. Potenciais geradores Potenciais de ação

(1)

OSCILAÇÕES DA DIFERENÇA DE POTENCIAL

ELÉTRICO NAS MEMBRANAS CELULARES

DOS NEURÔNIOS ASSOCIADAS A

CODIFICAÇÃO, PROCESSAMENTO E

TRANSMISSÃO DE INFORMAÇÕES

.

Potenciais geradores

Potenciais de ação

11/10/2013 Sinais Elétricos 1

Antonio Carlos Cassola

Dep. de Fisiologia e Biofísica

Instituto de Ciências Biomédicas

USP

"O verso é uma vitória sobre

os limites da linguagem.“

(2)

"O verso é uma vitória sobre os limites

da linguagem.“

(3)

Canais para íons e sinais elétricos em

membranas celulares

11/10/2013 3 Galvani 1737-1798 Von Helmholtz 1821-1894 Dale 1875-1968 Bernstein 1839-1917 Adrian 1889-1977 Sherrington 1857-1952 Ramón y Cajal 1852-1934 Katz 1911-2003 Neher 1944- Huxley 1917- Hodgkin 1914-1998 MacKinnon 1956- Sakmann 1942- Eccles 1903-1976 Sinais Elétricos

(4)

Electrical signaling represents

the language of mind, the means

whereby nerve cells, the

building block of the brain,

communicate with one another

over great distances

.

Eric R. Kandel, 2006

(In Search of Memory)

Cell body Dendrites Axon Terminals 11/10/2013

4

1929-

Prêmio Nobel em Fisiologia ou Medicina - 2000

(5)

Plano da exposição

• Generalizações possíveis acerca dos

fenômenos elétricos nas células.

• Potencial de ação: da onda aos fenômenos

moleculares

• Transmissão nas sinapses.

(6)

Moléculas

Neurônios

conectados por

sinpases

Neurônios em

rede

Sistemas funcionais

no SN

Comportamento

Níveis de organização e análise no Sistema Nervoso

Levitan e Kaczmarek, 2002

Atividade Elétrica

(7)

Neurônios:

(8)

- - -

- - - -

- -

-

_{- - -}

-

V

_m

= -65mV

-

+

+ +

+

+ +

+

(9)

11/10/2013 9 Domínio espacial de recepção de mensagens

(informações) transmitidas por neurotransmissores

Domínio espacial de transmissão informações por neurotranmissores

Transmissão elétrica de informações.

Cell body Dendrites

Axon

Terminals

O neurônio é a unidade básica de processamento de informação no

sistema nervoso, com domínios funcionais …

(10)

11/10/2013 10

Canais modulados por neurotransmissores, nas regiões de sinapses, ionotrópicas e metabotrópicas,

Canais modulados por ações não sinápticas de neurotransmissores.

N

_N

Respostas

graduadas

Modificado de Kandel et al. 1991.

Domínio receptor: dendritos e corpo celular

(11)

Os axônios transmitem a informação por potenciais de ação

11/10/2013 11

Nos axônios há canais para Na

+

_{e para K}

+

_dependentes

(modulados por) de voltagem agrupados em pequenas áreas

ou dispersos uniformemente pelo axônio. Estes canais causam

o potencial de ação.

(12)

Nas terminações pré-sinápticas há canais para Ca

2+

_….

11/10/2013 12 Craige, Salazar, Faundez, 2004 Modificado de Kandel et al. 1991. Sinais Elétricos

(13)

O neurônio transmite sinais como elemento elétrico passivo

11/10/2013 13

Koch, 1999

(14)

11/10/2013 14

Oscilações da diferença de potencial elétrico se dão localmente pelo

fluxo de íons através de canais

i HOH i 0 ATP

P

ADP

ATP

P

ADP

RT

G





 



















]

[

]

][

[

ln

Δ

[K]=110mM [Na+_]=10mM [Na+_]=135mM [K+_{]= 4mM}

-

+

m ex i in i i i i

V

c

ln

F

z

RT

F

z

Δ

~

μ

_

_

Sinais Elétricos

(15)

Compartimentos e seus solutos predominantes

quantitativamente

(16)

Fluxos passivos através da membrana celular

+

(17)

Cargas elétricas em soluções: íons

e

-+

-

+

A





)

(

)

(

,

1 















_ _

ohms

R

S

Siemens

G

m

C

f

G

V

G

I

R

G

R

V

I

i i i i i

(18)

Transporte passivo nas membranas celulares por difusão ou

eletrodifusão

(19)

Os axônios transmitem a informação por potenciais de ação

11/10/2013 19

Nos axônios há canais para Na

+

_{e para K}

+

_dependentes

(modulados por) de voltagem agrupados em pequenas áreas

ou dispersos uniformemente pelo axônio. Estes canais causam

o potencial de ação.

