aula 17/02 bioeletrogenesi (fisiologia)

Excitabilidade celular: bioleletrogênese e propagação do impulso nervoso

Nas células excitáveis, determinados estímulos causam mudanças transitórias no Em a ponto de inverter completamente a polaridade elétrica. Tal evento elétrico é chamado de potencial de ação (PA). O PA começa com uma rápida despolarização seguida de repolarizaçâo. A despolarização caracteriza-se pela entrada de cargas positivas no interior do neurônio o que vai reduzindo a diferença de potencial, até que ocorra a completa inversão de polaridade. Neste ponto, a face interna da membrana está carregada positivamente e a face interna, negativamente. Na repolarizaçâo, o Em volta aos valores do repouso graças à saída de cátions. A saída de cátions é tanta que a membrana chega ficar momentaneamente hiperpolarizada, isto é, torna-se mais negativamente carregada do que no estado de repouso.
Um neurônio pode ser estimulado com correntes elétricas aplicadas por um eletrodo de estimulação. A figura ao lado mostra o neurônio exibindo vários eventos de PA enquanto está sendo estimulado eletricamente. As alterações do Em durante o PA são causadas pelo fluxo de íons (cargas elétricas) através da membrana.

Comportamento dos potenciais de membrana das células excitáveis

A estimulação elétrica das células excitáveis causam outros dois tipos de respostas, alem do PA:




1. distúrbios elétricos de baixa voltagem, conhecidos como potenciais eletrotônicos que são reações puramente passivas da membrana à aplicação do estímulo, sem ocorrer alterações de condutância iônica. Propaga-se rápida e passivamente a distâncias curtas.
2. distúrbios conhecidos como resposta ou excitação local que vai além do potencial eletrotônico puro e são causadas por um aumento na condutância da membrana ao Na+ mas a despolarização se mantêm localizada, com distância perde energia potencial. Estes fenômenos ficam restritos, por exemplo, nos dendritos e no soma.
O PA é um tipo de distúrbio elétrico de alta voltagem que é muito especial e ocorre somente quando a membrana do neurônio é despolarizada até um valor critico. A figura ao lado ilustra um neurônio multipolar recebendo conexões nervosas aferentes. As regiões do corpo celular e dos dendritos são os sítios de recepção dos estímulos nervosos e respondem aos estímulos com potencias elétricos de baixa voltagem (a, b). Essas respostas elétricas são algebricamente computadas e propagadas eletrotonicamente até a zona de gatilho do PA no cone de implantação do axônio.
Somente no cone o PA pode ser gerado e propagado ao longo do axônio.




MECANISMOS GERADORES E CONDUTORES DO POTENCIAL DE AÇÃO

No cone e ao longo de todo o axônio há canais com comporta para o Na e K. Durante o repouso esses canais estão fechados e a membrana está polarizada (cargas negativas na face interna e cargas positivas na face externa). Se o segmento inicial do axônio for despolarizado até o potencial limiar, os canais de Na+ com comporta, sensíveis a voltagem, se abrem e o íon difunde-se passivamente para dentro do axônio. A entrada de cargas positivas despolariza a membrana ainda mais, abrindo mais canais de Na+ voltagem dependentes num ciclo de retro-alimentação positiva a ponto de inverter completamente a polaridade da membrana (mais cargas positivas na face interna). A despolarização continua até que o Em alcance valores próximos ao potencial de equilíbrio do Na+ (ENa). O novo Em se opõe ao fluxo passivo de Na e a entrada do cátion diminui. Ao mesmo tempo, os canais de Na voltagem dependentes fecham-se tão rapidamente quanto se abriram, tornando-se temporariamente inativos. Até aqui ficou claro como se dá a fase de despolarização do PA.
E como ocorre a repolarizaçâo? Para que o Em volte ao estado de repouso, uma solução seria a de reduzir as cargas positivas da face interna da membrana por meio da saída de K. De fato é isso que acontece. Diferente dos canais de Na voltagem dependentes que se abrem e se fecham rapidamente os canais de K voltagem dependentes se abrem e se fecham lentamente. O K pode agora se difundir passivamente para fora da célula, a favor do seu gradiente elétrico e químico causando a repolarização sem qualquer gasto de energia. Como os canais de K+ fecharem-se lentamente, a face interna da membrana chega a acumular mais cargas negativas do que na condição de repouso, tornando-se momentaneamente hiperpolararizada.
Os estudos com os canais unitários de Na e de K deixam claro que durante a despolarização ocorre entrada de corrente (íons) e durante a repolarização, saída em outras palavras movimentos de íons. É importante salientar que a quantidade de Na e de K que atravessa a membrana durante o PA não causa qualquer alteração na concentração dos respectivos íons nos dois lados da membrana. A prova de que a entrada de íon Na é o responsável pelo desencadeamento do PA é reforçado pelos seguintes dados: se houver um grande aumento na concentração de Na extracelular, o neurônio se tornará facialmente excitável e se houver redução, ficará bastante inexcitável. O modo de ação dos anestésicos locais é um bom exemplo: a lidocaina inibe especificamente os canais de Na voltagem dependentes, impedindo a geração de PA nas células sensoriais causando a analgesia. Já a TTX é um potente veneno age do mesmo modo.

