Mecanismos responsáveis pelo potencial da membrana celular em repouso

Este capítulo é vagamente relevante para a secção e(i) do programa primário da CICM de 2017, que espera que o candidato ao exame “explique os mecanismos de transporte de substâncias através das membranas celulares”. Embora as palavras “potencial de membrana em repouso” nunca apareçam nos grimórios do Colégio, A pergunta 14 do segundo artigo de 2017 dedicou 60% das marcas a esta área temática., As áreas específicas de conhecimento detalhado esperadas pelos examinadores foram a compreensão da “permeabilidade seletiva da membrana, gradientes eletroquímicos e mecanismos ativos de transporte”. Além disso, os estagiários só deveriam “demonstrar consciência” da equação de Nernst e da equação de Goldman-Hodgkin-Katz.,

A luta para manter algum tipo de relevância do exame e foco do tópico sempre foi um desafio para este autor, e esta questão torna-se mais proeminente onde a atenção dos examinadores da faculdade é percebida como sendo incompatível com a aparente importância do tópico do capítulo. Assim é com o potencial de membrana em repouso, que é bastante fundamental para praticamente tudo na biologia médica., Seria justificado dizer que o propósito básico de toda a vida na terra é impedir com força iões de se fixarem em um bom equilíbrio eletroquímico de ambos os lados de uma membrana. No entanto, para proteger os candidatos a exame deste tipo de conversa, as respostas importantes SAQ têm sido concentradas nesta caixa cinzenta.

em resumo:

Se for necessário um recurso autorizado para esta informação, deve-se ir para os livros escolares oficiais. Chapter 1 of the 23rd edition of Ganong’s Review of Medical Physiology or Chapter 5 from Guyton & Hall (mine is the 13th ed) both do an equally thorough job of explaining this concept. Se esta recomendação de recursos é por alguma razão inaceitável, o excelente artigo de Stephen Wright (2004) provavelmente deve ser a próxima referência mais importante, pois é uma tentativa séria de ensinar o Professor, I.,o artigo tem como objetivo descrever aos instrutores de fisiologia a melhor maneira de explicar o potencial de membrana em repouso para os estudantes. Além disso, a Biologia Molecular da célula (4ª edição) tem uma seção sobre isso no Capítulo 15 (Seção 4) por Harvey Lodish, que está disponível gratuitamente a partir do NIH. Por fim, se houver tempo de lazer Amplo, O Livro fonte de fisiologia celular de Nicholas Sperelakis dedica um capítulo inteiro a esta edição (P. 219-242 da terceira edição); esta é provavelmente a coisa mais próxima de uma única referência definitiva, uma vez que cobre o tema com detalhes exaustivos. ,

definição do potencial de membrana em repouso

o examinador do Colégio comenta à pergunta 14 do segundo artigo de 2017 que “uma boa resposta incluía uma definição do potencial de membrana em repouso”. Como de costume, não há definição oficial e a maioria dos livros de texto define-o como

“a diferença de tensão (carga) através da membrana celular quando a célula está em repouso.”

Em suma, é a diferença de carga entre o interior e o exterior da célula.,

O todo “em repouso” componente da definição vem do fato de que a maioria dos livros didáticos usar este conceito para atender uma discussão de propagação do potencial de ação, e por isso torna-se importante definir explicitamente este potencial de membrana como o “descanso” estado de uma célula excitável, ao contrário do potencial de membrana de uma célula que possui apenas depolarised. então, qual é o potencial da membrana em repouso de uma célula típica? Onde quer que encontremos um valor milivolt ligeiramente diferente., Por exemplo, em outras partes deste capítulo o valor “padrão” para o potencial de membrana de repouso de uma célula “típica” é listado como sendo -90 mV.

