Aula 1 Revisão dos fundamentos de bioeletrogênese

(1)

1 Aula 1

Aula 1

Revisão dos fundamentos

de

bioeletrogênese

Fundamentos de

Fundamentos de eletrofisiologia

eletrofisiologia: uma

: uma

abordagem

abordagem te

teó

órico

rico-

-pr

prá

ática

tica

Programa de p

Programa de pó

ós

s-

-gradua

graduaç

ção em Neurologia

ão em Neurologia

FMRP

FMRP-

-USP / 17 a 28 de mar

USP / 17 a 28 de març

ço de 2014

o de 2014

Onde surge a

bioeletricidade

?

A

(2)

Carlos Drummond de Andrade – 1902 a 1987

A eletrofisiologia e a busca pelo fluido vital

400 – 390 AC, Talos e os Argonautas Frankeinstein

Mary Shelley, 1818

The Matrix Wachowski, 1999

A descoberta da

bio

-

eletricidade

Emil du Bois-Reymond, 1818-1896

(3)

3

ESTRUTURA E FUN

Ç

ÃO

DE MEMBRANAS

CELULARES

Disciplina: NEUROQU

Disciplina: NEUROQUÍ

ÍMICA

MICA

Prof.: Vin

Prof.: Viní

ícius Rosa Cota

cius Rosa Cota

Material preparado por Eliane

Material preparado por Eliane Margoti

Margoti

&

Vin

Viní

ícius Cota

cius Cota

(4)

Membrana Celular

• Circunda a cél., define seus limites, mantém as diferenças – citosol e ambiente extracelular. Gradientes iônicos

Estrutura fluida básica Barreira relativamente impermeável

funções – todas MC possuem uma estrutura comum.

(5)

5

Moléculas hidrofílicas e hidrofóbicas na água.

A natureza anfifílica dos fosfolipídeos formam bicamadas espontaneamente em ambiente aquoso.

Interações eletrostáticas favoráveis/ lig. de H moléc. se reorganizam

Moléc. hidrofílicas

Dissolve

(6)

Fechamento espontâneo de uma bicamada lipídica

Propriedade de autosselamento. Fenda cria uma borda livre em contato com água

Lipídeos tendem a se rearranjar

Fenda maior

estável

1970 – moléculas lipídicas individuais difundem livremente entre as bicamadas lipídicas.

(7)

7 Prote

Prote

í

nas de membrana

Quantidades e tipos de prote

Quantidades e tipos de proteíínas varinas variááveisveis

50

50 molmoléécc. lip. lipíídeos / 1 deos / 1 molmoléécc. prote. proteíínana

Prote

Proteíínas variamnas variam _{em estrutura}

e como se associam a bicamada

funções

Maneiras pelas quais as proteínas de membrana se associam à bicamada lipídica.

Atravessa como 1 única hélice

Transmembrana (Integrais) - anfifílica

Atravessa como múltiplas hélice

Folha (barril )

Cadeia lipídica lig. coval. Prot. sol. citosol

Ancoramento de

Glicosilfosfatidilinositol (GPI) Fosfolipase C

Lig. por interações não covalentes

Liberadas da MC: proteínas periféricas Cadeia de ác. graxos

ligada covalentemente na monoc. lipídica.

hidrofobicidade da prot.

Apenas um lado da MC

(8)

Modo como as prote

Modo como as proteíínas estão associadas funnas estão associadas funçção.ão.

Transmembrana

Transmembrana atua nos 2 lados e transporta molatua nos 2 lados e transporta moléécula atravcula atravéés s dela.

dela.

Os receptores de superf

Os receptores de superfíície celular ligam a molcie celular ligam a moléécula sinalizadora.cula sinalizadora.

Para transportar mol

Para transportar moléécula hidrofcula hidrofíílica na bicamada, a lica na bicamada, a protprot. proporciona . proporciona

via para atravessar a barreira perme

via para atravessar a barreira permeáável hidrofvel hidrofóóbica bica protprot. m. múúltiplas ltiplas passagens.

passagens.

Prote

í

nas

transmembrana

Cél. Epiteliais: enzimas e proteínas de transporte de MC

Junção ocludente (barreira)

intercelular

Proteínas em domínios específicos

(9)

9

As moléculas difundem livremente dentro do seu próprio domínio.

Cél. Nervosas – domínios (cinturão de filamentos de actina)

Diferentes anticorpos 3 domínios

(10)

!