Na figura ao lado um segmento do axônio possui um eletrodo de estimulação (s) e dois eletrodos de registros R1 (mais próximo) e R2 (mais distante). Logo abaixo são mostrados os diferentes pulsos de correntes e os respectivos registros do Em.
Repare que o PA só foi gerado apenas quando o estimulo indicado pela seta foi aplicado. Além disso, o PA foi registrado no ponto R1 e R2, ou seja, o evento elétrico se propagou de um lugar para outro e sem alterar a sua amplitude.
A intensidade de estimulo capaz de gerar o PA é denominado estímulo limiar e o valor do potencial de membrana é denominado de potencial limiar. Os estímulos que só provocaram alterações de baixa voltagem (potenciais subliminares) são denominados estímulos subliminares. As intensidades acima do estímulo limiar são conhecidas como supralimiares.

Propriedades do PA
Se o axônio fosse bem curto, a condução da informação poderia ser feita por condução eletrotônica, mas como as mensagens neuronais percorrem distâncias longas, é essencial um mecanismo que garanta a total fidelidade da informação. Por exemplo, a condução de eletricidade através de cabos elétricos é bem rápida, mas a intensidade do sinal sofre um decaimento exponencial com a distância. Como então contornar a perda de sinal com a distância? A solução foi produzir um evento elétrico auto-regenerativo e auto-propagável como o PA cuja duração e amplitude se propagam imutavelmente ao longo do axônio.
Lei do Tudo-ou-Nada: Se um estímulo limiar for aplicado a uma célula excitável, a célula responderá com um PA e nada impedirá que o fenômeno seja adulterado. É por isso que o PA é conhecido como um fenômeno tudo-ou-nada. Isso ocorre por causa das propriedades intrínsecas dos canais voltagem-dependente que se abrem e se fecham sempre de maneira constante. O seu fechamento é automático, isto é, não depende de um estimulo. Assim, quando ocorre uma despolarização da membrana até o limiar, todos os canais se abrem e se fecham automaticamente.
Decodificação de intensidade do estímulo. Se o PA é um fenômeno cuja amplitude não varia, como os neurônios decodificam variações de intensidade dos estímulos? A intensidade é codificada em função da freqüência dos PA gerados no axônio (numero de PA / unidade de tempo). A decodificação da variação de intensidade é realizada do estímulo limiar até um máximo.



Período refratário: Se um segundo estímulo limiar for aplicado, enquanto o primeiro PA já está em curso, não será possível desencadear outro PA, pois os canais de Na não estarão completamente inativados, isto é, fechados. Este período corresponde ao período refratário absoluto (PRA). A aplicação de um estímulo limiar em uma fase posterior, no curso final da repolarização será possível desencadear um PA, ainda que de menor amplitude. A este período denominamos período refratário relativo (PRR). Esta propriedade é também decorrente das propriedades dos canais voltagem dependente e indica que um novo PA só pode ser gerado quando a membrana estiver completamente repolarizada aos níveis de repouso.
Curva Intensidade-Duração. Um estímulo forte despolariza rapidamente a membrana até o limiar e precisa de pouco tempo para causar um PA. Já um estímulo mais fraco requer mais tempo para que a mesma quantidade crítica de corrente flua através da membrana para despolarizar o limiar. O gráfico da curva intensidade-duração descreve esta relação. Isto quer dizer que além da intensidade, a duração do estímulo aplicado também é igualmente importante para a manifestação do PA. A intensidade mínima de estímulo capaz de causar um PA é denominada reobase e o tempo necessário para sua aplicação, tempo de utilização. A duração que equivale ao dobro da reobase é denominada de cronaxia.

