperpolariser à des valeurs plus négatives que le potentiel de repos. on s éloigne des conditions d apparition d un potentiel d action dans l élément postsynaptique. voyons le fonctionnement d une synapse inhibitrice mettant en jeu un récepteur canal au chlore ouvert par un neuromédiateur appelé gaba.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=27><source=http://fr.brainexplorer.org/neurological_control/neurological_action_potential.shtml>
contrôle neurologique potentiel d action
les neurones neurones se servent d un mécanisme de signalisation complexe reposant sur leur perméabilité sélective à certains ions et à la circulation de ceux-ci par les canaux et les pompes de la membrane cellulaire. les neurones au repos ont un potentiel de membrane négatif, causé par l évacuation constante d ions potassium et l imperméabilité aux ions sodium, et le potentiel d action potentiel d action représente les changements transitoires du potentiel de repos de la membrane.
dans la plupart des types d axones, la dépolarisation active le potentiel d action et cause un changement transitoire dans la membrane qui bascule brièvement la perméabilité pour permettre le passage des ions sodium au lieu des ions potassium. l ouverture de canaux sensibles aux variations de tension dans la membrane, permet aux ions sodium de baisser le gradient de concentration pour pénetrer dans la cellule. ceci produit une phase d augmentation du potentiel d action, et signifie que le potentiel de la membrane devient positif pendant un court moment. la phase de baisse du potentiel d action est causée par la fermeture consécutive des canaux du sodium, ce qui réduit l afflux de sodium, et par l ouverture des canaux de potassium contrôlés par la tension qui permet la sortie accrue d ions potassium de la cellule, restaurant le potentiel de repos négatif de la membrane. dans la plupart des cellules nerveuses, le potentiel d action est suivi d une hyperpolarisation transitoire. pendant ce temps, l évacuation d ions potassium de la cellule est plus importante qu au repos et, en conséquence, la membrane est hyperpolarisée par rapport à sa valeur de repos normale.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=28><source=http://www.musclepedia.org/articles/view.php?id=32>
genèse du potentiel d action de fibre musculaire
la genèse du potentiel d action de fibre musculaire qui est à l origine de la contraction s effectue au niveau de la plaque motrice via une stimulation nerveuse. du côté de la ramification axonique lorsque l influx nerveux (le potentiel d action du nerf) arrive au niveau de la terminaison axonale, la membrane nerveuse se dépolarise. cette dépolarisation induit l ouverture de canaux calciques voltages-dépendants -c est à dire sensible à la différence de potentiel entre la membrane plasmique du motoneurone et l espace synaptique.
le flux de calcium à l intérieur de la terminaison axonale déclenche une fusion des vésicules d acétylcholine avec la membrane ce qui induit une libération de ce médiateur dans l espace synaptique.
dans l espace synaptique l acétylcholine diffuse alors dans cet espace et va se lier à des récepteurs spécifiques situés au niveau de la membrane post-synaptique . ces récepteurs sont des récepteurs-canaux. ainsi la liaison des molécules d acétylcholine avec les récepteur induit le changement de la conformation des récepteurs qui conduit à l ouverture des canaux.
du côté de la fibre musculaire un flux d ions sodium dans la fibre musculaire produit une dépolarisation de la membrane, on parle de potentiel de plaque motrice.
lorsque ce potentiel atteint une valeur seuil, ce potentiel induit l ouverture de canaux sodium voltage-dépendants au niveau du sarcoplasme générant ainsi un potentiel d action musculaire qui se propage de proche en proche le long du sarcolemme à une vitesse généralement comprise entre 3 et 6 m.s-1. le potentiel d action dépolarise alors les tubules transverses en regard des jonctions a-i des sarcomères. ce phénomène de dépolarisation déclenche les phénomènes chimiques et mécaniques de la contraction de la fibre musculaire.
le potentiel d action engendré se propage à la surface de la fibre musculaire dans les deux directions vers les extrémités de la fibre musculaire, la jonction neuromusculaire étant située au centre de la fibre musculaire.
la fin de l action de l ach la présence dans l espace synaptique d un enzyme, la cholinestérase, rend fugace (moins de 5 ms) l action de l acétylcholine en l hydrolysant et neutralisant son action. la membrane redevient sélective aux différents éléments, la pompe à sodium-potassium entre en jeu pour répartir de part et d autre de la membrane les ions na+ et k+ déplacés et rétablir ainsi l équilibre antérieur à l excitation. la fibre musculaire, après avoir retrouvé la différence de potentiel qui la caractérise au repos, est alors susceptible de répondre à une nouvelle émission de transmetteur.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=29><source=http://www.didier-pol.net/3syn&nt.html>
quelques donnees tirees de la litterature scientifique sur le muscle dorsal du ver de terre
1) le potentiel de membrane (ref. 1)
le potentiel de repos est d environ -35 mv. il y a une activité spontanée dont la dépolarisation atteint +18 mv suivie d une hyperpolarisation de -60 mv.
la tétrodotoxine bloque l activité nerveuse à une concentration de 0.1 µg/ml mais n empêche pas les décharges spontanées ou les potentiels déclenchés par stimulation intracellulaire de la fibre musculaire.
le potentiel seuil est variable.
la repolarisation dépend du niveau du potentiel de membrane.
quand l activité nerveuse est exclue, la propagation de l excitation est décrémentielle.
2) effets des ions sur la membrane (ref. 2 et 3)
le potentiel de repos est dû principalement aux gradients de concentration en sodium et potassium de part et d autre de la membrane et à sa perméabilité pour ces ions.
le flux des ions chlorure pourrait être couplé avec d autres ions comme les anions bivalents ou être assuré par un transport actif.
les changements de la concentration en calcium modifient la perméabilité au sodium et changent le niveau du potentiel de repos.
au cours du potentiel d action, la membrane devient sélectivement perméable aux ions calcium qui constituent les porteurs de charge responsables du courant entrant positif. la tétrodotoxine, en présence ou en absence de sodium, n influence pas la production des potentiels d action.
l amplitude des potentiels d action est grossièrement proportionnelle au logarithme de la concentration en calcium.
le baryum et le strontium peuvent remplacer le calcium dans la génération des potentiels d action.
les ions manganèse bloquent la production des potentiels d action par compétition avec le calcium qu il y ait ou non du sodium dans le milieu.
3) propriétés mécaniques (ref. 4)
la contraction du muscle dorsal présente deux composantes : une composante phasique et une composante tonique.
l amplitude de la tension phasique est augmentée par une diminution de la concentration en sodium mais l amplitude des potentiels d action n est pas modifiée.
l excès de potassium dépolarise la membrane et diminue l amplitude des potentiels d action mais il augmente l amplitude de la tension phasique jusqu à 20 mm.
l excès de calcium augmente l amplitude de la tension phasique et son déficit la réduit.
l amplitude de la tension phasique est légèrement augmentée lorsque le chlorure est remplacé par du nitrate.
l excès de calcium est sans effet sur la tension tonique, l excès de potassium fait disparaître la tension tonique et la diminution du sodium augmente l amplitude et prolonge la durée de la contraction tonique.
cette contraction ne suit pas une décharge de potentiels d action et dure environ une minute dans les conditions normales.
la caféine et l acétylcholine prolongent la durée de relaxation de plusieurs minutes.
au contraire, la sérotonine bloque complètement la composante tonique sans avoir d effet sur la composante phasique.
la caféine (12 mm) induit la contraction sans déclencher de potentiel d action, peut être en libérant le calcium sarcoplasmique de ses sites de liaison.
4) nerfs excitateurs et inhibiteurs. effets des catécholamines sur la jonction neuromusculaire (ref. 5)
la membrane musculaire est innervée par des nerfs excitateurs et inhibiteurs.
les nerfs excitateurs sont cholinergiques, les nerfs inhibiteurs sont gabaergiques.
l acétylcholine augmente principalement la perméabilité au calcium, mais elle augmente aussi la perméabilité au potassium et au sodium.
le gaba augmente sélectivement la perméabilité au chlorure.
les récepteurs de l acétylcholine sont bloqués par la d-tubocurarine et ceux au gaba par la picrotoxine.
les catécholamines agissent sur la membrane post-synaptique par l intermédiaire de récepteurs b à des concentrations de 10 ng à 10 µg.ml-1.
les catécholamines agissent sur la membrane pré-synaptique par l intermédiaire de récepteurs a .
la réponse des récepteurs a aux catécholamines augmente la libération des neurotransmetteurs des terminaisons présynaptiques alors que la réponse des b récepteurs augmente le potentiel de membrane et la résistance d entrée de la membrane postsynaptique. les deux types de récepteurs facilitent les mécanismes de transmission de la jonction.
5) effets de diverses substances (ref. 6)
substance effet concentration (par ml) acétylcholine contraction 1 ng à 10 µg esérine potentialise ach 100 µg atropine inhibe ach 100 µg nicotinamide contraction et inh ach 10 µg tétraéthylammonium contraction 10 µg succinylcholine contraction et inh ach 1 µg adrénaline (a ) contraction 1 µg phentolamine (a ) contr. inh adrénaline 10 µg isoprénaline (b ) relaxation 10 µg dopamine (b ) relaxation 10 µg sérotonine contraction 10 µg histamine contraction 10 µg xylocaïne contraction 100 µg
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=30><source=http://www.edk.fr/reserve/print/e-docs/00/00/0b/a4/document_article.md>
conduction nerveuse d excitation sans potentiel d action nervous conduction of excitation independent of action potentials
le fonctionnement des réseaux de neurones repose sur la succession de deux étapes bien différentes de nature respectivement électrique et chimique. un potentiel d action parcourt d abord toute la longueur de l axone d un neurone et provoque à son extrémité la libération de neuromédiateurs. ceux-ci vont ensuite activer des récepteurs situés sur un autre neurone et modifier son excitabilité, ce qui peut conduire à la genèse d un autre potentiel d action. la conduction de l excitation nerveuse a, jusqu à présent, été exclusivement attribuée à des déplacements, de part et d autre de la membrane, d ions, c est-à-dire de molécules chargées électriquement. cette notion constitue un dogme fondamental des neurosciences qui n a encore jamais été remis en cause. un modèle de conduction nerveuse d excitation sans potentiel d action
en utilisant un modèle de physiologie intégrée, nous avons d abord démontré chez le mammifère qu un réseau de neurones peut parfaitement fonctionner en l absence de potentiel d action [1] et organiser un réflexe régulateur de la motricité digestive : le réflexe gastro-duodénal inhibiteur (gdi). celui-ci se présente sous la forme d une inhibition de la motricité duodénale en réponse à une activation des mécanorécepteurs gastriques. notre étude a été effectuée sur une préparation in vitro composée d un centre nerveux périphérique, le plexus cœliaque [2], connecté à l estomac et au duodénum (figure 1). nous avons ensuite établi que le neuromédiateur libéré dans le plexus cœliaque lors de ce fonctionnement neuronal non conventionnel est un gaz, le monoxyde d azote (no) [3]. à ce stade de nos recherches le mécanisme de cette conduction nerveuse d excitation sans potentiel d action demeurait encore inconnu. le seul indice que nous avions était la vitesse de propagation de cette conduction nerveuse qui est d environ 1 cm/min. cette valeur est très inférieure à celle des potentiels d action les plus lents (0,1 m/s), mais bien supérieure aux flux moléculaires axonaux les plus rapides (40 cm/jour). nous avons alors envisagé le rôle de structures membranaires et de seconds messagers dans ce mécanisme atypique. cette étude a nécessité des approches neuropharmacologiques et biochimiques et a pu être réalisée grâce à une collaboration entre 3 équipes de recherche et un plateau technique (université paul cézanne, université paul sabatier, cnrs, inserm et inra).
figure 1. préparation in vitro utilisée pour l étude du mécanisme de conduction nerveuse d excitation sans potentiel d action. le bac à organe comporte 3 compartiments adjacents recevant le plexus cœliaque, les rameaux nerveux et les viscères (estomac et duodénum). chaque compartiment est perfusé indépendamment avec une solution physiologique ou des agents pharmacologiques. la conduction nerveuse de l excitation est induite par l activation de mécanorécepteurs gastriques.
le rôle du céramide
dans un premier temps, nous avons analysé la composition lipidique des fibres nerveuses connectant le plexus cœliaque aux viscères. pendant le réflexe gdi, seule se produit une augmentation significative d un sphingolipide, le céramide. la perfusion des rameaux nerveux par un analogue perméant du céramide produit, en l absence de distension gastrique, une inhibition de la motricité duodénale qui mime celle obtenue durant le réflexe, et une augmentation du taux de céramide endogène. ce résultat a également été obtenu en présence d une molécule bloquant les potentiels d action, la tétrodotoxine. le réflexe gdi et l augmentation du taux de céramide endogène sont bloqués lorsque les rameaux nerveux sont perfusés par des inhibiteurs non spécifiques (chlorpromazine, gentamicine) ou spécifiques (gw 4869) de la sphingomyélinase neutre, l enzyme qui hydrolyse la sphingomyéline pour produire du céramide. en revanche, la perfusion des rameaux nerveux par une sphingomyélinase bactérienne provoque une inhibition de la motricité duodénale et une augmentation du taux de céramide endogène. l ensemble de ces résultats nous a permis de conclure que la conduction de l excitation sans potentiel d action nécessite une production récurrente de céramide le long des fibres nerveuses. les sphingolipides sont connus pour être préférentiellement localisés au niveau de régions spécialisées de la membrane, les microdomaines lipidiques ou radeaux. radeaux lipidiques et conduction nerveuse
nous avons donc émis l hypothèse selon laquelle ces radeaux pourraient intervenir dans ce mécanisme de conduction. cependant ces radeaux n avaient encore jamais été mis en évidence dans les éléments périphériques du système nerveux végétatif. nous avons montré l existence d une fraction à faible densité et riche en cholestérol obtenue à partir d extraits membranaires de rameaux nerveux. dans cette fraction nous avons détecté par immunohistochimie et analyse protéomique la présence de molécules reconnues comme marqueurs des radeaux : l annexine ii, le ganglioside gm1 et la tubuline. toutes ces données nous ont permis d établir l existence de radeaux dans les fibres nerveuses étudiées. nous avons alors montré que le réflexe gdi et l augmentation du taux de céramide endogène sont abolis lorsque la structures des radeaux dans les fibres est désorganisée par l extraction du cholestérol membranaire avec la méthyl-b-cyclodextrine. cela permet de conclure que l intégrité des radeaux lipidiques est nécessaire au mécanisme de conduction nerveuse sans potentiel d action. le céramide est une molécule hydrophobe qui reste localisée au niveau de la membrane plasmique. il est connu pour jouer, entre autres, un rôle de second messager [4-7]. nous avons alors recherché certaines des cibles cytoplasmiques qu il pouvait activer. nous avons en particulier identifié le calcium libéré à partir de stocks intracellulaires, le no et la guanosine monophosphate cyclique (gmpc). cette séquence de seconds messagers est activée en cascade le long des fibres nerveuses et provoque une production récurrente de céramide de radeau en radeau (figure 2). ce mécanisme permet la propagation le long des fibres nerveuses de cette excitation indépendante de potentiel d action.
figure 2. mécanisme de conduction nerveuse de l excitation sans potentiel d action. l excitation propagée le long des fibres nerveuses fait intervenir les radeaux lipidiques et l activation en cascade de la séquence de seconds messagers suivante : l-arg : l-arginine, no : monoxyde d azote, nos : no synthase, gc : guanylyl cyclase, gtp : guanosine triphosphate, gmpc : guanosine monophosphate cyclique.
cette étude récemment publiée dans la revue plos one [8] a permis de montrer qu en plus du fonctionnement classique faisant intervenir des potentiels d action, les neurones peuvent conduire une excitation produite par une cascade de seconds messagers. le premier type de mécanisme est adapté à un fonctionnement rapide du neurone alors que le second doit être mis en jeu dans des phénomènes plus lents. l existence de ce nouveau mécanisme ouvre des perspectives de recherche dans le fonctionnement neuronal d un point de vue fondamental et clinique.
<langue=br><sujet=potentiel-de-repos><num=31><source=http://fotolog.terra.com.br/neuroscience:27> psicobiologia do medo e da ansiedade
o potencial de repouso: neurônios em silêncio o potencial de repouso de um neurônio caracteriza-se pela diferença de um potencial elétrico entre o meio interno e externo do neurônio. como vimos anteriormente, este potencial elétrico ocorre graças às forças de difusão e eletrostática que atuam na membrana semipermeável da membrana do neurônio.
para estudar este potencial de repouso, pode-se utilizar uma preparação que utiliza o axônio gigante da lula. nestes axônios, é possível medir esta diferença de potencial através de um voltímetro, aparelho especializado na medição de cargas elétricas através da introdução de um microeletrodo dentro da célula, enquanto outro permanece fora da membrana.
na figura de hoje, podemos observar que de fato um neurônio encontra-se carregado eletricamente, tal qual uma bateria ou uma pilha que compramos em um supermercado. como veremos adiante, o impulso elétrico ocorre quando há uma despolarização, ou seja, uma inversão das cargas elétricas do axônio. tal processo é chamado de potencial de ação.
<langue=br><sujet=potentiel-de-repos><num=32><source=http://www.ced.ufsc.br/men5185/trabalhos/05_eletrofisiologia/potencial_repouso.htm> potencial de repouso entre o líquido no interior de uma célula e o fluido no exterior há uma diferença de potencial elétrico denominada potencial de membrana. na maioria das células, o potencial da membrana permanece inalterado, desde que não haja influências externas. quando a célula se encontra nessa condição, dá-se o nome de potencial de repouso.
em células nervosas ou musculares o potencial de repouso é sempre negativo. nos animais de sangue quente, os potenciais de repouso se situam entre -55mv e -100mv.
pode-se imaginar a membrana celular como um capacitor no qual duas soluções condutoras estão separadas por uma delgada camada isolante - a membrana.
<langue=br><sujet=potentiel-de-repos><num=33><source=http://www.conhecer.org.br/enciclop/2006/bioeletrogenese.pdf>
bioeletrogênese e potencial de repouso: a importância vital dos fenômenos elétricos nas células
abstract most of the animal cells have a difference of potential related to their membrane, being the interior of the cell in rest negatively carried and the outside positively carried. this difference of potential is called rest potential. the donnan balance allows a better understanding of this difference of potential that is present on the resting cells, even if the biological systems do not follow it perfectly. to calculate the difference of electrical potential (what is the same but in opposite directions) it is used the nernst equation. the understanding of the rest potential of the cells is indispensable to learn how our body works, since the biological process, especially those related to the nervous system, come from variations of this potential. keywords: cells; rest potential; donnan balance. resumo a maioria das células animais possui uma diferença de potencial associada a sua membrana, sendo o interior da célula em repouso carregado negativamente e o exterior positivamente. essa diferença de potencial é denominada potencial de repouso. o equilíbrio de donnan permite um melhor entendimento dessa diferença de potencial existente em células em repouso, mesmo que os meios enciclopédia biosfera, n.02, 2006 issn 1809-0583 biológicos não o sigam perfeitamente. para calcular a diferença de potencial elétrico (que é igual e contrária à força da concentração) é utilizada a equação de nernst. o entendimento do potencial de repouso das células é fundamental para a compreensão do funcionamento de todo o nosso organismo, já que os processos biológicos, principalmente aqueles regidos pelo sistema nervoso, advém da modificação desse potencial. palavras-chaves: células; potencial de repouso; equilíbrio de donnan. introdução as células estão separadas do ambiente por uma estrutura fundamental, a membrana plasmática. a membrana faz mais do que separar o conteúdo celular do meio circundante; ela é atravessada por canais e bombas altamente seletivos, formados por moléculas protéicas, que permitem a entrada e saída de substâncias específicas na célula. esse fluxo iônico através das membranas é a base da comunicação intercelular, de extrema importância nos processos fisiológicos. a maioria das células animais apresenta diferença de potencial elétrico (voltagem), através de suas membranas plasmáticas. o citoplasma costuma ser eletricamente negativo em relação ao líquido extracelular. a diferença de potencial elétrico, através da membrana plasmática de células em repouso, é denominada potencial de repouso da membrana. o potencial de repouso da membrana desempenha papel central na excitabilidade das células nervosas e musculares, bem como em algumas outras respostas celulares, já que a modificação desse potencial (os chamados potenciais de ação) resulta em diversas alterações nas células vivas. para que haja troca de moléculas e íons entre a célula e seu meio ambiente, a membrana plasmática possui proteínas transportadoras. um desses recursos é a bomba de sódio e potássio. a bomba é conhecida como a na+ – k+ atpase. assim, ela mantém a concentração de na+ no citosol cerca de 10-30 vezes menor do que no líquido extracelular e a concentração de k+ cerca de 10-30 vezes maior. essa bomba transportadora de íons é fundamental para a sobrevivência dos seres vivos, sendo que seu não funcionamento pode levar à morte. objetivo apresentar o tema bioeletrogênese e potencial de repouso de forma dinâmica e ilustrativa, ressaltando a importância desses mecanismos para o correto funcionamento dos organismos vivos. desenvolvimento a diferença de potencial elétrico, através da membrana plasmática da célula em repouso, é denominada potencial de repouso da membrana. para que se compreenda o potencial de repouso de uma membrana é necessário entender o equilíbrio de donnan, apesar dos modelos biológicos não o seguirem completamente. as células têm uma composição interna muito diferente daquela do meio extracelular (tabela 1). uma das diferenças mais importantes é que no citoplasma há moléculas protéicas de grande peso molecular dotadas de carga negativa. essas moléculas são impermeantes através da membrana e afetam a distribuição de íons e de cargas através dela (fig.1). fig.1- panorama da composição elétrica dos meios intra e extracelular (http://www.unb.br/ib/cfs/aulascg/potrepouso.ppt). assim, a presença de cargas negativas, presas no citoplasma, cria uma assimetria de concentrações de íons e uma diferença de potencial através da membrana (fig.2). dessa forma haverá uma redistribuição iônica, que recebe o nome de fenômeno de donnan, gerando o equilíbrio de donnan. fig.2 – desenvolvimento do equilíbrio eletroquímico em sistema onde a membrana só é permeável ao íon positivo (na+). o equilíbrio de donnan segue as seguintes condições: a)- distribuição assimétrica de íons; b)- diferença de potencial transmembrana; c)- polaridade da membrana é igual à carga da macromolécula impermeante; d)- permeabilidade a todos os íons difusíveis é a mesma. os itens c) e d) não se aplicam a processos biológicos, pois a permeabilidade das membranas celulares varia de acordo com a substância (pcl- inferior à pk+ muito inférior à pna+) e há ainda diferenças entre o gradiente osmótico e o elétrico nas células. a força resultante que impulsiona um soluto carregado através da membrana, chamada gradiente eletroquímico, é uma composição de duas forças: o gradiente de concentração e a voltagem através da membrana. o gradiente de concentração estabelece o fluxo do meio mais para o menos concentrado. além disso, a maioria das membranas celulares possui uma diferença de potencial elétrico em cada lado, a qual dá-se o nome de potencial de membrana, que exerce uma força em qualquer molécula portadora de carga elétrica. o lado citoplasmático da membrana apresenta um potencial negativo e tende a puxar os solutos positivamente carregados para o interior da célula e impelir os negativos para fora, evidenciando o gradiente de voltagem. para alguns íons, como o na+, os gradientes de concentração e voltagem atuam na mesma direção criando um gradiente eletroquímico relativamente alto. o na+ é o íon positivamente carregado mais abundante fora da célula, logo, tende a entrar nas células se tiver oportunidade. já no íon k+ os gradientes de concentração e de voltagem possuem efeitos opostos e o gradiente eletroquímico é pequeno. o k+ é um íon positivamente carregado que está presente em muito maior concentração dentro das células do que fora (fig.3). então, por causa do efeito oposto, esse íon possui pouco movimento resultante através da membrana.
fig.3 – esquema de uma célula mostrando os gradientes osmótico e elétrico para na+, cl- e k+ a célula tem que dispor de sistemas que mantenham em equilíbrio essas quantidades, tendo, como princípio elementar de funcionamento, as relações das concentrações de íons e proteínas entre os meios extra e intracelular. as concentrações são mantidas graças às trocas iônicas e protéicas estabelecidas entre os meios internos e externos à célula, de tal modo que se mantenham as concentrações ideais de cada íon e proteína em cada meio. essas diferenças entre gradiente osmótico e elétrico fazem com que, nas células, na+ e k+ não estejam em equilíbrio eletroquímico, existindo então as bombas de sódio e potássio. a bomba de na+ e k+ é uma das estruturas pertencentes ao sistema de regulagem hidroeletrolítica da célula, sendo responsável, como o próprio nome diz, pela manutenção das concentrações iônicas do sódio e do potássio. a bomba localiza-se na membrana plasmática e depende de atp para o transporte desses íons, principalmente do potássio, cujo trajeto vai contra um gradiente osmótico (o potássio é transferido do meio extracelular, onde é encontrado em pouca quantidade, para o interior da célula, que possui cerca de 30x mais potássio que o meio externo). qualquer alteração nesses dois sistemas - atp e membrana - pode comprometer o funcionamento dessa bomba, ocasionando graves complicações para o funcionamento vital do organismo. os íons (sódio e potássio) não são transportados com a mesma velocidade: a bomba de sódio e potássio transporta mais rapidamente íons sódio (de dentro para fora) do que íons potássio (de fora para dentro). para cada três íons sódio transportados (para fora), dois íons potássio são transportados em sentido inverso (para dentro) (fig.4). fig.4 – bomba de na+ e k+ (schauf, 1993). a atuação da bomba de na+ e k+, juntamente com o potencial de repouso das células, são fundamentais para o funcionamento das células nervosas e musculares, dentre outras (fig.5 e gráfico 1). é a partir do fluxo iônico que os neurônios se comunicam, regulando todos os processos biológicos que ocorrem em nossos organismos. além disso, a contração muscular também é dependente do correto funcionamento desses mecanismos. fig.5 – potencial de repouso de um axônio. gráfico 1 – variação do potencial de membrana (mv) com o tempo (msec).
a equação de nernst é utilizada para o cálculo da diferença de potencial elétrico necessária para a produção de força elétrica que é igual e contrária à força da concentração. ea – eb = rt . ln cb equação de nernst zf ca conclusão o potencial de repouso tem grande importância para a vida dos animais, dentre eles o homem. a diferença de potencial existente na membrana celular desempenha papel central na excitabilidade das células nervosas e musculares, controlando a sinalização que o sistema nervoso exerce sobre os outros sistemas e a contração muscular. além disso, outras respostas celulares, essenciais à sobrevivência, são extremamente dependentes dessa diferença de potencial. é importante considerar a existência da bomba de na+ e k+, responsável por manter as concentrações desses íons ideais para o funcionamento celular. por fim, deve-se ressaltar que o completo conhecimento da bioeletrogênese e do funcionamento das trocas iônicas, que geram o potencial de repouso, é a base para a compreensão de problemas nesses processos, que resultam em disfunções prejudiciais aos organismos vivos, como a epilepsia.
<langue=br><sujet=potentiel-de-repos><num=34><source=http://medmap.uff.br/index.php?option=com_content&task=view&id=718&itemid=190> membrana neuronal - o potencial de repouso conceitos básicos um neurônio é capaz de conduzir uma informação através de um sinal elétrico arquitetura de um reflexo simples: o rompimento da pele é traduzido em sinais que percorrem as fibras nervosas sensoriais em direção à medula espinhal na medula a informação é distribuída aos interneurônios alguns destes interneurônios possuem prolongamentos até o encéfalo onde a sensação de dor é percebida e registrada outros fazem sinapses com neurônios motores que enviam sinais aos músculos o comando motor leva à contração muscular a analogia entre neurônios e cabos elétricos os cabos elétricos são excelentes condutores de elétrons como eles são estruturas isoladas os elétrons podem se mover sem sofrer dissipação a carga elétrica no citosol dos axônios é transportada não por elétrons mas por átomos eletricamente carregados (íons) a membrana do axônio tem propriedades que lhe permitem conduzir um sinal elétrico especial, o impulso nervoso ou potencial de ação ao contrário dos sinais elétricos conduzidos passivamente, os potenciais de ação não diminuem com a distância os potenciais de ação são de tamanho e duração fixos a informação no sistema nervoso está codificada na: frequência dos potenciais de ação de neurônios individuais na distribuição e no número de neurônios disparando potenciais de ação em um dado nervo células capazes de gerar e conduzir potenciais de ação são aquelas que possuem uma membrana excitável quando uma célula com membrana excitável não está gerando um impulso ela é dita em repouso no neurônio em repouso: o citosol na região da superfície interna da membrana possui carga negativa, quando comparada com a carga da superfície externa da membrana esta diferença na carga elétrica da membrana é dita potencial de repouso de membrana no potencial de ação há uma breve inversão desta condição que dura algo em torno de um milésimo de segundo neste curto intervalo de tempo a superfície interna da membrana torna-se positiva em relação à superfície externa para compreender a sinalização neuronal é preciso antes compreender: como a membrana neuronal em repouso separa as cargas elétricas como as cargas elétricas podem ser rapidamente redistribuídas pela membrana neuronal, durante um potencial de ação como o impulso elétrico pode ser confiavelmente propagado ao longo do axônio distribuição dos íons através da membrana o potencial de membrana no neurônio é dependente das concentrações iônicas no dois lados da membrana o íon k está mais concentrado no meio intracelular do que no extracelular os íons na e ca estão mais concentrados no meio extracelular do que no meio intracelular gradientes de concentração iônica são estabelecidos pela ação de bombas iônicas na membrana neuronal as bombas iônicas mais relevantes em neurofisiologia são as bombas de sódio e potássio e a bomba de cálcio as bombas iônicas a bomba de sódio e potássio é uma enzima que hidrolisa atp em presença de sódio intracelular esta bomba troca sódio intracelular com o potássio extracelular a ação desta bomba faz com que o potássio esteja concentrado dentro do neurônio e o sódio esteja concentrado no meio extracelular esta bomba age contra os respectivos gradientes de concentração dos íons sódio e potássio cerca de 70 por cento do atp consumido no encéfalo é destinado à manutenção da bomba de sódio potássio a bomba de cálcio transporta ativamente o cálcio para fora do citosol os canais iônicos são formados por proteínas que atravessam a membrana neuronal a principal propriedade de um canal iônico é a sua seletividade canais de potássio são aqueles seletivamente permeáveis ao potássio canais da sódio são quase que exclusivamente seletivos ao sódio outra propriedade importante dos canais iônicos é a existência dos portões canais com portões podem ser abertos e fechados por alterações no microambiente local da membrana os canais de potássio a permeabilidade seletiva dos canais de potássio é determinante para o potencial de membrana de repouso e para o funcionamento neuronal a membrana neuronal em repouso é largamente permeável ao potássio o potencial de membrana é particularmente sensível a alterações na concentração extracelular de potássio um aumento na concentração extracelular de potássio despolariza os neurônios a sensibilidade do potencial de membrana ao potássio: fez com que fossem desenvolvidos mecanismos que regulassem firmemente as concentrações extracelulares de potássio no encéfalo um destes mecanismos é a barreira hematoencefálica, que limita o movimento do potássio ao fluido extracelular do encéfalo a glia e os astrócitos possuem mecanismos eficientes para captar potássio extracelular, sempre que as concentrações deste íon sobem
<langue=br><sujet=potentiel-de-repos><num=35><source=http://www.bibliomed.com.br/bibliomed/books/livro2/cap/cap01.htm> capítulo 01 - eletrogênese do miocárdio
introdução
iniciaremos o estudo da eletrocardiografiaanalisando a eletrogênese de uma única célula cardíaca. em seguida, de um grupo decélulas e, posteriormente, do coração como um todo. simultaneamente, explicaremos amaneira de captar a atividade elétrica dessas estruturas. o eletrocardiograma é oregistro gráfico da atividade elétrica do coração, a qual pode ser captada poreletrodos aplicados sobre a superfície corporal.
potencial de repouso da célula miocárdica comum isolada
a célula miocárdica, à semelhança de todas asoutras celulares do organismo, tem, em repouso, o meio intracelular negativo em relaçãoao extracelular, que é positivo (fig. 1 -1).
essa distribuição de cargas (positivas no exterior enegativas no interior) é uniforme, e por isso a célula cardíaca normal em repouso échamada de célula uniformemente polarizada . essa uniformidade é testadautilizando-se os dois pólos do galvanômetro - um aparelho capaz de medir diferenças depotenciais. quando os dois pólos estão situados dentro ou fora da célula, à mesmadistância da membrana, o galvanômetro não acusa diferença de potencial e, então, asua agulha coincide com o ponto zero.
ao registrarmos essa experiência, o gráfico permanece nalinha de base (fig. 1-2).
no entanto, ao colocarmos um dos pólos do galvanômetrono interior e o outro no exterior da célula cardíaca (fig. 1-3), o aparelho registrará umadiferença de potencial, chamada de potencial de repouso, potencial diastólico ou, ainda,potencial transmembrana de repouso, da ordem de -80 a -90 milivolts (mv) (fig. 1-3), sendo o sinal negativo o resultadoda convenção adotada para identificar correntes elétricas em termos de potencialintracelular menos potencial extracelular.
teoria iônica do potencial de repouso
o potencial de repouso é conseqüência dadistribuição iônica entre a célula e o meio que a circunda, e da permeabilidaderelativa da membrana aos principais íons do sistema (na+, k+, ca++ e cl-).
para que exista o potencial de repouso, dois fenômenossão básicos:
transporte passivo de íons
a concentração intracelular de k+ está em torno de116 meq/l e a extracelular, em torno de 4,5 meq/l. já as concentrações aproximadas dena+ intra e extracelular são de 20 meq/1 e 142 meq/l, respectivamente.
desprezando-se a influência do cl- e de outrosíons por sua pequena importância no potencial de repouso do miocárdio comum, sabe-seque o potencial de repouso deve-se à relação entre as permeabilidades da membrana ao na+(pna) e ao k+ (pk) . no repouso elétrico a pké aproximadamente 10 vezes maior que a pna, predominando a tendência àsaída de k+, já que sua concentração intracelular é muito maior. emconseqüência disso, há uma positividade no meio externo e uma negatividade no meiointerno.
o aparecimento desse potencial dificulta a própria saídade k+, favorece a entrada de na+ e equaliza o fluxo dos dois íonsatravés da membrana. esse fluxo cessa em conseqüência do acúmulo de mais cargaspositivas no lado externo, e assim se estabiliza o potencial transmembrana.
transporte ativo de íons
em caso de igualdade entre os fluxos passivos desaída de k+ e entrada de na+, característica do potencial derepouso, a manutenção das concentrações iônicas intracelulares é garantida pelotransporte ativo que, através das bombas de na+ e k+, reconduz o k+para dentro e o na+ para fora da célula (fig. 1-4). (a composição do meio extracelularé garantida por uma série de mecanismos homeostáticos gerais do organismo.)
<langue=br><sujet=potentiel-de-repos><num=36><source=http://www.uff.br/webquest/pdf/ionico.htm> o potencial de repouso da membrana é uma carga elétrica de aproximadamente -75 milivolts (mv) que existe entre o lado interno e o lado externo da membrana. esta pequena carga é a base de todos os fenômenos da bioeletricidade, isto é, a geração e uso de energia elétrica por células excitáveis, tais como o neurônio, para executar suas funções de armazenamento e transmissão de informação. pode ser dito que o potencial de repouso é o potencial de membrana antes que ocorra a excitação da célula nervosa, ou o potencial gerado pela bomba de na e k que joga 3 na + para fora e 2 k + para dentro contra os seus gradientes de concentração, pela permeabilidade seletiva da membrana ao k + e não ao na + e pelos ânions com carga negativa retidos no interior da célula pela membrana celular.
<langue=br><sujet=potentiel-de-repos><num=37><source=http://www.virtual.epm.br/material/tis/curr-bio/trab2003/g5/fibra4.html> potencial de repouso
as células cardíacas na ausência de estimulação, apresentam um potencial transmembrana estável - denominado potencial de repouso - de cerca de 80 a 90 mv e negativo no interior da célula.
nessa condição, o canal majoritariamente aberto é o canal de potássio, conhecido como ik1, ou canal retificador tardio, cuja corrente na condição fisiológica de repouso corresponde ao efluxo de potássio da célula. por isso, o potencial de repouso será prioritariamente determinado pelo gradiente eletroquímico do potássio. o potencial de repouso da célula seria exatamente igual ao potencial de equilíbrio do potássio se a membrana fosse permeável somente ao íon potássio.
o potencial de repouso de uma célula cardíaca, no entanto, é ligeiramente despolarizado em relação que o potencial de equilíbrio do potássio. isso indica que, em repouso, além do ik1,outros canais, como o de sódio e o de cloreto, devem também estar abertos, embora em menor proporção. como o potencial eletroquímico de um íon é determinado pelas suas concentrações dentro e fora da célula, é fundamental que elas sejam mantidas inalteradas, apesar do contínuo fluxo iônico segundo seu gradiente eletroquímico e de eventuais alterações na permeabilidade da membrana plasmática para os vários íons. a manutenção da condição estacionária só pode ser conseguido a custa de trabalho, com consumo de energia.
a capacidade das células musculares cardíacas conduzirem o impulso elétrico que desencadeia a contração, com a força e rapidez adequadas, depende fundamentalmente do potencial de repouso. daí a importância de manter o potencial de repouso dentro de uma faixa estreita de variação.
o potencial de repouso é mantido ao redor de -90 mv, valor muito próximo ao potencial de equilíbrio do íon potássio, pelo fato do sarcolema (membrana plasmática das fibras musculares) ser preferencialmente permeável ao potássio. com esses dados, torna-se fácil entender que qualquer alteração no potencial transmembrana pode ser produzida por mudanças na permeabilidade da membrana aos vários íons ou por alterações nas concentrações dentro e fora da célula. fisiologicamente essa última alternativa é menos favorecida pela condição de estado estacionário das células.
assim, um aumento na concentração extracelular de potássio, provocada, por exemplo, por uma deficiência na eliminação desse íon pelo rim, levaria a uma despolarização, ou seja, a uma diminuição do potencial de repouso - a membrana plasmática se tornaria menos polarizada.
ou ainda, se a membrana plasmática se tornar de repente muito permeável ao sódio, sem alteração da permeabilidade aos outros íons, teremos um maior influxo de sódio, que irá carregar positivamente o citoplasma, produzindo uma rápida despolarização.
a despolarização poderá também ser produzida por uma intensa diminuição da permeabilidade da membrana plasmática ao potássio, fazendo com que predominem as permeabilidades ao sódio e ao cálcio (embora com permeabilidades de repouso muito baixas). nessa situação, passaria também a predominar a entrada de carga positiva e haveria, portanto, despolarização.
<langue=br><sujet=potentiel-de-repos><num=38><source=http://nebm.ist.utl.pt/repositorio/download/1073/9> considerações gerais sobre potencial de repouso. potencial de acção.
o potencial de repouso é uma característica geral das células; este é marcado por uma diferente distribuição de cargas entre o interior e o exterior dessas mesmas células, sendo o interior negativo relativamente ao exterior. as bases iónicas deste potencial de repouso estão fundamentalmente relacionadas com dois aspectos: (1) as distribuições de sódio e potássio no meio intra e extracelular e (2) a permeabilidade ao potássio em repouso que a célula tinha. quando as células comunicam umas com as outras, quando, por exemplo, é dada uma ordem ao cérebro para que a mão se mexa, é necessário modificar uma situação básica de potencial de repouso numa série de células até que se consiga chegar à resposta final que neste caso é traduzida pela contracção do músculo. na realidade o que acontece é que várias células (como as musculares esqueléticas, as musculares lisas, as do tecido cardíaco) bem como os vários nervos têm a capacidade de responder a um estímulo eficaz com alteração do seu potencial de repouso. a esta alteração do potencial normal de repouso da mebrana, provocada por um estímulo eficaz, dá-se o nome de potencial de acção. é uma resporta característica de um tecido excitável.
estímulos eléctricos suficientemente fortes e potenciais de acção nos nervos
continuando com o exemplo anterior, quando é dada uma ordem ao cérebro (mais concretamente ao córtex) para que a mão se mexa, o que acontece é que antes dela se mexer, surgem, a nível cortical, potenciais de acção que vão viajar ao longo de uma via nervosa até ao corno anterior da medula, despolarizando células motoneurónios. estas células motoneurónios, por sua vez, vão responder a esse estímulo eléctrico com outro potencial de acção. assim aparecem potenciais de acção no motoneurónio que permitem que ele vá contactar com os músculos da mão, despolarizando (por meio de sinapses) as células musculares. estas células musculares só respondem a esse mesmo estímulo porque fazem parte de um tecido excitável com potencial de acção e por isso, o potencial invade o músculo levando à libertação de cálcio. por sua vez o cálcio vai desencadear uma série de mecanismos bioquímicos que conduzem à contracção da mão. basicamente para se ouvir, ver, sentir, ou seja, para que todos os estímulos eficazes sejam entendidos pelo córtex é necessário que sejam transformados em estímulos eléctricos suficientemente fortes para provocar potenciais de acção nos nervos. ora estes potenciais de acção dos nervos alcançam uma determinada zona do córtex que irá determinar se a pessoa vai ouvir, ver ou sentir: se chegar aos temporais ouve, ao occipital vê, aos parietais sente. resumindo a existência de potenciais de acção que viagem ao longo dos nervos é fundamental para: (1) comunicação do sistema nervoso central (snc) com os músculos, vasos e glândulas; (2) comunicação entre células; (3) recepção de informação do meio interno (p.ex. para informar se a pressão e o oxigénio estão mais altos ou mais baixos).
na figura 1 está representado um neurónio, (quadrado da esquerda) e neste neurónio são colocados dois microeléctrodos, (eléctrodo que é esticado de tal maneira que a ponta acaba por ter dois/três micra de diâmetro) passíveis de serem introduzidos dentro da célula. para além disto, do lado de fora da célula temos um outro eléctrodo. o potencial de repouso ou, por outras palavras, a diferença que existe entre o interior e o exterior da célula, é característico de cada tipo celular. apenas a título de curiosidade, o potencial repouso deste neurónio é de aproximadamente -70mv (milivoltes), o do músculo esquelético é de -90mv, o de várias células musculares lisas é de -60mv, o tecido condutor do coração tem -90mv e o tecido onde se origina o pacemaker cardíaco tem entre -40/-60mv. para melhor compreender todos estes processos associados ao potencial de acção decidiu-se considerar a excitação do neurónio representado na imagem (cujo potencial de repouso, como já foi mencionado, é de aproximadamente -70mv). a excitação de células, neste caso do neurónio, pode ser feita por fornecimento de:
(1) descarga eléctrica - é a forma mais frequente já que as células do sistema nervoso comunicam trocando informação eléctrica; (2) estímulo mecânico - deforma a membrana da célula; abertura de canais mecanicamente (3) estímulo químico.
como os neurónios constituem um tecido excitável, estes vão responder ao estímulo alterando a sua membrana de maneira a que, se tiver o eléctrodo 3 (a assinalar na figura) ligado a um osciloscópio, o potencial inicial é alterado começando a subir até alcançar + 40mv. de um modo geral o que acontece é: com o fornecimento de um estímulo, o interior da célula fica positivo em relação ao exterior acabando, mais tarde, por recuperar da subida, ou seja, a célula tem um período de overshooting (período durante o qual o potencial de membrana ultrapassa o nível zero, tornando-se positivo), acabando por regressar ao normal.
na figura 2 estão presentes duas fases, uma ascendente e outra descendente, que representam o potencial de acção. um potencial de acção com esta forma é visualizado quando se faz o registo dentro da própria célula, ou seja, quando o registo é intracelular. muitas vezes o que acontece é que, em situações experimentais, está-se do lado de fora da célula e como tal não se visualiza o potencial desta maneira. até pelo próprio sistema de amplificação e filtragem tudo é visualizado ao contrário: a parte positiva aparece-nos como negativa e o que ia a descer aparece-nos como positivo.
organizando ideias pode-se então dizer que existem dois tipos de registo do potencial de acção: registo do potencial de acção intracelular ou registo feito no interior da célula/ lado de dentro da célula; registo do potencial de acção extracelular ou registo feito no exterior da célula/lado de fora da célula;
isto é um potencial visto do lado de fora da célula, ou seja, extracelular. muitos dos potenciais de acção registados em clínica são potenciais de acção extracelulares como por exemplo: electrocardiograma – regista a actividade eléctrica do coração à superfície do corpo, ou seja, está-se fora do coração, fora suas células a registar a actividade interna. electroencefalograma – é feito sobre a cabeça de um doente a fim de registar a actividade extracelular.
ora todo este registo do potencial de acção fora da célula é feito em microvoltes, e acaba por necessitar de muito mais amplificações do que as necessárias quando o registo é ao nível do interior da célula. isto acontece pois a medida considerada (o microvolte) é excepcionalmente pequena e o simples facto do eléctrodo se afastar um pouco da célula é suficiente para se registar muito menos corrente e muito menos voltagem. assim pode-se dizer que embora seja tecnicamente mais difícil meter o eléctrodo dentro da célula do que metê-lo do lado de fora da célula, as tentativas para se evitarem ruídos e a interferência da própria corrente inerentes aos amplificadores (usados quando o eléctrodo é colocado fora da célula) acabam por tornar muito mais difícil o registo extracelular.
através da análise deste gráfico da figura 3 pode-se dizer que existe uma situação inicial com um potencial de repouso que sofrerá evolução quando a célula é excitada. pode-se então ter: (1) uma fase ascendente do potencial de acção ou despolarização: a célula inverte o seu potencial sendo que o interior/lado de dentro da célula passa a positivo e o exterior/lado de fora da célula passa a negativo (neste gráfico em concreto ela tinha -60mv e chega a 0mv). este conjunto denomina-se pico ou overshooting.
(2) uma fase descendente do potencial de acção ou repolarização: a célula vota a ter o seu potencial inicial, sendo que o interior/lado de dentro da célula volta a ser negativo e o exterior/lado de fora da célula retoma a carga positiva.
muitas vezes, no resgisto de potenciais, encontra-se uma situação chamada hiperpolarizaçao ou pós-potencial. essa situação ocorre quando a célula está a voltar ao seu potencial de repouso e se apresenta, durante um curto período de tempo, ainda mais negativa do que no estado de repouso. outro aspecto importante prende-se com o facto de:
se se der um estímulo eficaz a uma célula quando esta se encontra em repouso, ela responde com um potencial de acção. se se der um estímulo eficaz a uma célula enquanto está a ocorrer a primeira parte do potencial de acção (subida da curva e início da descida), ela não responde com novo potencial de acção período refractário absoluto se se der um estímulo eficaz a uma célula enquanto está a ocorrer a segunda parte do potencial de acção (descida da curva), ela responde a com um novo potencial, se bem que esta resposta é diminuída, ou seja, a resposta não é total ou é anormal. período refractário relativo
entendendo-se por estímulo eficaz um estímulo com intensidade e duração suficiente.
na presente figura 4 estão retratados canais de potássio, evidenciando-se assim uma bomba de sódio-potássio. esta bomba coloca o sódio do lado de fora da célula e o potássio do lado de dentro.
nesta situação todos os canais estão fechados e não existe diferença de potencial entre o interior e o exterior da célula: há muita quantidade de sódio do lado de fora e muita quantidade de potássio do lado de dentro mas, no entanto, os canais estão fechados e por isso o potencial é zero. esta situação é considerada absurda.
com a abertura dos canais, o potássio (k+), que se encontrava em grande quantidade do lado de dentro da célula, começa a sair fazendo com que o seu interior vá ficando gradualmente mais negativo (já que está a perder cargas positivas). isto gera então uma diferença de potencial em que há excesso de cargas positivas do lado de fora célula e um excesso de cargas negativas do lado de dentro. os novos iões de potássio que querem sair devido à grande quantidade de potássio no meio intracelular, são puxados pelas cargas negativas presentes no meio extracelular e quanto maior for o número de saídas maior é o potencial gerado entre o meio intra e extracelular. todo este processo caminha para uma situação de equilíbrio, denominada de equilíbrio electroquímico, chegando-se àquilo que é o potencial de repouso. o potencial de repouso deve-se, portanto, ao equilíbrio de movimento cargas cujo responsável é o potássio (ião k+ é o ião para o qual a membrana é mais permeável) e por isso podemos pensar nele como determinante deste mesmo potencial. em suma, existe um potencial de repouso porque há muito potássio do lado de dentro da célula e pouco do lado de fora, havendo por isso saída destes iões k+ que são equilibrados por um gradiente electroquímico.
agora atendendo à figura 5, considera-se que a célula aqui retratada foi excitada (neste caso específico, o potencial de repouso é de -80mv). esta excitação, como aliás já foi dito, pode ser feita por fornecimento de uma (1) descarga eléctrica, (2) estímulo químico ou (3) estímulo mecânico (ver atrás). ora mais uma vez é necessário distinguir dois acontecimentos possíveis de se verificarem:
caso o estímulo seja eficaz: a excitação da célula permite a abertura rápida de canais de sódio; caso o estímulo não seja eficaz: a excitação da célula não permite a abertura dos canais de sódio, como aliás já seria de esperar.
há também que mencionar o facto da abertura rápida dos canais de sódio não depender da intensidade do estímulo eficaz: se o estímulo eficaz de uma célula for 1 volt, tanto faz excitar a célula com 1 volt como excitá-la com 10 volt, já que o efeito é exactamente o mesmo. por outro lado, o que vai acontecer à membrana já não dependerá do estímulo fornecido mas dependerá sim dos seus próprios fenómenos. assim, abrem-se canais de sódio que anteriormente estavam fechados. enquanto que do lado de fora da célula existe muito sódio, o lado de dentro da célula possui pouca concentração deste e, por isso, começa a entrar sódio para dentro da célula, por um simples gradiente – despolarização. como o ião sódio tem carga positiva o meio intracelular vai-se tornando, gradualmente, mais positivo em relação ao exterior, ao passo que o meio extracelular se vai tornando mais negativo em relação ao interior. é importante referir que na altura em que decorre o potencial de acção a bomba de sódio-potássio fica inactiva. a certa altura é atigido o pico de passagem de sódio através dos canais; a partir desse momento os canais fecham, não permitindo mais a passagem de iões sódio. no interior celular deixou de existir o gradiente electroquímico de repouso, devido às concentrações de cargas positivas provocadas pelo sódio e potássio. simultaneamnete à inactivação dos canais de sódio ocorre a abertura dos canais de potássio, permitindo assim a saída deste ião. à medida que o potássio vai abandonando o interior celular, este vai-se tornando cada vez mais negativo, permitindo à célula aproximar-se novamente o seu potencial de repouso. os canais de potássio fecham assim que o potencial de repouso é atingido. no final, no interior da célula existe menos potássio e mais sódio do que existia inicialmente. deste modo, a bomba de sódio-potássio volta a funcionar, permitindo a entrada de potássio e a saída do excesso sódio para do meio intracelular, repondo assim as condições iniciais. resumindo, o potencial de acção é uma alteração do potencial de repouso da membrana de células excitáveis, provocado por um estímulo eficaz que, numa primeira fase, abre de canais de sódio que permitem a entrada deste ião para o interior celular, ocorrendo a despolarização, e que, numa segunda fase, abre canais de potássio que permitem a saida de potássio para o exterior celular, ocorrendo a repolarização. durante o processo, as concentrações de sódio e potássio são alteradas, provocando a activação da bomba de sódio-potássio que repõe as condições iónicas iniciais ao deixar o sódio em excesso sair para o exterior da célula e o potássio entrar para o interior desta.
este processo ocorre segundo este padrão base em todas células (quer seja na fibra nervosa, na fibra muscular esquelética, na fibra contráctil, na fibra cardíaca ou na fibra muscular lisa), mas a relação que existe entre o número de canais de sódio, potássio e, em alguns casos, de cálcio faz com que o estímulo atinja valores mais ou menos elevados e que a membrana demore mais ou menos tempo a repolarizar em cada caso.
o período refractário
figura 6. na representação do primeiro canal, a célula encontra-se em repouso e pronta a ser estimulada. na segunda representação, no estado activado do canal de sódio, ocorre a entrada de sódio para o interior celular e despolarização. seguidamente, os canais de sódio começam a fechar e os de potássio começam a abrir. com a inactivação dos canais de sódio entra-se no período refractário absoluto. a membrana vai recuperando, lentamente, o potencial de repouso. um novo estímulo eficaz permite que sejam abertos canais de sódio que já se encontrassem em repouso, enquanto que os canais ainda inactivados permanecem inalterados. até ao momento em que todos os canais de sódio estejam activados está-se no período refractário relativo. na figura 6 está representado um canal de sódio (em cima) e outro de potássio (em baixo), existentes na membrana. os canais de sódio são um conjunto de subunidades proteicas que atravessam a membrana e que apresentam dois prolongamentos (comportas), um do lado exterior e outro do lado interior da membrana. durante o potencial de repouso da membrana a comporta exterior encontra-se fechada; a comporta interior está aberta. quando provoco uma alteração na membrana, a subunidade sofre uma alteração conformacional. tal alteração pode ocorrer: electricamente, fazendo passar uma corrente eléctrica através da membrana celular, provocando assim uma alteração conformacional da comporta do canal. sendo atingido um determinado valor a comporta abre e permite a passagem de sódio. através de um receptor que esteja ligado à comporta: quando uma determinada substância (por ex. um intermediário químico, como a dopamina, acetilcolina, noradrenalina, entre outros) se liga ao receptor este é alterado, provocando assim a alteração conformacional da comporta que abre, permitindo a entrada de sódio. quando o canal está totalmente aberto (ambas as comportas estão abertas), diz-se que está no estado activado. neste momento, devido à livre entrada de iões sódio, o potencial da membrana aumenta: sobe de -90 mv para +35mv. nos +35mv a conformação da comporta interna da membrana sofre uma alteração, fechando – estado inactivado. nesta fase, qualquer estímulo que actue do lado externo da membrana, por muito intenso que seja, não tem qualquer efeito: não tem a capacidade de permitir a passagem de sódio. a conformação inactivada dos canais de sódio é a base da refractariedade destes. a paragem na entrada de sódio e a saída de potássio para o exterior celular permitem a repolarização da célula, levando à completa recuperação do potencial de repouso da membrana. nesta altura, já é possível activar o canal de sódio e, caso o estímulo seja eficaz, ocorre novo potencial de acção. a transição do estado inactivado dos canais para o seu estado activado não ocorre em todos os canais ao mesmo tempo. existe um curto espaço de tempo, já no final do potencial de acção, no qual certos canais já se encontram no estado de repouso, enquanto que outros ainda estão no estado inactivado: este é o período refractário relativo. neste período é possível, com um estímulo eficaz, provocar a activação de alguns dos canais (dos que estavam no estado de repouso), mas não de todos, já que há canais ainda inactivados. deste modo, a resposta, que depende do número de canais de sódio activados, não tem uma amplitude normal. é o número de canais de sódio em activação ou inactivação que permite marcar no tempo o período refractário absoluto e relativo.
conductância
nesta imagem, fig.7, encontram-se curvas que representam: a) a corrente que pode passar através de canais de sódio e potássio e b) a facilidade com que se pode passar nos canais de sódio e potássio. conductância é definida como a facilidade com que uma carga eléctrica atravessa uma membrana; conductância para o sódio é a facilidade com que o sódio atravessa uma membrana e conductância para o potássio é a facilidade com que o potássio atravessa uma membrana. por análise do gráfico verifica-se que: o potencial de repouso é devido a uma maior conductância para o potássio do que para o sódio; ao estimular uma célula e ao provocar a abertura dos canais de sódio aumento imenso a permeabilidade/conductância para o sódio. deste modo ele entra para o interior celular provocando o aumento do potencial da célula e a sua despolarização; quando a conductância para o sódio atinge um pico os canais de sódio começam a fechar – estado inactivado -, provocando a diminuição da conductância para este ião. inicia-se a repolarização da membrana; ao mesmo tempo que a conductância para o sódio diminui, a conductância para o potássio começa subir, permitindo a saída do potássio para o exterior celular. é a saída de potássio para o exterior celular que, juntamente com a paragem de entrada de sódio, permite que o processo de repolarização ocorra. quando o potencial começa a voltar à situação de repouso as conductâncias de sódio e potássio não são, ainda, exactamente iguais às iniciais: a conductância ao potássio permanece um pouco mais elevada, enquanto que a ao sódio normaliza. como o potencial da membrana depende da relação (o valor desta relação diminui, já que a conductância ao sódio estabiliza mas a conductância ao potássio é maior), ele torna-se mais negativo antes de ser atingido novamente o potencial de repouso – hiperpolarização. tal acontece porque a abertura e oclusão dos canais de potássio é muito mais lenta do que a dos canais de sódio.
mas como é que será que se estuda o movimento de iões? como é que se estudam as correntes dentro de uma célula nervosa e se sabe, a um determinado potencial, se as cargas se estão a mexer para dentro ou para fora? as respostas a estas questões são dadas por uma preparação como a evidenciada na presente figura 8.
nesta figura está representado um eléctrodo colocado dentro da célula e ligado a um amplificador. este amplificador encontra-se conectado a um pequeno computador de modo a medir-se o potencial da célula. por outro lado, este também está ligado a uma caixa de estimulação que, por sua vez, estabelece comunicação com um outro eléctrodo, também colocado dentro da mesma célula. deste modo é possível introduzir ou retirar corrente da célula em estudo de uma forma controlada. o computador permite a comparação da voltagem celular com o valor pretendido, ou seja, se a célula tem um potencial de -90mv mas pretende-se trabalhar a -40mv, introduz-se o valor de -40mv no computador e deste modo começa a ser introduzida corrente até se atingir o valor desejado. a esta voltagem fixa dá-se o nome de voltagem clamp. depois de tudo isto é possível variar as concentrações de potássio do lado de fora da célula. no entanto, no fim, é necessário ver o que é que há a compensar em termos de corrente fornecida para que não haja variação do potencial. a clampagem de voltagem possibilita o estudo de correntes ao nível de canais.
actualmente é possível estudar a corrente num só canal e não num conjunto. para isto usa-se uma pipeta muito fina que apanha uma pequena parte da membrana, provocando-se o vácuo. deste modo a membrana entra para um eléctrodo assegurando que apenas exista um único canal em contacto com esse mesmo eléctrodo. cria-se então um só universo, mais concretamente, um mini-universo microscópico, em que tudo se desenvolve em torno de um canal. por meio das mesmas técnicas evidenciadas no caso anterior e mostradas na figura 8, é possível ver tudo o que se passa em termos de corrente de cada canal. através da soma de todos os resultados realizados para cada canal é possível reconstruir tudo o que ocorre ao nível da totalidade da célula. em termos reais, com todo este processo consegue registar-se em cada canal o movimento de corrente bem como a sua direcção, ou seja, podem-se ver as direcções distintas da corrente de potássio e de sódio e, assim, concluir experimentalmente que a despolarização dá-se devido a correntes de sódio que se movem para o meio intracelular e a correntes de potássio que se movem para o meio extracelular.
