Potencial de ação

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A. Uma visão esquemática do potencial de ação idealizado. Ilustra as suas várias fases à medida que ele percorre um único ponto da membrana plasmática. B. Registros reais de potenciais de ação são comumente distorcidos em comparação às visões esquemáticas devido a variações nas técnicas eletrofisiológicas de registro.

Um potencial de ação é uma onda de descarga elétrica que percorre a membrana de uma célula. Potenciais de ação são essenciais para a vida animal, porque transportam rapidamente informações entre e dentro dos tecidos. Eles podem ser gerados por muitos tipos de células, mas são utilizados mais intensamente pelo sistema nervoso, para comunicação entre neurônios e para transmitir informação dos neurônios para outro tecido do organismo, como os músculos ou as glândulas.

Muitas plantas também exibem potenciais de ação. Eles viajam por meio de seu floema para coordenar atividades. A principal diferença entre os potenciais de ação de animais e vegetais são os íons. As plantas utilizam primariamente íons de potássio e cálcio, enquanto animais utilizam mais íons de potássio e sódio.

Potenciais de ação são mensageiros essenciais para a linguagem neuronal. Provêem controle rápido e centralizado, além de coordenação, de órgãos e tecidos. Eles podem guiar a maneira em que a anatomia vai evoluir.

[editar] Considerações gerais

Uma voltagem elétrica, ou diferença de potencial, sempre existe entre o interior e o exterior de uma célula. Esse fato é causado por uma distribuição de íons desigual entre os dois lados da membrana e da permeabilidade da membrana a esses íons. A voltagem de uma célula inativa permanence em um valor negativo — considerando o interior da célula em relação ao exterior ― e varia muito pouco. Quando a membrana de uma célula excitável é despolarizada além de um limiar, a célula dispara um potencial de ação, comumente chamado de espícula (leia Limiar e início).

Um potencial de ação é uma alteração rápida na polaridade da voltagem, de negativa para positiva e de volta para negativa. Esse ciclo completo dura poucos milisegundos. Cada ciclo — e, portanto, cada potencial de ação, possui uma fase ascendente, uma fase descendente e, ainda, uma curva de voltagem inferior a do potencial de repouso de membrana (leia Fases do potencial de ação). Em fibras musculares cardíacas especializadas, como por exemplo as células do marcapasso cardíaco, uma fase de platô, com voltagem intermediária, pode preceder a fase descendente.

Potenciais de ação podem ser medidos por meio de técnicas de registro de eletrofisiologia e, mais recentemente, por meio de neurochips que contêm EOSFETs (transistores de efeito de campo de semicondutor eletrólito-óxido). Um osciloscópio que esteja registrando o potencial de membrana de um único ponto em um axônio mostra cada estágio do potencial de ação à medida que a onda passa. Suas fases traçam um arco que se assemelha a uma senóide distorcida. Sua ordenada depende se a onda do potencial de ação atingiu aquele ponto da membrana, ou se passou por ele e, se for o caso, há quanto tempo isso ocorreu.

O potencial de ação não permanece em um local da célula, ele percorre a membrana (leia Propagação). Ele pode percorrer longas distâncias no axônio, por exemplo para transmitir sinais da medula espinhal para os músculos do pé. Em grandes animais, como as girafas e baleias, a distância percorrida pode ser de vários metros.

Tanto a velocidade quanto a complexidade do potencial de ação variam entre diferentes tipos de células. Entretanto, a amplitude das alterações de voltagem tende a ser rigorosamente a mesma. Dentro da mesma célula, potenciais de ação consecutivos são tipicamente indistinguíveis. Neurônios transmitem informação gerando seqüências de potenciais de ação, chamadas trens de pulsos (“spike trains” em inglês). Variando a freqüência ou o intervalo de tempo dos disparos de potencial de ação gerados, os neurônios podem modular a informação que eles transmitem.

[editar] Mecanismos básicos

Por ser hidrofóbica, a membrana plasmática impede que moléculas carregadas se difundam facilmente através dela, o que permite a existência de uma diferença de potencial entre os dois lados da membrana

[editar] Potencial de repouso de membrana

A diferença de potencial existente entre os dois lados da membrana de qualquer célula é normalmente negativo no interior da célula em relação ao exterior. Diz-se, então, que a membrana é polarizada. A diferença de potencial entre os dois lados da membrana quando ela está em repouso é chamado potencial de repouso de membrana e possui o valor aproximado de -65 mV nos neurônios (o sinal negativo indica que o interior da célula está negativo em relação ao exterior). Essa diferença de potencial é causada por vários fatores, mas os mais importantes são o transporte de íons através da membrana celular e a permeabilidade seletiva da membrana a esses íons.

De acordo com a equação de Nenrst, pode-se estabelecer o potencial de equilíbrio de cada íon, ou seja, o potencial no qual não há movimentação de determinado íon. O potássio existe em maior quantidade dentro da célula e assim possui uma força química que o impulsiona para fora e ao mesmo tempo uma força elétrica que o impulsiona para dentro. O balanço dessas forças resulta no potencial de equilíbrio do potássio, ou potencial de Nerst do potássio, que é igual a -75 mV. Por meio desse número, entende-se a tendência do potássio de se movimentar para fora, já que o potencial de repouso de membrana (-65 mV) é menos negativo que o potencial de Nerst do potássio e, saindo da célula, o íon potássio, que é um cátion, deixa o potencial mais negativo (interior em relação ao posterior). Já no caso do sódio, sua maior concentração é no exterior da célula, o que resulta numa força química que causa a entrada de íons sódio. O potencial de equilíbrio desse íon é +55 mV (muito mais positivo do que o potencial de repouso) e assim, para o que o potencial de membrana atinja esse valor, é necessária uma maior quantidade de íons positivos dentro da célula, daí a tendência desse íon de entrar na célula. O cloro, que possui um potencial de equilíbrio de -65 mV, não possui movimento significativo através da membrana celular, já que seu potencial de Nerst é igual ao potencial de repouso de membrana.