(20)

11/10/2013 20

Potencial de ação: Fenomenologia da resposta

local e mecanismos

(21)

11/10/2013

Fisiologia de membranas – Sinapses

21

Sinapses neurônio-neurônio: Potenciais

sinápticos e propagação de correntes

(22)

11/10/2013

Fisiologia de membranas – Sinapses

22

As diferentes regiões do Neurônio têm limiares

diferentes: conseqüências

(23)

(24)

A forma da onda

Reversão da

polaridade

Limiar

Pós-potencial

(25)

(26)

A

Voltage

clamp

(27)

Condutâncias dependentes de voltagem em axônios

i

m

i

E

V

I

G





(28)

Esquemas cinéticos para os canais

a

_Na

F

b

_Na

A

I

Canais para Na

+

a

_K

F

b

_K

A

Canais para K

+

F

A

F

A

I

(29)

Cinéticas das condutâncias: condutância a potássio

a

_K

F

(30)

Cinéticas das condutâncias: condutância a sódio

a

_Na

F

b

_Na

A

I

(31)

11/10/2013 31

Modelo de Hodgkin-Huxley (1952) para as

condutâncias









C

I

dt

dV

E

V

g

E

V

g

n

E

V

hg

m

I

t L L K K Na Na t















3 max 4 max

(

)

Sinais Elétricos

(32)

Onda de propagação

(33)

(34)

INav

0 1 nA 1 ms 0 mV -110 mV

(35)

Estrutura primária

50252 (1999aa) 25 TMS, N-term is IN

TREMBL:Q9C008REFSEQ_XP:XP_028504|ENSEMBL:ENSP00000284710;ENSP00000301518 Voltage-gated sodium channel alpha subunit SCN1A

