Mecanismo do potencial de repouso do neurônio

Nesse vídeo, eu quero falar sobre como o potencial de repouso do neurônio é criado e como ele se relaciona com as diferentes concentrações de alguns íons importantes envolvidos nas funções do neurônio. Pois, entender os conceitos envolvidos no potencial de repouso do neurônio ajudará a entender outras mudanças de potencial na membrana do neurônio, como os potenciais graduados e os potenciais de ação. Aqui eu desenhei um neurônio ampliado. O corpo celular em vermelho, o axônio em verde e o dendrito em azul. Ampliei o dendrito e o axônio bastante para ter espaço para desenhar. É útil considerar a formação do potencial de repouso do neurônio em passos imaginários. Mas na verdade, eles todos ocorrem simultaneamente. Primeiro, consideremos um neurônio sem potencial de repouso. Então não é nem mais positivo fora ou mais negativo dentro da membrana. Consideremos também que todos os íons importantes têm a mesma concentração dentro e fora do neurônio. Não haverá gradientes de concentração para os ânions orgânicos, potássio, sódio, cloro, ou para o cálcio. Agora o neurônio irá criar ânions orgânicos e os adicionará ao citoplasma. Conforme os ânions orgânicos são criados, sendo a maioria proteínas, representadas por íons com carga negativa, essa carga negativa extra que está sendo adicionada para dentro da membrana, irá criar um pequeno potencial de membrana. Agora, dentro da membrana do neurônio será mais negativo por causa dessas cargas negativas extras. Mas é algo bem pequeno, talvez em torno de -5 milivolts. Não sei o valor exato, mas posso dizer que será um potencial de membrana pequeno. Isso não é suficiente para que o neurônio funcione. Mas mesmo que pequeno, com o potencial de membrana haverá agora uma força elétrica agindo sobre os compostos orgânicos, pois eles estarão atraídos pelos íons carregados positivamente fora da membrana. A força elétrica estará tentando mandar os ânions orgânicos para fora do neurônio. Todavia, eles não serão capazes de sair, pois a membrana é fortemente impermeável para ânions orgânicos. E o mesmo vale para a força de difusão causada pela maior concentração de ânions orgânicos dentro do neurônio se comparado a de fora dele. Embora essas forças eletroquímicas estejam tentando fazer com que os ânions orgânicos saiam, eles não passarão pela membrana do neurônio. Estão presos dentro do neurônio. Com isso, não haverá mudanças nas concentrações dos ânions orgânicos, e nenhuma mudança futura acontecerá ao potencial de membrana nesse passo imaginário. O mesmo não valerá para os outros íons. Porque a membrana do neurônio possuí canais, chamados canais de vazamento. Esses canais permitem que íons passem pela membrana, embora a facilidade com a qual esses íons podem passar pela membrana pelos canais de vazamento é muito diferente para íons diferentes. Esses canais de vazamento estão sempre abertos. Não são nunca fechados. Não ficam abrindo e fechando em resposta a algum tipo de estímulo. Para o próximo passo imaginário, consideremos o que acontece quando adicionamos uma bomba de sódio-potássio à membrana do neurônio. Isso aqui será a nossa bomba de sódio-potássio. Será um transportador ativo de íons. Usará a energia de uma molécula de trifosfato de adenosina. Escreverei ATP -- sua abreviação. Para transportar de forma ativa três íons de sódio para fora no neurônio em troca de dois íons de potássio, transportados para dentro do neurônio. Agora, movendo mais cargas positivas para fora do neurônio do que as que estão se movendo para dentro dele, isso irá aumentar o potencial de membrana. Fará com que fique mais negativo dentro da membrana. Não sei o valor exato da mudança que isso causaria, mas será algo pequeno. Digamos que seja algo em torno de -10 milivolts. Agora temos um potencial de membrana maior. Mas ele ainda é muito pequeno para que o neurônio funcione. Muito mais importante que a mudança no potencial de membrana, todavia, é que iremos ter uma grande mudança na concentração de íons potássio e sódio dentro do neurônio. Ao bombear potássio para dentro do neurônio, teremos uma concentração muito maior de potássio dentro do neurônio do que temos fora do neurônio. E, ao bombear sódio para fora do neurônio, teremos uma concentração de sódio muito menor dentro do neurônio, se comparada a concentração de sódio fora dele. Você deve estar se perguntando porque as concentrações de potássio e sódio