O transporte ativo de íons de potássio e sódio para dentro e para fora da célula, respectivamente, é feito por diversas bombas de sódio e potássio distribuídas pela membrana celular. Cada bomba transporta dois íons de potássio para dentro da célula para cada três íons de sódio que é transportado para fora. Essa ação estabelece uma peculiar distribuição de íons positivamente carregados (cátions) entre o meio intra e extracelular, com maior concentração de sódio no meio extracelular e maior concentração de potássio no meio intracelular. Em alguns casos, as bombas de sódio e potássio contribuem sensivelmente para a manutenção do potencial de membrana, mas na maioria das células existem canais especiais de potássio, os canais de repouso ("leak channels"), que controlam o valor do potencial de repouso.

A tendência natural dos íons de sódio e potássio é se difundir pela membrana impelidos por seus gradientes eletroquímicos, em busca de seus respectivos potenciais de equilíbrio. O sódio entra na célula e o potássio sai. Por causa dos canais de repouso de potássio, sempre abertos, a membrana plasmática é aproximadamente cem vezes mais permeável ao potássio do que ao sódio, ou seja, mais íons de potássio saem da célula do que íons de sódio entram na célula. Essa predominância de saída de íons de potássio leva a uma hiperpolarização da membrana, que estabelece o valor do potencial de repouso de membrana em aproximadamente -70 mV.

Assim como o potencial de repouso, os potenciais de ação dependem da permeabilidade da membrana celular aos íons de sódio e potássio.

[editar] Potencial de ação

Quando um estímulo chega a um receptor ou terminação nervosa, sua energia causa uma inversão temporária de cargas na membrana plasmática do neurônio. Como conseqüência, a diferença de potencial, antes de -70 mV entre o interior e o exterior da célula passa a ser positiva, com o valor aproximado de +40 mV. Isso é conhecido como potencial de ação e, nessa condição, a membrana é dita despolarizada (leia despolarização). Essa despolarização ocorre porque os canais da membrana do axônio mudam sua conformação espacial e, assim, se abrem ou se fecham, dependendo da voltagem entre os dois lados da membrana. São, por esse motivo, chamados canais voltagem-dependentes.

Há dois quesitos básicos para geração do potencial de ação: -o potencial passivo deve ultrapassar o potencial limiar excitatório; -a parte ascendente da curva de geração do potencial de ação deve ter inclinação relativamente acentuada. Se algum desses quesitos não for atendido, ocorre acomodação de membrana, em outras palavras, os canais de sódio voltagem-dependentes não se abrem simultaneamente. Normalmente são necessários algo em torno de mil canais de sódio para gerar um potencial de ação e na acomodação de membrana existem menos canais abertos.

A seqüência detalhada de eventos é descrita a seguir:

[editar] Primeira teoria: ativação independente

1. No potencial de repouso de membrana, alguns canais de repouso de potássio estão abertos, mas os canais voltagem-dependentes de sódio estão fechados. Íons de potássio se difundindo de acordo com o gradiente de concentração criam um potencial negativo de membrana (interior em relação ao exterior).

2. Uma despolarização local de membrana causada por um estímulo excitatório causa a abertura de alguns canais de sódio voltagem-dependentes na membrana plasmática do neurônio e, conseqüentemente, ocorre a difusão de íons de sódio por esses canais. Como são cátions, o gradiente elétrico estimula inicialmente o influxo de íons na célula, o que causa um aumento de voltagem e a reversão do potencial negativo da membrana. O gradiente químico se mantém durante todo tempo, pois a concentração de sódio no meio extracelular é muito maior do que a do meio intracelular.

3. À medida que os íons de sódio entram na célula e o potencial de membrana vai ficando menos negativo, mais canais de sódio voltagem-dependentes se abrem, causando um influxo de íons de sódio cada vez maior. Esse é um exemplo de realimentação positiva (feedback positivo). Quanto mais canais de sódio se abrem, mais a entrada de sódio predomina sobre a saída de potássio pelos canais de repouso e o potencial de membrana se torna positivo (interior da célula em relação ao exterior).

4. Uma vez que o potencial de membrana atinge +40 mV, comportas inibitórias voltagem-dependentes dos canais de sódio se fecham, porque são ativadas por potenciais de membrana positivos. Assim, o influxo de íons de sódio cessa. Concomitantemente, os canais de potássio voltagem-dependentes começam a se abrir.

5. Quando os canais voltagem-dependentes de potássio se abrem, se inicia um grande movimento de saída de íons de potássio, estimulado pelo gradiente de concentração de potássio e favorecido inicialmente pelo potencial positivo da membrana (interior em relação ao exterior). À medida que os íons de potássio se difundem para o meio extracelular, o movimento de cátions causa a reversão do potencial de membrana para negativo (interior em relação ao exterior). É a repolarização do neurônio, de volta ao potencial de repouso de membrana, bastante negativo.