<langue=br><sujet=potentiel-de-repos><num=39><source=http://emersonmarchesi.net/custom2.html> biofísica
bioeletrogênese à estuda os fenômenos relacionados com os potenciais elétricos gerados pelos seres vivos, isto é, estuda o efeito da corrente elétrica nos seres vivos e o acúmulo de cargas elétricas nas células, chamado de biopotencial.
carga e matéria
a matéria pode ser considerada como constituída de 3 partículas elementares :próton, (carga positiva), nêutron e elétron, (carga negativa).
os átomos são constituídos por um núcleo denso, positivamente carregados, isto é, todos os prótons encontram-se nesta região, envolvido por uma nuvem de elétrons. o raio do núcleo varia desde 1x10-15 até 7x10-15m . o raio aproximado de uma nuvem eletrônica é de 1x10-10 m. lembrar, que atualmente foram descobertas outras partículas constituintes da matéria.
para se ter uma idéia da quantidade de átomos presentes na matéria, 1 cm3 de cobre tem aproximadamente 85x1022 átomos de cobre.
cargas e massas das três partículas elementares partícula carga massa próton +1,6 x 10-19c 1,67239.10-27 kg nêutron 0 1,67470.10-27kg elétron -1,6 x 10-19c 9,1083.10-31 kg
formas de eletrização: contato, indução e atrito.
benjamin franklin (1706-1790), foi quem primeiro chamou de positiva a eletricidade que aparece em um bastão de vidro, e negativa a que aparece num bastão de ebonite, ambos atritados num pêlo de animal.
origem do termo eletricidade: 600 a.c. filósofo grego tales de mileto observou que o âmbar atritado é capaz de atrair pequenos fragmentos de palha. elétrico = âmbar, que em grego se escreve elektrón.
diferença de potencial (u)
a força que ocasiona o movimento de elétrons livres em um conduto, formando uma corrente elétrica, é chamada força eletromotriz, tensão ou diferença de potencial. quando existe uma ddp entre dois corpos carregados que são ligados por um condutor, os elétrons fluirão ao longo do condutor. esse fluxo de elétrons se fará do corpo carregado negativamente para o corpo carregado positivamente, até que as duas cargas sejam igualadas e que não mais exista diferença de potencial.
membrana celular: estrutura
o modelo teórico atualmente aceiro para a estrutura da membrana é o do mosaico fluido, proposto por singer e nicholson. de acordo com o modelo, a membrana apresenta um mosaico de moléculas protéicas que se movimentam em uma dupla camada fluida de lípides.
ela apresenta basicamente duas funções:
regular as trocas de substancias entre a célula e o meio, através de uma propriedade chamada permeabilidade seletiva;
intervir nos mecanismos do reconhecimento celular, através de receptores específicos, moléculas que reconhecem agentes do meio, como, por exemplo, os hormônios.
potencial de repouso:
entre o líquido no interior de uma célula e o fluido extracelular há uma diferença de potencial elétrico denominada de potencial de membrana. esse potencial pode ser medido através de microeletrodos e um medidor de voltagem. uma ponta de um dos microeletrodos coloca-se no interior da célula e a outra no fluído extracelular. quando se colocam as duas pontas ou no líquido extracelular ou no interior da célula, temos uma diferença de potencial igual a zero.
na maioria das células, o potencial de membrana permanece inalterado, desde que não haja influencias externas. quando a célula se encontra nessa condição, dá-se o nome ao potencial de membrana, potencial de repouso. numa célula nervosa ou muscular, o potencial de repouso é sempre negativo, apresentando um valor constante e característico. nas fibras nervosas e musculares dos animais de sangue quente, o potencial de repouso situa-se entre -55mv e -100 mv. nas fibras dos músculos lisos, o potencial de repouso se encontra entre -30 mv e -55mv.
tanto o interior da célula como o meio extracelular, estão cheios de uma solução salina. em soluções salinas muito diluídas, a maior parte das moléculas se decompõe em íons. esses íons movem-se livremente numa solução aquosa. os fluídos, dentro e fora da célula, são sempre neutros, isto é, a concentração de ânions em qualquer local é sempre igual a de cátions, não podendo haver um acúmulo local de cargas elétricas nesses fluidos.
a membrana celular funciona como um capacitor. duas soluções condutoras se localizam em torno de uma camada isolante, a membrana celular. a superfície interna da membrana celular é coberta pelo excesso de ânions, enquanto que na superfície externa, há o mesmo excesso de cátions.
as concentrações de íons dentro e fora das células são bem diferentes. na parte interna a concentração de íons de potássio é bem maior que na parte externa. o oposto com os íons de cloro e sódio. a maior parte dos íons extracelulares não são íons de cloro, mas de grandes íons protéicos. acompanhe a tabela abaixo:
concentrações de iônicas de uma célula muscular de uma rã (10-3 mol/l) íon concentração fora da célula concentração no interior da célula potássio 2,25 124,0 sódio 109,0 10,0 cálcio 2,1 4,9 magnésio 1,25 14,0 cloro 77,5 1,5 íons orgânicos 13,0 74,0 hco3 26,6 12,4
o potencial de repouso pode ser avaliado pela concentração de íons positivos e negativos, dentro e fora da célula. ele é sempre observado quando há diferenças de concentrações iônicas dentro e fora. assim, essas diferenças de concentrações devem estar de alguma forma relacionadas à existência desse potencial.
numa célula em equilíbrio, há um afluxo constante de íons de sódio para o interior da célula e um escoamento constante de íons de potássio para o fluido externo. isso ocorre porque os potenciais gerados diferem do potencial de repouso. se através da membrana houvesse apenas o transporte passivo (íons de potássio), a célula teria suas concentrações iônicas alteradas. como essas concentrações são constantes, deve haver um outro tipo de transporte, denominado ativo, por ocorrer com dispêndio de energia. pois é no sentido oposto da força elétrica existente. sem o transporte ativo de íons através da membrana, haveria uma diminuição constante na concentração intracelular de potássio, e conseqüentemente um aumento do potencial de repouso. com um aumento do potencial de repouso menos negativo, a concentração intracelular de cloro aumentaria, o que poderia vir a igualar as concentrações de sódio, potássio e cloro presentes no espaço intracelular com as concentrações presentes extracelulares.
podemos dividir em dois tipos de transportes através da membrana celular: um ativo e outro passivo.
transporte ativo:
com gasto de energia, compreende:
fagocitose. - é um processo de alimentação de muitos protozoário unicelulares, que consiste no englobamento de partículas sólidas pela célula, através da membrana celular - a partícula é envolvida num vacúolo disgestivo, a partir do qual a matéria digerida passa depois para o citoplasma. a ingestão das partículas de alimento pode ser realizada por pseudópodes, como nos organismos amebóides, ou a própria célula pode ter um citostoma (o mesmo que boca celular ), como os ciliados, por onde entram as partículas de alimento.
pinocitose. - é um processo de endocitose em que a célula engloba uma substância em estado líquido, sem ser por difusão, mas por transporte activo através da membrana celular. é um sistema de alimentação celular complementar à fagocitose. é uma das formas como as células recebem grandes proteínas, inclusive hormônios, e como os pequenos vasos sanguíneos obtêm sua nutrição. neste processo a membrana celular invagina, desenvolvendo um pequeno saco para englobar as substâncias que deseja absorver. o saco então fecha e separa-se da membrana celular, transformando-se numa vacúolo que, dentro do citoplasma se junta a um lisossoma, que hidroliza as proteinas e fosfolipidos da membrana para libertar as substâncias que tem no interior. é um processo que requer energia, na forma de atp.
apt - adenosina tri-fosfato é uma molécula orgânica responsável pelo armazenamento de energia em suas ligações quimicas. é constituída por adenosina, uma base nitrogenada, associada a três radicais fosfato conectados em cadeia. a energia é armazenada nas ligações entre os fosfatos.
bomba de na+(sódio) e k+ (potássio)
um exemplo de fagocitose destinada à defesa são os glóbulos brancos (ou leucócitos), que fagocitam bactérias ou elementos prejudiciais ao organismo. quando os leucócitos ou glóbulos brancos morrem, no local onde combatem as bactérias, forma-se o pus.
transporte passivo:
sem gasto de energia, compreende:
osmose
é a passagem de solvente de um local com maior concentração de solvente para um local de menor concentração de solvente, através de uma membrana semipermeável e seletiva.
difusão
é a passagem de soluto de um local com maior concentração de soluto para um local de menor concentração de soluto, através de uma membrana semipermeável e seletiva. um bom exemplo de difusão, através da membrana plasmática, é o caso da entrada de oxigênio numa célula. como há um consumo constante de oxigênio pelas mitocôndrias na respiração, a concentração interna do gás é sempre baixa em relação ao meio externo. existe então entre a célula e o meio um gradiente de concentração (diferença de concentração), e as moléculas de oxigênio tendem a se mover do local de maior concentração (lado externo) para o local de menor concentração (citoplasma). por outro lado, o gás carbônico estará sempre em concentração alta no citoplasma. isto fará com que ocorra difusão constante desta substância para fora da célula.
o que sabemos sobre o funcionamento da bomba de sódio/potássio?
não conhecemos com exatidão a intimidade de tal sistema, mas postula-se que uma enzima chamada atpase, presente na membrana da célula, tenha dois estados funcionais. o primeiro, chamado de e1, o qual teria maior afinidade ao sódio e o segundo, chamado de e2, o qual teria maior afinidade ao potássio, e1 na presença de magnésio e atp captaria 3 moléculas de na do meio intracelular. o atp perderia o adp para o meio intracelular o que faria com que restasse o complexo e1 + mg + na + p na membrana. desta forma tal complexo torna-se instável, e o na é liberado contra seu gradiente de concentração para o meio extracelular. sobra na membrana então o complexo e1 + mg + p .só que e1 na ausência do na torna-se mais ávido pelo potássio e por ter este segundo estado funcional foi chamado de e2 ficando então: e2 + mg + p . tal complexo incorpora 2 moléculas de k captando-o do meio extracelular ficando então na membrana o complexo e2 + mg + k + p . logo tal complexo torna-se instável e faz com que o mg e o p se desprendam sobrando outro complexo instável que é e2 + k .então, o potássio se desprende e é liberado também contra um gradiente de concentração, mas agora no meio intracelular, e então e2 fica ávido por na sendo agora chamada de e1, e o ciclo se fecha. através de tal sistema, as células excitáveis, em particular os neurônios mantêm uma diferença de potencial entre o meio intra e extracelular. é chamado potencial de repouso.
soluções
a concentração de soluções é de importância fundamental na prática biológica.
soluto e solvente: na dissolução de uma substância em outra substância, a que se dissolveu (disperso) é chamada soluto e o meio em que foi dissolvida (dispersor) é chamada solvente.
solução aquosa - é aquela no qual o solvente é a água, solvente natural nos sistemas biológicos.
solução diluída - é aquela que contém proporções relativamente pequenas de soluto, enquanto a concentrada contém proporções relativamente maiores. soluções concentradas são somente possíveis quando o soluto é muito solúvel.
solução saturada - é aquela em que as moléculas do soluto em solução estão em equilíbrio com o excesso de moléculas não dissolvidas.
solução supersaturada - é aquela em que o soluto em solução está em maior proporção do que a solução saturada à mesma temperatura e pressão. são soluções instáveis e podem cristalizar-se.
a concentração de uma solução refere-se à quantidade de soluto em uma dada quantidade de solução.
tipos de soluções:
s. hipertônica: a concentração do soluto é maior que a concentração de solvente.
s. isotônica: a concentração do soluto é igual que a concentração de solvente.
s. hipotônica: a concentração do soluto é menor que a concentração de solvente.
potencial de ação:
são alterações breves e bruscas no potencial de repouso, principalmente de células nervosas e musculares. o potencial de repouso é uma condição necessária para que essas células possam exercer suas funções especificas no organismo. às células nervosas cabe a função de recolher informações, distribuí-las pelo corpo, coordená-las. as células musculares, comandadas pelas células nervosas, podem se contrair ou se relaxar. durante o desempenho dessas funções, surgem alterações breves e características no potencial de membrana dessas células. na ausência de perturbações externas, os potenciais de membrana das células permanecem constantes e são denominados potenciais de repouso, com já sabemos. entretanto um estímulo externo ás células nervosas e musculares produz uma variação em seus potenciais de membrana. essas variações rápidas, que se propagam ao longo de uma dessas células, são denominadas potencial de ação.
o potencial de ação quando medido atinge um valor máximo de +30 mv rapidamente, e volta ao potencial de repouso mais lentamente. a duração do potencial de ação, por outro lado, difere bastante nos diversos tipos de células: nas células nervosas essa duração é de aproximadamente 1 ms, enquanto que nas células musculares cardíacas ela é maior que 200 ms.
podemos identificar nesse processo, duas fases:
fase de despolarização à quando se eleva o potencial de repouso para +20 mv ou +30 mv
fase da repolarização à quando ocorre o retorno do potencial de repouso para -90 mv
para haver a despolarização, é necessário que o potencial de ação atinja, pelo menos, -50 mv, valor este denominado de potencial limiar ou potencial de disparo.
uma fibra muscular isolada, quando estimulada, obedece á lei do tudo ou nada. se o estímulo for sub-limiar a fibra não responde, mas se for limiar ou supralimiar responde com intensidade máxima. a câimbra é um sinal que alguma coisa está errada. geralmente pode ocorrer devido ao acumulo de ácido lático, ou choque térmico, ou má circulação do sangue, ou falta de ca++, k+, mg++, etc.
em se tratando do espaço intracelular podemos assim acompanhar:
1. na abertura dos canais de sódio ocorre uma rápida despolarização
2. a célula fica positiva dentro e negativa fora (0,2 a 1 ms)
3. fecham-se os canais de sódio ocorrendo a repolarização
4. a bomba de sódio e potássio regula as concentrações iônicas, voltando ao potencial de repouso.
existe também o potencial eletrotônico. ele é um potencial gerado por correntes elétricas externas. provoca uma despolarização suficiente para desencadear o processo de equilíbrio de íons pela bomba de sódio e potássio. (ele atinge o potencial de limiar). ou ainda, é produto de um fluxo de corrente local que permite que a despolarização ocorra ponto a ponto, num efeito cascata onde há inversão da polaridade entre as 2 faces da membrana ponto a ponto. se o potencial eletrotônico não alcançar o limiar de ação, ele sofre um decremento e extingue-se, pois nada mais é que um potencial local que pode ou não ser sustentado.
ao olharmos para o coração, onde encontramos células musculares, podemos associar que durante a sístole temos um potencial de ação sendo gerado, e na diástole, temos uma despolarização espontânea, ou o potencial limiar.
fases do potencial elétrico celular:
potencial de repouso à o interior da célula tem grande quantidade de ânions protéicos. nessa situação a célula é dita polarizada. essa característica é comum a todas as células do organismo na ausência de estímulos eficazes.
excitabilidade celular à é a propriedade que a célula possui de alterar o seu pr quando submetida a estímulos eficazes.
despolarização celular à entrada de sódio
repolarização celular à saída de potássio
hiperpolarização celular à saída excessiva de potássio
eletrocardiograma à registra o traçado gráfico da atividade elétrica do coração.
batimentos cardíacos: (por minuto) de 60 a 120 à é considerado normocárdio
um ciclo cardíaco completo leva aproximadamente, 0,72 segundos
a magnitude e a forma das ondas em um ecg variam com a localização dos eletrodos. (derivações)
quando mais distante do coração os eletrodos estiverem menor será a amplitude das ondas.
derivações é a distribuição dos eletrodos, positivos e negativos, ligados ao eletrocardiógrafo. suas somas geram o ecg.
existem cerca de 40 derivações, porém, somente 12 são utilizadas:
3 bipolares dos membros
3 unipolares dos membros
6 unipolares do tórax
potencial marcapasso:
despolarização espontânea durante a diástole
células do nódulo sinoatrial (sa) - 80 vezes por minuto
células do nódulo átrio-ventricular (av) - 60 vezes por minuto
células do feixe de his - 20 a 40 vezes por minuto
responsável pelo ritmo cardíaco no ser humano
seqüência rítmica:
potencial do marcapasso potencial limiar potencial de ação
potencial de repouso
ciclo cardíaco:
despolarização do miocárdio atrial
despolarização ventricular
repolarização ventricular
despolarização tardia
potencial marcapasso:
despolarização espontânea durante a diástole
células do nódulo sinoatrial (sa) - 80 vezes por minuto
células do nódulo átrio-ventricular (av) - 60 vezes por minuto
células do feixe de his - 20 a 40 vezes por minuto
responsável pelo ritmo cardíaco no ser humano
ciclo cardíaco:
despolarização do miocárdio atrial
despolarização ventricular
repolarização ventricular
despolarização tardia
<langue=br><sujet=potentiel-de-repos><num=40><source=http://curlygirl3.no.sapo.pt/nervoso.htm>
como se forma e transmite o impulso nervoso num neurónio?
estudos revelaram que o interior dos neurónios é carregado negativamente, em relação ao exterior. a diferença de cargas através da membrana plasmática do neurónio designa-se potencial de membrana. este, num neurónio não estimulado ou em repouso, corresponde ao potencial de repouso.
este estado permite ao neurónio responder a estímulos pois estas células são sensíveis a factores físico-químicos que alterem o potencial de repouso numa zona da sua membrana. a alteração mais drástica do potencial de membrana corresponde ao impulso nervoso, que não é mais que uma inversão brusca das cargas através da membrana plasmática do neurónio. o impulso nervoso é, por esse motivo, designado potencial de acção, revelando o contraste com o potencial de repouso.
nos neurónios as cargas eléctricas deslocam-se como iões e não como electrões. esses iões são principalmente sódio (na+), cloro (cl-), potássio (k+) e cálcio (ca2+) e deslocam-se através de canais proteicos e bombas de iões, inseridas na bicamada fosfolipídica da membrana plasmática do neurónio.
a bomba de iões mais importante nas membranas dos neurónios é a chamada bomba sódio-potássio, que, como qualquer outra bomba de iões, desloca iões contra o seu gradiente de concentração com gasto de energia (no caso, retira sódio da célula e introduz potássio).
os canais proteicos são poros revestidos por proteínas que permitem a difusão, sem gasto de energia portanto, de moléculas entre o interior e o exterior da célula. estes canais são geralmente específicos de um dado tipo de ião e, no caso dos neurónios, podem ser abertos ou fechados , quer pela passagem de corrente eléctrica pela membrana, quer quimicamente (ligação de uma outra molécula reguladora às proteínas do canal).
no neurónio em repouso, os canais abertos de potássio são os mais comuns, tornando a membrana muito mais permeável a este ião que a qualquer outro. este facto permite perceber o potencial de repouso, pois o potássio (cuja concentração elevada é mantida com gasto de energia pela bomba sódio-potássio) tende a difundir-se para fora do neurónio pelos canais de potássio. esta saída contínua de iões positivos deixa para trás um excesso de iões negativos, causando uma diferença de potencial de cerca de -60 mv.
se forem os canais de sódio a abrir, ocorrerá uma entrada maciça destes iões e uma alteração da posição das cargas, que se invertem em relação ao estado de repouso - despolarização. se, pelo contrário, forem os canais de cloro a abrir, ocorrerá um aumento da diferença de potencial, ou seja o interior do neurónio tornar-se-á ainda mais negativo - hiperpolarização.
torna-se aparente que a abertura e o fecho de canais de iões, com as consequentes alterações de polaridade da membrana, é a chave da resposta dos neurónios aos relação entre o potencial de membrana de um neurónio e o impulso nervoso
estímulos mas estes fenómenos são de pouca duração no tempo e no espaço. para transmitir informação mais eficientemente, os neurónios utilizam os chamados potenciais de acção.
o potencial de acção é uma alteração brusca e intensa do potencial de membrana, durando apenas cerca de 1 ou 2 milisegundos. deslocam-se ao longo do axónio a velocidades que atingem os 100 m/s.
os canais proteicos de sódio, regulados electricamente, são os principais responsáveis pela formação do potencial de acção. quando a membrana está em repouso estes canais estão fechados, na sua grande maioria. quando o potencial de membrana atinge um dado valor (cerca de 5 a 10 mv mais positivo que o potencial de repouso), abrem muito rapidamente, durante menos de 1 milisegundo. no entanto, este período de tempo é suficiente para que entre uma enorme quantidade de iões sódio, cuja concentração externa é mantida artificialmente alta pela bomba sódio-potássio. assim, ocorre uma despolarização da membrana do axónio pois os iões positivos não só anulam o excesso de cargas negativas, como as ultrapassam largamente atingindo-se uma diferença de potencial de + 50 mv. relação entre o número de canais iónicos abertos e o potencial de acção
após a despolarização é necessário que o neurónio volte ao seu estado de repouso, ou seja, deve ocorrer uma repolarização da membrana. novamente, são os canais de sódio os principais responsáveis pela repolarização, pois rapidamente voltam a fechar, permitindo que a bomba sódio-potássio reponha as concentrações e a diferença de potencial de repouso. alguns neurónios também têm canais de potássio sensíveis à passagem de corrente, que abrem e fecham mais lentamente que os de sódio, fazendo com que a saída de potássio acelere a retirada das cargas positivas em excesso na célula.
os canais de sódio são igualmente responsáveis pelo chamado período refractário do neurónio, ou seja, um breve momento de cerca de 1-2 milisegundos em que não se pode gerar potencial de acção. este facto decorre de os canais permanecerem fechados durante esse período, antes de se abrirem de novo, espontaneamente. por esse motivo, durante um breve período, a membrana está hiperpolarizada. assim, o potencial de acção apenas se pode deslocar num sentido, nunca retrocedendo na membrana do neurónio.
este mecanismo parece necessitar de um enorme volume de iões em deslocação quase instantânea através da membrana do neurónio mas tal não é real, basta a deslocação de um em cada 10 milhões de iões presentes na célula para gerar o potencial de acção, significando que é bastante fácil para a bomba sódio-potássio manter esta bateria iónica sempre carregada, mesmo em neurónios que geram potenciais de acção centenas de vezes por minuto.
a velocidade a que o potencial de acção se desloca num neurónio varia, sendo tanto maior quanto maior for o diâmetro do axónio. em animais invertebrados esta é uma das maneiras de regular a velocidade de resposta do animal, com alguns axónios de resposta rápida (como os de comando dos tentáculos predadores de uma lula) a atingir 1 mm de diâmetro.
a importância dos canais de sódio e potássio na excitação dos neurónios levou a que numerosos organismos tenham desenvolvido toxinas poderosas que atacam especificamente essas estruturas celulares, tanto como mecanismos de defesa como de ataque. destas substâncias, a mais conhecida é tetrodotoxina, produzida por certos tipos de peixe balão e alguns outros animais, que bloqueia os canais de sódio, impedindo a geração de potencial de acção e paralisando os organismos que a ingerem.
a saxitoxina, um homólogo químico da tetrodotoxina, é produzida por dinoflagelados e os seus efeitos são semelhantes. é esta a causa de perigo, quando em presença das chamadas marés vermelhas, da ingestão de bivalves (que se alimentam de dinoflagelados).
os escorpiões paralisam as suas vítimas injectando uma potente mistura de toxinas pépticas que também afectam os canais iónicos dos neurónios, entre elas as alfa-toxinas, que prolongam o potencial de acção, confundindo o s.n.c. das suas vítimas prestes a ser devoradas. outro tipo de substância do veneno de escorpião, as beta-toxinas, alteração os valores de diferença de potencial a que os canais de sódio abrem, fazendo com que abram a valores muito mais baixos do que os esperados e descoordenando o sistema nervoso da vítima.
outros animais produzem substâncias que combinam essas duas acções, como a batracotoxina, produzida por algumas espécies de rãs tropicais sul-americanas. esta poderosa toxina alcalóide é usada por tribos sul-americanas para as suas setas envenenadas.
este tipo de arma neurológica anti-canais de sódio não é exclusiva dos animais, pois numerosas plantas produzem substâncias semelhantes, como a aconitina (jarros), veratridina (género lilium) e numerosas toxinas insecticidas produzidas por crisântemos e rododendros.
os canais de potássio também são alvos de toxinas, como por exemplo a dendrotoxina produzida por vespas, apamina por abelhas, caribdotoxina ainda outro tipo de toxina produzida por escorpiões, entre outras. todas estas têm como acção principal o bloqueio dos canais de potássio no neurónio.
o potencial de acção pode deslocar-se a longas distâncias sem perda de sinal, o que é fundamental na sua função no animal. o potencial de acção pode ser descrito como um acontecimento do tipo tudo ou nada, que se auto-regenera, pois depende apenas de os canais de sódio estarem ou não abertos e por criar diferenças de cargas que provocam a abertura de novos canais mais à frente na membrana (a entrada de iões positivos torna o citoplasma menos negativo e assim atinge-se o potencial crítico que inicia a abertura dos canais de sódio). assim, se existe um potencial de acção numa parte da membrana, haverá um estímulo para as regiões adjacentes gerarem potencial de acção e assim sucessivamente.
<langue=br><sujet=potentiel-de-membrane><num=41><source=http://www.geocities.com/~malaghini/potencial1.html> potencial de membrana celular o mais importante exemplo de transporte ativo presente na membrana das células excitáveis é a bomba de sódio e potássio.
tal bomba transporta, ativamente e constantemente, íons sódio de dentro para fora da célula e, ao mesmo tempo, íons potássio em sentido contrário, isto é, de fora para dentro das células.
mas os íons (sódio e potássio) não são transportados com a mesma velocidade: a bomba de sódio e potássio transporta mais rapidamente íons sódio (de dentro para fora) do que íons potássio (de fora para dentro). para cada cerca de 3 íons sódio transportados (para fora), 2 íons potássios são transportados em sentido inverso (para dentro).
isso acaba criando uma diferença de cargas positivas entre o exterior e o interior da célula, pois ambos os íons transportados pela bomba (sódio e potássio) são cátions (com 1 valência positiva), e a bomba de sódio e potássio transporta, portanto, mais carga positiva de dentro para fora do que de fora para dentro da célula.
cria-se assim um gradiente elétrico na membrana celular: no seu lado externo acaba se formando um excesso de cargas positivas enquanto que no seu lado interno ocorre o contrário, isto é, uma falta de cargas positivas faz com que o líquido intracelular fique com mais cargas negativas do que positivas.
o gradiente elétrico então formado é conhecido como potencial de membrana celular. na maioria das células nervosas tal potencial equivale a algo em torno de -90mv.
<langue=br><sujet=potentiel-de-membrane><num=42><source=http://www.sogab.com.br/floresdias/potencial.htm> potencial de membrana celular
o mais importante exemplo de transporte ativo presente na membrana das células excitáveis é a bomba de sódio e potássio.
tal bomba transporta, ativamente e constantemente, íons sódio de dentro para fora da célula e, ao mesmo tempo, íons potássio em sentido contrário, isto é, de fora para dentro das células.
mas os íons (sódio e potássio) não são transportados com a mesma velocidade: a bomba de sódio e potássio transporta mais rapidamente íons sódio (de dentro para fora) do que íons potássio (de fora para dentro). para cada cerca de 3 íons sódio transportados (para fora), 2 íons potássios são transportados em sentido inverso (para dentro).
isso acaba criando uma diferença de cargas positivas entre o exterior e o interior da célula, pois ambos os íons transportados pela bomba (sódio e potássio) são cátions (com 1 valência positiva), e a bomba de sódio e potássio transporta, portanto, mais carga positiva de dentro para fora do que de fora para dentro da célula.
cria-se assim um gradiente elétrico na membrana celular: no seu lado externo acaba se formando um excesso de cargas positivas enquanto que no seu lado interno ocorre o contrário, isto é, uma falta de cargas positivas faz com que o líquido intracelular fique com mais cargas negativas do que positivas.
o gradiente elétrico então formado é conhecido como potencial de membrana celular. na maioria das células nervosas tal potencial equivale a algo em torno de -90mv.
<langue=br><sujet=potentiel-de-membrane><num=43><source=http://www.colegioanchieta-ba.com.br/profs/fisica/fis_bat/potencial%20de%20membrana.doc>
potencial de membrana uma análise física e biológica
potencial de membrana
introdução
o ser biológico e, portanto, o ser humano também é definido pelo que é e pelo que faz. considera-se que um ser humano está vivo, quando está em atividade biológica, física, química e elétrica e mais recentemente eietromagnética. todos estes fenômenos devem trabalhar em conjunto para que a vida possa existir, e tanto é assim que para definirmos a morte de um indivíduo, determinamos se há ou não morte cerebral, ou seja, investigamos com auxílio da semiologia e de exames subsidiários quais são as condições da vascularização cerebral, atividade reflexa de tronco cerebral e atividade elétrica cerebral.
o mestre médico, físico e matemático avicena (séc. x), postulou que o homem só existia como tal, pois interagia com o meio ambiente, e só o fazia, pois o meio existia, e que disfunções orgânicas e mentais só existiam em situações de extrema e traumática estimulação por parte do meio, e/ou uma má associação (interpretação dos fatos), e conseqüentemente uma resposta (motricidade), deturpada. tal afirmação de avicena mostrou-se correta, muitos séculos depois, com experimentos onde se privou o animal de todo e qualquer tipo de influxos sensitivos (através de lesões provocadas em áreas específicas do tronco cerebral), sendo que nesta situação o animal entrou em coma.
a atividade psicosocial existe quando o indivíduo relaciona-se com o meio ambiente, e obviamente para isto, ele deve ser teus sistemas funcionando adequadamente, pois só assim seu relacionamento com o meio será pleno em todos os sentidos. quem comanda esta relação é o sistema nervoso central e periférico através da sensibilidade responsável por receber as informações do ambiente (visual, auditiva, táctil, olfativa, gustativa e magno elétrica, esta última carece de mais estudos físicos quânticos), através da associação (atenção, memória, praxia, gnosia, linguagem, reflexos, etc...) e através da motricidade que permite respondermos ao ambiente (motricidade esquelética, cardíaca e lisa, e secreções e etc...).
bem, mas como o sistema nervoso comanda esta relação tão complexa com o ambiente (relação psicoorgânicosocial), e consigo mesmo (relação homeostática).
basicamente através de reações químicas, físicas e elétricas. mas, como ele (o sn), é capaz de gerar eletricidade, codificá-la, conduzi-la e distribuí-la para o lugar exato no momento exato, para funções exatas (exemplo: sensibilidade, motricidade, reflexo, emoção, memória, etc...)
podemos dizer que os seres vivos são máquinas que funcionam a base de eletricidade. como a célula é a menor expressão de um ser vivo logo é fácil observar diferenças de potenciais elétricos entre os lados da membrana celular.
a origem desses potenciais é uma distribuição assimética de íons, especialmente de na+, k+, cl– e hpo4, fundamentalmente, o k+.
o sistema nervoso central (snc) está formado por células de dois tipos fundamentais: as excitáveis, com função de comunicação (célula nervosa, neurônio), e as da glia, com função de suporte mecânico e energético das primeiras. a célula nervosa consta, como toda célula, de um citoplasma rodeado de uma membrana. o citoplasma, de consistência de gel, contém todas as organelas que suportam as funções vitais da célula e que sintetizam substâncias que, quando liberadas pela membrana, podem atingir receptores de outras células e excitá-las.
a membrana celular, de longe a mais importante estrutura deste tipo de células, consta de duas capas externas de moléculas protéicas, e uma interna de moléculas lipídicas. é permeável em forma seletiva a diversas substâncias, por exemplo, a água. outras podem passar esta membrana quando cumpridas certas condições, como, por exemplo, serem previamente desdobradas e/ou acopladas a determinados radicais químicos. um exemplo seria o da glicose, que deve ser previamente fosforilada com um radical atp em presença de uma enzima facilitadora, a atpase, e mediante o consumo de energia obtido pela redução do atp para adp. a reconversão desta para atp requer energia obtida no ciclo de krebs, com o consumo de glicose e o2 e liberação de co2, água e calor. a integridade destes mecanismos metabólicos é fundamental para a correta função do sistema auditivo.
podemos imaginar a membrana como um capacitor no qual as duas soluções condutoras estão separadas por uma delgada camada isolante, a membrana celular.
as cargas elétricas em excesso, que provocam a formação de um potencial elétrico, se localizam em torno da membrana celular: a superfície interna da membrana é coberta pelo excesso de ânios(–), enquanto que, na superfície externa, há o mesmo potencial cátions(+) falta de elétrons. o potencial de membrana existe sob duas formas principais: o potencial de repouso e o potencial de ação.
bem, vamos aprender como ele gera eletricidade, a codifica e a conduz.
sabemos que toda célula pode ser considerada, mesmo que grosseiramente, como sendo um compartimento com uma solução aquosa. tal compartimento separa-se de um outro compartimento (extracelular), por meio de uma membrana plasmática semipermeável.
como a própria nômina permite-nos concluir, tal membrana semipermeável permite a passagem de alguns elementos livremente (na, k, ci,...), e impede a passagem de outros elementos (proteínas). a diferença de concentração dos diversos elementos intra e extracelulares faz-se presente em vista de um complicado sistema que os mantém aparentemente desequilibrados, e que assim permite a existência de um potencial elétrico.
na verdade tal potencial só existe, pois há uma diferença relativa de cargas elétricas entre o meio extracelular e o meio intracelular, sendo este (o intracelular), negativo e aquele (o extracelular), positivo.
em primeiro lugar, quem ou o que carrega carga elétrica neste sistema permitindo a diferença de tal potencial
sem dúvida, elementos como sódio, potássio, magnésio, cloreto e proteínas além de muitos outros, mas de menor importância. sabemos que o sódio, potássio e magnésio são cátions, pois carregam cargas definidas como positivas (+), já o cloreto e as proteínas são ânions, pois carregam cargas negativas (–). naturalmente a distribuição destes elementos no meio intra e extracelular tem de ser desigual, a fim de manter o potencial elétrico, ou seja, a fim de manter o meio intracelular eletricamente negativo quando comparado com o meio extracelular. temos um gradiente de concentração maior no meio extracelular para o sódio e cloreto, e para o meio intracelular para o potássio e proteínas. tais elementos, exceto as proteínas trafegam pela membrana através de canais iônicos mais ou menos específicos que permitem ou não a passagem destes elementos dependendo de suas características físicas e elétricas.
mais porque existe uma maior concentração de sódio no exterior da célula e de potássio no interior, visto que ambos fluem livremente pela membrana através de seus canais iônicos.
por dois motivos que atuam em conjunto, a busca incessante do equilíbrio eletroquímico e um sistema translocador de cátions ou também chamado de sistema atpásico, transporte ativo primário ou ainda bomba de na/p, que gasta energia para manter esse desequilíbrio que estabelece a diferença de potencial elétrico (ddp) .
mas como funciona este sistema
as substancias que mais interessam aos efeitos da geração das capacidades condutiva das células nervosas são o na+, o ca++ e, fundamentalmente, o k+. espontaneamente, as proteínas do citoplasma tendem a tornar o meio interno negativo com respeito ao externo da célula que permanece constante, pois elas são geradas dentro da célula cuja membrana lhes é intransponível. o na+ e o k+ poderiam circular através da membrana celular livremente e tenderiam, então, a entrar ou sair dela para procurar um equilíbrio de gradientes químicos e elétricos. porém, um mecanismo, chamado bomba de sódio e potássio impede a entrada do na+ e expulsa as moléculas que, eventualmente, estiverem no citoplasma.
o processo ocorre mediado por carregadores , moléculas de substâncias que, por terem afinidade específica com as moléculas a serem transportadas, unem-se a elas, formando uma nova molécula que já não está submetida ao gradiente eletroquímico ou de concentração e que pode, assim, difundir-se através da membrana. o processo específico do na+-k+ é intermediado por um transportador, que é uma molécula enzimática formada por uma globulina combinada a uma glicoproteina, ambas de peso molecular 95.000 e 55.000 respectivamente, que recebem o nome de atpase sódio-potássio . esta atpase tem grande afinidade por na+ e também por k+, de modo que inicia o processo se unindo a três moléculas de na+ no interior da célula. na face exterior da membrana, a molécula de na+ é liberada da união ficando impossibilitada de reingressar na célula, apesar do gradiente de concentração ser favorável, por causa da sua insolubilidade nos lipídios da membrana. na mesma reação, que é exotérmica e não requer energia, duas moléculas de k+ ocupam o lugar do sódio e são, por sua vez, transportadas – contra gradiente químico de ate 34 para 1 – para o interior da célula. no interior desta, a combinação magnésio-atp é hidrolisada em magnésio-adp e po4---, com liberação de energia, que a atpase usa para diminuir sua afinidade pelo potássio (que é, então, liberado no interior celular) e readquirir afinidade específica pelo na+ para iniciar, assim, um novo ciclo de transporte. notamos, então, que somente o processo intracelular de liberação do k+ é consumidor de energia, que é fornecida pela conversão atp da adp. a passagem por difusão do sódio e do potássio nos sentidos dos gradientes existem, porém, em quantidades muito menores que o processo ativo mencionado. o processo energético está representado na figura e o global da bomba trans-membrana na figura.
o resultado é um acúmulo de cargas positivas no exterior celular. este potencial de ação é mantido ativamente, com consumo de energia, já que ele existe contra o gradiente químico (de concentração). a membrana fica, então, configurada como repositório de energia potencial que será necessária para a ação seguinte, a despolarização. o interior de célula é sempre negativo em relação ao exterior. nos neurônios, são comuns valores de 70 a 80 mv de diferença de potencial. nas células ciliadas externas há uma situação diferente, pois elas estão imersas pela extremidade superior na endolinfa, que possui um potencial positivo adicional. desse modo, essas células estão 80 mv mais negativas que a perilinfa, e 125 mv mais negativas que a endolinfa.
lembraremos, neste ponto, que cada célula nervosa possui um longo pseudópodo , o axônio, e também outros similares, em grande número e muito mais curtos, que são os dendritos. pelo axônio circularão os potenciais eferentes (os que se afastam da célula) e pelos dendritos, os aferentes (que se aproximam dela). em todo caso, ambos estão constituídos por citoplasma e membrana, tal como o corpo da célula. a única diferença é que o axônio não pode ser diretamente excitado por estímulos externos, mas somente pelo próprio corpo neuronal em processo de despolarização. do ponto de vista prático, isso significa que o potencial de ação do axônio só pode ter início no ponto de união com o corpo celular.
diversos tipos de estímulos podem chegar à superfície da célula ou a um dendrito. dependendo do intermediário liberado pela célula excitadora, ela reagirá, seja diminuindo o nível de polarização da membrana (estímulos excitatórios), seja aumentando-o (estímulos inibidores). quando a somatória (que pode ser espacial, com adição de distintos estímulos acontecendo em diferentes lugares da membrana, ou temporal, com sucessivos estímulos no mesmo local) de estímulos de ambos os tipos diminui o potencial de membrana, existe um determinado nível de polarização, variável para cada tipo de célula, a partir do qual se desencadeia um processo de despolarização total da membrana. esse potencial crítico é chamado de limiar de despolarização.
curva demonstrativa de um potencial de ação. veja o aumento progressivo do potencial de repouso (área cinza) até chegar ao limiar de disparo. este aumento pode ser automático (nas células que determinam, por exemplo, o ritmo cardíaco) ou provocado por potenciais pós-sinápticos excitatórios, ou bem, como no caso dos estéreo-receptores, por estímulos físicos (mecânicos, térmicos, luminosos, etc).
quando alcançado esse limiar, produz-se a abertura de canais de cálcio na membrana celular. estes são pontos na superfície da membrana que, sob ação de enzimas especificas, formam um poro permeável em forma específica para alguma substância, neste caso o cálcio. esta entrada de ca++ produz a apertura de canais de na+ que, por sua vez, permitem seu afluxo maciço (por gradiente de concentração) para o citoplasma, tornando-o mais positivo do que a superfície externa da membrana, ou seja, invertendo sua polarização. esse processo dura, aproximadamente, dez milisegundos e começa a ser revertido imediatamente, inicialmente devido à movimentação do k+ para o exterior da célula. esta situação restaura progressivamente a polarização inicial, que é completada quando, por ação da bomba de na+ novamente funcionante, este volta a ser expulso para o exterior, substituindo o k+ que, paralelamente, começa a entrar na célula. este processo dura, aproximadamente, 15 milissegundos (ver figura) na célula ciliada auditiva. devemos ressaltar que, durante o processo, a célula perde a sua energia potencial e fica incapacitada de ser novamente excitada, situação que somente voltará após o processo de restauração do potencial de repouso pela atpase (bomba de na+/k+). este período é chamado de período refratário. vemos, então, que o potencial de ação é um processo que, uma vez iniciado, cumpre um ciclo que só acaba uando restabelecido o potencial de repouso. é um processo de tudo ou nada , sempre da mesma intensidade e que independe do tipo de estímulo que o provocou ou de qualquer outra situação simultânea. o período refratário, que possui uma fração absoluta e outra relativa, pode ser superado por estímulos suficientemente grandes o que permitiria ritmos de disparo mais rápidos.
polarização elétrica durante o potencial de ação mostrando com a situação dos canais de na+ e k+ em cada fase.
uma característica do processo citado acima é que ele acontece numa região da membrana, e não em toda ela. as regiões vizinhas vêem seu potencial diminuir por influência do fenômeno acontecendo no ponto despolarizado até quem finalmente, alcançado o ponto limiar, sofrem um idêntico processo de despolarização. este processo se repete até que toda a membrana tenha passado pelo processo, e isso inclui o axônio, que, devido a seu comprimento, transmitirá essa despolarização à distância.
a condução nervosa
logo a seguir do desencadeamento de um potencial de ação, que sempre se produz num dendrito ou no corpo celular, a reação se propaga em forma centrifuga. isto é conseqüência da existência do período refratário, que impede que o estímulo se propague apenas no sentido da região da membrana que esteja ainda polarizada. a propagação é, então, unidirecional quando considerado todo o neurônio e irá propagar pelo axônio celular até o seu extremo.
um neurônio. vemos o corpo e os dendritos, o axônio e as ramificações com os terminais pré-sinápticos, e a bainha de schwann com os nódulos de ranvier [10i]. (figura ao lado)
potencial de ação (início e propagação)
potencial de ação em progressão. em azul, despolarização. em verde, período de repolarização, refratário;
embora todos os impulsos nervosos sejam iguais durante o seu percurso pela membrana celular do axônio, eles podem ter diferentes resultados, uma vez que alcançam o final do axônio, onde se forma uma sinapse.
potencial de ação avançando. observe a seqüência dos canais de sódio (fechado, aberto, desativado, fechado) na medida em que o distúrbio no potencial de membrana avança. o potencial de cálcio só pode viajar afastando-se do local de origem, porque os canais de sódio atrás dele estão fechados (e a membrana, em período refratário). veja que os valores do potencial de membrana permanecem iguais antes e depois do distúrbio, o que determina a não diminuição do potencial de ação durante o percurso.
como veremos a seguir, em toda sinapse há a intermediação de transmissores químicos e alguns destes podem ser excitatórios da célula seguinte e outros podem ser inibidores. portanto, uma troca da função dos intermediários pode inverter o significado do impulso que percorre a célula.
não existe transferencia elétrica no processo de condução nervosa e, portanto, o axônio não é um condutor elétrico, mas um condutor de informação cujos sinais são a liberação de intermediários químicos no final do percurso. o que impõe que haja, no final, um sistema capaz de reconhecer estes intermediários e reagir a eles de alguma maneira. cada potencial desencadeado e transmitido se constitui em uma única e indivisível unidade de informação.
uma variedade do sistema de transmissão está representada pela existência de axônios com fibra nua e outros com fibra mielinizada. nestes, a fibra possui uma cobertura de células de schwann, que possuem uma proteína chamada mielina. ela é isolante e age como dielétrico fracionado em segmentos separados pelos nódulo de ranvier. nestes últimos, a fibra está exposta. o impulso nervoso pula de nódulo em nódulo (por transporte de potencial elétrico pelo meio ionizado intracelular) e isso acelera a velocidade de transmissão. a maior parte dos nervos motores e sensitivos estereoceptivos são deste tipo, incluindo o nervo acústico.
este sistema translocador de cátion, também auxilia na manutenção de um volume celular adequado, visto que enviando uma quantidade maior de na para o meio extracelular, estará também enviando água para aquele meio, água que anteriormente havia sido atraída pela pressão oncótica (protéica) para o meio intracelular, já que as proteínas não são difundíveis pela ou através da membrana.
através de tal sistema, a célula excitável, em particular os neurônios mantém uma diferença de potencial entre o meio intra e extracelular. é chamado potencial de repouso.
mas, o que é o potencial de repouso
o potencial de repouso ou também chamado de potencial de membrana corresponde à diferença de potencial elétrico encontrado entre a face interna e externa da membrana plasmática semipermeável. tal membrana deve estar livre de influências (estímulos), externas e tal potencial (em torno de -70 mv), deve ser estável para que seja um potencial de repouso, ou seja, não pode estar variando no período de tempo em que foi definido, pois se houver variação receberá outras nôminas como potencial eletrotônico, potencial de ação.
como os íons passam através da membrana
através de canais específicos para cada íon que permite a passagem de tais íons dependendo de seu tamanho molecular e de suas cargas elétricas, pois tais canais também têm cargas elétricas específicas que atraem este ou aquele íon, mudando a sua configuração molecular (abrindo os portões), e assim permitindo o influxo ou efluxo do íon. existem muitas teorias de como estes canais funcionam, mas todas são passíveis de comparação científica final. veja esquema abaixo.
quais são os fatores que influenciam na velocidade de condução do potencial de ação
a velocidade de condução do potencial de ação depende de vários fatores:
1 - capacitância da membrana: quanto maior a capacitância, menor é a velocidade de condução, já que é necessário maior tempo para descarregar o capacitor (membrana no caso)
2 - resistência (interna e da membrana): quanto maior a resistência, menor é a velocidade de condução. r = rl/ pi o elevado ao quadrado. onde r é a resistência específica do condutor e p é o diâmetro do condutor.
3 - diâmetro da fibra nervosa: quanto maior o diâmetro da fibra, maior é a velocidade, pois se por exemplo houver a duplicação do raio da fibra nervosa, haverá aumento da capacitância da membrana por um fator 2, e uma redução da resistência da membrana por um fator 2, e uma redução da resistência interna (citoplasmática), por 4. como a redução da resistência supera o aumento da capacitância, o resultado é o aumento da velocidade de condução. ver fórmula de resistência, item 2.
4 - mielina: fibras mielinizadas conduzem muito mais rapidamente que fibras não mielinizadas, visto que as fibras mielilnizada tem menor capacitância, portanto descarregam mais rapidamente, além do mais a resistência interna não se modifica. somente a resistência da membrana aumenta. além disto, os pontenciais de ação, são gerados somente em locais de alta condutância, os chamados nodos de ranvier, que são espaços que aparecem a cada 1 a 2 mm, permitindo a chamada condução saltatória.