(11)

11

(12)

$ % &

' (

(13)

13 "

!

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)* )*+

" # $

!

Membrana semipermeável

(14)

"

(15)

(16)

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(17)

17

- 2

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(18)

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- 3 # 4 $

(19)

19 "

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5

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(20)

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(21)

21

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!

Bomba s

ó

dio

-

pot

á

ssio

Prote

í

na

transmembrânica

3

3 í

í

ons Na

++

_{para fora e 2}

_í

_{ons K}

++

_para

dentro

e

letrogênica

Mant

é

m concentra

ç

ões iônicas de Na

++

_e

de K

(22)

43

,

!

23

₄

2

(23)

23

45

!

62 •

• )

A

(

46

!

0

2

₇₈

9

8

:

;

•

A +

• B;

(24)

47

,

%C ( '

) (

%, '

%?

@ 3

(25)

25

Excitabilidade neuronal

e transmissão sin

á

ptica

Membranas celulares

Reveste c

Reveste céélulas e organelaslulas e organelas

Separa

Separaçção meio externo do ão meio externo do

meio interno

Bi

Bi--camada camada fosfolipfosfolipíídicadica Fosfato: hidrof

Fosfato: hidrofíílicolico

Lip

Lipíídeo: hidrofdeo: hidrofóóbicobico Barreira para

Barreira para áágua e gua e

compostos

(26)

Transporte de substâncias pela

membrana

Difusão (passivo)

Movimento browniano das mol

Movimento browniano das molééculas culas Temperatura

Temperatura

Simples

Simples pela membrana ou canaispela membrana ou canais

Facilitado

Facilitado proteproteíínas nas transmembrânicastransmembrânicas

Transporte ativo

Contra o gradiente de energia (

Contra o gradiente de energia (““morro acimamorro acima””)) Demanda energia: ATP

Demanda energia: ATP

Canais iônicos

Transporte passivo

facilitado de

facilitado de í

íons

ons

K

K++_{, Na}_{, Na}++_,_,_Cl_Cl--_{, Ca}_{, Ca}2+2+

Poros seletivos:

Diâmetro do poro

S

Síítios internos de tios internos de liga

ligaççãoão

Comportamento

“

(27)

27 Abertura e

Abertura e

fechamento de

canais

Por modifica

ç

ões

conformacionais

Sensibilidade a est

(28)

Canais dependentes de voltagem

Fechamento e inativa

ç

ão de canais

FECHADO

ABERTO

(29)

29 Fases do canal

Fases do canal

de Na

+

FECHADO

ABERTO

INATIVADO

Fam

í

lias de canais iônicos

Enorme variedade de canais (> 300)

Classifica

Classificaçção por ão por ííonon

Pot

Potáássio, Sssio, Sóódio, Cdio, Cáálcio, Cloreto, Prlcio, Cloreto, Próótonton

Classifica

Classificaçção por mecanismo de aberturaão por mecanismo de abertura

Ligante, Voltagem,

Ligante, Voltagem, FosforilaFosforilaççãoão, Mecânica, Mecânica

Outras classifica

(30)

Canal de Na

+

S

(31)

31 Canal de K

Canal de K

+

Canal

Canal TetramTetramééricorico com 4 com 4

mon

monóómerosmerosidênticos, 6 hidênticos, 6 héélices lices e 2 meias h

e 2 meias héélices que se lices que se

aproximam no interior do canal

Região do Poro:

--SituaSitua--se entre hse entre héélices S5 e S6lices S5 e S6

--Zona intracelular com grande Zona intracelular com grande abertura

abertura

--Filtro de Seletividade estreitoFiltro de Seletividade estreito

Mecanismos de Inativa

Mecanismos de Inativaççãoão

--Portão das hPortão das héélices S6lices S6

--Filtro de SeletividadeFiltro de Seletividade

--Por aumento da [KPor aumento da [K++_]_]oo

Sensor de Voltagem

--SequênciaSequência de cargas positivas de cargas positivas

em S4

Slide: Keite França

Canal de K

(32)

Canal de Ca

2+

Canal de Ca

2+

Tipos de canais:

1. Dependentes de voltagem

-- Tipo L (longa duraTipo L (longa duraçção): ativados por uma forte despolarizaão): ativados por uma forte despolarizaçção; ão;