mudaram dentro do neurônio, mas não mudaram na parte de fora do neurônio. A razão disso é que o fluído extracelular, todo o fluído fora do neurônio, é enorme. E o número de íons total fora do neurônio e no fluído extracelular é bem grande, comparado ao volume do citoplasma dentro do neurônio, e ao número total de íons dentro do neurônio. Dessa forma, o movimento desses íons pela membrana de um neurônio só irá verdadeiramente mudar a concentração desses íons dentro do neurônio. E qualquer mudança na concentração de íons no fluído extracelular será desprezível. Será tão pequeno que não vale nem a pena considerar. Há agora forças opostas nos íons potássio. A força elétrica está tentando levar esses cátions para a parte mais negativa, dentro da célula. Já a força da difusão está tentando levar os íons potássio para fora da célula, de um local com concentração maior para um de menor concentração. Em concentrações normais desses íons no neurônio, nesse passo imaginário, a força de difusão seria, na verdade, muito maior do que a força elétrica. Então, embora haja forças apontando para sentidos diferentes agindo sobre o potássio, a força eletroquímica resultante, isto é, a força maior, que é força de difusão, menos a força menor, que é a força elétrica, irá causar um movimento dos íons potássio para fora do neurônio, por meio dos canais de vazamento. Conforme os íons de potássio estão deixando o neurônio e levando suas cargas positivas para fora do neurônio, isso irá fazer com que a parte de dentro do neurônio fique mais negativa. O potencial de membrana está ficando cada vez maior, com a saída de cada íon potássio. Continuará crescendo até que o potencial de membrana seja grande o suficiente para que a força elétrica, que tenta puxar os íons potássio para dentro do neurônio, seja do mesmo tamanho, mas em sentido oposto ao da força de difusão, que tenta puxar os íons potássio para fora do neurônio. Quando as duas forças tiverem o mesmo tamanho e apontarem para sentidos diferentes, não haverá mais movimento de íons de potássio, nem para dentro nem para fora do neurônio. Ocasionalmente, os íons potássio irão vagar para fora ou para dentro do neurônio, só que em quantidades iguais. Para o potássio, em concentrações normais para um neurônio, isso deve ocorrer em torno de -70 milivolts. Esse valor de potencial de membrana é mais do que suficiente para que o neurônio funcione. O potencial de mebrana, onde um íon está em equilíbrio entre as forças elétrica e de difusão, de forma que não há mais movimento de íons pela membrana, recebe o nome de potencial de equilíbrio. É também chamado de potencial reverso. Na verdade, não é necessário que tantos íons potássio saíam do neurônio para que o potencial de equilíbrio do potássio seja alcançado. É algo em torno de menos do que 1% de 1% de todos os íons potássio dentro do neurônio para que o potássio atinja seu potencial de equilíbrio. Com isso, o efeito na concentração intracelular de potássio é realmente desprezível. Esse processo leva certo tempo. Isso ocorre mais porque a membrana é impermeável para o potássio, e eles só podem sair por meio dos canais de vazamento. Já para os íons sódio, tanto a força elétrica como a força de difusão estão fortemente tentando empurrá-los para dentro do neurônio. Como é um cátion, ele é atraído pelo interior da membrana, que é negativo e também por sua concentração ser maior fora do que dentro do neurônio. Se tivéssemos uma membrana que fosse somente permeável ao sódio, esses cátions iriam fluir para dentro do neurônio até o momento em que tantas cargas positivas tivessem entrado, que o interior não seria mais negativo. Ficaria positivo, ao ponto em que a força elétrica iria mudar de sentido. O interior do neurônio teria que ficar muito positivo para que a força elétrica crescesse o suficiente para balancear a força de difusão, para atingir o potencial de equilíbrio do sódio, que, para um neurônio, em concentrações típicas de íons, fica positivo em torno de 50 milivolts. Todavia, sem uma entrada, quando o neurônio está em repouso, a permeabilidade da membrana para o sódio é, na verdade, bem menor do que sua permeabilidade para o potássio. De fato, a permeabilidade da membrana de um neurônio em repouso para o sódio é algo em torno de 4% de sua permeabilidade para o potássio. É bem menor. Mas como alguns íons potássio são capazes de passar por meio dos canais de vazamento, trazendo algumas cargas