5 - temperatura: quanto maior a temperatura, maior é a agitação molecular, aumentando conseqüentemente o fluxo iônico e a velocidade de condução do potencial elétrico.
como podemos medir o potencial de repouso
entre o líquido no interior de uma célula e o fluido extracelular há uma diferença de potencial elétrico denominada potencial de membrana. esse potencial pode ser medido ligando-se, por meio de microeletrodos, os pólos de um medidor de voltagem ao interior de uma célula (ponto a), e ao líquido extracelular (ponto b), como mostra a figura. esses eletrodos são, em geral, capilares de vidro, com uma ponta com menos de 1 m de diâmetro, contendo uma solução condutora de kci. essa solução está em contato com o medidor de voltagem por meio de um fio metálico. a figura mostra o resultado de uma experiência típica para medir a diferença de potencial elétrico entre as partes externa e interna de uma célula. para isso colocam-se, inicialmente, os eletrodos a e b no líquido extracelular. a seguir o eletrodo a é colocado no interior da célula. o deslocamento do eletrodo a é indicado na figura pela variação de x, coordenada na direção perpendicular à membrana de espessura d.
quando as pontas dos dois eletrodos estão no meio externo, a diferença de potencial medida v é nula, indicando que o potencial elétrico é o mesmo em qualquer ponto desse meio. o mesmo aconteceria se os dois eletrodos pudessem ser colocados no interior da célula, pois ambos os meios são condutores. o potencial elétrico do fluido extracelular, por convenção, é considerado nulo e v é o potencial no interior da membrana. assim, a diferença de potencial v entre os dois meios é v = v – 0 = v
quando a ponta do eletrodo a penetra na célula, o potencial elétrico v diminui bruscamente para –70 mv como indica a figura ao lado. na maioria das células, o potencial de membrana v permanece inalterado, desde que não haja influências externas. quando a célula se encontra nessa condição, dá-se ao potencial de membrana v, a designação de potencial de repouso representado por vo. numa célula nervosa ou muscular o potencial de repouso é sempre negativo, apresentando um valor constante e característico. nas fibras nervosas e musculares dos animais de sangue quente, os potenciais de repouso se situam entre –55 mv e –100 mv. nas fibras dos músculos lisos, os potenciais de repouso estão entre –30 mv e –55 mv.
o potencial v, mostrado na figura ao lado, é constante dentro e fora da célula, devendo, portanto, variar no interior da membrana. nessa figura, a variação linear de v dentro da membrana é apenas hipotética, baseada em considerações físicas que serão apresentadas nos itens seguintes. essa variação não pode ser medida, pois a espessura da membrana é bem menor que o diâmetro da ponta do microeletrodo. a partir da fórmula pode-se calcular o campo elétrico existente nessas regiões. dentro e fora da célula o campo elétrico é nulo
e = 0
pois nessas regiões
v = 0
na membrana o campo elétrico é
onde d = 80 å é a espessura da membrana. a figura abaixo ilustra esse comportamento do campo e. a carga elétrica de um íon monovalente, como os existentes dentro e fora da célula, é
q = 1 e = 1,6 x 10-19 c
a força elétrica exercida sobre um desses íons no interior da membrana é
f = qe = 1,4 x 10–12 n
essa força é muito mais intensa que o peso desses íons. intensidade do campo elétrico correspondente a um potencial de repouso v0 = –70 mv em uma membrana celular de espessura d = 80 å.
esquema para medir potencial de repouso em um oxônio.
origem do potencial de repouso
tanto o interior da célula como o meio extracelular estão cheios de uma solução salina. em soluções salinas muito diluídas, a maior parte das moléculas se decompõe em íons. esses íons movem-se livremente numa solução aquosa. os fluidos dentro e fora da célula são sempre neutros, isto é, a concentração de ânions em qualquer local é sempre igual à de cátions, não podendo haver um acúmulo local de cargas elétricas nesses fluidos.
pode-se imaginar a membrana celular como um capacitor no qual duas soluções condutoras estão separadas por uma delgada camada isolante - a membrana figura ao lado.
as cargas elétricas em excesso, +q e –q, que provocam a formação do potencial de repouso se localizam em torno da membrana celular. esse potencial se origina também na membrana celular: a superfície interna da membrana é coberta pelo excesso de ânions (–q), enquanto que, na superfície externa, há o mesmo excesso de cátions (+q).
a espessura de uma membrana isolante é cerca de 80 å, ou seja,
d 80 å = 8 x 10–9 m
supondo uma célula de forma cúbica de lado
10–5 m
o volume típico dessa célula é v 3 = 10–15 m3
enquanto que a área típica da membrana celular é
a 6 2 = 6 x 10–10 m2
pode-se considerar as cargas elétricas +q e –q como localizadas em duas placas paralelas infinitas. aplicando-se a fórmula pode-se calcular a capacitância elétrica da membrana celular por unidade de área. um valor característico para a constante de permitividade elétrica da membrana é
a diferença de potencial v0 entre as superfícies interna e externa da membrana está relacionada, segundo a fórmula, com a densidade superficial de carga elétrica nessas superfícies
conhecendo-se a capacitância por unidade de área de uma membrana, pode-se calcular , a partir do valor de v0 medido. para um potencial de repouso v0 = –70 mv,
exemplo: com os dados apresentados neste item, faça os gráficos de v e em função da coordenada x na direção perpendicular à membrana celular.
solução
nas superfícies interna e externa da membrana há uma descontinuidade no potencial elétrico v; nessas superfícies estão localizadas as cargas elétricas representadas pelas densidades + e – .
concentração iônica dentro e fora da célula
as concentrações iônicas nos fluidos dentro e fora das células são bem diferentes. na parte interna a concentração de íons k+ é bem maior que na parte externa. o oposto ocorre com os íons ci– e na+. a maior parte dos ânions intracelulares não são íons de ci–, mas grandes ânions protéicos designados aqui por a–. devido à mobilidade dos íons, o fluido deve ser neutro. a tabela abaixo mostra as concentrações iônicas no exterior c(1) e interior c(2) de uma célula muscular de rã.
tabela de concentrações iônicas de uma célula muscular de rã.
concentração c(1) concentração c(2) íon fora da célula no interior da célula
(10–3 mol/ ) (10–3 mol/ ) k+ 2,25 124 na+ 109 10,4 ca++ 2,1 4,9 mg++ 1,25 14,0 ci– 77,5 1,5 hco3 26,6 12,4 íons orgânicos 13 74
para esse tipo de célula, a concentração de potássio é 55 vezes maior dentro, enquanto que a concentração de cloro é quase 53 vezes maior no meio extracelular. assim,
a concentração de sódio é quase 11 vezes maior do lado de fora da célula. a solução salina extracelular é essencialmente uma solução de sal de cozinha com um conteúdo salino de 9 g/ . o excesso de íons na superfície interna da membrana é muito pequeno, comparado ao número de íons dentro da célula. por exemplo, para os íons k+, segundo a tabela.
considerando o volume dessa célula aproximadamente 10–15 m3, o número de íons de potássio em seu interior é
no item anterior foi obtida a densidade superficial de cargas . para uma área de 6 x 10–10 m2, a carga elétrica em cada uma das superfícies da membrana considerada é
a carga elétrica de um íon k+ é
1 e = 1,6 x 10–19 c
portanto, a carga q anterior corresponde à carga de n íons
os valores obtidos para nk e n neste item são típicos. a razão entre eles é
esse resultado mostra que apenas uma fração muito pequena dos íons presentes na célula permanece na superfície da membrana, criando o potencial v0.
<langue=br><sujet=potentiel-de-membrane><num=44><source=http://paginas.ucpel.tche.br/~mflessa/bi9.html>
biofísica potencial de membrana
podemos dizer que os seres vivos são máquinas que funcionam a base de eletricidade. como a célula é a menor expressão se um ser vivo, logo é fácil observar diferenças de potenciais elétricos entre os lados da membrana celular.
praticamente todas ás células do corpo, (com exceção de algumas raras células vegetais, o interior é sempre negativo e o exterior positivo) algumas células como as células nervosas e musculares, são excitáveis, isto é, capazes de auto gerar impulsos eletroquímicos em suas membranas e, na maioria dos casos, utilizar esses impulsos para a transmissão de sinais ao longo de membranas.
a origem desses potenciais é uma distribuição assimétrica de íons, especialmente de na+, k+ , cl- e hpo4-- . os fluidos dentro e fora da célula são sempre neutros, isto é, a concentração de ânions (íons negativos) em qualquer local é sempre igual ao de cátions (íons positivos) não podendo haver acúmulo local de cargas elétricas nesse fluido. podemos imaginar a membrana como um capacitor no qual as duas soluções condutoras estão separadas por uma delgada camada isolante, a membrana. as cargas elétricas em excesso, que provocam a formação de um potencial elétrico, se localizam em torno da membrana celular: a superfície interna da membrana é coberta pelo excesso de ânios(-), enquanto que, na superfície externa, há o mesmo potencial cátions(+) falta de elétrons.
o potencial de membrana existe sob duas formas principais: o potencial de repouso e o potencial de ação.
potencial de repouso: esse potencial tem sua origem em um mecanismo simples, de alternância entre o transporte ativo e o transporte passivo de pequenos íons. as figuras representam as concentrações e o tipo de transporte de cada íon.
fase 1- os íons sódio (na+) entram passivamente na célula, através do gradiente de concentração.
fase 2 - a célula expulsa esses íons (na+) ativamente, ao mesmo tempo que introduz, também ativamente, um íon potássio (k+) .
fase 3 - o íon potássio (k+ ) tem grande mobilidade e volta passivamente, para o lado externo da membrana, conferindo-lhe carga positiva. do lado interno, íons fosfato e especialmente proteínas aniônicas fornecem carga negativa.
o íon cl- acompanha, por atração elétrica o íon na+ , e diminui o potencial elétrico, ficando a célula polarizada.
todas células possuem potencial de trans-membrana (repouso - 90 mv), que desaparece quando a célula morre.
potencial de ação: é uma variação brusca do potencial de membrana , provocada por estímulos externos.
vários estímulos podem deflagrar o potencial de ação: como químicos, elétricos, eletromagnéticos, e até mecânicos. há células especiais, auto-excitáveis, que geram ritmamente o potencial de ação. essas células são responsáveis pelo início dos movimentos repetitivos biológicos, como batimentos cardíacos e freqüência respiratória.
o potencial de ação de uma célula excitável dura apenas alguns milésimos de segundo, e pode ser dividido nas seguintes fazes:
1ª - despolarização: abertura dos canais de sódio, isso propicia um fluxo intenso de íons na+ de fora para dentro da células, por um processo de difusão simples.
como resultado do fenômeno, o líquido intracelular se carrega positivamente e a membrana passa a apresentar um potencial inverso daquele encontrado nas condições de repouso. (positivo no interior e negativo no seu exterior)
o potencial de membrana nesta fase é de aproximadamente +45mv.
2ª - repolarização:
durante este espaço de tempo, a permeabilidade aos íons sódio retorna ao normal e, simultaneamente, ocorre um aumento na permeabilidade aos íons potássio (saída), devido ao excesso de cargas positivas encontradas no interior da célula (maior concentração de potássio dentro da célula).
já os íons sódio que estavam em grande quantidade no interior da célula, vão sendo transportados ativamente para o exterior, pela bomba de sódio-potássio.
todo este processo faz com que o potencial da membrana celular volte a ser negativo. o potencial nesta fase passa a ser de aproximadamente de -95mv (pouco mais negativo que no potencial de repouso).
3ª - repouso: é a fase em que a célula volta a situação anterior a excitação. nesta fase a permeabilidade aos íons potássio retorna ao normal e a célula retorna as condições iniciais com potencial de membrana em torno de -90mv.
este processo como um todo perdura por aproximadamente, 2 a 3 mili-segundos na grande maioria das células do corpo humano. mas existe células excitáveis como por exemplo células do músculo cardíaco, cujo potencial de ação varia de 1,15 a 0,3 segundos, tais potenciais ocorrem na fase em que a célula está despolarizada. esses potenciais são denominados potenciais de platô.
<langue=br><sujet=potentiel-de-membrane><num=44><source=http://paginas.ucpel.tche.br/~mflessa/bi10.html>
potencial em células nervosas
as células nervosas (neurônio) possuem propriedades similares as outras células em muitos aspectos: elas se alimentam, respiram, passam por processos de difusão e osmose, mas diferem em um aspecto importante, elas processam informação.
os neurônios não existem isoladamente, eles conectam-se uns aos outros formando as chamadas cadeias neuronais, as quais transmitem informações a outros neurônios ou músculos.
os neurônios são células independentes entre si, embora estejam conectados uns aos outros pelas chamadas sinapses. cada neurônio é formado por um corpo central celular, onde se encontra o núcleo da célula, contendo sua informação genética. dela partem numerosas ramificações, chamadas dendritos, que estão conectados aos outros neurônios vizinhos. um desses dendritos, denominado axônio, é o prolongamento mais importante, encarregado de transmitir os impulsos nervosos. o axônio conta também com vários prolongamentos em sua terminação, através da qual se conecta com dendritos de outros neurônios ou com os músculos. nesse último caso, um desses prolongamentos se alarga formando uma espécie de placa de contato, por meio da qual se transmite o impulso elétrico: é a placa motora, que transmite os impulsos de saída.
existem neurônios com diferentes funções como: neurônio sensitivo, neurônio associativo e neurônio motor.
potencial de membrana em fibras nervosas
o potencial de membrana das fibras nervosas de grande calibre, quando não é transmitido sinais nervosos, é de cerca de - 90mv. isto é, o potencial no interior da fibra nervosa é de 90mv mais negativo que o potencial do líquido intersticial, por fora da fibra.
transporte ativo de sódio e potássio através da membrana neural
todas as membranas celulares do corpo possuem uma potente bomba de sódio-potássio e que essa bomba, continuamente, bombeia sódio para o exterior e potássio para o interior da célula. essa bomba é eletrogênica, pois mais cargas positivas são bombeadas para fora que para dentro (três íons sódio (na+) para o exterior para cada dois íons potássio (k+) para o interior), deixando um déficiti efetivo de íons positivos no interior; isto é o mesmo que criar cargas negativas no interior da membrana celular.
a bomba de sódio-potássio promove os gradientes de concentração para o sódio e o potássio através da membrana neural de repouso.
vazamento de sódio e potássio através da membrana neural
a bicamada lipídica possui proteínas de canal em sua constituição, uma destas proteínas de canal, pela qual os íon sódio e potássio podem vazar por difusão simples, é denominada canal de vazamento para sódio e potássio. vamos dar ênfase sobre o vazamento de potássio, porque, em média os canais são mais permeáveis ao potássio que ao sódio, cerca de 100 vezes mais. isso é extremamente importante, levando em conta que a determinação do valor do potencial de repouso se deve em grande parte ao íon potássio.
potencial de repouso
os fatores importantes para o estabelecimento do potencial de membrana em repouso normal - 90mv são:
difusão de sódio e potássio
devido a reduzida permeabilidade da membrana neural aos íons, causada pela diminuta difusão de íons sódio pelos canais de vazamento k+ /na+ . a proporção entre os íons sódio do interior e do exterior é de 0,1 enquanto que a proporção passa o íon potássio é de 35 para 1, de modo intuitivo, pode-se ver que, a difusão do potássio terá contribuição muito maior para o potencial de membrana que a difusão de sódio. na fibra nervosa a permeabilidade da membrana ao potássio é cerca de 100 vezes que para o sódio. o potencial interno da membrana obtido por este conjunto de fatores é de - 86mv.
bomba de sódio potássio
a contribuição da bomba de sódio-potássio, como já foi colocado, ocorre o bombeamento contínuo de três íons sódio para o exterior, e dois íons potássio para para o interior da membrana. o fato de serem bombeados mais íons sódio para o exterior que potássio para o interior resulta em perda continuada de cargas positivas pelo interior da membrana, o que causa grau adicional de negatividade (-4mv), logo o potencial de membrana efetivo, com todos os fatores atuando ao mesmo tempo, é de -90mv.
resumindo
os potenciais de difusão, causados pela difusão do sódio e principalmente do potássio produziriam um potencial de membrana na ordem de -86mv, e -4mv seriam resultado da contribuição da bomba eletrônica de sódio-potássio, produzindo potencial efetivo de membrana de -90mv.
o potencial de membrana em repouso nas grandes fibras musculares esqueléticas é, aproximadamente, o mesmo que o das fibras nervosas mais calibrosas, em torno de -90mv. contudo, nas fibras nervosas mais delgadas e nas fibras musculares, por exemplo, as do músculo liso, bem como muitos neurônios do sistema nervoso central, o potencial de membrana pode ser de apenas -40mv a -60mv, em vez de -90mv.
potencial de ação neural
os sinais neurais são transmitidos por meio de potenciais de ação, que são variações muito rápidas do potencial de membrana. cada potencial de ação começa por modificação abrupta do potencial de repouso normal, para um potencial positivo e, em seguida retorna rapidamente para o potencial negativo. para produzir um sinal neural, o potencial se desloca, ao longo da fibra nervosa, até atingir o seu término.
durante o período de repouso, antes do início do potencial de ação, a condutância do potássio é cerca de 50 a 100 vezes maior que o sódio. isso causado pelo maior vazamento de íons potássio que de íons sódio pelos canais de vazamento . com o início do potencial de ação (através de um estímulo) o canal de sódio voltagem dependente ficam instantaneanemente ativados, permitindo um aumento de 500 vezes a condutância do sódio.(fase de despolarização). em seguida, o processo de inativação fecha os canais de sódio dentro de fração de milisegundos. o inicio do potencial de ação também leva á ativação, pela voltagem, os canais de potássio, fazendo-os abrir em fração de milisegundos após a abertura dos canais de sódio (fase de repolarização). e ao término do potencial de ação, o retorno do potencial de membrana seu estado negativo faz com que os canais de os potássio se fechem, voltando ao seu estado original, o que só ocorre após breve retardo. (hiperpolarização -95mv).
canais de sódio e potássio voltagem dependentes
o agente necessário para a produção da despolarização e da repolarização da membrana neural, durante o potencial de ação, é o canal de sódio voltagem-dependente. contudo, o canal de potássio voltagem-dependente também tem participação importante ao aumentar a rapidez de despolarização da membrana. esses dois canais voltagem-dependentes existem juntamente com a bomba de sódio-potássio e os canais de vazamento de sódio e potássio.
canal de sódio voltagem dependente
esse canal possui duas comportas , uma próxima à extremidade externa do canal, chamada de comporta de ativação, e outra próxima a extremidade interna, chamada de comporta de inativação. no potencial de repouso, quando o potencial da membrana é -90mv, a comporta de ativação fica fechada, o que impede a passagem se sódio para o interior da fibra. por outro lado as comportas de inativação estão abertas.
ativação do canal de sódio
quando o potencial de membrana fica menos negativo, passando de -90mv para zero, ele passa por uma voltagem, entre -70 e -50mv, que provoca as alterações conformacionais da comporta de ativação, fazendo com que ela abra (estado ativado), durante este estado, os íons sódio podem jorrar por esses canais, aumentando a permeabilidade ao sódio da membrana por até 50 a 500 vezes.
o aumento da voltagem que abre a comporta de ativação também fecha a comporta de inativação. contudo, o fechamento da comporta de inativação só ocorre após alguns décimos de milésimos de segundo da abertura da comporta de ativação (processo lento de fechamento). a partir desse momento, o potencial de membrana começa a variar em direção ao valor normal do estado de repouso (processo de repolarização).
obs.: não é possível nova abertura dos canais de sódio até que o potencial de membrana retorne a seu valor de repouso ou muito próximo a ele.
canal de potássio voltagem dependente
durante o estado de repouso, o canal de potássio fica fechado, como mostra a figura, e os íons são impedidos de passar por esse canal para o exterior. quando o potencial de membrana começa a a aumentar, a partir de -90mv, em direção a zero, essa variação de voltagem provoca alteração conformacional abrindo o canal e permitindo o aumento da difusão do potássio por ele. contudo, devido à lentidão com que esses canais de potássio se abrem, eles ficam abertos apenas a partir do momento em que os canais de sódio começam a ser inativados e, portanto, se fechando. assim, a diminuição do influxo de sódio para a célula, com aumento simultâneo de efluxo de potássio, acelera de muito o processo de repolarização, levando, dentro de poucos décimos milésimos de segundo, à recuperação completa do potencial de membrana de repouso.
anatomia fisiológica da fibra nervosa
os axônios das células nervosas apresentam-se envoltos por dobras únicas ou múltiplas de certas células, sendo o conjunto axônio e dobras envoltórias denominado neurofibra ou fibra nervosa. as células envolventes são oligodentrócitos (antigamente chamados de células de schwann).
quando os axônios estão envolvidos por uma única dobra da célula envoltória, são denominados fibras nervosas (nervos) amielínicos. e quando a célula envoltória apresenta várias camadas enroladas em espiral ao redor do axônio, eles são denominados nervos mielínicos.
um tronco nervoso típico contém cerca de duas vezes mais fibras amielínicas do que mielínicas.
como já sabemos a parte central dessa fibra esta o axônio que representa a verdadeira membrana condutora. o interior do axônio é ocupado pelo axoplasma, que é o líquido intracelular bastante viscoso, circundando o axônio existe a bainha de mielina que, muitas vezes, é bem maior que o próprio axônio, e que a intervalos de cerca de 1 a 3mm, ao longo de toda a extensão do axônio (que em alguns casos pode atingir 1m de comprimento) é interrompida pelos nodos de ranvier.
a bainha de mielina contém substâncias lipídica esfingomielina . essa substância é excelente isolante, capaz de diminuir o fluxo iônico através da membrana por cerca de 5000 vezes, ao mesmo tempo que reduz a capacitância da membrana em cerca de 50 vezes. contudo, no ponto de junção entre duas células de schwann sucessivas, ao longo do axônio, persiste pequena região não isolada, com cerca de 2 a 3 mm de extensão, por onde os íons podem fluir, com facilidade, do líquido extracelular para o interior do axônio. essa região é o nodo de ranvier.
condução saltatória em fibras mielínicas
muito embora íons não possam fluir com intensidade significativa através das espessas bainhas de mielina dos nervos mielinizados, eles podem fluir com grande facilidade pelos nodos de ranvier. por conseguinte, os potenciais de ação são conduzidos de nodos a nodo, esse processo é chamado de condução saltatória, isto é, a corrente elétrica flui pelo líquido extracelular que circunda a fibra, mas também pelo axoplasma, de nodo a nodo, excitando seqüencialmente os sucessivos nodos.
a condução saltatória é importante por duas razões. primeira, por fazer com que a despolarização salte por sobre longos trechos, ao longo do eixo da fibra nervosa, esse mecanismo aumenta de muito a velocidade da transmissão neural na fibra mielinica por até 5 a 50 vezes. segundo, a condução saltatória conserva a energia para o axônio, pois apenas nos nodos se polarizam, permitindo perda de íons cerca de 100 vezes menor do que seria necessária, caso não ocorre-se esse tipo de condução, exigindo pouca atividade metabólica para o restabelecimento das diferenças de concentração de sódio e potássio.
condução ortodrômica e antidrômica
quando um nervo é estimulado, o impulso elétrico caminha igualmente nos dois sentidos. a condução no sentido naturalmente programado para o nervo é chamada de ortodrômica (ortos = certa; dromos= pista). a que se propaga em sentido contrário é antidrômica (anti = contra; dromos = pista).
entre os mecanismos naturais para impedir a condução antidrômica, existem as sinapses. tanto as sinapses excitatórias como as inibitórias, bloqueiam os impulsos.
sinapses inibitórias e excitatórias
a transmissão do impulso nervoso entre dois neurônios ou entre um neurônio e um fletor, como o músculo, é feito através de uma estrutura denominada sinapse a sinapse é uma espécie de relé elétrico. existem vários tipos de sinapses. em toda sinapse há uma junção da parte terminal de um axônio de uma célula pré-sinaptica, com os dendritos de uma célula pós-sinaptica. a transmissão da informação na fibra pré para a pós-sinaptica é feita através de um mediador químico(na grande maioria das sinapses), ou através de contato elétrico (tipo especial de sinapse). existem ainda sinapses mistas, onde há condução química e elétrica.
sinapse elétrica
na sinapse elétrica, o impulso que chega é rapidamente transmitido a fibra pós-sinaptica, com um mínimo período de latência.
sinapse química
nas sinapses onde a mediação do impulso é através da liberação de uma substância química, há sempre uma latência maior para o aparecimento do pulso pós-sinaptico. essa latência pode chegar a 1,5ms, tendo um tempo mínimo de 0,5ms para saltar da fibra pré para a fibra pós-sinaptica.
a substância liberada pela vesícula, o mediador químico, que é capaz de transmitir o impulso, chama-se geralmente de neurotransmissor .
a natureza do neurotransmissor determina se o impulso que chega na fibra pré-sinaptica vai passar (sinapse exciotatória),ou vai ser bloqueado(sinapse inibitória).
na sinapse excitatória, o potencial de ação chega a extremidade pré-sinaptica, e libera o neurotransmiossor das vesículas. esse mediador liberado atravessa a fenda sinaptica e se localiza em receptores específicos, resultando em aumento da permeabilidade da membrana a íons sódio, especialmente. a penetração dos íons sódio na+ despolariza a membrana pós-sinaptica, quando suficientemente intensa, inicia um potencial de ação que continua no mesmo sentido do anterior.
na sinapse inibitória o processo é semelhante, mas o neurotransmissor liberado aumenta a permeabilidade aos íons potássio k+ , especialmente ao íon cloro cl- , que penetra na membrana pós-sinaptica, provocando uma hiperpolarização: o interior fica mais negativo, o exterior mais positivo. assim o potencial de ação que chega não
<langue=br><sujet=potentiel-de-membrane><num=45><source=http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/enfmc/xxiv/programa/res0940.pdf>
avaliação do potencial de membrana de mitocôndrias em células irradiadas
celia marinho manzanete carnevalli, kátia calligaris rodrigues, newton soares da silva, renato amaro zângaro, cristina pacheco-soares ip&d-univap o efeito do laser de baixa potência, sobre mitocôndrias tem sido amplamente investigado, no sentido de verificar o aumento da produção de atp após irradiação. o objetivo deste trabalho foi verificar a influência do laser de baixa potência na atividade mitocondrial in vitro, analisando o potencial de membrana interna mitocondrial desta forma utilizando marcador fluorescente (jc 1). utilizamos células cho-k1 que foram cultivadas em placas nunc de 24 poços, contendo 1x104 células/ml em meio mem com soro fetal bovino a 10% e incubadas por um período de 12 horas a 37oc em atmosfera de 5% de co2. as células foram irradiadas com laser de baixa potência, com densidade de energia de 2j/cm2 e comprimento de onda de 830 nm em períodos de 12 em 12 horas, durante 48 horas. a análise da atividade mitocondrial foi avaliada, através da observação de epifluorescência em microscópio leica dmlb. as placas do grupo controle foram mantidas sob as mesmas condições que o grupo irradiado. observou-se nas células irradiadas um aumento progressivo do número de mitocôndrias, estando estas em sua maioria com aspecto vesiculado indicando um alto potencial de membrana (coloração amarela) enquanto que no grupo controle as células apresentam-se com aspecto filamentoso indicando um baixo potencial de membrana (coloração verde).
<langue=br><sujet=potentiel-de-membrane><num=46><source=http://www.scielo.br/scielo.php>
estudo do potencial de membrana mitocondrial em ratos cirróticos hepatectomizados após aplicação de laser1
study of mitochondrial membrane potential in cirrhotic and hepatectomized rats after laser irradiation
resumo: através da determinação do potencial de membrana mitocondrial, o presente estudo relata os efeitos da irradiação laser sobre o estado energético do fígado cirrótico de ratos hepatectomizados. a cirrose hepática foi induzida por ligadura do ducto biliar comum. os resultados revelaram melhora do status energético do fígado após irradiação. descritores: cirrose hepática, hepatectomia, laser, potencial de membrana mitocondrial. key words: hepatic cirrhosis, hepatectomy, laser, mitochondrial membrane potential.
introdução: a cirrose hepática é definida histologicamente pela existência de nódulos de regeneração circundados por tecido fibroso distorcendo completamente a arquitetura parenquimatosa. constitui o estádio final, irreversível e comum de elevado número de hepatopatias crônicas de várias etiologias. a ressecção sobre fígados cirróticos ainda é bastante temida apesar dos avanços técnicos, pois ao contrário de fígados normais, na cirrose hepática há diminuição da capacidade de regeneração hepática e do grau de reserva funcional o que conduz a uma limitação cirúrgica pois obriga a uma redução na amplitude das ressecção6. foi demonstrado que a irradiação laser em fígados normais de ratos hepatectomizados elevou a taxa mitótica deste órgão.1,2 este processo não foi elucidado em animais cirróticos. o laser é um sistema que amplifica a intensidade de luz, produzindo um feixe forte altamente direcionado com comprimento de onda específico7. o interesse neste tema reside na possibilidade de aplicação clínica complementar do laser para acelerar a regeneração do fígado cirrótico na vigência de ressecções sobre o órgão, tendo por finalidade maior o retorno funcional, sobretudo, e estrutural o mais precocemente possível. o objetivo deste estudo consiste na avaliação da capacidade energética do fígado cirrótico após hepatectomia parcial através da determinação do potencial de membrana mitocondrial (pm).
métodos: ratos wistar machos (peso 200-250g) foram submetidos à ligadura do ducto biliar por 4 semanas para obtenção de cirrose biliar secundária. usou-se a técnica do enovelamento do ducto biliar comum: exposição do ducto biliar seguida de ligadura a 3 mm acima da junção biliopancreática com 5 nós de fio prolene 5.0 (ethicon, ync) e com o mesmo fio enovelando-se o ducto biliar comum em direção ascendente até 5mm da bifurcação, finalizada por uma ligadura adicional com 5 nós. com esta técnica de enovelamento do ducto biliar foram obtidas alterações morfo-funcionais e bioquímicas compatíveis com obstrução biliar crônica e lesão hepática avançada. no pós-operatório os animais receberam vitamina k 15u, via subcutânea, a cada 3 dias. estudaram-se cinco grupos cn; cc; cl; ch; chl; respectivamente: controle normal; controle cirrótico; cirrótico irradiado; cirrótico hepatectomizado; cirrótico hepatectomizado e irradiado. após 4 semanas da obstrução, seguiu-se a segunda fase do experimento. nos grupos ch e chl realizou-se hepatectomia a 30%, com excisão do lobo lateral esquerdo do fígado. nos grupos cl e chl procedeu-se a irradiação hepática. usou-se laser vermelho, 630nm, 50mw/cm2 por 5 minutos. sacrifício e coleta de material se deu após 24h. o potencial de membrana (pm) foi determinado espectrofluoroscopicamente4 usando-se safranina o como indicador em fluorímetro slm aminco dw2000, comprimentos de onda de 495 nm para excitação e 586 nm para emissão.
resultado: em relação ao grupo cn houve diminuição do pm em todos os grupos cirróticos exceto no chl (valores medianos cn, cc, cl, ch, chl são respectivamente 147; 143; 144; 144; 149). entre os cirróticos, o grupo chl apresentou aumento do pm quando comparado aos demais (p inf 0,05). outra diferença se deu entre cc e cl, com aumento do pm no ultimo (tabela).
discussão: a integridade do potencial da membrana mitocondrial corresponde diretamente a produção de energia. a transferêcia de elétrons ao longo da cadeia transportadora é acompanhada pela extrusão de prótons transmembrana mitocondrial e a energia inerente nesta diferença de concentração de prótons, a força próton-motora, representa uma conservação de parte da energia da oxidação, subseqüentemente usada na formação de atp. foi postulado5 que a absorção de luz pela cadeia transportadora de elétrons causaria aumento da força próton-motora, aumentando o potencial de membrana mitocondrial, conseqüentemente o pool de atp. neste trabalho, confirmou-se o aumento do potencial de membrana no grupo hepatectomizado e irradiado (chl) em relação aos demais.
conclusão: neste trabalho aumento do pm no grupo chl em relação aos demais revela uma melhora bioquímica da ação do laser sobre a cirrose o que poderá significar futuramente a possibidade de ampliação das ressecções sobre fígados cirróticos.
<langue=br><sujet=potentiel-de-membrane><num=47><source=http://dequim.ist.utl.pt/bbio/77/pdf/citometria2.pdf>
métodos em biotecnologia - citometria de fluxo ii boletim de biotecnologia citometria de fluxo - funcionalidade celular on-line em bioprocessos introdução a necessidade de se obter informação no decorrer dos bioprocessos, tem contribuído para o aparecimento e utilização de uma grande diversidade de técnicas e ferramentas concebidas para o efeito. os dados obtidos não só têm permitido aprofundar o conhecimento dos processos, como também o desenvolvimento de novas estratégias. um citómetro de fluxo é um sistema constituído por 5 elementos: fonte(s) de radiação, (lâmpada de mercúrio ou laser), uma câmara de fluxo, unidades de filtros ópticos para selecção de um intervalo de comprimento de onda específico a partir duma gama espectral mais vasta, fotodíodos ou fotomultiplicadores para a detecção sensível e processamento dos sinais com interesse e uma unidade que processa os dados recolhidos (figura 1). a suspensão celular é injectada e atravessa a câmara onde se dá a passagem célula a célula através do feixe de radiação, perpendicular ao fluxo. a passagem individual das células é obtida através da focagem hidrodinâmica do fluxo de amostra, sendo esta injectada no seio de uma solução salina (sheath fluid) que também atravessa a câmara (figura 2). a diferença de velocidades entre os dois fluidos faz com que o fluxo se processe em regime laminar. a velocidade de escoamento da solução de revestimento (sheath fluid) é superior à da amostra, e ajustável, o que permite reduzir e controlar a espessura da solução da amostra de forma a que possa passar uma célula de cada vez. desta forma, podem detectar-se até 10000 células (eventos) por segundo. o feixe de radiação de excitação ao interceptar a partícula (célula) na câmara, sofre dispersão quer na direcção frontal (forward scattering), quer lateral (side scattering). a radiação assim dispersa é detectada directamente por fotodíodos (dispersão frontal) ou pode ser desviada a 90º por lentes, espelhos dicróicos e filtros ópticos e focada em fotomultiplicadores. a combinação destes tipos de radiação dispersa revela informações importantes tais como a dimensão celular, a granularidade/complexidade e a morfologia. compostos intracelulares com fluorescência intrínseca (ex: clorofilas, ficobiliproteínas, nad(p)h, etc.) ou passíveis de se ligarem a corantes fluorescentes (fluorocromos), permitem a diferenciação selectiva de subpopulações com base na combinação de vários fluorocromos. a fluorescência destes compostos é também detectada por fotomultiplicadores, através de um sistema de lentes, espelhos dicróicos e filtros ópticos. os citómetros actuais mais sofisticados podem possuir até 16 detectores em simultâneo (radiação dispersa e fluorescente), o que permite analizar múltiplas possibilidades de características celulares e/ou componentes celulares de um elevado número de células de forma individual (rieseberg el al., 2001). esta versatilidade designa-se por análise multiparamétrica. côrte-real et al. (2002) publicaram um extenso artigo de divulgação sobre a citologia analítica (citometria de fluxo) em estudos de leveduras. a presente publicação abordará a mesma técnica, mas aplicada a estudos de organismos procarióticos (bactérias), em bioprocessos. 1. detecção e contagem de microrganismos classicamente a viabilidade em bactérias é definida pela capacidade destas formarem colónias em meios de cultura sólidos ou de proliferarem em meios de cultura líquidos. estes ensaios são morosos, principalmente se o organismo em estudo apresenta uma baixa taxa de crescimento, reflectindo-se em longos tempos de incubação (horas ou dias). por outro lado, estes sistemas de detecção da viabilidade celular estão dependentes do crescimento das bactérias em ambientes artificiais. este facto limita a interpretação dos resultados obtidos por estes métodos, uma vez que a escolha de um meio de cultura inadequado pode resultar numa contagem de colónias imprecisa. além disso, algumas células crescem apenas em condições anaeróbias, outras em condições aeróbias e, outras em ambas as condições. portanto, a contagem realmente representativa de todos os microrganismos de uma determinada população apenas poderá ser feita através de métodos ópticos. devido ao coeficiente de variação (erro estatístico) associado à contagem (n0.5), é necessário examinar mais de 100 eventos para se obter um coeficiente de variação inferior a 10%. com 1000 eventos, este coeficiente atinge 3% e acima de 5000, é inferior a 1%. por este motivo, e também devido teresa lopes da silva1, alberto reis1, christopher hewitt2 e josé carlos roseiro1 1 instituto nacional e engenharia e tecnologia industrial - departamento de biotecnologia, estrada do paço do lumiar, 1649-038, lisboa codex - portugal, e-mail: teresa.lopesilva@ineti.pt 2 biochemial engineering - school of engineering (chemical engineering), the university of birmingham, edgbaston, b15 2tt, uk. métodos em biotecnologia - citometria de fluxo ii
à rapidez da análise, a citometria de fluxo é preferível à citometria de imagem , a menos que seja necessária informação espacial das células. há vários métodos de contagem de células. o mais utilizado – o método de contagem raciométrico – é baseado na adição de uma determinada concentração de partículas de referência (esferas que emitem fluorescência) à amostra. o volume da amostra analisado pode ser determinado a partir do número de esferas contadas enquanto a amostra está a passar no citómetro; a contagem das células é então determinada dividindo o número de células contadas por este volume. a utilização do método raciométrico permite corrigir tempos mortos e variações de fluxo que eventualmente possam ocorrer num equipamento que funcione com diferenças de pressão no processamento da amostra. a maioria dos fabricantes de citómetros de fluxo produz esferas de contagem de concentração conhecida para o seu equipamento, pelo que este método, pela sua rapidez e simplicidade, se tornou vastamente utilizado (application note, bd biosciences). acresce que a região delineada pelas esferas nos gráficos de radiação dispersa pode ser utilizada como controlo de alinhamento do laser on-line. a contagem precisa e rigorosa de células exige suspensões de células individuais, não agregadas. os agregados de células quando inoculados em meio sólido, dão origem a uma única colónia, ou a um único evento no citómetro. por exemplo, se uma célula num tripleto é positiva para um marcador de morte celular, todo o agregado celular será contabilizado como uma célula morta, mas as outras duas células viáveis irão produzir uma colónia, quando inoculadas em placas de agar. situações como esta introduzem um erro significativo na contagem de células por citometria de fluxo. os agregados de células podem ser dispersos através de métodos químicos ou mecânicos. os métodos mecânicos têm uma vasta aplicação, mas podem surgir problemas quando aplicados a microrganismos filamentosos ou leveduras. o tratamento com ultra-sons é o método mais adequado na desagregação de células, mas é importante optimizar os níveis de energia a utilizar, bem como os tempos de aplicação desses níveis, e garantir que essas condições sejam aplicadas de forma reprodutível (nebevon- caron et al., 2000). 2. o conceito de viabilidade celular do ponto de vista da citometria de fluxo a informação que se pode retirar dos ensaios de viabilidade sobre os estados fisiológicos das células é limitada a dois níveis extremos de actividade metabólica: o saudável, presente em células viáveis com capacidade para se dividirem, e o correspondente à morte celular. contudo, a sensibilidade dos microrganismos ao ambiente em que se desenvolvem põe em causa a informação obtida através dos ensaios de viabilidade, pois células que se encontrem num estado fisiológico intermédio entre o metabolicamente activo e a morte celular podem não ser contabilizadas. a vantagem da citometria de fluxo em analisar células individualmente consiste na detecção de uma variedade de estados fisiológicos celulares intermédios que realmente existem numa determinada população, descobrindo assim uma heterogeneidade nunca antes revelada (nebe-von caron et al., 1995, 2000). além disso, os dados obtidos através das técnicas da microbiologia clássica são relativos à cultura como um todo, ou seja, uma amostra representativa da cultura microbiana apresenta um único valor, referente à média dos valores de um determinado parâmetro, de todas as células. contudo, numa população microbiana, as células não se encontram todas no mesmo estado metabólico e fisiológico, pelo que figura 1 - configuração de um citómetro de fluxo (bd biosciences/ enzifarma) lentes de convergência laser câmara de fluxo fotodíodo detector de dispersão frontal fotomultiplicador radiação dispersa a 90º fotomultiplicadores fluorescências fl1 fl2 fl3 fl4 amostra câmara de fluxo sheat fluid figura 2 - (adaptação de slide disponível em berkeley university/flow cytometry facility, ver endereço da internet nas referências). representação esquemática de uma câmara de fluxo. a passagem individual das células (eventos) é conseguida por focagem hidrodinâmica do fluxo de amostra no seio de uma solução salina (sheat fluid). 1 diluições seriadas da amostra e posterior inoculação das diluições correspondentes a concentrações adequadas de microrganismo, de modo a obter-se um número de colónias contáveis em placas de petri. métodos em biotecnologia - citometria de fluxo ii boletim de biotecnologia se torna necessário detectar e descrever as várias subpopulações de forma diferenciada. a citometria de fluxo permite a avaliação da heterogeneidade de culturas microbianas, à escala da célula individual, não ignorando outras ferramentas importantes tais como a microscopia de varrimento confocal e a análise de imagem (porter et al., 1996). desta forma, dados discretos representando subpopulações diferentes podem fornecer uma imagem mais detalhada e real da complexidade e heterogeneidade que ocorre num determinado bioprocesso (porter et al., 1996; rieseberg et al., 2001). por estes motivos, esta técnica tem tido cada vez mais impacto na comunidade científica. a combinação de vários fluorocromos em citometria de fluxo permite a diferenciação de diferentes subpopulações numa determinada população, correspondentes a diferentes níveis de funcionalidade das células. esta diferenciação levou à introdução do termo 3viável, mas não culturável , aplicado a células que não estando metabolicamente activas, também não estão mortas e, evidentemente, não são reveladas através dos ensaios de viabilidade celular. a utilização de critérios do funcionamento celular tais como o potencial da membrana citoplasmática e a integridade da mesma, os quais serão descritos adiante em detalhe, permitem caracterizar estes estados metabólicos (nebe-von caron et al. 2000). as células de bactérias saudáveis são delimitadas por uma membrana citoplasmática que lhes permite comunicar selectivamente com o ambiente que as rodeia. os sistemas de transporte activo geram um gradiente electroquímico que é fundamental para o perfeito funcionamento de uma célula saudável. o corante fluorescente brometo de etídio (be) consegue atravessar uma membrana polarizada, mas só se liga às cadeias do adn quando a célula não possui um sistema de transporte activo não específico protão/ antiporte. este sistema quando se encontra activo, expulsa este fluorocromo da célula (midgley, 1987). o iodeto de propídio (ip) também se liga às cadeias do adn, mas não consegue atravessar uma membrana citoplasmática saudável. bis-oxonol é um corante lipofílico e aniónico que acumula intracelularmente desde que a célula se encontre despolarizada, como se verá adiante. a utilização da mistura destes corantes permite a diferenciação dos seguintes estados metabólicos funcionais: células saudáveis (com capacidade para se dividirem), vitais , intactas e permeabilizadas (tabela 1). pensa-se que quando uma célula se encontra sob stresse, alguns dos sistemas de transporte activo são afectados (células vitais ), seguindo-se a despolarização da membrana citoplasmática (células intactas) e, mais tarde, a sua permeabilização (mortas). células sem a membrana citoplasmática intacta não conseguem manter ou gerar o gradiente de potencial electroquímico que origina o potencial de membrana. além disso, a sua estrutura interna, não estando protegida por uma membrana citoplasmática intacta, encontra-se livremente exposta ao meio ambiente, pelo que estas células acabarão por se decompor. todas estas etapas conduzem à morte celular (nebe-von-caron e badley, 1995, hewitt e nebe-von-caron, 2001). é assim possível diferenciar o estado fisiológico de uma célula individual, para além do clássico e estrito conceito de viabilidade, baseado no funcionamento de alguns sistemas de transporte activo, ou na presença ou ausência da membrana citoplasmática intacta e polarizada. a capacidade das células vitais e intactas de se dividirem pode ser demonstrada em separado, através da técnica cell sorting (hewitt et al., 1999a, nebe-von-caron et al., 2000). a citometria de fluxo surge assim como uma técnica consistente e fiável na detecção das verdadeiras percentagens de células viáveis e mortas, numa determinada população de microrganismos e, por vezes, em situações em que a microbiologia clássica não consegue dar qualquer resposta. a detecção de actividade metabólica, reveladora de crescimento associado à divisão celular é de fácil execução, mas pode haver metabolismo mesmo na ausência de crescimento, e que produza efeitos indesejáveis tais como a degradação de alimentos, a acumulação de toxinas ou a transferência de genes. em caso de lesões, dormência (estado fisiológico intermédio entre a morte e o metabolicamente activo) ou privação extrema de nutrientes nas células, a actividade metabólica pode não ser facilmente detectável. nestas circunstâncias, é possível determinar a integridade da membrana através da retenção ou exclusão de corantes. 2.1 estimativa do potencial de membrana o potencial de membrana é o parâmetro de viabilidade actividade metabólica mais utilizado em citometria de fluxo aplicada a microrganismos. é gerado pela diferença de concentrações de iões no interior e no exterior da membrana citoplasmática e, como componente do gradiente electroquímico, está intimamente relacionado coma formação de atp na célula (shapiro, 2000) tabela 1. classificação da funcionalidade celular baseada na actividade metabólica da célula (nebe-von-caron et al., 2000) estado fisiológico propriedade observada flurocromo células saudáveis a) membranas citoplasmáticas intactas polarizadas b) presença do sistema de trasnsporte activo carbocianinas (corante lipofílico catiónico) dio células vitais a) ausência do sistema de transporte activo que excluí o be brometo de etídeo (be) células intactas a) ausência de transporte activo que excluí o be b) membrana citoplasmática despolarizada brometo de etídio (be) bis-oxonol (box) dio células mortas a) ausência do sistema de transporte activo que excluí o be b) membrana citoplasmática despolarizada permeabilizada brometo de etídio (be) bis-oxonol (box) iodeto de propídio métodos em biotecnologia - citometria de fluxo ii