6. A grande corrente de saída de íons de potássio pelos canais voltagem-dependentes de potássio gera temporariamente um potencial mais negativo do que o potencial de repouso de membrana. Esse fenômeno é conhecido como hiperpolarização de membrana. Nesse ponto, as comportas inibitórias dos canais voltagem-dependentes de potássio se fecham e o potencial de membrana volta a ser comandado pelos canais de repouso de potássio. As bombas de sódio e potássio continuam bombeando íons de sódio para fora e íons de potássio para dentro, prevenindo dessa forma a perda do potencial de repouso de membrana a longo prazo. O potencial de repouso de -70 mV é reestabelecido e o neurônio é considerado repolarizado.

[editar] Segunda teoria: ativação única

1- Quando o potencial de repouso de membrana sofre uma variação de 10 mV (de -60 a -50 mV), atingindo o limiar de excitação, ocorre a sinalização para a abertura dos canais lentos de K+ e das comportas de ativação dos canais rápidos de Na+ e para o fechamento das comportas lentas de inativação dos canais de Na+. Isso leva a um influxo imediato de grande quantidade de íons Na+, levando a uma despolarização da membrana da célula.

2- A sinalização para o fechamento das comportas de ativação dos canais rápidos de Na+ se dá quando o potencial da membrana atinge valores positivos. Então, gradativamente mais e mais canais de Na+ vão se fechando, diminuindo o influxo de Na+, de modo que o potencial de membrana chega ao seu valor máximo, evitando, assim, que se atinja o potencial de equilíbrio para o Na+ (+55mV).

3- O pico da curva do potencial de membrana pelo tempo é o sinal para o fechamento dos canais lentos de K+, que já se encontram abertos devido à sinalização da etapa 1, levando a um efluxo de íons K+, iniciando o processo de repolarização da membrana.

4 - Na última etapa ocorre a abertura das comportas de inativação dos canais rápidos de Na+, que é sinalizada quando o potencial de membrana se encontra descendente e próximo ao limiar de excitação. Como os canais de K+ demoram a responder à sinalização para seu fechamento, ocorre uma hiperpolarização.

[editar] Potencial Graduado e Zona de integração e disparo

Após o surgimento de um potencial pós-sináptico em uma célula nervosa, seja por ação de neurotransmissores em uma sinapse química ou pela corrente de íons em uma sinapse elétrica, se torna necessário que a propagação da informação siga através do dendrito, do soma e do axônio até atingir outro neurônio ou um órgão-efetor.

O potencial pós-sinapse se apresenta como uma corrente de íons através da membrana (despolarizando ou hiperpolarizando), que atravessa o corpo celular até a zona inicial do axônio. Essa corrente é chamada de potencial graduado de membrana.

[editar] Potencial graduado da membrana

É um gradiente eletroquímico que se forma entre as camadas da membrana celular em um local restrito da célula. É basicamente uma corrente de íons que percorre o meio intracelular próximo à membrana alterando o potencial de repouso desta. O potencial graduado difere do potencial de ação por não possuir sua constante magnitude e por ser caracteristicamente maior na fonte e decair à medida que se distancia desta. Potenciais graduados podem surgir em diferentes partes da célula que funcionem como receptores e também após sinapses ativadas por neurotransmissores.

Em neurônios que não geram potenciais de ação, como alguns na retina, o potencial graduado é também particularmente importante.

Os potenciais graduados atuam como gatilho de potenciais de ação na porção inicial do axônio quando despolarizam a membrana e inibem a geração do potencial de ação quando a hiperpolarizam, os potenciais graduados vão existir primariamente devido a formação de PEPS(excitatórios) ou PIPS(inibitórios).

Potencial Excitatório Pós-sináptico (PEPS)

O Potencial Excitatório Pós-sináptico é gerado quando há despolarização ou excitação da célula pós-sináptica, por exemplo, como ocorre na junção neuromuscular, onde o neurônio pré-sinaptico libera acetilcolina e abre os canais Na+/K+ acetilcolina-dependentes no músculo esquelético. A abertura desses canais do tipo nicotínicos, onde a acetilcolina é um neurotransmissor excitatório, permite a passagem de Na+ e outros pequenos cátions para o interior da célula, despolarizando-a. Porém, essa despolarização não ocorre em toda a membrana da célula, apenas na parte onde os neurotransmissores agiram, e quanto mais canais forem abertos, mais Na+ entrará na célula, podendo geram um potencial de ação, se o gradiente de Na+ for suficiente pra tanto. Um PEPS pode ser gerado também por fechamento dos canais de K+. Os PEPS podem ser formados por sinapses axossosomáticas ou axodendríticas

O Potencial Inibitório Pós-sináptico (PIPS)

O Potencial Inibitório Pós-sináptico é gerado quando há hiperpolarização da célula pós-sináptica, tornando mais difícil a geração de um potencial de ação. O PIPS pode acontecer tanto pela saída de K+ da célula, que é o que ocorre nos canais muscarinícos das células do coração na presença de acetilcolina, como pode acontecer pela entrada de Clˉ , ou ainda pelo fechamento dos canais de Na+/Ca+. A duração do PIPS é curta e o potencial da célula rapidamente retorna ao normal. As sinapses que geram esses potenciais inibitórios geralmente são do tipo axossomáticas, dessa forma os PIPS compensam seu menor número, pois chegam mais rapidamente à zona de disparo, além de perderem menos energia em seu trajeto, aumentando a força de seu sinal. Os PIPS também se beneficiam do Sistema de Limiar de Excitação (tudo ou nada), pois apenas 1mv de diferença que eles possam produzir é capaz de impedir a formação de um potencial de Ação.

[editar] Cone de implantação, segmento inicial ou zona de disparo (ZID)

É a região onde o axônio emerge do soma neuronal, caracterizada por um baixo limiar de excitabilidade da membrana. Na Zona de Integração e Disparo (ZID) existe caracteristicamente uma concentração maior de canais voltagem-dependentes de Na+. Então, quando o potencial graduado chega a essa região, os canais são ativados facilmente e um potencial enorme é gerado, o potencial de ação.

