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Curso: Biblioteca de Biologia > Unidade 33
Lição 2: O neurônio e o sistema nervoso- Anatomia de um neurônio
- Visão geral da estrutura do neurônio e a sua função
- O potencial de membrana
- Potenciais eletrotônico e de ação
- Condução saltatória em neurônios
- Sinapse nervosa (química)
- A sinapse
- Neurotransmissores e receptores
- FAQ: Despolarização de neurônios, hiperpolarização e potenciais de ação
- Visão geral das funções do córtex cerebral
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O potencial de membrana
Como o potencial de repouso da membrana é estabelecido em um neurônio.
Pontos Principais:
- Um neurônio em repouso (sem sinalização) tem uma voltagem em sua membrana chamada de potencial de repouso da membrana, ou simplesmente potencial de repouso.
- O potencial de repouso é determinado pelos gradientes de concentração de íons na membrana e através da sua permeabilidade para cada íon.
- Em um neurônio em repouso, existem gradientes de concentração na membrana para
e . Os íons se deslocam de acordo com seus gradiente através de canais, ocasionando uma separação de cargas que resulta no potencial de repouso. - A membrana é muito mais permeável ao
do que ao , por isso o potencial de repouso é próximo ao potencial de equilíbrio do (o potencial que seria gerado pelo se ele fosse o único íon no sistema).
Introdução
Vamos supor que você tem um sapo morto. (Sim, é um pouco nojento, mas vamos imaginar por um momento). O que aconteceria se você aplicasse um estímulo elétrico no nervo que inerva a perna do sapo? Assustadoramente, ela se moveria!
O cientista italiano Luigi Galvani descobriu esse fato cômico por volta de 1700, por acidente, enquanto dissecava um sapo. Hoje, nós sabemos que a perna do sapo se move porque os neurônios (células nervosas) carregam informações por meio de sinais elétricos.
Como neurônios em um organismo vivo produzem sinais elétricos? Basicamente, os neurônios geram sinais elétricos por meio de breves e controladas mudanças na permeabilidade de suas membranas celulares a íons específicos (como e ). Antes de aprendermos em detalhes como esses sinais são gerados, primeiro precisamos entender como funciona a permeabilidade de uma membrana em um neurônio em repouso (que não está enviando nem recebendo sinais elétricos).
Neste artigo, veremos como um neurônio estabelece e mantém uma voltagem estável em sua membrana – isto é, um potencial de repouso da membrana.
O potencial de repouso da membrana
Imagine dois eletrodos, um colocado fora e outro dentro da membrana plasmática de uma célula viva. Se fizer isso, você poderá medir a diferença de potencial elétrico, ou voltagem, entre os eletrodos. Essa diferença de potencial elétrico é chamado potencial da membrana.
Assim como a distância, a diferença de potencial é medida em relação a um ponto de referência. No caso da distância, o ponto de referência pode ser uma cidade. Por exemplo, podemos dizer que Boston está a a nordeste, mas só se soubermos que nosso ponto de referência é a cidade de Nova York.
Para o potencial da membrana de uma célula, o ponto de referência é fora da célula. Na maioria dos neurônios em repouso, a diferença de potencial ao longo da membrana é em torno de a (um é de um volt), com o interior da célula mais negativo do que o exterior. Ou seja, os neurônios possuem um potencial de repouso da membrana (ou simplesmente, potencial de repouso) que varia de até .
Por existir uma diferença de potencial na membrana celular, a membrana é dita polarizada.
- Se o potencial da membrana se torna mais positivo do que está no potencial de repouso, então a membrana é dita despolarizada.
- Se o potencial da membrana se torna mais negativo do que está no potencial de repouso, a membrana é dita hiperpolarizada.
Todos os sinais elétricos que os neurônios usam para comunicar são despolarizações ou hiperpolarizações do potencial de repouso da membrana.
De onde vem o potencial de repouso da membrana?
O potencial de repouso da membrana é determinado pela distribuição desigual de íons (partículas carregadas) entre o interior e o exterior da célula e pela permeabilidade da membrana diferenciada para diferentes tipos de íons.
Tipos de íons encontrados em neurônios
Os íons mais abundantes nos neurônios e no seu fluido circundante são:
- Íons carregados positivamente (cátions): Sódio (
) e potássio ( ) - Íons carregados negativamente (ânions): Cloreto (
) e ânions orgânicos
Na maioria dos neurônios, o e os ânions orgânicos (tais como aqueles encontrados em proteínas e aminoácidos) estão presentes em maior concentração no interior da célula do que fora dela. Em contraste, o e o geralmente estão presentes em altas concentrações fora da célula. Isso significa que existe um gradiente de concentração estável através da membrana para todos os tipos mais abundantes de íon.
