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Relação entre a corrente da membrana e a voltagem nos neurônios

Relação entre a corrente da membrana e a voltagem nos neurônios


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A despolarização de neurônios faz com que correntes de diferentes magnitudes fluam para dentro ou para fora da célula, e as correntes de sódio e potássio podem ser plotadas separadamente (Purves):

Rubrica: Relação entre a amplitude da corrente e o potencial de membrana, tirada de experimentos como o mostrado na Figura 3.2. Enquanto a corrente de saída tardia aumenta abruptamente com o aumento da despolarização, a corrente de entrada inicial primeiro aumenta em magnitude, mas depois diminui e reverte para a corrente de saída em cerca de +55 mV (o potencial de equilíbrio de sódio). (Após Hodgkin et al., 1952.)

Aqui vemos a dependência das correntes (precoce: sódio, tardio: potássio) no potencial de membrana.

O que eu estava me perguntando era o seguinte: parece que a dependência da corrente de sódio no potencial de membrana é muito não linear. No entanto, experimentos que avaliam a amplitude de injetado corrente sobre potenciais pós-sinápticos excitatórios (EPSP) afirmam que a amplitude dos EPSPs são proporcionais à corrente injetada. Como isso é consistente com as mudanças não lineares de corrente / permeabilidade do sódio? A corrente de sódio é linearmente dependente da tensão (e vice-versa) antes que o limite do potencial de ação seja alcançado?


Esta é uma maneira um pouco estranha de plotar esses dados, acho que a Figura 3.2 é mais fácil de entender, mas basicamente esses são dados plotados de experimentos iniciais de grampo de tensão que tentam orientá-lo em como o modelo Hodgkin-Huxley foi desenvolvido.

Eles aumentam a tensão até um ponto específico e observam a corrente. Existem duas fases para esta corrente: um transiente inicial e um platô posterior.

A forma do componente "inicial" resulta, em última análise, da multiplicação de duas funções: a curva de passagem dos canais de sódio dependentes de voltagem e o potencial de reversão do sódio em torno de 50 mV. Se os canais controlados por tensão estivessem simplesmente abertos o tempo todo, você teria apenas uma linha reta em + 50mV, ela seguiria a forma do lado direito da curva. O lado esquerdo da curva é devido à abertura de mais canais conforme você despolariza mais.

Para o componente tardio, que vem dos canais de potássio acionados por voltagem, toda a dependência é da voltagem, porque o platô está em um ponto onde todos os canais de potássio estão abertos. Você também notará, no entanto, que a inclinação muda um pouco com o tempo: é mais acentuada nas tensões mais altas, porque os canais de potássio se abrem mais rapidamente (e também os canais de sódio são desativados; a combinação dos dois tornaria difícil separá-los aqui )

Sua imagem é um pouco diferente desses traços plotados no tempo: a figura 3.3 mostra o pico de cada componente em função do degrau de tensão. Acho que seria melhor apresentar 3.3 como uma série de pontos de dados em vez de uma curva suave para tornar isso mais óbvio.

Observe que os números reais aqui são um pouco diferentes do que veria em uma célula de mamífero, porque esses experimentos originais usaram o axônio gigante de lula, que tem algumas diferenças na dependência de voltagem, gating e concentrações de íons.

A razão pela qual o sódio e o potássio podem ser vistos separadamente nestes experimentos de pinça de voltagem é porque:

A) Os canais de sódio abrem muito rápido no início e, em seguida, inativam

B) Portanto, a longo prazo, a corrente de potássio domina a corrente de sódio.

Se você bloquear a corrente de potássio e os canais de sódio VG não forem desativados, a parte "inicial" parecerá uma imagem espelhada da parte "posterior" dos traços do grampo de tensão. Como está, o componente inicial é principalmente sódio, mas também inclui alguma corrente de potássio controlada por voltagem que o cancela e o faz parecer menor do que seria de outra forma.

Se você olhar para a curva tardia em sua figura original, é quase sempre direto do ponto em que todos os canais K estão abertos. Para o componente tardio, a permeabilidade K está no máximo em -30mV, então, depois disso, é tudo linear devido à força motriz. A pequena curva na parte inferior até cerca de -30mV é a faixa na qual nem todos os canais K estão abertos, caso contrário, seria uma linha completamente reta e seria invertida no potencial de reversão K em vez de assintetizar em torno de zero. Mas não é exatamente zero porque também há algum vazamento que é principalmente potássio, e isso se reverte em torno da reversão de K.


Voltagem Humana

Como a voltagem implica corrente, pH, elétrons, luz e oxigênio, podemos agora criar uma grande teoria da unificação que reforça e fortalece a abordagem da Medicina Alopática Natural que criei. Portanto, este livro (que será lançado no início do próximo ano) não é apenas sobre voltagem, é sobre esses fatores associados, incluindo cor, bem como medicina de frequência, terapia infravermelha - todos os quais podem ser usados ​​na cura de dores e doenças.

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  • Para entender a relação entre as propriedades do canal iônico e a curva V-I.
  • Para estudar como as curvas V-I são usadas para estimar o potencial de reversão e a condutância.
  • Para entender como os parâmetros registrados de um experimento de grampo de tensão foram usados ​​para formular a cinética dos canais de íons ativados por tensão responsáveis ​​pela excitação (Na +, K +, portas rápidas, portas lentas, etc) usando a curva V-I.

O método de fixação de tensão tem sido usado como a técnica biofísica mais popular nas últimas décadas. O protocolo de pinça de tensão é usado para estudar um pequeno pedaço de membrana neuronal selado na extremidade da pipeta de vidro medindo a corrente. Este método foi a melhor técnica biofísica básica usada para estudar os canais iônicos. A maior parte dos trabalhos clássicos de eletrofisiologia usa o protocolo que, a corrente aplicada como um estímulo e mede as mudanças no potencial de membrana. A corrente aplicada flui localmente através da membrana como corrente iônica e capacitiva. Mas no protocolo de grampo de tensão inverte o processo. Para o estudo do protocolo de fixação de tensão, o potencial da membrana deve ser mantido constante. Medir a corrente mantendo a tensão da membrana constante por algum tempo, então libera a tensão de repouso da membrana. A vantagem dessa técnica é que ela pode minimizar a propagação local da corrente do circuito local, de modo que a corrente observada pode ser uma medida direta do movimento iônico através da membrana.

Curva V-I


As curvas V-I são traçadas para estudar as propriedades de qualquer sistema elétrico. O neurofisiologista usa essa relação entre a corrente e a voltagem para estudar a cinética do canal de íons. Na eletrofisiologia, a curva V-I plota a voltagem da diferença de potencial da membrana recodificada entre o potencial interno e externo, a corrente como o fluxo registrado de íons através dos canais iônicos.

O termo curva de tensão atual & ndash ou curva V-I refere-se à relação tensão & ndashcurrent da ativação do canal de íons e a dependência da inativação da tensão. O neurofisiologista estuda esta curva V-I para compreender a relação entre a corrente e a voltagem para modelar as propriedades biofísicas de uma célula nervosa. O fluxo de corrente através dos canais iônicos é medido usando a técnica patch clamp. Técnica de patch clamp geralmente usada para estudar a dependência de voltagem de um determinado canal.

Neurocientistas computacionais & rsquo modelam a cinética do canal de íons para o melhor ajuste a esta curva V-I. As curvas V-I são usadas para calcular o potencial reverso de uma membrana (quando todos os canais iônicos estão abertos) e o potencial reverso causado por um tipo particular de canal iônico também pode ser estimado pela aplicação de bloqueadores de canal iônico. Por exemplo, TTX é usado para registrar a corrente de sódio dependente de voltagem.

O neurônio das células eletricamente excitáveis ​​tem basicamente dois tipos de canais iônicos, ativado por voltagem e não ativado por voltagem. Canais de íons com gate sem tensão estão sempre abertos e esta categoria de canais é principalmente responsável por manter o potencial de repouso.

Fig 1. Mostra os passos de tensão com um incremento de 10 mV de -60mV a +50 mV.

No protocolo de fixação de voltagem, quase todos os tipos de canais controlados por voltagem foram fechados na voltagem aplicada (-60 mV), mas ele abre quando a voltagem passa para valores mais positivos (-40mV). Quando o valor escalonado de tensão atingiu 0 mV quase todos os canais foram abertos, no caso de canal de sódio controlado por tensão, ver Fig. 2, no caso de canal de potássio controlado por tensão, ver Fig. 3.

A Figura 2. O gráfico mostra a relação V-I entre os picos da corrente de sódio evocada e o potencial de degrau.

A figura acima mostra a relação entre o pico de corrente de entrada e o potencial de membrana e a segunda metade da parábola geralmente mostra mais ou menos em linha reta os picos de corrente correspondentes entre o valor do degrau de tensão 0 e +60 mV.

Fig 3. Mostra a relação V-I entre os picos de corrente de potássio evocados e o potencial de degrau.

E outro uso importante da curva V-I é calcular a condutância máxima de um conjunto de canais de íons estimando a inclinação entre a corrente e a voltagem enquanto fixa o potencial reverso como origem (veja a Fig 4 abaixo).

Adaptado de Areles Molleman 2002

Fig 4. Curva V-I e cálculo da condutância traçando uma linha reta na segunda metade da parábola, a voltagem no eixo x varia de 0 a +60 mV.


Neste caso, a condutância máxima do declive pode ser calculada usando a lei de Ohm & rsquos gmax = 1,5 nA / 50 mV.


Comunicação Neural 2014

  • mudanças de voltagem de membrana ocorrem tanto no tempo quanto no espaço (mais sobre isso na integração sináptica)
  • na ausência de quaisquer processos regenerativos ativos (ver potenciais de ação), um potencial graduado irá decair à medida que se afasta de seu local de origem
  • este decaimento pode ser descrito pela constante de comprimento (& lambda), que corresponde à distância onde um potencial graduado diminuiu para 37% de sua amplitude original
  • células individuais, e mesmo diferentes fragmentos de membrana dentro de uma determinada célula, terão constantes de comprimento diferentes porque a constante de comprimento depende da resistência da membrana e da resistência axial
    • neste contexto, a resistência da membrana pode ser considerada como "vazamento": como os íons que causam o Vm mudar para longe de sua fonte, eles podem voltar através da membrana por meio de outros canais abertos
      • portanto, os neurônios com maior resistência de membrana (menos canais abertos) terão constantes de comprimento mais longas
      • portanto, os neurônios com menor resistência axial (diâmetro maior) terão constantes de comprimento mais longas
      • grandes axônios mielinizados terão constantes de comprimento mais longas do que axônios mais finos e não mielinizados, o que significa que potenciais graduados podem viajar por distâncias mais longas em grandes axônios mielinizados antes de morrer

      Para entender como um neurônio pode ser excitado, ou para estudar o comportamento do potencial de membrana, uma pinça de corrente é usada. A pinça de corrente é um método de registro intracelular que envolve a medição da diferença de voltagem através da membrana celular enquanto se injeta uma corrente constante positiva ou negativa (como pulsos "quotsquare" d.c.) na célula. O registro de voltagem sem injeção de corrente ou outra perturbação normalmente dirá ao pesquisador apenas qual é o potencial de membrana (geralmente em torno de -60 a -80 mV em neurônios em repouso). No entanto, ao injetar pulsos de corrente constante repetitivos (ou etapas) na célula e usando métodos & quotbridge & quot apropriados para equilibrar a influência resistiva da micropipeta de gravação, o eletrofisiologista pode obter da resposta de tensão uma medida relativa da resistência (ou, inversamente, de condutância: g) da membrana.


