Universidade Federal Rural de Pernambuco - UFRPE

Departamento de Morfologia e Fisiologia Animal – DMFA

Simulação do Potencial de Ação do Neurônio

Recife, novembro/2010.

Sumário

Sumário 2

1 – Introdução 4

2 - Objetivo 5

3 – Materiais e Métodos 6

Resultados 8

Discussão 13

Referências Bibliográficas 14

Relatório elaborado pelos alunos (a): Emerson Alves, Mariana Lima, Reginaldo Miranda e Vitor Guilherme. Referente à prática de “Simulação do potencial de ação do neurônio”. Entregue ao professor: Romildo Nogueira, docente da disciplina, Física e Biofísica.

1 – Introdução

As células nervosas (neurônios) suas extensões e também as células musculares estão envolvidas por uma membrana, cuja função principal é controlar a passagem de substancias para dentro e fora da célula.

Os neurônios são células especializadas em receber informações elétricas do próprio organismo ou do ambiente externo. Eles também integram as informações a as retransmitem para outras células. Entre o interior e o exterior do neurônio existe uma diferença de potencial Vm denominada de potencial de membrana. Para estas células desempenharem suas funções, o corpo celular, os dendritos, o axônio, e as sinapses, devem possuir determinadas características quanto ao modo de gerar, conservar e transmitir impulsos elétricos também conhecidos como potencial de ação. Quando esses estímulos fornecem, a essas células,  a energia suficiente para que elas atinjam certo valor energético crítico - o limiar de excitabilidade - as alterações do potencial de membrana propagam-se, sem atenuação, por toda membrana da célula, recebendo, esse fenômeno, a denominação de potencial de ação.  Esse potencial é conseqüência do processo cinético de abertura e fechamento de canais iônicos, formados pelas proteínas integrais da membrana dessas células, em resposta a estímulos. Quando as células são eletricamente excitáveis, alterações do campo elétrico no interior das suas membranas promovem modificações nas suas permeabilidades. No caso dos axônios, as membranas, durante a atividade elétrica, tornam-se bastante permeáveis aos íons sódio e potássio. O fluxo desses dois íons, através da membrana axonal, permite gerar  as diferentes fases responsáveis pelo fenômeno do potencial de ação. O fluxo rápido do íon sódio para o interior celular é responsável pela despolarização e o fluxo mais lento de potássio para fora da célula pela repolarização e hiperpolarização.

2 - Objetivo

Observar, com o auxílio do software “AXOVACS”, estímulos para geração do potencial de ação no axônio. Entender o processo de controle dos canais iônicos, a ação de fármacos sobre eles, a condutância da membrana aos íons sódio (Na+) e potássio (K+) e a probabilidade de permeabilidade aos mesmos cátions.

3 – Materiais e Métodos

Utilizaremos o programa de simulação “AXOVACS” (Axon Instruments Inc.). O programa AXOVACS 2.0, baseado no modelo proposto por Hodgkin e Huxley (1952) (J.Physiol. 117. 500) para produção de potenciais de ação em axônios, apresenta alguns subprogramas para simulação como:

1. fixação de voltagem

2. cinética de canais iônicos.

3. Efeitos dos fármacos nos canais de Na e K.

4. Gradiente de Concentração de Na e K.

Para entrar no programa, tecle axovacs <enter>.

Ao iniciar o programa, aparecerá o MENU PRINCIPAL que permitirá fazer a escolha dos subprogramas. Para alterar os valores a serem utilizados numa dada simulação, pressione a tecla e, como descrito na parte direita. Nesse momento, aparecerá outra janela na qual os valores poderão ser modificados. Para realizar a simulação, depois de introduzidos osnovos valores, basta apertar a tecla r.Para apagar o que foi simulado anteriormente,aperte a tecla c. Muitas vezes será interessante manter os gráficos de uma simulação natela para comparar com a nova simulação com valores diferentes. Neste caso, não sedeve pressionar a tecla c; após cada edição, basta rodar a simulação novamente (aseqüência de teclas ee r pode ser usada diversas vezes sucessivas sem problemas).

1 - Potencial de Ação (Escolha a opção 5)

As informações contidas na parte superior direita apresentam valores de potencial de membrana e dos estímulos. Este programa pode simular até 2 estímulos subseqüentes.

Para visualizar um gráfico pressione a tecla r.

  • Estipule valores para amplitude (-60 a 100 µA/cm2) e observe qual é o estímulo mínino para disparar o potencial de ação.

  • Estimule novamente o axônio, aumentando a amplitude, e observar o que acontece.

2 – Canais Iônicos

As informações contidas na parte superior direita apresentam valores do tipo de canal iônico, número de varreduras e voltagem.

  • Rodar a simulação e observar as portas e probabilidade de cada tipo canal abrir.

  • Altere os valores de potencial da membrana, utilizados para o canal de sódio, e depois calcular a probabilidade do canal abrir:

X(V)

Y

60

30

0

-30

-60

  • Probabilidade dos valores utilizados para o canal de potássio:

X(V)

Y

-60

-30

0

30

60

3 – Efeitos farmacológicos nos canais iônicos

As informações contidas na parte superior direita expõem o potencial de repouso, valor do estímulo (µA), início e duração do estímulo, percentagem do fármaco utilizado: Saxitoxina (STX) e Tetraetilamonio (TEA).