em bactérias metabolicamente activas com membranas citoplasmáticas intactas, a diferença de potencial, situa-se geralmente entre –100 e –200 mv, encontrando-se o interior da membrana carregado negativamente. a despolarização da membrana ocorre quando o valor de se desloca para valores menos negativos, portanto, mais próximos de zero e, a hiperpolarização ocorre quando a alteração dos valores de se dá na direcção oposta, ou seja, para valores mais negativos. o valor de é nulo quando a membrana apresenta danos estruturais tais que permite a livre passagem de iões, o que pode suceder quando a célula sofre, por exemplo, um tratamento térmico, ou um tratamento com antibióticos da família das beta-lactamas, entre outros. o tratamento das células com ionóforos, tais como a cianina carbonil m-clorofenilhidrazona (cccp), também anula o potencial de membrana, por destruição do gradiente de protões que existe na membrana citoplasmática (novo et al., 1999, 2000; wu et al., 1995), denominado, por isso, protonóforo. o potencial de membrana pode ser medido directamente através de microeléctrodos, mas esta técnica torna-se tanto mais difícil de aplicar quanto menor for o tamanho da célula. a medição de através da citometria de fluxo é normalmente realizada utilizando corantes lipofílicos de distribuição/partição. estes, devido à sua natureza lipofílica, conseguem atravessar facilmente a membrana e ali acumulam de acordo com a sua carga. assim, o gradiente de concentração de um catião lipofílico c+ através de uma membrana citoplasmática intacta é determinado pela diferença de potencial transmembranar, de acordo com a lei de nernst: [c+]i/[c+]=e (-f /rt) onde [c+]i corresponde à concentração de iões de c+ no interior da membrana, [c+]o é a concentração de iões de c+ no exterior da membrana, o potencial de membrana, r a constante dos gases, t a temperatura em graus kelvin e f a constante de faraday. uma vez atingido o equilíbrio entre as células e o catião do corante, este irá acumular-se no interior da membrana se esta estiver polarizada (ou hiperpolarizada), pois nesta situação o interior daquela encontra-se carregado negativamente, favorecendo a interacção electrostática entre essas cargas negativas e as cargas positivas do corante (figura 3 a). quando a célula se encontra despolarizada, ocorre precisamente o mecanismo inverso: o potencial da membrana diminui (deslocando-se, portanto, para valores menos negativos), levando a que haja uma menor distribuição de cargas negativas no interior da membrana e, nestas circunstâncias, o corante terá tendência para acumular no exterior da membrana, onde haverá uma menor distribuição de cargas positivas (figura 3 b). todo este processo ocorre de forma inversa quando se está perante a interacção entre um corante lipofílico aniónico e a membrana, devido às interacções electrostáticas que se estabelecem entre o anião c- e a distribuição de cargas no interior da membrana. estes fluorocromos são denominados sondas de resposta lenta (demoram entre poucos segundos a vários minutos até atingirem o equilíbrio na partição) e são adequados para medir variações de potencial de membrana em células. existem outros fluorocromos, designados de resposta rápida, adequados para respostas de variação de potencial mais rápidas que ocorrem em nervos e músculos (haugland, 2002) a emissão de fluorescência só ocorre significativamente quando o corante se encontra acumulado no interior da membrana. o sinal emitido depende de alterações que ocorram nos locais de ligação entre a membrana o corante, bem como do volume da célula. com o objectivo de elimi- figura 3 - (adptação de haugland, 2002) mecanismo da resposta dos fluorocromos sensíveis ao potencial de membrana dos microrganismos. os flourocromos (sondas) de resposta lenta são aniões ou catiões lipofílicos que são translocados através da membrana por um mecanismo electroforético. as alterações de fluorescência derivam da resposta da sonda ao campo eléctrico que se estabelece no interior e no exterior da membrana. os fluorocromos de resposta rápida são adequados a respostas de variações de potencial muito rápidas, como as que ocorrem em células de músculos. (a)– mecanismo de resposta de uma sonda catiónica de potencial de membrana, de resposta lenta. uma vez atingido o equilíbrio entre entre as células e o catião, este acumula-se no interior da membrana se esta estiver polarizada ou hiperpolarizada , pois nesta situação, o interior daquela encontrase carregado mais negativamente. (b) - mecanismo de resposta de uma sonda aniónica de potencial de membrana, de resposta lenta. uma vez atingido o equilíbrio entre entre as células e o anião, este acumula-se no interior da membrana se esta estiver despolarizada , pois nesta situação, o interior daquela encontra-se carregado menos negativamente. hiperpolarização hiperpolarização despolarização despolarização fluorocromos de resposta rápida fluorocromos de resposta rápida fluorocromos de resposta lenta a) b) membrana membrana espaço extracelular espaço extracelular espaço intracelular espaço intracelular fluorocromos de resposta lenta métodos em biotecnologia - citometria de fluxo ii boletim de biotecnologia nar esta dependência, que é fonte de erro da determinação de , têm sido realizadas medições raciométricas de potencial de membrana, por serem práticamente independentes do volume celular (novo et al, 1999). na tabela 2 encontram-se alguns dos corantes utilizados na determinação do potencial de membrana. 2.2 avaliação da integridade da membrana a integridade da membrana pode ser detectada por retenção ou exclusão dos corantes. no método de retenção do corante, as células são incubadas com um substrato não fluorescente, o qual é clivado por enzimas intracelulares, resultando da acção enzimática um produto fluorescente que é retido nas células apenas quando a membrana citoplasmática está intacta. este método poderá não ser rigoroso devido a uma eventual perda de actividade enzimática, ao transporte ineficiente do substrato não fluorescente, e à expulsão do corante através do sistema de bombas de efluxo. to-pro-3, um corante de excitação no vermelho, considerado por vários autores como marcador de exclusão de corantes, pode corar células intactas, tal como o brometo de etídio (nebe-von-caron, et al, 2000). a exclusão do iodeto de propídio é assim o método de eleição e o mais utilizado na detecção da integridade da membrana, pois evita problemas associados à actividade enzimática do corante. portanto, devem ser tomadas precauções na interpretação da retenção e exclusão dos corantes. a melhor forma de entender o mecanismo da exclusão dos corantes é a utilização de corantes em misturas. a próxima secção descreverá duas aplicações de misturas de corantes fluorescentes em bactérias (uma gram-negativa e uma gram-positiva), e, nalguns casos, os cuidados que devem ser tomados na interpretação dos resultados. 2.3 marcação com mistura de fluorocromos 1. células de escherichia coli w3110 (bactéria gramnegativa) coradas com a mistura box+be+ip a figura 4 mostra a utilização de uma combinação de três corantes fluorescentes: o ácido bis-(1,3-dibutilbarbitúrico), box ou bis-oxonol, para detectar o potencial de membrana, o brometo de etídio (be) para detectar células cujo sistema de transporte que exclui este corante se encontra afectado e o iodeto de propídio (ip) para detecção da integridade da membrana. esta mistura foi utilizada em células de e. coli w3110 em fase de crescimento exponencial, que foram aquecidas a 60ºc, durante 30 segundos. é sabido que este tratamento térmico induz nesta bactéria não só a perda do potencial da membrana citoplasmática como também a permeabilização da mesma (nebe-von-caron e badley, 1995; boswell et al., 1998, hewitt et al., 1998, 1999b). a fluorescência emitida pelas células de e. coli coradas com a mistura box+be+ip (figura 4 a) permitiu diferenciar 4 subpopulações, correspondentes a (a) células saudáveis, não coradas; (b) células vitais , sem o sistema de transporte activo que exclui o be e, são, portanto, coradas por este corante; (c), células intactas, sem o sistema de transporte activo que exlcui o be, mas com potencial de membrana, coradas por eb/box; e (d) células mortas com as membranas citoplasmáticas permeabilizadas, coradas por eb/box/pi. outros organismos testados (citrobacter sp., actinobacter sp., pseudomonas sp., e bacillus sp.) revelaram resultados semelhantes. no entanto, a exclusão dos corantes não foi verificada em todas as espécies. quando células de rhodococcus sp., foram tratadas e coradas da mesma forma com a mistura box+be+ip , apenas três populações foram diferenciadas (figura 4 b). quando estes resultados foram comparados com os resultados obtidos pela e. coli, verificou-se que a população composta por células saudáveis (figura 4 a, população a) não estava presente e que todas as células de rhodococcus sp. foram coradas pelo be. neste caso, as células deste microrganismo. podem ter perdido o sistema de transporte activo não específico protão/antiporte, que é requerido para excluir o be das células. 2. células de bacillus licheniformis ccmi2 1034 (bactéria gram-positiva) coradas com a mistura dioc6(3)+ip a mistura de dioc6(3) e pi pode também ser utilizada para diferenciar células metabolicamente activas, células com as membranas citoplasmáticas despolarizadas e células com membranas citoplasmáticas permeabilizadas. a utilização do dioc6(3) na diferenciação de bactérias gram-positivas com alterações do potencial de membrana é preferível a outros tipos de corantes, pois estas células, quando se encontram em fase exponencial, geram um potencial de membrana tal que excluem os corantes aniónicos, tal como o bis-oxonol, não permitindo a diferenciação destas células (hewitt e nebe-von-caron, 2004). a figura 5 mostra a diminuição da intensidade da fluorescência do dioc6(3) em células de bacillus licheniformis ccmi 1034 recolhidas em estado estacionário (d=0,27 h-1), incubadas durante 10 minutos com cccp, tabela 2. a notação de sims (diycn+1)(2m+1) permite descrever a estrutura das cianinas simétricas, pela qual y pode ser substituído por o (oxi-oxonóis), s (tiooxonóis), i (indo-oxonóis) ; n é o número de grupos ch2 e m o número de grupos –ch=ch-chfamília grupo corante referências aniónicos bis-oxonol dibac4(3) disbac2(3) dibac4(5) suller and lloyd, 1999 catiónicos rodamina rh 123 diaper e edwards, 1994 carbocianinas dioc2(3) dioc5(3) dioc6(3) diic1(5) novo et al, 1999 novo et al, 1999 monfort et al, 1996 novo et al, 1999 2colecção de culturas de microrganismos industriais, localizada no laboratório de microbiologia industrial, departamento de biotecnologia, instituto nacional de engenharia e tecnologia industrial. métodos em biotecnologia - citometria de fluxo ii
comprovando que a emissão de fluorescência deste corante é mais intensa quando as células estão metabolicamente activas, com as membranas citoplasmáticas polarizadas. este comportamento foi igualmente observado em células de staphylococcus aureus, quando tratadas com gramicidina, outro ionóforo também utilizado na redução do potencial de membrana (diaper et al., 1992), e em células de outra estirpe de staphylococcus aureus tratadas com cccp, mas coradas com dioc2(3) (novo et al., 1999). figura 4 - (retirada de hewitt e nebe-von-caron, 2001) (a) fluorescência emitida por células de e.coli 3110 em fase exponencial, submetidas a um tratamento térmico (60ºc durante 30 s), coradas com a mistura brometo de etídio + bis-oxonol + iodeto de propídio (bep) e (b) fluorescência emitida por células de rhodococcus sp. coradas com a mesma mistura. quatro subpopulações foram difrenciadas, correspondentes a (a) células saudáveis, não coradas; (b) células vitais , sem o sistema de transporte activo que exclui o be e, são, portanto, coradas por este corante; (c), células intactas, sem o sistema de transporte activo que exlcui o be, mas com potencial de membrana, coradas por eb/box; e (d) células mortas com as membranas citoplasmáticas permeabilizadas, coradas por eb/box/pi. as medições no citómetro de fluxo foram realizadas num coulter epics elite com excitação a 488 nm, proveniente de um laser de argon (15 mw). as fluorescências do ip, be e box foram medidas a 635, 575 e 525 nm, respectivamente. devido à elevada sobreposição dos espectros de emissão do be e do ip, o sistema foi compensado de forma a eliminar a fluorescência emitida pelo ip no detector de emissão de fluorescência do be. a figura 6 a) mostra o gráfico de densidades correspondente a células de bacillus licheniformis ccmi 1034 quando submetidas a um tratamento térmico a 100ºc, durante 10 minutos, e posteriormente coradas com uma mistura de dioc6(3) +pi. é possível diferenciar duas subpopulações (b) e (d), que correspondem respectivamentes a células com membranas polarizadas (b), que não são coradas por nenhum dos corantes e, uma outra sub-população (d), composta por células coradas por ambos os flurocromos. a interpretação desta última sub-população, baseada na coloração destas células por ambos os corantes, levaria a concluir que estas células possuem membranas polarizadas (coradas pelo dioc6(3) ), mas permeabilizadas (coradas pelo ip), o que é contraditório. mason et al., 1995, observaram que células de e.coli, quando submetidas ao mesmo tratamento térmico e coradas com dioc6(3), apresentavam uma fluorescência superior às células saudáveis (possuidoras de membranas citoplasmáticas polarizadas). teoricamente, células que são coradas por este composto possuem membranas polarizadas, pelo que a fluorescência do dioc6(3) emitida por células submetidas ao tratamento térmico (que induz a despolarização e permeabilização da membrana) deveria ser baixa ou ausente. os autores explicaram esta discrepância baseando-se no carácter lipofílico do dioc6(3). a estrutura das cadeias dos fosfolípidos das membranas citoplasmáticas das células, quando expostas a elevadas temperaturas colapsa, ficando as regiões hidrofóbicas da membrana expostas e acessíveis ao dioc6(3) que irá ligar-se a esses centros, devido à sua elevada afinidade por aquelas regiões. nesta situação, a emissão da fluorescência do dioc6(3) detectada em células mortas não é dependente do potencial de membrana, mas sim da afinidade daquele composto pelas regiões hidrofóbicas da membrana expostas. células recolhidas de uma cultura contínua em estado estacionário à taxa de diluição de 0.27 h-1 (µmax sup 1h -1), quando coradas com a mistura de dioc6(3) e pi apresentam o gráfico de densidades mostrado na figura 6 b), onde é pos- dioc6(3) número de eventos células em estado estacionário (0.27h-1 )+ cccp (10 min) células em estado estacionário (0.27h-1) figura 5 - (retirada de reis et al., 2004) efeito da adição de cianina carbonil m-clorofenilhidrazona (cccp) no potencial de membrana de células de bacillus licheniformis ccmi 1034, em estado estacionário (d=0,27 h-1), quando coradas com dioc6(3). métodos em biotecnologia - citometria de fluxo ii boletim de biotecnologia sível diferenciar quatro subpopulações, correspondentes a células polarizadas (a), coradas pelo dioc6(3); células despolarizadas (b), não coradas; células despolarizadas e permeabilizadas (c), coradas pelo pi; e células despolarizadas e permeabilizadas com a membrana citoplasmática danificada (possívelmente células fantasmas ), coradas pelo dioc6(3) e pi. a existência de células fantasmas foi posteriormente confirmada pela análise destas quatro subpopulações por microscopia de transmissão electrónica. a figura 7 mostra uma secção de uma amostra de células de bacillus licheniformis ccmi 1034, quando privadas de nutrientes, por um período de três horas. foi possível identificar dois tipos distintos de células: umas com estruturas do tipo célula fantasma , com pouco ou nenhum material citoplasmático no interior do envelope da célula, que contrastam com células consideradas normais , cujo conteúdo citoplasmático no interior de célula se apresenta denso. pensa-se que as estruturas que perderam o conteúdo celular se encontram num estado avançado de lise celular, podendo ser responsáveis pela intensa fluorescência do dioc6(3), conforme se observou em células submetidas ao tratamento térmico a 100 ºc. é assim suposto que a sub-população (d) corresponde a células com um elevado grau de lesão nas suas membranas, equiparado aos danos que ocorrem na membrana citoplasmática quando é sujeita a um tratamento térmico drástico (100ºc, durante 10 minutos). com base na explicação destas quatro subpopulações, foi então sugerida a seguinte dinâmica entre elas: quando as células saudáveis (sub-população a) são submetidas a um determinado tipo de stresse, alguns dos seus sistemas de transporte activo poderão ser afectados, o que induz a despolarização da membrana citoplasmática (sub-população b). este estado metabólico poderá evoluir para a permeabilização da membrana, indicando morte celular (sub-população c) e, mais tarde, a membrana poderá colapsar (sub-população d). porém, ensaios posteriores figura 6 - (retirada de reis et al., 2004) (a) células de bacillus licheniformis ccmi 1034 submtidas a um tratamento térmico (banho de água a 100º, durante 10 minutos), coradas com a mistura de dioc6(3)+ip. duas subpopulações foram diferenciadas, correspondentes a (b) células com a membrana citoplasmática despolarizada, não coradas por nenhum dos corantes; e (d) células com a membrana citoplasmática permeabilizada, coradas por ambos os corantes dioc6(3)+ip. (b) (b) células de bacillus licheniformis ccmi 1034 em estado estacionário (d=0.27 h-1), coradas com a mistura dioc6(3)+ip. quatro subpopulações foram diferenciadas, correspndentes a (a) células saudáveis, coradas pelo dioc6(3); (b) células com a membrana citoplasmática despolarizada, não coradas; (c) células com a membrana despolarizada e permeabilizada, coradas pelo ip; e (d) células com a membrana citoplasmática despolarizada, permeabilizada e danificada. as medições no citómetro de fluxo foram realizadas num coulter epics elite com excitação a 488 nm, proveniente de um laser de argon (15 mw). as fluorescências do ip e do dioc6(3) foram medidas a 635 e 525 nm, respectivamente. figura 7 - (retirada de reis et al., 2004) fotografia de transmissão electrónica (x 25000) de células do bacillus licheniformis ccmi 1034 em carência de nutrientes por um período de 3 horas. é possível visualisar células fantasma que apresentam um reduzido conteúdo material citoplasmático no interior do envelope da célula. estas estruturas (i), contrastam com as estruturas do tipo ii, relativas a células normais , cujo conteúdo citoplasmático é denso. i ii métodos em biotecnologia - citometria de fluxo ii boletim de biotecnologia 39 confirmaram que as células com membranas despolarizadas que compõem a sub-população (b), em presença de uma fonte fresca de energia, conseguem repolarizar as suas membranas, evoluindo para a sub-população (a), composta por células saudáveis (reis et al., 2004, submetido para publicação). 3. citometria de fluxo on-line nos processos biotecnológicos, num futuro próximo no decurso de qualquer bioprocesso, é essencial a monitorização da proliferação celular, bem como da viabilidade. as informações da concentração de biomassa são cruciais na tomada de decisões, durante o controlo do processo. estas informações podem permitir a recolha do produto na concentração adequada, de forma a obterem-se produtividades máximas, ou ainda a activação de sistemas indutíveis no tempo correcto, de modo a optimizar-se a eficiência global do processo. a existência de uma fracção significativa de células mortas ou dormentes durante qualquer parte da evolução do bioprocesso reflectir-se-á negativamente no rendimento global do processo, uma vez que estas células não contribuem para a formação do produto. portanto, é importante a obtenção de informação rigorosa e precisa sobre os estados fisiológicos das células presentes numa determinada população. tal como foi referido atrás, a marcação com misturas de corantes permite obter esta informação com um elevado grau de precisão num intervalo de tempo reduzido e com tempo de resposta quase em tempo real, mostrando numerosas vantagens relativamente aos métodos tradicionalmente utilizados na determinação da viabilidade celular. as técnicas de microbiologia clássica utilizadas para monitorizar a proliferação e a viabilidade celular apresentam vários inconvenientes. como já foi referido, a densidade óptica, o peso seco e a contagem manual de colónias dão uma indicação do crescimento associado à divisão celular, mas não dão qualquer informação sobre o estado fisiológico das células. além disso, os resultados da evolução da concentração da biomassa (peso seco) de uma determinada fermentação só estão disponíveis após um período de tempo relativamente prolongado, na maioria dos casos demasiado tarde para se poder fazer qualquer alteração no controlo do processo. por outro lado, este tipo de medições realizados nas fases iniciais das fermentações, quando as concentrações de biomassa são geralmente baixas, é impreciso, pois tem associado um elevado erro experimental. acresce que as leituras de densidade óptica raramente dão conta de alterações na dimensão das células. por seu lado, a contagem manual de células é morosa e, em termos estatísticos, assenta no princípio de uma distribuição igualitária na câmara de contagem, uma situação altamente improvável. do ponto de vista da microbiologia clássica, uma célula é considerada viável quando se comprova o seu crescimento associado à divisão celular. o método das viabilidades tem por base a diluição da amostra e posterior inoculação em meios não selectivos, pelo que é necessário esperar pelo menos 12 horas até se obterem resultados, mais uma vez demasiado tarde para se poderem fazer alterações durante o controlo de processo. é importante realçar uma vez mais que estados fisiológicos em que as células se encontrem sob stresse ou danificadas, correspondentes a células 3viáveis mas não cultiváveis , não são detectados por estes métodos. as técnicas de coloração utilizadas em microscopia também sofrem das mesmas limitações da contagem manual de células. os modelos matemáticos utilizados para prever a evolução da biomassa ao longo de uma fermentação são muitas vezes imprecisos porque assentam no pressuposto de que uma determinada população de bactérias é homogénea do ponto de vista fisiológico e da sua capacidade de divisão celular, o que, como se viu atrás, não corresponde à realidade. a presença de uma elevada percentagem de células permeabilizadas, consideradas mortas, terá um impacto negativo na síntese de qualquer produto desejado ou na degradação de agentes poluentes. daí que a monitorização da concentração do produto, da biomassa, dos nutrientes e de outros substratos deva ser acompanhada pela monitorização do desenvolvimento das subpopulações de uma cultura microbiana, no decorrer do processo. hewitt et al. (1999b), através da utilização da técnica de misturas de corantes fluorescentes em citometria de fluxo at-line, demonstraram que ocorria uma redução de 20% na viabilidade de células de e.coli na última fase da fermentação em regime semi-contínuo, devido à severa limitação de carbono que se verificou nas útimas etapas da fermentação (figura 8). as análises que fornecem informações sobre a evolução do bioprocesso, quando realizadas on-line (o equipamento está em contacto directo com a cultura através de uma sonda, por exemplo), terão um acrescido benefício relativamente aos métodos de monitorização at-line e off-line, uma vez que permitirão obter informação no tempo real da fermentação, e a tempo de se tomarem decisões na estratégia do processo (alison et al, 2002). a montagem da citometria de fluxo 3on-line em unidades de fermentação garantirá, num futuro próximo, um significativo aumento da produtividade do processo. este sistema, em associação com uma estratégia do controlo do processo baseada na adição de uma fonte de energia que seja dependente do número de células com um baixo potencial de membrana (subpopulação de células com as membranas despolarizadas que é capaz de evoluir para a repolarização da membrana em presença de uma fonte fresca de energia, confrome se viu atrás) permitirá reduzir o número de células que não contribuam para a síntese do produto desejado, e, por conseguinte, aumentar a produtividade global do processo (nebe-von-caron et al., 2000). métodos em biotecnologia - citometria de fluxo ii boletim de biotecnologia agradecimentos o trabalho realizado pelos autores na universidade de birmingham (reino unido) foi financiado pelo projecto europeu do quinto programa quadro (qlk3-1999-0004) enhanced, intelligent processing of food and related wastes using th ermophilic populations . teresa lopes da silva e alberto reis agradecem à fundação para a ciência e a tecnologia o apoio financeiro através das bolsas de doutoramento bd/5453/2001 e pós-doutoramento bpd/ 8039/2002, respectivamente.
<langue=br><sujet=potentiel-de-membrane><num=48><source=http://www.medicinacomplementar.com.br/temajan04.asp>
tema do mês de janeiro de 2004
o controle do câncer com um método muito simples e não dispendioso : provocar a hiperpolarização celular com dieta pobre em sódio e rica em potássio. evidências clínicas e experimentais dr. josé de felippe junior considerações| observações | implicações | bibliografia
consirerações teóricas sobre o potencial transmembrana a evolução durou milhões de anos. no início havia átomos, depois moléculas boiando em uma verdadeira sopa de nutrientes , sob a influência de uma salada de campos eletromagnéticos fornecedores de energia e de informação. quando os campos eletromagnéticos forneceram as informações certas, demos o grande salto e nos tornamos seres unicelulares. nós vivíamos dispersos na água do mar, em um meio adverso, rarefeito em oxigênio e o nosso metabolismo era anaeróbio e gerava pouca energia.
quando a atmosfera começou a se enriquecer de uma forma gradativa e constante de oxigênio, começamos a desenvolver mecanismos que nos tornariam dependentes do oxigênio para viver e neste momento começamos também a desenvolver mecanismos para dele nos defender. foi assim que surgiu o metabolismo dependente do oxigênio , de alta produção de energia, o metabolismo aeróbio , uma das razões da nossa sobrevivência e sucesso no planeta. foi nesta época que surgiram as defesas anti radicais livres, para dar conta dos elétrons que escapavam do metabolismo de alta energia.
a importância do ferro na troca de elétrons nos fez desenvolver mecanismos muito eficientes de absorção, porém, não apareceu até hoje na evolução , o modo de como dele se livrar. isto , de um lado é bom, pois nos mantém com quantidades suficientes de um dos principais elementos envolvidos na produção de energia , porém , também nos deixa à mercê do seu excesso : aumento da geração de radicais livres com aumento de lesão dos componentes celulares: membrana, enzimas, dna, mitocôndria, etc..
o meio ambiente era o oceano, rico em sódio, e nada mais econômico para a sobrevivência da espécie, do que usa-lo para a multiplicação celular. se acreditarmos que a vida originada como replicação unicelular ocorreu dentro do oceano, onde o na+ era o cation mais abundante, seria uma situação de alto valor evolutivo e de sobrevivência se a divisão e a multiplicação celular fossem estimuladas positivamente pelo onipresente na+ e o associado baixo k+ . foi assim que desenvolvemos mecanismos de síntese de dna dependentes do sódio. de fato muitos trabalhos demonstram que o aumento do sódio intracelular age diretamente sobre enzimas intranucleares iniciando a síntese de dna , o que acarreta o processo de multiplicação celular : mitose.
desta forma surgiu outro grande salto na evolução: a formação dos seres pluricelulares; sempre sob a influência das substâncias químicas nutrientes e dos campos eletromagnéticos informacionais, isto é sob a influência de matéria e energia.
os seres pluricelulares mantiveram o ambiente que banhava os seres unicelulares praticamente igual e assim o meio intersticial das nossas células ficou muito parecido com o do oceano : rico em sódio e pobre em potássio.
neste ínterim foi crucial desenvolver mecanismos de controle da multiplicação celular e aí surgiu a bomba de sódio/ potássio capaz de manter o sódio ativamente fora da célula, para regular a mitose. com o uso de muita energia para fazer funcionar esta bomba , as células mantém o meio intracelular pobre em sódio e rico em potássio, o que constitui um dos mecanismos principais de regulação do potencial transmembrana e consequentemente um dos mecanismos mais importantes de controle da multiplicação celular.
a membrana citoplasmática desempenhou papel primordial na evolução ,pois é ela que mantém os gradientes de concentração dos eletrólitos e portanto do potencial transmembrana. a membrana que envolve as mitocondrias reveste-se do mesmo valor, pois mantém os gradientes dos substratos e eletrólitos necessários ao metabolismo aeróbio de alta energia.
de fundamental importância é o fato já demonstrado por alguns pesquisadores sobre a relação entre o potencial transmembrana e a proliferação celular. guidon e woodland, albert szent- gyorgi , clarence cone e outros mostraram que a queda do potencial transmembrana a níveis inferiores a -15 milivolts , desencadeia a síntese de dna e dispara a multiplicação celular : mitose. normalmente o potencial transmembrana das células está ao redor de - 20 a –90mv: células beta do pâncreas: -20mv, células gástricas:-50mv, células hepáticas:-60mv, neuronios:-70mv, células do músculo esquelético: -90mv e fibras miocárdicas:-90 mv.
cone foi capaz de induzir a síntese de dna e a consequente mitose em células que normalmente não se dividem. de fato , este brilhante pesquisador conseguiu induzir mitose em neurônios completamente diferenciados do sistema nervoso central , ao provocar despolarização artificial sustentada em meio de cultura (potencial transmembrana : -10mv), demonstrando a enorme importância deste mecanismo de disparo da proliferação celular.
foi por intermédio da aquisição da capacidade de produzir grande quantidade controlada de energia (atp) que conseguimos administrar a multiplicação celular desordenada , mantendo o potencial transmembrana em níveis superiores a –15mv. foi também através do metabolismo aeróbio, com alta produção de energia que fabricamos tudo aquilo que necessitamos, na medida que dispomos dos combustíveis (carboidrato e gordura) e de matéria prima essencial (aminoácidos, sais minerais ,vitaminas e ácido linolenico).
de um modo geral, a presença dos 45 nutrientes essenciais no meio intracelular é condição para as células produzirem tudo que o organismo necessita, se houver atp em quantidade adequada , não houver interferência de metais ou substâncias tóxicos e a célula for geneticamente capaz.
para conway a ingestão de uma dieta pobre em sódio e rica em potássio, diminui o sódio e aumenta o potássio dentro da célula e assim ativa a atpase da bomba de sódio/potássio, aumenta a quantidade de atp disponível e polariza a célula, restaurando o potencial transmembrana ao normal. em outras palavras, diminui a entropia, isto é , aumenta o grau de ordem e informação ( célula saudável
a dieta rica em sódio, pelo contrário, aumenta o sódio dentro da célula, diminui o potencial transmembrana, diminui o metabolismo celular e despolariza a célula , isto é, aumenta a entropia e provoca diminuição do grau de ordem – informação no sistema aberto que é a célula , podendo desencadear a proliferação celular ( célula doente).
desta maneira o sódio constitui-se no grande vilão da historia , e não pode ser considerado prejudicial somente na insuficiência cardíaca ou na hipertensão arterial. o sódio é prejudicial em outras doenças cardiovasculares como, angina pectoris, miocardites e cardiomiopatias, assim como em doenças como : artrite reumatóide, espondiloartrose, osteoporose, úlceras varicosas, herpes, lupus eritematoso, câncer , etc.
considera-se ideal do ponto de vista termodinâmico, um sódio plasmático de 136-137 meq/l e não 136 a 146 meq/l como reza a literatura médica ortodoxa. o ideal do potássio é de 4,8 a 5 meq/l e do magnésio, 2,2 a 2,4meq/l.
quanto ao câncer, os estudos de damadian e cope, demonstraram aumento de sódio e diminuição de potássio intracelular em vários tipos de células cancerosas. também observaram diminuição da produção de atp.
goldsmith e damadian em 1975, estudando a ressonância do sódio-23 em quatro tipos de células cancerosas e seis tipos de células normais, constataram maior quantidade de sódio nas células cancerosas quando comparadas com as células normais correspondentes.
soddi pallares, cita o trabalho de avioli e raisz de 1980: quando o metabolismo celular está alto ( potencial transmembrana elevado, célula altamente polarizada), o meio intracelular é rico em magnésio, potássio e atp. quando o metabolismo está baixo (potencial transmembrana diminuído, célula despolarizada), o meio intracelular é rico em cálcio e sódio e pobre em atp .
para calva, a solução polarizante ( gki : glicose, potássio e insulina) aumenta a produção de atp em grande número de células, incluindo as células cancerosas.
para soddi pallares os campos magnéticos pulsáteis também aumentam a produção de atp.
os três elementos acima, dieta pobre em sal, solução polarizante e campo magnético pulsátil, tem sido empregados por sodi pallares no méxico, com grande sucesso , em patologias muito diferentes como: miocardiopatia dilatada, artrite reumatóide, espondiloartrose, osteoporose, herpes zoster, úlceras varicosas e câncer.
em 1970, clarence cone discorre sobre vários trabalhos científicos que referenciam o potencial transmembrana como mecanismo básico de controle da mitose.
de fato , uma série de observações experimentais indica que existe uma correlação significante entre o nível da diferença de potencial elétrico transmembrana ( em) das células somáticas e o grau de atividade mitótica.
nos seres vivos , a grande maioria das células somáticas maduras estão no período g1 do ciclo celular e devem primeiro passar pelo período s para sintetizar dna , para somente em seguida entrarem em mitose. ( baserga,1965).
a permanência das células no período g1 é mantida pela homeostase mitótica natural, possivelmente por bloqueios reversíveis de uma ou mais vias de síntese de dna.. tais bloqueios são liberados quando a proliferação celular é necessária para o crescimento ou reposição das células mortas.
a compreensão da natureza destes bloqueios e da liberação dos mecanismos de controle é de fundamental importância nos fenômenos biológicos que envolvem o equilíbrio e a regulação da mitose: morfogênese, desenvolvimento, cicatrização de feridas, regeneração, senescência e câncer.
observações que sugerem a relação entre o nível do potencial transmembrana ( em ) e a atividade mitótica.
compreende-se muito bem que a presença do alto grau de polarização das células nervosas e musculares proporciona a grande excitabilidade de suas membranas e portanto se relaciona com a função destas células. entretanto fica difícil entender o por quê da existência de polarização em todas as células somáticas. assim parece razoável suspeitar que uma vez que a contínua e precisa manutenção da homeostase mitótica é imperativa em todass células somáticas e o potencial de membrana onipresente de tais células pode de alguma maneira estar funcionalmente relacionado com o controle mitótico.
entre as células somáticas , as células nervosas e as musculares possuem um em extremamente alto ( o potencial de membrana é alto em valores absolutos , a célula está muito polarizada, mais negativa ) na interfase e característicamente tais células exibem um grau extremamente baixo de atividade mitótica ( weiss,1956). esta quiescência mitótica tem sido atribuída simplesmente ao fato destas células serem altamente diferenciadas , porém é a manutenção do potencial transmembrana muito elevado que acarreta a quase ausência de atividade mitótica.
um exemplo comum da correlação entre o potencial de membrana e a atividade mitótica, é visto nas culturas de células in vitro . durante a adaptação das células somáticas das condições in vivo para o crescimento in vitro , observa-se uma pronunciada diminuição do nível do em ( potencial de membrana menor em valores absolutos, célula mais despolarizada, menos negativa) que é acompanhada pelo início da proliferação ativa destas células.
o em das células somáticas maduras ( fígado, pulmão, tecido conetivo) na interfase g1, in vivo , geralmente se encontra na faixa dos –40 a –50mv e a atividade mitótica é muito baixa . quando se coloca tais células em meio de cultura o em cai para –10mv e as células apresentam uma proliferação mitótica contínua, ininterrupta e assim permanecem, enquanto perdurar o nível baixo de em.
a característica diminuição do nível de em em g1, parece ser um fenômeno geral que ocorre nos mais diferentes tipos de células e demonstra que um valor baixo de em ( menor que –15mv ) está associado com uma proliferação celular muito ativa.
desta forma, a habilidade das células passarem de um estado de alto em (-50 a -90mv ) com relativa quiescência mitótica, para um estado de baixo em ( menor que –15mv ) com alta atividade mitótica, sob a imposição de um estímulo apropriado, é também demonstrado pela adaptação à cultura in vitro , nas palavras de clarence cone. no caso de células normais , o processo adaptativo é reversível.
outro fato interessante: as células em cultura capazes de manter seu em original que apresentavam in vivo , após a explantação e manutenção in vitro , não aumentam sua proliferação, mantendo a mesma atividade mitótica que mantinham in vivo . neurônios maduros e mantidos por meses in vitro permanecem com um em constante de –70mv em uma total ausência de mitose. entretanto , se provocarmos a diminuição do em para níveis inferiores a –10mv , tais neurônios começam a se proliferar.
para gurdon e woodland ( 1968), o nível de em associado com a reativação nuclear e consequente proliferação celular mitótica está entre –10 e –20mv.
clarence nos alerta para outro exemplo significante de correlação entre o nível de em e a atividade mitótica. é a observação sistemática de uma pronunciada despolarização celular que acompanha a transformação maligna das células somáticas in vivo . os dados disponíveis sugerem que uma das características básicas da transformação maligna , é a diminuição sustentada do nível de em em relação à célula homologa normal, sem câncer ( shaefer,1956; tokuoka,1956; john-stone,1959 ) e esta diminuição é acompanhada pelo grande aumento da atividade proliferativa característico do estado maligno.
outra semelhança entre a adaptação in vitro e a transformação maligna in vivo é que durante a adaptação das células normais em cultura ocorrre dissociação do tecido original em células individuais com alteração molecular da superfície celular. na transformação maligna a primeira alteração que acontece é a diminuição de adesividade das membranas transformadas ( coman,1944) , levando à invasão vizinha e às metastases.
as semelhanças apresentadas sugerem que o fator primário que mudou nos dois casos , foi a natureza funcional e molecular da superfície celular e na teoria convencional de membrana, a superfície celular é que desempenha um íntimo papel na determinação do nível de em e de suas variações. deste modo , é possível que os mesmos tipos de alterações de superfície que levaram à invasão e às metastases das células malignas , sejam também a fonte do diminuído em e da ativa proliferação mitótica maligna destas células.
a maioria das células somáticas in vivo aparentemente , mantém níveis intermediários de em ( -30 a –60mv ) e também mantém níveis intermediários de proliferação celular, reforçando a possibilidade que a relação entre o valor do em e o grau de atividade mitótica , realmente existe.
sabemos que existem níveis de em abaixo dos quais a mitose está completamente liberada e níveis de em acima dos quais a mitose está completamente bloqueada . isto nos mostra mais um dos caminhos que devemos trilhar para a completa erradicação das células malignas. se atacarmos as células malditas de todos os lados e nos seus pontos fracos aniquilaremos esse bando de psicopatas completamente. nada deve sobrar sobrar para ganharmos a guerra.
de fato , cone e tongier, demonstraram que provocando condições iônicas intracelular para atingir um em de –70 mv ( equivalente às células nervosas que não se dividem ) bloqueia-se reversivelmente in vitro a síntese de dna e consequentemente da mitose .
o potencial transmembrana - em - é simplesmente a conseqüência do equilíbrio da concentração iônica através da membrana da célula, provocada por transporte ativo e pela permeabilidade diferente da membrana a vários tipos de ions. o em representa o equilíbrio iônico entre o intra e o extra celular.
a membrana celular possuí uma baixa condutividade ou uma baixa permeabilidade ao na+. assim o na+ é ativamente transportado para fora das células, o [na+]i ( sódio intracelular) diminui e o em se eleva numericamente , torna-se mais negayivo e a célula mais polarizada. simultâneamente o k+ entra e o cloreto sai da célula movidos passivamente pelo gradiente eletroquímico. ambos movimentos diminuem o em , gerado inicialmente pela saida do na+ do intracelular. no final se alcança o steady state onde o influxo de na+ (passivo) se iguala exatamente ao seu efluxo ( ativo) , e o k+ e o cloreto ( cl-) se equilibram passivamente.
nestas condiçòes, quanto maior o efluxo de na+ , menor será o sódio intraceleular, maior será o potássio intracelular e a célula ficará mais polarizada ( maior nível numérico de em).
uma vez que o na+ é o cation inorgânico mais abundante no fluido intersticial dos mamíferos e o k+ é o segundo catiom mais abundante , é razoável esperar que ambos desempenhem o papel principal na geração do em na maioria das células somáticas, bem como nas células musculares e nervosas.
altos valores de [k+]i / [na+]i e baixo conteúdo intracelular de ions inorgânicos , produz altos valores de em , maior polarização, parada de proliferação celular.
vários trabalhos mostram que a concentração absoluta de na+ no intracelular exerce controle definitivo sobre a síntese de dna e consequentemente da proliferação celular.
a equação básica de nernst ,aplicável muito bem a ions livres em solução, nos fornece uma idéia aproximada do que ocorre nas células. assim, o estado termodinâmico celular pode ser determinado pela distribuição do sódio e potássio através da membrana celular. delta g k , na = - rt logn ki / ke / nai/nae
delta g = energia livre
se a relação for normal , obtém-se 4000 calorias por mol de glicose.
também se obtém energia livre para realizar trabalho, em função das relações entre o ca++ e o na+ e entre o mg++ e o na+.
controle do potencial de membrana – em
considerando-se a teoria clássica do potencial de membrana, os dois elementos chaves envolvidos na geração do em são o gna, a condutividade passiva do na+ pela membrana celular e o j*na, o transporte ativo do na+ para fora da célula. existe um mecanismo de feedback envolvendo o regime iônico e osmótico intracelular, que regula o potencial transmembrana.
em alto induz a formação de polímeros de superfície os quais ajudam a manter o em elevado.
o circuito de fedback :
gna / j*na da em da metabolismo dos polímeros da gna / j*na
de superfície
constitui-se em mecanismo eficaz de regulação da mitose.
j*na : depende do metabolismo aeróbio , de alta energia
a mitocondria é muito sensível a alterações iônicas e osmóticas e nas células somáticas responde à diminuição do em com uma direta diminuição da produção de energia que afeta o transporte ativo e provoca uma maior queda do em ou a sua manutenção em nível baixo.
warburg em 1924, observou a produção glicolítica de atp como característica das células malignas. a existência deste metabolismo anaeróbio de baixa energia , é devido à diminuição dos níveis de em da célula maligna e ajuda a manter e a estabilizar a diminuição do em , através da diminuição da energia disponível para o transporte ativo do na+ para fora do meio intracelular.
fatores químicos, físicos e agentes virais que alteram os polímeros de superfície, podem afetar também a superfície da membrana mitocondrial, diminuindo a fosforilação oxidativa , o transporte ativo e consequentemente o em , podendo disparar a proliferação celular.
resumindo:
o potencial de membrana - em - , depende do meio iônico e osmótico intracelular o qual influencia vias metabólicas, especificamentre ligadas à :
síntese de dna e preparação mitótica síntese dos polímeros de superfície energia celular
diminuição do em provoca:
aumento da síntese de dna e liberação da mitose diminuição da síntese de polímeros de superfície com aumento de gna , aumento da entrada de na+ no intracelular : mantém o em baixo diminuição da energia celular por diminuição da fosforilação oxidativa mitocondrial , diminuição do j na, diminuição do efluxo de na+: mantém o em baixo e : mantém o em baixo e libera a proliferação celular: bloqueia a mitose
aumento do em provoca :
diminuição da síntese de dna com bloqueio da mitose aumento da síntese dos polímeros de superfície com diminuição do gna, diminuição do na+ intracelular: mantém o em alto aumento da energia celular por aumento da fosforilação oxidativa mitocondrial, aumento do j na, aumento do efluxo de na+ : mantém o em alto e : mantém o em alto e bloqueia a proliferação celular : bloqueia a mitose
outros trabalhos mostrando que a diminuição do em provoca aumento da mitose
estimulação mitótica por aumento do na+. cone em 1969, observou estimulação mitótica por aumento do sódio em células em meio de cultura. de fato, o excesso de sódio no meio de cultura provoca aumento do sódio intracelular com a consequente diminuição do em e um efeito estimulante sobre a atividade mitótica , proliferação celular.
gaulden em 1956, mostrou que em culturas com tonicidade (pressão osmótica) consideravelmente acima do normal, obtida por concentração elevada de sais, particularmente o nacl , aumenta a síntese de dna e diminui o tempo de interfase de neuroblastos.
em alguns tipos de células é a diminuição do potássio intracelular e não o aumento do sódio, o agente estimulante da proliferação celular ( mitose).
estimulação mitótica por alteração da superfície celular. a tripsina digere as proteinas de superfície nas culturas de células, diminui o em e estimula a mitose.
bloqueio mitótico por alteração da superfície celular. os mucopolissacarídeos (glicosaminoglicanos) e compostos relacionados são os constituintes da superfície celular e estes polímeros também fazem parte da matrix intercelular. eles estão intimamente envolvidos no mecanismo de geração e regulação do em ( katchalsky,1964 ).
existem evidências que estes polímeros naturais influenciam as propriedades elétricas das células excitáveis, possivelmente por sua ação em superfície. por exemplo a heparina é capaz de induzir parada cardíaca por provocar hiperpolarização miocárdica ( regelson e holland,1958). assim a heparina e outros polissacarídeos são também potentes inibidores da divisão celular ( regelson,1968 ; lippman,1955 ).
implicações evolucionais
o sódio é o ion transportado ativamente e que desempenha papel central na mitogênese,porém o potássio intracelular e a relação potássio intracelular / sódio intracelular
também é muito importante. em alguns sistemas de células que não se dividem , é o potássio o principal ion transportado ativamente ( tolteson, 1963).
o cálcio , para alguns autores também é um ion chave na mitogênese. o ca++ desempenha um papel essencial influenciando a permeabilidade da membrana ao na+ alterando assim o potencial de membrana.
clarence cone crê , que do ponto de vista evolutivo é lógico esperar que o na+ desempenhe o papel central na mitogênese.
se acreditarmos que a vida originada como replicação unicelular dentro dos oceanos , onde o na+ era o cation em maior abundância, seria uma situação de alto valor evolutivo e de sobrevivência, se a divisão e a multiplicação de tais entidades fossem estimuladas positivamente pelo onipresente na+ e o associado baixo k+. nestas condições de células livres, o potencial de membrana seria baixo , como acontece nas células somáticas em cultura, o na+ intracelular seria relativamente alto e o k+ correspondentemente baixo, com a consequente estimulação da síntese de dna e a divisão celular mitótica ( proliferação celular).
quando estas entidades primitivas se diferenciaram e tornou-se possível a agregação funcional em formas multicelulares, tornou-se necessário um processo de controle mitótico. consequentemente a especialização da superfície celular requerida para a formação de funções específicas de agregação, acompanhou-se da habilidade de gerar níveis substanciais de em por transporte ativo de na+ e assim regular o sódio intracelular e a divisão celular.
desta maneira os organismos multicelulares desenvolveram a habilidade de controlar sua atividade mitótica, enquanto mantinham no extracelular o meio do modo como existia durante a evolução morfologica e metabolica da célula original nas águas do mar.
as variações do potencial de membrana não é o único mecanismo somático de controle da mitose e na verdade muitos fatores físicos e químicos podem induzir ou suprimir a mitose. entretanto nas condições naturais das células somáticas, é o nível do em que regula a atividade mitótica e em muitos casos a atividade de agentes naturais ( ex. hormônios, cicatrização) e agentes patológicos ( carcinogênicos químicos ou virais) realmente agem influenciando direta ou indiretamente o nível do potencial de membrana - em .
em seu livro , lo que he descubierto en el tejido canceroso o prof. demetrio sodi pallares , descreve muitos pacientes com câncer de vários locais do organismo que se beneficiaram com a dieta pobre em sódio e rica em potássio.
estratégia prática anti câncer:
dieta pobre em sódio e rica em potássio dieta pobre em sal ( cloreto de sódio) e rica em frutas e verduras dieta de sodi- pallares. vide : biblioteca de doenças solução polarizante de sodi-pallares
<langue=br><sujet=potentiel-de-membrane><num=48><source=http://www.medicinacomplementar.com.br/tema160707.asp>
potencial transmembrana da membrana citoplasmática
de fundamental importância é o fato já demonstrado por alguns pesquisadores sobre a relação entre o potencial transmembrana e a proliferação celular. guidon , woodland, clarence cone e outros mostraram que a queda de potencial da membrana citoplasmática a níveis inferiores a -15 milivolts , desencadeia a síntese de dna e dispara a multiplicação celular : mitose. normalmente o potencial transmembrana das células está ao redor de - 20 a –90mv: células beta do pâncreas:-20mv, células gástricas:-50mv, células hepáticas:-60 mv, neurônios:-70mv, células do músculo esquelético:-90mv e fibras miocárdicas:-90mv. para conway a ingestão de uma dieta pobre em sódio e rica em potássio, diminui o sódio e aumenta o potássio dentro da célula e assim ativa a atpase da bomba de sódio/potássio, aumenta a quantidade de atp disponível e polariza a célula, restaurando o potencial transmembrana ao normal. em outras palavras diminui a entropia e conseqüentemente aumenta o grau de ordem e informação do sistema termodinâmico aberto que é a célula , normalizando a proliferação celular desordenada. considera-se ideal do ponto de vista termodinâmico, um sódio plasmático de 136-137 meq/l e não 136 a 146 meq/l (normal estatístico). o ideal do potássio é de 4,8 a 5 meq/l e do magnésio, 2,2 a 2,4meq/l. damadian e cope, demonstraram aumento de sódio e diminuição de potássio intracelular em vários tipos de células cancerosas. também observaram diminuição da produção de atp. goldsmith e damadian, estudando a ressonância do sódio-23 em quatro tipos de células cancerosas e seis tipos de células normais constataram maior quantidade de sódio nas células cancerosas quando comparadas com as células normais correspondentes. soddi pallares, cita o trabalho de avioli e raisz de 1980: quando o metabolismo celular está alto (potencial transmembrana elevado e célula altamente polarizada), o meio intracelular é rico em magnésio, potássio e atp. quando o metabolismo está baixo (potencial transmembrana diminuído e célula despolarizada), o meio intracelular é rico em cálcio e sódio e pobre em atp .
potencial transmembrana da membrana mitocondrial
as mitocôndrias no câncer são hiperpolarizadas e conseqüentemente têm baixa fosforilação oxidativa e ambas alterações são revertidas pelo dicloroacetato de sódio (dca) michelakis -2007). foi estudado o potencial transmembrana mitocondrial (ptm) em três linhagens de células malignas humanas: a549 (câncer de pulmão de células não pequenas), m059k (glioblastoma) e mcf-7 (câncer de mama) e comparadas com três linhagens de células não cancerosas também humanas: células epiteliais de vias aéreas, fibroblastos e músculo liso de artéria pulmonar (bonnet e michelakis – fev-2007). todas células malignas apresentavam mitocôndrias significantemente hiperpolarizadas (alto ptm) quando comparadas com as células normais. a incubação com dca por 48 horas reverte o estado hiperpolarizado das três linhagens malignas, isto é, os valores do ptm diminuem e retornam aos valores normais. o dca não altera o ptm das células normais. lan bo chen em 1988, faz revisão do assunto e constata que 200 tipos / linhagens de células derivadas de tumores humanos apresentavam potencial transmembrana mitocondrial elevado ( hiperpolarização ) : rins, ovário, pâncreas, pulmão, córtex adrenal, pele, mama, próstata, cervix, vulva, colon, fígado, testículo, esôfago, língua , a grande maioria dos adenocarcinomas, carcinoma de célula transicional, carcinoma epidermoide e melanoma. temos exceções , isto é, tipos de células malignas que não apresentam hiperpolarização da membrana mitocondrial: câncer de pulmão de pequenas células (oat cell) e carcinoma pobremente diferenciado de colon.