[editar] Limiar e início

Gráfico de corrente (fluxo de íons) versus voltagem (potencial transmembrana). Ilustra a ação do potencial limiar excitatório (seta vermelha) de uma célula ideal, na qual há dois canais iônicos transmembrana: um canal de potássio não-dependente de voltagem e um canal de sódio dependente de voltagem..

Potenciais de ação são disparados quando uma despolarização inicial atinge o potencial limiar excitatório. Esse potencial limiar varia, mas normalmente gira em torno de 15 milivolts acima do potencial de repouso de membrana da célula e ocorre quando a entrada de íons de sódio na célula excede a saída de íons de potássio. O influxo líquido de cargas positivas devido aos íons de sódio causa a despolarização da membrana, levando à abertura de mais canais de sódio dependentes de voltagem. Por esses canais passa uma grande corrente de entrada de sódio, que causa maior despolarização, criando um ciclo de realimentação positiva (feedback positivo) que leva o potencial de membrana a um nível bastante despolarizado.

O potencial limiar pode ser alcançado ao alterar-se o balanço entre as correntes de sódio e potássio. Por exemplo, se alguns canais de sódio estão em um estado inativado (comportas de inativação fechadas), então um dado nível de despolarização irá ocasionar a abertura de um menor número de canais de sódio (os que não estão inativados) e uma maior despolarização será necessária para iniciar um potencial de ação. Essa é a explicação aceita para a existência do período refratário (veja o tópico sobre Período refratário).

Potenciais de ação são determinados pelo equilíbrio entre os íons de sódio e potássio (embora haja uma menor contribuição de outros íons como cloreto e cálcio, este último especialmente importante na eletrogênese miocárdica), e são usualmente representados como ocorrendo em células contendo apenas dois canais iônicos transmembrana (um canal de sódio voltagem-dependente e um canal de potássio, não-voltagem-dependente). A origem do potencial limiar pode ser estudada utilizando curvas de corrente versus voltagem (figura à direita) que representam a corrente através de canais iônicos em função do potencial celular transmembrana. (Note que a curva ilustrada é uma relação corrente-voltagem “instantânea”, ela representa a corrente de pico através dos canais iônicos a uma dada voltagem antes de qualquer inativação ter acontecido, isto é, aproximadamente 1 ms após aquela voltagem para a corrente de sódio (Na) ter sido atingida. As voltagens mais positivas neste gráfico apenas são alcançadas pelas células por meios artificiais, isto é, voltagens impostas por aparelhos de estimulação elétrica).

Quatro importantes pontos no gráfico i/V estão indicados por setas na figura:

• A seta verde indica o potencial de repouso da célula e também o valor do potencial de equilíbrio para o potássio (E_k). Como o canal de K⁺ é o único aberto em voltagens tão negativas, a célula permanecerá no potencial Ek. Note que um potencial de repouso estável será observado em qualquer voltagem na qual a soma i/V (linha verde) ultrapassa o ponto de corrente nula (eixo das abscissas) com um ângulo positivo, como na seta verde. Consideremos: qualquer perturbação do potencial de membrana na direção negativa resultará em um influxo de íons que despolarizará a célula de volta ao ponto de cruzamento, enquanto qualquer perturbação do potencial de membrana celular na direção positiva resultará em um efluxo de íons que irá hiperpolarizar a célula de volta ao ponto inicial. Portanto, qualquer perturbação do potencial de membrana em torno de uma inclinação positiva tenderá a retornar a voltagem ao ponto de cruzamento.

• A seta amarela indica o potencial de equilíbrio para o Na⁺ (E_Na). Neste sistema de dois íons, E_Na é o limite natural do potencial de membrana, o qual uma célula não pode ultrapassar. Valores de corrente ilustrados neste gráfico que excedem E_Na são medidos artificialmente estimulando a célula além de seu limite natural. Note, entretanto, que E_Na apenas poderia ser atingido se a corrente de potássio cessasse completamente.

• A seta azul indica a voltagem máxima que o pico do potencial de ação pode atingir. Este é, na verdade, o maior potencial de membrana que esta célula pode alcançar. Não é possível atingir E_Na por causa da influência contrária da corrente de potássio.

• A seta vermelha indica o potencial limiar. É a partir deste potencial que a corrente iônica passa a ter resultado líquido em direção ao interior da célula. Note que este cruzamento se dá a uma corrente nula, mas exibe uma inclinação negativa. Qualquer voltagem menor que o limiar tende a fazer a célula retornar ao potencial de repouso e qualquer voltagem maior que o limiar faz com que a célula se despolarize. Esta despolarização leva a um maior influxo de íons, desta forma a corrente de sódio se regenera. O ponto no qual a linha verde atinge seu valor mais negativo é o ponto no qual todos os canais de sódio estão abertos. Despolarizações além desse ponto diminuem o influxo de sódio, conforme a força eletroquímica (driving force) diminui com a aproximação do potencial de membrana do E_Na.

O potencial limiar excitatório é comumente confundido com o “limiar” para a abertura dos canais de sódio. Esse conceito está incorreto, pois os canais de sódio não possuem um limiar de abertura. Pelo contrário, eles se abrem em resposta à despolarização de uma maneira aleatória. A ocorrência de despolarização não só abre o canal, mas também aumenta a probabilidade dele ser aberto. Até mesmo em potenciais hiperpolarizados, um canal de sódio se abrirá ocasionalmente. Além disso, o potencial limiar excitatório não é a voltagem na qual a corrente de sódio se torna significante, é a voltagem na qual a corrente de sódio ultrapassa a de potássio.