      A lei de Ohm (E = IR) pode ser aplicada aqui para obter uma relação simples entre a corrente injetada (I), a voltagem registrada (E) e a "resistência de entrada" (R) da membrana. Se um medicamento ou transmissor é então aplicado à célula, uma mudança no tamanho da resposta de tensão ao pulso de corrente indica uma mudança na condutância iônica (g = 1 / R). Variando incrementalmente as amplitudes das etapas de corrente em uma ampla faixa (normalmente de 0,1 a 1 nA em neurônios do SNC de mamíferos), uma família de respostas de voltagem pode ser obtida para a construção de uma curva de voltagem-corrente (VI) (onde a voltagem é tipicamente traçada como uma função da corrente injetada. Esta curva revela muito sobre as correntes & quotmacroscópicas & quot (ou seja, as correntes agregadas que fluem através de muitos canais iônicos) que passam pela membrana neuronal em diferentes potenciais de membrana. Qualquer tratamento com drogas que altere a condutância iônica também alterará o inclinação e formato da curva VI. Assim, uma redução na inclinação da curva VI indica condutância iônica aumentada, enquanto uma inclinação mais acentuada indica condutância diminuída.


      Abstração biológica

      No caso da modelagem de um neurônio biológico, análogos físicos são usados ​​no lugar de abstrações como "peso" e "função de transferência". A entrada para um neurônio é frequentemente descrita por uma corrente iônica através da membrana celular que ocorre quando os neurotransmissores causam uma ativação de canais iônicos na célula. Descrevemos isso por uma corrente física dependente do tempo . A própria célula é ligada por uma membrana celular isolante com uma concentração de íons carregados em ambos os lados que determina uma capacitância . Finalmente, um neurônio responde a tal sinal com uma mudança na voltagem, ou uma diferença de energia potencial elétrica entre a célula e seus arredores, que às vezes resulta em um pico de voltagem chamado potencial de ação. Essa quantidade, então, é a quantidade de juros e é dada por .

      Integrar e disparar

      Um dos primeiros modelos de neurônio foi investigado pela primeira vez em 1907 por Lapicque [1]. Um neurônio é representado no tempo por

      que é apenas o tempo derivado da lei da capacitância, . Quando uma corrente de entrada é aplicada, a voltagem da membrana aumenta com o tempo até atingir um limite constante , em cujo ponto ocorre um pico de função delta e a tensão é redefinida para seu potencial de repouso, após o qual o modelo continua a funcionar. o freqüência de disparo do modelo, portanto, aumenta linearmente sem limites à medida que a corrente de entrada aumenta.

      O modelo pode ser mais preciso com a introdução de um período refratário isso limita a frequência de disparo de um neurônio, impedindo-o de disparar durante esse período. Por meio de alguns cálculos envolvendo uma transformada de Fourier, a frequência de disparo em função de uma corrente de entrada constante, portanto, parece

      .

      Este modelo ainda tem um problema gritante por não ter memória dependente do tempo. Se ele receber um sinal abaixo da entrada um dia, ele reterá aquele aumento de voltagem para sempre até disparar novamente, algo que claramente não é refletido no experimento e não é consistente na teoria.

      Vazamento de integração e disparo

      No modelo de integração e disparo com vazamento, o problema de memória é resolvido adicionando um termo "vazamento" ao potencial de membrana, refletindo a difusão de íons que ocorre através da membrana quando algum equilíbrio não é alcançado na célula. O modelo parece

      Onde é a resistência da membrana, pois descobrimos que não é um isolante perfeito como assumido anteriormente. Isso força a corrente de entrada a exceder algum limite para fazer a célula disparar, caso contrário, ela simplesmente vazará qualquer mudança de potencial. A frequência de disparo, portanto, parece

      que converge para grandes correntes de entrada para o modelo anterior sem vazamentos com período refratário [2].

      Hodgkin-Huxley

      Os modelos de neurônios mais bem-sucedidos e amplamente usados ​​foram baseados no modelo cinético de Markov desenvolvido a partir do trabalho de Hodgkin e Huxley de 1952 com base em dados do axônio gigante da lula. Observamos como antes da nossa relação tensão-corrente, desta vez generalizada para incluir várias correntes dependentes de tensão:

      .

      Cada corrente é dada pela Lei de Ohm como

      Onde é a condutância, ou resistência inversa, que pode ser expandida em termos de sua média constante e as frações de ativação e inativação e , respectivamente, que determinam quantos íons podem fluir através dos canais de membrana disponíveis. Essa expansão é dada por

      e nossas frações seguem a cinética de primeira ordem

      com dinâmica semelhante para , onde podemos usar e ou e para definir nossas frações de portão.

      Com tal formulário, resta investigar individualmente cada corrente que se deseja incluir. Normalmente, isso inclui as correntes de entrada de Ca 2+ e Na + para dentro e várias variedades de correntes de saída de K +, incluindo uma corrente de "fuga". O resultado final pode estar em 20 parâmetros que devem ser estimados ou medidos para um modelo preciso e para sistemas complexos de neurônios que não podem ser facilmente tratados por computador. Portanto, são necessárias simplificações cuidadosas do modelo de Hodgkin-Huxley.

      FitzHugh-Nagumo

      Simplificações abrangentes para Hodgkin-Huxley foram introduzidas por FitzHugh e Nagumo em 1961 e 1962. Buscando descrever "autoexcitação regenerativa" por uma tensão de membrana de feedback positivo não linear e recuperação por uma tensão de porta de feedback linear negativo, eles desenvolveram o modelo descrito por

      onde novamente temos uma tensão semelhante a uma membrana e uma corrente de entrada com uma tensão geral de porta mais lenta e parâmetros determinados experimentalmente . Embora não seja claramente derivável da biologia, o modelo permite uma dinâmica simplificada e imediatamente disponível sem ser uma simplificação trivial [3].

      Morris-Lecar

      Em 1981, Morris e Lecar combinaram Hodgkin-Huxley e FitzHugh-Nagumo em um modelo de canal de cálcio controlado por voltagem com um canal de potássio retificador retardado, representado por

      ,

      Onde . [2]


      Relação em neurônios de marca-passo entre as correlações de longo prazo das flutuações de tensão da membrana e a duração correspondente do intervalo entre picos

      Vários estudos do comportamento nas flutuações de tensão e frequência da atividade elétrica neural foram realizados. Aqui, exploramos a associação particular entre o comportamento das flutuações de voltagem no segmento inter-pico (VFIS) e os intervalos entre-pico (ISI) de neurônios marcapasso F1 de H. aspersa, por perturbar o manuseio do cálcio intracelular com cádmio e cafeína.O expoente de escala α do VFIS, conforme fornecido pela análise de flutuações destendidas, em conjunto com a duração correspondente de ISI para estimar o coeficiente de determinação R 2 (intervalos de 48-50 por neurônio, N = 5) foram todos avaliados. O expoente de escala variável com o tempo α(t) de VFIS também foi estudado (20 segmentos por neurônio, N = 11). o R 2 obtido em condições de controle foi de 0,683 ([0,647 0,776] quartis inferior e superior), 0,405 [0,381 0,495] usando cádmio e 0,151 [0,118 0,222] com cafeína (P & lt 0,05). Um expoente de escala não uniforme α(t) que mostra um perfil ao longo da duração do VFIS foi posteriormente identificado. Uma redução significativa das correlações de longo prazo pelo cádmio foi confirmada na primeira parte deste perfil (P = 0,0001), mas nenhuma redução significativa foi detectada pelo uso de cafeína. Nossos achados endossam que o comportamento do VFIS aparece associado à ativação de diferentes populações de canais iônicos, que estabelecem o potencial da membrana neural e são mediados pelo manuseio do cálcio intracelular. Assim, fornecemos evidências para considerar que o comportamento do VFIS, conforme determinado pelo expoente de escala α, transmite insights sobre os mecanismos que regulam a excitabilidade dos neurônios marcapasso.

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      Relação entre corrente de membrana e voltagem em neurônios - Biologia

      Potenciais da membrana e o impulso nervoso

      Os meios pelos quais os nervos conduzem os impulsos vêm intrigando os pesquisadores há séculos. A natureza elétrica do impulso foi suspeitada pela primeira vez por Luigi Galvani em 1780, quando ele fez a perna de uma rã se contrair após estimulá-la com uma carga elétrica do jarro de Leyden recém-desenvolvido. No século XIX, Emil Du Bois Reymond demonstrou pela primeira vez o potencial de ação e mais tarde escreveu: & quotSe não me enganar muito, consegui realizar (embora sob um aspecto ligeiramente diferente) o sonho de cem anos dos físicos e fisiologistas, a saber , a identidade do princípio nervoso com a eletricidade. ”Mais tarde, em 1902, Julius Bernstein postulou a“ teoria da membrana ”do impulso nervoso, quando propôs que o impulso está relacionado a mudanças na permeabilidade iônica da membrana. Finalmente, muito do nosso conhecimento atual sobre os eventos associados ao potencial de ação e ao impulso nervoso é baseado no trabalho engenhoso com o axônio gigante da lula realizado por Hodgkin e Huxley na Inglaterra e Curtis e Cole nos Estados Unidos durante o final da década de 1940 e início dos anos 1950.

      VISÃO GERAL DA ATIVIDADE DE NEURÔNIO

      Os neurônios são ideais para funcionar como unidades transportadoras de informações do sistema nervoso. O comprimento de seus processos individuais varia de uma fração de milímetro no cérebro a axônios com mais de 1 m de comprimento na medula espinhal e nervos periféricos. O sinal portador de informações que viaja ao longo do neurônio é um evento elétrico denominado impulso. Todos os impulsos conduzidos por um neurônio são quase iguais. Portanto, a informação que um neurônio pode transmitir é determinada pelo padrão de disparo, bem como pelo número de impulsos por segundo (IPS) que ele envia. Os neurônios podem variar suas taxas de disparo de impulso de 0 a pouco mais de 1000 IPS. Como os neurônios têm uma gama tão ampla de taxas de disparo e padrões, eles podem transmitir consideravelmente mais informações ao cérebro do que se tivessem apenas um sistema simples de "ligar-desligar".