<langue=br><sujet=potentiel-de-membrane><num=49><source=http://www.biof.ufrj.br/fisbio/bmw128/fisicoquimica_biomembranas.pdf>
equilíbrio eletroquímico e transporte
introdução no âmbito da célula, um dos processos mais importantes para a vida é o transporte de matéria através das membranas celulares e daquelas intracelulares. a membrana plasmática, por exemplo, funciona como uma barreira seletivamente permeável entre o meio intracelular e o extracelular, assegurando que moléculas e íons essenciais, tais como glicose, aminoácidos, lipídios, k+, na+ e ca2+, penetrem na célula, que compostos metabólicos permaneçam no seu interior e, também, que o produto tóxico do metabolismo seja expelido. através da membrana interna da mitocôndria, são transportados prótons, para a região intermembranar, (íons h+), imprescindíveis na síntese do atp, bem como as próprias moléculas de atp recém sintetizadas. pela carioteca – membrana que envolve o núcleo da célula – atravessam moléculas vitais: nucleotídeos, rna, atp e proteínas. os transportes transmembranares controlam tudo aquilo que pode passar entre células e entre compartimentos dentro de uma célula, garantindo com isso que o metabolismo seja regulado e dirigido. em síntese, os transportes existem para garantir o funcionamento de nossas usinas , controlando o fluxo de seus insumos e também de seus dejetos e ainda para criar condições de armazenamento de energia necessária para realização de muitos processos celulares. à luz de fenômenos físico-químicos, aqui, vamos dedicar nossa atenção à análise das possibilidades e das condições de transporte de matéria e de armazenamento de energia através de membranas. preliminarmente, faremos uma revisão de alguns conceitos básicos de eletricidade, indispensáveis à compreensão da origem biológica dos fenômenos elétricos constatados na célula e de como eles interferem nos processos vitais de transporte transmembranar. em seguida, discutiremos como o equilíbrio químico se estabelece quando os solutos são eletricamente carregados e quando a própria membrana semipermeável é carregada, tal como ocorre para membranas celulares. estas, constituídas por lipídios, podem ter a cabeça polar eletricamente carregada, separando soluções iônicas de diferentes concentrações. neste tópico, analisaremos como a difusão de íons através de membranas semipermeáveis provoca o aparecimento de um potencial elétrico através da membrana. finalmente, no terceiro tópico, serão discutidos os conceitos de transporte passivo e do transporte ativo, sob a perspectiva termodinâmica do equilíbrio eletroquímico (equilíbrio químico entre espécies carregadas eletricamente). revisão de eletricidade lei de coulomb existem dois tipos de carga elétrica: positiva e negativa. as partículas elementares que possuem carga são os elétrons (negativos) e os prótons (positivos). quando uma partícula – composta por muitos átomos ou moléculas –, inicialmente neutra, torna-se eletricamente carregada, é porque ela recebeu ou perdeu elétrons. partículas carregadas – até mesmo elétrons e prótons – são chamadas íons. os positivos são chamados cátions e os negativos, ânions. as partículas carregadas interagem por meio de forças atrativas ou repulsivas de acordo com a regra: cargas iguais se repelem e opostas se atraem. a intensidade da força elétrica é dada pela lei de coulomb: a força entre duas cargas elétricas é proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. formalmente, esta lei se expressa por:
onde, k é a constante de coulomb, que vale k = 9 × 109 q1 e q2 são as cargas e d é a distância entre elas. as forças elétricas são forças intensas; na presença destas, as forças gravitacionais podem ser desconsideradas; um número relativamente pequeno de elétrons gera forças enormes. um exemplo simples ilustra esse fato. considere duas pequenas esferas de ferro, com raio de 1 cm, cada uma contendo, inicialmente cerca de um mol de ferro (6,02 x 1023 átomos), entre as quais ocorre uma transferência de elétrons. suponha que um número de elétrons, muito menor que 1023, tenha sido transferido de uma esfera para a outra: um elétron a cada bilhão de átomos (1ppb). se a distância entre as esferas for 10 cm, pela lei de coulomb, calculamos que o valor desta força é equivalente ao peso de 0,8 toneladas. esse exemplo é útil para mostrar como uma pequena alteração entre cargas provoca o surgimento de uma força muito grande. em uma solução eletrolítica, os íons podem se mover de um ponto ao outro facilmente; quando um íon se distancia relativamente dos outros, a força eletrostática que surge por esta separação de cargas atuará de modo a anulá-la, mantendo a solução eletricamente neutra em todos os pontos a todo instante. campo elétrico e potencial elétrico toda carga q elétrica modifica as propriedades do espaço a sua volta de tal forma que uma outra carga q trazida a um ponto desse espaço experimenta uma força elétrica. diz-se então que a carga q cria um campo elétrico a sua volta. com este conceito de campo elétrico, podemos considerar que a força que a carga q experimenta é devida a ele, tornando-se desnecessário nos referirmos diretamente à carga q. dizemos que f = q e a força é o produto da carga q pelo campo elétrico na posição da carga onde ela se encontra. claramente, o valor do campo deve ser tal que reproduza exatamente o valor da força calculada pela lei de coulomb. trabalhar com o conceito de campo elétrico é vantajoso. uma noção de campo análoga, e, em particular, uma situação onde o campo é constante, é o campo gravitacional. para este campo, dizemos que a força peso de um corpo é igual a sua massa multiplicada pela aceleração da gravidade, p = mg onde g = 10 m/s2 (nas proximidades da superfície da terra); estamos fazendo o mesmo raciocínio: a terra gera nas proximidades de sua superfície um campo gravitacional e a força é a massa multiplicada pela intensidade do campo (g). a analogia com a situação gravitacional pode ainda ser usada para entender uma outra grandeza elétrica importante: o potencial elétrico. para tanto, vamos lançar mão da noção de trabalho realizado por uma força. 4 o trabalho w realizado por uma força f, ao longo de uma distância x é w = f x. se pensarmos no trabalho realizado pela força peso sobre um corpo caindo de uma altura h da superfície da terra, calculamos que este trabalho será w = m g h. desta relação, podemos então concluir que o campo gravitacional cria, em relação à superfície da terra, uma nova propriedade: uma capacidade potencial de realizar trabalho a partir de cada altura h. esta capacidade potencial vale gh, que multiplicada pela massa m, resultará no trabalho realizado. note que a capacidade de realizar trabalho depende apenas do campo gravitacional e da altura, propriedades do espaço. vamos utilizar estas noções para analisar a situação de uma configuração de cargas, como a da figura 1: duas superfícies condutoras paralelas carregadas com cargas contrárias. ela será importante para a discussão de fenômenos elétricos nas células. figura 1 superfícies condutoras paralelas carregadas com cargas opostas. a atração eletrostática entre as cargas opostas, numa placa e noutra, e a repulsão entre as cargas iguais na mesma placa levará a uma distribuição uniforme dessas cargas nas superfícies condutoras, expressa pela densidade superficial de cargas s (unidades em coulomb por metros quadrados). pode-se mostrar que tal distribuição gera um campo elétrico constante e confinado à região entre as placas e = 4p ks onde k é a constante de coulomb, já citada. uma carga q colocada entre as placas sofre a ação de uma força devido ao campo elétrico e, dada por f = q e. o trabalho desta força, ao longo de uma distância 0 x = x - x será, portanto, w = q e x , medido em n x m = joule. usando a analogia discutida anteriormente para o campo gravitacional, podemos concluir que o campo elétrico e também cria, em relação a uma posição de referência, uma capacidade de realizar trabalho, agora, de origem elétrica. esta capacidade potencial que o campo elétrico tem de realizar trabalho por unidade de carga é chamada de potencial elétrico. como ela é sempre medida em relação a um ponto de referência, ela é dada por
onde 0 v é o potencial no ponto de referência. novamente, assim como para o campo, esta é uma propriedade atribuída ao espaço. o sinal negativo indica que o potencial elétrico cresce no sentido contrário ao sentido do campo elétrico. observe que este valor é apenas uma capacidade de realizar trabalho e não o trabalho realizado, o qual depende da carga que será deslocada pelo campo (note que a acepção da palavra potencial indica exatamente que não seja um trabalho, mas uma possibilidade dele). com estas noções, vamos analisar a situação para a distribuição de cargas em placas paralelas da figura 1, por meio da figura 2. figura 2 perfil do potencial elétrico através de placas carregadas. a distância entre as placas é l. entre os pontos a e b, o campo elétrico é nulo. portanto a capacidade de realizar trabalho entre estes dois pontos também é nula. pela relação anterior, escrevemos então v -v 0 b a = , o que significa que o potencial não se altera, b a v = v . entre os pontos c e d, como o campo elétrico também é zero, ocorre o mesmo, c d v = v . entretanto, no trecho bc, isto é, entre as placas,o campo tem um valor va= vb vc= vd
constante e, e a diferença de potencial será v -v e l c b = , onde l é a distância entre as placas. como se vê, a diferença de potencial em um campo elétrico constante, como no caso das placas paralelas, varia linearmente com a distância, como mostra a figura 2. em síntese, o potencial elétrico permanece constante fora das placas, onde o campo elétrico é nulo (o campo está confinado entre as placas) e varia linearmente entre as placas devido ao campo constante. um íon positivo (cátion) tenderá a se mover espontaneamente de uma região de maior para uma região de menor potencial elétrico. retomando a analogia mecânica, é o que ocorre quando um corpo cai de uma altura h. não se deve ser confundir potencial elétrico com a energia potencial elétrica. em casa dispomos de tomadas que disponibilizam 120 volts. a energia elétrica consumida dependerá do aparelho que se liga na tomada. no mesmo intervalo de tempo, uma lâmpada de 100 watts consome mais energia do que uma lâmpada de 40 watts mas, é claro, ilumina mais. campos elétricos podem ser gerados na natureza por dois mecanismos diferentes: separação de cargas e variação de campo magnético. em uma hidroelétrica, a força da água é usada para movimentar grandes magnetos próximos a fios. o movimento dos ímãs gera campos elétricos e a diferença de potencial que chega até a sua casa pelos fios. como vimos no estudo das reações de oxi-redução, em pilhas e baterias, reações químicas provocam a separação de cargas entre os dois pólos gerando a diferença de potencial. veremos, a seguir, que nas células o potencial é principalmente resultado da separação de cargas provocado pelo processo de difusão. proteínas que transportam carga líquida para um dos lados da membrana, como a na/k-atpase, também causam separação de cargas através da membrana – elas também contribuem para o surgimento do potencial elétrico. corrente elétrica correntes elétricas são cargas em movimento; ou seja, um fluxo de cargas elétricas que pode se dar pelo deslocamento de elétrons livres, as correntes elétricas em um metal e, também, pelo movimento de íons, em uma solução. a água pura é má condutora de eletricidade, porém, íons dissolvidos na água a tornam boa condutora. 7 equilíobrio químico em soluções eletrolíticas a difusão promove o processo de homogeneização dos solutos em uma solução aquosa. o mesmo processo ocorre para solutos carregados eletricamente. como discutido anteriormente, um número relativamente pequeno de cargas gera grandes forças; os íons em uma solução se distribuem de forma que macroscopicamente o líquido seja neutro; quaisquer separações de cargas no líquido causadas pelo movimento aleatório são compensadas por forças de atração e/ou repulsão eletrostática. portanto, ao colocarmos sal em um copo de água, em qualquer região do líquido, o sódio e o cloro estarão presentes em iguais concentrações. o que acontece quando a solução é posta em contato com uma distribuição de cargas: por exemplo, quando uma superfície plana carregada negativamente é mergulhada na solução os íons positivos serão atraídos pela superfície e os negativos serão repelidos e, portanto, a solução ficará com uma fina camada de cargas nas proximidades da superfície, de espessura da ordem de 10å. eletro-osmose e a origem do potencial de membrana através de uma membrana semipermeável vamos discutir agora como uma membrana semipermeável neutra ao separar duas soluções iônicas (também inicialmente neutras), porém de diferentes concentrações, leva ao surgimento de uma diferença de potencial elétrico entre as duas soluções. na figura 3, está delineado um experimento simples, no qual uma membrana semipermeável leva ao aparecimento de uma diferença de potencial entre dois compartimentos. uma cuba com água é dividida ao meio por uma membrana permeável apenas ao íon potássio (k+). no compartimento esquerdo, colocamos uma grande quantidade de cloreto de potássio (kcl), e, no da direita, apenas uma pequena quantidade, levando, portanto, a uma grande diferença de concentração – digamos 10 para 1. esta situação simula a diferença de concentração entre os meios intra- e extra-celular. 8 figura 3 origem do potencial elétrico em membranas semipermeáveis. a membrana é permeável apenas ao íons k+. no lado esquerdo da membrana (i) temos uma maior concentração de kcl, simulando o meio intracelular e o lado direito simula o meio extracelular (e). nesta situação, o sistema não está em equilíbrio. o potássio, por existir em muito maior concentração do lado esquerdo, difundirá pela membrana em busca do equilíbrio. o cloro não atravessa porque a membrana não lhe é permeável. entretanto, quando os íons k+ atravessam a membrana, deixam desemparelhados os contra-íons cl- do lado esquerdo, fazendo surgir aí uma carga líquida negativa e, no lado direito, uma carga positiva de mesmo valor. lembrando que existe a atração entre os pares de cargas contrárias através da membrana, podemos também concluir que as cargas permanecem próximas à superfície da membrana; as negativas na face esquerda e as positivas na face direita. a membrana carrega-se, então, de forma análoga às placas metálicas paralelas discutidas anteriormente. tal distribuição de cargas cria uma diferença de potencial elétrico através da membrana – o potencial de membrana – similar à apresentada na figura 2. nessas circunstâncias, íons k+ que estão do lado esquerdo experimentarão a ação competitiva de duas forças opostas: i) a tendência à difusão pela diferença de concentração e ii) a atração eletrostática pela carga líquida negativa. quando estas duas forças se compensarem, o sistema estará no equilíbrio eletroquímico. como visto no início, uma pequena separação de cargas leva ao surgimento de grandes forças eletrostáticas. no equilíbrio eletroquímico, apenas uma pequena fração dos íons k+ terá atravessado a membrana, o que é insuficiente para alterar significativamente as concentrações dos compartimentos da figura 3, mas o bastante para gerar uma diferença de potencial mensurável através da membrana. observe que quanto maior a diferença inicial entre as concentrações dos compartimentos, maior será a diferença de potencial estabelecida ao fim do processo, pois maior será o efeito da difusão, levando a uma maior separação de cargas. k k cl cl as células animais apresentam uma diferença de potencial elétrico através da membrana plasmática, que surge pela difusão de k+ por seus canais seletivos. o modelo do nosso experimento simples descreve bem o fenômeno. em 1890, o físico-químico alemão wilhelm ostwald mostrou que a relação entre a diferença de potencial e a concentração, no equilíbrio eletroquímico, tem a forma v = v -v = 2,3 rt log onde, os índices i e e indicam os compartimentos intra e extracelular, v é o potencial elétrico, c é a concentração, r é a constante dos gases, t é a temperatura absoluta (medida em kelvin), z é a valência do íon (+1 para o íon potássio) e f é a constante de faraday. essa equação é um caso particular, para a situação de equilíbrio, da equação de nernst. existem duas possíveis maneiras de se interpretar tal equação: 1. se, de alguma maneira, mantemos uma diferença de concentração de uma espécie de íon através da membrana e i c c , surgirá, através dela, uma diferença de potencial elétrico, v , cujo valor é calculado pela equação de nernst; 2. se, de alguma maneira, uma diferença de potencial elétrico é imposta entre os lados da membrana, o íon em questão assumirá uma diferença de concentração entre os lados da membrana. como um exemplo, podemos calcular a diferença de potencial que surgirá através da membrana, caso o meio intracelular seja 10 vezes mais concentrado que o extracelular. à temperatura ambiente, t=298k, r=8.314 jmol-1k-1 e a constante de faraday f=96 492c mol-1, portanto, a 25 °c, para um íon monovalente, calculamos, para o potencial de membrana: mv i e - = 59,2log = -59.2 potencial eletroquímico 10 a equação de nernst pode ser deduzida a partir do potencial químico, se na sua definição considerarmos o efeito produzido pela presença de cargas elétricas. como vimos anteriormente, o potencial químico, para uma solução diluída foi definido por
onde, a µ é o potencial químico padrão e a c a concentração da espécie a. lembrando que o potencial químico mede a variação da energia livre de gibbs de um sistema, por mol de substância acrescida (ou retirada), mantidas constantes as demais variáveis termodinâmicas, sendo as espécies carregadas, ele deve ser acrescido de um termo que responda pelo comportamento da espécie suscetível a estímulos elétricos. o potencial químico, chamado agora potencial eletroquímico, passa a ser expresso, então, como
onde za é a carga do íon da espécie a, f a constante de faraday e v o potencial elétrico medido em relação a um nível de referência. considerando, que nas condições do nosso modelo da figura 3, o potencial eletroquímico dos dois lados da membrana não é o mesmo devido à diferença de concentrações e também à dos potenciais elétricos, eles são dados: no lado interno (i), por
e, no externo (e), por
o equilíbrio eletroquímico, então, se expressará por
que nos leva ao resultado encontrado por ostwald:
tal resultado nos leva a concluir que o equilíbrio eletroquímico de íons para os quais a membrana lhe seja permeável não se caracteriza pela sua homogeneização, como no caso das moléculas neutras, mas sim, pelo surgimento de um potencial elétrico que contrabalança a difusão. em outras palavras, se o soluto porta uma carga líquida, tanto seu gradiente de concentração, quanto o potencial de membrana, influencia seu transporte, como veremos a seguir. transporte através da membrana transporte passivo a difusão é um fenômeno que promove o movimento de moléculas de solutos em soluções. ela está intimamente relacionada com a diferença de concentração do soluto em duas regiões do solvente. um fluxo líquido de moléculas surge na presença de um gradiente de concentração. logo, se na natureza verificam-se situações nas quais existe um gradiente de concentração para uma substância, nelas, estão criadas as condições para que ocorra a difusão das moléculas desta substância, ou, o transporte dessas moléculas da região de maior concentração para a de menor concentração. a difusão é, portanto, potencialmente, um primeiro mecanismo de transporte a considerar aqui. no nível celular, a existência de gradientes de concentração através das membranas é fato para inúmeras espécies químicas (tanto íons, quanto moléculas neutras), como sabemos. conhecemos a situação, por exemplo, para o o2, cuja concentração no meio externo é maior que no citoplasma, onde é consumido, e para o co2, que, inversamente, tem a concentração maior no citoplasma, onde é produzido, que no meio extracelular. tais moléculas são transportadas diretamente através da membrana por difusão no sentido do gradiente de concentração correspondente como mostrado na figura 4(a). outras espécies químicas mantêm gradientes de concentração entre os meios intra e extra celulares, mas dado ao seu tamanho ou natureza hidrofílica, não conseguem atravessar a membrana. nesse caso, o processo de sua difusão é mediado por uma proteína que facilita a passagem da molécula. na figura 4 (b) e (c), você pode ver a ilustração de duas dessas situações: difusão facilitada por um canal e por uma proteína transportadora. citosol meio extracelular o2 co2 a) b) glut-1 é uma proteína de membrana, mostrando seu sítio de ligação voltado para a parte extracelular. a glicose liga-se a glut-1 vinda do lado extracelular. ocorre uma mudança conformacional, expondo o sítio de ligação para o citosol. a glicose é liberada para o citosol. finalmente, uma nova mudança conformacional, leva a proteína para sua conformação inicial. c) figura 4 transporte passivo. a) transporte direto; b) transporte facilitado por proteínas canais e c) transporte facilitado por canais transportadores. observe que o transporte de matéria nesses casos se deu por difusão (direta ou facilitada por proteínas) às expensas da energia armazenada no gradiente de concentração. tal energia armazenada (energia potencial) é devida à distribuição espacial da massa; um gradiente de concentração diferente de zero expressa justamente uma situação com acúmulo de massa numa região frente a uma escassez em outra. por isso falamos de uma energia de configuração; uma energia armazenada em virtude da configuração do sistema, que é medida em termos da diferença de potencial químico. para analisarmos o transporte de espécies químicas carregadas, íons, através da membrana, temos que levar em conta, além da presença do gradiente de concentração, a existência do potencial elétrico que surge, como visto antes, quando há a seletividade da membrana. para analisar o transporte dos íons na+ e k+ através da membrana plasmática, vamos considerar uma situação mais complexa que a discutida na figura 3, mas mais próxima do que ocorre nas células: uma cuba contendo dois tipos diferentes de íons positivos, como mostrado na figura 5. figura 5 a membrana é permeável apenas aos íons k+ e na+. a concentração iônica é agora idêntica em ambos os lados da membrana. o meio de alta concentração de potássio simula o meio intracelular (i) e o de alta concentração de sódio, o meio extracelular (e). suponha que ambos os íons passam por canais que podem estar fechados ou abertos. se o canal de sódio estiver fechado inicialmente, o equilíbrio se estabelece exatamente como na figura 3 e o perfil de potencial fica como mostrado na figura 2. imagine agora que o canal de potássio seja fechado e o de sódio seja aberto. neste caso, a concentração do íon na+ é maior fora da célula e o potencial elétrico também é maior fora, como mostrado nas figuras 2 e 5. sob tais circunstâncias, se olhássemos só sob o aspecto do gradiente de concentração, diríamos que um íon na+ seria compelido a entrar na célula, levado pela difusão. se olhássemos só sob o aspecto do potencial elétrico, diríamos que, sendo um íon positivo, o campo elétrico criado na membrana compeliria o íon a entrar na célula, levado pela força elétrica. como tais forças são independentes uma da outra e agem no mesmo sentido, o efeito resultante é de cooperação, ou da soma das duas. logo, o íon na+ penetra no citoplasma levado pelas duas forças. em outras palavras, o transporte se dá às expensas da energia armazenada no gradiente de concentração do na+, mas também da energia armazenada no campo elétrico, o qual foi criado anteriormente pelo transporte do k+. observe que agora a energia de configuração do sistema, além daquela da massa, engloba também a configuração das cargas elétricas nele existentes; a do íon (a ser transportado) frente àquelas devidas ao potencial k cl mm mm na na elétrico. isso implicou em ampliar o conceito de potencial químico antes referido (associado apenas à configuração de massa) para que ele englobe também a contribuição de origem elétrica. os casos discutidos até aqui são exemplos do tipo de transporte chamado passivo. o transporte passivo é aquele que ocorre pela tendência espontânea de uma espécie química se mover de uma posição onde a energia armazenada é mais alta para outra mais baixa. nos casos discutidos para moléculas neutras, uma tal situação fica determinada pelo sentido da região de concentração mais alta para a mais baixa, ou a favor do gradiente de potencial químico, que, nestes casos, se expressa pelo gradiente de concentração. no caso de íons, a situação energeticamente favorável fica definida levando-se em consideração tanto o gradiente de concentração como o do potencial elétrico; ou o gradiente do potencial eletroquímico. a situação energeticamente favorável, nesses casos, é aquela no sentido do potencial eletroquímico mais alto para o mais baixo. lembrando que o potencial eletroquímico tem duas contribuições que se somam, sendo que uma delas, a elétrica, pode ser negativa, é possível verificar que teremos três possibilidades: a) quando o gradiente de concentração e o gradiente do potencial elétrico têm o mesmo sentido, como é o caso discutido para o na+; b) quando o gradiente de concentração e o do potencial elétrico têm efeitos em sentidos contrários, e a contribuição da diferença da concentração sobrepuja a do potencial elétrico; c) quando o gradiente de concentração e o do potencial elétrico têm efeitos em sentidos contrários, e a contribuição elétrica sobrepuja a diferença de concentração. estas três possibilidades são mostradas na figura 6. figura 6 o sentido e a intensidade do transporte passivo são determinados pelo gradiente de concentração e pelo gradiente de potencial elétrico. a) ambos no mesmo sentido levam a um intenso transporte (flecha grande); b) se em sentidos opostos, mas com o gradiente de concentração dominando, o transporte ocorre no sentido de maior para menor concentração; c) se em sentidos opostos, mas com o gradiente de potencial elétrico dominando, o transporte ocorre contra o gradiente de concentração. o transporte passivo ocorrerá sempre em todo sistema no qual a distribuição da espécie, entre os meios extra e intracelular, difira daquela verificada no equilíbrio termodinâmico. transporte ativo voltemos agora ao nosso exemplo do na+ entrando na célula impelido pelas forças dos dois gradientes (de concentração e de potencial elétrico) para analisar o outro tipo de transporte. se o único transporte do na+ através da membrana se desse como discutido anteriormente, isto é, fosse apenas o passivo, com passar do tempo, a concentração do na+ no interior da célula tenderia a se igualar à concentração do meio extracelular, fazendo desaparecer o seu gradiente de concentração e cessando o transporte. entretanto, o gradiente de concentração do na+ se mantém à razão maiores que de 1 para 10 – para células mamárias de animais, a concentração de na+ no citosol é de 12 mm, enquanto no sangue a concentração é de 145mm. surge então a questão: como tal gradiente é mantido, se tanto o gradiente de concentração quanto o potencial de membrana – da ordem de -70mv – favorecem a homogeneização do íon nos dois meios em termos de energia, esta questão se coloca: como um íon de na+ consegue energia para sair da célula movendo-se contra seu gradiente de potencial eletroquímico fazendo uma analogia com o potencial gravitacional, seria equivalente a perguntar: como uma pessoa faz para conseguir energia para ser levada do térreo aos andares superiores de um prédio se a resposta é ora, usa simplesmente o elevador , estamos na pista certa para entender o transporte ativo. lembramos, no entanto, que todo elevador exige necessariamente uma fonte de energia para subir. o transporte ativo de moléculas ou íons através das membranas da célula é aquele que se verifica contra seus gradientes do potencial eletroquímico às custas de uma energia extra fornecida a essas partículas. de uma maneira geral, o transporte ativo ocorre mediado por uma proteína que funciona como uma bomba. ele está sempre acoplado com uma fonte que fornece a energia necessária para acionar a bomba. freqüentemente, essa fonte de energia é a reação química da hidrólise do atp. um exemplo de transporte ativo conhecido é o realizado pela bomba k/na- atpase, que é justamente o responsável pela manutenção dos gradientes de concentração destes íons através da membrana plasmática. é por esse transporte realizado pela bomba que os íons de na+ saem e os de k+ entram na célula, movendose, respectivamente, contra seus gradientes de potencial eletroquímico. na figura 7 você pode ver um esquema do transporte ativo realizado pela bomba k+/na+. figura 7 transporte ativo da bomba na/k-atpase. do ponto de vista termodinâmico, podemos analisar os fenômenos de transporte através da membrana, calculando a variação da energia livre de gibbs. para o transporte passivo de substância neutra, a variação da energia livre de gibbs por mol, é dada pela diferença entre os potenciais químicos nas soluções de diferentes concentrações, em cada lado da membrana:
onde e i g é a diferença entre o potencial químico da espécie a no lado externo e o seu valor no lado interno da membrana. para que tenhamos inf 0 e i g , isto é, para que a difusão espontânea se dê de fora para dentro, é necessário que tenhamos ci ce a a inf , isto é, a concentração da espécie a do lado externo seja maior que do interno. dito de outra forma, havendo um gradiente de potencial químico, a difusão ocorrerá a favor deste gradiente. na+ k+ na+ na+ atp k+ adp citosol concentração de na+ concentração de k+ membrana meio extracelular se, ao contrário, ci ce a a sup , o transporte da espécie de fora para dentro não será espontâneo; ele só ocorrerá se alguma energia for fornecida à molécula; teremos então o transporte ativo. para o caso da espécie ser um íon, temos que levar em conta na nossa análise o potencial eletroquímico. consideremos a situação específica da bomba de na/k, focando nossa atenção no íon na+, cuja concentração fora é da ordem de 10 vezes a de dentro. verifiquemos agora qual é a variação da energia livre de gibbs por mol no transporte deste íon do meio interno para o externo, ou seja, calculemos i e g . usando a definição do potencial eletroquímico, temos ln ( ) na na na na na na
para a temperatura de 37ºc e levando em conta que a diferença de potencial elétrico do meio externo para o interno é de 70mv, a equação acima fornece g kj mol i e = 12,7 / , um valor positivo, mostrando que o transporte nesta direção, contra o gradiente do potencial eletroquímico, não é espontâneo, necessitando portanto de um aporte de energia. essa energia necessária pode ser provida por uma reação química, com inf 0 r g , suficiente para tornar i e g negativo. o movimento do íon para fora da célula pode então ser representado por
na na
sabemos que, para a hidrólise de um mol de atp, g kj mol r = -30 / . se portanto, a reação acoplada ao processo for a hidrólise do atp, o i e g para o será -17kj/mol, mostrando que, nessas condições, esse transporte ocorrerá. observe que, para o na+, o transporte ativo ocorre contra o gradiente de concentração e, simultaneamente, contra o gradiente de potencial elétrico. já para o k+, o transporte ativo ocorre contra o gradiente de concentração, mas a favor do gradiente de potencial elétrico. na figura 8, está mostrado um interessante exemplo de transporte ativo que consegue a energia para ir contra seu gradiente de potencial eletroquímico aproveitando o transporte passivo de outra espécie. trata-se da bomba na+/glicose que ocorre, por exemplo, nas células epiteliais do intestino para absorção da glicose e nas células renais para a reabsorção. note que o na+ está sendo transportado passivamente – a favor de seu gradiente de potencial eletroquímico – enquanto a molécula de glicose é transportada ativamente contra seu gradiente de potencial eletroquímico (no caso só de concentração, pois a molécula é neutra) as custas da energia liberada pelo transporte passivo do sódio. figura 8 transporte ativo da glicose impulsionado pelo transporte passivo do sódio. o gradiente de potencial eletroquímico é um mecanismo importante do qual a célula se vale para armazenar energia. nas mitocôndrias, a energia química da glicose é armazenada na forma de um gradiente eletroquímico de h+ antes de ser finalmente transferida às moléculas de atp. na fotossíntese, também ocorre a produção de atp por um gradiente de prótons, com a diferença que o gradiente acumula energia proveniente da luz absorvida. a energia acumulada no atp volta a ser convertida em gradientes eletroquímicos por bombas que realizam transporte ativo, na/k-atpase, por exemplo. esse gradiente é agora utilizado para, por exemplo, transportar moléculas necessárias à célula, como a glicose. além disso, nas células excitáveis, como as nervosas e musculares, a existência de gradientes permite outro processo biológico importante: a sinalização por na+ citosol concentração de na+ concentração de glicose membrana meio extracelular 19 impulsos elétricos. parte da energia armazenada nos gradientes é dissipada cada vez que um sinal elétrico é enviado, portanto, o gradiente requer constante regeneração por parte da na/k-atpase. o atp é a moeda energética das células. aqui pode-se perceber que as células trabalham com um complexo sistema financeiro . os fenômenos elétro(químicos) na célula têm, em síntese, as seguintes funções: 1. armazenamento de energia – para processos de transporte como o da glicose entrando com o sódio; 2. manutenção da diferença de concentração de solutos para manter o equilíbrio osmótico; 3. produção do atp nas membranas da mitocôndria e dos cloroplastos servindo como uma forma intermediária de armazenamento de energia nas células; 4. produção de sinais elétricos através de células excitáveis – células nervosas e musculares. conclusão a bioeletricidade é uma característica de todos os tecidos vivos, animal e vegetal. luigi galvani, professor de anatomia na universidade de bolonha fez tal constatação, em 1780, quando, verificou uma contração do músculo dissecado da perna de um sapo ao ser tocado pelo pólo de uma máquina de eletricidade estática; a perna do sapo movimentou-se como se estivesse viva. galvani, com suas experiências, concluiu que eletricidade era também gerada por corpos de animais, existindo uma íntima relação entre a vida e ela; denominou-a de eletricidade animal ou força vital , considerando-a similar, mas algo distinta da eletricidade natural de raios e máquinas de eletricidade. alessandro volta, um físico também italiano e amigo de galvani, apaixonado pela eletricidade, repetiu as experiências, confirmou os resultados obtidos, mas discordou da interpretação dada por galvani; para ele a eletricidade observada originava-se não do tecido animal, mas teria sido gerada pelo contato entre dois tipos de metal manipulados por galvani em suas experiências, funcionando o músculo do sapo apenas como um detector de pequenas diferenças de potencial. uma contenda científica entre os dois estabeleceu-se por muitos anos, ao longo dos quais inúmeras experiências foram feitas por ambos com diferentes animais, cujos músculos ou nervos eram submetidos a cargas elétricas; cada qual queria provar a sua tese. foi no bojo dessa briga científica, que, em 1800, volta, para provar que galvani estava errado, construiu a pilha elétrica, ou bateria, constituída de uma série de discos metálicos de dois metais diferentes, separados por papelão embebido em soluções acidas ou salinas. a pilha ou bateria de volta constitui uma das mais importantes descobertas ou invenções científicas, uma vez que se trata do primeiro método criado para armazenar energia elétrica, possibilitando a geração e manutenção de corrente elétrica. podemos observar então que pesquisas em biologia, no século xviii, desencadearam importantes avanços no conhecimento da física sobre a natureza dos fenômenos elétricos, que, uma vez desenvolvidos e bem compreendidos, permitiram, mais modernamente, identificar o papel central que a bioeletricidade desempenha nos fenômenos vitais. a bioeletricidade responde pelos processos de transporte através das membranas celulares, que controlam a formação e dissipação de gradientes de concentração de íons e de gradientes de potencial elétrico. estes gradientes, tal como a pilha ou bateria de volta, armazenam energia eletroquímica, a qual pode ser convertida e disponibilizada em outras formas que são usadas pelos organismos em inúmeros processos. o debate galvani versus volta foi um dos episódios mais importantes da história da ciência, principalmente, pelo elevado espírito científico com que se travou. galvanismo foi o termo, generosamente, cunhado por volta, que disse sobre o trabalho de galvani: ele contém uma das mais belas e surpreendentes descobertas . ambos estavam certos. havia dois importantíssimos fenômenos: a eletrogênese bimetal e a bioeletrogênese animal.
<langue=br><sujet=potentiel-de-membrane><num=50><source=http://www.fmrp.usp.br/revista/2007/vol40n3/tem_fundamento_eletrofisiologia.pdf>
fundamentos de eletrofisiologia: potenciais de membrana eletrophysiology fundamentals: membrane potentials
resumo: a eletrofisiologia é de fundamental importância para os profissionais da área médica, não obstante seja um dos temas de difícil compreensão pelos estudantes. com base em nossa experiência didático-pedagógica, sentimos a necessidade de auxiliar o estudante que se inicia nesse assunto, ou que o retoma. assim, elaboramos um instrumento auto-instrucional de ensino-aprendizagem, de fácil utilização, onde o domínio seqüencial dos conteúdos favorece as novas aquisições cognitivas. o instrumento visa tratar dos princípios físico-químicos da bioeletrogênese, fornecendo a base de estudo da neurofisiologia, da endocrinologia e da eletrofisiologia cardíaca inter alia. precedido de uma introdução teórica e dos objetivos, apresenta uma seqüência lógica, articulada e hierarquizada de setenta questões objetivas de múltipla escolha, com três alternativas, sendo cinqüenta e nove questões básicas e onze aplicadas. as questões objetivam estimular o estudante a descobrir, por meio do raciocínio lógico-dedutivo, os fundamentos bioelétricos da geração e manutenção do potencial de membrana. em paralelo com o conteúdo das proposições, foram dispostos vários insets reforçadores dos conceitos essenciais ou que destacam aspectos relevantes e aplicados do tema. na parte final, apresentou-se o gabarito das questões. o instrumento foi utilizado em atividades de estudo em grupos, de alunos de cursos da área biológica, com resultados satisfatórios. descritores: potenciais da membrana. eletrofisiologia. biofísica. ensino. aprendizagem. instrução programada.
1- introdução um importante objetivo de ensino da fisiologia é prover os estudantes com uma sólida compreensão dos conceitos básicos que fundamentam os processos vitais de ordem superior, aumentando sua percepção dos conceitos unificadores (v.g. a dependência que os sistemas vivos têm das leis físico-químicas) e melhorando suas habilidades em resolver problemas. o estudo da fisiologia das membranas excitáveis é de grande importância nas disciplinas de neurociências e de fisiologia, nos cursos de graduação da área médica. seria difícil exagerar o significado fisiológico da diferença de potencial elétrico transmembranar. entretanto, a relevância do estudo da atividade elétrica dos seres vivos não se restringe ao seu caráter acadêmico, voltado apenas para o conhecimento e a interpretação das leis que regem o funcionamento dos seres vivos. várias aplicações de caráter prático, principalmente na área médica, podem ser enumeradas, tais como: a eletrocardiografia, a eletroencefalografia e a eletromiografia.
a análise dos fenômenos bioelétricos se constitui, muitas vezes, em importante ferramenta de estudo dos fenômenos fisiológicos. longe de ser um problema de ciência pura, o estudo da bioeletrogênese é de singular importância e atualidade para o fisiologista, o biofísico e, particularmente, o médico4. em razão do amplo papel do potencial de membrana nos processos fisiológicos e da elevada fração do suprimento energético dispendido na manutenção do potencial de membrana, é essencial que os estudantes iniciantes de fisiologia tenham um bom entendimento de como os potenciais de membrana são gerados. no processo de ensino-aprendizagem de fisiologia e biofísica, em cursos de graduação, detectamos, freqüentemente, grande dificuldade na compreens ão de conteúdos da eletrofisiologia básica. um dos aspectos centrais dessa dificuldade fica evidente quando se discutem as conseqüências, para o potencial de membrana, do aumento da concentração extracelular de um sal de potássio. possivelmente, este é o aspecto central deste instrumento de estudo, mormente quando se sabe que diversas condições fisiopatológicas apresentam, como um dos distúrbios homeostáticos, alterações da concentração de potássio nos líquidos extracelulares (v.g. insuficiência renal crônica; diabetes; lesões musculares inter alia). em concordância, diversos autores destacam que a noção de potencial de repouso da membrana plasmática é um dos mais difíceis conceitos fisiológicos que os estudantes precisam dominar, sujeitando os alunos a vários malentendidos 9. por essas razões, é crítico que todos os estudantes de fisiologia tenham uma clara compreensão das bases físico-químicas do potencial de repouso das membranas. a aplicação de uma questão representativa desse assunto, a estudantes que já haviam cursado um semestre de neurofisiologia, demonstrou que parte dos estudantes, aparentemente: (a) desconheciam a forma de distribuição de íons, entre o extra e o intracelular; (b) confundiam concentração de equilíbrio com potencial de equilíbrio; (c) não entendiam o princípio da neutralidade elétrica; (d) confundiam os sentidos de variação do potencial: potencial aumentado/diminuído e potencial mais positivo/mais negativo; (d) foram incapazes de explicar o conceito de potencial de equilíbrio eletroquímico de um íon. esses dados, portanto, reforçam nossas observações. assim, sentimos a necessidade de auxiliar o estudante que se inicia nesse assunto, ou que o retoma. a forma apresentada é um instrumento autoinstrucional de ensino-aprendizagem, de fácil utilização, onde o domínio seqüencial dos conteúdos serve de suporte às novas aquisições cognitivas. o instrumento foi elaborado, aplicado e aperfeiçoado, nos últimos anos, tendo sido utilizado em atividades de estudo em grupos, por alunos de cursos da área biológica, com resultados satisfatórios. 1.1- conceitos básicos e suas aplicações grande número de fenômenos biológicos importantes é acompanhado de manifestações elétricas celulares. em repouso, as células vivas apresentam diferença de potencial elétrico de várias dezenas de milivolts através da membrana plasmática, com o meio intracelular negativo em relação aos líquidos extracelulares (lec). a gênese desse potencial de membrana está associada a mecanismos de transporte de íons, que criam um meio iônico intracelular de composição distinta daquela do meio iônico extracelular. nesse particular, os processos de difusão (potenciais de difusão) e os transportes ativos (potenciais de bombas eletrogênicas) representam os mecanismos básicos responsáveis pela polarização da membrana plasmática. a difusão de íons a favor de gradientes de concentração é a mais importante causa de manifestação elétrica em sistemas biológicos. uma notável característica de todas as células vivas é a diferença de potencial existente entre os fluidos intra e extracelulares. essa diferença de potencial usualmente varia entre 10 e 100 mv, com o interior da célula sendo eletronegativo em relação ao exterior. o potencial de membrana está implicado em inúmeros processos celulares, tais como: (a) transportes iônicos e, conseqüentemente, de água através das membranas celulares e entre compartimentos orgânicos; (b) transporte de numerosos nutrientes, para dentro e para fora das células; (c) transporte de nutrientes acoplados ao sódio, nos enterócitos; (d) secreção de cloreto, por epitélios; (e) sinalização celular; (f) sinalização elétrica nas células excitáveis; (g) geração de potencial de ação pós-sináptico; (h) função cerebral, incluindo-se os processos cognitivos; (i) percepção sensorial; (j) contração muscular; (l) secreção hormonal e (m) proliferação e ciclo celular 3,5. os três principais íons (k+, na+ e cl-) participantes da geração do potencial de membrana, nas células em geral, também desempenham outras importantes ações em múltiplas células, em tecidos e órgãos humanos. nas fibras nervosas e nas células musculares a relação entre o potássio intra e extracelular de 380
termina a excitabilidade neuromuscular. alguns estudos demonstraram uma associação positiva entre dietas ricas em potássio e o controle da pressão arterial, assim como a prevenção de acidentes vasculares cerebrais. igualmente, o potássio está implicado na atividade marca-passo cardíaca e na fisiologia de músculos lisos, bem como é fundamental para a homeostase glicêmica. o potássio exerce ações hepáticas e integra uma alça de retroalimentação negativa, que controla a secreção pancreática de insulina, bem como a atividade da bomba de na+/k+ atpase, nas células em geral. por outro lado, também atua na síntese protéica e participa de reações enzimáticas12. alterações no gradiente de potássio, tipicamente resultantes de mudanças no potássio extracelular, podem ser extremamente importantes, tanto fisiologicamente, quanto clinicamente. o sódio é fundamental no controle da osmoticidade, além de participar na geração da atividade elétrica em diferentes tecidos excitáveis. já o cloreto é bombeado ativamente para compor o suco gástrico, além de participar, tanto do controle da pressão osmótica dos líquidos extracelulares, quanto da pressão arterial. os íons fluem através das membranas, em grande parte, percorrendo diferentes canais. os canais iônicos estão presentes nos seres vivos, de bactérias até mamíferos. são responsáveis pela transmissão elétrica em todo o sistema nervoso e participam de inúmeros processos fisiológicos e bioquímicos, como contração muscular, secreção de neurotransmissores e hormônios, dentre muitos outros. a utilização de novas técnicas e ferramentas avançadas de biofísica, eletrofisiologia e biologia molecular permitiu que se conhecesse a estrutura e o funcionamento dos canais iônicos, base molecular e fundamental para a ocorrência dos fenômenos eletrofisiológicos. não obstante, o conhecimento da essência dos fenômenos elétricos nos seres vivos depende do entendimento de processos e conceitos básicos, tais como: potenciais de difusão; equilíbrio eletroquímico; potenciais de equilíbrio eletroquímico e potenciais de membrana, além dos potenciais de ação, não tratados neste estudo. 2- objetivo geral enfocar os princípios físico-químicos da eletrofisiologia, fornecendo a base para se estudar a neurofisiologia, a atividade elétrica das células endócrinas e dos músculos lisos e estriados, a eletrofisiologia cardíaca e a função tubular renal, dentre outras aplicações. obviamente, não se pretende abranger todo o assunto, mas sim fornecer os fundamentos indispensáveis à continuidade desse estudo. 3- objetivos operacionais ao final do estudo, o usuário será capaz de: a) esquematizar e explicar a geração de potenciais de difusão. b) esquematizar e explicar o desenvolvimento, a manutenção e o significado conceitual do equilíbrio eletroquímico de um íon. c) esquematizar e explicar o surgimento e a manutenção de um potencial de equilíbrio eletroquímico de um íon. d) explicar o princípio da eletroneutralidade nas células, na geração de potenciais elétricos. e) utilizando as figuras deste estudo, explicar de que forma alterações das concentrações iônicas, intra e extracelulares de potássio, sódio e cloreto interferem no potencial de equilíbrio eletroquímico de cada íon. f) aplicar a equação de nernst e explicar o seu significado prático. g) aplicando a equação de nernst, explicar as alterações do potencial de membrana após aumento ou redução das concentrações iônicas, nos líquidos extra e intracelulares. h) aplicar a equação do campo constante de goldman, hodgkin e katz (equação de goldman), no cálculo de potenciais de membrana. i) aplicando as equações de nernst e de goldman, determinar os efeitos de alterações da temperatura nos potenciais de equilíbrio eletroquímico de íons, bem como nos potencias de membrana. j) explicar a razão das diferenças de valores dos potenciais de membrana, em diferentes células. l) explicar por que o potencial de membrana de astrócitos apresenta valor igual àquele do potencial de equilíbrio eletroquímico do potássio. m) explicar por que o potencial de membrana de neurônios e células musculares apresenta valor próximo àquele do potencial de equilíbrio eletroquímico do potássio. n) explicar por que o potencial de membrana das células em geral apresenta valor igual àquele do potencial de equilíbrio eletroquímico do íon cloreto. o) explicar, com base nos gradientes químicos de potássio, por que as alterações de concentração desse cátion, nos líquidos extra e intracelulares, provocam mudanças no potencial de membrana. p) calcular os valores do potencial de membrana, simulando alterações das concentrações do potássio. q) simulando alterações da permeabilidade da membrana aos íons sódio e potássio, calcular os potenciais de membrana resultantes. r) explicar por que o potencial de membrana é um potencial dissipativo, ao contrário dos potenciais de equilíbrio eletroquímico. s) justificar a importância dos gradientes iônicos através da membrana plasmática, para a homeostase celular e orgânica. t) explicar a atuação da bomba de na+/k+ atpase na manutenção dos gradientes iônicos transmembranares. u) explicar os efeitos celulares da ativação ou inibição da bomba de na+/k+ atpase , por diferentes fatores (v.g. íons, hormônios, baixas temperaturas, anóxia, fármacos, venenos metabólicos). v) aplicar os fundamentos da eletrofisiologia na explicação de: v1) certas alterações fisiopatológicas (v.g. no diabetes mellitus; na insuficiência renal crônica). v2) determinados fenômenos celulares (v.g. inativação de canais de k+ atp para a secreção de insulina pelas células beta; ativação farmacológica desses canais). 4- plano geral do instrumento o presente estudo consiste, basicamente, de uma seqüência lógica, articulada e hierarquizada de questões objetivas de múltipla escolha, de resposta única, que visam estimular o estudante a descobrir, por meio do raciocínio lógico-dedutivo, as bases físico-químicas da geração e manutenção dos potenciais de membrana. trata-se de uma proposição deliberadamente elementar, mas que visa apresentar, precisamente, os fundamentos da eletrofisiologia, de maneira a serem mais facilmente compreendidos. o instrumento inclui questões redundantes ou verificadoras, em ciclos, que permitem retomar, reavaliar e consolidar aspectos já enfocados, em momentos anteriores. na sua parte final, são apresentadas questões específicas, de cunho prático, em referência a variados setores da fisiologia. são enfocados aspectos fisiopatológicos e farmacológicos, visando demonstrar: (a) o alcance deste estudo e (b) algumas das possíveis aplicações dos conhecimentos obtidos na eletrofisiologia básica. diversos insets são incluídos, visando reforçar conceitos essenciais, bem como destacar aspectos interessantes sobre o tema. o gabarito das questões e as referências bibliográficas encerram o estudo. por se tratar de um instrumento de ensino-aprendizagem e, não, de uma simples avaliação, cada resposta deve ser conferida e, eventualmente, reavaliada após a análise de cada questão. para efeitos didáticos, são aqui consideradas padrões as concentrações extracelulares de k+ = 4 mm; na+ = 140 mm e cl- = 130 mm, bem como os valores intracelulares de k+ = 140 mm; na+ = 15 mm e cl- = 10 mm. 5- instrumento condição i: uma célula teórica (i), cuja membrana plasmática é permeável unicamente ao k+, apresenta um gradiente transmembranar desse íon, de 140 mm (intracelular) para 4 mm (extracelular). ambos os compartimentos são eletroneutros. para simplificação didática, os ânions (contra-íons) e os demais cátions foram omitidos. [k+]i = 140 mm [k+]e = 4 mm partindo-se da situação hipotética em que não há diferenças de cargas elétricas entre o intra e o extracelular ¾ a diferença de potencial é zero ¾, pergunta-se: 1- o fluxo inicial resultante de k+ para fora da célula, por difusão, é determinado, essencialmente, pelo gradiente do potencial: a) elétrico. b) químico (i.e. gradiente de concentração). c) eletroquímico. a difusão de íons a favor de gradientes de concentra ção é a mais importante causa de manifestação elétrica em sistemas biológicos. 2- a carga elétrica resultante, no interior da célula, com o passar do tempo será: a) nula. b) positiva. c) negativa.
apesar da separação de cargas ¾ capacitância ¾ da membrana plasmática, o princípio da neutralidade elétrica não é violado, já que o volume citoplasmático e o fluido extracelular são eletricamente neutros, com igual número de cargas positivas e negativas. a separação de cargas ocorre somente em uma região muito estreita, com menos de 1 mm de espessura, em ambos os lados da membrana (nuvem iônica superficial). além disso, o número de cargas separadas representa uma fração insignificante do total de cargas positivas e negativas intracelulares. 3- a força que se opõe à saída de k+ resulta do gradiente de potencial: a) elétrico b) químico c) eletroquímico a combinação de gradientes iônicos transmembranares com permeabilidade diferencial a íons é a base para a geração de diferenças de voltagem. potencial de difusão é a diferença de voltagem originada da separação de cargas resultante da difusão de partículas carregadas em uma solução. membranas biológicas comportam-se como capacitores elétricos porque separam e acumulam cargas elétricas. 3a- faça quatro esquemas semelhantes àquele da figura acima (célula teórica i). no 1° esquema, indique a situação inicial (tempo = zero). no 4°, indique a situação de equilíbrio. em cada esquema, indique: (a) as alterações progressivas de carga elétrica, no intra e no extracelular; (b) usando vetores traçados em diferentes padrões ou cores, indique as forças dos dois gradientes, bem como a força resultante, para difusão do potássio; (c) indique, para cada esquema, um valor arbitrário e coerente de potencial membranar resultante, no intervalo entre zero e -95 mv. 4- na questão 3, o gradiente de potencial elétrico cresce, a partir do instante zero, porque: a) parte dos ânions intracelulares ficam sem os seus contra-íons (princípio da eletroneutralidade). b) o gradiente de potencial químico, i.e., gradiente de concentração, decresce rapidamente. c) o gradiente de potencial químico decresce lentamente. em conjunto, as forças dos gradientes de potencial químico e de potencial elétrico somam-se algebricamente, resultando no que se conhece como gradiente eletroquímico. 5- o gradiente de potencial elétrico crescerá até que: a) as concentrações de k+ se igualem, através da membrana. b) ocorra a inversão das concentrações de k+, através da membrana. c) a força do gradiente de potencial químico existente seja contrabalançada pela força do gradiente de potencial elétrico. o gradiente de potencial elétrico, criado pela difusão do k+, impede a continuação desse processo de difusão, sendo atingido rapidamente um equilíbrio, no qual a força de difusão, no sentido do meio extracelular, criada pela diferença de concentração, é equilibrada por uma força elétrica, agindo no sentido oposto. a quantidade de íon que se move através da membrana ¾ isolante dielétrico ¾ é balanceada por uma quantidade igual do contra-íon, no outro lado da membrana. a membrana é literalmente carregada ao potencial de equilíbrio e age como um capacitor. 6- o estado atingido, quando a força do gradiente de potencial elétrico chega ao seu máximo, denomina-se equilíbrio: a) químico. b) elétrico. c) eletroquímico. a quantidade de k+ que deixa a célula, para produzir o potencial de equilíbrio, é tão pequena que não pode ser medida quimicamente, apesar do substancial efeito elétrico que provoca. assim, basta que apenas 1/100 000 (i.e., 0,001%) do k+ intracelular se difunda através da membrana celular para estabelecer o potencial de equilíbrio eletroquímico (ek+) (v.g. 90 a -100mv). para alterar o potencial de membrana em 100 mv, há necessidade de um aumento de apenas cerca de 6000 cargas positivas em um lado da membrana e de 6000 cargas negativas do outro lado, por micrometro quadrado 15,16. 7- nesse equilíbrio, medindo-se os fluxos de difusão do potássio através da membrana, constata-se que: a) a sua saída da célula (efluxo) é maior que a entrada (influxo). b) entrada e saída se equivalem. c) a entrada na célula é maior que a saída.
no meio extracelular, a quantidade de cátions excede a de ânions em apenas 1 picomol, ocorrendo o inverso no meio intracelular. tal quantidade de cátions de um lado da membrana, e igual quantidade de ânions do outro lado, representa a distância, em relação à eletroneutralidade, de cada lado da membrana. 8- a diferença de potencial que pode ser medida nessa condição de equilíbrio é denominada potencial de equilíbrio: a) químico. b) elétrico. c) eletroquímico. quando a membrana se encontra no potencial de equilíbrio eletroquímico de um íon, embora não haja fluxo resultante desse íon, o mesmo se difunde continuamente através da membrana, nos dois sentidos. 9- se, de alguma forma, a partir do estado de equilíbrio eletroquímico do k+, elevássemos instantaneamente a quantidade de cargas negativas dentro da célula (hiperpolarizássemos a célula), os fluxos de k+, transitoriamente, sofreriam as seguintes alterações: a) redução do influxo e aumento do efluxo. b) aumento do influxo e redução do efluxo. c) aumento do influxo e manutenção do efluxo. potenciais bioelétricos podem ser tanto a causa quanto o resultado dos processos de transporte iônico. é importante notar que, ao se ajustar o potencial celular para um valor maior do que o potencial de equilíbrio eletroquímico do íon, o fluxo resultante do íon se inverte, ocorrendo do compartimento onde está menos concentrado para aquele de maior concentração, sendo esse fluxo ascendente determinado pela força elétrica imposta. 10- se, de alguma forma, a partir do estado de equilíbrio eletroquímico do k+, reduzíssemos a quantidade de cargas negativas dentro da célula (despolarizássemos a célula), os fluxos de k+, transitoriamente, sofreriam as seguintes alterações: a) manutenção do influxo e aumento do efluxo. b) aumento do influxo e redução do efluxo. c) redução do influxo e aumento do efluxo. o acúmulo relativo de íons k+ no interior das células, bem como a relativa exclusão do na+ desse compartimento, originam um potencial químico, crucial para as atividades que, no conjunto, representam a energética celular. preservar essas diferenças de distribuição iônica significa manter a capacidade de a célula gerar potenciais de difusão, potenciais de membrana e, no caso das células excitáveis, potenciais de ação. assim, os gradientes iônicos são a base físico-química dos fenômenos elétricos celulares. a quantidade de íons (na+ ou k+) segregada em um dos lados da membrana pode ser comparada ao reservatório de água represada por uma barragem de usina hidrelétrica. quanto maior a quantidade (concentração) armazenada e, portanto, maior o gradiente, maior é o potencial. se a quantidade armazenada se reduz, diminui a capacidade de geração energética. o gradiente representa o potencial energético. por conseguinte, a magnitude do potencial de membrana será tanto maior quanto maiores forem a concentração e o gradiente químico do íon mais permeante através da membrana. em analogia com a barragem e as comportas de uma usina hidrelétrica, nas células tudo se passa como se a membrana plasmática normalmente represasse as correntes iônicas e controlasse precisamente o fluxo por meio da seleção dos íons que passam pelos canais. condição ii: acrescentando, a partir de agora, uma outra célula teórica (ii), permeável unicamente ao k+, que apresenta um gradiente desse íon, de 140 mm (intracelular) para 8 mm (extracelular), pergunta-se: [k+]i = 140 mm [k+]e = 8 mm 11- o maior gradiente de potencial químico é encontrado na célula teórica: a) ii. b) i. c) não há diferença de gradiente. 12- sendo assim, na situação de equilíbrio, a força do gradiente de potencial elétrico será maior na célula teórica: a) i. b) ii. c) não haverá diferença nessa força. 13- como conseqüência, a célula teórica que apresentar á maior polaridade será a:
a) i. b) ii. c) não haverá célula com maior polaridade que a outra. torna-se evidente que, a um maior gradiente de potencial químico corresponde um maior gradiente de potencial elétrico e, portanto, um maior potencial de equilíbrio eletroquímico. esse balanço de forças devidas aos gradientes de potencial elétrico e químico é descrito pela equação de nernst. os valores de potenciais de equilíbrio eletroquímico de íons podem ser calculados por meio da equação de nernst (walther hermann nernst, 1864-1941). ecátion = -2,303 (rt/zf) . log [íon]i / [íon]e eânion = -2,303 (rt/zf) . log [íon]e / [íon]i assim, na temperatura de 37 °c: eíon = 61,5 . log [íon]i / [íon]e , para os íons k+, na+ e outros cátions. eíon = -61,5 . log [íon]e / [íon]i , para o íon cle outros ânions. eíon é a diferença do potencial de equilíbrio elétrico que se opõe exatamente à energia química do gradiente químico. na temperatura de 20 °c, o valor da constante é 58, ao invés de 61,5. interpreta-se fisicamente a equação de nernst como a contraposição entre duas forças: uma, a força gerada pela tendência que o íon tem de se difundir de uma solução mais concentrada para outra menos concentrada; outra, a oposição do campo elétrico gerado na junção das duas soluções. o sentido do campo elétrico é tal que anula o movimento resultante do íon. 14- utilizando a equação de nernst, os valores calculados do potencial de equilíbrio eletroquímico do k+, das células teóricas i e ii, são respectivamente, (na temperatura de 37 ºc): a) 41,2 mv e 33,2 mv. b) 94,9 mv e 76,4 mv. c) 89,6 mv e 72,1 mv. o potencial de qualquer célula é medido usando-se o meio extracelular como referência (neutro ou potencial zero). 15- a célula teórica i mostra-se mais polarizada que a célula ii, por apresentar: a) menor gradiente de potencial químico. b) maior gradiente de potencial químico. c) maior permeabilidade da membrana ao k+. quando potenciais celulares são comparados, consideram-se os valores absolutos. portanto, v.g., o potencial de - 80 mv é menor que o potencial de 90 mv. 16- excetuando-se os astrócitos, as células vivas em geral estão, constantemente, sofrendo uma perda líquida de k+ por difusão (efluxo maior que influxo) porque apresentam um potencial de membrana: a) menor que o potencial de equilíbrio eletroquímico do k+. b) maior que o potencial de equilíbrio eletroquímico do k+. c) igual ao potencial de equilíbrio eletroquímico do k+. para um determinado íon, o potencial de membrana que faz cessar a difusão resultante desse íon através da membrana é denominado potencial de equilíbrio eletroquímico (eíon)15. 17- nos astrócitos, o potencial de membrana é igual ao potencial de equilíbrio eletroquímico do k+. esse fato indica que: a) o gradiente de potencial químico do k+ é maior do que o gradiente do na+ e do cl-. b) a permeabilidade da membrana ao k+ é maior do que aos demais íons. c) a membrana dessas células é permeável somente ao k+. quando a membrana é permeável a um único íon, o potencial de membrana que se estabelece é um potencial de equilíbrio eletroquímico (eíon) e que deverá se manter indefinidamente. 18- como conseqüência dessa característica membranar dos astrócitos, mencionada na questão 17, nessas células: a) não há fluxo resultante de k+. b) prevalece a entrada de k+. c) prevalece a saída de k+. em uma célula cuja membrana é permeável somente ao k+, nenhuma energia metabólica é necessária para manter os gradientes iônicos transmembranares. as questões 19 a 26 referem-se à proposição abaixo: considere um paciente portador de insuficiência renal crônica, que manifesta hipercalemia (aumento da concentração plasmática do k+). assim, cada parâmetro celular especificado abaixo sofrerá: 19- gradiente de potencial químico do k+: a) aumento. b) redução. c) manutenção. 20- saída de k+ por difusão: a) aumento. b) diminuição. c) manutenção 21- concentração intracelular de k+: a) ínfima diminuição. b) manutenção. c) ínfimo aumento. 22- número de cargas negativas, no meio intracelular, junto à membrana plasmática: a) diminuição. b) aumento. c) manutenção. músculos esqueléticos e fígado atuam destacadamente na função de tamponar o k+, contribuindo para a manutenção da concentração extracelular desse íon. 23- negatividade intracelular: a) aumento. b) diminuição. c) manutenção. 24- potencial de membrana: a) diminuição. b) aumento. c) manutenção. 25- polaridade da célula: a) aumento. b) diminuição. c) manutenção. 26- concluindo: quando ocorre aumento da concentração extracelular de um sal de k+, a célula: a) mantém o seu potencial de membrana b) sofre hiperpolarização. c) sofre despolarização. até a 2ª grande guerra mundial, não se reconhecia que o aumento do k+ sérico (hipercalemia), associado com lesões graves, podia provocar a morte, devido à despolarização de células cardíacas, nas quais o k+ é o íon permeante. hipercalemia pode provocar a morte por parada cardíaca ou fibrilação ventricular. condição iii. considere agora uma célula teórica (iii), cuja membrana plasmática é permeável unicamente ao na+, como esquematizado abaixo: [na+ ]i = 15 mm [na+]e = 140 mm partindo-se da situação hipotética, em que não há diferença de cargas elétricas entre o intra e o extracelular, pergunta-se: 27- o na+ entrará na célula até que: a) as suas concentrações se igualem. b) seja atingido o seu equilíbrio eletroquímico. c) seja atingido o seu equilíbrio elétrico. 28- na questão anterior, o potencial que pode ser medido, na situação de equilíbrio, é denominado potencial de equilíbrio: a) elétrico do na+. b) químico do na+. c) eletroquímico do na+. determina-se o potencial de equilíbrio para um íon igualando-se a força de difusão sobre esse íon (proporcional ao gradiente de concentração) à força elétrica (proporcional ao campo elétrico) que age sobre ele. o resultado é o potencial de equilíbrio eletroquímico do íon (eíon) (potencial de nernst). 29- utilizando a equação de nernst, o potencial de equilíbrio eletroquímico do na+ (ena+), calculado para a temperatura de 37 °c, será: a) 59,7 mv b) 59,7 mv c) 56,3 mv 30- as células em geral estão, constantemente, ganhando na+ por difusão (influxo maior que efluxo), porque apresentam um potencial de membrana: a) próximo do potencial de equilíbrio eletroquímico do na+. b) igual ao potencial de equilíbrio eletroquímico do na+. c) distante do potencial de equilíbrio eletroquímico do na+. 31- as células, em geral, estão permanentemente, perdendo k+ e ganhando na+, por difusão. entretanto, os gradientes iônicos não se alteram, ao longo do tempo, porque: a) a bomba de na+/k+ atpase repõe os íons que fluem por difusão. b) o número de íons que flui por difusão é desprezível. c) sais de na+ e de k+ se dissociam e repõem os íons livres que se difundem. a bomba de na+/k+ atpase é mais ativa quando aumentam as concentrações extracelulares de potássio e/ou as concentrações intracelulares de na+. clampear a voltagem significa, por meio da injeção de corrente elétrica, manter constante a diferença de voltagem transmembranar. 32- se, experimentalmente, por meio de um clampeamento de voltagem, fizermos com que o potencial de membrana de uma célula real se torne igual ao potencial de equilíbrio eletroquímico do k+, a difusão resultante desse íon: a) ocorrerá de fora para dentro da célula. b) ocorrerá de dentro para fora da célula. c) será nula. 33- se, por meio de um clampeamento de voltagem, fizermos com que o potencial de membrana de uma célula real se torne mais negativo que o potencial de equilíbrio eletroquímico do k+, a difusão resultante desse íon: a) será nula. b) ocorrerá de fora para dentro da célula. c) ocorrerá de dentro para fora da célula. a força do gradiente de potencial elétrico é capaz de promover a difusão de um íon do meio onde ele está menos concentrado para o meio de maior concentração desse íon. quando as células excitáveis (v.g. neurônios, miócitos, células endócrinas inter alia) estão quiescentes, o seu potencial de membrana (vm) apresenta valor constante, sendo denominado potencial de repouso. 34- no potencial de repouso celular (potencial de membrana) das células em geral, a força elétrica é suficiente para impedir que haja uma saída resultante de k+, por difusão a) não é suficiente. b) é exatamente suficiente. c) é mais do que suficiente. condição iv: considerando a célula teórica abaixo (iv), permeável unicamente ao cl- , pergunta-se: [cl- ]i = 10 mm [cl- ]e = 130 mm 35- o fluxo resultante de cl- através da membrana plasmática determinará, com o tempo, o aparecimento de um valor de potencial de membrana: a) positivo. b) negativo. c) de equilíbrio químico. 36- a partir do início da difusão de cl-, a força que se opõe a esse fluxo é resultante do gradiente de potencial: a) elétrico. b) químico. c) eletroquímico. 37- o fluxo resultante de cl-, através da membrana, ocorrerá até: a) o equilíbrio químico. b) o equilíbrio elétrico. c) que as forças devidas ao gradiente de potencial químico e ao gradiente de potencial elétrico sejam iguais e de sentidos opostos. 38- utilizando a equação de nernst, o potencial de equilíbrio eletroquímico do cloro (ecl ), calculado para a temperatura de 37 °c, será: a) 68,5 mv. b) 68,5 mv. c) 64,6 mv.