Em neurônios, despolarizações tipicamente se originam nos dendritos pós-sinápticos e potenciais de ação, nos cones de implantação ( leia mais sobre cone de implantação e ZID). Teoricamente, entretanto, um potencial de ação pode ter início em qualquer lugar de uma fibra nervosa.

[editar] Propagação

Nos axônios, o potencial de ação se propaga de modo misto, alternando entre duas fases: uma passiva e outra ativa.

[editar] Fase passiva

Íons de carga positiva, propagam-se perimembranalmente e bidirecionalmente de encontro à negatividade (lei de Coulomb). Contudo, somente os íons que vão na direção imposta da propagação criam um potencial de ação nesta membrana, pois a membrana anterior está em período refratário; já a membrana posterior está em potencial de repouso de membrana, o que permite que nela haja o potencial de ação. Se houver estímulo artificial (um eletrodo) no meio de um axônio, o potencial se propagará bidirecionalmente, pois não haverá períodos refratários impedindo-o. Com a propagação, a fase passiva perde parte de seus íons, o que acarreta uma menor energia. Esta perda dá-se de dois modos: choques físicos dos íons com moléculas citoplasmáticas e saída dos íons para o meio extracelular por canais de vazamento de membrana. Deste modo, quanto mais distantes os canais de sódio voltagem-dependentes estiverem, mais perda de energia ocorre.

[editar] Fase ativa

Compreende o potencial de ação propriamente dito. Ocorre quando os íons positivos da fase passiva despolarizam a membrana adjacente de modo rápido e suficiente para despertar a avalanche de íons sódio (por feedback positivo), através dos canais de sódio voltagem-dependentes. Estes íons ganham o meio intracelular, e participarão da fase passiva da propagação. O fornecimento de íons sódio para a fase passiva é abundante. Como a variação da voltagem nesta fase é sempre constante, não ocorre perda de energia considerável. Os mecanismos desta fase já foram explicados anteriormente.

Os cátions à esquerda, dentro da célula, são conseguidos a partir de um potencial de ação. Passivamente, eles se difundem para outro nódulo de Ranvier, onde gerarão um novo potencial de ação.

[editar] Velocidade

A velocidade de propagação do potencial de ação pode ser variada ao se variar o tempo de duração de alguma das duas fases da propagação. Contudo, a fase ativa costuma ser constante nas células, durando em torno de 4ms. Deste modo, a célula varia a duração da fase passiva, havendo dois modos básicos:

• Aumento ou diminuição do calibre do axônio ou célula.

• Maior ou menor isolamento da membrana (ao variar a espessura da mielina, se houver).

O aumento do calibre do axônio ou célula provoca um aumento da velocidade de propagação do potencial de ação, pois há diminuição da resistência longitudinal, provocada por uma maior área de secção transversal.

Em alguns axônios do polvo Atlântico Loligo pealei, a velocidade de propagação do potencial de ação alcança velocidades superiores a 100 m/s, em virtude do calibre elevado e da mielina espessa.

[editar] Bainha de mielina e Nódulo de Ranvier

A bainha de mielina é uma membrana lipídica modificada e espessada. Ela pode ser sintetizada por duas células: oligodendrócitos, no sistema nervoso central, e células de Schwann, no sistema nervoso periférico. A espessura da bainha de mielina é de acordo com o número de voltas que a membrana das células de Schwann ou dos oligodendrócitos dão em torno do axônio. Em axônios de calibre pequeno, não há mielina envolvendo; já em axônios de calibre grande, a mielina é mais espessada que os outros menores que a possuem.

A bainha de mielina fornece um aumento do isolamento celular (aumento da resistência de membrana), em virtude de não haver canais de vazamento de membrana onde há mielina, deste modo, a fase passiva perde menos íons, o que aumenta a chance do potencial de ação ter sucesso. Além de não haver canais de vazamento de membrana, não há também praticamente nenhum tipo de canal de membrana quando há bainha de mielina (ex.: bombas de sódio e potássio), o que provoca para a célula uma menor necessidade de síntese protéica, ou seja, menos gasto energético.

A bainha de mielina permite uma maior velocidade da fase passiva da propagação do potencial de ação (diminui a capacitância de membrana e aumenta a resistência de membrana). Além disso, diminui o número de fases ativas da propagação do potencial de ação, tornando a propagação mais veloz ainda. As fases ativas da propagação ocorrem em máculas da bainha de mielina, os nódulos da Ranvier. Neles, diferentemente da zona cercada por bainha de mielina, há abundância de canais de íon sódio voltagem-dependentes (densidade até quatro ordens de magnitude a mais que nas membranas amielínicas), o que permite a ocorrência do potencial de ação, que corresponde à fase ativa da propagação do potencial de ação. A distância entre os nódulos de Ranvier deve ser muito bem calculada pelas células, de modo que o potencial passivo chegue com íons suficientes para provocar o potencial de ação.

A consequência de a bainha de mielina queimar etapas na propagação, ao diminuir o número de potenciais ativos, são os movimentos saltatórios, que possuem este nome em virtude de haver a impressão de que os potenciais de ação saltam de nódulo em nódulo.