      Para aquelas funções nas quais a velocidade de ação é biologicamente importante, são frequentemente empregados neurônios com altas velocidades de condução. Neurônios com velocidades de condução consideravelmente mais lentas são freqüentemente encontrados em circuitos neurais que não requerem tal velocidade. A velocidade de condução é uma propriedade inerente do neurônio, aumentando com o diâmetro da fibra e o grau de mielinização. Em neurônios de mamíferos, as velocidades de condução variam de 0,2 a 120 m / s.

      Os sistemas nervosos são redes incrivelmente complexas de células nervosas nas quais os impulsos que viajam ao longo de um neurônio iniciam impulsos em outros neurônios em junções quimicamente responsivas chamadas sinapses. Produtos químicos chamados neurotransmissores são liberados nessas sinapses em resposta à “chegada de impulsos nos terminais pré-sinápticos do primeiro neurônio.

      Quando os impulsos chegam a um número suficiente desses terminais pré-sinápticos, neurotransmissor suficiente é liberado para estimular o neurônio pós-sináptico ao seu limiar de excitação. Quando isso acontece, ocorre na membrana do neurônio pós-sináptico uma mudança rápida e reversível chamada potencial de ação. Uma vez iniciado, esse potencial de ação gera uma pequena corrente local que inicia um segundo potencial de ação no segmento de membrana adjacente. A corrente local desse potencial de ação, por sua vez, iniciará um terceiro, e assim por diante, por todo o comprimento do axônio até as extremidades de seus ramos terminais. Embora o potencial de ação seja realmente reiniciado por essa série de eventos, geralmente falamos como se sua propagação fosse um processo contínuo e suave. Essa série de potenciais de ação propagados constitui o impulso e representa o sinal que forma a base da informação que o sistema nervoso conduz.

      ELETRICIDADE BÁSICA E O NEURÔNIO

      Quando os neurônios conduzem impulsos, correntes elétricas fluem através de suas membranas e, portanto, não é possível entender as primeiras sem um conhecimento prático das últimas. Além disso, instrumentos eletrônicos são usados ​​para registrar potenciais de ação e impulsos, e os neurofisiologistas comumente empregam termos e símbolos elétricos para descrever eventos neuronais. Portanto, vale a pena revisar alguns princípios básicos da eletricidade que são essenciais para a compreensão das células nervosas.

      A corrente é transportada em fios por elétrons, mas em sistemas biológicos como o neurônio ela é transportada por íons. A passagem de 6X10 18 elétrons ou íons monovalentes por qualquer seção transversal de um condutor representa uma carga elétrica igual a um coulomb (C). A corrente I representa a taxa de fluxo de carga elétrica. Sua unidade básica é o ampere (A), que representa o fluxo de uma coluna por segundo. Cada mol de íon monovalente pode transferir 96.500 C de carga elétrica. um valor útil para o neurofisiologista denominado constante de Faraday. Por convenção em sistemas biológicos, a corrente é retratada fluindo na direção dos íons positivos (Fig-1).

      Resistência e Condutância

      Todos os meios condutores oferecem algum grau de resistência à passagem da corrente transportada por elétrons ou íons. A unidade de resistência R é o ohm (& # 8486). Ele representa a resistência de um condutor tal que uma corrente constante de um ampere requer um potencial de um volt entre suas extremidades. Todas as coisas sendo iguais, a corrente segue o caminho de menor resistência em qualquer circuito. Os neurofisiologistas também usam um valor relacionado denominado condutância g. Ele representa o recíproco de resistência. A unidade de condutância é o siemen (S). No entanto, o termo anterior mho (ohm escrito ao contrário) é comumente usado na maior parte da literatura clássica. Por causa dessa relação recíproca, todas as declarações relativas à resistência estão reciprocamente relacionadas à condutância.

      g = 1 / R onde g = condutância, S e R = resistência, & # 8486

      No que diz respeito à resistência, estão reciprocamente relacionados à condutância. Os neurofisiologistas freqüentemente se preocupam com a resistência total em vários elementos resistivos. As membranas neuronais se comportam em parte como se fossem compostas de elementos resistivos paralelos, enquanto os fluidos extracelulares e intracelulares que circundam a membrana se comportam como resistores em série. Como as correntes elétricas fluem através da membrana e de ambos esses fluidos durante a condução do impulso, é importante ser capaz de estimar a resistência total envolvida. Biologicamente, o ponto importante a lembrar aqui é que a resistência total dos resistores em série é igual à sua soma, mas a resistência total dos resistores paralelos é igual a um valor menor que sua soma. A Fig-2 ilustra a natureza resistiva em série do axoplasma e do fluido extracelular, enquanto a Fig-3 ilustra a membrana axonal na forma de resistores paralelos.

      A membrana neuronal se comporta em parte como se fosse composta de capacitores paralelos. Um capacitor é um componente de armazenamento de carga que consiste em dois condutores separados por um dielétrico (isolante). A membrana representa o dielétrico, enquanto o fluido extracelular e o axoplasma representam os condutores (Fig-4).

      A unidade de capacitância C é o farad (F). Representa a capacitância de um capacitor no qual uma carga de uma coluna produz uma diferença de potencial de um volt entre os terminais (condutores). A relação entre a capacitância (em farads) e a diferença de potencial (em volts) produzida por uma determinada separação de carga (em coulombs) é dada por

      C = Q / V onde C = capacitância, F Q = carga, C V = potencial, V

      Pela manipulação da equação, podemos ver que a carga que precisa ser separada para produzir uma voltagem específica é dada por:

      Da mesma forma, o potencial desenvolvido pela transferência de uma determinada carga através de uma capacitância é dado por:

      Os neurofisiologistas geralmente estão preocupados com a capacitância total em uma seção de membrana. Uma vez que a capacitância neuronal está apenas associada à membrana, não precisamos nos preocupar com outros aspectos do neurônio. Como a membrana se comporta como se fosse em parte composta de capacitores paralelos, estamos interessados ​​nas regras que regem os capacitores paralelos (Fig- 5).

      Fig-4 Fig-5

      Potencial elétrico e lei de Ohm

      A unidade de potencial E é o volt (V). A diferença de potencial entre dois pontos está relacionada ao trabalho realizado para mover uma carga pontual do primeiro ponto para o segundo. É igual à diferença do valor dos potenciais nos respectivos pontos. As tensões biologicamente importantes são geralmente muito pequenas, da ordem de milivolts (mV) ou microvolts ( V).

      Em circuitos com fio de corrente contínua (CC) simples, a bateria é um componente eletrônico que representa uma diferença de potencial e também uma fonte de carga (elétrons). Nos neurônios, os íons representam a carga, enquanto o gradiente químico (concentração) de um determinado tipo iônico representa o potencial desse íon. A relação entre potencial, corrente e resistência é expressa pela lei de Ohm:

      eu = E / R Onde eu = atual, A E = potencial, V R = resistência, & # 8486

      Em estudos de neurônios, muitas vezes estamos preocupados com a condutância. Consequentemente, uma forma útil da equação é:

      I = Eg onde g = condutância, S

      Circuitos de resistência e capacitância (RC)

      Funcionalmente, um capacitor pode fazer três coisas. Ele pode ficar carregado, pode armazenar uma carga e pode descarregar. Quando um capacitor é conectado a uma fonte de tensão, a corrente flui e acumula cargas em um lado do capacitor enquanto as remove do outro lado no processo de conclusão do circuito. A corrente fluirá no circuito apenas até que a carga no capacitor atinja o mesmo potencial da fonte de tensão. No ponto em que o capacitor está totalmente carregado, a corrente não fluirá mais no circuito. Um resistor é geralmente retratado como estando em série com o capacitor em tal circuito - daí o nome resistência-capacitância (RC) o circuito.

      Se a fonte de tensão for removida e o capacitor carregado e o resistor estiverem conectados em um circuito fechado, a corrente fluirá novamente conforme as cargas são retiradas do capacitor através do resistor para equalizar em ambos os lados do dielétrico. Assim, o capacitor é descarregado e o potencial removido. Esta corrente que flui apenas quando o capacitor está sendo carregado ou descarregado é chamada de corrente capacitiva euc. É proporcional à taxa de variação da tensão no capacitor.

      Todos os sistemas físicos requerem um certo tempo para transmitir determinadas quantidades de carga da entrada para a saída. Este tempo em sistemas RC simples é caracterizado pela constante de tempo do sistema t . É matematicamente igual ao produto da resistência (em ohms) e da capacitância (em farads). A constante de tempo resultante está em segundos e representa o tempo necessário para que a tensão alcance 1 -1 / e (63 por cento) de seu valor final. O símbolo e é a base do logaritmo natural (2,71828 & quot ').

      t = RC Onde t = constante de tempo, s R = resistência, & # 8486 C = capacitância, F

      Quando uma fonte de tensão é repentinamente aplicada em um circuito RC sem carga, há um atraso no aumento do potencial desenvolvido no capacitor, que é contabilizado pelo tempo necessário para armazenar cargas (Fig-6). A constante de tempo representa o tempo em segundos que o capacitor leva para produzir uma tensão 63 por cento mais alta do que seu valor final quando está totalmente carregado. Da mesma forma, quando o capacitor é descarregado, leva o mesmo tempo (ou seja, uma constante de tempo) para o capacitor perder 63 por cento de sua carga.

      Fig-6:

      O POTENCIAL DE MEMBRANA EM REPOUSO

      Todas as células exibem um potencial elétrico através de suas membranas, denominado potencial de membrana (MP). No entanto, as células nervosas e musculares são um tanto únicas, pois esse potencial de membrana pode ser reduzido (despolarizado) ou aumentado (hiperpolarizado) como resultado da atividade sináptica. Esse recurso torna as células nervosas e musculares excitáveis.

      Quando um neurônio não está sendo estimulado, seu potencial de membrana é relativamente estável e, portanto, denominado potencial de membrana em repouso (RMP). Um RMP típico para células nervosas e musculares de mamíferos fica entre 70 e 100 mV, com o líquido intracelular negativo. Para fins ilustrativos, considere uma média comum para um grande axônio de células nervosas de mamíferos de -85 mV com a zona dendrítica (soma e dendritos) sendo menos polarizada em aproximadamente -70 mV.

      Muito do que acreditamos hoje em relação aos potenciais de membrana e potenciais de ação é baseado em experimentos com o axônio gigante da lula. Esses estudos estabeleceram as bases para quase todas as nossas suposições atuais sobre a excitabilidade dos nervos. Consequentemente, muitos dos exemplos incluídos aqui serão baseados em potenciais de ação e impulsos no axônio da lula. Quando um axônio de lula ou nervo de mamífero é penetrado por um microeletrodo de registro e o potencial interno é comparado a um eletrodo de referência externo, o axoplasma é considerado negativo em relação ao exterior. A magnitude desse potencial é de cerca de -65 mV na lula. A suposição óbvia que pode ser feita é que há ligeiramente mais cargas positivas do que negativas no exterior e ligeiramente mais negativas do que cargas positivas no interior (Fig-7).