isto, é claro, está errado. A razão pela qual esta falácia é propagada aqui é em grande parte por causa do fato de que Guyton & Hall usa este valor, e os examinadores da CICM provavelmente esperarão que seus candidatos a citar desse livro oficial., No entanto, para o resto de nós, é importante reconhecer que existe uma grande variedade de diferentes valores potenciais de membrana em repouso, dependendo de qual célula se está olhando e da composição do fluido extracelular em seu microambiente imediato. Sperelakis (2001) oferece uma tabela de valores em seu livro, que é reproduzida aqui sem qualquer permissão específica (e não é claro de que referências esses valores vêm)., Como você pode ver, o valor do Guyton & Hall (-90 mV) provavelmente refere-se ao músculo da rà myocyte, um instrumento favorito dos fisiologistas celulares. Outros livros didáticos (por exemplo. Molecular Biology of the Cell, 4th ed) use -70 mV, referring to the human neuron (usually a discussion of action potentials follows). gradientes químicos de íons através da membrana celular

como já discutido em outros lugares, a composição do fluido intracelular é significativamente diferente da composição do fluido extracelular., O diagrama abaixo é emprestado de Ling et al (1984), e embora os sujeitos eram células musculares de rã, o gist geral disto é provavelmente generalizável.

Vamos ignorar os ânions por um momento. A hora deles chegará. Por agora, digamos que, devido à diferença entre as concentrações intracelulares e extracelulares dos íons, existe um gradiente de concentração química entre os dois compartimentos.,

Se a membrana fosse perfeitamente impermeável ao transporte iónico, não haveria tráfego possível e os iões sódio e potássio permaneceriam educadamente do seu lado da barreira. Infelizmente, a membrana é permeável selectivamente, e os íons são capazes de atravessar., selectividade das membranas à difusão iónica sem matar o SEO ao revisitar o material disponível noutro local, basta dizer que a camada intermédia lipídica da membrana celular é uma barreira não polar e, portanto, impede de forma bastante eficaz a troca de substâncias polares entre os ambientes intracelular e extracelular. A membrana celular, portanto, mantém a sua permeabilidade aos iões por difusão facilitada pelas proteínas; isto é, os canais iónicos permitem o tráfego de espécies iónicas através da membrana.,

Este é o próximo conceito mais importante a absorver: a membrana celular não é uma estrutura totalmente impermeável a iões, e movimento controlado de íons através da membrana ocorre. Embora os canais de sódio existam, eles são poucos-e assim as células animais típicas são principalmente permeáveis a íons de potássio, por causa da presença de “canais de vazamento”. Estes canais de potássio estão abertos em todas as vezes, em todas as tensões potenciais de membrana (isto é, não são canais fechados à tensão), e não têm ligantes naturais de Gate, nem são afetados por qualquer um dos bloqueadores convencionais dos canais de potássio., Lesage et al (2000) descrevê-los em maior detalhe (em resumo, eles são diméricos de dois poros de proteínas de canal, também conhecidos como canais K2P, e existem cerca de 15 famílias deles atualmente identificados).

Assim, a presença destes canais permite que uma contínua fuga lenta de potássio para o fluido extracelular, ao longo do gradiente de concentração química.

gradiente eléctrico através da membrana celular

Antes de trazermos canais iónicos para a discussão, a neutralidade eléctrica de ambos os lados da membrana foi bem mantida.,

Em outras palavras, a igualdade de concentrações de íons positivos e negativos em cada lado da membrana celular significa que o custo de cada compartimento é zero volts, e, portanto, não há diferença de potencial entre os compartimentos.obviamente, com íons de potássio vazando através da membrana em uma direção, não pode permanecer assim.