MEQTVLVPPGPDSFNFFTRESLAAIERRIAEEKAKNPKPDKKDDDENGPKPNSDLEAGKNLPFIYGDIPPEMVSEPLEDLDPYYINKKTFIVLNKGKAIFRFSA TSALYILTPFNPLRKIAIKILVHSLFSMLIMCTILTNCVFMTMSNPPDWTKNVEYTFTGIYTFESLIKIIARGFCLEDFTFLRDPWNWLDFTVITFAYVTEFVD LGNVSALRTFRVLRALKTISVIPGLKTIVGALIQSVKKLSDVMILTVFCLSVFALIGLQLFMGNLRNKCIQWPPTNASLEEHSIEKNITVNYNGTLINETVFEF DWKSYIQDSRYHYFLEGFLDALLCGNSSDAGQCPEGYMCVKAGRNPNYGYTSFDTFSWAFLSLFRLMTQDFWENLYQLTLRAAGKTYMIFFVLVIFLGSFYLIN LILAVVAMAYEEQNQATLEEAEQKEAEFQQMIEQLKKQQEAAQQAATATASEHSREPSAAGRLSDSSSEASKLSSKSAKERRNRRKKRKQKEQSGGEEKDEDEF QKSESEDSIRRKGFRFSIEGNRLTYEKRYSSPHQSLLSIRGSLFSPRRNSRTSLFSFRGRAKDVGSENDFADDEHSTFEDNESRRDSLFVPRRHGERRNSNLSQ TSRSSRMLAVFPANGKMHSTVDCNGVVSLVGGPSVPTSPVGQLLPGGTTTETEMRKRRSSSFHVSMDFLEDPSQRQRAMSIASILTNTVEELEESRQKCPPCWY KFSNIFSIWDCSPYWLKVKHVVNLVVMDPFVDLAITICIVLNTLFMAMEHYPMTDHFNNVLTVGNLVFTGIFTAEMFLKIIAMDPYYYFQEGWNIFDGFIVTLS LVELGLANVEGLSVLRSFRLLRVFKLAKSWPTLNMLIKIIGNSVGALGNLTLVLAIIVFIFAVVGMQLFGKSYKDCVCKIASDCQLPQRWHMNDFFHSFLIVFR VLCGEWIETMWDCMEVAGQAMCLTVFMMVMVIGNLVVLNLFLALLLSSFSADNLAATDDDNEMNNLQIAVDRMHKGVAYVKRKIYEFIQQSFIRKQKILDEIKP LDDLNNKKDSCMSNHTTEIGKDLDYLKDVNGTTSGIGTGSSVEKYIIDESDYMSFINNPSLTVTVPIAVGESDFENLNTEDFSSESDLEESKEKLNESSSSSEG STVGHRRPVEEQPVVEPEETLEPEACFTEGCVQRFKCCQINVEEGRGKQWWNLRRTCFRIVEHNWFETFIVFMILLSSGALAFEDIYIDQRKTIKTMLEYADKV FTYIFILEMLLKWVAYGYQTYFTNAWCWLDFLIVDVSLVSLTANALGYSELGAIKSLRTLRALRPLRALSRFEGMRVVVNALLGAIPSIMNVLLVCLIFWLIFS IMGVNLFAGKFYHCINTTTGDRFDIEDVNNHTDCLKLIERNETARWKNVKVNFDNVGFGYLSLLQVATFKGWMDIMYAAVDSRNVELQPKYEESLYMYLYFVIF IIFGSFFTLNLFIGVIIDNFNQQKKKFGGQDIFMTEEQKKYYNAMKKLGSKKPQKPIPRPGNKFQGMVFDFVTRQVFDISIMILICLNMVTMMVETDDQSEYVT TILSRINLVFIVLFTGECVLKLISLRHYYFTIGWNIFDFVVVILSIVGMFLAELIEKYFVSPTLFRVIRLARIGRILRLIKGAKGIRTLLFALMMSLPALFNIG LLLFLVMFIYAIFGMSNFAYVKREVGIDDMFNFETFGNSMICLFQITTSAGWDGLLAPILNSKPPDCDPNKVNPGSSVKGDCGNPSVGIFFFVSYIIISFLVVV NMYIAVILENFSVATEESAEPLSEDDFEMFYEVWEKFDPDATQFMEFEKLSQFAAALEPPLNLPQPNKLQLIAMDLPMVSGDRIHCLDILFAFTKRVLGESGEM DALRIQMEERFMASNPSKVSYQPITTTLKRKQEEVSAVIIQRAYRRHLLKRTVKQASFTYNKNKIKGGANLLIKEDMIIDRINENSITEKTDLTMSTAACPPSY DRVTKPIVEKHEQEGKDEKAKGK

(36)

Topologia na membrana das proteínas que formam canais

sensíveis a voltagem para cátions

(37)

11/10/2013 37

Ativação, inativação e “gating” em canais sensíveis a voltagem: bases

moleculares.

(38)

Filogenia dos canais para Na

+

_(Na

v

)

(39)

(40)

Bloqueadores dos canais para Na

+

(tetrodotoxina) (saxitoxina)

(tetraetilamônio)

(41)

Ativadores dos canais para Na

(42)

11/10/2013 42

Dib-Hajj et al, Brain Research, 2009

Mutações em Na

_v

1.7 com efeitos diferenciados em DRG e SCG

(43)

Nav1.1 – SCN1A

11/10/2013 43

Catterall, Dib_Hajj, Meisler, Pietrobom, 2008

Sinais Elétricos

Epilepsia generizalizada com ataques febris

Epilepsia mioclônica severa da infância

Limítrofe SMEI

Epilepsia idiopática da infância com

ataques tônicos-clônicos

(44)

(45)

Sinapses

συνάπτειν (synàptein)

C. Sherrington, 1897

(46)

John C. Eccles

1978

Receptor metabotrópico

Fatt e Katz

1952, 1969

Liberação quântica de

neurotransmissor

Vários autores

Henry Dale (1934)

John C. Eccles

Otto Loewi

Charles Sherrington

Santiago Ramón y Cajal

Camillo Golgi

1991

Transmissão extra-sináptica

Séc. XX – Primeira metade

Sinapse química x sinapse

elétrica

1921

Transmissão química em

terminações parassimpáticas

1897

Sinapse

Final do séc. XIX

Hipótese Celular (doutrina do

neurônio) x Hipótese Reticular

(47)

Sinapses neurônio-neurônio

(48)

Sinapses Químicas

Liberação do neurotransmissor Tipos: Ionotrópicas Metabotrópicas Tipos: Excitatórias Inibitórias