Este documento discute conceitos básicos de biofísica, incluindo potencial de repouso, equação de Nernst e características elétricas da membrana celular. Aborda a bomba de sódio-potássio, canais iônicos e métodos para medir o potencial de repouso. Também resume a equação de Nernst e aplica exemplos numéricos.
2. Conceitos simples de eletricidade
Características elétricas da membrana celular
Bomba de Na+/K+
Canais iônicos
Potencial de repouso
Equação de Nernst
Referências
Resumo
3. Conceitos Simples de Eletricidade
Diferença de potencial (Voltagem): Colocando-se eletrotodos dentro e fora de célula
temos uma diferença de potencial de – 70 mV, ou seja, há um potencial negativo de 70
mV no interior da célula em relação ao meio externo. O instrumento usado para medir
a diferença de potencial é o voltímetro, sua colocação está representada do diagrama
esquemático abaixo.
Neurônio
Eletrodos
V
Voltímetro
+
-
I
4. Corrente elétrica (I): É o movimento de cargas elétricas em meios condutores, é
medida em Ampères (A), o que equivale a 1 Coulomb/segundo, uma unidade
relativamente grande para os propósitos da biofísica, assim normalmente trabalha-se
com submúltiplos desta unidade física, tais como, miliampère (mA, 10-3 A),
microampère (A, 10-6), nanoampère (nA, 10-9) e picoampère (pA, 10-12 A). As cargas
para os fenômenos elétricos na membrana celular são íons, tais como, Na+,K+, Ca++ e
Cl-.
Conceitos Simples de Eletricidade
Neurônio
Eletrodos
A
Amperímetro
+
-
I
5. Método para Medir o Potencial de
Repouso
+++++++++++++++++++++++++
--------------------------------------------
--------------------------------------------
+++++++++++++++++++++++++
Neurônio
Axônio
Amplificador
Oscilóscopio
Eletrodos
-70mV
Dois eletrodos, inseridos
n o a x ô n i o d e u m
neurônio em repouso,
detectam a pequena
diferença de potencial,
entre os meios extra e
intra celular, esse sinal é
amplificado e mostrado
num osciloscópio.
Meio extracelular
Meio intracelular
6. Comportamento Elétrico da
Membrana Celular
C R V
S
Membrana como circuito RC.
A análise do comportamento elétrico
d a m e m b r a n a c e l u l a r p e r m i t e
traçarmos uma analogia com um
circuito paralelo resistivo-capacitivo
(RC).
C: Capacitância do capacitor, é a
relação entre a quantidade de carga
elétrica (Q) e a voltagem (V), sua
unidade é o Farad (F). 1 F = 1
Coulomb/Volt.
R: Resistência elétrica, é a oposição
à passagem da corrente elétrica,
mede-se em Ohms ().
8. Resistência Elétrica das Membranas
Rigidez elétrica. Resistência elétrica é a oposição do meio à passagem da corrente
elétrica, quanto maior a resistência elétrica, pior condutor é o meio. Dados
experimentas sobre modelos de membrana artificiais apresentam resistência elétrica
na faixa de 106 a 109 .cm2, esses valores excedem em muito aos observados para
membranas celulares, que variam na faixa de 103 a 104 .cm2 (Weidmann, 1952,
1970). A inclusão de proteínas nas membranas artificiais reduzem consideravelmente
a resistência elétrica das membranas artificiais, o que ressalta o papel das proteínas
nos modelos de membranas celulares.
Referências: Weidmann, S. (1952). J. Physiol., 118:348-360.
Weidmann, S. (1970). J. Physiol., 210:1041-1054.
Fonte: Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000 (pg. 8).
9. Permeabilidade Elétrica das
Membranas
Permeabilidade elétrica. Estudos realizados por Dean em 1941 indicaram que a
membrana celular é permeável a íons como sódio e potássio, foram utilizados íons
radioativos, que permitiram verificar a alta concentração de sódio e e baixa
concentração de potássio no meio extracelular, quando comparado com o meio
intracelular. A explicação de Dean para tal observação foi a seguite: “some sort of
pump possibly located in the membrane which can pump out sodium or, what is
equivalent, pump in the potassium”. A descoberta da bomba de sódio/potássio viria a
confirmar a previsão de Dean.
Referência: Dean, R. B. (1941). Biol. Symp., 3:331-348.
Fonte: Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000 (pg. 8).
10. Bomba de Na+/K+
Em 1955 Hodgkin e Keynes, realizando experimentos com axônio de sépia (Sepia
officinalis), determinaram que havia transporte do íon de sódio do meio intracelular
para o meio extracelular, às custas de energia metabólica. Os experimentos foram
realizados em água do mar artificial, contendo o íon de sódio radioativo 24Na+ . No
experimento havia estímulo do axônio de sépia, que elevava a concentração
intracelular do sódio radioativo. Em seguida o axônio era lavado e mergulhado em
água do mar, sem sódio radioativo.