[editar] Considerações

Há um modelo biológico e um modelo físico que explicam a propagação do potencial de ação. O último é útil na quantificação dos fenômenos que acompanham a propagação, pois se utiliza de equações físicas, que são deduzidas com base nas três propriedades passivas da membrana: capacitância da membrana, resistência da membrana e resistência longitudinal. Nele, os resistores representam canais iônicos de membrana, enquanto um capacitor representa a membrana lipídica. Para as comportas dependentes de voltagem, usam-se resistores variáveis, visto que a resistência nesta comporta varia. Já os canais iônicos de repouso possuem resistores fixos. Os grandientes eletroquímicos dos íons são baterias. Deste modo, o modelo físico é interessante para pesquisas e para a indústria, que o usa na fabricação de marca-passos. Já o modelo biológico tem sua utilidade na didática.

Como a propagação do potencial de ação é basicamente a mesma para as diferentes células, não há como diferenciar as variadas ações que um sinal de propagação pode ter ao chegar ao sistema nervoso central (tato, propriocepção, visão etc). Deste modo, o que irá determinar a ação de cada propagação do potencial de ação, é via, o caminho seguido por cada um deles, ou seja, as diferentes rotas presentes no organismo (ex.: trato espino-cerebelar, trato espino-talâmico etc).

[editar] Patologias

Algumas patologias degradam a condução saltatória e reduzem a velocidade de propagação do potencial de ação. A mais conhecida é a esclerose múltipla, na qual a degradação da bainha de mielina prejudica os movimentos coordenados.

[editar] Período refratário

Três situações possíveis para os canais de íon sódio voltagem-dependentes. O período refratário absoluto corresponde aos estados ativo e inativo. No período refratário relativo, alguns canais estão em repouso ativável, enquanto no potencial de repouso de membrana, todos estão.

O período refratário acompanha o potencial de ação na membrana. Tem como efeito limitar a freqüência de potenciais de ação, além de promover a unidirecionalidade da propagação do potencial de ação, o que pode ser entendido como conseqüência da limitação de salvas de potenciais de ação.

O período refratário dividi-se em absoluto e relativo. No absoluto, qualquer estímulo para gerar potencial de ação é inútil, pois os canais de sódio estão em estado inativo (comporta rápida aberta e comporta lenta fechada). No refratário, alguns destes canais já estarão de volta ao repouso ativável (comporta rápida fechada e comporta lenta aberta), mas nem todos. Estímulos supralimiares conseguem gerar potenciais de ação no período refratário relativo.

A transição entre os dois períodos ocorre aproximadamente quando a repolarização do potencial de ação atinge o potencial limiar excitatório, que é quando as comportas lentas do canal de sódio voltagem-dependente começam a abrir.

Nas células miocárdicas, o período refratário é estendido por um platô, que é mantido pelo influxo de íons cálcio na célula. Esse alargamento do período refratário permite um maior descanso destas células, além de participar na sincronização dos batimentos. Quando há um estímulo destas células na hiperpolarização pós-potencial, também conhecida como período de supra-normalidade, pode ocorrer fibrilação.

[editar] Potencial de ação de placa motora

Visão global de uma junção neuromuscular: 1 - Axônio 2 - Junção 3 - Fibra muscular 4 - Miofibrila

Visão detalhada de uma junção neuromuscular: 1 - Elemento pré-sinaptico 2 - Retículo sarcoplasmático 3 - Vesículas sinápticas 4 - Receptor nicotínico

A junção neuro muscular é um local de estudo relativamente simples e acessível à experimentação. Neste local, o neurônio motor inerva o músculo em uma região especializada da membrana muscular chamada de placa motora. Nesta área, os terminais do neurônio motor formam expansões chamadas de botões sinápticos, de onde o neurônio motor libera seu neurotransmissor. Cada botão é posicionado sobre uma dobra juncional, uma dobra profunda na superfície da fibra muscular pós-sináptica que contém os receptores para o neurotransmissor acetilcolina (ACh). A fenda sináptica possui uma enzima chamada acetilcolinesterase, que é produzida tanto pelo neurônio como pela fibra muscular, e possui a função de inativar a ACh, a fim de que esta substância não fique sempre ligada ao seu receptor provocando estimulação constante.

A liberação do neutrotrnasmissor ACh depende da despolarização do neurônio motor, pois dessa forma ativará os canais de Ca2+, fazendo com que este íon entre na célula e permita que as vesículas sinápticas da região terminal se fundam com a membrana plasmática e assim liberem seu conteúdo (ACh) na fenda sináptica. A liberação de ACh pelo terminal do nervo motor ocorre também sem a necessidade de despolarização. Assim, pequenas quantidades de ACh são liberadas sempre na fenda sináptica, fazendo com que sempre haja o potencial miniatura de placa motora (cerca de 3mV, uma espécie de “standby” da célula).

A liberação de ACh das vesículas sinápticas na fenda faz com que a membrana da célula muscular se despolarize, pois a ligação da ACh no canal nicotínico ativado pela ACh provoca a entrada de íons Na+ na célula muscular e, conseqüentemente, sua despolarização. Esta despolarização ativa um outro tipo de canal de Na+, os chamados canais de Na+ voltagem-dependentes. Eles são ativados quando a despolarização local produzida pelos canais nicotínicos se propaga passivamente ao longo da fibra muscular e atinge esses canais, fazendo com que mais íons Na+ entre na célula. A abertura desses dois tipos de canais (voltagem-dependentes e os nicotínicos ativados por ACh) é necessária, pois a amplitude do potencial de placa motora é muito alto (cerca de 70mV), assim, deve-se abrir um número suficiente de canais de Na+ para ultrapassar o limiar da célula. Este fato também garante que a transmissão sináptica aconteça com um alto grau de segurança.