v = _ rt ln pk+[k+]i + pna+[na+]i + pcl-[cl-]e f pk+[k+]e + pna+[na+]e+ pcl-[cl-]i v = _ 61,5 log pk+[k+]i + pna+[na+]i+ pcl-[cl-]e , na temperatura de 37 °c. pk+ [k+]e+ pna+[na+]e+ pcl-[cl-]i na temperatura de 20° c, o valor da constante é 58, ao invés de 61,5. a equação de nernst permite calcular a diferença de potencial elétrico que determina o equilíbrio de um íon através de uma membrana. 39- quando a força devida ao gradiente de potencial químico, que promove a difusão de um íon num sentido da membrana, é contrabalançada pela força devida ao gradiente de potencial elétrico, em sentido oposto, podemos afirmar que esse íon está em equilíbrio: a) químico. b) elétrico. c) eletroquímico. 40- a diferença de potencial que se pode medir nessa situação é denominada potencial de equilíbrio: a) eletroquímico b) químico. c) elétrico. a equação do campo constante de goldman-hodgkin e katz ou, mais tipicamente, equação de goldman é, essencialmente, uma versão expandida da equação de nernst, que leva em conta a permeabilidade iônica individual (p íon). condição v. imagine que o retângulo abaixo represente uma célula muscular, nas condições indicadas, e responda às questões subseqüentes, considerando a temperatura de 37 °c. 41- considerando que a permeabilidade relativa da membrana aos íons k+, na+ e cl- seja igual a: 1: 0,04: 0,45, o potencial de membrana dessa célula, a 37 ° c, é: a) 70,7 mv. b) 66,7 mv. c) 20,2 mv. enquanto a permeabilidade é determinada pelo estado da membrana, a condutância depende, também, das concentrações iônicas. 42- se a concentração de k+ nos líquidos extracelulares (lec) subir para 8 mm, a 37 oc, mantidas as permeabilidades relativas a cada íon, o potencial de membrana dessa célula será: a) 60,4 mv. b) 18,7 mv. c) 64,0 mv. injeção endovenosa de solução concentrada de kcl é letal e tem sido utilizada em episódios de eutanásia. aumento de 10 vezes na concentração de k+ no lec elimina o potencial de repouso e torna inexcitável o miocárdio. o coração cessa seus batimentos, em diástole. 43- portanto, mais uma vez fica demonstrado que o aumento da concentração extracelular de k+ provoca: a) hiperpolarização. b) despolarização. c) manutenção do potencial. operando-se as equações de nernst e de goldman pode-se constatar que, enquanto o aumento da concentra- ção de k+ no lec provoca despolarização celular, sua redução acarreta a hiperpolarização da célula. a capacitação dos espermatozóides bovinos e de camundongos é acompanhada de hiperpolarização da membrana plasmática, de 33 para 66 mv e de 38 para 55 mv, respectivamente18. 44- se alterarmos a permeabilidade relativa aos íons k+, na+ e cl- para 1: 20: 0,45, o potencial de membrana dessa célula, a 37 ° c, será: a) 46,2 mv [k+ ]i = 140 mm [na+ ]i = 15 mm [cl-]i = 10 mm [k+ ]e = 4 mm [na+ ]e = 140 mm [cl-]e = 130 mm 388 fundamentos de eletrofisiologia: potenciais de membrana medicina (ribeirão preto) 2007; 40 (3): 378-93, jul./set. delattre e http://www.fmrp.usp.br/revista b) 49,7 mv c) 43,5 mv pode-se concluir, portanto, que o aumento intenso da permeabilidade a um íon faz com que o valor do potencial de membrana se aproxime do potencial de equilíbrio eletroquímico desse íon. esse conhecimento será fundamental quando se for estudar a geração do potencial de ação pelas células dotadas dessa capacidade (células excitáveis). 45- se alterarmos a permeabilidade relativa da membrana aos íons k+, na+ e cl- para 1: 0: 0, o potencial de membrana dessa célula, a 37 °c, será igual ao: a) ena+ b) ek+ c) ecl- simulações feitas com as equações de nernst e de goldman demonstram que, enquanto o potencial de equilíbrio eletroquímico de um íon depende da razão de concentração do íon através da membrana, o potencial de membrana, além de depender dessa razão, depende dos valores de concentração de cada íon, em cada um dos lados da membrana, além de ser dependente das permeabilidades relativas a cada íon. o valor do potencial de membrana, num dado instante, tende a aproximar-se do potencial de equilíbrio eletroquímico do íon para o qual a permeabilidade da membrana é maior. quando apenas um íon transita através da membrana, seu gradiente de concentração determina o potencial de membrana. 46- considerando-se a mesma célula da questão n° 41, agora submetida à temperatura de 20 °c, o potencial de membrana será: a) 19,1 mv. b) 66,7 mv. c) 66,7 mv. 47- conclui-se, portanto, que a redução da temperatura determina: a) hiperpolarização celular. b) despolarização da membrana. c) manutenção do potencial de membrana. o valor do potencial de membrana celular é diferente, entre diferentes células. isto se deve tanto a diferenças de gradientes iônicos quanto a diferentes permeabilidades relativas aos íons, entre as diferentes células. enquanto nas hemácias é de 6 mv, nos hepatócitos é de 28 mv e nas células cardíacas está em torno de 86 mv15,19. nas células epiteliais humanas é de 20 mv20. adipócitos têm potencial de 58 mv21. nas células beta pancreáticas em repouso, o potencial de membrana varia entre 45 mv e 60 mv22. em células musculares e neurônios o potencial de membrana aproxima-se do potencial de equilíbrio eletroquímico do k+, enquanto em hemácias aproxima-se do potencial de equilíbrio do cl-. 48- em uma célula que está no seu potencial de repouso, existem gradientes atuantes para a entrada de na+ a) sim. b) não. c) em parte. curiosamente, nas algas marinhas o potencial de membrana pode ser de 170 mv (na acetabulária) até 17mv (na valonia ventricosa)10. 49- a diferença entre o potencial de repouso e o potencial de equilíbrio eletroquímico do na+, nas células em geral, é: a) desprezível. b) pequena. c) muito grande. 50- em uma célula que está no seu potencial de repouso, quais são os gradientes para a difusão de na+ a) gradiente de potencial químico. b) gradiente de potencial elétrico. c) ambos os gradientes. nas células animais, o potencial de membrana desempenha um papel vital em inúmeros processos fisiológicos, tais como a sinalização elétrica em células excitáveis, transporte de nutrientes acoplado ao na+, no intestino delgado, contração muscular, função cerebral, percepção sensorial, secreção de neurotransmissores, geração pós-sináptica de potenciais de ação, sinalização celular, secreção hormonal, secreção de cl- pelo epitélio das vias aéreas e o transporte iônico através das células epiteliais do néfron 3,5. 51- afirma-se que o potencial de membrana (potencial de repouso) é um potencial dissipativo e, não, um potencial de equilíbrio eletroquímico de na+ ou de k+ porque, no potencial de membrana: a) persistem os fluxos resultantes desses íons. b) ocorrem, apenas, trocas equivalentes de na+ e k+. c) com o passar do tempo, os gradientes químicos sofrem aumento. o potencial dado pela equação de goldman é um potencial dissipativo, que envolve fluxo difusional de íons, com redução da energia livre do sistema. se o sistema for abandonado, ele evoluirá para uma condição de mínima energia livre. se a membrana for permeável a todos os íons, o potencial final será igual a zero. caso haja íons impermeantes, poderá ocorrer equilíbrio, com potencial final diferente de zero. 52- no potencial de repouso (vm), a força gerada pelo gradiente de potencial elétrico é suficiente para impedir a difusão resultante de na+ a) sim. b) não. c) parcialmente. o potencial de membrana nas células animais é gerado em grande parte pelo efluxo de k+ através da membrana plasmática. 53- o potencial de membrana de diversos tipos celulares se aproxima do valor do potencial de equilíbrio eletroquímico do k+, porque: a) a permeabilidade relativa da membrana ao k+ é a maior, dentre os íons permeantes. b) o gradiente de potencial químico do k+ é o maior, dentre os três principais íons. c) ambas as razões acima. nas células musculares esqueléticas o potencial de membrana é controlado principalmente pelo gradiente de concentração de k+. nessas células e, nas células em geral, o cl- ajusta passivamente suas concentrações no meio intracelular e extracelular, de acordo com o nível de potencial existente na membrana, i.e., a distribuição transmembranar do cl- é uma conseqüência do potencial celular e, não, o oposto14,20. 54- utilizando a equação de goldman, considere uma situação especial em que a membrana seja perme ável a um único íon (permeabilidade = 1), sendo impermeável aos demais (permeabilidades = zero). calcule o potencial de membrana (vm). em seguida, calcule, utilizando a equação de nernst, o potencial de equilíbrio eletroquímico do íon (eíon). comparando os valores, pode-se concluir que, quando a membrana é permeável a um único íon, o potencial de membrana é: a) maior que o eíon. b) menor que o eíon. c) igual ao eíon. enquanto no potencial de equilíbrio eletroquímico de um íon há equivalência entre influxo e efluxo iônico, o potencial de membrana é um potencial dissipativo, no qual os processos de difusão de k+ e de na+ apresentam fluxo resultante, em um dos sentidos da membrana. 55- a bomba de na+/k+ atpase transporta: a) na+ para dentro e k+ para fora da célula. b) na+ para fora e k+ para dentro da célula. c) na+ e k+ para dentro ou para fora, dependendo dos gradientes químicos de cada íon. aumento da concentração extracelular de k+ (hipercalemia) e/ou aumento da concentração intracelular de na+ estimulam a bomba de na+/k+ atpase. 56- a função da bomba de na+/k+ atpase é: a) manter os gradientes de potenciais químicos do na+ e do k+. b) manter a eletroneutralidade nos meios intra e extracelular. c) contrapor-se à manutenção de um potencial de repouso da membrana. 57- nas células que têm bomba de na+/k+ atpase eletrogênica, esta bomba transporta: a) dois na+ para fora e três k+ para dentro da célula. b) dois k+ para dentro e três na+ para fora. c) dois na+ para fora e um k+ para dentro. os potenciais elétricos presentes nos seres vivos são, na maioria dos casos, gerados através de membranas, por mecanismos de difusão (potenciais de difusão), transportes ativos (potenciais de bombas eletrogênicas) ou ambos. 58- a bomba de na+/k+ atpase, de muitas células, é eletrogênica porque: a) cria ou intensifica uma diferença de potencial através da membrana. b) mantém os gradientes iônicos. c) consome energia metabólica das células. diferentes células podem apresentar comportamento diverso no tocante à natureza eletrogênica ou não eletrogênica da bomba de na+/k+ atpase. quando a bomba é eletrogênica, resulta um potencial de membrana ligeiramente mais negativo do que se esperaria da simples difusão de íons. cerca de um terço do suprimento celular de atp é gasto na bomba de na+/k+ atpase, que mantém a elevada concentração intracelular de k+, necessária para a geração do potencial de membrana. em células musculares esqueléticas e em hemácias, cerca de três íons na+ são bombeados para cada atp hidrolisado15. estima-se que a bomba de na+/k+ atpase gaste até 70% da quantidade total de atp utilizada pelo encéfalo. a inibição da bomba de na+/k+ atpase despolariza a célula porque esse procedimento: a) aumenta os gradientes dos potenciais químicos do na+ e do k+, através da membrana. b) reduz os gradientes dos potenciais químicos do na+ e do k+. c) altera as permeabilidades da membrana ao na+ e ao k+. baixas concentrações de na+ intracelular e de k+ extracelular inibem a bomba de na+/k+ atpase. uma solução contendo glicose, insulina e k+ ¾ solução polarizante ¾ tem uso clínico em infartos do miocárdio. a insulina e o k+ ativam a bomba de na+/k+ atpase. essa bomba é energizada pelo atp da oxidação da glicose. o transporte da glicose nos tecidos musculares estriados é ativado pela insulina24. questões para aplicação dos conhecimentos básicos agora que você já estudou os aspectos básicos de eletrofisiologia, está em condições de aplicar esses conhecimentos em situações novas, que fazem parte do estudo de diferentes áreas da medicina experimental (v.g. endocrinologia, neurologia, cardiologia, gastroenterologia, nefrologia inter alia). 60- nas células beta das ilhotas de langerhans o metabolismo da glicose provoca aumento da razão atp/adp e determina o fechamento de canais de k+ atp. igualmente, sulfoniluréias ¾ hipoglicemiantes orais ¾ determinam o fechamento desses canais. o efeito que essas substâncias provocam na membrana plasmática das células beta é a: a) hiperpolarização. b) despolarização. c) repolarização. 61- diazoxida é um fármaco utilizado no tratamento de hiperinsulinemias. esse agente provoca, na membrana plasmática das células beta pancreáticas, a abertura de canais de k+ atp e, conseqüentemente: a) repolarização. b) despolarização. c) hiperpolarização. 62- diabéticos descompensados manifestam perda do k+ intracelular, em especial nas células da musculatura esquelética. em conseqüência, o que ocorre com essas células a) despolarização. b) repolarização. c) hiperpolarização. 63- a administração de insulina a um paciente com diabetes descompensado ativa a entrada de k+ nas células (v.g. células musculares estriadas), por meio da bomba de na+/k+ atpase. a conseqüência, para a membrana plasmática, é a: a) maior despolarização. b) estabilização do potencial de repouso. c) repolarização. 64- ouabaína inibe e difenil-hidantoína ativa a bomba de na+/k+ atpase. nas células em geral, as conseqüências da utilização terapêutica ou experimental desses fármacos são, respectivamente: a) despolarização; hiperpolarização. b) hiperpolarização; despolarização. c) despolarização; estabilização do potencial de repouso. 65- diversos hormônios ativam a bomba de na+/k+ atpase (v.g. adrenalina, noradrenalina, insulina, t3/t4 e corticosteróides). o efeito desses hormônios na membrana plasmática é a: a) despolarização. b) hiperpolarização. c) estabilização do potencial de repouso.
66- a explicação de prosser, para as ondas lentas (ritmo elétrico básico, com despolarizações periódicas) da musculatura lisa intestinal, baseia-se em uma flutuação, determinada geneticamente, de processos de oxi-redução, ligados ao ciclo de krebs, provocando redução do atp disponível para a bomba de na+/k+ atpase. o funcionamento dessa bomba eletrogênica altera o potencial de membrana, de tal maneira que: a) inibição da bomba despolariza a membrana, até gerar potenciais de ação (spikes). b) inibição da bomba estabiliza o potencial de membrana, gerando spikes. c) reativação da bomba despolariza a membrana, até gerar spikes. 67- a insuficiência renal crônica pode ser fatal, diante da menor excreção de potássio na urina. a morte decorre da: a) hiperpolarização das células do nodo sino-atrial. b) ativação da bomba de na+/k+ atpase, provocada pelas alterações iônicas no lec. c) despolarização das células do miocárdio. na década de 50, do século passado, quando ainda não se fazia hemodiálise, tentava-se salvar o doente fornecendo-lhe chicletes e aspirando-se o grande volume de saliva secretado. 68- redução da concentração de k+ no lec (hipocalemia) pode provocar fraqueza muscular, câimbras e até paralisia. tal fato pode ocorrer durante o uso de certos diuréticos (v.g. furosemida), caso não se reponha o k+, eliminado em excesso, na urina. durante aquela redução, as células apresentam: a) despolarização. b) hiperpolarização. c) estabilização do potencial de repouso. 69- em hemocentros, as bolsas de sangue são estocadas em temperaturas entre 1º c e 6º c. em conseqüência, é razoável esperar-se que ocorra: a) despolarização da membrana plasmática, nos elementos figurados (células). b) redução da concentração extracelular de k+. c) hiperpolarização celular. 70- o aumento da temperatura das bolsas de sangue, antes de uma transfusão, provoca: a) aumento do na+ intracelular. b) aumento do k+ extracelular. c) repolarização celular.
exemplo didático de resposta à questão 3a tempo = zero [k+]i = 140 mm 0 mv [k+]e = 4 mm inicialmente (tempo = zero), a força do gradiente de potencial elétrico é zero. sendo assim, a força resultante é igual à força do gradiente de potencial químico. tempo = 1 [k+]i = 140 mm _ 30 mv
[k+]e = 4 mm k+ o efluxo resultante de k+ (efluxo menos influxo) deixa seus contra-íons (negativos) no interior da célula, gerando a força do gradiente de potencial elétrico, de fora para dentro da célula ( 30 mv). a força resultante sofre redução. o efluxo de k+ é maior que o seu influxo. tempo = 2 [k+]i = 140 mm _ 60 mv
[k+]e = 4 mm k+ a continuidade do efluxo resultante de k+, embora de valor decrescente, promove aumento da força do gradiente do potencial elétrico ( 60 mv). a força resultante é progressivamente menor. (equilíbrio) tempo = 3 [k+]i = 140 mm _ 95 mv
[k+]e = 4 mm k+ a força do gradiente do potencial elétrico atinge seu valor máximo ( 95 mv) e contrabalança a força do gradiente do potencial químico. a força resultante torna-se nula e se estabelece o equilíbrio eletroquímico. o valor do potencial de equilíbrio eletroquímico do k+ (ek+) é 95 mv. efluxo e influxo de k+ se igualam. força do gradiente de força do gradiente força potencial químico de potencial elétrico resultante fluxos de k+
<langue=br><sujet=potentiel-d-action><num=51><source=http://pt.wikipedia.org/wiki/potencial_de_a%c3%a7%c3%a3o> potencial de ação
a. uma visão esquemática do potencial de ação idealizado. ilustra as suas várias fases à medida que ele percorre um único ponto da membrana plasmática. b. registros reais de potenciais de ação são comumente distorcidos em comparação às visões esquemáticas devido a variações nas técnicas eletrofisiológicas de registro.
um potencial de ação é uma onda de descarga elétrica que percorre a membrana de uma célula. potenciais de ação são essenciais para a vida animal, porque transportam rapidamente informações entre e dentro dos tecidos. eles podem ser gerados por muitos tipos de células, mas são utilizados mais intensamente pelo sistema nervoso, para comunicação entre neurônios e para transmitir informação dos neurônios para outro tecido do organismo, como os músculos ou as glândulas.
muitas plantas também exibem potenciais de ação. eles viajam por meio de seu floema para coordenar atividades. a principal diferença entre os potenciais de ação de animais e vegetais são os íons. as plantas utilizam primariamente íons de potássio e cálcio, enquanto animais utilizam mais íons de potássio e sódio.
potenciais de ação são mensageiros essenciais para a linguagem neuronal. provêem controle rápido e centralizado, além de coordenação, de órgãos e tecidos. eles podem guiar a maneira em que a anatomia vai evoluir. índice
1 considerações gerais 2 mecanismos básicos 3 limiar e início 4 propagação 4.1 transporte passivo 4.2 transporte ativo 4.3 velocidade 4.4 bainha de mielina e nódulo de ranvier 4.5 considerações 4.6 patologias 5 período refratário 6 potencial de ação de placa motora 7 influências externas 7.1 hipo e hipercalemia 7.2 venenos 7.2.1 venenos atuantes na formação do impulso nervoso 7.2.2 venenos atuantes na liberação dos neurotransmissores 8 potencial de ação & darwin 9 referências 9.1 fontes gerais 9.2 fontes primárias
considerações gerais
uma voltagem elétrica, ou diferença de potencial, sempre existe entre o interior e o exterior de uma célula. esse fato é causado por uma distribuição de íons desigual entre os dois lados da membrana e da permeabilidade da membrana a esses íons. a voltagem de uma célula inativa permanence em um valor negativo — considerando o interior da célula em relação ao exterior e varia muito pouco. quando a membrana de uma célula excitável é despolarizada além de um limiar, a célula dispara um potencial de ação, comumente chamado de espícula (leia limiar e início).
um potencial de ação é uma alteração rápida na polaridade da voltagem, de negativa para positiva e de volta para negativa. esse ciclo completo dura poucos milisegundos. cada ciclo — e, portanto, cada potencial de ação, possui uma fase ascendente, uma fase descendente e, ainda, uma curva de voltagem inferior a do potencial de repouso de membrana (leia fases do potencial de ação). em fibras musculares cardíacas especializadas, como por exemplo as células do marcapasso cardíaco, uma fase de platô, com voltagem intermediária, pode preceder a fase descendente.
potenciais de ação podem ser medidos por meio de técnicas de registro de eletrofisiologia e, mais recentemente, por meio de neurochips que contêm eosfets (transistores de efeito de campo de semicondutor eletrólito-óxido). um osciloscópio que esteja registrando o potencial de membrana de um único ponto em um axônio mostra cada estágio do potencial de ação à medida que a onda passa. suas fases traçam um arco que se assemelha a uma senóide distorcida. sua ordenada depende se a onda do potencial de ação atingiu aquele ponto da membrana, ou se passou por ele e, se for o caso, há quanto tempo isso ocorreu.
o potencial de ação não permanece em um local da célula, ele percorre a membrana (leia propagação). ele pode percorrer longas distâncias no axônio, por exemplo para transmitir sinais da medula espinhal para os músculos do pé. em grandes animais, como as girafas e baleias, a distância percorrida pode ser de vários metros.
tanto a velocidade quanto a complexidade do potencial de ação variam entre diferentes tipos de células. entretanto, a amplitude das alterações de voltagem tende a ser rigorosamente a mesma. dentro da mesma célula, potenciais de ação consecutivos são tipicamente indistinguíveis. neurônios transmitem informação gerando seqüências de potenciais de ação, chamadas trens de pulsos (spike trains em inglês). variando a freqüência ou o intervalo de tempo dos disparos de potencial de ação gerados, os neurônios podem modular a informação que eles transmitem.
mecanismos básicos
ver artigo mecanismos básicos do potencial de ação
limiar e início gráfico de corrente (fluxo de íons) versus voltagem (potencial transmembrana). ilustra a ação do potencial limiar excitatório (seta vermelha) de uma célula ideal, na qual há dois canais iônicos transmembrana: um canal de potássio não-dependente de voltagem e um canal de sódio dependente de voltagem..
potenciais de ação são disparados quando uma despolarização inicial atinge o potencial limiar excitatório. esse potencial limiar varia, mas normalmente gira em torno de 15 milivolts acima do potencial de repouso de membrana da célula e ocorre quando a entrada de íons de sódio na célula excede a saída de íons de potássio. o influxo líquido de cargas positivas devido aos íons de sódio causa a despolarização da membrana, levando à abertura de mais canais de sódio dependentes de voltagem. por esses canais passa uma grande corrente de entrada de sódio, que causa maior despolarização, criando um ciclo de realimentação positiva (feedback positivo) que leva o potencial de membrana a um nível bastante despolarizado.
o potencial limiar pode ser alcançado ao alterar-se o balanço entre as correntes de sódio e potássio. por exemplo, se alguns canais de sódio estão em um estado inativado (comportas de inativação fechadas), então um dado nível de despolarização irá ocasionar a abertura de um menor número de canais de sódio (os que não estão inativados) e uma maior despolarização será necessária para iniciar um potencial de ação. essa é a explicação aceita para a existência do período refratário (veja o tópico sobre período refratário).
potenciais de ação são determinados pelo equilíbrio entre os íons de sódio e potássio (embora haja uma menor contribuição de outros íons como cloreto e cálcio, este último especialmente importante na eletrogênese miocárdica), e são usualmente representados como ocorrendo em células contendo apenas dois canais iônicos transmembrana (um canal de sódio voltagem-dependente e um canal de potássio, não-voltagem-dependente). a origem do potencial limiar pode ser estudada utilizando curvas de corrente versus voltagem (figura à direita) que representam a corrente através de canais iônicos em função do potencial celular transmembrana. (note que a curva ilustrada é uma relação corrente-voltagem instantânea , ela representa a corrente de pico através dos canais iônicos a uma dada voltagem antes de qualquer inativação ter acontecido, isto é, aproximadamente 1 ms após aquela voltagem para a corrente de sódio (na) ter sido atingida. as voltagens mais positivas neste gráfico apenas são alcançadas pelas células por meios artificiais, isto é, voltagens impostas por aparelhos de estimulação elétrica).
quatro importantes pontos no gráfico i/v estão indicados por setas na figura:
a seta verde indica o potencial de repouso da célula e também o valor do potencial de equilíbrio para o potássio (ek). como o canal de k+ é o único aberto em voltagens tão negativas, a célula permanecerá no potencial ek. note que um potencial de repouso estável será observado em qualquer voltagem na qual a soma i/v (linha verde) ultrapassa o ponto de corrente nula (eixo das abscissas) com um ângulo positivo, como na seta verde. consideremos: qualquer perturbação do potencial de membrana na direção negativa resultará em um influxo de íons que despolarizará a célula de volta ao ponto de cruzamento, enquanto qualquer perturbação do potencial de membrana celular na direção positiva resultará em um efluxo de íons que irá hiperpolarizar a célula de volta ao ponto inicial. portanto, qualquer perturbação do potencial de membrana em torno de uma inclinação positiva tenderá a retornar a voltagem ao ponto de cruzamento.
a seta amarela indica o potencial de equilíbrio para o na+ (ena). neste sistema de dois íons, ena é o limite natural do potencial de membrana, o qual uma célula não pode ultrapassar. valores de corrente ilustrados neste gráfico que excedem ena são medidos artificialmente estimulando a célula além de seu limite natural. note, entretanto, que ena apenas poderia ser atingido se a corrente de potássio cessasse completamente.
a seta azul indica a voltagem máxima que o pico do potencial de ação pode atingir. este é, na verdade, o maior potencial de membrana que esta célula pode alcançar. não é possível atingir ena por causa da influência contrária da corrente de potássio.
a seta vermelha indica o potencial limiar. é a partir deste potencial que a corrente iônica passa a ter resultado líquido em direção ao interior da célula. note que este cruzamento se dá a uma corrente nula, mas exibe uma inclinação negativa. qualquer voltagem menor que o limiar tende a fazer a célula retornar ao potencial de repouso e qualquer voltagem maior que o limiar faz com que a célula se despolarize. esta despolarização leva a um maior influxo de íons, desta forma a corrente de sódio se regenera. o ponto no qual a linha verde atinge seu valor mais negativo é o ponto no qual todos os canais de sódio estão abertos. despolarizações além desse ponto diminuem o influxo de sódio, conforme a força eletroquímica (driving force) diminui com a aproximação do potencial de membrana do ena.
o potencial limiar excitatório é comumente confundido com o limiar para a abertura dos canais de sódio. esse conceito está incorreto, pois os canais de sódio não possuem um limiar de abertura. pelo contrário, eles se abrem em resposta à despolarização de uma maneira aleatória. a ocorrência de despolarização não só abre o canal, mas também aumenta a probabilidade dele ser aberto. até mesmo em potenciais hiperpolarizados, um canal de sódio se abrirá ocasionalmente. além disso, o potencial limiar excitatório não é a voltagem na qual a corrente de sódio se torna significante, é a voltagem na qual a corrente de sódio ultrapassa a de potássio.
em neurônios, despolarizações tipicamente se originam nos dendritos pós-sinápticos e potenciais de ação, nos cones de implantação ( leia mais sobre cone de implantação e zid). teoricamente, entretanto, um potencial de ação pode ter início em qualquer lugar de uma fibra nervosa.
propagação
nos axônios, o potencial de ação se propaga de modo misto, alternando entre duas fases: uma passiva e outra ativa.
transporte passivo
íons de carga positiva, propagam-se perimembranalmente e bidirecionalmente de encontro à negatividade (lei de coulomb). contudo, somente os íons que vão na direção imposta da propagação criam um potencial de ação nesta membrana, pois a membrana anterior está em período refratário; já a membrana posterior está em potencial de repouso de membrana, o que permite que nela haja o potencial de ação. se houver estímulo artificial (um eletrodo) no meio de um axônio, o potencial se propagará bidirecionalmente, pois não haverá períodos refratários impedindo-o. com a propagação, a fase passiva perde parte de seus íons, o que acarreta uma menor energia. esta perda dá-se de dois modos: choques físicos dos íons com moléculas citoplasmáticas e saída dos íons para o meio extracelular por canais de vazamento de membrana. deste modo, quanto mais distantes os canais de sódio voltagem-dependentes estiverem, mais perda de energia ocorre.
transporte ativo
compreende o potencial de ação propriamente dito. ocorre quando os íons positivos da fase passiva despolarizam a membrana adjacente de modo rápido e suficiente para despertar a avalanche de íons sódio (por feedback positivo), através dos canais de sódio voltagem-dependentes. estes íons ganham o meio intracelular, e participarão da fase passiva da propagação. o fornecimento de íons sódio para a fase passiva é abundante. como a variação da voltagem nesta fase é sempre constante, não ocorre perda de energia considerável. os mecanismos desta fase já foram explicados anteriormente. os cátions à esquerda, dentro da célula, são conseguidos a partir de um potencial de ação. passivamente, eles se difundem para outro nódulo de ranvier, onde gerarão um novo potencial de ação.
velocidade
a velocidade de propagação do potencial de ação pode ser variada ao se variar o tempo de duração de alguma das duas fases da propagação. contudo, a fase ativa costuma ser constante nas células, durando em torno de 4ms. deste modo, a célula varia a duração da fase passiva, havendo dois modos básicos:
aumento ou diminuição do calibre do axônio ou célula.
maior ou menor isolamento da membrana (ao variar a espessura da mielina, se houver).
o aumento do calibre do axônio ou célula provoca um aumento da velocidade de propagação do potencial de ação, pois há diminuição da resistência longitudinal, provocada por uma maior área de secção transversal.
em alguns axônios do polvo atlântico loligo pealei, a velocidade de propagação do potencial de ação alcança velocidades superiores a 100 m/s, em virtude do calibre elevado e da mielina espessa.
bainha de mielina e nódulo de ranvier
a bainha de mielina é uma membrana lipídica modificada e espessada. ela pode ser sintetizada por duas células: oligodendrócitos, no sistema nervoso central, e células de schwann, no sistema nervoso periférico. a espessura da bainha de mielina é de acordo com o número de voltas que a membrana das células de schwann ou dos oligodendrócitos dão em torno do axônio. em axônios de calibre pequeno, não há mielina envolvendo; já em axônios de calibre grande, a mielina é mais espessada que os outros menores que a possuem.
a bainha de mielina fornece um aumento do isolamento celular (aumento da resistência de membrana), em virtude de não haver canais de vazamento de membrana onde há mielina, deste modo, a fase passiva perde menos íons, o que aumenta a chance do potencial de ação ter sucesso. além de não haver canais de vazamento de membrana, não há também praticamente nenhum tipo de canal de membrana quando há bainha de mielina (ex.: bombas de sódio e potássio), o que provoca para a célula uma menor necessidade de síntese protéica, ou seja, menos gasto energético.
a bainha de mielina permite uma maior velocidade da fase passiva da propagação do potencial de ação (diminui a capacitância de membrana e aumenta a resistência de membrana). além disso, diminui o número de fases ativas da propagação do potencial de ação, tornando a propagação mais veloz ainda. as fases ativas da propagação ocorrem em máculas da bainha de mielina, os nódulos da ranvier. neles, diferentemente da zona cercada por bainha de mielina, há abundância de canais de íon sódio voltagem-dependentes (densidade até quatro ordens de magnitude a mais que nas membranas amielínicas), o que permite a ocorrência do potencial de ação, que corresponde à fase ativa da propagação do potencial de ação. a distância entre os nódulos de ranvier deve ser muito bem calculada pelas células, de modo que o potencial passivo chegue com íons suficientes para provocar o potencial de ação.
a consequência de a bainha de mielina queimar etapas na propagação, ao diminuir o número de potenciais ativos, são os movimentos saltatórios, que possuem este nome em virtude de haver a impressão de que os potenciais de ação saltam de nódulo em nódulo.
considerações
há um modelo biológico e um modelo físico que explicam a propagação do potencial de ação. o último é útil na quantificação dos fenômenos que acompanham a propagação, pois se utiliza de equações físicas, que são deduzidas com base nas três propriedades passivas da membrana: capacitância da membrana, resistência da membrana e resistência longitudinal. nele, os resistores representam canais iônicos de membrana, enquanto um capacitor representa a membrana lipídica. para as comportas dependentes de voltagem, usam-se resistores variáveis, visto que a resistência nesta comporta varia. já os canais iônicos de repouso possuem resistores fixos. os grandientes eletroquímicos dos íons são baterias. deste modo, o modelo físico é interessante para pesquisas e para a indústria, que o usa na fabricação de marca-passos. já o modelo biológico tem sua utilidade na didática.
como a propagação do potencial de ação é basicamente a mesma para as diferentes células, não há como diferenciar as variadas ações que um sinal de propagação pode ter ao chegar ao sistema nervoso central (tato, propriocepção, visão etc). deste modo, o que irá determinar a ação de cada propagação do potencial de ação, é via, o caminho seguido por cada um deles, ou seja, as diferentes rotas presentes no organismo (ex.: trato espino-cerebelar, trato espino-talâmico etc).
patologias
algumas patologias degradam a condução saltatória e reduzem a velocidade de propagação do potencial de ação. a mais conhecida é a esclerose múltipla, na qual a degradação da bainha de mielina prejudica os movimentos coordenados.
período refratário três situações possíveis para os canais de íon sódio voltagem-dependentes. o período refratário absoluto corresponde aos estados ativo e inativo. no período refratário relativo, alguns canais estão em repouso ativável, enquanto no potencial de repouso de membrana, todos estão.
o período refratário acompanha o potencial de ação na membrana. tem como efeito limitar a freqüência de potenciais de ação, além de promover a unidirecionalidade da propagação do potencial de ação, o que pode ser entendido como conseqüência da limitação de salvas de potenciais de ação.
o período refratário divide-se em absoluto e relativo. no absoluto, qualquer estímulo para gerar potencial de ação é inútil, pois os canais de sódio estão em estado inativo (comporta rápida aberta e comporta lenta fechada). no relativo, alguns destes canais já estarão de volta ao repouso ativável (comporta rápida fechada e comporta lenta aberta), mas nem todos. estímulos supralimiares conseguem gerar potenciais de ação no período refratário relativo.
a transição entre os dois períodos ocorre aproximadamente quando a repolarização do potencial de ação atinge o potencial limiar excitatório, que é quando as comportas lentas do canal de sódio voltagem-dependente começam a abrir.
nas células miocárdicas, o período refratário é estendido por um platô, que é mantido pelo influxo de íons cálcio na célula. esse alargamento do período refratário permite um maior descanso destas células, além de participar na sincronização dos batimentos. quando há um estímulo destas células na hiperpolarização pós-potencial, também conhecida como período de supra-normalidade, pode ocorrer fibrilação.
potencial de ação de placa motora visão global de uma junção neuromuscular: 1 - axônio 2 - junção 3 - fibra muscular 4 - miofibrila visão detalhada de uma junção neuromuscular: 1 - elemento pré-sinaptico 2 - retículo sarcoplasmático 3 - vesículas sinápticas 4 - receptor nicotínico
a junção neuro muscular é um local de estudo relativamente simples e acessível à experimentação. neste local, o neurônio motor inerva o músculo em uma região especializada da membrana muscular chamada de placa motora. nesta área, os terminais do neurônio motor formam expansões chamadas de botões sinápticos, de onde o neurônio motor libera seu neurotransmissor. cada botão é posicionado sobre uma dobra juncional, uma dobra profunda na superfície da fibra muscular pós-sináptica que contém os receptores para o neurotransmissor acetilcolina (ach). a fenda sináptica possui uma enzima chamada acetilcolinesterase, que é produzida tanto pelo neurônio como pela fibra muscular, e possui a função de inativar a ach, a fim de que esta substância não fique sempre ligada ao seu receptor provocando estimulação constante.
a liberação do neurotransmissor ach depende da despolarização do neurônio motor, pois dessa forma ativará os canais de ca2+, fazendo com que este íon entre na célula e permita que as vesículas sinápticas da região terminal se fundam com a membrana plasmática e assim liberem seu conteúdo (ach) na fenda sináptica. a liberação de ach pelo terminal do nervo motor ocorre também sem a necessidade de despolarização. assim, pequenas quantidades de ach são liberadas sempre na fenda sináptica, fazendo com que sempre haja o potencial miniatura de placa motora (cerca de 3mv, uma espécie de standby da célula).
a liberação de ach das vesículas sinápticas na fenda faz com que a membrana da célula muscular se despolarize, pois a ligação da ach no canal nicotínico ativado pela ach provoca a entrada de íons na+ na célula muscular e, conseqüentemente, sua despolarização. esta despolarização ativa um outro tipo de canal de na+, os chamados canais de na+ voltagem-dependentes. eles são ativados quando a despolarização local produzida pelos canais nicotínicos se propaga passivamente ao longo da fibra muscular e atinge esses canais, fazendo com que mais íons na+ entre na célula. a abertura desses dois tipos de canais (voltagem-dependentes e os nicotínicos ativados por ach) é necessária, pois a amplitude do potencial de placa motora é muito alto (cerca de 70mv), assim, deve-se abrir um número suficiente de canais de na+ para ultrapassar o limiar da célula. este fato também garante que a transmissão sináptica aconteça com um alto grau de segurança.
um ponto importante a ser considerado é a constituição macromolecular distinta dos canais ativados pela ach e os voltagem-dependentes. este fato pode ser verificado pelo uso de drogas e toxinas, por exemplo, a tetrodotoxina (ttx)¹, este veneno provoca bloqueio dos canais de na+ voltagem dependentes. isto pode ser fatal, pois a despolarização do neurônio motor ficará prejudicada e conseqüentemente a transmissão neuromuscular. a a-bungarotoxina (proteína do veneno da cobra) e o curare (toxina de algumas plantas) são drogas que bloqueiam os canais de na+ dependentes da ach, mas não bloqueia os canais na+ voltagem-dependentes, assim, mesmo possuindo ach na fenda sináptica, a transmissão do potencial de ação do neurônio motor para a fibra muscular ficará grandemente prejudicada, podendo levar a morte.
em certas doenças, como a miastenia grave (doença auto-imune), ocorre a produção de anticorpos contra o receptor de ach, diminuindo assim o número de canais ativados pela ach e comprometendo seriamente a transmissão na junção neuromuscular. em alguns casos a neostigmina (inibidor da acetilcolinesterase) é usada no tratamento da doença, assim a ach permanecerá mais tempo na fenda sináptica e terá maior probabilidade de se ligar aos poucos receptores de ach restantes.
¹a ttx é um veneno encontrado em peixes do pacífico e que faz parte da iguaria japonesa chamada fugu. no brasil o peixe que produz este veneno é o baiacu.
influências externas
como pode ser percebido em mecanismos básicos, a transmissão de potenciais de ação depende de concentrações iônicas pré-determinadas. assim sendo, depende do meio extracelular.
hipo e hipercalemia
baixas concentrações extracelulares de potássio promovem uma hiperpolarização no potencial de repouso de membrana da célula, pois os canais repouso de potássio estão sempre abertos. a hiperpolarização faz com que o limiar excitatório da célula aumente. portanto, serão necessários estímulos muito grandes para a geração do potencial de ação. essa alteração, no músculo cardíaco, leva a deficiência na contratilidade.
já o aumento da concentração extracelular de potássio resulta na despolarização do potencial de membrana das células. essa despolarização abre canais de sódio voltagem dependentes, mas em quantidade insuficiente para gerar um potencial de ação. os canais de sódio então entram em período refratário aumentando assim o potencial de repouso de membrana da célula. dessa forma há uma diminuição gradativa do limiar excitatório da célula. ou seja, serão necessários estímulos cada vez menores para gerar um potencial de ação. isso pode causar danos cardíacos, neuromusculares e gastrintestinais. no coração, pode levar a fibrilação ventricular ou assistolia.
venenos
venenos atuantes na formação do impulso nervoso
devido à importância dos canais iônicos, principalmente de sódio e potássio, no sistema nervoso central, vários animais desenvolveram mecanismos de defesa e ataque que atuam nos mesmos. como exemplo dessas substâncias, tem-se: baiacu-ará: um peixe produtor de tetrodotoxina
tetrodotoxina: atua bloqueando os canais de sódio, impedindo que o potencial de ação seja gerado e, consequentemente, paralisando os organismos que a ingerem. tal substância é encontrada em algumas espécies de peixe-balão.
saxitoxina: possui efeito muito semelhante ao da tetrodotoxina, pois é um homólogo químico da mesma. é produzida pelos dinoflagelados, constituindo um malefícios da maré vermelha, pois pode contaminar os bivalves que a ingerem através dos dinoflagelados.
alfa-toxinas: prolongam o potencial de ação, causando distúrbios nos snc, uma espécie de confusão do snc. é encontrada no veneno de escorpião.
beta-toxinas: altera a diferença de potencial nas quais os canais de sódio são ativados (abertos), diminuindo drasticamente tais valores, o que novamente causa distúrbios ao snc. também é encontrada no veneno de escorpião.
batracotoxina: é uma toxina alcalóide que combina os efeitos das alfa e beta-toxinas. é produzida por algumas rãs da américa do sul. é usada na ponta de flexas por tribos indígenas sul-americanas.
dendrotoxina, apamina e caibdotoxina: tais toxinas tem como efeito primordial o bloqueio dos canais de potássio.
tais tipos de venenos não são produzidos exclusivamente por animais, algumas espécies de vegetais produzem substâncias semelhantes, como por exemplo a aconitina e a veratridina.
venenos atuantes na liberação dos neurotransmissores
novamente como mecanismos de defesa e ataque os animais desenvolveram estratégias contras os sistemas nervosos de seus adversários, sendo, desta vez, os neurotransmissores o alvo.
toxinas clostridiais: atua bloqueando a liberação de neurotransmissores na fenda sináptica, sendo uma protease extremamente específica que cliva proteínas da membrana pré-sináptica fundamentais para a fusão das vesículas com a membrana plasmática do neurônio pré-sináptico.. é um toxina bacteriana extremamente potente responsável pelo botulismo e tétano.
alfa-latrotoxina: liga-se à membrana pré-sináptica facilitando a ligação das vesículas contendo neurotransmissores com a mesma, o que promove uma descarga abundante de neurotransmissores. é produzida pelas fêmeas da espécie de aranha viúva negra.
alfa-bungarotoxina: é um peptídeo que se liga de forma permanente aos receptores colinérgicos pós-sinápticos, o que impede a abertura dos canais iônicos da placa-motora pela acetilcolina, paralisando o alvo. é produzido pela cobra bungarus multicinctus.
alfa-neurotoxina, erabutoxina e curare (mistura de toxinas vegetais): os três venenos citados tem efeito semelhante ao da alfa-bungarotoxina.
conotoxinas: tal classe de veneno possui efeito vasto e devastador, podendo bloquear desde os canais de sódio e cálcio até receptores para glutamato e acetilcolina. o efeito primordial é a paralisia total de presa. são produzidas por caracóis marinhos do tipo gastrópodes.
estricnina: é um alcalóide que atua nas sinapses de glicina, causando hiperatividade, espasmos, convulsões e morte. é retirado da semente do vegetal strychnas nux-vamica.
potencial de ação & darwin
com a evolução, alguns organismos tornaram-se complexos e maiores. houve, então, necessidade de manter fidedigna as informações das porções mais distais do organismo. para tal, o potencial de ação tornou-se um mecanismo muito eficiente, pois sua informação está contida na freqüência, que é uma propriedade que depende da fonte somente, ou seja, não se altera até chegar ao seu destino. diferente do potencial passivo, que tem sua informação contida na amplitude, sujeita a várias alterações pelo meio. comparando-se com as ondas de rádio, pode-se dizer que o potencial de ação equivale à fm (freqüência modulada), enquanto o potencial passivo equivale à am (amplitude modulada).
<langue=br><sujet=potentiel-d-action><num=51><source=http://pt.wikipedia.org/wiki/mecanismos_b%c3%a1sicos_do_potencial_de_a%c3%a7%c3%a3o>
mecanismos básicos do potencial de ação
por ser hidrofóbica, a membrana plasmática impede que moléculas carregadas se difundam facilmente através dela, o que permite a existência de uma diferença de potencial entre os dois lados da membrana. índice
1 potencial de repouso de membrana 2 potencial de ação 2.1 primeira teoria: ativação independente 2.2 segunda teoria: ativação única 2.3 potencial graduado e zona de integração e disparo 2.4 potencial graduado da membrana 2.5 cone de implantação, segmento inicial ou zona de disparo (zid) 3 ver também
potencial de repouso de membrana
a diferença de potencial existente entre os dois lados da membrana de qualquer célula é normalmente negativo no interior da célula em relação ao exterior. diz-se, então, que a membrana é polarizada. a diferença de potencial entre os dois lados da membrana quando ela está em repouso é chamado potencial de repouso de membrana e possui o valor aproximado de -65 mv nos neurônios (o sinal negativo indica que o interior da célula está negativo em relação ao exterior). essa diferença de potencial é causada por vários fatores, mas os mais importantes são o transporte de íons através da membrana celular e a permeabilidade seletiva da membrana a esses íons.
de acordo com a equação de nenrst, pode-se estabelecer o potencial de equilíbrio de cada íon, ou seja, o potencial no qual não há movimentação de determinado íon. o potássio existe em maior quantidade dentro da célula e assim possui uma força química que o impulsiona para fora e ao mesmo tempo uma força elétrica que o impulsiona para dentro. o balanço dessas forças resulta no potencial de equilíbrio do potássio, ou potencial de nerst do potássio, que é igual a -75 mv. por meio desse número, entende-se a tendência do potássio de se movimentar para fora, já que o potencial de repouso de membrana (-65 mv) é menos negativo que o potencial de nerst do potássio e, saindo da célula, o íon potássio, que é um cátion, deixa o potencial mais negativo (interior em relação ao posterior). já no caso do sódio, sua maior concentração é no exterior da célula, o que resulta numa força química que causa a entrada de íons sódio. o potencial de equilíbrio desse íon é +55 mv (muito mais positivo do que o potencial de repouso) e assim, para o que o potencial de membrana atinja esse valor, é necessária uma maior quantidade de íons positivos dentro da célula, daí a tendência desse íon de entrar na célula. o cloro, que possui um potencial de equilíbrio de -65 mv, não possui movimento significativo através da membrana celular, já que seu potencial de nerst é igual ao potencial de repouso de membrana.
o transporte ativo de íons de potássio e sódio para dentro e para fora da célula, respectivamente, é feito por diversas bombas de sódio e potássio distribuídas pela membrana celular. cada bomba transporta dois íons de potássio para dentro da célula para cada três íons de sódio que é transportado para fora. essa ação estabelece uma peculiar distribuição de íons positivamente carregados (cátions) entre o meio intra e extracelular, com maior concentração de sódio no meio extracelular e maior concentração de potássio no meio intracelular. em alguns casos, as bombas de sódio e potássio contribuem sensivelmente para a manutenção do potencial de membrana, mas na maioria das células existem canais especiais de potássio, os canais de repouso ( leak channels ), que controlam o valor do potencial de repouso.
a tendência natural dos íons de sódio e potássio é de se difundir pela membrana impelidos por seus gradientes eletroquímicos, em busca de seus respectivos potenciais de equilíbrio. o sódio entra na célula e o potássio sai. por causa dos canais de repouso de potássio, sempre abertos, a membrana plasmática é aproximadamente cem vezes mais permeável ao potássio do que ao sódio, ou seja, mais íons de potássio saem da célula do que íons de sódio entram na célula. essa predominância de saída de íons de potássio leva a uma hiperpolarização da membrana, que estabelece o valor do potencial de repouso de membrana em aproximadamente -70 mv.
assim como o potencial de repouso, os potenciais de ação dependem da permeabilidade da membrana celular aos íons de sódio e potássio.
potencial de ação
quando um estímulo chega a um receptor ou terminação nervosa, sua energia causa uma inversão temporária de cargas na membrana plasmática do neurônio. como conseqüência, a diferença de potencial, antes de -70 mv entre o interior e o exterior da célula passa a ser positiva, com o valor aproximado de +40 mv. isso é conhecido como potencial de ação e, nessa condição, a membrana é dita despolarizada (leia despolarização). essa despolarização ocorre porque os canais da membrana do axônio mudam sua conformação espacial e, assim, se abrem ou se fecham, dependendo da voltagem entre os dois lados da membrana. são, por esse motivo, chamados canais voltagem-dependentes.
há dois quesitos básicos para geração do potencial de ação: -o potencial passivo deve ultrapassar o potencial limiar excitatório; -a parte ascendente da curva de geração do potencial de ação deve ter inclinação relativamente acentuada. se algum desses quesitos não for atendido, ocorre acomodação de membrana, em outras palavras, os canais de sódio voltagem-dependentes não se abrem simultaneamente. normalmente são necessários algo em torno de mil canais de sódio para gerar um potencial de ação e na acomodação de membrana existem menos canais abertos.
a seqüência detalhada de eventos é descrita a seguir:
primeira teoria: ativação independente
1. no potencial de repouso de membrana, alguns canais de repouso de potássio estão abertos, mas os canais voltagem-dependentes de sódio estão fechados. íons de potássio se difundindo de acordo com o gradiente de concentração criam um potencial negativo de membrana (interior em relação ao exterior).