Acomodação: se uma célula excitável for despolarizada muito lentamente até o limiar, não manifestará PA. Isto acontece porque os canais de Na abertos pela despolarização se tornam inativos antes de atingir o potencial limiar, limitando o número de canais críticos necessários para deflagrar o PA. Além disso, como os canais de K voltagem dependentes também se abrem, a membrana se torna refratária.
Mecanismo de condução do impulso nervoso
A figura ilustra a condução do PA em um axônio sem mielina. Repare que o PA está se propagando da esquerda pela direita: assim, primeiro vemos o influxo de Na (despolarização) seguido do efluxo tardio de K (repolarização)
Assim que o PA é gerado no cone de implantação ele se propaga ao longo do axônio até o terminal axônico, como se fosse um rastilho de pólvora em combustão. Como o PA se propaga da zona de gatilho até o seu terminal sem depender de novo estimulo e mantendo a sua amplitude e duração?
A membrana citoplasmática é um mal condutor de cargas elétricas, ao contrário dos fluidos extra e intracelulares. Quando uma região da membrana sofre uma despolarização (zona ativa), as correntes iônicas se propagam longitudinal e transversalmente fechando o circuito. Estas correntes eletrotônicas despolarizam a membrana adjacente que se encontra em repouso. Assim, quando ocorre entrada de Na durante o PA, a região adjacente, “empurra” passivamente corrente negativa para a superfície da membrana, despolarizando-a passivamente. Esta resposta local despolariza a membrana até o seu limiar, ou seja, ativando canais iônicos vizinhos de Na e de K voltagem dependentes, gerando novo PA e assim sucessivamente. Desta maneira o próprio PA serve de estímulo do PA sucessivo, garantindo a sua propagação autoregenerativa, sem qualquer custo adicional de energia metabólica.
O PA é conduzido sempre do segmento inicial para o terminal axônico (anterogradamente) e isto não é devido a uma propriedade inerente à membrana ou ao mecanismo de propagação. O sentido da condução não é revertido porque a membrana do axônio onde o PA acabou de ocorrer se torna refratária, i e, os canais de Na se encontram ainda inativos e os de K abertos. Portanto existe um efluxo de K que hiperpolariza a membrana, barrando qualquer despolarização eletrotônica anterógrada.
O neurônio sensitivo periférico (neurônio pseudo-unipolar), entretanto possui um prolongamento mais longo na periferia que embriologicamente corresponde ao neurito dendritico, mas que especialmente podem gerar PA à semelhança dos axonios.


Velocidade de Condução do PA

Tipos de fibras nervosas de um nervo de mamífero
Tipo de Fibra
Função
Diâmetro
(mm)
Velocidade
(m/s)
Duração do PA (ms)
PRA
(ms)
Aa
Propriocepção; Motor somático
10-20
70-120
0,4 –0,5
0,4-1,0
b
Tato, pressão
5-12
30-70
g
Motor
3-6
15-30
d
Dor, temperatura, tato
2-5
12-30
B
Neurônio pré-ganglionar autonômico
< 3
3-15
1,2
1,2
C
Raízes dorsais

Dor, respostas reflexas

0,4 – 1,2

0,5 –2,0

2

2
Simpático
Neurônios pós-ganglionares
0,3 – 1,3
0,7 – 2,3
2
2
A tabela acima mostra que a velocidade de propagação dos impulsos depende de dois fatores: do calibre e se o axônio é mielinizado ou não.
O gráfico ao lado resume estas informações.
1) Diâmetro do axônio. Quanto maior o diâmetro, menor será a resistência ao fluxo de corrente no axoplasma e como conseqüência, maior a velocidade.
2)
Mielinização da fibra. Uma outra maneira de aumentar a velocidade da condução é o de isolar o axônio eletricamente a intervalos fixos. Os gliócitos encapam os axônios com mielina com exceção dos nodos de Ranvier. O PA iniciado no cone é conduzido de nodo a nodo, onde os canais de Na e de K voltagem dependentes estão presentes. O PA no nodo seguinte é causado pela propagação eletrotônica de corrente gerado pelo PA anterior. Assim, ao invés do PA se propagar continuamente como acontece na fibra sem mielina, ocorre aos saltos, gastando menos tempo até os terminais nervosos. O aumento na velocidade de condução nervosa propicia rapidez na transmissão de informações sensoriais, na emissão de comandos motores para os órgãos efetuadores, bem como no processamento de sinais neurais pelo SNC.

Potencial de ação de um nervo composto
Um nervo periférico é constituído de várias fibras nervosas, tanto motoras como sensitivas (com a exceção de alguns nervos cranianos que possuem ou nervos sensitivos ou motores) e pode conter fibras mielinizadas como não mielinizadas. Tomando-se um nervo composto, é possível registrar o PA composto do nervo, estimulando-o experimentalmente. Na figura abaixo, os registros dos PA do nervo a partir de 3 eletrodos colocados a várias distâncias do eletrodo de estimulação. Note que o PA composto parece ser constituído de vários picos. O que se vê na verdade é a resultante de vários PA unitários das fibras nervosas que compõe o nervo; daí ser denominado de potencial de ação composto. O gráfico ilustra a reconstrução do PA composto mostrando o tamanho relativo dos PA unitários conforme o calibre das fibras e a duração do impulso. Repare que a amplitude e a duração dos PA unitários são diferentes para cada tipo de fibra.