  • Altere os valores para os inibidores, 0 e 10 mM para TEA e 0 e 10 nM para STX.

Resultados

Potencial de ação:

Observou-se que ao receber um estimulo o axônio propagara um potencial de ação, porem não será qualquer estimulo que ira dispará-lo. Logo, estímulos sublimiares não propagam potenciais de ação, como visto no simulador.

Vimos também que a célula ao propagar um potencial de ação passa por um período refratário, onde não propagara novamente sob mesmo estimulo, que se dá devido a não reorganização da estrutura e partículas para uma nova propagação. Porem aumentando a amplitude do estimulo, haverá um resultado, no entanto, diferente do anterior.

2º potencial de ação diferenciou-se do primeiro devido a célula ainda estar no período refratário.

Canal Iônico:

O controle dos canais de sódio se faz por partículas do tipo M (partículas de ativação) e do tipo H (partícula de inativação). Os canais de potássio, por sua vez, por não apresentarem inativação seriam controlados por partículas do tipo N. Nesse modelo, a condutância ao íon potássio aumentaria quando quatro partículas N saíssem de um sítio próximo à superfície externa e chegassem a outro próximo à superfície interna da membrana.

A condutância ao íon sódio teria um processo de ativação dos canais, envolvendo partículas do tipo M e outro de inativação, realizado pelas partículas H. A condutância ao íon sódio seria aumentada quando três partículas M chegassem aos seus sítios de ativação (na superfície interna da membrana) e a partícula H não estivesse ainda presente no seu sítio de inativação. Quando partículas do tipo H vão chegando aos seus sítios de inativação (na superfície interna da membrana), a condutância ao íon sódio vai diminuindo gradativamente.

X(V)

Y

60

0,66

30

0,55

0

0,38

-30

0,14

-60

0

Resultado encontrado para probabilidade do canal de sódio abrir inseriu em uma planinha do Excel e temos o gráfico abaixo.

Resultados para canal de sódio Na+

X(V)

Y

-60

0

-30

0,3

0

0,64

30

0,83

60

0,94

Resultados para canal de potássio K+

Efeitos Farmacológicos:

Existem substâncias que possuem caráter inibidor sobre a membrana, e até bloqueiam a passagem de determinados íons. Na simulação foi usado a saxitoxina e o tetraetilamonio. Em condições normais, onde não há a presença desses inibidores a célula propaga o potencial normalmente, figura abaixo.

Potencial de ação normal, Sem TEA e STX.

Porem na presença do TEA, a membrana precisa de mais tempo para repolarizar, ou até não atinge novamente seu potencial de repouso. Observamos que existe alteração na condutância ao íon potássio.

Potencial de ação foi alterado na presença de 10 mM do inibidor TEA.

No caso da STX, a entrada do sódio é bloqueada, não havendo assim despolarização da membrana e consequentemente não haverá propagação do potencial de ação.

Potencial de ação inibido na presença de 10 nM do STX.

Gradiente dos íons:

A membrana em repouso possui no meio extracelular maior concentração de sódio que no meio intracelular, já com o potássio ocorre o inverso. Ao alterarmos essas concentrações o potencial de ação também é afetado.

Condições de repouso.

Altera-se a concentração do sódio e a despolarização é prejudicada, impede-se a formação de um potencial eletroquímico.

Observe que a alteração na diferença de concentração do potássio o correu uma hiperpolarização e um distanciamento do potencial de repouso.

Discussão

Foi observado com a simulação, utilizando o “AXOVACS”, que as membranas excitáveis possuem um limiar de excitabilidade que dispara o potencial de ação. Também vimos que a célula após a propagação de um potencial de ação passa por um período refratário que a impede de propagar um novo potencial de ação em um curto período de tempo, nesse período a os canais e partículas encontram-se ainda em reorganização para uma nova propagação.

Constatou-se que a ação de fármacos inibidores altera o processo despolarização/repolarização da membrana.

Canais iônicos possuem controle de abertura por partículas de ativação e inativação (N, M, H). Que são moduladores graduais da entrada e saída dos íons de sódio e potássio. Com o auxilio do software foi possível calcular a probabilidade de abertura desses canais.

As condições de repouso precisão ser mantidas, diferença de concentração dos íons que geram um potencial eletroquímico, para que aja a propagação do potencial de ação.

Referências Bibliográficas

Garcia E.A.C. 2000. Biofísica. 1 ed. São Paulo, Sarvier, 1 a 26 p.

Druán J.E.R. 2003. Biofisica fundamentos e aplicações. 1 ed. São Paulo, Prentice Hall.

Nogueira R. 2010. Simulação de potencial de ação no neurônio. Disponivel em: http://www.aulasdebiofisica.hpg.ig.com.br/PA.htm Acessado em 20 nov.

Novamente valores encontrados para probabilidade, agora para o canal de potássio.

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