      Fig-7

      Quão importante é para as células nervosas terem um potencial de membrana em repouso?

      Muito simplesmente, sem ele (1) eles não seriam excitáveis, (2) eles não poderiam produzir potenciais de ação, e (3) eles não poderiam conduzir impulsos. Assim, devido ao seu importante papel no processo de condução do impulso, um bom lugar para começar nossa discussão é com a origem do próprio RMP.

      Distribuição Iônica e o Potencial da Membrana em Repouso

      Julius Bernstein demonstrou no início dos anos 1900 que os fluxos iônicos através da membrana eram importantes para as capacidades de condução de impulsos dos neurônios. Ele demonstrou que as membranas em repouso eram tipicamente mais permeáveis ​​aos íons K + do que aos íons Na +. As concentrações extracelulares e intracelulares típicas de Na +, K + e Cl - em um grande axônio de células nervosas de mamíferos e no axônio gigante da lula são ilustradas na Fig-8.

      Fig-8 Fig-9

      Mesmo uma rápida observação das várias concentrações na Fig-8 nos mostra que o Na + e o Cl - são muito mais concentrados extracelularmente, enquanto o K + é muito mais concentrado intracelularmente. A membrana que separa essas duas soluções nas células de lula e de mamífero é livremente permeável à água, mas é muito menos permeável aos íons listados acima. Não representados na Fig-8 estão os ânions não permeáveis ​​encontrados dentro do fluido intracelular. Esses ânions são compostos principalmente de grandes moléculas de proteína. Devido à livre permeabilidade da membrana à água, as soluções internas e externas têm virtualmente a mesma osmolalidade.

      Mesmo que a membrana não seja muito permeável a nenhum dos cátions listados na Fig-8, lembre-se de que Bernstein mostrou que a membrana em repouso é mais permeável ao K + do que ao Na +. Posteriormente, foi descoberto que o CI - permeia mais prontamente do que o K + no axônio dos mamíferos e menos prontamente do que o K + no axônio gigante da lula. As membranas de ambas as espécies transportam ativamente Na + para fora e K + para dentro. Portanto, a tendência dos íons se difundirem para baixo em seus gradientes químicos é contrabalançada pelo sistema de transporte ativo de Na + e K + (Na + / K + "bomba") que transporta esses íons contra seus gradientes químicos (Fig-9).

      Os Princípios de Igualdade e Neutralidade Elétrica

      Quando uma célula está em repouso, ela obedece a dois princípios básicos, o princípio da equimolalidade e o princípio da neutralidade elétrica. Esses dois princípios estão resumidos aqui.

      1 O princípio da equimolalidade. As concentrações de partículas osmoticamente ativas em ambos os lados da membrana celular devem ser aproximadamente iguais.
      2 O princípio da neutralidade elétrica. O número de cátions e ânions extracelulares deve ser aproximadamente igual. Da mesma forma, o número de cátions e ânions intracelulares deve ser aproximadamente igual.

      A análise química das soluções em cada lado dos dois tipos de células nervosas verifica se esses dois princípios são essencialmente verdadeiros. Um segundo exame das distribuições iônicas mostrará que a alta concentração extracelular de Na + é principalmente balanceada pela alta concentração extracelular de Cl -, enquanto a alta concentração intracelular de K + é balanceada principalmente pela alta concentração intracelular de grandes ânions não permeáveis ​​que referimos para mais cedo.

      Deixamos de listar outros íons como Mg 2+, Ca 2+ e vários outros que também estão presentes nas soluções em ambos os lados. Suas concentrações são pequenas e sem importância nos eventos do potencial de ação e impulso. No entanto, eles ajudam a contribuir para os princípios da equimolalidade e da neutralidade elétrica.

      Você deve estar se perguntando como é possível ter um potencial de membrana em repouso se as soluções em ambos os lados da membrana forem eletricamente neutras. A resposta está no fato de que o princípio da neutralidade elétrica é apenas aproximadamente verdadeiro. Como observamos anteriormente (Fig-7), há na verdade um pouco mais de cargas catiônicas do que aniônicas fora e um pouco mais aniônicas do que cargas catiônicas dentro. Este ligeiro desequilíbrio, ou violação do princípio da neutralidade elétrica, é suficiente para produzir a diferença de potencial através da membrana em repouso.Como veremos mais tarde, um desequilíbrio de apenas alguns picomoles (10 -12 mol) é suficiente para produzir o potencial de membrana em repouso

      Difusão Iônica e o Potencial da Membrana em Repouso

      Um experimento relativamente simples pode ser útil para entender como o potencial de membrana em repouso se desenvolve. Se você colocasse uma solução de sal altamente concentrada em um lado de uma membrana seletivamente permeável e uma solução menos concentrada do outro lado, o sal se difundiria através da membrana do lado altamente concentrado para o menos concentrado até atingir o equilíbrio. Agora, se a membrana fosse mais permeável ao cátion do sal do que ao ânion, as cargas positivas migrariam para um lado mais rápido do que as negativas e uma separação de carga se desenvolveria através da membrana com um lado mais positivo do que o outro (Fig. -10). Um voltímetro sensível aplicado através da membrana registraria uma diferença de potencial e, como esse potencial é causado por taxas de difusão desiguais, pode ser apropriadamente chamado de potencial de difusão.

      Fig-10

      O potencial de membrana em repouso que existe em ambos os axônios de mamíferos e lulas é pensado para ser principalmente devido a um potencial de difusão causado pela separação de carga que resulta como íons K + se difundem para fora em seu gradiente de concentração, deixando para trás os grandes ânions não permeáveis.

      A Equação de Nernst e o Potencial de Equilíbrio

      À medida que os íons K + se difundem para fora seguindo seu gradiente químico (concentração), a parte externa da membrana torna-se cada vez mais positiva, enquanto a parte interna se torna mais negativa. Essa tendência contínua para o K + se difundir para fora é cada vez mais oposta pelo acúmulo de um gradiente elétrico na direção oposta, de fora para dentro. Ou seja, a positividade crescente no lado externo se opõe ao fluxo adicional de K + carregado positivamente para fora, e a negatividade crescente da superfície interna da membrana tende a restringir o escape de K +. Quando o gradiente elétrico aumenta a um ponto em que é suficiente para interromper o fluxo líquido de saída de K +, diz-se que o íon está em equilíbrio eletroquímico.

      A relação entre o gradiente de concentração através da membrana de qualquer íon dado e o potencial da membrana que irá apenas equilibrá-lo no equilíbrio eletroquímico é dada pela relação físico-química conhecida como equação de Nernst. Ele representa o potencial de equilíbrio para aquele tipo iônico específico. A equação de Nernst é comumente usada em uma de duas formas. A segunda equação, derivada da primeira, é freqüentemente preferida porque é mais fácil de trabalhar e sofre pouca perda de precisão.

      E = RT / zF NoC1/ C2 (2-1)

      E= 58 logC1/ C2 (2-2)

      Onde E = potencial de equilíbrio [expresso em volts na Eq. (2-1) e milivolts na Eq. (2-2)]. R = constante de gás universal, 8,32 J mol -1 K -1. z = valência e carga de íon. F = Constante de Faraday, 96.500 C / mol. C1/ C2 = gradiente químico. In = logaritmo natural. log = logaritmo comum.

      61 é usado se a preparação estiver à temperatura corporal (37 o C). 58 é usado se a preparação estiver à temperatura ambiente (20 o C). Os potenciais de equilíbrio calculados por essas equações são ligeiramente diferentes para cada célula nervosa, dependendo se a Eq. (2-1) ou Eq. (2-2) é usado. Isso se deve a erros de arredondamento na conversão da quantidade (RT / zF) Na quantidade 61 log ou 58 log. No entanto, para todos os efeitos práticos, o erro é muito pequeno e pode ser ignorado.

      A equação de Nernst é interpretada desta forma. No axônio da lula, o K + é 20 vezes mais concentrado dentro do que fora e, portanto, tem um gradiente químico direcionado para fora. Seria necessário uma positividade externa de cerca de 76 mV (negatividade interna igual a -76 mV) para equilibrar esse gradiente no equilíbrio eletroquímico e interromper a difusão líquida de K + para fora. Como o RMP do axônio da lula não é tão negativo por dentro, há uma tendência contínua de K + se difundir para fora. Agora considere que um gradiente de cátions de dentro para fora e um gradiente de ânions de fora para dentro serão equilibrados em equilíbrio eletroquímico pela negatividade interna. Da mesma forma, um gradiente de cátions de fora para dentro e um gradiente de ânions de dentro para fora serão equilibrados pela positividade interna. Consequentemente, as seguintes formas da equação de Nernst podem teoricamente prever a magnitude e a polaridade do potencial interno:

      Potenciais de equilíbrio de sódio e potássio

      O potencial de equilíbrio necessário para equilibrar apenas um determinado gradiente químico pode ser teoricamente previsto pela equação de Nernst. Os valores para a célula nervosa de mamíferos e o axônio de lula estão listados abaixo.

      Grande célula nervosa de mamífero ENa + = 68 mV
      EK + = -88 mV

      Axônio gigante da lula ENa + = 56 mV
      EK + = -76 mV

      Lembre-se de que o RMP da grande célula nervosa de mamíferos é -85 mV, enquanto é de cerca de -65 mV no axônio gigante da lula. Uma vez que os potenciais de equilíbrio para K + e Na + listados acima não são os mesmos que os potenciais de membrana em repouso, segue-se que nem K + nem Na + estão realmente em equilíbrio eletroquímico na grande célula nervosa de mamífero, nem no axônio gigante da lula . Sempre que um íon não estiver em equilíbrio eletroquímico, a difusão líquida desse íon ocorrerá e o gradiente químico mudará, a menos que algum outro fator, como o transporte ativo da membrana, atue para restaurar o gradiente. Claro, nas células nervosas descritas aqui, a bomba de Na + / K + faz exatamente isso, e seus respectivos gradientes químicos são mantidos.

      Equilíbrio eletroquímico e o potencial de membrana em repouso

      Nem o Na + nem o K + estão em equilíbrio eletroquímico através da membrana em repouso do neurônio dos mamíferos e do axônio gigante da lula (Fig-11).

      Fig-11

      Para o Na +, observe que os gradientes químicos e elétricos são direcionados para dentro. Para estar em equilíbrio, o interior precisaria ser de cerca de +68 mV no neurônio de mamífero e cerca de +56 mV na lula. E sabemos por gravação de microeletrodos intracelulares que ambos os interiores são negativos na membrana em repouso.