2. uma despolarização local de membrana causada por um estímulo excitatório causa a abertura de alguns canais de sódio voltagem-dependentes na membrana plasmática do neurônio e, conseqüentemente, ocorre a difusão de íons de sódio por esses canais. como são cátions, o gradiente elétrico estimula inicialmente o influxo de íons na célula, o que causa um aumento de voltagem e a reversão do potencial negativo da membrana. o gradiente químico se mantém durante todo tempo, pois a concentração de sódio no meio extracelular é muito maior do que a do meio intracelular.
3. à medida que os íons de sódio entram na célula e o potencial de membrana vai ficando menos negativo, mais canais de sódio voltagem-dependentes se abrem, causando um influxo de íons de sódio cada vez maior. esse é um exemplo de realimentação positiva (feedback positivo). quanto mais canais de sódio se abrem, mais a entrada de sódio predomina sobre a saída de potássio pelos canais de repouso e o potencial de membrana se torna positivo (interior da célula em relação ao exterior).
4. uma vez que o potencial de membrana atinge +40 mv, comportas inibitórias voltagem-dependentes dos canais de sódio se fecham, porque são ativadas por potenciais de membrana positivos. assim, o influxo de íons de sódio cessa. concomitantemente, os canais de potássio voltagem-dependentes começam a se abrir.
5. quando os canais voltagem-dependentes de potássio se abrem, se inicia um grande movimento de saída de íons de potássio, estimulado pelo gradiente de concentração de potássio e favorecido inicialmente pelo potencial positivo da membrana (interior em relação ao exterior). à medida que os íons de potássio se difundem para o meio extracelular, o movimento de cátions causa a reversão do potencial de membrana para negativo (interior em relação ao exterior). é a repolarização do neurônio, de volta ao potencial de repouso de membrana, bastante negativo.
6. a grande corrente de saída de íons de potássio pelos canais voltagem-dependentes de potássio gera temporariamente um potencial mais negativo do que o potencial de repouso de membrana. esse fenômeno é conhecido como hiperpolarização de membrana. nesse ponto, as comportas inibitórias dos canais voltagem-dependentes de potássio se fecham e o potencial de membrana volta a ser comandado pelos canais de repouso de potássio. as bombas de sódio e potássio continuam bombeando íons de sódio para fora e íons de potássio para dentro, prevenindo dessa forma a perda do potencial de repouso de membrana a longo prazo. o potencial de repouso de -70 mv é reestabelecido e o neurônio é considerado repolarizado.
segunda teoria: ativação única
1- quando o potencial de repouso de membrana sofre uma variação de 10 mv (de -60 a -50 mv), atingindo o limiar de excitação, ocorre a sinalização para a abertura dos canais lentos de k+ e das comportas de ativação dos canais rápidos de na+ e para o fechamento das comportas lentas de inativação dos canais de na+. isso leva a um influxo imediato de grande quantidade de íons na+, levando a uma despolarização da membrana da célula.
2- a sinalização para o fechamento das comportas de ativação dos canais rápidos de na+ se dá quando o potencial da membrana atinge valores positivos. então, gradativamente mais e mais canais de na+ vão se fechando, diminuindo o influxo de na+, de modo que o potencial de membrana chega ao seu valor máximo, evitando, assim, que se atinja o potencial de equilíbrio para o na+ (+55mv).
3- o pico da curva do potencial de membrana pelo tempo é o sinal para o fechamento dos canais lentos de k+, que já se encontram abertos devido à sinalização da etapa 1, levando a um efluxo de íons k+, iniciando o processo de repolarização da membrana.
4 - na última etapa ocorre a abertura das comportas de inativação dos canais rápidos de na+, que é sinalizada quando o potencial de membrana se encontra descendente e próximo ao limiar de excitação. como os canais de k+ demoram a responder à sinalização para seu fechamento, ocorre uma hiperpolarização.
potencial graduado e zona de integração e disparo
após o surgimento de um potencial pós-sináptico em uma célula nervosa, seja por ação de neurotransmissores em uma sinapse química ou pela corrente de íons em uma sinapse elétrica, se torna necessário que a propagação da informação siga através do dendrito, do soma e do axônio até atingir outro neurônio ou um órgão-efetor.
o potencial pós-sinapse se apresenta como uma corrente de íons através da membrana (despolarizando ou hiperpolarizando), que atravessa o corpo celular até a zona inicial do axônio. essa corrente é chamada de potencial graduado de membrana.
potencial graduado da membrana
é um gradiente eletroquímico que se forma entre as camadas da membrana celular em um local restrito da célula. é basicamente uma corrente de íons que percorre o meio intracelular próximo à membrana alterando o potencial de repouso desta. o potencial graduado difere do potencial de ação por não possuir sua constante magnitude e por ser caracteristicamente maior na fonte e decair à medida que se distancia desta. potenciais graduados podem surgir em diferentes partes da célula que funcionem como receptores e também após sinapses ativadas por neurotransmissores.
em neurônios que não geram potenciais de ação, como alguns na retina, o potencial graduado é também particularmente importante.
os potenciais graduados atuam como gatilho de potenciais de ação na porção inicial do axônio quando despolarizam a membrana e inibem a geração do potencial de ação quando a hiperpolarizam, os potenciais graduados vão existir primariamente devido a formação de peps(excitatórios) ou pips(inibitórios).
potencial excitatório pós-sináptico (peps)
o potencial excitatório pós-sináptico é gerado quando há despolarização ou excitação da célula pós-sináptica, por exemplo, como ocorre na junção neuromuscular, onde o neurônio pré-sinaptico libera acetilcolina e abre os canais na+/k+ acetilcolina-dependentes no músculo esquelético. a abertura desses canais do tipo nicotínicos, onde a acetilcolina é um neurotransmissor excitatório, permite a passagem de na+ e outros pequenos cátions para o interior da célula, despolarizando-a. porém, essa despolarização não ocorre em toda a membrana da célula, apenas na parte onde os neurotransmissores agiram, e quanto mais canais forem abertos, mais na+ entrará na célula, podendo geram um potencial de ação, se o gradiente de na+ for suficiente pra tanto. um peps pode ser gerado também por fechamento dos canais de k+. os peps podem ser formados por sinapses axossosomáticas ou axodendríticas
o potencial inibitório pós-sináptico (pips)
o potencial inibitório pós-sináptico é gerado quando há hiperpolarização da célula pós-sináptica, tornando mais difícil a geração de um potencial de ação. o pips pode acontecer tanto pela saída de k+ da célula, que é o que ocorre nos canais muscarinícos das células do coração na presença de acetilcolina, como pode acontecer pela entrada de cl¯ , ou ainda pelo fechamento dos canais de na+/ca+. a duração do pips é curta e o potencial da célula rapidamente retorna ao normal. as sinapses que geram esses potenciais inibitórios geralmente são do tipo axossomáticas, dessa forma os pips compensam seu menor número, pois chegam mais rapidamente à zona de disparo, além de perderem menos energia em seu trajeto, aumentando a força de seu sinal. os pips também se beneficiam do sistema de limiar de excitação (tudo ou nada), pois apenas 1mv de diferença que eles possam produzir é capaz de impedir a formação de um potencial de ação.
cone de implantação, segmento inicial ou zona de disparo (zid)
é a região onde o axônio emerge do soma neuronal, caracterizada por um baixo limiar de excitabilidade da membrana. na zona de integração e disparo (zid) existe caracteristicamente uma concentração maior de canais voltagem-dependentes de na+. então, quando o potencial graduado chega a essa região, os canais são ativados facilmente e um potencial enorme é gerado, o potencial de ação.
<langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=52><source=http://www.fisiologia.kit.net/fisio/pa/1.htm>
potenciais:
1. potencial de repouso da membrana nervosa:
ocorre quando não se tem sinais nervosos transmitidos, tendo um valor de cerca de -90mv então meio intracelular é negativo em sua região adjacente a membrana. no meio intra-celular tem-se uma maior concentração de potássio k+ ,em relação ao sódio na+que possui uma maior concentração em meio extra-celular.
2. potencial de ação:
os impulsos nervosos são transmitidos através de potencial de ação, que é uma rápida variação do potencial de repouso, ou seja, do potencial de negativo para o potencial de positivo com um rápido retorno para o potencial de repouso negativo, a membrana muda sua polaridade e depois volta ao normal.
no geral o potencial de ação vai de -70 a -90mv, indo até +10 a +30mv, em fibras nervosas e musculares e de -40 a –60mv até +40mv em m.liso e cardíaco, onde ocorre o efeito platô que será explicado mais à frente.
ver animação
bomba de na+ / k+ :
estão presentes em todos os tecidos, sendo uma bomba eletrogênica, ou seja, gerando uma diferença de potencial entre a parte intra e extra-celular.è uma bomba auto reguladora ex: quanto mais íon sódio houver dentro da célula mais rápido ela ira bombear o mesmo para fora e ao mesmo tempo ira bombear o íon potássio para dentro da célula.
canal de vazamento:
existe em todas a s células, não gastando atp, pois transporta íons a favor do gradiente de concentração, este canal jamais se fecha sendo em media 100x mais permeável ao potássio que para o sódio.
3. estímulos limares e sub-limiares:
estímulos limiares:
ocorre quando a célula atinge o limiar de excitação, ocorrendo inversão da polaridade da membrana plasmática ocorrendo o potencial de ação que se propagara ao longo de toda membrana.
estímulos sub-limiares:
o nosso organismo recebe muito mais estímulos do que é capaz de codificar, e esses estímulos não codificados são chamados de sub-limiares.como o próprio nome sugere o limiar de excitação da célula não chega a ocorrer, não ocorrendo inversão de polaridade, a membrana não e despolarizada não ocorrendo o potencial de ação.
4. fases do potencial de ação:
repouso: é o potencial de repouso da membrana que se encontra polarizada, ou seja -90mv.
despolarização: aumento da permeabilidade da membrana ao íon sódio através da abertura dos canais de sódio voltagem dependentes e o influxo de sódio para dentro da célula.
repolarização: diminuição da permeabilidade da membrana ao íon sódio e aumento da permeabilidade ao íon potássio, isso ocorre, pois os canais de sódio voltagem dependentes começam a fechar e os canais de potássio voltagem dependentes começam a abrir, com o conseqüente efluxo de potássio.
hiperpolarização: não ocorre em todas as células, ocorrendo quando os canais de potássio voltagem dependentes ficam abertos mais tempo que o normal.
5. mecanismos iônicos do potencial de ação:
canais de sódio voltagem dependentes:
este canal se abre rapidamente quando a voltagem é alterada, aumentando a permeabilidade do sódio de 500 a 5000 vezes.a comporta de ativação se abre muito mais rapidamente que a comporta de inativação se fecha e o sódio que entra é suficiente para inverter a polaridade.
canais de potássio voltagem dependentes:
como o anterior também responde a um estimulo limiar, sua comporta de ativação que é lenta começa a se abrir no momento em que a comporta de inativação dos canais de sódio voltagem dependentes começa a se fechar.
canais lentos de cálcio ou cálcio voltagem dependente:
é abundante em m.liso e cardíaco, respondem também a um estimulo limiar, é mais lento que o canal de sódio voltagem dependente apresentando permeabilidade ao sódio e ao cálcio.
6. efeito platô:
ocorre quando a membrana não repolariza imediatamente após a despolarização, o platô prolonga muito a despolarização, e a repolarização só começa alguns milisegundos após o normal.
platô ocorre porque? em músculo liso e cardíaco.
devido à vagarosa abertura dos canais de cálcio voltagem dependente que permitem o influxo de íons sódio e cálcio para o meio intracelular o que prolonga a despolarização por alguns milisegundos.
os canais de potássio voltagem dependentes apresentam uma lentidão incomum em sua abertura, abrindo somente ao final do platô.porem quando totalmente abertos à voltagem volta rapidamente em direção ao potencial de repouso devido ao efluxo de potássio.
ver animação
7. restabelecendo o gradiente iônico:
ocorre devido à ação da bomba de sódio-potássio, que tem um aumento da atividade quando ocorre o excesso de sódio no citoplasma, o bombeamento aumenta em proporção direta ao cubo da concentração iônica de sódio.
8. tetânia:
aparentemente o cálcio pode se ligar à proteína, que é canal de canal de sódio voltagem dependente, alterando seu nível de voltagem necessária para a ativação do canal, devido à carga elétrica desse íon.então com uma variação da concentração de cálcio de cerca de um déficit de 50% de cálcio, o que é uma alteração pequena da voltagem, aumenta-se à quantidade de sódio na célula, deixando-a muito excitável.com isso a célula descarrega algumas vezes, rapidamente ao invés de permanecer em repouso.tetanização: ocorre à medida que a freqüência de estímulos aumenta, chega um ponto onde cada novo impulso, ou seja, potencial de ação começa antes do termino do anterior, quando a freqüência chega a um nível critico onde as contrações são tão rápidas que se fundem, tem-se o fenômeno da tetanização.
9. período refratário absoluto:
é o período em que o novo potencial de ação não pode ocorrer em fibra excitável, enquanto a membrana estiver despolarizada pelo potencial de ação anterior, isso ocorre, pois os canais de sódio voltagem dependente ou cálcio ou ambos ainda estão abertos pelo potencial de ação, independente da força do estimulo.
10. período refratário relativo:
ocorre logo após o período refratário absoluto e durante este período um estimulo mais forte que o normal pode excitar a fibra, isso ocorre por dois motivos:
durante este período muitos canais ainda não reverteram seu estado de inatividade.
os canais de potássio estão totalmente abertos causando o fluxo excessivo de cargas para fora da fibra opondo-se ao estimulo.
11. propagação do potencial de ação:
ocorre através de correntes locais que despolarizam a membrana adjacente, indo para os dois lados da membrana esse processo é conhecido como impulso nervoso ou muscular.
condução saltatória: nas fibras mielínicas de nodo a nodo.
os íons não podem fluir através da bainha de mielina, mas fluem com facilidade através dos nodos, portanto os potenciais de ação que fluem de nodo a nodo possuem uma velocidade maior e menos gasto de energia do que em fibras amielínicas.
fibras mielínicas velocidade de 100m/s.
fibras amielínicas velocidade de 0,25m/s.
<langue=br><sujet=potentiel-d-action><num=52><source=http://www.fisiologia.kit.net/fisio/pa/2.htm>
sinapse química e elétrica
sinapses são estruturas altamente especializadas, que fazem a transmissão de um impulso nervoso de um neurônio para outro, este impulso pode ser integrado, bloqueado e modificado existem dois tipos de sinapses, sinapse química a grande maioria, e as elétricas.
ver animação
sinapse química:
acontece quando o potencial de ação, ou seja, impulso é transmitido através mensageiro químico, ou seja, neurotransmissores, que se liga a um receptor (proteína), na membrana pós-sinaptica, o impulso e transmitido em uma única direção, podendo ser bloqueado e em comparação com sinapse elétricas é a sinapse química é muito mais lenta.quase todas sinapses do snc são químicas.
ex: neurotransmissores
histamina
acetilcolina
sinapse elétrica:
neste tipo de sinapse as células possuem um intimo contato através junções abertas ou do tipo gap que permite o livre transito de íons de uma membrana a outra, desta maneira o potencial de ação passa de uma célula para outra muito mais rápido que na sinapse química não podendo ser bloqueado.ocorre em músculo liso e cardíaco, onde a contração ocorre por um todo em todos os sentidos.
funcionamento de uma sinapse química: na sinapse química o potencial de ação que esta se movendo em ambos os lados na membrana quando chega na região adjacente a fenda sinaptica, onde se encontram muitos canais de cálcio que através da despolarização da membrana se abrem liberando cálcio para dentro da célula.este influxo de cálcio nas imediações da membrana pré-sinaptica, causara por atração iônica o movimento das vesículas com neurotransmissores na direção da membrana pré-sinaptica onde os neurotransmissores serão liberados na fenda sinaptica por exocitose.na membrana pós-sinaptica existe um grande número de proteínas receptoras de neurotransmissores, estes receptores são canais iônicos permeáveis ao sódio (impulso excitatório) e cloreto (impulso inibitório).
se os neurotransmissores ligarem-se aos canais iônicos permeáveis ao sódio, causara o influxo de sódio para dentro da célula o que conseqüentemente desencadeara um potencial de ação nesta célula.se o neurotransmissores se ligar canais iônicos permeáveis ao cloreto, o que causara o influxo de cloreto para dentro da célula e como o cloreto é um anion não deixará que a célula gere um potencial de ação, ou seja, impulso inibitório.
fases de liberação do neurotransmissor:
despolarização entrada de cálcio no botão sinaptico cálcio se liga aos sítios de liberação da membrana pré-sinaptica exocitose da vesícula com neurotransmissores receptores deixam os neurotransmissores passarem reciclagem das vesículas com neurotransmissores remoção do neurotransmissores do botão sinaptico
difusão
destruição enzimática
transporte ativo para terminação pré-sinaptica
ppse - potencial pós-sinaptica excitatório, somação de descargas para desencadear o potencial de ação. ppsi - potencial pós-sinaptica inibitório.
<langue=br><sujet=potentiel-d-action><num=52><source=http://www.fisiologia.kit.net/fisio/pa/3.htm>
junção neuromuscular
é a região onde ocorre sinapse entre neurônios e obrigatoriamente células musculares, sendo também conhecida como placa motora, ou seja, terminações nervosas que se invaginam na fibra muscular.
· características:
goteira sinaptica: são invaginações na membrana do músculo esquelético (fibra muscular).
fenda ou pregas sub-neurais: são invaginações da goteira sinaptica, o que aumenta em muito a superfície de contato onde o neurotransmissor pode atuar.
· secreção de acetilcolina pelas terminações nervosas:
quando o impulso nervoso alcança a junção neuromuscular, cerca de 125 vesículas de acetilcolina são liberadas pela fenda sinaptica.o impulso pode ser excitatório ou inibitório como já explicado anteriormente.
a propagação do potencial de ação para o interior da fibra muscular se faz através dos túbulos transversos mais conhecidos como túbulo t.
· acoplamento excitação-contração: o potencial de ação percorre os túbulos t ate o profundo interior da fibra muscular, sendo também por eles que o impulso chega ate o reticulo sarcoplasmatico que libera então cálcio por transporte passivo.na membrana do reticulo sarcoplasmatico existe ainda a bomba de cálcio, que bombeia cálcio para o interior do reticulo gastando energia.
calsequestrina: 40 vezes mais cálcio dentro do reticulo sarcoplasmatico.
<langue=br><sujet=potentiel-d-action><num=53><source=http://www.geocities.com/~malaghini/potencial2.html>
potencial de ação quando a membrana de uma célula excitável realmente se excita, uma sucessão de eventos fisiológicos ocorrem através da tal membrana. tais fenômenos, em conjunto, produzem aquilo que chamamos de potencial de ação.
como pode uma membrana celular ser excitada? geralmente a excitação ocorre no momento em que a membrana recebe um determinado estímulo.
tipos de estímulos: calor, frio, solução salina hipertônica ou hipotônica, ácidos, bases, corrente elétrica, pressão, etc.
algumas células desencadeiam o potencial de ação sem a necessidade de receberem estímulos, devido a uma alta excitabilidade que as mesmas apresentam. tais células são denominadas auto-excitáveis, e os potenciais por elas gerados são denominados de potenciais espontâneos.
um típico pontencial de ação em uma típica célula excitável dura apenas alguns poucos milésimos de segundo, e pode ser dividido nas seguintes fases:
despolarização: é a primeira fase do potencial de ação. durante esta fase ocorre um significativo aumento na permeabilidade aos íons sódio na membrana celular. isso propicia um grande fluxo de íons sódio de fora para dentro da célula através de sua membrana, por um processo de difusão simples. como resultado do fenômeno citado acima, o líquido intracelular se torna com grande quantidade de íons de carga positiva (cátions) e a membrana celular passa a apresentar agora um potencial inverso daquele encontrado nas condições de repouso da célula: mais cargas positivas no interior da célula e mais cargas negativas no seu exterior. o potencial de membrana neste período passa a ser, portanto, positivo (algo em torno de +45 mv).
repolarização: é a segunda fase do potencial de ação e ocorre logo em seguida à despolarização. durante este curtíssimo período, a permeabilidade na membrana celular aos íons sódio retorna ao normal e, simultaneamente, ocorre agora um significativo aumento na permeabilidade aos íons potássio. isso provoca um grande fluxo de íons potássio de dentro para fora da célula (devido ao excesso de cargas positivas encontradas neste período no interior da celula e à maior concentração de potássio dentro do que fora da célula). enquanto isso ocorre, os íons sódio (cátions) que estavam em grande quantidade no interior da célula, vão sendo transportados ativamente para o exterior da mesma, pela bomba de sódio-potássio. tudo isso faz com que o potencial na membrana celular volte a ser negativo (mais cargas negativas no interior da célula e mais cargas positivas no exterior da mesma). o potencial de membrana neste período passa a ser algo em torno de -95 mv. (ligeiramente mais negativo do que o potencial membrana em estado de repouso da célula.
repouso: é a terceira e última fase: é o retorno às condições normais de repouso encontradas na membrana celular antes da mesma ser excitada e despolarizada. nesta fase a permeabilidade aos íons potássio retorna ao normal e a célula rapidamente retorna às suas condições normais. o potencial de membrana celular retorna ao seu valor de repouso (cerca de -90 mv.).
todo o processo descrito acima dura, aproximadamente, 2 a 3 milésimos de segundo na grande maioria das células excitáveis encontradas em nosso corpo. mas algumas células (excitáveis) apresentam um potencial bem mais longo do que o descrito acima: células musculares cardíacas, por exemplo, apresentam potenciais de ação que chegam a durar 0,15 a 0,3 segundos (e não alguns milésimos de segundo, como nas outras células). tais potenciais, mais longos, apresentam um período durante o qual a membrana celular permanece despolarizada, bastante prolongado. estes potenciais são denominados potenciais em platô.
<langue=br><sujet=potentiel-d-action><num=54><source=http://www.geocities.com/amtavaresj/sistemapotenciacao.htm>
potencial de ação (pa)
dentro das células (citoplasma) além das organelas e núcleo encontramos: cálcio (ca), sódio (na), potássio (k) denominado íons. as células em repouso possuem pouco cálcio, pouco sódio e muito potássio isso dentro da célula, e fora é o contrário, muito cálcio, muito sódio, pouco potássio.
foi constatado que dentro da célula em repouso encontramos mais ou menos - 90mv.
as células contém proteínas e as mesmas formam os aminoácidos que formam as moléculas que formam o átomo que contém eletricidade. quer dizer que a proteína contém energia.
quando há estímulos não muito importante para nós, nossa célula que estava em repouso transmuta entre a faixa de (-90mv) para (-65mv), que na realidade são estímulos que não são muito interessantes, pouca vontade de realizá-los. mas quando temos estímulos que nos interessa e sentímos enorme vontade de realizar-los, ocorre uma mudança química em nossas células:
os estímulos que transmutavam entre -90mv e -65mv, passam para 30mv; isso ocorre pois a concentração de cálcio e sódio no líquido extracelular é maior do que no ambiente interno da célula, tendo o estímulo de suma importância para abrir os canais de sódio liberando a entrada deles. este efeito é chamado de despolarização .
as células ao receberem este grande estímulo fazem com que os canais de proteínas independentes de cada elemento (ca, na, k), se abram, isso só ocorre pois à concentração extracelular de sódio e cálcio é maior que a intracelular, entrando nestes canais de proteína, o sódio e o cálcio, a célula irá ficar com a mesma concentração de íons.
tendo com isso a energia interna de 30mv , tornando a pessoa agitada fazendo o que deseja, na realidade todo este processo produzirá um estímilo para os músculos.
a célula passa de negativa para positiva.
mais a célula após seu momento de estímulo, precisa voltar ao estado repouso (-90mv). a célula está muito concentrada internamente e precisa eliminar potássio de seu interior. os canais de proteínas do potássio se abrem, liberando-o para liquido extracelular, fazendo a célula chegar em seu estado de repouso (ou com poucos estímulos). mas voltando ao estado de repuso após liberar o potássio, ela ficou muito carregada de sódio e cálcio, e precisando eliminar o excesso sódio, ai entra a bomba de sódio e potássio, que só é ativada pela combinação de 3 sódio (na) numa extremidade e 2 potássio (k) em outra extremidade. como foi retirado o potássio do interior da célula a mesma ficou carregada de sódio e cálcio internamente e externamente carregada de potássio, e precisa remover este sódio internamente. o trabalho desta bomba de sódio e potássio tem um gasto de energia como transporte ativo, senão houver o excesso destes elementos no extracelular como no intracelular ou como a combinação de sódio e potássio nas extremidades da bomba com a proporção 3x2 a mesma não ativa.
este processo continua até acabar o excesso (combinação)dos elementos no intra-como no extracelular.
através das vesículas (capsulas),elas transportam os neurotransmissores que são chamados acetilcolina para os axônios .
estes neurotransmissores são fabricados pelos neurônios.
os cálcios que transportam as vesiculas até as membranas pré - sinaptica. os cálcios foram absorvidos pelos canais de proteína, e são conhecidos de carreador .
as vesiculas ao encostar-se com a membrana pré - sinaptica se rompe liberando os neurotransmissores na fenda sinaptica até chegar na membrana pós - sinaptica, está membrana tem canais de encaiche chamado proteina de canal acetilcolina dependente, só os neurotransmissores acetilcolina encaixa neste canal de proteína dependente, que na realidade este processo abre o canal para a entrada de sódio, começando o processo idéntico ao do ínicio.
dos neurônios até os músculos
através do axônios onde os canais de proteínas absorvem o cálcio que transporta as vesiculas (capsulas) onde se encontra os neurotransmissores que são levados para a membrana pré sinaptica, no contato com a membrana a vesícula se abre liberando os neurotransmissores na fenda sinaptica. os canais das fibras musculares ( proteínas do canal acetilcolina dependente) recebem os neurotransmissores e com isso libera a entrada de sódio nos canais de proteínas, que estimula a membrana da fibra muscular e os túbulos t que por consequência estimula o retículo sacro plasmático que libera para as miofibrilas íons cálcio. este processo não gasta energia , pois vai do mais concentrado para o menos concentrado.
o cálcio aciona a troponina que se encontra no sarcômero, que modifica a tripomiosina que nada mais é uma camada entre a cabeça da miosina e o sitio ativo . quando a tripomiosina recebe o sinal da troponina, a tripomiosina desloca o filamento fazendo com que a cabeça da miosina entre o contato com o sitio novo. entre o sitio ativo e a actina contém uma molécula chamada atp (trifosfato de adenosina) fazendo com que ela flexione agrupando camada por camada entre a cabeça da miosina . sendo usado 1 fósforo para cada execução desse trabalho, a molécula se torna adp ( difosfato de adenosina ). com isso a actina e miosina contrai os sarcômeros, que contrai as miofibrilas, que contrai as fibras musculares e os músculos.
com todo este processo a fibra muscular está contraida, para relaxar é feito um corte no estimulo para o cerebro que corta o p.a que vai dos neurônios até o músculo, fazendo com que a bomba de cálcio do reticulo sacro plasmático bombeie este cálcio que se encontra nas miofibrilas para o retículo sacro plasmático.
quando o processo p.a acontece o núcleo das células produzem neurotransmissores que são levados pelas vesículas.
existem 3 movimentos:
movimentos reflexo: auto-proteção (p.a não alcança o cérebro).
movimentos automatizados: movimentos repetitivos, aprendizado (cortex-pouco abaixo do topo do cérebro)
movimentos voluntários: cérebro que comanda.
a função dos túbulos t é enviar os estímulos em todas as direções e estimular as ( retículos sacro plasmáticos).
o uso das fibras musculares geralmente não é 100% ou todo seu potêncial, só é usado a quantidade de fibras necessárias para realizar aquela tarefa exigida. então quando realizarmos uma tarefa de força ou destreza (colocar uma linha na agulha) que precisamos de precisão, só utilizamos o que precisamos.
sinapse também é conhecida como placa motora .
glicogênio: armazenamento de glicose.
a dor é uma defesa para o corpo que está acontecendo algo. isto é p.a.
contração do músculo esquelético
cerca de 40% do corpo são formados por músculos esqueléticos e quase outros 10% são formados por músculos liso e cardíacos.
sarcolema: é a membrana celular da fibra muscular. é formado por uma verdadeira membrana celular, chamada de membrana plasmática. na extremidade da fibra muscular, as fibras tendinosas se unem, formando feixes, até comporem um tendão muscular que se insere no osso.
miofibrilas: cada miofibrila, por sua vez, contém, lado a lado cerca de 1.500 filamentos de miosina e 3.000 filamentos de actina. as faixas claras só contém filamentos de actina, e as faixas escuras contêm os filamentos de miosina. e tambëm mostra que as extremidades de actina estão presos ao chamado disco z. a partir desse disco, os filamentos se estendem, nas duas direções, para se interdigitar com os filamento de miosina. esses faixas dão ao músculo esquelético e cardíaco sua aparência estriada . a região de uma miofibrila ( ou de toda uma fibra muscular ) situada entre duas linhas z consecutivas é chamada de sacômero. os filamento de actina se sobrepõem totalmente aos outros.
sarcoplasma: as miofibrilas, no interior da fibra muscular, ficam suspensas em uma matriz, chamada de sarcoplasma, formada pela pelos constituintes usuais. o líquido do sarcoplasma contém grandes quantidade de potássio e de magnésio, de fosfato e de enzimas protéicas. também está presente número imenso de mitocôndrias que ficam entre e paralelas ãs miofibrilas, situação indicativa da grande necessidade das miofibrilas em contratção de quentidade elevada de trifosfato de adenosina (atp), formado nas mitocôndrias.
retículo sarcoplasmático: também existe no sarcoplasma um imendo retículo endoplasmático, chamado na fibra muscular de retículo sarcoplasmático . esse retículo é muito importante para o controle da contração muscular.
o mecanismo geral da contração muscular
1. um potencial de ação percorre um axônio motor até sua terminações nas fibras musculares.
2. em cada terminação, há secreção de pequena quantidade de substância neurotransmissoras, chamada acetilcolina.
3. a acetilcolina atua sobre área localizada da membrana fibro muscular, abrindo númerosos canais protéicos acetilcolina dependentes.
4. a abertura destes canais acetilcolina-dependentes permite o influxo de grande quantidade de íons sódio para o interior da membrana da fibra muscular, no ponto da terminação nervosa. isso produz um potencial de ação na fibra muscular.
5. o potencial de ação se propaga ao longo da membrana da fibra muscular do mesmo modo como o faz nas membranas neurais.
6. o potencial de ação despolariza a membrana da fibra muscular e também penetra profundamente no interior desta fibra, nos túbulos t, que se propagam rapidamente. ai faz com que o retículo sarcoplasmático libere, para as miofibrilas, grande quantidades de íons cálcio, que ficam armazenada no seu interior.
7. os íons cálcio geram forças atrativas entres os filamentos de actina e miosina, fazendo com que deslizem um em direção do outro, o que constitui o processo contrátil.
8. após o corte de estímulo, é cortado automaticamente o potencial de ação até os músculos por uma fração de segundos, com isso os íons cálcio são bombeados de volta para o retículo sarcoplasmático através da bomba de cálcio,(aonde existe um transporte ativo, com gasto de energia) até que ocorra um novo potencial de ação muscular; termina a contração muscular.
relação entre a velocidade de contração e a carga
um músculo se contrai de uma forma extremamente rápida quando sua contração não sofre oposição de qualquer carga - quando são aplicadas cargas, a velocidade de contração diminui progrecivamente á medida que a carga for aumentando.
quando a carga for aumentada até igualar a força máxima que pode ser gerada pelo músculo, a velocidade de contração é zero, e não ocorre contração.
essa velocidade decrescente da função do aumento da carga é causa pelo fato de que a carga imposta a um músculo em contração é uma força inversa que se opõe a força contratil gerada pela contração do músculo.
fontes de energia para a contração muscular: a contracão muscular depende da energia fornecida pelo atp.
a concentração de atp presente numa fibra muscular, é suficiente para manter uma contração por no máximo, 1 a 2 segundos. apos o atp ter sido clivado a adp, é refosforilado para tornar-se atp. existem formas de energia para para essa fosforilação.
a primeira fonte de energia utilizada para recontituir o atp é o composto fosfocreatina. essa ligação fosfato de alta energia da fosfocreatina contém quantidade um pouco maior de energia livre que a do atp. a fosfocreatina é clivada de imediato e a energia liberada provoca a ligação de novo íons fosfato ao adp, para recontituir o atp. a energia combinada do atp e da fosfocreatina armazenados nos músculos é capaz de manter a contração máxima do músculo por cerca de 7 a 8 segundos.
a mais importante fonte de energia usada para reconstituir o atp como a fosfocreatina, é o glicogênio previamente armazenado nas células musculares. a rápida degredação enzigmática do glicogênio e ácidos, libera energia que é utilizada para converter adp em atp e este atp pode ser usado diretamente para energizar a contração muscular ou para reconstituir a fosfocreatina.
primeiro, as reações glicólicas podem ocorrer até mesmo na ausência de oxigênio, de modo que a contração muscular pode ser mantida, por breve período, na falta de oxigênio.
segundo, a velocidade com que é formado o atp, pelo processo glicólico, é duas vezes e meia maior que a formação de atp pela reação de nutrientes celulares com oxigênio. a glicólise, isoladamente, só pode manter a contração muscular máxima por cerca de 1 minuto.
a última fonte de energia, é o processo de metabolismo oxidativo. a combinação de oxigênio com os diverso nutriente celulares para formar o atp. mais de 95% de toda a energia utilizada em músculos em contrações continuadas de longa duração derivam desta fonte. os nutrientes que são consumidos são os carboidratos, gorduras e as proteínas. para a atividade uscular extremamente longa, a maior proporção de energia deriva das gorduras.
a eficiência da contração muscular: a porcentagem de energia consumida pelo músculo (a energia química dos nutrientes) que pode ser convertida em trabalho é de menos de 20 a 25%, o restante sendo transformado em calor. a razão para essa baixa eficiência é que cerca da metade da energia dos nutrientes é perdida na formação de atp e apenas cerca de 40 a 45% da energia do próprio atp podem ser, posteriormente, transformado em trabalho.
só pode ser conseguida eficiência máxima quando o músculo se contrai com velocidade moderada. se o músculo se contrai muito lentamente ou sem que ocorra algum movimento, são liberadas grandes quantidades de calor de manutenção durante o processo de contração, mesmo sendo realizado pouco ou nenhum trabalho, o que diminui a eficiência. mas se a contração for muito rápida, grande parte da energia será consumida para vencer o atrito viscoso no interior do próprio músculo, e isso também reduz a eficiência de contração. a efici6encia máxima é obtida quando a velocidade da contração é de cerca de 30% da velocidade máxima.
fibras musculares rápidas e lentas
fibras rápidas:
1 fibras muito maiores para uma força maior de contração;
2 retículo sarcoplasmático extenso, para a liberação rápida de íons cálcio , para desencadear a contração;
3 grande quantidades de enzimas glicolíticas para a liberação rápida de energia pelo processo glicolítico;
4 vascularização pouca extensa, pela importância secundária do metaboismo oxidativo
5 pequeno número de mitocôndreas, igualmente por ser metabolismo oxidativo.
fibras lentas:
1 fibras menores;
2 inervado por fibras nervosas mais finas;
3 vascularização bem mais extensa, com muitos capilares pasra fornecimento de quantidades adicionais de oxigênio;
4 número muito grande de mitocôndrias, permitindo a manutenção de alto nível de metabolismo oxidativo;
5 as fibras contém grande quantidade de mioglobina, proteína contendo ferro, semelhante a hemoglobina das hemácias, a mioglobina acelera de muito o transporte de oxigênio para as mitocôndrias. a mioglobina da aos músculos lentos uma coloração avermelhada, chamados de músculos vermelhos, e os músculos rápidos são chamados de músculos brancos.
a unidade motora: cada motoneurônio que emerge da medula espinhal inerva numerosas fibras musculares: dependendo do tipo de músculos. todas as fibras musculares inervadas por uma só fibra nervosa motora formam a chamada unidade motora. os músculos pequenos que reagem rapidamente, cujo controle deve ser bastante preciso, têm unidades motoras com poucas fibras musculares ( até apenas duas a três fibras nos músculos laríngeos ). os músculos grandes, que não precisam de um controle muito exato, como por exemplo, o músculo gastrocnêmio, podem ter unidades motoras com várias centenas de fibras musculares.
tônus do músculo esquelético: mesmo quando os músculos estão em repouso, ainda persiste um certo grau de tensão. isso é chamado de tônus muscular. impulsos transmitidos do encéfalo para os motoneurônios anteriores correspondentes, em parte, por impulsos que se originam dos fusos musculares localizado nos próprios músculos.
fadiga muscular: a interupção do fluxo sanguineo para um músculo em contração produz fadiga muscular quase total em um minuto ou pouco mais, devido à perda do fornecimento de nutrientes em especial o oxigênio.
atrofia e hipertrofia muscular: deve ser lembrado que um músculo estirado se contrai com mais força que um músculo retraído.
quando um músculo permanece inativo por longos períodos, a velocidade de degradação das proteínas contrateis, bem como a redução de miofibrilas, é maior que a velocidade de respostas. como resultado ocorre a atrofia muscular.
ajuste do comprimento muscular: ocorre um tipo de hipertrofia quando os músculos são extriados além de seu comprimento normal. isso faz com que sejam adicionados novos sarcômeros nas extremidadesdas fibras muscularesonde elas se fixam as tendões.
inversamente, quando um músculo permanece retraido a comprimento menor que o seu normal por longos períodos, os sarcômeros nas extremidades das fibras desaparecem de modo igualmente rápido.
é por esses processos que os músculos são continualmente remodelados para terem o comprimento adequado para uma contração muscular apropriada.
a hipertrofia é resultado das fibras musculares isoladas, muito mais acentuada quando o músculo é estirado durante o processo cotrátil.
contratura: ao tentar usar uma musculatura sem aquecimento e tentar fazer um movimento maior que o músculo pode realizar, o mesmo senti que irá romper fibras, e realiza uma contração nesta musculatura indisponibilizando o grupo muscular.
caimbra: é quando falta energia para alimentar a bomba de cálcio, tendo esta energia gasto no trabalho excessivo do corpo, sem energia para bombear o cálcio, o mesmo, por estar nas miofibrilas realizará contrações musculares até a normalização.
miastemia gravis: fica impossibilitado de transmitir sinal pela placa motora (sinapse) a pessoa possui auto-imunológico, que na realidade produz uma auto-defesa; anticorpos destroem os canais de proteínas. existem uma enzima acetilcolina esterase que destroi os neurotransmissores que ficam na fenda sinapse, após o corte de p.a no neurônio. e como os canais estão destruidos tendo pouca contraçõ muscular, podendo morrer de parada respiratória pela pouca contração do diafragma.
rigor mortis: é a contração do músculo, fica rígido sem p.a após a morte. essa contração é causada pela perda total de atp, que é necessário para as separações das pontes dos filamentos de actina e miosína. os músculos permanecem neste estado até que as proteínas sejam destruídas, isto pode levar de 15 a 20 horas após a morte.
<langue=br><sujet=potentiel-d-action><num=55><source=http://www.ced.ufsc.br/men5185/trabalhos/05_eletrofisiologia/potencial_acao.htm>
potencial de ação
na ausência de perturbações externas, os potenciais de membranas permanecem constantes. entretanto, um estímulo externo às células nervosas e musculares produz uma variação em seus potenciais de membrana. essa variação rápida, que se propaga ao longo de uma dessas células, é denominado potencial de ação. em todos os potenciais de ação medidos, partindo do potencial de repouso, o potencial se eleva rapidamente a um valor positivo e volta mais lentamente ao potencial de repouso. em geral o valor máximo atingido é de +30 mv. a duração do potencial de ação, por outro lado, difere bastante de célula para célula: nas células nervosas essa duração é de aproximadamente 1 ms, enquanto que nas células musculares cardíacas ela é maior que 200 ms. nos organismos dotados de sistema nervoso, o potencial de ação serve para comunicações de longa distância entre seus componentes. essas comunicações são codificadas através de potenciais de ação.
lei do tudo ou nada
a lei do tudo ou nada diz que:
um neurônio só consegue enviar um impulso se a intensidade do impulso for acima de um determinado nível, fazendo com que a sua membrana seja despolarizada e repolarizada.
este valor mínimo que permite a transmissão do potencial de ação é conhecido como potencial limiar. os valores abaixo do potencial limiar são conhecidos como sublimiares, e cada célula um valor característico de potencial limiar.
<langue=br><sujet=potentiel-d-action><num=56><source=http://pt.shvoong.com/exact-sciences/biology/1706357-potencial-ac%c3%a7%c3%a3o-num-neur%c3%b3nio-parte/>
potencial de acção num neurónio – parte 1
o sistema nervoso é constituído pelo cérebro, espinal-medula e nervos periféricos. em termos gerais, o cérebro é constituído pelo tronco cerebral, diencéfalo, hemisférios cerebrais e cerebelo. as unidades básicas do sistema nervoso são os neurónios e as células da glia. cada neurónio é formado pelo corpo celular, onde se localiza o núcleo, pelo axónio e pelas dendrites. no cérebro, os neurónios recebem informação de muitos neurónios e esta pode ou não ser transmitida para outros neurónios. um neurónio pode estabelecer sinapse com milhares de neurónios, integrando estes sinais eléctricos como se o seu corpo celular fosse uma calculadora. é como se somasse sinais excitatórios e inibitórios enviando uma mensagem para o axónio quando a soma destes é positiva. esta mensagem é propagada ao longo do axónio pela geração de potenciais de acção. mas afinal o que é um potencial de acção? vamos voltar um pouco atrás, até junto do corpo celular, para compreender a natureza deste impulso nervoso. em situação de repouso, o neurónio possui um gradiente electroquímico dinâmico através da sua membrana plasmática, conferido pela diferença de concentrações de diversos iões dentro e fora da célula. apesar de outros iões influenciarem o potencial transmembranar daí decorrente, vamos dar particular atenção aos catiões potássio e sódio. em repouso, existe uma maior concentração de iões potássio e menor concentração de iões sódio no interior da célula. este gradiente de concentrações é gerado pela acção do complexo proteico transmembranar sódio/potássio atpase, que usa a energia do atp para bombear sódio para fora e potássio para dentro da célula. por outro lado, nestas condições, a membrana é mais permeável ao potássio do que ao sódio devido à presença de canais que se encontram abertos. esta permeabilidade selectiva da membrana faz com que o potencial de repouso possa variar entre -60 e -90 mv. quando um neurónio é estimulado, observa-se uma despolarização da membrana para potenciais mais positivos, seguindo-se uma repolarização que faz com que a membrana retome o potencial do seu estado de repouso. esta variação de potencial transmembranar origina e caracteriza um potencial de acção. (continua na parte 2)
<langue=br><sujet=potentiel-d-action><num=56><source=http://pt.shvoong.com/exact-sciences/biology/1706358-potencial-ac%c3%a7%c3%a3o-num-neur%c3%b3nio-parte/>
potencial de acção num neurónio – parte 2
vamos agora detalhar um pouco mais a bioquímica por detrás do potencial de acção. no início de um potencial de acção ocorre abertura de um grande número de canais de sódio sensíveis à voltagem. isto permite uma súbita entrada de sódio causando uma rápida despolarização localizada da membrana plasmática, o que, por sua vez, faz com que mais canais de sódio abram. à medida que a membrana despolariza, regista-se também a abertura progressiva de alguns canais de potássio sensíveis à voltagem. em poucos milisegundos o potencial de membrana pode atingir +30 mv. nesta altura os canais de sódio sensíveis à voltagem começam a fechar, abrindo-se um número maior de canais de potássio sensíveis à voltagem. isto faz com que os iões potássio fluam para o exterior celular provocando a repolarização da membrana. este rápido fluxo de potássio causa hiperpolarização, aproximando o potencial de membrana do potencial de equilíbrio do potássio. no decurso desta repolarização os canais de potássio sensíveis à voltagem fecham por sua vez. o gradiente iónico é restabelecido muito pela acção da sódio/potássio atpase cuja actividade foi variando no decurso do potencial de acção. a presença de uma camada isolante de mielina ao redor de alguns axónios permite que a transmissão do potencial de acção ocorra mais rapidamente. a camada de mielina ao longo do axónio é descontínua, existindo pequenas zonas do axónio expostas ao meio extracelular (designadas por nódulos de ranvier) que possuem uma maior densidade de canais de sódio sensíveis à voltagem. isto permite uma mais rápida propagação do sinal de forma saltatória pelas regiões não mielinizadas. é assim possível que o impulso nervoso atinja a espantosa velocidade de até 100 m/s. ou seja, um potencial de acção desenvolvido, por exemplo, no hipotálamo, pode chegar ao pé em cerca de 15 milisegundos.
<langue=br><sujet=potentiel-d-action><num=57><source=http://www.geocities.com/veterinariobr/materias/fisiologia/atividadecoracao.htm> coração
atividade elétrica do coração
diz que o coração forma um sincício funcional (literalmente mesma célula ). as células musculares cardíacas são eletricamente ligadas entre si, as contrário das células musculares esqueléticas, que são eletricamente isoladas umas das outras. por isso, os potenciais de ação se propagam de célula para célula por todo o coração.
células musculares cardíacas são unidas por discos intercalares. estes discos contém os nexos ou junções estreitas, através dos quais um potencial de ação em uma célula muscular cardíaca pode propagar-se para a célula muscular cardíaca adjacente.
três características distinguem o início da contração muscular na musculatura cardíaca daquela no músculo esquelético as principais diferenças entre o músculo esquelético e o cardíaco não estão na bioquímica da contração, e sim nas propriedades do potencial de ação que inicia a contração.
contrações cardíacas são iniciadas pelas células-marcapasso cardíaca, que se despolarizam espontaneamente até o limiar. as células-marcapasso cardíacas normais estão localizadas no átrio direito, próximo da veia cava, em um local denominado nodo sinoatrial (sa).
as principais diferenças entre o início da contração no músculo cardíaco e no esquelético são as seguintes: 1- a origem dos potenciais de ação da célula muscular - os potenciais de ação são espontâneo no caso do músculo cardíaco, mas dependentes dos potenciais de ação dos neurônios motores no caso do músculo esquelético 2- a propagação dos potenciais de ação - eles se propagam de célula para célula no músculo cardíaco, mas ficam confinados no interior de uma única célula no músculo esquelético 3- o papel do cálcio extracelular - ele contribui diretamente para o início do deslizamento das pontes de actina-miosina no músculo cardíaco e também estimula a liberação de mais cálcio do retículo sarcoplasmático. na contração do músculo esquelético, o cálcio extracelular desempenha apenas o papel de estimulador
bloqueadores dos canais de cálcio são drogas que se ligam aos canais lentos de cálcio do músculo cardíaco e diminuem a entrada de cálcio no interior das células musculares cardíacas durante um potencial de ação os bloqueadores de cálcio, p.ex., nifedipina e verapamil, são usadas em situações clínicas quando se deseja uma redução na força de contração cardíaca.
o longo potencial de ação cardíaco resulta de alterações prolongadas na permeabilidade das células cardíacas ao sódio, ao potássio e ao cálcio o platô é causado por três condições que ocorrem nas células musculares cardíacas, mas não nos nervos nervos nas fibras musculares esqueléticas:
1- a permeabilidade ao potássio diminui 2- a permeabilidade ao ainda se mantém elevada, em vez de retornar a sua baixa condição de repouso 3- o mais importante, a permeabilidade ao cálcio aumenta
é durante esse platô que os íons de cálcio do líquido extracelular fluem para o interior das células através dos canais lentos de cálcio. o platô termina quando a permeabilidade das células ao potássio aumenta.
a longa duração do potencial de ação cardíaca cria um período refratário prolongado. período refratário (especificamente período refratário absoluto ) é o período que segue o início de um potencial de ação, durante o qual o outro potencial de ação não pode ser iniciado. nos nervos, fibras musculares esqueléticas e células musculares cardíacas, o período refratário dura aproximadamente o mesmo tempo de um potencial de ação. por isso o período refratário em um nervo ou célula muscular esquelética dura aproximadamente 1 ou 2 ms, mas o potencial refratário em uma célula muscular cardíaca dura de 100 a 250 ms.
a importância do período refratário longo no músculo cardíaco é que ele garante o período de relaxamento (e enchimento cardíaco) em cada contração cardíaca.
a morfologia do potencial de ação cardíaco varia de uma região para outra do coração.
a diferença mais óbvia entre o potencial entre uma célula do nódulo as e uma célula ventricular é que a fase de platô do potencial de ação do nódulo as é mais curta.
a despolarização das células-marcapasso é o resultado de uma diminuição espontânea na permeabilidade ao potássio.
a acetilcolina faz com que as células-marcapasso demorem mais para atingir o limiar, resultando em um maior tempo entre os batimentos
a noradrenalina exerce efeito oposto, acelerando a despolarização espontânea das células-marcapasso, ao acelerar a diminuição na permeabilidade ao potássio destas células.
os neurônios parassimpáticos liberam acetilcolina junto as células do nódulo sa, de forma que a atividade parassimpática diminui a atividade cardíaca. os neurônios simpáticos liberam noradrenalina junto as células do nódulo sa, de forma que a atividade nervosa simpática aumenta a freqüência cardíaca.
algumas vezes, os neurônios simpáticos e parassimpáticos que inervam o coração são ativados simultaneamente. quando ambos os sistemas são ativados, a freqüência cardíaca resultante representa conseqüência de uma espécie de cabo de guerra entre a ação simpática para aumentar a freqüência cardíaca e a ação parassimpática para reduzí-la.
quando as atividades simpáticas e parassimpáticas são iguais, seus efeitos se anulam, e a freqüência cardíaca fica em seu nível intrínseco ou espontâneo.
a pausa entre a contração atrial e ventricular é conseqüência da condução lenta dos potenciais de ação através do nódulo av. as células do nódulo av são a única passagem os átrios e os ventrículos.
o feixe de his e os ramos do feixe são compostos por células musculares cardíacas especializadas que conduzem potenciais de ação rapidamente, três vezes mais rápido que no tecido atrial.
no ápice ventricular, os ramos direito e esquerdo se ramificam em uma rede de fibras de purkinje, que levam o potencial de ação rapidamente ao longo do interior das paredes de ambos os ventrículos.
o potencial de ação que se propagou através dos ventrículos não pode ser propagado de forma retrógrada através do nódulo av e de volta para os átrios. as células do nódulo av funcionam como um portão elétrico de sentido único.
outra característica importante do nódulo av é que suas células agem como marcapasso auxiliares. e também que, as células do nódulo av possuem períodos refratários longos, ainda mais longo que o período refratário dos tecidos atrial ou venticular normais.
taquiarritmias são anormalidades no ritmo cardíaco em que as freqüências atrial ou ventricular, ou ambas estão anormalmente altas. um batimento atrial ou ventricular extra isolada, ocasional, denomina-se extra-sístole ou batimento prematuro.
taquicardia se refere a uma freqüência cardáca mais rápida do que é apropriado para as circunstâncias comportamentais. cinco causas comuns de taquicardia são: infecção cardíaca, toxicidade medicamentosa, distúrbios eletrolíticos, isquemia miocárdica e infarto do miocárdio.
uma taquicardia atrial extremamente rápida é denominada de flutter atrial. o flutter atrial não leva ao flutter ventricular, devido ao longo período refratário das células do nódulo av.
se as condições atriais se tornam tão rápidas que perdem a sincronia, a condição denomina-se fibrilação atrial. a fibrilação atrial geralmente não leva a fibrilação ventricular, devido ao período refratário longo protetor das células do nódulo av.
atividade mecânica do coração
cada batimento cardíaco é constituído de sístole e diástole ventricular
o coração são duas bombas (ventrículos) trabalhando em ciclo (batimento cardíaco), primeiro enchendo-se com sangue e depois esvaziando-se.
os ventrículos não se esvaziam completamente durante a sístole, uma determinada quantidade de sangue permanece, após o final da diástole, isto é denominado volume diastólico final.
sons cardíacos 1o som cardíaco - está associado ao fechamento das válvulas av. este som é produzido pela vibração produzida pelo sangue e das paredes cardíacas quando as válvulas se fecham. 2o som cardíaco - está associado ao fechamento da válvula aórtica no lado esquerdo do coração e da válvula pulmonar no lado direito.
um enchimento ventricular maior durante a diástole coloca o ventrículo em uma geometria favorável para a ejeção de sangue durante a sístole seguinte.
o volume diastólico final ventricular é determinado pela pré-carga e pela complacência ventricular. a pré-carga é a pressão de distensão no interior do ventrículo no final da diástole (pressão diastólica final ventricular). a complacência ventricular mede a facilidade com que as paredes ventriculares se estriam para acomodar o sangue que entra durante a diástole. um ventrículo complacente é aquele que cede facilmente a pressão da pré-carga e se enche prontamente de sangue durante a diástole. resumidamente complacência pode ser definida como a mudança no volume dividida pela mudança na pressão.
a hemorragia é uma situação na qual uma alteração na pré-carga altera o volume sistólico. a perda rápida de uma quantidade substancial de sangue na circulação sistêmica resulta na diminuição da pressão venosa no lado direito do coração e, por isso, uma pressão atrial direita diminuída.
um aumento na contratilidade ventricular resulta num esvaziamento mais completo do ventrículo durante a sístole e, portanto, um volume sistólico final diminuído. a contratilidade pode ser definida como a habilidade bombeadora do ventrículo. um aumento na contratilidade pode causar um aumento no volume sistólico, sem alteração do volume diastólico final.
a contratilidade cardíaca pode ser aumentada pela atividade nervosa simpática por meio de ação do neurotransmissor noradrenalina, que ativa os receptores b-adrenérgicos sobre as células musculares ventriculares. como resultado desta ativação, maiores quantidades de cálcio intracelular ficam disponíveis para o início da contração. os glicosídios cardíacos são uma classe de drogas aumentam a contratilidade cardíaco, tornando disponível maior quantidade de cálcio.
aumentos substâncias na pressão sangüínea arterial comprometem a ejeção ventricular.
a ativação simpática encurta a duração da sístole, i.e, sob ação simpática, o coração não só se contrai mais freqüentemente (aumento da freqüência) e com mais força (aumento da contratilidade), como se contrai e relaxa mais rapidamente.
tipicamente, a sístole dura cerca de um terço do batimento, ou um terço de um segundo.
sopros são sons cardíacos anormais causados pelo fluxo turbulento através de defeitos cardíacos
regurgitação - refluxo através da válvula mitral que não se fecha completamente. válvulas apresentando esta característica são chamadas de incompetentes ou insuficientes. a regurgitação aórtica é comum em eqüinos, porém não em cães.
turbulência sistólica - quando a válvula aórtica não se abre completamente, o sangue ejetado do ventrículo acelera e a sua velocidade e se espreme através da abertura aórtica estreita, provocando esta turbulência. uma válvula que apresenta esta característica (de não se abrir completamente) é chamada de válvula estenótica. a estenose aórtica e pulmonar são defeitos cardíacos congênitos comuns em cães.
por analogia, da mesma forma que o aumento do trabalho da musculatura esquelética causa sua hipertrofia, o mesmo acontece com a musculatura do coração.