Como os íons atravessam a membrana
Por serem carregados, os íons não conseguem passam diretamente através de regiões lipídicas hidrofóbicas ("com medo de água") da membrana. Ao invés disso, eles usam canais proteicos especializados que fornecem um túnel hidrofílico ("amam água") que atravessa a membrana. Alguns canais, conhecidos como canais de vazamento, são abertos em neurônios em repouso. Outros estão fechados em neurônios em repouso, e só abrem em resposta a um sinal.
Alguns canais iônicos são altamente seletivos para um tipo de íon, mas outros permitem a passagem de vários tipos de íons. Canais iônicos que permitem principalmente a passagem de são chamados canais de potássio e canais iônicos que permitem a passagem principalmente de são chamados canais de sódio.
Nos neurônios, o potencial de repouso da membrana depende principalmente do movimento de através dos canais vazantes de potássio. Vamos ver como isso funciona.
O que acontece se somente o conseguir atravessar a membrana?
O potencial da membrana de um neurônio em repouso é determinado principalmente pelo movimento de íons através da membrana. Então, vamos ter uma ideia de como o potencial da membrana funciona ao ver o que aconteceria em um caso onde somente pode atravessar a membrana.
Começaremos com em uma maior concentração dentro da célula do que no fluido circundante, assim como em um neurônio regular. (Outros íons também estão presentes, incluindo ânions que contrabalanceiam a carga positiva do , mas eles não serão capazes de atravessar a membrana em nosso exemplo.)
Se canais de potássio na membrana abrem, começará a se mover de acordo com seu gradiente de concentração e para fora da célula. Toda vez que um íon deixa a célula, o interior celular perde uma carga positiva. Por causa disso, um pequeno excesso de carga positiva se forma fora da membrana celular, e um pequeno excesso de carga negativa se forma dentro da célula. Isto é, o interior da célula se torna negativo em relação ao exterior, gerando uma diferença de potencial elétrico na membrana.
Para íons (assim como para ímãs), cargas iguais se repelem e cargas diferentes se atraem. Logo, o estabelecimento da diferença de potencial elétrico através da membrana dificulta a saída dos íons remanescentes da célula. Os íons positivamente carregados serão atraídos pelas cargas negativas livres no interior da membrana da célula e repelidos pelas cargas positivas no exterior, oferecendo resistência ao seu movimento em direção ao gradiente de concentração. As forças elétricas e difusas que influenciam os movimentos de através da membrana em conjunto formam o seu gradiente eletroquímico (o gradiente de energia potencial que determina em qual direção fluirá espontaneamente).
No final, a diferença de potencial elétrico através da membrana da célula acumula-se a um nível alto o suficiente para que a força elétrica que conduz o novamente para o interior da célula seja igual à força química conduzindo para fora da célula. Quando a diferença de potencial através da membrana da célula alcança este ponto, não há nenhum movimento fluido de em nenhuma direção e o sistema é considerado em estado de equilíbrio. Toda vez que um deixa a célula, outro entra nela.
O potencial de equilíbrio
A diferença do potencial elétrico na membrana celular que equilibra exatamente o gradiente de concentração de um íon é conhecido como potencial de equilíbrio. Devido ao sistema estar em equilíbrio, o potencial da membrana tenderá a ficar em potencial de equilíbrio. Para uma célula em que existe apenas uma espécie iônica permeante (apenas um tipo de íon que consegue atravessar a membrana), o potencial de repouso da membrana será igual ao potencial de equilíbrio para esse íon.
Quanto mais acentuado é o gradiente de concentração, maior o potencial elétrico que o equilibra deve ser. Você pode obter ter uma ideia disso ao imaginar as concentrações iônicas em ambos os lados da membrana como colinas de tamanhos diferentes e pensar no potencial de equilíbrio como a força que você precisaria exercer para impedir uma pedra de rolar para baixo nas encostas.
Se você conhece a concentração de em ambos os lados da membrana celular, então você pode prever o tamanho do potencial de equilíbrio do potássio.
O potencial de membrana é equivalente ao potencial de equilíbrio de ?
Nas células gliais, que fornecem suporte às células do sistema nervoso, o potencial de repouso da membrana é igual ao potencial de equilíbrio do .
Nos neurônios, porém, o potencial de repouso da membrana é próximo, mas não idêntico ao potencial de equilíbrio do . Em vez disso, em condições fisiológicas (condições como aquelas do corpo), os potenciais de repouso da membrana dos neurônios são ligeiramente menos negativos que o potencial de equilíbrio do .