      No caso dos íons K +, o gradiente elétrico é direcionado para dentro enquanto o gradiente químico é direcionado para fora por causa da concentração intracelular de K + relativamente alta. O interior precisaria ser cerca de -88 mV no neurônio mamífero e cerca de -76 mV na lula para que o K + estivesse em equilíbrio eletroquímico. Observe que o RMP medido experimentalmente está muito próximo desses valores em cada caso. Isso é, EK + = -88 mV em comparação com um RMP de -85 mV no axônio do grande nervo de mamíferos, e EK += -76 mV em comparação com um RMP de -65 mV no axônio gigante da lula. É aparente que o K + está quase em equilíbrio eletroquímico através da membrana em repouso de ambas as células. No entanto, os respectivos potenciais de equilíbrio de potássio são ligeiramente mais negativos do que seus potenciais de membrana em repouso. Conseqüentemente, há uma tendência contínua para os íons K + se difundirem para fora.

      O desequilíbrio iônico de sódio e potássio

      Você pode estar se perguntando neste ponto como o Na + / K + & quotpump & quot se encaixa na imagem. Anteriormente, observamos que os gradientes elétricos e químicos do sódio são direcionados para dentro. Além disso, embora a membrana não seja facilmente penetrada pelo Na +, alguns íons ainda assim se cruzam. Por que então o Na + simplesmente não se difunde por seus dois gradientes e atinge o equilíbrio em cada lado da membrana? A resposta está na capacidade da membrana celular de transportar ativamente (bombear) Na + para fora, contra esses dois gradientes.

      No entanto, nem todo esse Na + transportado ativamente permanece do lado de fora, uma vez que uma pequena quantidade vaza de volta para o interior por causa da leve permeabilidade da membrana a esse íon. Pode-se prontamente apreciar, no entanto, que o transporte de Na + para fora e a difusão de Na + para dentro devem corresponder um ao outro em eficácia, uma vez que não há mudança nas concentrações extracelulares e intracelulares desse íon durante o tempo em que a membrana está em repouso Estado.

      No que diz respeito ao K +, lembre-se de que o gradiente químico é externo, enquanto o gradiente elétrico é interno. Esse gradiente elétrico interno, juntamente com o fato de que a membrana transporta ativamente o K + para o interior, é responsável pela alta concentração intracelular de K + encontrada em ambos os tipos de células. Mais uma vez, nem todo o K + transportado ativamente, que é bombeado para dentro, permanece dentro. Por causa do gradiente químico direcionado para fora e da permeabilidade limitada da membrana a esse íon, algum K + se difunde para fora.

      A membrana do axônio do nervo de mamífero em repouso é tipicamente 100 vezes mais permeável ao K + do que ao Na +, enquanto no axônio da lula é observada uma proporção de 25: 1. No entanto, o bombeamento para dentro e a difusão para fora do K + devem, mais uma vez, coincidir, uma vez que não há nenhuma mudança nas concentrações internas e externas desse íon durante o tempo em que a membrana está em estado de repouso.

      A Equação Goldman-Hodgkin-Katz

      Na membrana em repouso, nenhum dos cátions e ânions nas soluções dos dois lados da membrana estão em equilíbrio eletroquímico. Conseqüentemente, eles estão se difundindo através da membrana com diferentes taxas de difusão e em diferentes direções o tempo todo na membrana em repouso. O único momento em que um íon não se difunde é quando (1) está em equilíbrio eletroquímico ou (2) a membrana não é permeável a ele. Consequentemente, uma variedade de separações de carga estão ocorrendo simultaneamente através da membrana, cada uma contribuindo em maior ou menor extensão para o potencial de membrana em repouso medido experimentalmente.

      Hodgkin e Katz, usando uma fórmula desenvolvida anteriormente por Goldman, tentaram prever teoricamente o potencial de membrana em repouso, considerando os efeitos combinados de todos esses íons, incluindo (1) a carga iônica, (2) a direção do gradiente químico e (3) ) a permeabilidade relativa da membrana para cada um.

      onde VM = potencial de membrana, mV. Píon = permeabilidade da membrana para um determinado íon.

      A precisão desta equação em prever os potenciais reais da membrana em repouso depende dos fatores de permeabilidade para cada íon, que são apenas aproximações de seus valores verdadeiros. No entanto, os valores previstos são geralmente muito próximos dos RMPs medidos.

      O exame cuidadoso dessa equação mostrará várias coisas. Primeiro observe que a equação de Goldman-Hodgkin-Katz é uma extensão da equação de Nernst. Uma vez que considera as contribuições coletivas de Na +, K + e CI - gradientes químicos, bem como a permeabilidade relativa da membrana para cada um, o potencial de equilíbrio integrado que a equação prevê é, pelo menos teoricamente, uma grande aproximação do próprio RMP. A previsão teórica que esta equação faz para o RMP da grande célula nervosa de mamíferos à temperatura corporal e o axônio gigante da lula à temperatura ambiente é dada abaixo.

      Grande célula nervosa de mamífero

      VM = -61 log (0,01) +1400 (1) + 120 (2) / 130 (0,01) + 5 (1) + 4 (2) = -87 mV

      VM = - log 50 (0,04) + 400 (1) + 540 (0,45) /460(0,04) + 20 (1) + 50 (0,45) = -59 mV

      O POTENCIAL DE AÇÃO E O IMPULSO

      Anteriormente, observamos que, quando uma única área da membrana axonal é estimulada, ela fica excitada e sofre uma mudança elétrica rápida e reversível chamada de potencial de ação. E lembre-se ainda de que esse potencial de ação se propaga como um impulso contínuo por todo o comprimento do axônio. Vamos agora examinar as mudanças que ocorrem no neurônio durante o potencial de ação.

      O potencial de ação resulta de uma mudança repentina no potencial de membrana em repouso (uma condição necessária para a condução do impulso). Para ilustrar esse ponto, geralmente é conveniente em condições experimentais de laboratório estimular o neurônio em algum ponto de seu axônio. Você deve reconhecer que esta não é uma situação normal. Os neurônios raramente são estimulados em seus axônios in vivo. Em vez disso, eles são estimulados a produzir potenciais de ação in vivo por meio de (1) potenciais geradores de receptores sensoriais, (2) neurotransmissores de terminais pré-sinápticos em sinapses e (3) correntes locais. No entanto, um potencial de ação ainda é um potencial de ação, não importa onde ou como é produzido e o axônio é geralmente muito mais acessível em situações experimentais do que o resto do neurônio.

      A esta altura, você deve estar ciente de que a membrana em repouso é uma membrana polarizada. Ou seja, ao contrário das cargas são separadas na membrana com o interior negativo e o exterior positivo. Quando a membrana é estimulada por um estimulador eletrônico no laboratório, seu potencial de membrana em repouso começa a diminuir. Ou seja, torna-se menos negativo e, portanto, menos polarizado. Se for despolarizado a um nível crítico conhecido como limiar de excitação, um potencial de ação será produzido no ponto de estimulação. Uma vez que o potencial da membrana é despolarizado para o limiar de excitação, seus canais de Na + (rotas através das quais os íons Na + cruzam a membrana) abrem repentinamente e um tremendo aumento na condutância do Na + g & quot ,, + ocorre com os íons Na + agora livres para se difundir para baixo seus gradientes químicos e elétricos. Isso é chamado de ativação de sódio. Você deve notar que a condutância g é o análogo elétrico da permeabilidade P. Portanto, também é apropriado dizer que há um aumento repentino e acentuado na permeabilidade ao sódio na parte da membrana quando o limiar de excitação é atingido.

      Como os íons Na + carregados positivamente se difundem repentinamente para dentro, o RMP é muito perturbado no local da estimulação. O Na + carregado positivamente suficiente é removido da superfície externa da membrana imediata e transferido para a superfície interna da membrana imediata para eliminar totalmente a negatividade interna e substituí-la por positividade. A medição agora registraria um potencial invertido, mostrando o interior agora positivo em relação ao exterior. Veremos mais tarde que apenas alguns picomoles de Na + realmente precisam se difundir para dentro para alterar o potencial de membrana em 125 mV, ou seja, de um RMP de -85 mV para um potencial reverso de +40 mV no grande neurônio de mamífero ou um RMP de -65 mV a um potencial reverso de +55 mV no axônio gigante da lula.

      Este potencial local invertido não pode durar. Mesmo antes de o líquido intracelular atingir sua positividade máxima, os canais de membrana locais para K + se abrem, causando um grande aumento na permeabilidade da membrana ao K + com um aumento resultante em gK + e carregando cargas positivas para o exterior por seus gradientes químicos e elétricos. Ao mesmo tempo, há uma redução acentuada na gNa +. Isso, juntamente com o aumento substancial no fluxo de saída de K +, é suficiente não apenas para eliminar a positividade interna causada pelo influxo de Na +, mas também para restaurar o potencial de membrana em repouso original.

      É importante entender que a despolarização ocasionada pelo influxo de Na + e a repolarização ocasionada pela saída de K + ocorrem localmente. Ou seja, eles ocorrem apenas na seção do axônio que é inicialmente estimulada. Todo o potencial de ação, incluindo a despolarização para o potencial reverso e a repolarização de volta para o potencial de membrana em repouso, acontece muito rapidamente, exigindo não mais do que alguns milissegundos.

      O potencial de ação envolve uma transferência muito pequena de íons

      A capacitância de uma membrana de célula nervosa típica foi estimada em 1 F / cm 2, portanto, o número de cargas que precisam ser transferidas através do capacitor de membrana para alterar seu potencial em 125 mV é dado por

      = (10 -6 F / cm 2) (1,25 x 10 -1 V). = 1,25 x 10 -7 C / cm 2

      Agora, o número de íons de sódio que precisam se difundir para dentro a fim de transferir 1,25 x 10 -7 C de carga do fluido extracelular, através de um centímetro quadrado de membrana, para dentro pode ser calculado a partir da constante de Faraday.

      Número de moles transferidos por centímetro quadrado = cargas de membrana transferidas por centímetro quadrado x (1 / constante de Faraday)

      = (1,25 x 10 -7 C / cm 2) (1 x 10 -5 mol / C)

      Esses poucos picomoles que se difundem para dentro durante a despolarização da membrana para o estágio de potencial reverso são tão insignificantemente poucos em uma fibra nervosa de grande diâmetro que eles não causam virtualmente nenhuma mudança nas concentrações mensuráveis ​​de sódio extracelular ou intracelular. Da mesma forma, a difusão para fora de 1,25 pmol de K + por centímetro quadrado é suficiente para repolarizar a membrana de volta ao nível de repouso, e ainda esta perda de K + intracelular é tão insignificante que deixa virtualmente inalteradas as concentrações de K + extracelular e intracelular. Obviamente, quanto menor a fibra, maior será a mudança nas concentrações intracelulares desses íons. Mesmo assim, a mudança seria insignificantemente pequena. Em qualquer caso, as células nervosas são constantemente recarregadas pelo transporte ativo para fora dos poucos picomoles de Na + que se difundem para dentro durante a despolarização, e pelo transporte ativo para dentro dos poucos picomoles de K + que se difundem para fora durante a despolarização. A recarga permite que os neurônios conduzam um número virtualmente ilimitado de impulsos sem produzir mudanças nas concentrações iônicas que são vitais para manter sua excitabilidade.