, Como consequência da perda destes íons de potássio, o fluido intracelular torna-se negativamente carregado em relação ao fluido extracelular. Assim, os efeitos do gradiente de concentração química através desta membrana semipermeável também cria uma diferença de potencial elétrico.normalmente, uma fuga de moléculas através de uma membrana culmina em equilíbrio, ou seja, onde as moléculas se equilibram em concentrações iguais em ambos os lados da membrana., No entanto, isso não pode acontecer neste caso, porque os íons de potássio são positivamente carregados. À medida que eles saem da célula, o fluido intracelular se tornará progressivamente mais e mais carregado negativamente, e alguns íons de potássio serão atraídos de volta para a célula pelas forças da atração eletrostática. Existem, portanto, duas forças opostas agindo em íons de potássio através desta membrana.,

pode-se, portanto, imaginar como o fluxo de íons de potássio que fluem para fora da célula abranda e eventualmente se torna equilibrado com o fluxo de íons de potássio de volta para a célula. Pode-se até usar o termo equilíbrio eletroquímico para descrever este equilíbrio. De fato, se alguém estivesse inclinado para matemática hardcore, poderia estar interessado em algum tipo de representação matemática formal deste equilíbrio. Nesta fase, o candidato gemendo do exame de CICM deve se familiarizar com a equação de Nernst.,esta é a relação das forças elétricas e químicas atuando em qualquer espécie iônica através de uma membrana semipermeável. É atribuído a Walther Hermann Nernst, um cientista alemão, cujas outras realizações incluíram o desenvolvimento de algumas armas químicas relativamente ineficazes para os alemães durante a Primeira Guerra Mundial, e tornando-se um dos poucos estudiosos a receber um Prêmio Nobel, permanecendo oficialmente reconhecido como um criminoso de guerra.,

pode-se encontrar uma discussão mais científica da equação de Nernst no artigo de Stephen Wright (2004), que está livre desses tipos de digressões.

basicamente, esta versão da equação dá-lhe um valor (VK) que é a diferença potencial (em volts) que se opõe à força de um gradiente de concentração química para íons carregados. é usado aqui porque o potássio é o íon do interesse nesta discussão. Substituindo valores por constantes e valores conhecidos (por exemplo., a valência dos iões de potássio, sendo 1+, e a temperatura do corpo em Kelvin), pode-se simplificar esta equação em algo que é que se espera ser mais susceptíveis de serem memorizadas por meio louco CICM exame candidato:

Se fosse para substituir comumente valores esperados para o intracelular e extracelular concentrações de potássio, poderíamos descobrir o que é diferença de potencial deve ser gerada através de uma membrana. Wright (2004) uses a 10: 1 gradient (i.e., 100 mmol de concentração intracelular e 10 mmol de concentração extracelular) para fins de ilustração; quando o gradiente é de 10: 1, a diferença potencial alcançada no equilíbrio é de cerca de 61 milivolts. Esta diferença potencial é o “potencial Nernst” para qualquer íon dado, e ele aumenta sempre que a razão de concentrações aumenta (ou seja, quanto maior a diferença de concentração, maior o potencial Nernst necessário para manter o equilíbrio eletroquímico).

nesta fase, é importante mencionar que a magnitude do fluxo iônico real através da membrana é realmente muito pequena., O colorido dos diagramas pode sugerir que os iões de potássio são a pulverização totalmente fora da célula e potássio “vazamento” canais por, pelo menos, implica que não é mensurável taxa de íons difunde constantemente fora do fluido intracelular, mas, de facto, a massa molar de potássio, fazendo o seu caminho através desses canais de K2P é tão pequena que não pode ser medido por quaisquer métodos convencionais. A razão para isso é a carga relativamente grande de cada íon individual: cada 1 mmol de monovalente K+ carrega aproximadamente 100 coulombs de carga., Sem entrar em detalhes excessivos, pode – se resumir dizendo que para gerar uma diferença potencial de 60 mV em um centímetro quadrado de superfície celular, 6 × 10-13 mol de íons de potássio precisam atravessar a membrana-uma quantidade tão pequena que nenhum instrumento terreno pode medi-la. ao discutirmos isto, até agora concentrámo-nos nos iões de potássio como se fossem os únicos iões a atravessar a membrana., O potássio é o maior contribuinte para o potencial da membrana em repouso, mas há uma abundância de outros íons dentro e fora da célula, e a membrana celular é (pelo menos ligeiramente) permeável a todos eles. Por causa disso, a equação de Nernst é uma representação imperfeita do equilíbrio eletroquímico total na superfície da membrana celular.,”8754542295″>Ion species