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sistema nervoso
introdução
a sobrevivência dos animais depende de um relacionamento adequado com o meio ambiente. essa relação consiste em captar as alterações do meio e responder às mesmas de forma coordenada. a tarefa de coletar essas mudanças do meio ambiente, bem como interpretá-las e controlar parte das respostas corporais é desempenhada pelo sistema nervoso. o sistema endócrino, que será abordado mais adiante, também participa do controle corporal.
neurônios
são células que fazem parte do sistema nervoso. a forma dos neurônios pode variar bastante nos diferentes filos, mas a estrutura e o funcionamento é semelhante em todos os animais, de modo que grande parte das conclusões obtidas de estudos realizados com algumas espécies podem ser estendidos a outras. a compreensão de como os neurônios funcionam é o passo inicial para se compreender o sistema nervoso. os neurônios possuem um corpo celular com ramificações. uma ramificação única, longa, com aproximadamente o mesmo diâmetro ao longo do seu comprimento é denominada axônio ou fibra nervosa. o axônio geralmente conduz o impulso nervoso para longe do corpo celular. um feixe de axônios é denominado nervo. existem também outras ramificações menores, em grande número, os dendritos. os dendritos servem como local de recepção dos impulsos de outros neurônios que chegam até o corpo celular. nos vertebrados os dendritos originam-se no corpo celular, enquanto que nos invertebrados os dendritos estão ligados ao corpo celular por outra ramificação, o neurito. em ambos os casos os axônios formam os nervos. os corpos celulares estão localizados no sistema nervoso central ou em gânglios.
classificação funcional
a - neurônio sensorial - respondem a estímulos não neuronais, ou seja, estímulos não originados de outros neurônios, como variações do meio ambiente ou do meio interno do animal. os axônios são chamados de fibras aferentes (levam impulso nervoso para snc). geralmente são específicos para detectar um determinado tipo de informação sensorial. por exemplo, mecanorreceptores que detectam estímulos sonoros.
b - neurônio motor - são neurônios cujos axônios terminam em órgãos efetores, como os músculos. os axônios são chamados de fibras eferentes (levam impulso nervoso do snc para órgãos).portanto, a ativação de um neurônio motor provocará a contração ou o relaxamento de um músculo (ou parte dele).
c - interneurônios - são neurônios intermediários, situados entre os neurônios sensoriais e os motores. de um modo geral, promovem a integração dos impulsos nervosos, ou seja, interpretam os sinais oriundos dos neurônios sensoriais, determinando se haverá ou não uma resposta dos neurônios motores. quanto maior o número de interneurônios, maior a capacidade de aprendizado e de coordenação de atividades complexas.
arco reflexo
são as redes neurais mais simples que existem para execução de movimentos em resposta a sinais sensoriais. o arco neural mais simples consiste de uma conexão de uma única célula, como por exemplo os neurônios magnocelulares do hipotálamo. estes neurônios detectam variações da osmolaridade do líquido extracelular. quando a osmolaridade aumenta, o neurônio perde água por osmose e encolhe, o que ativa canais iônicos, causando uma despolarização (ativação) e consequente liberação de adh. o arco reflexo também pode ser monossináptico (neurônio sensorial + neurônio motor) e polissináptico (neurônio sensorial + interneurônio + neurônio motor).
estimulação do neurônio
no seu estado de repouso, o neurônio possui uma alta concentração de k+ e baixa de na+ no seu interior (em relação ao meio extracelular). como o k+ passa através da membrana celular e a permeabilidade da mesma ao na+ é baixa, há um fluxo resultante de íons positivos para fora do neurônio. a saída de k+ deixa o neurônio negativo em relação ao meio extracelular. esta diferença de potencial entre os meios intracelular e extracelular é denominada potencial de repouso ou de membrana. este potencial é mantido através do funcionamento da bomba de na+/k+, que recoloca o k+ no meio intracelular e retira o na+ que entrar no neurônio.
um estímulo sensorial (ou de outro neurônio) pode desencadear um processo de estimulação do neurônio. esta estimulação muda a carga elétrica do neurônio, ou seja, altera o potencial de repouso, iniciando um potencial de ação, o qual pode ser considerado um impulso nervoso. o potencial de ação inicia com a abertura de canais de na+ na membrana do neurônio. estes canais abrem ou fecham em função da carga elétrica ou voltagem da célula, por isso são denominados voltagem-dependentes. como o na+ está em maior concentração no líquido extracelular e, além disso, o meio intracelular é negativo em relação ao extracelular, o na+ entra por diferença de concentração e, inicialmente, também por ser atraído pela carga negativa do meio intracelular. a entrada do na+ provoca uma inversão da polaridade do meio intracelular, que fica positivo em relação ao meio extracelular. ao final desta fase, denominada despolarização, os canais de na+ se fecham, e, graças à mudança do potencial provocado pela entrada do na+, os canais de k+ voltagem-dependentes se abrem. o k+, que está em maior concentração no meio intracelular, sai para o meio extracelular, fazendo com que o potencial do neurônio volte a ficar negativo. no final desta fase (repolarização) os canais de k+ são inativados, e as concentrações dos íons são restabelecidas pela bomba de na+/k+. este processo ocorre da mesma maneira em todos os animais, mas em alguns a despolarização pode ocorrer pela entrada de ca2+ além de na+, como no mexilhão perna perna. chegou-se a pensar que em alguns insetos herbívoros, que têm baixa concentração de na+ e alta de k+ na hemolinfa, a geração do potencial de ação seria diferente, mas verificou-se que o processo é semelhante ao dos outros animais, pois o sistema nervoso é circundado por uma bainha que separa nervos da hemolinfa, denominada perineurium. no espaço delimitado por esta bainha, há uma alta concentração de na+, do mesmo modo que o líquido extracelular dos outros animais.
transmissão do impulso nervoso ao longo de um neurônio
existem dois tipos de transmissão nos neurônios, dependendo da presença ou não de um revestimento de mielina nos axônios (também denominados fibras nervosas). quando a fibra nervosa não apresenta mielina (fibra amielínica), a transmissão do impulso nervoso ocorre ao longo de toda a membrana da fibra. se o estímulo inicia no corpo celular, esta região sofre uma despolarização pela entrada de na+. a região adjacente, que ainda não mudou sua polaridade, apresenta uma diferença de potencial elétrico em relação à região estimulada. essa diferença de potencial provoca uma corrente elétrica entre a região já excitada e a não excitada, desencadeando a abertura dos canais de na+ da região não excitada. ocorre então a entrada de na+ e conseqüente excitação desta região. este processo se propaga ao longo de toda a fibra. a bainha de mielina que reveste algumas fibras nervosas (fibras mielínicas) fornece um isolamento elétrico e proteção mecânica para as mesmas. ou seja, não há troca de íons entre os meios interno e externo nas porções da membrana revestidas pela mielina. portanto, ocorre despolarização apenas nas regiões onde a bainha é mais fina ou ausente, os nódulos de ranvier. o processo de transmissão obedece o mesmo princípio das fibras amielínicas, com formação de corrente elétrica entre porções despolarizadas e não despolarizadas, mas apenas nos locais onde é possível o fluxo de íons entre os meios intra e extracelular, os nódulos de ranvier. deste modo, o impulso salta de um nódulo para o outro, aumentando a velocidade de transmissão.
transmissão do impulso nervoso de um neurônio para outro
após ser excitado ao longo de toda a sua extensão, o neurônio precisa transmitir esse impulso nervoso para outro neurônio. a transmissão do impulso nervoso de um neurônio para o outro ocorre nos pontos de contato entre os neurônios, as sinapses. conforme o sistema de transmissão, as sinapses podem ser elétricas ou químicas.
elétricas: neste caso as membranas dos neurônios estão bem próximas uma da outra (cerca de 10 nm). ambas membranas estão conectadas por estruturas protéicas denominadas junções abertas (gap junctions). a corrente elétrica gerada pela entrada de na+ num dos neurônios pode fluir diretamente para o neurônio adjacente através destas junções abertas. em termos práticos, é como se os dois neurônios fossem um só. em geral a transmissão do impulso ocorre em ambas as direções, e a corrente elétrica é levemente reduzida após passar pela junção aberta. o número de estímulos no neurônio que está recebendo o estímulo vai determinar se ele vai ser estimulado ou não. a principal vantagem deste sistema de transmissão é a velocidade.
químicas: os neurônios estão um pouco mais afastados (20-50 nm), e a transmissão é unidirecional. o neurônio que vai transmitir o impulso (neurônio pré-sináptico) possui um terminal sináptico com vesículas cheias de uma substância denominada neurotransmissor. quando o terminal sináptico se despolariza, as vesículas liberam este neurotransmissor no espaço entre os neurônios. o neurotransmissor liga-se a receptores específicos no neurônio seguinte (neurônio pós-sináptico), e se o neurônio pré-sináptico for excitatório, o neurotransmissor provoca a abertura de canais de na+ (canais do tipo ligando-dependentes) e conseqüente despolarização do neurônio pós-sináptico. se o neurônio pré-sináptico for inibitório, o neurotransmissor provoca a abertura de canais de k+ e o neurônio pós-sináptico fica hiperpolarizado (mais difícil de ser estimulado). este processo demora alguns milissegundos, e esta demora na transmissão é denominada retardo sináptico. muitas sinapses químicas apresentam uma transmissão mais lenta. neste caso a ligação neurotransmissor - receptor não ativa diretamente um canal iônico, e sim proteínas g (na membrana, mas intracelulares), as quais disparam a produção de outras substâncias no interior celular, os chamados segundo mensageiros. esses segundo mensageiros vão provocar a abertura de canais iônicos ou outros efeitos nos neurônios pós-sinápticos.
adaptações que aumentam a velocidade de condução dos impulsos nervosos
à medida que os animais foram aumentando seu tamanho e sua velocidade de movimentação, o sistema nervoso tornou-se mais complexo, e a condução dos sinais nervosos mais rápida, para que o animal pudesse responder rapidamente às mudanças do ambiente. um aumento na velocidade de transmissão dos impulsos permite, por exemplo, respostas mais rápidas ao ataque de predadores, bem como na detecção e captura de presas. tipos de adaptações:
a - redução do número de sinapses químicas: na passagem do impulso nervoso de uma fibra nervosa para outra, nas sinapses, há um retardo na transmissão. portanto, se as fibras forem mais longas, haverá um menor número de sinapses, e, conseqüentemente, um menor número de paradas ao longo de todo o nervo.
b - aumento do diâmetro da fibra nervosa: quanto maior o diâmetro, menor a resistência longitudinal à passagem dos íons. portanto, o fluxo dos íons dentro da fibra é facilitado, tornando a transmissão do impulso ao longo da fibra mais rápida. esta adaptação é mais comum em invertebrados. ex.: minhoca - fibras comuns (menos de 10 µm) - 0,6 m/s fibras gigantes (40 - 60 µm) - 15-45 m/s
em outros animais as fibras gigantes podem ter um diâmetro de até 1 mm. seu funcionamento está relacionado com movimentos rápidos e abruptos, como saltos de minhocas, grilos e gafanhotos, e retração de poliquetos tubícolas. na lagosta a batida da cauda é causada por contração de músculos flexores rápidos, que provocam flexão do abdômen para mover o animal vários centímetros na água a cada batida. as fibras gigantes estimulam a contração destes músculos flexores. em loligo (lula), neurônios de diferentes diâmetros saem do cérebro e fazem sinapse com fibras gigantes que inervam o manto, proporcionando uma contração simultânea da musculatura, causando a propulsão a jato para a fuga de predadores. os peixes e anfíbios urodelos possuem as células de mauthner, que são fibras gigantes que estimulam a contração dos músculos de um lado do corpo, de modo a deixar o corpo do animal com forma de 3c , seguida da contração de músculos do outro lado, provocando então a batida da cauda e propulsão do animal
c - mielinização: mais comum em vertebrados, mas encontrado também em oligoquetos, insetos e crustáceos decápodes. por exemplo, o axônio gigante de lula, que não possui mielina, tem um diâmetro de 650 µm e velocidade de transmissão de 25 m/s. já o nervo ciático de vertebrados é mielinizado, tem um diâmetro de 30 µm e uma velocidade de transmissão muito maior: 65 m/s. o nervo ótico dos vertebrados tem cerca de 3 mm de diâmetro. se fosse amielínico, para ter igual velocidade deveria ter um diâmetro de 300 mm. portanto, nem entraria na cabeça de muitos animais. um aumento do diâmetro da fibra mielínica também promove um aumento da velocidade de transmissão, pois diminui o número de nódulos de ranvier, fazendo com que os saltos sejam maiores. contudo, se a fibra é muito fina (menos de 1 µm), não é interessante que seja mielinizada, pois o axônio teria um diâmetro muito reduzido, levando a uma alta resistência interna, o que acabaria por diminuir muito a velocidade de transmissão, apesar da bainha de mielina.
padrões de sistema nervoso
animais sem sistema nervoso
em animais unicelulares a mudança do comportamento pode ocorrer devido à abertura de diferentes canais iônicos. por exemplo, em paramecium os canais na porção anterior são específicos para ca2+. quando o animal bate em um obstáculo a sua frente, este canais abrem, entra ca2+ e ocorre uma despolarização. esta mudança no potencial provoca uma reversão do batimento ciliar, fazendo o animal retroceder. na região posterior existem canais específicos para k+, que quando abrem permitem a saída deste íon. a saída de k+ causa hiperpolarização e conseqüente aceleração do batimento ciliar. nos multicelulares as reações são locais e independentes. nos poríferos as respostas aos estímulos provavelmente são devido à dispersão de efeitos mecânicos, ou seja, a contração de um miócito estica células adjacentes, que se contraem em resposta. outra possibilidade seria a existência de transmissão de impulsos via sinapses elétricas (um sistema proto-nervoso?).
redes nervosas
ocorrem em celenterados e equinodermas. as redes nervosas são uma adaptação interessante para animais com simetria radial, pois nestes animais há pouca polarização da direção de onde deve vir a informação. as estruturas sensoriais, bem como os interneurônios e neurônios motores são distribuídos ao longo dos 360o, ou seja, não estão concentradas na parte anterior ou posterior do animal. isto permite uma interpretação e resposta local aos estímulos. o sistema nervoso apresenta uma forma de anel. as redes nervosas apresentam ausência de polaridade, ou seja, a condução dos impulsos nervosos ocorre em ambas direções, tanto nas sinapses elétricas dos hidróides como nas sinapses químicas dos antozoários. estas sinapses químicas também podem conduzir os impulsos nervosos em ambas direções porque as vesículas sinápticas estão presentes em ambos neurônios (pré e pós-sináptico). as redes nervosas são utilizadas para estimular a contração de tentáculos (velocidade de transmissão do impulso: 0,1 m/s) e a abertura da boca (0,03 m/s). nas colônias de hidróides a estimulação de um pólipo individual pode provocar a retração de vários pólipos. em algumas espécies, a estimulação repetida aumenta a intensidade da resposta. quando um estímulo é aplicado, alguns neurônios são estimulados, e como a transmissão por sinapse elétrica implica em uma redução da corrente elétrica quando ela passa nas junções abertas, os neurônios adjacentes apresentam apenas uma alteração local do potencial da membrana, sem desencadear um potencial de ação. esta mudança do potencial da membrana deixa o neurônio mais fácil de ser estimulado se ele logo receber uma nova corrente através das junções abertas. este processo é denominado facilitação. outra característica é a transmissão decremental, ou seja, quanto maior a distância do ponto de estimulação, menor a intensidade da resposta. as redes nervosas também possuem uma atividade espontânea para controlar atividades rítmicas, como a natação nas medusas e o enterramento de anêmonas. o ritmo básico é determinado pela rede nervosa, e variações neste ritmo são determinadas por informações sensoriais captadas do ambiente.
centralização do sistema nervoso
uma das etapas iniciais na evolução do sistema nervoso foi o surgimento de agrupamento de neurônios em gânglios. os gânglios são encontrados já a partir de celenterados e são comuns em todo o reino animal, inclusive mamíferos. este modo de organização permite uma grande interconexão entre os neurônios, mesmo com poucas ramificações. uma outra adaptação do sistema nervoso foi o surgimento de uma corda nervosa longitudinal. esta é a melhor estrutura para transmissão de sinais motores aos músculos distribuídos ao longo do corpo do animal. os platielmintos e pseudocelomados apresentam uma transição entre rede nervosa e o sistema nervoso centralizado de invertebrados superiores e vertebrados. os platielmintos geralmente têm um pequeno cérebro ou gânglio cerebral, dois troncos nervosos ao longo do corpo e uma rede nervosa acoplada, estendendo-se para a periferia do corpo. o cérebro está relacionado com a coordenação de alguns movimentos complexos, como a alimentação, por exemplo. ele determina a quantidade de alimento que o animal deve ingerir. sem cérebro, animal não pára de comer, mesmo com estômago cheio. a rede nervosa, por sua vez, exerce um controle local, incluindo reflexos musculares. nos anelídeos e artrópodes aumenta a centralização do sistema nervoso na parte anterior (agrupamento de gânglios ou cérebro). esta centralização parece estar relacionada com concentração de estruturas sensoriais na porção anterior do corpo de animais móveis e de simetria bilateral. os gânglios restantes formam os cordões nervosos ventrais. geralmente cada gânglio controla as atividades reflexas do segmento onde ele está localizado. o cérebro dos artrópodes pode ser dividido nas seguintes áreas:
protocérebro - recebe informações visuais
deuterocérebro - recebe informações das antenas (quimiorrecepção e movimento das antenas)
tritocérebro - inerva porção anterior do sistema digestório e cabeça
a proporção de cada uma destas áreas varia segundo o modo de vida do animal. por exemplo, o protocérebro representa 0,3-2,8 % do total do cérebro em aracnídeos e miriápodos com fotorreceptores epiteliais e ocelos. já em insetos com olhos compostos muito desenvolvidos, a proporção é de 33-80 % do total. o deuterocérebro, por sua vez, é maior em insetos de vôo noturnos que diurnos, pois os primeiros necessitam mais da quimiorrecepção do que os diurnos, que utilizam a visão para sua orientação. o sistema nervoso de muitos insetos apresenta áreas denominadas geradores de padrão central, que controlam atividades rítmicas como caminhar, nadar e voar através da , mas não são essenciais para a produção destas atividades motoras. por exemplo, o vôo de um gafanhoto pode ser iniciado e mantido através do vento na sua cabeça. este vento estimula pêlos sensoriais localizados na sua cabeça, os quais enviam sinais ao interneurônios cerebrais que excitam o gânglio torácico, que provoca contração dos músculos das asas. à medida que as asas se contraem, os receptores de tensão dos músculos do vôo enviam informações sensoriais sobre a posição das asas para o gânglio torácico. cortando-se as ligações neurais do cérebro para o gânglio torácico ou dos receptores de tensão para este gânglio, o gafanhoto ainda consegue voar (mas em um ritmo mais lento), pois o ritmo básico do vôo é determinado por este gânglio, que é então um gerador de padrão central. os estímulos sensoriais servem para reforçar ou iniciar a atividade do gânglio torácico. quando um gafanhoto salta para começar a voar, os pêlos sensoriais na sua cabeça são estimulados pelo movimento do ar, e ativam o gânglio torácico. o mesmo princípio de controle (um grupo de neurônios determinando o ritmo básico de movimento) já observado na natação de moluscos nudibrânquios e na respiração e em alguns movimentos simples e rítmicos de vertebrados. em insetos e crustáceos as informações sensoriais sobre o substrato são importantes para um ajuste fino do movimento das patas. no gafanhoto verificou-se que os receptores que informam a posição das asas enviam continuamente impulsos ao gânglio que controla o batimento das asas, o qual modifica o ritmo básico se necessário. nos moluscos o sistema nervoso é assimétrico e a sua estrutura e complexidade varia de acordo com a habilidade sensorial e comportamento do animal. os gastrópodes apresentam 4 pares de gânglios conectados (‘cérebro ) e agrupados ao redor do esôfago. existem outros gânglios junto às vísceras. em alguns casos pode ocorrer fusão dos gânglios. cada gânglio coordena uma função específica do animal. por exemplo, o gânglio bucal dos gastrópodes coordena os músculos da rádula e massa bucal para raspagem do substrato (para retirar algas do substrato, por exemplo) ou mastigação. já nos moluscos filtradores, como os bivalvos, o gânglio bucal controla a musculatura esofágica para engolir ou rejeitar o alimento. os cefalópodes são animais com movimentação muito mais rápida e comportamento mais complexo do que os outros moluscos. os neurônios estão organizados em lobos, os quais são fundidos e formam um verdadeiro cérebro. o sistema nervoso periférico destes animais é bem elaborado: no octopus, por exemplo, cada ventosa dos tentáculos tem seu próprio gânglio periférico, o qual está ligado ao cordão nervoso existente nos tentáculos. o gânglio interpreta informações sensoriais locais (químicas, mecânicas e motoras) das ventosas.
vertebrados
o sistema nervoso dos vertebrados é usualmente dividido em sistema nervoso central e sistema nervoso periférico. o sistema nervoso periférico é composto por nervos e gânglios. por sua vez, os neurônios eferentes (que conduzem impulsos do sistema nervoso central para o resto do corpo) são divididos dois sistemas: somático e autonômico. o sistema somático é também chamado voluntário, pois os seus motoneurônios controlam os músculos esqueléticos, os quais produzem movimentos voluntários. o sistema autonômico controla as atividades vegetativas, como batimento cardíaco, digestão, termorregulação. nos vertebrados a cefalização, ou seja, formação de regiões anteriores dominantes (concentração de órgãos sensoriais e integração de diversas atividades) aumenta de ciclostomados a mamíferos. contudo, ainda existe uma segmentação básica, principalmente na medula espinhal. o tamanho das diferentes porções do sistema nervoso central varia com o comportamento e sua importância para o animal. divisões do sistema nervoso central:
medula espinhal: controla reflexos motores (atividades motoras rítmicas), como caminhar, nadar (em peixes). nos vertebrados inferiores a medula tem mais autonomia com relação ao controle de atividades motoras. nos vertebrados superiores, como mamíferos, aumentam as conexões da medula com o encéfalo, de modo que o controle do encéfalo sobre atividades reguladas pela medula é muito maior. por exemplo, em elasmobrânquios a medula controla praticamente todos movimentos de natação e funções viscerais. contudo, nos primatas sem centros superiores não há coordenação dos membros e funções viscerais são mal controladas. as vias aferentes (que conduzem informações sensoriais dos receptores para o encéfalo) e as vias eferentes (que conduzem estímulos motores para os músculos) na sua maioria passam pela medula espinhal.
bulbo: é a parte posterior do cérebro, situada junto à medula espinhal. no bulbo encontram-se os centros do sistema nervoso autonômico que regulam o ritmo cardíaco, respiração, motilidade do aparelho digestivo, entre outros. nos teleósteos em geral os lobos vagais (uma porção do sistema autonômico) estão relacionados com a interpretação da quimiorrecepção, mas nos peixes elétricos o bulbo é responsável pela ativação dos órgãos elétricos.
cerebelo: localizado dorsalmente ao bulbo, consiste de dois hemisférios com uma superfície lisa em vertebrados inferiores e pregueada nos superiores. as pregas aumentam a área superficial, fornecendo mais espaço para os neurônios. está relacionado com equilíbrio e correção de movimentos rápidos e finos, incluindo natação. recebe informações de vários receptores sensoriais relacionados com equilíbrio e movimento, bem como uma cópia dos comandos enviados por outras áreas do cérebro para controlar os movimentos. o cerebelo analisa as informações recebidas e envia impulsos corretivos para estas áreas cerebrais se necessário. não há nenhuma inervação direta do cerebelo com os músculos. a importância do cerebelo é variável nos vertebrados. o anfioxus, que não possui o aparelho vestibular, estrutura relacionada com o equilíbrio, não apresenta cerebelo. já nos teleósteos e elasmobrânquios o cerebelo é mais desenvolvido, pois coordena movimentos relacionados com natação e compensação de variações da direção e velocidade de correntes de água, movimentos verticais, controle da profundidade. em alguns peixes com eletrorreceptores detectou-se um cerebelo bem desenvolvido. acredita-se que este cerebelo bem desenvolvido poderia estar relacionado com a eletrorrecepção. os anfíbios apresentam um cerebelo menor do que o dos peixes, pois seus movimentos para locomoção são comparativamente mais simples: os movimentos do tronco de urodelos são semelhantes ao da natação dos peixes. no entanto, os anfíbios não precisam se preocupar com variações de profundidade, correntes de água, etc... a coordenação dos movimentos nos anfíbios é efetuada principalmente pela medula. aparentemente o mesmo princípio pode ser utilizado para explicar porque o cerebelo das aves é maior que o dos mamíferos. as aves apresentam uma maior complexidade no controle dos movimentos, pois precisam analisar aspectos relacionados com uma movimentação tridimensional (vôo), enquanto que a maioria dos mamíferos apresenta um deslocamento bidimensional. nos répteis, aves e mamíferos existe uma parte adicional do cerebelo, o neocerebelo. esta porção está relacionada com o controle de movimentos finos dos membros, e está bem desenvolvida nos primatas, que necessitam de um controle bem preciso das extremidades dos membros superiores (dedos). a importância do cerebelo varia também conforme o hábito do animal. no homem a retirada do cerebelo altera bastante o controle dos movimentos (ficam trêmulos, imprecisos). contudo, na preguiça a perda do cerebelo praticamente não altera os movimentos.
ponte: conecta a medula e o cerebelo com centros superiores, e trabalha em conjunto com o bulbo no controle de várias atividades descritas naquele item.
teto ou lobo óptico: parte mediana do sistema nervoso central. está relacionado com a integração de sinais sensoriais (visuais, táteis, auditivos). nos peixes e anfíbios também participa do controle de movimentos corporais.
hipotálamo: é uma estrutura situada na porção média do cérebro, e produz neuro-hormônios, controla a termorregulação, o balanço hídrico e outras atividades vegetativas, bem como a expressão de emoções, pois possui os centros de raiva, prazer, saciedade e fome. uma estrutura localizada acima do hipotálamo é o tálamo, centro integrador de informações sensoriais (exceto olfativas) e motoras.
telencéfalo: parte anterior. está relacionada com a integração de estímulos olfativos. em peixes, a estimulação do telencéfalo pode levar a um comportamento de busca de alimento. a retirada do telencéfalo pode levar a uma perda completa ou alteração do comportamento reprodutivo. tanto o comportamento alimentar como o reprodutivo estão relacionados com a atividade olfativa, pois o olfato é importante na procura do alimento e na percepção de substâncias químicas liberadas durante a reprodução (feromônios). o telencéfalo também está relacionado com o aprendizado, pois está relacionado com a concentração para executar uma determinada atividade. sem esta área, o animal se distrai e não consegue aprender nada.
córtex cerebral de mamíferos superiores: é a camada que cobre os hemisférios cerebrais. possui áreas com funções bem definidas de integração sensorial, coordenação motora, ou de associação, onde há uma análise final das informações sensoriais através da comparação com dados armazenados na memória. o tamanho de cada área varia em função do modo de vida de cada espécie. por exemplo, a área somatosensorial, que recebe informações sobre dor, tato e temperatura, é maior em ratos que primatas, pois os ratos dependem muito deste tipo de informação sensorial. por outro lado, os primatas possuem grandes regiões que não estão associadas nem com a parte sensorial nem com o controle motor. são áreas responsáveis por associações intersensoriais (tato e visão, por exemplo), memória e comunicação. outro exemplo: tanto morcegos quanto aves voam, mas a percepção sensorial é diferente. morcegos dependem da ecolocação, enquanto que aves utilizam a visão. portanto, as porções do córtex relacionadas com a audição são grandes e complexas nos morcegos, enquanto as regiões relacionadas com interpretação de estímulos visuais são pequenas. no caso das aves as regiões corticais relacionadas com a visão são bem desenvolvidas.
<langue=br><sujet=potentiel-d-action><num=59><source=http://www.nuclear.radiologia.nom.br/trabalho/estudo/anatomia/pesquisa/papelfun.htm>
estudando fisiologia do trato digestório
papel funcional.
a boca e responsável pela ruptura mecânica em grandes pedaços e lubrificação com saliva dos alimentos; faringe, responsável pela deglutição fazendo junção com o esôfago superior onde recebe o nome de esfíncter esofágico superior; esôfago, responsável pelo transporte de alimentos da faringe ao estômago onde possui a junção denominada de esfíncter esofágico inferior; no estomago, o antro e responsável pelo armazenamento inicial de alimentos, o corpo, responsável pelo armazenamento e secreção, o fundo, responsável pela mistura vigorosa do alimento com as secreções formando quimo semi-sólido e possuído o esfíncter pilórico que separa o estomago do duodeno; no intestino delgado, o duodeno e responsável pelo recebimento das secreções do fígado e pâncreas tendo importante função na regulação e coordenação geral do trato gastrointestinal, o jejuno, responsável pela absorção da maioria dos produtos finais da digestão, o ílio, sendo responsável pela reabsorção dos líquidos e fazer a junção com o intestino grosso através do esfíncter íliocecal; no intestino grosso, o cólon ascendente, transverso e descendente, são responsáveis pela absorção de líquido, o cólon sigmóide e responsável pelo armazenamento de fezes, o reto, responsável pelo armazenamento e eliminação de fezes e o ânus, sendo a abertura distal do intestino grosso sendo responsável pela eliminação das fezes possuído o esfíncter interno de controle simpático e o esfíncter externo de controle parassimpático.
funções secretoras e absortivas da mucosa. as células epiteliais do tubo gastrointestinal executam duas funções gerais: absorção e secreção. as células epiteliais do absortivas contêm numerosos sistemas de transporte e enzimas digestivas apicais (voltadas para o lúmen) e tem bombas de na,+-k+ em suas superfícies basolaterais. elas transportam açucares, aminoácidos e água do lúmen para o líquido intersticial e, depois, para o sangue capilar. as células epiteliais adjacentes têm junções fechadas em suas superfícies apicais que possibilitam a passagem de pequenos solutos mas impedem o movimento para o espaço intersticial. o tipo mais abundante de células secretoras, as células caliciformes, está distribuído por todo o tubo gastrointestinal. a região voltada para o lúmen das células caliciformes secretoras de muco tem grandes vesículas cheias de mucinas glicoprotéicas. quando a vesículas cheias de mucina sofre exocitose, a mucina liberada combina-se com a água, formando muco. no intestino, as células absortivas são mais numerosas, enquanto o revestimento do estômago é composto principalmente de células secretoras. a composição de mucinas e o ph do liquido aquoso que a acompanha são diferentes nas diferentes regiões do tubo gastrointestinal. em geral o líquido é semelhante no plasma, porém mais rico em hco3-, de modo que a camada mucosa que reveste o lúmen e ligeiramente alcalina. a proteção proporcionada pelo muco alcalino é mais importante para as células do estomago e da parte inicial do intestino delgado, especialmente o duodeno, porque o quimo acidificado proveniente do est6omago chega a essa região e seu ph só é neutralizado gradualmente pelas secreções pancreáticas. a intensidade da secreção de muco e de líquido aumenta com a ingestão de líquido. o muco também serve para aglomerar os materiais não-digeríveis no intestino grosso. muitas células exócrinas do tubo gastrointestinal estão localizadas nas glândulas da mucosa e submucosa e estão ligadas ao lúmen por meio de dutos. no estômago, porém, as aberturas das glândulas gástricas aparecem como fossas na superfície. o tubo gastrointestinal contém um número pequeno de células endócrinas ou endocriniformes, denominadas células enteroendócrinas ou argentafins, concentradas especialmente no estômago e no intestino delgado. essas células enteroendócrinas atuam como quimiorreceptoras ou mecanorreceptoras. sua superfície apical está em contato com o lúmen, onde microvilosidades sensoriais monitoram as propriedades químicas e físicas do quimo. muitas células enteroendócrinas secretam substancias no sangue que satisfazem a definição de um hormônio. entretanto, algumas dessas células liberam substâncias que agem localmente e não passam à circulação geral. em alguns casos, é quase impossível fazer-se a distinção entre um hormônio e um agente parácrino, por ser difícil determinar-se quão generalizadas são as ações do agente e onde estão localizados os receptores. dois agentes parácrinos muito conhecido, a histamina e a prostaglandina, tem efeitos opostos sobre a secreção gástrica de acido.
motilidade gastrintestinal a motilidade do tubo gastrintestinal divide-se em três categorias: peristaltismo, segmentação e movimentos de misturar das vilosidades e microvilosidades. o peristaltismo envolve ondas de contração e relaxamento que seguem por distâncias variáveis, dependendo da localização e da fase da digestão. a primeira fase do peristaltismo é a contração da camada muscular longitudinal e o relaxamento do músculo circular. na segunda fase, a camada muscular contrai-se e a camada longitudinal relaxa-se. esse padrão é repetido numa região adjacente à medida que a onda peristáltica se difunde ao longo do tubo gastrintestinal. em geral o padrão exato de ondas peristálticas faz o conteúdo mover-se na direção distal. a distancia percorrida pela onda é determinada em parte, pela eficácia das conexões elétricas entre as células musculares da região do sistema gastrintestinal que está sendo considerada. a onda de contração cria um gradiente de pressão que pode mover parte do conteúdo ao longo do tubo gastrintestinal. o peristaltismo só ocorre quando o sistema nervoso entérico está intacto. a propagação da onda é auxiliada pela distensão da parede do tubo pelo quimo. embora ocorra em todo tubo, o peristaltismo é mais forte na resposta de deglutição do esôfago (de modo que se pode deglutir até de cabeça para baixo), moderadamente forte no estômago e relativamente fraco no intestino. a segmentação ocorre apenas no intestino, onde domina os movimentos peristálticos. ela envolve contração e relaxamentos alternados da camada muscular circular numa região limitada do intestino, com o trecho de segmentação passando de um local a outro sem deslocar o conteúdo intestinal muito longe nas duas direções. como ocorre com a onda peristáltica de contração, a coordenação da segmentação é auxiliada pela estimulação mecânica decorrente da distensão. a conseqüência da segmentação é misturar e fazer circular o quimo, pela divisão periódica do intestino em segmentos.
músculo liso gastrintestinal as células musculares lisas do tubo gastrintestinal são tipicamente do tipo efetor unitário. as células musculares lisas gastrintestinais têm 50 a 100 ( de comprimento e 2 a 5 ( de largura. os potenciais de ação do músculo lisos têm amplitude menor e duração maior (10 a 20 milissegundos) que os neurônios, mas são mais breves que os potenciais de ação cardíacos. como no músculo cardíaco, uma corrente de ca++ dirigida para dentro é componente importante do potencial de ação nos músculos lisos. a velocidade de condução dos potenciais de ação ao longo das fibras musculares lisas é baixa, porque a ativação desses canais de ca++ é lenta. as células musculares lisas geralmente são dispostas em lâminas, orientadas longitudinalmente ou circularmente. a dupla orientação é necessária para a produção dos movimentos peristálticos e de segmentação. as células musculares lisas podem ser excitadas por potenciais de ação de outras células ou podem apresentar padrão intrínseco de despolarizações periódicas, denominadas atividade de marcapasso. em muitas partes do tubo gastrintestinal, essa atividade assume a forma de ondas lentas de despolarização. cada onda lenta dura de 3 a 20 segundos, dependendo da localização. as ondas lentas constituem o ritmo elétrico básico que controla a freqüência e a progressão das ondas peristálticas. grupos de células na camada muscular longitudinal atuam geralmente como os marcapassos das ondas lentas. as despolarizações das ondas lentas mantêm o nível de tensão tônica no músculo liso, mas essas despolarizações, por si só, não são suficientemente intensas par produzir contração apreciável. em certas condições, porém, uma onda lenta pode superar o limite de geração de potenciais de ação, caso em que um ou mais potenciais de ação ocorram durante a onda. esses potenciais de ação desencadeiam a contração do músculo liso. o músculo liso contrai-se lentamente e a força produzida depende do número de potenciais de ação que ocorre no pico da onda lenta. no intervalo entre os surtos de potenciais de ação desencadeados pelas ondas lentas, a tensão do músculo liso fica geralmente acima de zero, sendo designada como tônus basal. a maior parte do controle intrínseco da motilidade ocorre pela modificação do tônus co músculo liso gastrintestinal. a distenção produz duas respostas: (1) na ativação por estresse, uma distensão breve e vigorosa pode aumentar a força de contração e é um meio de dar início ao peristaltismo e à segmentação; (2) no relaxamento por estresse, o estômago e o colo intestinal podem ajustar seu volume para acomodar maior carga com pequeno aumento da pressão interna. as vilosidades são individualmente capazes de movimentar-se devido à presença de feixes de músculo liso na submucosa. o movimento das vilosidades é muito mais intenso na presença de alimento; a maior movimentação é atribuída a um hormônio, ainda não identificado, supostamente liberado por células endócrinas do tubo gastrintestinal. a estrutura das microvilosidades sugere que elas também podem ser capazes de movimento. cada microvilosidade contém 20 a 30 microfilamentos de actina, que se estendem por alguma distância pelo citoplasma apical das células epiteliais, região designada rede terminal. a actina esta envolvida na contração muscular e pode tornar possíveis a movimentação e a extensão das microvilosidades. o movimento das vilosidades e microvilosidades ajuda a reduzir o efeito da camada não misturada de líquido imediatamente adjacente à superfície apical das células. nessa camada, o movimento dos solutos é lento por ocorrer principalmente por difusão, e não por fluxo de volume.
controle neural e hormonal da motilidade tanto a segmentação como o peristaltismo são iniciados pelas despolarizações intrínsecas de células musculares lisas, mas, a coordenação das camadas musculares circular e longitudinal requer que o sistema nervoso entérico funcione como um cérebro visceral para o tubo gastrintestinal. a camada mucosa contém terminações de células sensoriais especializadas para a quimiorrecepção e mecanorrecepção. os corpos celulares dessas células receptoras ficam no plexo submucoso. os interneurônios entéricos transmitem informações entre o plexo submucoso e o plexo mientérico. neurônios efetores no plexo mientérico respondem aos sinais sensoriais, dando origem a respostas secretoras ou contráteis locais. alguns neurônios motores mientéricos inervam as camadas musculares longitudinais e circulares na musculatura externa e a musculatura da mucosa, enquanto outros fazem sinapse com os neurônios do plexo submucoso que controlam as células secretoras. o sistema nervoso entérico também e influenciado por estímulo do sistema nervoso autônomo. fibras pré-ganglionares parasinpáticas chegam ao plexo mientérico e ativam neurônios motores ou interneurônios, de modo a influenciar a contração ou secreção. o controle autonômico do suprimento circulatório do sistema gastrintestinal é coordenado no sistema nervoso central, de forma a corresponder aos estímulos para os músculos e glândulas, de modo que, quando a digestão é iniciada, um suprimento sanguíneo apropriadamente grande para o est6omago e o intestino favorece a captação dos nutrientes. alem disso, o sistema nervoso entérico possui receptores para vários hormônios que podem modificar seu funcionamento.
<langue=br><sujet=potentiel-d-action><num=60><source=http://www.icb.ufmg.br/fib/neurofib/engenharia/joao_henrique/sistema_muscular.htm> o sistema muscular
figura 1: músculos e tendões do corpo.
introdução
esse trabalho não tem a pretensão de servir como base no estudo da anato-fisiologia muscular, mas como mera fonte de consulta a aspectos gerais dos mecanismos de contração muscular.
todos os assuntos abordados referem-se à contração dos músculos esqueléticos, responsáveis pelo acionamento voluntário de membros, além do involuntário – o ato reflexo.
foi tentado o uso de uma linguagem voltada à engenharia, fruto da abordagem de tópicos de biologia vistos por um estudante de engenharia de controle e automação. na medida do possível, são traçados paralelos entre a máquina humana – o tecido muscular, especificamente, e um sistema físico, com suas variáveis de processo, elementos controladores, atuadores e medidores.
estruturas do tecido muscular
fibras musculares
o tecido muscular é formado por conjuntos de fibras musculares. na maioria dos músculos, se estendem por todo o comprimento do músculo, e cada uma é inervada por apenas uma junção neuro-muscular, localizada no meio da fibra. as fibras são formadas por milhares de miofibrilas, agrupadas em unidades funcionais denominadas sarcômeros.
figura 2: tecido muscular.
figura 3: fibra muscular vista no microscópio.
figura 4: músculos da coxa (feito a partir de peça real, com recursos de computação gráfica).
miofibrilas
são formadas por milhares de filamentos protéicos de miosina – filamentos delgados, e actina – filamentos grossos, sendo que esses últimos se encontram em quantidades duas vezes maiores que os primeiros. os filamentos protéicos são reunidos uns aos outros por estruturas denominadas discos (também chamadas linhas ou membranas) z.
figura 5: desenho esquemático da miofibrila.
retículos sarcoplasmáticos
estão presentes nos sarcômeros retículos endoplasmáticos especiais, denominados retículos sarcoplasmáticos. são bastante extensos e compostos por dois tipos de microtúbulos: os longitudinais e os do tipo t. esses últimos fornecem um meio de comunicação entre o exterior da fibra muscular e suas porções mais internas, pois contêm líquido extra-celular condutor, responsável pela condução dos impulsos elétricos.
figura 6: retículo sarcoplasmático.
fuso neuro-muscular
é composto de fibras musculares especializadas, as fibras intra-fusais. nelas, os filamentos contráteis estão presentes apenas nos pólos da célula, de modo que, ao se contraírem, essas fibras têm a sua porção central distendida. ao detectar alongamento passivo do músculo, o fuso neuro-muscular produz impulsos elétricos que atingirão a medula. esta retorna sinais ao músculo, fazendo com que ele mantenha um certo nível de contração muscular, denominado tônus muscular.
figura 7: desenho esquemático do fuso neuro-muscular.
figura 8: ação do fuso neuro-muscular: estiramento muscular x potenciais de ação.
órgão tendinoso de golgi
o órgão tendinoso de golgi (otg) é um receptor de tensão muscular, e fica localizado no tendão do músculo esquelético. quando a tensão no tendão atinge um certo limiar, o otg dispara potenciais de ação nas fibras aferentes (que vão para a medula), e através de conexões com interneurônios inibitórios, produz inibição do músculo homônimo, que se relaxa, aliviando a tensão excessiva. trata-se de um medidor de um sistema realimentado, com rápida resposta. percebe-se a ação dessa malha de controle quando estamos carregando um objeto muito pesado e, de repente, o soltamos, como se nosso músculo tivesse sido desligado abruptamente. o também chamado aparelho tendinoso de golgi também impede que danifiquemos nosso próprio tecido esquelético ou muscular com contrações exageradamente fortes.
processo de contração muscular
após a descoberta dos filamentos protéicos (actina e miosina), alguns pesquisadores passaram a acreditar que a contração muscular se daria por encurtamento desses filamentos. mais tarde surgiu a teoria dos filamentos deslizantes.
segundo essa teoria, os filamentos não se encurtam, mas deslizam uns sobre os outros. após receber um estímulo químico – gerado anteriormente por um impulso nervoso, os filamentos mais finos ligam-se à extremidade dos mais grossos (denominada cabeça). assim, os filamentos grossos sofrem uma deformação – com gasto de energia, que resulta no deslocamento horizontal do conjunto. após esse deslocamento, há o desligamento dos filamentos. o processo se repete entre vários filamentos, até quando persistir a ação química proporcionada pelo estímulo elétrico, o que garante a contração muscular. o tempo de resposta de uma fibra muscular gira em torno de 3 ms.
a substância que proporciona a deformação protéica necessária para o ligamento dos filamentos finos e grossos é o cátion de cálcio (ca 2+). ele se encontra estocado dentro dos retículos sarcoplasmáticos, nos túbulos longitudinais. o potencial de ação age diretamente sobre as paredes do túbulo longitudinal, fazendo com que liberem cálcio. entretanto, o cálcio não permanece no interior das miofibrilas por muito tempo: tão logo a corrente elétrica causadas pelo potencial de ação tenha passado, os túbulos longitudinais reabsorvem quase que imediatamente os íons de cálcio. no fim desse pulso, o cálcio é bombeado de volta, com conseqüente gasto de energia, e o músculo relaxa imediatamente.
o impulso elétrico, além de controlar o início e o término do processo, também faz uma modulação na amplitude da contração: quanto maior a sua freqüência, mais intensa será a contração das fibras musculares. quando o músculo é estimulado a altas freqüências, ele não é mais capaz de relaxar entre contrações sucessivas: isso causa fusão das contrações; com estímulos a 100 hz, por exemplo, ocorre uma única contração sustentada, que é chamada de tétano fundido . gerado no cérebro ou na medula, o estímulo nervoso percorre um caminho pré-determinado na rede de neurônios até atingir o alvo: a placa motora, onde ele age. a interface nervo/músculo é denominada junção neuro-muscular. aqui o potencial elétrico é denominado potencial de ação.
esse potencial de ação é propagado rapidamente pela superfície da fibra e conduzido para o seu interior pelos túbulos t . eles recebem essa denominação devido ao seu formato, ideal para penetrar nas regiões mais profundas da fibra muscular.
uma unidade motora é o conjunto formado por um motoneurônio – neurônio que se liga à placa motora, com as fibras musculares por ele inervadas. já foi demonstrado que durante o aumento progressivo de força de uma contração muscular, unidades motoras progressivamente maiores vão sendo recrutadas.
há uma relação entre tempo de resposta e resistência à fadiga: quanto mais rápida a resposta, mais suscetível à fadiga é o músculo, e vice-versa. a panturrilha, por exemplo, tem contração lenta, embora resista mais. os músculos extra-oculares, por outro lado, são mais rápidos, e mais fatigáveis também.
os músculos não são capazes de se contrair e relaxar de modo suficientemente rápido para acompanhar variações grandes na freqüência de disparo de estímulos aplicados ao nervo motor. é como se houvesse, na entrada do sistema muscular, um filtro passa-baixas, permitindo somente as respostas a estímulos de baixas freqüências. quando há a necessidade de realização de movimentos bruscos, ocorre uma engenhosa alternância na contração de músculos antagonistas.
arco reflexo
o arco reflexo medular representa o nível mais simples, na hierarquia dos mecanismos de controle motor. a medula espinhal recebe estímulos sensoriais do músculo, e envia impulsos motores para ele. um exemplo de arco reflexo é o reflexo patelar , no qual há uma súbita contração do músculo mediante um estímulo direcionado ao tendão do joelho.
alguns músculos possuem, em suas entranhas, o fuso neuro-muscular. a ele são ligadas fibras nervosas que se dirigem à medula espinhal.
ao receber os impulsos elétricos provenientes de um fuso neuro-muscular, a medula gera potenciais de ação nos axônios motores, e o músculo irá se contrair, retornando ao comprimento inicial. as fibras intra-fusais são capazes de gerar potenciais de ação com freqüências que refletem fielmente tanto o comprimento inicial e final do músculo que se alonga (aspectos estáticos do alongamento), quanto a velocidade com que se processa tal alongamento (aspectos dinâmicos do alongamento).
como vemos, o arco reflexo simples visa fornecer um mecanismo de manutenção do comprimento do músculo dentro de parâmetros constantes. o arco reflexo simples, é, pois, um exemplo de mecanismo servo, com realimentação.
figura 9: desenho esquemático da malha de controle que envolve músculo, tendão, fuso muscular e fibras nervosas.
tipos de contração muscular
contração muscular isométrica
nesse tipo de contração, o comprimento do músculo não se altera –não ocorre deslizamento das miofibrilas nem realização de trabalho. o gasto de energia é menor.
contração muscular isotônica
aqui há o encurtamento do músculo, mas a tensão sobre ele permanece constante. acontece na movimentação de uma carga, o que envolve princípios de inércia: o peso deve ser primeiramente acelerado – o movimento continua mesmo após o término da contração. sua duração é maior que a contração isométrica. os músculos podem contrair-se tanto isométrica quanto isotonicamente. mas a maioria das contrações é uma mistura dos dois tipos.
fadiga muscular
a contração forte e prolongada de um músculo leva-o ao estado de fadiga muscular. isso decorre da incapacidade dos processos metabólicos e contráteis das fibras musculares em continuarem proporcionando o mesmo trabalho. o nervo continua a funcionar adequadamente, os impulsos nervosos passam normalmente através da junção neuro-muscular, mas a contração vai se tornando cada vez mais débil por causa do decaimento do fornecimento de energia pelas mitocôndrias das fibras musculares. a interrupção do fluxo sangüíneo para um músculo leva-o rapidamente à fadiga em aproximadamente um minuto, devido à evidente perda de suprimento nutritivo.
hipertrofia e atrofia musculares
hipertrofia
ocorre quando há atividade muscular excessiva ou forçada, culminando, a médio ou a longo prazo, num aumento do tamanho do músculo.
atrofia
ocorre sempre que um músculo não é usado, ou quando o é apenas para contrações muito fracas. assim, quando um membro é imobilizado por muito tempo, como acontece em fraturas e paralisias, o músculo em questão se atrofia.
uma maneira de realizar hipertrofia ou evitar a atrofia de músculos é a utilização da ginástica passiva. ela é realizada através de aparelhos que geram pulsos elétricos sincronizados e com a intensidade certa – sinais devem chegar com amplitudes maiores que 80mv na membrana da fibra muscular, para causar despolarização da membrana e conseqüente disparo do processo de contração muscular. esses pulsos são aplicados diretamente sobre o músculo, através de eletrodos ligados à superfície da pele. porém, o efeito não é o mesmo. além da atenuação do sinal devido à passagem pela pele – o que pode ser corrigido através de um aumento da amplitude do sinal aplicado, o sinal não atinge de modo satisfatório o interior das fibras. como resultado, o músculo não é exercitado por igual.
músculos x malhas de controle
o sistema muscular apresenta diversas malhas de controle cujo controlador é o sistema nervoso central – quer seja a medula, em movimentos involuntários, quer seja o cérebro, quando abordados movimentos voluntários. os atuadores, para todas as malhas de controle dentro do sistema, sempre serão as fibras musculares. as medições – informações sobre o estado atual da máquina , são feitas periodicamente, no caso de malhas realimentadas. os elementos responsáveis por esta etapa do processo são o aparelho tendinoso de golgi e o fuso neuro-muscular, se considerarmos elementos apenas do sistema muscular. sua ação limita-se a malhas de controle para movimentos involuntários. para movimentos voluntários, observam-se órgãos não pertencentes ao sistema, como olhos e pele. em controle de arco reflexo de dor (movimento involuntário), os sensores de dor sob a pele fazem o papel dos medidores.