      Como exercício teórico, você pode calcular a pequena porcentagem de K + interno que precisa se difundir para fora a fim de repolarizar a membrana, considerando que o axônio é um cilindro de diâmetro uniforme. Por exemplo, considere um grande axônio do nervo de mamífero com um diâmetro de 20 m (2 x 10 -3 cm) e uma concentração intracelular de K + igual a 140 mmol / L.

      Porcentagem de K + intracelular difundindo para fora = (número de moles de K + difundindo-se através de um determinado comprimento de axônio / número de moles de K + no axoplasma para um determinado comprimento de axônio) x 100

      = (7,9 x 10 -15 mol / 4,4 X 10 -10 mol) x 100

      Durante o restante de nossa discussão sobre os eventos associados ao potencial de ação, examinaremos exclusivamente o trabalho feito com o axônio gigante da lula. Você realmente não perde nada ao abandonar por enquanto o axônio dos mamíferos em favor de se concentrar no axônio da lula. Na verdade. muito pelo contrário, você tem uma noção real do trabalho de Hodgkin e Huxley no desenvolvimento dos princípios que aceitamos com tanta facilidade hoje.

      Condutância de sódio e potássio

      Usando uma técnica chamada grampo de voltagem, Hodgkin e Huxley calcularam o curso de tempo da condutância de sódio e potássio. g & quoto

      ', bem como a corrente de sódio e potássio, I & quot & quot T e I I (

      , durante um potencial de ação. Examinaremos essa técnica mais tarde, mas por enquanto consideramos as relações calculadas com o tempo durante o potencial de ação ilustrado na Fig-12.

      Fig-12

      O potencial de ação retratado aqui sofreu uma mudança repentina, mas reversível, em seu potencial de membrana. Observe que o valor inicial do RMP e o valor final do potencial reverso não são indicados. Em vez disso, tudo o que vemos é a magnitude da despolarização da primeira para a segunda. Observe que quando o potencial de membrana despolarizou em cerca de 10 mV (presumivelmente até o limite de excitação), há um aumento repentino e grande em g N / D+ a cerca de 30 mS / cm 2 Isso é responsável pela mudança grande e repentina no potencial de membrana. Observe ainda que este grande aumento em g & quot & quot - é transitório e a condutividade retorna dentro de alguns milissegundos para praticamente zero. Enquanto isso, um aumento mais lento no g K+ a cerca de 12 mS / cm 2, que começou antes mesmo de o potencial de membrana atingir seu potencial reverso máximo. promove a repolarização da membrana. Consequentemente, o potencial da membrana muda mais uma vez para o nível de repouso. Na verdade, a membrana frequentemente hiperpolariza além do nível de repouso em alguns milivolts antes de retornar gradualmente ao nível de repouso após vários milissegundos. Este lento retorno ao nível de repouso é chamado de pós-potencial. O rápido aumento e queda no potencial de membrana é chamado de pico ou potencial de pico. No entanto, o potencial de ação inclui o potencial de pico e o pós-potencial.

      Durante o potencial reverso, o axoplasma imediatamente dentro da área estimulada da membrana torna-se temporariamente positivo, enquanto o axoplasma adjacente ainda é negativo. Da mesma forma, o fluido extracelular imediatamente fora da área estimulada é temporariamente negativo, enquanto o fluido extracelular adjacente ainda é positivo. Assim, gradientes de carga existem lado a lado e uma pequena corrente começa a fluir em um circuito através da membrana. A direção desta corrente é para dentro através das áreas despolarizadas, lateralmente através do axoplasma adjacente, para fora através do segmento de membrana ainda polarizada adjacente imediatamente adjacente à área despolarizada, lateralmente para trás através do fluido extracelular e para dentro mais uma vez através da área despolarizada. O caminho desta corrente local é ilustrado na Fig-13.

      Fig-13

      À medida que a corrente local flui para fora através da membrana adjacente ainda polarizada, a membrana neste ponto começa a despolarizar. Depois de despolarizado para o limiar de excitação, os canais de sódio abrem repentinamente e o aumento resultante em g N / D+ faz com que o agora familiar potencial de ação ocorra naquele ponto da membrana. Subseqüentemente, conforme esse novo potencial de ação se desenvolve, uma nova corrente local fluirá dele para o próximo segmento de membrana adjacente, despolarizando-o e propagando um impulso contínuo ao longo do axônio.

      É claro que, se o axônio for estimulado em algum ponto ao longo de seu comprimento, a corrente local se espalhará em ambas as direções, afastando-se do local do estímulo, e um impulso viajará em ambas as direções. Você deve sempre ter em mente que esta condição (impulso espalhado em ambas as direções) ocorre apenas nas preparações de laboratório quando os neurônios são estimulados ao longo de seus axônios. Como apontamos anteriormente, os neurônios raramente são estimulados em seus axônios in vivo. Em vez disso, eles são estimulados em zonas dendríticas para produzir potenciais de ação por meio de potenciais geradores de receptores sensoriais e neurotransmissores de terminais pré-sinápticos nas sinapses. Nos axônios, as correntes locais que viajam à frente dos potenciais de ação propagados são responsáveis. Em todas essas situações de estímulo que ocorrem naturalmente, as correntes locais e, portanto, os potenciais de ação propagados viajam em apenas uma direção. Essa direção é em direção aos ramos terminais do axônio.

      Aproximadamente 0,5 ms após a despolarização da área local da membrana, ela começa a repolarizar como resultado do aumento progressivo de g K+. Assim, o impulso que desce um axônio é seguido cerca de 0,5 ms depois por uma onda de repolarização, à medida que cada segmento de membrana seguinte começa a se repolarizar.

      Propagação de Potenciais de Ação em Neurônios Mielinizados

      Os neurônios mielinizados propagam potenciais de ação com os mesmos tipos de movimentos iônicos que os neurônios não mielinizados que acabamos de descrever. A diferença fundamental é que a corrente local flui através da membrana apenas nos nós de Ranvier. Esses nós são as interrupções na bainha que envolve os axônios de todos os neurônios mielinizados. A corrente flui através da membrana apenas nesses nós porque eles representam áreas de resistência elétrica relativamente baixa, enquanto os internódios mielinizados oferecem resistência relativamente alta ao fluxo de corrente. Conseqüentemente, quando um neurônio mielinizado é estimulado e um potencial de ação é gerado, a corrente local que flui através do axoplasma adjacente passará pelo primeiro nó em vez de pela próxima área adjacente da membrana. Uma comparação da natureza do fluxo de corrente local em axônios mielinizados e não mielinizados é ilustrada na Fig-14.

      Fig-14

      Em um neurônio não mielinizado, a corrente local deve despolarizar cada área adjacente da membrana - um processo relativamente demorado. Uma vez que o impulso prossegue tão rapidamente quanto a propagação da corrente local, essa necessidade de despolarizar cada área adjacente da membrana impõe restrições necessárias à velocidade de condução. Os neurônios mielinizados, por outro lado, têm uma vantagem que os habilita a conduzir impulsos com uma velocidade muito maior. Como a corrente local não precisa despolarizar cada área adjacente da membrana, os impulsos viajam ao longo do axônio a uma velocidade muito acelerada. Isso é chamado de condução saltatória.

      Diâmetro da fibra e velocidade de condução

      A velocidade de condução é aproximadamente proporcional ao diâmetro da fibra. Quanto maior for o diâmetro do axônio, maior será a velocidade de condução. Isso ocorre porque quanto maior o diâmetro, maior será a área da seção transversal do axoplasma e, portanto, menor será sua resistência elétrica. Assim, uma grande corrente local se espalhará mais ao longo do axoplasma antes de fluir para fora através da membrana para completar o circuito. Conseqüentemente, um comprimento maior de membrana axonal será despolarizado mais rapidamente e os potenciais de ação serão propagados a uma velocidade maior. Se pensarmos em um comprimento de axônio como tendo uma área transversal uniforme, a resistência axoplasmática interna ao fluxo de corrente pode ser calculada usando as mesmas suposições subjacentes à resistência em um comprimento de fio.

      Onde Reu= resistência axoplasmática por unidade de comprimento de axônio, & # 8486 / cm reu = resistividade axoplasmática, & # 8486 / cm raio = raio do axônio, cm

      A CORRENTE LOCAL: UM EXAME MAIS PRÓXIMO

      Um ponto importante a se considerar é que um potencial de ação não pode se propagar um segundo sem a contribuição da corrente local. Assim, fica claro que a corrente local desempenha um papel crucial no processo de condução do impulso. O fluxo de corrente no axônio foi comparado ao fluxo de corrente em um grande cabo submarino. Ambos são compostos por um longo núcleo condutor (o axoplasma no neurônio) rodeado por um isolante (a membrana neuronal) e imerso em um condutor de grande volume (o fluido extracelular neuronal). O axônio, entretanto, se comporta como um cabo com vazamento, pois a corrente não apenas flui através do axoplasma, mas também vaza através da membrana. Como as mesmas regras elétricas se aplicam ao fluxo de corrente no cabo e no axônio, os neurofisiologistas costumam falar das propriedades do cabo do axônio.

      A corrente que se espalha com o impulso é uma corrente ativa. A corrente local que estivemos discutindo é, em contraste, uma corrente passiva, e sua propagação depende apenas de parâmetros elétricos do material condutor, como a resistência e a capacitância de uma unidade de comprimento de axônio. Essas propriedades passivas ou de cabo do axônio determinam a extensão e a magnitude da corrente local.

      A corrente local se espalha apenas por uma distância muito curta através do axoplasma antes de fluir pela membrana, despolarizando-a parcialmente e produzindo um potencial eletrotônico (Fig-19). Os potenciais eletrotônicos podem ser observados apenas quando o grau de estimulação é subliminar porque, uma vez que o limiar de excitação é alcançado, o pequeno potencial eletrotônico é obliterado pelas grandes mudanças de potencial associadas ao potencial de ação muito maior.

      Fig-15

      O potencial eletrotônico é a diferença entre o potencial de membrana subliminar em qualquer momento e o potencial de membrana em repouso. À medida que os potenciais de ação são propagados pelo axônio, as correntes locais podem ser visualizadas como precedendo-os, despolarizando cada segmento de membrana em repouso recém-encontrado e estabelecendo potenciais eletrotônicos que atingem o limiar e produzem potenciais de ação adicionais (Fig-15).