Nernst potential K+ – 94 mV Na+ + 60 mV Ca2+ + 130 mV Cl- – 80 mV

So, what is the overall effect of all these ions and their electrochemical concentration gradients?, É necessária uma equação muito mais matizada, algo que leva em conta todas as outras espécies iônicas.,h2>O Goldman-Hodgkin-Katz Equação

Obviamente, quando você começar a falar sobre uma seleção de diferentes íons, vários outros fatores devem ser levados em conta:

• Valência do extra íons
• A polaridade de sua carga elétrica (até agora temos estado a lidar apenas com carga positiva de potássio)
• Diferentes concentrações desses íons no interior e no exterior da célula
• Diferente a permeabilidade da membrana para cada íon de espécies

A conta para todos estes, obviamente, alguns mutantes versão da equação de Nernst será necessária., Essa é a equação de Goldman-Hodgkin-Katz.

a principal diferença entre esta e a equação de Nernst é a presença de íons adicionais e a adição da variável P, que é a constante de permeabilidade da membrana. Se essa constante de permeabilidade fosse zero para tudo que não fosse potássio, então todos os outros íons desapareceriam matematicamente da equação e voltaria a parecer uma equação de Nernst normal., contribuição das espécies iónicas para o equilíbrio electroquímico de facto, esses outros íons também podem desaparecer, por toda a influência que exercem sobre o potencial da membrana em repouso. A permeabilidade da membrana para íons de potássio é ordens de magnitude maior do que para outros íons. Para células ” normais “banhadas em fluido extracelular” normal”, a razão da concentração de potássio é de cerca de 35:1, Para o qual Guyton & Hall cita um potencial Nernst de -94 mV.,

Agora, quando você adiciona a contribuição de sódio (que tem um potencial de Nernst de +61 mV), a combinação dos dois dá para intracelular de potencial de -86 mV, por exemplo, ela não se moveu. Isto porque a permeabilidade da membrana ao sódio é tão pobre que o movimento de sódio para a célula é mínimo, em comparação com o movimento de potássio para fora da célula.

Guyton & Hall também menciona que a Na+/K+ ATPase desempenha um papel menor na origem do potencial de membrana em repouso., Ao bombear 2 iões de potássio para a célula enquanto bombeia 3 iões de sódio para fora, cada vez que a bomba roda, remove uma carga positiva do fluido intracelular, aumentando assim o potencial intracelular negativo. De acordo com esse Manual, a contribuição deste fenômeno para o potencial total de membrana em repouso é a mudança de -86 mV para -90 mV, ou seja, uma concentração bastante pequena. Estes números provávelmente vêm de estudos como Miura et al (1978)., Os investigadores bloquearam a Na+/K+ATPase das fibras de Purkinje caninas utilizando ouabain e descobriram que o potencial de membrana em repouso mudou de – 83,6 mV para 78,8 mV como resultado deste efeito.então, e o cloreto? O aparente foco injusto em sódio e potássio na discussão do gradiente eletroquímico parece ignorar completamente a existência de íons cloreto. Na verdade, isto é bastante razoável., Na maioria das células de mamíferos não existem bombas de cloreto ativas, e a concentração de cloreto intracelular e extracelular é distribuída passivamente de acordo com a equação de Goldman-Hodgkin-Katz. A carga extracelular negativa repele íons de cloreto carregados negativamente, e assim pode-se esperar que haja menos deles dentro da célula. Isto é verdade: com um potencial de membrana de cerca de -90 mV e uma concentração de cloreto extracelular de cerca de 100 mmol/L, espera – se que a concentração de cloreto intracelular seja de cerca de 5, 0 mmol/L (Sperelakis, 2001-p. 224).