positivas para dentro do neurônio, isso irá afetar o potencial de membrana um pouco. Com isso, no lugar do potencial de equilíbrio do potássio ser em torno de -70 milivolts, nesse passo imaginário, ele seria em torno de -60 milivolts. E esse é, na verdade, um potencial de repouso bem comum para um neurônio. Quando a membrana é permeável para múltiplos íons que tem forças eletroquímicas que os puxam, o potencial de membrana resultante é uma média ponderada dos potenciais de equilíbrio dos íons em questão, ponderados usando a sua permeabilidade. No repouso, o membrana do neurônio é muito mais permeável para íons potássio do que para íons sódio. O potencial de repouso é muito mais próximo do potencial de equilíbrio do potássio do que do potencial do sódio. Como as concentrações e as permeabilidades desses íons são geralmente estáveis na maioria dos neurônios em repouso, o potencial de repouso também é estável. No momento, nem os íons potássio nem os íons sódio estão em seus potenciais de equilíbrios. Haverá, então, um pequeno movimento iônico dos dois íons pela membrana. Um pouco de potássio sairá para fora da membrana. E um pouco de sódio estará entrando para dentro da membrana. Isso será correspondido pela atividade contínua da bomba de sódio-potássio, que não só cria essas gradientes de concentração em primeiro lugar, mas também os mantém com o tempo. A membrana em repouso geralmente tem uma permeabilidade intermediário para os íons cloro, algo em torno de 45% da permeabilidade para os íons potássio. Em contraste com o sódio e o potássio, cujos gradientes de concentração têm papel fundamental na criação do potencial de repouso da membrana, para o cloro, o potencial de repouso da membrana é fundamental na determinação do seu gradiente de concentração. O potencial de membrana manda o cloro para fora do neurônio até que seu gradiente de concentração seja grande o suficiente para balanceá-lo. Normalmente, há uma pequena variação na concentração de íons cloro dentro do neurônio, se comparado a que ocorre fora dele. Por isso, o potencial de quilíbrio para o sódio é geralmente igual ou próximo ao potencial normal de repouso de um neurônio, que é em torno de -60 milivolts. A maioria dos neurônio possuí outros meios ativos de decrescer a concentração intracelular de cloro, todavia. O principal deles é o simporte cloro-potássio. Ele leva o cloro para fora do neurônio por meio do aproveitamento da força de difusão que age nos íons potássio. Ele permite que os íons potássio saíam do neurônio o quanto quiserem, e se aproveita da energia para empurrar mais íons cloro para fora do neurônio, diminuindo ainda mais a concentração intracelular de cloro. Por isso, o potencial de equilibrio do cloro na maioria dos neurônios normalmente não é igual ao potencial de repouso, que é de -60 milivolts. No lugar dele, é em torno de -70 milivolts, o que causará o fluido de cloro para o interior, causando uma pequena mudança no potencial de repouso para um valor mais negativo. No entanto, essa mudança é desprezível. A maior parte dos neurônios tem meios ativos para decrescer a concentração intracelular de cálcio, para que haja uma pequena concentração de íons cálcio dentro do neurônio, se comparado a concentração de fora dele. O principal dentre eles é o permutador de sódio e cálcio, que eu lhes mostrarei aqui, move o cálcio para fora do neurônio, por meio do aproveitamento da energia das forças elétrica e de difusão que agem no sódio. Com isso, o permutador de sódio e cálcio permite que o sódio entre no neurônio, em troca do bombeamento de cálcio para fora do neurônio. Isso cria forças elétrica e de difusão fortes, que tentam mover o cálcio para dentro do neurônio. Essas forças são tão grandes que o potencial de quilibrio do cálcio não é atingido até que o interior da membrana fosse positivo, em torno de 120 milivolts, para inverter a força elétrica para balancear a força de difusão que tenta mandar o cálcio para dentro do neurônio. Mas, no fim, a permeabilidade de repouso da membrana pro cálcio é bem pequeno. Então isso tem efeito muito pequeno sobre o potencial de repouso da membrana. Enquanto os gradientes de concentração dos íons cloro e íons cálcio tendem a ter pouco efeito no potencial de repouso da membrana da maioria dos neurônios, eles têm papel fundamental em outros aspectos das funções do neurônio, que falaremos em vídeos futuros. Legendado por Leonardo Trajano Dias Garcia