Localizam

Localizam--se no mse no múúsculo esquelsculo esqueléético (tico ( 1S), m1S), múúsculo cardsculo cardííaco (aco ( 1C), 1C),

c

céérebro (rebro ( 1D) e retina (1D) e retina ( 1F);1F);

-- Tipos N, P, Q e R: ativados por uma forte despolarizaTipos N, P, Q e R: ativados por uma forte despolarizaçção; a sua ão; a sua

inativa

inativaçção ão éé lenta; Localizamlenta; Localizam--se nos terminais se nos terminais prpréé--sinsináápticospticos; papel ; papel na liberta

na libertaçção de ão de neurotransmissoresneurotransmissores..

-- Tipo T: tem baixa condutância; ativados por uma despolarizaTipo T: tem baixa condutância; ativados por uma despolarizaçção ão pr

próóxima do potencial de repouso, localizamxima do potencial de repouso, localizam--se no sistema nervoso e se no sistema nervoso e

nos m

(33)

33 Canal de Ca

Canal de Ca

2+

Tipos de canais:

2. Dependentes de

2. Dependentes de ligandosligandos

--Canais de CaCanais de Ca2+2+_{dependentes de nucleot}_{dependentes de nucleot}_í_í_{deos c}_{deos c}_í_í_{clicos: transportam}_{clicos: transportam}_í_í_ons_ons_Ca_Ca+2+2

assim que são ativados por três mol

assim que são ativados por três molééculas de culas de ATPcATPc..

--Receptores Receptores rianodrianodíínicosnicos((RyRsRyRs): ativados pela atividade dos canais de Ca): ativados pela atividade dos canais de Ca2+2+

sens

sensííveis veis ààDHP e utilizando como via de segundosDHP e utilizando como via de segundos--mensageiros o mensageiros o ADPRcADPRc (

(ADPRiboseADPRiboseccííclico) clico) ––CaCa2+2+_-_-_calmodulina_calmodulina_{, os receptores}_{, os receptores}_rianod_rianod_í_í_nicos_nicos_{têm por}_{têm por}

fun

funçção a amplificaão a amplificaçção dos sinais de Caão dos sinais de Ca2+2+_{. O RYR3 localiza}_{. O RYR3 localiza}_-_-_{se no c}_{se no c}_é_é_rebro_rebro

--Receptores do IP3: estruturalmente semelhantes aos Receptores do IP3: estruturalmente semelhantes aos RyRsRyRs, os receptores do , os receptores do

IP3 (

IP3 (inositolinositol--1,4,51,4,5--trifosfato) provocam a libertatrifosfato) provocam a libertaçção do cão do cáálcio das reservas lcio das reservas intracelulares ap

intracelulares apóós estimulas estimulaçção dos receptores. Localizamão dos receptores. Localizam--se no RE das se no RE das

c

céélulas nervosas e são ativados por aumento nos nlulas nervosas e são ativados por aumento nos nííveis intracelulares de IP3.veis intracelulares de IP3.

Slide: Keite França

Separa

ç

ão de cargas: o potencial de

repouso da membrana

(34)

Concentra

ç

ões dos meios extra

-

e

intracelular

K

+

Na

+

Cl

-K+ Na+ A -Cl

-385

385 A

A

-

-560

560

52

52 Cl

Cl

-

-20

20

400

400 K

K

++

440

50

50 Na

Na

++

Extra

Intra

Í

on

em mM

(35)

35 Para entender a eletrogênese:

• Imagine: num quarto fechado, um painel

com um furo...

Caso 1:

(36)

Caso 2:

• 100 bolinhas azuis de um lado

• 100 bolinhas vermelhas do outro lado

Caso 3:

• 100 bolinhas azuis de um lado

(37)

37 Caso 4:

• 50 bolinhas azuis positivas e 50 negativas de um lado

• 50 bolinhas vermelhas e 50 negativas do outro lado

• Furo seletivo às bolinhas azuis positivas

+

₊

-+

₊

-+

₊

-+

₊

-+

-Gradiente de concentração = Força de repulsão

Caso 4 = membrana celular

Dois quartos: intra e extra

-

celular

Painel: membrana

Furo: canal iônico seletivo

Bolinhas de diferentes cores e polaridades:

diferentes c

á

tions e ânions

Gradiente de concentra

ç

ão = idem

For

ç

a de repulsão = for

ç

a eletroqu

í

mica de

repulsão

(38)