O monitoramento da radioatividade
indicava que havia passagem de sódio
radioativo, do axônio para a água do mar.
O próximo slide indica a liberação do
sódio radioativo em função do tempo.
Referência: Hodgkin, A. L. & Keynes, R.
D. (1955). J. Physiol. 128:28-60.
11. O gráfico ao lado mostra a liberação do
sódio radioativo em função do tempo. Na
fase inicial o axônio estava mergulhado
em água do mar artificial, onde então
adiciona-se DNP, que tem o efeito de
bloquear a cadeia respiratória. Por volta
do 200 minutos a solução do banho é
trocada, colocando-se água do mar
natural. Observa-se a partir do gráfico um
aumento do sódio radioativo no meio
extracelular, indicando que há passagem
de sódio.
Referência: Hodgkin, A. L. & Keynes, R. D. (1955). J. Physiol. 128:28-60.
Fonte: Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000 (pg. 11).
Bomba de Na+/K+
Efluxo
de
24
Na(contagem/min/min)
Tempo (min)
12. O presente gráfico mostra os resultados
d o e x p e r i m e n t o d e C a l d w e l l e
c o l a b o r a d o r e s d e 1 9 6 0 . N e s s e
experimento é injetado ATP ao axônio de
sépia, após a injeção de cianeto. O
cianeto tem como efeito bloquear a cadeia
respiratória. A injeção de ATP faz elevar o
nível de sódio no meio extracelular. Os
experimentos de Hodgkin & Keynes
juntamente com os experimentos de
Caldwell e colaboradores confirmaram a
hipótese de Dean, sobre a existência de
um sistema que bombeava sódio para fora
da célula, às custas de ATP. Esse sistema
também bombeia potássio, para o interior
da célula e é chamado bomba de Na+/K+ .
Referência: Caldwell, P. C., Hodgkin, A. L.,
Keynes, R. D. & Shaw, T. L. (1960). J.
Physiol., 152:561-590.
Fonte: Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000 (pg. 11).
Bomba de Na+/K+
14. Canais de K+
Canais de K+ são os canais mais
usualmente abertos na membrana
plasmática de neurônios em repouso.
Assim há saída de íons K+, o que
deixa um excesso de carga negativa
no interior da célula.
Membrana
Sensor de
voltagem Exterior
Canal
aberto
Canal
fechado
K+ Interior celular
21. Equação de Nernst
[Íon]fora
[Íon]dentro
Diferença de voltagem através da membrana
Concentração
do íon monovalente
dentro da célula
Concentração
do íon monovalente
fora da célula
Constante universal dos gases
Temperatura absoluta
Valência do Íon
VK = RT ln ( )
zeA
Carga elétrica do elétron
Número de Avogrado
23. VK = (58 mV) log ( )
[Íon]fora
[Íon]dentro
Diferença de voltagem através da membrana
Concentração
do íon monovalente
dentro da célula
Concentração
do íon monovalente
fora da célula
Equação de Nernst
24. VK = (58 mV) log ( )
[K+]fora
[K+]dentro
Diferença de voltagem através da membrana
Concentração
do íon potássio dentro
da célula
Concentração
do íon potássio fora
da célula
Equação de Nernst
25. A equação de Nernst é uma idealização, que considera que a membrana celular é
permeável a apenas um tipo de íon. Tal idealização leva a expressão simples da
equação de Nernst, contudo, a sua aplicação, não consegue prever o valor final do
potencial presente na membrana celular, levando-se em consideração a ação dos
diversos íons presentes nas regiões intra e extra celular. Outra consideração sobre a
forma simplificada da equação de Nernst, da forma apresentada ela é válida para íons
monovalentes, para íons de outra valência é necessário dividir pela valência do íon (z),
como mostrado na equação abaixo.
VK = (58 mV) log ( )
[Íon]fora
[Íon]dentro
z
Equação de Nernst
26. Aplicando a Equação de Nernst
VK = (58 mV) log ( ) = - 84 mV
5 mM
140 mM
Ex. 1. No interior de neurônios de mamíferos a concentração de íons de potássio é de
aproximadamente 140 mM e do lado de fora de 5 mM, aplicando-se estes resultados à
equação de Nernst temos:
27. VK = (58 mV) log ( ) = 56,3 mV
140 mM
15 mM
Ex. 2. No interior de neurônios de mamíferos a concentração de íons de Na+ é de
aproximadamente 15 mM e do lado de fora de 140 mM, aplicando-se estes resultados
à equação de Nernst temos:
Aplicando a Equação de Nernst
28. Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000.
Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H., Heller, H. G. Vida. A Ciência da Biologia. 6a
ed. Artmed editora. 2002.
Referências