Um ponto importante a ser considerado é a constituição macromolecular distinta dos canais ativados pela ACh e os voltagem-dependentes. Este fato pode ser verificado pelo uso de drogas e toxinas, por exemplo, a tetrodotoxina (TTX)¹, este veneno provoca bloqueio dos canais de Na+ voltagem dependentes. Isto pode ser fatal, pois a despolarização do neurônio motor ficará prejudicada e conseqüentemente a transmissão neuromuscular. A α-bungarotoxina (proteína do veneno da cobra) e o curare (toxina de algumas plantas) são drogas que bloqueiam os canais de Na+ dependentes da ACh, mas não bloqueia os canais Na+ voltagem-dependentes, assim, mesmo possuindo ACh na fenda sináptica, a transmissão do potencial de ação do neurônio motor para a fibra muscular ficará grandemente prejudicada, podendo levar a morte.

Em certas doenças, como a miastenia grave (doença auto-imune), ocorre a produção de anticorpos contra o receptor de ACh, diminuindo assim o número de canais ativados pela ACh e comprometendo seriamente a transmissão na junção neuromuscular. Em alguns casos a neostigmina (inibidor da acetilcolinesterase) é usada no tratamento da doença, assim a ACh permanecerá mais tempo na fenda sináptica e terá maior probabilidade de se ligar aos poucos receptores de ACh restantes.

¹A TTX é um veneno encontrado em peixes do pacífico e que faz parte da iguaria japonesa chamada Fugu. No Brasil o peixe que produz este veneno é o baiacu.

[editar] Potencial de ação cardíaco

No coração, há dois tipos de potencial de ação bem característicos para atender às necessidades desse órgão.

[editar] Potencial de ação de resposta rápida

O potencial de ação de resposta rápida é encontrado nos tecidos de condução do coração e nas fibras musculares responsáveis pela contração. Ele apresenta uma particularidade importante que é a presença de um platô. Isso é vantajoso porque, como o coração trabalha constantemente, uma freqüência máxima deve ser imposta. O platô aumenta o período refratário e protege o coração contra uma possível exaustão.

Quando o potencial de repouso de membrana (concentrações intracelulares altas de potássio, e baixas de sódio e cálcio), que gira em torno de – 90 mV, é alterado para o nível limiar, cerca de – 65 mV, as propriedades da membrana mudam drasticamente.[1]

O potencial cardíaco das fibras de resposta rápida se comporta como um potencial de ação normal até o fim da passagem rápida de sódio para dentro da célula, quando é ativada uma corrente transitória para fora de potássio, que gera a fase de repolarização precoce do potencial de ação cardíaco, devido à saída transitória de íons positivamente carregados.

A próxima fase do potencial de ação cardíaco é o platô, que é gerado pela entrada de íons de cálcio através de canais de cálcio, que são ativados mais lentamente do que os canais rápidos de sódio. Durante a porção “horizontal” do platô, o influxo de íons de cálcio é contrabalanceado pela saída de cargas positivas carregadas pelo potássio. Quando a saída de potássio excede a entrada de cálcio, tem inicio a fase de repolarização final. Um ponto importante é que se a corrente de saída de potássio fosse a mesma durante o platô e a repolarização, excederia em muito a entrada de cálcio e um platô sustentado não ocorreria, porém, à medida que o potencial de membrana se aproxima e atinge valores positivos, há uma redução da permeabilidade da membrana ao potássio e uma conseqüente diminuição na corrente de saída desse íon. Essa redução na permeabilidade da membrana ao potássio, tanto em valores positivos quanto menos negativos do potencial de membrana, é chamada retificação para dentro.

Ao final do platô, com a maior saída de potássio, o potencial de membrana vai ficando mais negativo, efeito que é acentuado pela inativação dos canais de cálcio e ativação de correntes de potássio, além da diminuição da retificação para dentro, até que se atinja o valor do potencial de repouso de membrana, quando as correntes se estabilizam.O restabelecimento das concentrações iônicas é feito por proteínas celulares especificas, sendo que o excesso de sódio é removido pela bomba de sódio e potássio, que ejeta três íons de sódio e absorve dois íons de potássio (essa diferença de três íons para dois gera uma corrente elétrica que contribui para o potencial de membrana e para o controle osmótico da célula, pois o sódio se liga a varias moléculas de água). Já o excesso de cálcio é eliminado principalmente pelo trocador de sódio e cálcio, que troca três íons de sódio por um de cálcio, alguns íons de cálcio são retirados da célula por uma bomba de cálcio.

[editar] Potencial de ação de resposta lenta

O potencial de ação de resposta lenta é encontrado no nó sinoatrial (marcapasso) e no nó atrioventricular. A função de marcapasso desse tipo de potencial é cumprida porque o seu potencial de repouso de membrana apresenta um valor maior em relação ao potencial de resposta rápida(o que facilita a despolarização) e porque ele apresenta uma fase chamada de despolarização diastólica.

Canais de sódio específicos, distintos dos canais rápidos de sódio são ativados durante a fase de repolarização do potencial de ação, conforme o potencial de membrana fica mais negativo que cerca de -50mV. Quanto mais negativo ficar o potencial de membrana ao término da repolarização maior será a ativação desses canais. Isso faz com que o potencial de membrana da fase de repouso siga uma trajetória ascendente até que eventualmente atinja o limiar. Essa fase é a já citada despolarização diastólica e é a responsável pela ritmicidade e consequente função de marcapasso dessas células.

Outra pecularidade dessas células é que a fase ascendente do potencial de ação não é gerado por canais rápidos de sódio(que são ausentes nelas) mas por canais lentos de cálcio que começam a se ativar no final da despolarização diastólica, isso tem como efeito uma fase ascendente ligeiramente maior(daí o nome potencial de ação de resposta lenta).