      Propriedades Elétricas da Membrana e Fluidos Circundantes

      Muitas vezes é útil imaginar a membrana e os fluidos circundantes como um circuito elétrico, a fim de compreender o fluxo de corrente local e o potencial eletrotônico que ele produz. Os pesquisadores também devem ao trabalho de Hodgkin por nossos modelos elétricos do axônio. Ele imaginou a membrana como composta por um número infinito de "remendos" eletrotônicos, com cada remendo composto de uma resistência e capacitância em paralelo rodeado por fluidos intracelulares e extracelulares, ambos oferecendo resistência em série ao fluxo da corrente local (Fig-16).

      Fig-16

      Corrente Iônica e Capacitiva

      Eletricamente, a membrana pode ser considerada uma resistência e uma capacitância em paralelo. A resistência da membrana RM representa a dificuldade encontrada pelos íons na difusão através de seus respectivos canais de membrana, enquanto a capacitância da membrana CM representa a carga que existe através da membrana a qualquer momento. Agora lembre-se de que o fluxo de corrente em sistemas biológicos consiste em mover cargas transportadas por íons. Portanto, tanto as correntes capacitivas quanto as iônicas representam o fluxo da carga iônica. Corrente iônica Ieu é a carga transportada por íons conforme eles fluem através de seus respectivos canais iônicos na membrana. A dificuldade que eles encontram ao passar por esses canais de um lado para o outro da membrana é representada pela resistência da membrana RM . Corrente capacitiva Ic, por outro lado, não representa o fluxo real de íons através da membrana. Sua explicação é um pouco mais sutil. Se os íons positivos fluírem através do axoplasma para o interior da membrana, eles neutralizarão alguns dos íons negativos que já estão lá. Isso irá liberar alguns dos íons positivos do exterior imediato da membrana para fluir, uma vez que eles não estão mais presos ao capacitor de membrana. Assim, os íons positivos se moveram para cima e para longe da membrana. Assim, a corrente, na verdade, viajou para fora através da membrana, embora nenhum íon real tenha cruzado de um lado para o outro. Lembre-se daquela corrente capacitiva Ic flui apenas enquanto um capacitor está sendo carregado ou descarregado. As correntes iônicas e capacitivas são ilustradas na Fig-17.

      Fig-17

      A natureza da corrente local

      Quando o local da membrana local sofre um potencial de ação, uma corrente local flui, estabelecendo um potencial eletrotônico na próxima área adjacente da membrana. Quando este potencial eletrotônico atinge o limite de excitação, gN / D + aumentará repentinamente e um segundo potencial de ação será gerado, obliterando o potencial eletrotônico e a corrente local. Infelizmente para os experimentadores, os potenciais de ação se propagam tão rapidamente que não há tempo suficiente para estudar a própria corrente local. No entanto, se a membrana é estimulada a um nível subliminar e mantida lá, a natureza e o curso do tempo da corrente local podem ser estudados.

      Uma maneira conveniente de fazer isso é penetrar um axônio com um microeletrodo despolarizante. Desta forma, um nível constante, mas sublimiar, de corrente despolarizante (positiva) pode ser liberado internamente. Mantendo o nível de estimulação estável e sublimiar, e registrando as mudanças potenciais da membrana em várias distâncias do local de estimulação, pode-se examinar a magnitude, distância e curso de tempo da propagação da corrente local. Considere o circuito de membrana ilustrado na Fig-18. Um microeletrodo despolarizante foi colocado no axoplasma no patch A enquanto os microeletrodos de gravação foram inseridos nos patches B, C e D. Suponha que uma corrente despolarizante sublimiar constante seja aplicada no patch A. Uma corrente local fluirá agora do menos negativo região próxima à ponta do microeletrodo despolarizante para as regiões ainda polarizadas (mais negativas) do axoplasma nos fragmentos B, C e D antes de fluir para fora através da membrana para completar o circuito.

      Fig-18

      A partir de discussões anteriores, sabemos que o fluxo de corrente através da membrana é capacitivo e iônico. Ambos os tipos fluem no circuito acima. Quando a corrente é aplicada pela primeira vez ao axoplasma no remendo A, a maior parte dela inicialmente vai para a descarga do CM no patch A. Portanto Ic flui para fora através da membrana no patch A. Inicialmente, não eueu flui para fora através do remendo A porque não há força motriz líquida através da membrana. Mas à medida que o potencial transmembrana é alterado de seu nível de repouso (RMP) e um potencial eletrotônico é desenvolvido, uma força motriz líquida é construída através da membrana. Uma vez que o capacitor de membrana no patch A foi carregado até o nível da corrente despolarizante constante no patch A, Ic pára e o fluxo de corrente subsequente para fora através da membrana no patch A é puramente iônico (eueu) Nem toda a corrente do microeletrodo despolarizante torna-se para fora Ic e eueu no patch A. Alguns, progressivamente menos, continuam a fluir através da resistência axoplasmática interna Reupara primeiro se tornar capacitivo e, em seguida, corrente iônica através dos remendos de membrana B, C e D.

      Como a voltagem cai (diminui) conforme a corrente flui através de comprimentos cada vez mais distantes da resistência axoplasmática, os capacitores de membrana nos fragmentos B, C e D são progressivamente menos completamente descarregados e exibem potenciais eletrotônicos cada vez menores. Isso é ilustrado pelas mudanças de tensão progressivamente diminuídas registradas pelos eletrodos nos patches B, C e D. Lembre-se de que a corrente segue o caminho de menor resistência, portanto, a maior parte da corrente flui através da membrana no patch A com alcance progressivamente menor e subsequentemente atravessando pontos mais distantes na membrana. A distâncias suficientemente grandes, além do alcance da corrente local, nenhum potencial eletrotônico é estabelecido e o potencial de membrana em repouso permanece inalterado.

      Geometria do axônio e a corrente local

      O potencial eletrotônico diminui exponencialmente com a distância do local ativo (estimulado) de acordo com um valor conhecido como constante de comprimento & # 955.

      λ = [RM / (Reu+ Re)] 1/2 onde & # 955 = constante de comprimento [a distância na qual o potencial eletrotônico diminui para 1 /e (37 por cento) de seu valor máximo], cm

      RM = resistência da membrana por unidade de comprimento de axônio, & # 8486. cm

      Reu = resistência axoplasmática por unidade de comprimento de axônio, & # 8486 / cm

      Re = resistência ao fluido extracelular por unidade de comprimento do axônio, & # 8486 / cm

      Por causa do volume relativamente grande do fluido extracelular, sua resistência ao fluxo de corrente é muito pequena e pode ser removida efetivamente da equação acima, deixando a relação simples abaixo.

      A constante de comprimento é uma medida de até que ponto a corrente local se espalha ao longo do axônio na frente do potencial de ação. Lembre-se de que os potenciais de ação dão origem a correntes locais in vivo, enquanto na situação experimental que acabamos de descrever, o microeletrodo despolarizante deu origem à corrente local. Em qualquer caso, quanto mais longa for a constante de comprimento, mais longe a corrente local se espalhará através do axônio, produzindo potenciais eletrotônicos progressivamente menores antes de morrer.

      Vamos agora examinar os fatores que determinam os valores de RM e Reu uma vez que estes determinam o valor da constante de comprimento. Se pensarmos em um comprimento de axônio como tendo uma área transversal uniforme, podemos calcular Reu do seguinte modo:

      Onde Reu = resistência axoplasmática por unidade de comprimento de axônio, & # 8486 / cm reu = resistividade axoplasmática, & # 8486 .cm raio = raio do axônio, cm

      A resistência transversal através da membrana para um determinado comprimento de axônio é:

      Onde RM = resistência da membrana por unidade de comprimento de axônio, & # 8486 / cm rM= resistência específica da membrana, & # 8486 / cm 2

      Observe que aumentar o raio do axônio diminui tanto o Reu e RM mas há uma diminuição proporcional maior em Reu . Consequentemente, a constante de comprimento aumenta com o diâmetro do axônio. Uma constante de comprimento longo significa que segmentos maiores de membrana adjacente serão despolarizados mais rapidamente. Assim, como já ressaltado, quanto maior o diâmetro do axônio, maior a velocidade de condução do impulso. A maioria dos aspectos da corrente local são ilustrados na Fig-19.

      Fig-19

      OS EXPERIMENTOS DE BRAÇADEIRA DE TENSÃO DE HODGKIN E HUXLEY

      Você deve estar completamente familiarizado agora com a relação entre a corrente local e o potencial de ação. Você também deve estar ciente de que, quando o potencial de ação é iniciado, várias variáveis ​​de membrana mudam rapidamente em função do tempo. Estes são potencial, condutância e corrente. Agora lembre-se de que a relação da lei de Ohm entre eles é expressa por:

      g = I / V Onde g = condutância, S eu = atual, A V = potencial, V

      O exame desta relação mostra que g varia em função de eu e V. Hodgkin e Huxley começaram a determinar as mudanças na condutância da membrana gM durante o potencial de ação. O problema deles era que tanto a corrente de membrana euM e o potencial de membrana VM também estão mudando constantemente durante o potencial de ação. Agora, se uma dessas variáveis ​​pudesse ser mantida constante durante o potencial de ação (ou seja, VM), medição de euM permitiria que eles calculassem gM a qualquer momento. Isso é o que a técnica do grampo de tensão permitiu que eles fizessem. Uma configuração de grampo de tensão é esquematicamente ilustrada na Fig-20.

      Fig-20

      O sistema funciona assim. O experimentador decide sobre uma voltagem que gostaria de produzir através da membrana e, em seguida, define esta "voltagem de comando" em uma fonte de voltagem externa em A (VUMA) O microeletrodo de gravação de voltagem em B detecta qualquer voltagem existente atualmente através da membrana (VB) e envia este sinal para o amplificador diferencial.O sinal da fonte de tensão de comando também é transferido para o amplificador diferencial. Agora, um amplificador diferencial não produz nenhuma saída se as tensões em suas duas entradas forem iguais (VUMA = VB) Mas se eles não são iguais (VUMAVB), o amplificador enviará qualquer corrente necessária para o eletrodo de passagem de corrente intracelular em C, a fim de alterar a voltagem da membrana registrada pelo microeletrodo de gravação em B até que seja igual à voltagem de comando. Assim que VUMA é igual a VB, o amplificador interrompe sua saída.

      O amplificador diferencial altera efetivamente a voltagem através da membrana, enviando uma corrente através da membrana do eletrodo de passagem de corrente para o eletrodo de registro de corrente em D. No curso de cruzar uma membrana, a corrente descarrega o capacitor de membrana e, portanto, a voltagem de membrana . Esta tensão alterada é enviada ao amplificador diferencial para comparação com a tensão de comando. Consequentemente, o experimentador pode "marcar" qualquer voltagem desejada através da membrana e, ainda mais importante, manter o potencial de membrana nesse nível.