Eletrogênese

e o potencial de equil

í

brio

Gradiente qu

Gradiente quíímico mico corrente iônica corrente iônica separaseparaçção de cargas ão de cargas potencial elpotencial eléétricotrico

Eq. de Nernst:

Eletrogênese

e o potencial de equil

í

brio

Equação de Nernst para o íon X:

GRADIENTE QUÍMICO

CORRENTE IÔNICA

(39)

39

Manutenção das concentrações:

Bomba sódio-potássio

3 Na+_{p/ fora; 2 K}+_p/ dentro eletrogênica

Transporte ativo ATP

Potencial da membrana:

Equa

ç

ão de

Goldman

-

Hodgkin

-

Katz

(40)

Potencial de membrana

Modelo

el

é

trico da

membrana

(41)

41 Circuito equivalente da membrana

Circuito equivalente da membrana

em regime permanente

(42)

E durante as modifica

ç

ões de

corrente?

Modelo el

é

trico para as transi

ç

ões

(43)

43 Constante de tempo do neurônio e

Constante de tempo do neurônio e

o carregamento da membrana

Para um neurônio esférico de raio a:

τ

= R

in

C

in

Constante de espa

ç

o do neurônio

e propaga

(44)

Potencial de a

ç

ão

Transi

Transiç

ção r

ão rá

ápida e estereotipada no potencial de

pida e estereotipada no potencial de

membrana

Elemento b

Elemento bá

ásico da sinaliza

sico da sinalizaç

ção celular no sistema

ão celular no sistema

nervoso

Dependente da abertura e fechamento coordenados de

canais iônicos dependentes de voltagens

alteram

permeabilidades

Potencial da membrana:

Equa

ç

ão de

Goldman

-

Hodgkin

-

Katz

(45)

45 E o que faz

E o que faz

P

_Na

mudar tanto?

Canais de s

ó

dio dependentes de voltagem

Abertura em cadeia

Processo

tudo

-

ou

-

nada

Fases do PA

Repouso

Despolariza

ç

ão

Repolariza

ç

ão

Hiperpolariza

ç

ão

Repouso

(46)

FILME 006.avi

Potencial de a

(47)

47 Animação

CondPA.exe

Condu

(48)

Per

í

odos refrat

á

rios

Definem a taxa m

Definem a taxa mááxima de disparosxima de disparos

Devidos

Devidos ààinativainativaçção do canal de Naão do canal de Na++_{dependente de voltagem}_{dependente de voltagem}

Per

Perííodo Refratodo Refratáário Absolutorio Absoluto

Per

Perííodo Refratodo Refratáário Relativorio Relativo

Mieliniza

ç

ão

de neurônios

C

é

lulas

gliais

envolvem os neurônios

bainha

de mielina

Aumento da resistência de membrana

diminui

ç

ão do

“

vazamento

”

de

í

ons (modelo

el

é

trico)

Concentra

ç

ão de canais nos espa

ç

amentos

(nodos de

Ranvier

)

Propaga

ç

ão do impulso entre nodos por campo

el

(49)

(50)

Vejamos o filme...

Clique no filme

CondPA.exe

, parte

condu

ç

ão

saltat

ó

ria

.

Ritimicidade

de

PAs

Repeti

ç

ão autom

á

tica dos

Pas

Importante para atividade marca

-

passo

Necess

á

rio no cora

ç

ão, SNC e m

ú

sculos

Depende de correntes cont

í

nuas

despolarizantes

(51)

51 Sinapse: sinaliza

Sinapse: sinaliza

ç

ão intercelular

Sinapse: anatomia e fisiologia

Qu

(52)

Sinapse

el

é

trica

Sinapse qu

í

mica (sinapse)

Mediada por substância qu

Mediada por substância quíímicamica Neurotransmissor

Neurotransmissor::

S

Sííntese no neurônio ntese no neurônio prpréé--sinsináápticoptico

Presente no

Presente no prpréé--sinsináápticopticoem vesem vesíículasculas

Presente em quantidade suficiente para afetar o p

Presente em quantidade suficiente para afetar o póóss--sinsináápticoptico H

Hááreceptores no preceptores no póóss--sinsinááptico no qual ele se ligaptico no qual ele se liga

H

Háámecanismos bioqumecanismos bioquíímicos para sua inativamicos para sua inativaççãoão