O que isso significa? Em um neurônio, outros tipos de íons além do devem contribuir significativamente para o potencial de repouso da membrana.
Tanto o quanto o contribuem com o potencial de repouso dos neurônios
Ao que parece, a maioria dos neurônios em repouso são permeáveis ao e ao assim como ao . A permeabilidade ao , em particular, é a principal razão pela qual o potencial de repouso da membrana é diferente do potencial de equilíbrio do potássio.
Voltemos ao nosso modelo de uma célula permeável a apenas um tipo de íon, e vamos imaginar que o (em vez de ) é o único íon que pode atravessar a membrana. O geralmente está presente em uma concentração muito maior fora de uma célula do que dentro, assim ele se moverá de acordo com seu gradiente de concentração para dentro da célula, fazendo com que o interior da célula fique positivo em relação ao exterior.
Devido a isso, o potencial de equilíbrio do sódio — a diferença de potencial elétrica através da membrana celular que equilibra exatamente o gradiente de concentração de — será positivo. Então, em um sistema onde o é o único íon permeante, o potencial da membrana será positivo.
Em um neurônio em repouso, ambos e são permeantes, ou capazes de atravessar a membrana.
vai tentar alterar o potencial da membrana em direção ao seu potencial de equilíbrio (positivo). vai tentar alterar o potencial da membrana em direção ao seu potencial de equilíbrio (negativo).
Você pode pensar nisso como sendo um cabo de guerra. O potencial da membrana real estará entre o potencial de equilíbrio do e o potencial de equilíbrio do . No entanto, o potencial da membrana real será próximo ao potencial de equilíbrio do íon com maior permeabilidade (aquele que pode atravessar a membrana mais facilmente).
Abertura e fechamento dos canais de íons altera o potencial de membrana
Em um neurônio, o potencial de repouso da membrana está mais próximo do potencial de equilíbrio do potássio do que do potencial de equilíbrio do sódio. Isso é porque a membrana em repouso é muito mais permeável ao do que ao .
- Se mais canais de potássio se abrirem — tornando-se ainda mais fácil para o
atravessar a membrana celular — a membrana iria se hiperpolarizar, ficando ainda mais perto do potencial de equilíbrio do potássio. - Se, por outro lado, os canais de sódio adicionais se abrirem — tornando mais fácil para o
atravessar a membrana — a membrana celular seria despolarizada em direção ao potencial de equilíbrio do sódio.
A alteração do número de canais iônicos abertos fornece uma maneira para controlar o potencial da membrana da célula e uma ótima maneira de produzir sinais elétricos. (Vamos ver a abertura e fechamento de canais novamente quando discutirmos sobre potenciais de ação.)
A bomba de - mantém os gradientes para e
Os gradientes de concentração de e através da membrana da célula (e, portanto, o potencial de repouso da membrana) são mantidos pela atividade de uma proteína chamada - ATPase, muitas vezes referida como bomba de sódio-potássio. Se a bomba de - for desligada, os gradientes de concentração e se dissiparão e o potencial da membrana também.
Assim como os canais de íons que permitem que e atravessem a membrana celular, a bomba - é uma proteína que abrange a membrana. Ao contrário dos canais de potássio e de sódio, no entanto, a bomba de - não fornece apenas uma direção para que e movimentem seus gradientes eletroquímicos. Em vez disso, ela transporta ativamente e contra seus gradientes eletroquímicos.
A energia para esse movimento "para cima" vem da hidrólise do ATP (a divisão do ATP em ADP e fosfato inorgânico). Para cada molécula de ATP que é quebrada, íons de são movidos do interior para o exterior da célula, e íons de são movidos do exterior para o interior.
Como os são exportados para cada trazidos para o interior da célula, a bomba faz uma pequena contribuição direta com o potencial de repouso da membrana (tornando-a um pouco mais negativa do que seria). A grande contribuição da bomba para o potencial da membrana, no entanto, é indireta: ela mantém os gradientes de e estáveis, os quais dão origem ao potencial da membrana à medida que e diminuem seus respectivos gradientes de concentração através de canais de vazamento.
Quer participar da conversa?
- o que aconteceria com o potencial de membrana das células excitáveis, caso a respiração celular e, consequentemente, a produção de ATP, fosse interrompida?(3 votos)
- Sobre o Potencial de repouso das membranas, é incorreto afirmar que é determinado pelos potenciais de equilibrio de cada ion que permeia a membrana? Ou é incorreto afirmar que a abertura ou fechamento de canais iônicos com comporta na membrana das células excitáveis não influenciam no valor de potencial de repouso?(2 votos)
- Se os canais de potássio voltagem dependente forem bloqueados o que acontece?(2 votos)