[editar] Influências externas

Como pode ser percebido em Mecanismos básicos, a transmissão de potenciais de ação depende de concentrações iônicas pré-determinadas. Assim sendo, depende do meio extracelular.

[editar] Hipo e hipercalemia

Baixas concentrações extracelulares de potássio promovem uma hiperpolarização no potencial de repouso de membrana da célula, pois os canais repouso de potássio estão sempre abertos. A hiperpolarização faz com que o limiar excitatório da célula aumente. Portanto, serão necessários estímulos muito grandes para a geração do potencial de ação. Essa alteração, no músculo cardíaco, leva a deficiência na contratilidade, causando morte em diástole.

Já o aumento da concentração extracelular de potássio resulta na despolarização do potencial de membrana das células. Essa despolarização abre canais de sódio voltagem dependentes, mas em quantidade insuficiente para gerar um potencial de ação. Os canais de sódio então entram em período refratário aumentando assim o potencial de repouso de membrana da célula. Dessa forma há uma diminuição gradativa do limiar excitatório da célula. Ou seja, serão necessários estímulos cada vez menores para gerar um potencial de ação. Isso pode causar danos cardíacos, neuromusculares e gastrintestinais. No coração, pode levar a fibrilação ventricular ou assistolia.

[editar] Venenos

[editar] Venenos atuantes na formação do impulso nervoso

Devido à importância dos canais iônicos, principalmente de sódio e potássio, no sistema nervoso central, vários animais desenvolveram mecanismos de defesa e ataque que atuam nos mesmos. Como exemplo dessas substâncias, tem-se:

Baiacu-ará: um peixe produtor de tetrodotoxina

• Tetrodotoxina: atua bloqueando os canais de sódio, impedindo que o potencial de ação seja gerado e, consequentemente, paralisando os organismos que a ingerem. Tal substância é encontrada em algumas espécies de peixe-balão.

• Saxitoxina: possui efeito muito semelhante ao da tetrodotoxina, pois é um homólogo químico da mesma. É produzida pelos dinoflagelados, constituindo um malefícios da maré vermelha, pois pode contaminar os bivalves que a ingerem através dos dinoflagelados.

• Alfa-toxinas: prolongam o potencial de ação, causando distúrbios nos SNC, uma espécie de confusão do SNC. É encontrada no veneno de escorpião.

• Beta-toxinas: altera a diferença de potencial nas quais os canais de sódio são ativados (abertos), diminuindo drasticamente tais valores, o que novamente causa distúrbios ao SNC. Também é encontrada no veneno de escorpião.

• Batracotoxina: é uma toxina alcalóide que combina os efeitos das alfa e beta-toxinas. É produzida por algumas rãs da América do Sul. É usada na ponta de flexas por tribos indígenas sul-americanas.

• Dendrotoxina, apamina e caibdotoxina: tais toxinas tem como efeito primordial o bloqueio dos canais de potássio.

Tais tipos de venenos não são produzidos exclusivamente por animais, algumas espécies de vegetais produzem substâncias semelhantes, como por exemplo a aconitina e a veratridina.

[editar] Venenos atuantes na liberação dos neurotransmissores

Novamente como mecanismos de defesa e ataque os animais desenvolveram estratégias contras os sistemas nervosos de seus adversários, sendo desta vez os neurotransmissores o alvo.

• Toxinas Clostridiais: atua bloqueando a liberação de neurotransmissores na fenda sináptica, sendo uma protease extremamente específica que cliva proteínas da membrana pré-sináptica fundamentais para a fusão das vesículas com a membrana plasmática do neurônio pré-sináptico.. É um toxina bacteriana extremamente potente responsável pelo botulismo e tétano.

• Alfa-latrotoxina: liga-se à membrana pré-sináptica facilitando a ligação das vesículas contendo neurotransmissores com a mesma, o que promove uma descarga abundante de neurotransmissores. É produzida pelas fêmeas da espécie de aranha viúva negra.

• Alfa-bungarotoxina: é um peptídeo que se liga de forma permanente aos receptores colinérgicos pós-sinápticos, o que impede a abertura dos canais iônicos da placa-motora pela acetilcolina, paralisando o alvo. É produzido pela cobra Bungarus multicinctus.

• Alfa-neurotoxina, erabutoxina e curare (mistura de toxinas vegetais): os três venenos citados tem efeito semelhante ao da alfa-bungarotoxina.

• Conotoxinas: tal classe de veneno possui efeito vasto e devastador, podendo bloquear desde os canais de sódio e cálcio até receptores para glutamato e acetilcolina. O efeito primordial é a paralisia total de presa. São produzidas por caracóis marinhos do tipo gastrópodes.

• Estricnina: é um alcalóide que atua nas sinapses de glicina, causando hiperatividade, espasmos, convulsões e morte. É retirado da semente do vegetal Strychnas nux-vamica.

[editar] Potencial de ação & Darwin

Com a evolução, alguns organismos tornaram-se complexos e maiores. Houve, então, necessidade de manter fidedigna as informações das porções mais distais do organismo. Para tal, o potencial de ação tornou-se um mecanismo muito eficiente, pois sua informação está contida na freqüência, que é uma propriedade que depende da fonte somente, ou seja, não se altera até chegar ao seu destino. Diferente do potencial passivo, que tem sua informação contida na amplitude, sujeita a várias alterações pelo meio. Comparando-se com as ondas de rádio, pode-se dizer que o potencial de ação equivale à FM (freqüência modulada), enquanto o potencial passivo equivale à AM (amplitude modulada).

[editar] Referências