      Agora vamos examinar uma situação experimental. Suponha que o RMP de um axônio de lula gigante seja de -65 mV e o experimentador deseja "fixar" a voltagem em -9 mV. A tensão de comando é primeiro ajustada em -9 mV. Dentro de microssegundos da aplicação da tensão de comando, o amplificador diferencial passará corrente suficiente através da membrana para diminuir o RMP em 56 mV para o nível definido de -9 mV. Uma vez que o potencial da membrana excedeu em muito o limite de excitação, os canais de Na + se abrem, mas por causa do grampo de voltagem nenhuma mudança real no potencial da membrana é observada. No entanto, os íons Na + se difundem para dentro em seu gradiente químico. Ao fazer isso, o diferencial varia sua saída de corrente proporcionalmente para evitar que o influxo de Na + altere a condição que o amplificador foi projetado para preservar (VUMA = VB) Um pouco mais tarde, os canais de K + abrem e o amplificador diferencial mais uma vez varia sua saída de corrente proporcionalmente para evitar que o fluxo de saída de K + altere a condição de travamento ( VUMA = VB) .

      Leva apenas alguns microssegundos para o grampo de tensão fixar o potencial da membrana em -9 mV, uma vez que a tensão de comando é aplicada pela primeira vez. Portanto, quaisquer mudanças de corrente subsequentes detectadas pelo eletrodo de detecção de corrente (D) são em resposta a, e na direção oposta de, quaisquer correntes iônicas que cruzam a membrana com entrada de Na + e saída de K +.

      Os resultados obtidos por Hodgkin e Huxley quando despolarizaram a membrana do axônio gigante da lula em 56 mV estão ilustrados na Fig-21. Observe que a corrente da membrana euM é primeiro para dentro (presumivelmente transportado por Na +) e depois para fora (presumivelmente transportado por K +).

      Fig-21 Fig-22

      Correntes de sódio e potássio

      Quando o axônio gigante da lula é banhado pela água do mar, uma solução semelhante ao seu fluido extracelular, e então estimulado até seu limite de excitação, o euM é primeiro direcionado para dentro e depois para fora (Fig-22). A contribuição do Na + para o euM poderia concebivelmente ser eliminado se o Na + extracelular fosse reduzido ao nível do axoplasma, pois isso eliminaria o gradiente químico que alimenta o influxo. Hodgkin e Huxley fizeram isso e obtiveram os resultados na Fig-22. Observe que após a redução do Na + extracelular para níveis axoplasmáticos, o fluxo de corrente após a estimulação tem apenas um componente externo. Esta corrente é presumivelmente devida quase exclusivamente ao fluxo de saída de K + e representa a corrente de potássio euK+. Assim, a corrente de sódio euN / D+ é calculado subtraindo o euK+ do euM. Presumivelmente euM= euK + - euN / D + .

      Depois de registrar as correntes iônicas individuais em relação a uma voltagem fixa, era simples usar a lei de Ohm para calcular matematicamente as condutâncias iônicas individuais e, em seguida, representá-las em função do tempo. Eles desenvolveram as seguintes equações para fazer isso e, em seguida, plotaram os resultados na Fig-23.

      Fig-23

      Onde g íon = condução iônica, mS / cm 2 euíon = corrente iônica, mA / cm 2 VM = potencial de membrana, mV Eíon = potencial de equilíbrio iônico, mV

      Componentes elétricos do potencial de ação

      Um potencial de ação se propaga um segundo por meio da corrente local. A corrente local despolariza a membrana adjacente ao limiar de excitação, momento em que ocorrem mudanças rápidas, mas reversíveis em g N / D+, eu N / D +, e euK +, resultando no potencial de ação familiar. A Fig-24 ilustra o curso do tempo de todos esses eventos ocorrendo em um único local finito, conforme foram calculados por Hodgkin e Huxley para os dados que coletaram com os experimentos de fixação de tensão.

      Agora vamos examinar as várias mudanças elétricas que ocorrem em um único local do axônio à medida que o impulso chega a esse local, passa por ele e, em seguida, prossegue ao longo do comprimento do axônio. Usando a Fig-24, resumiremos as mudanças durante oito segmentos de tempo instantâneos, começando com a membrana em repouso antes da chegada do impulso.

      UMA A membrana está em estado de repouso, pois o impulso que se aproxima ainda não atingiu este ponto no axônio. g K+ é maior que g N / D+ e euM é pequeno.

      B O impulso que se aproxima está se aproximando da seção do axônio local e a corrente local que viaja na frente dele está começando a despolarizar a membrana e causando uma saída inicial euc. g K+ ainda é maior que g N / D+. o euc contas para todos os euM Neste momento.

      C O exterior euc causado pela corrente local despolarizou a membrana em cerca de 10 mV até o limite de excitação. Os canais de Na + estão se abrindo de modo que a difusão de Na + para dentro e de K + para fora é igual. Assim eu N / D + e euK + são temporariamente iguais e opostos. Esta é uma condição instável e a membrana está no limite.

      D o g N / D+ agora é consideravelmente maior do que g K+ e o interior eu N / D + agora excede o exterior euK + e é responsável pela direção geral para dentro do eueu. o eueu está descarregando o capacitor de membrana à medida que ele flui para dentro, despolarizando a membrana.

      E A membrana encontra-se no auge de sua despolarização, tendo estabelecido seu potencial reverso máximo. o g N / D+ e eu N / D + começaram a diminuir enquanto o g K+ e euK + começaram a aumentar. o eu N / D + e euK + são iguais e opostos.

      F o g N / D+ diminuiu para onde é igual ao aumento g K+. Mas agora o exterior euK + excede o interior eu N / D + e, portanto, o If é direcionado para fora. Isso é combatido por um oposto, mas menos do que igual, dirigido internamente Ic. Daí o euM agora é direcionado para fora.

      G o g K+ agora excede em muito o g N / D+ e o euK + ainda excede o eu N / D + Assim, o eueu ainda está direcionado para fora. Desde o exterior eueu ainda excede ligeiramente o interior Ic, a euM é pequeno, mas ainda dirigido para fora. A membrana continua a se repolarizar.

      H o g K+ e euK + ainda são maiores do que seus níveis de repouso, enquanto o g N / D+ agora está ainda mais baixo do que seu nível de repouso. Daí o potencial de membrana VM é conduzido em direção ao potencial de equilíbrio de potássio EK + produzindo o pós-potencial hiperpolarizado.

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      O que é potencial de membrana? (com fotos)

      Um potencial de membrana é a voltagem que existe através da membrana de uma célula. Também é conhecido como potencial transmembrana e é particularmente importante nas células nervosas ou neurônios. O potencial de membrana é causado por uma diferença de potencial elétrico entre o interior e o exterior da célula. Quando um neurônio está em repouso, o que significa que não está disparando um impulso nervoso, o interior de sua membrana celular tem uma carga negativa quando comparado ao exterior da célula. Isso resulta de diferentes concentrações de íons carregados imediatamente dentro e fora da membrana.

      Os potenciais de membrana surgem porque as membranas celulares não permitem que os íons sódio e potássio passem livremente para dentro e para fora das células e atinjam um equilíbrio. Em vez disso, passagens especiais conhecidas como canais iônicos permitem que os íons de potássio se movam através da membrana celular, reduzindo a carga positiva dentro da célula. As bombas de íons na membrana usam energia para bombear íons de sódio para fora da célula, enquanto bombeiam potássio para dentro. Para cada par de íons de potássio que são movidos para dentro da célula por esses transportadores de íons, três íons de sódio são movidos para fora, causando uma perda geral de carga positiva da célula. Moléculas de proteína carregadas negativamente dentro da célula também são impedidas de sair.

      Juntos, esses fatores criam uma carga negativa dentro da célula em relação ao exterior, que forma o potencial de membrana. O potencial é constante em repouso, mas muda nas células nervosas quando os impulsos são transmitidos de um neurônio para outro. Durante a transmissão dos impulsos nervosos, ocorre o que se conhece como potencial de ação, onde a membrana celular passa por um processo denominado despolarização. Após o potencial de ação, o potencial de membrana retorna ao seu estado normal de repouso, que normalmente é medido como uma diferença de -70 milivolts entre o interior e o exterior da membrana.

      O potencial de ação começa quando um estímulo nervoso chega à célula, abrindo canais especiais de sódio na membrana celular. Íons de sódio com carga positiva passam para a célula e o potencial de membrana muda, tornando-se menos negativo. Quando um ponto conhecido como limiar de ação é atingido, muitos mais canais de sódio se abrem e o interior da membrana celular torna-se carregado positivamente, o inverso do normal.

      Perto do pico do potencial de ação, os canais de potássio se abrem e o potássio flui para fora da célula. Isso torna o interior da célula mais negativo, de modo que a membrana é repolarizada. Os canais de sódio também fecham nessa época. Normalmente, a repolarização supera e gradualmente retorna ao potencial normal de membrana em repouso. Esse processo de reverter o potencial de membrana para criar um potencial de ação é o que permite que os impulsos sejam transmitidos ao longo dos nervos.


      Voltagem de uma célula nervosa

      A comunicação por neurônios depende de duas coisas. Um deles é uma voltagem elétrica conhecida como potencial de membrana em repouso (RMP) através da membrana. Como o interior de uma célula é negativo em relação ao exterior, o resultado é uma voltagem através da membrana.

      A voltagem através da membrana plasmática das células do corpo é geralmente entre & # 872220 a & # 8722200 milivolts (mV). O sinal negativo significa que o interior é negativo em relação ao exterior. Quanto maior for a diferença de carga na membrana, maior será a voltagem. O potencial de membrana em repouso (RMP) para células nervosas é de & # 872240 mV a & # 872290 mV. O valor mais comum é & # 872270 mV, e diz-se que a membrana está polarizada.

      Os íons que carregam a maior parte da corrente fluem através da membrana através dos canais iônicos. Dois fatores contribuem para o potencial de membrana em repouso: a distribuição de íons através da membrana plasmática e a permeabilidade relativa da membrana ao Na (sódio) e K (potássio). Essa tensão é estabelecida quando o Na que se difunde para dentro é bombeado para fora e o K que se difunde para fora é bombeado de volta.

      Quando ocorre um potencial de ação, dois canais de íons dependentes de voltagem abrem e fecham, um para Na e outro para K. Quando o canal de Na voltagem aberto, ocorre a despolarização. E a abertura dos canais dependentes de voltagem K e o fechamento dos canais voltados para Na causam repolarização. Ambas as fases ocorrem em apenas alguns milissegundos. Durante um potencial de ação, a voltagem interna da célula vai de seu potencial de repouso (& # 872270 mV) para um valor positivo. No entanto, ele volta ao seu potencial de repouso imediatamente.


      Assista o vídeo: Relação entre tensão e corrente. (Fevereiro 2023).