Potencial de ação
O potencial de ação consiste na inversão da tensão elétrica entre o interior e o exterior do nervo, provocada por um estímulo. Ocorre em tecidos excitáveis (particularmente fibras nervosas) após estimulação; a propagação do potencial ao longo da membrana da fibra nervosa dá origem ao impulso nervoso. A propagação do impulso nervoso faz-se através do fluxo de iões, positivos e negativos, ao nível da membrana celular do axónio, o qual é facilitado por alterações da permeabilidade da membrana. Quando o neurónio recebe um estímulo, a polaridade da membrana celular é trocada - despolarização -, devido à passagem do impulso nervoso, e o neurónio passa a ter um potencial de ação.
Uma tensão elétrica, ou diferença de potencial, sempre existe entre o interior e o exterior de uma célula. Esse fato é causado por uma distribuição de íons desigual entre os dois lados da membrana e da permeabilidade da membrana a esses íons. A tensão elétrica de uma célula inativa permanece em um valor negativo — considerando o interior da célula em relação ao exterior ― e varia muito pouco. Quando a membrana de uma célula excitável é despolarizada além de um limiar, a célula dispara um potencial de ação, comumente chamado de espícula (leia Limiar e início). Um potencial de ação é uma alteração rápida na polaridade da tensão elétrica, de negativa para positiva e de volta para negativa. Esse ciclo completo dura poucos milisegundos. Cada ciclo — e, portanto, cada potencial de ação, possui uma fase ascendente, uma fase descendente e, ainda, uma curva de tensão elétrica inferior a do potencial de repouso de membrana. Em fibras musculares cardíacas especializadas, uma fase de platô, com tensão elétrica intermediária, pode preceder a fase descendente.
O potencial de ação é causado pela despolarização da membrana dos neurônios. Assim sendo, quando neurotransmissores são liberados na fenda sináptica, eles se ligam a receptores (1) Ionotrópicos; (2) Metabotrópicos. No primeiro caso, a ligação do neurotransmissor com seu receptor específico altera, de forma conformacional, proteínas de canal. Exemplo: Na+, causando influxo de sódio (Potencial Pós-Sináptico Excitatório - PPSE). Além disso, podemos ter PPSI pela ação de neurotransmissores inibitórios como o GABA, causando a abertura de proteínas de canal K+ (efluxo) ou Cl- (influxo), gerando uma hiperpolarização do neurônio. No segundo caso, a ligação do neurotransmissor ao receptor desencadeia processos que envolvem "mensageiros secundários". O principal processo é o que envolve a Proteina-G.
Potenciais de ação são disparados quando uma despolarização inicial atinge o potencial limiar excitatório. Esse potencial limiar varia, mas normalmente gira em torno de 15 milivolts acima do potencial de repouso de membrana da célula e ocorre quando a entrada de íons de sódio na célula excede a saída de íons de potássio. O influxo líquido de cargas positivas devido aos íons de sódio causa a despolarização da membrana, levando à abertura de mais canais de sódio dependentes de tensão elétrica . Por esses canais passa uma grande corrente de entrada de sódio, que causa maior despolarização, criando um ciclo de realimentação positiva (feedback positivo) que leva o potencial de membrana a um nível bastante despolarizado. O potencial limiar pode ser alcançado ao alterar-se o balanço entre as correntes de sódio e potássio. Por exemplo, se alguns canais de sódio estão em um estado inativado (comportas de inativação fechadas), então um dado nível de despolarização irá ocasionar a abertura de um menor número de canais de sódio (os que não estão inativados) e uma maior despolarização será necessária para iniciar um potencial de ação. Essa é a explicação aceita para a existência do período refratário (veja o tópico sobre Período refratário).
O potencial de ação, gerado no cone de implantação axonal (zona de gatilho), se propaga de maneira semelhante a uma chama ao longo do pavio, que, ao se tornar suficientemente quente, acende em uma extremidade do pavio e queima até a outra extremidade (em um sentido). Quando essa porção da membrana do axônio é despolarizada e atinge o limiar, os canais de sódio dependentes de tensão elétrica se abrem, iniciando o potencial de ação. As cargas positivas fluem para dentro do axônio e se espalham ao longo dele, despolarizando os segmentos adjacentes da membrana, e, quando atinge o limiar, os canais de sódio dependentes de tensão elétrica desse segmento se abrem, promovendo a propagação do potencial de ação. É importante ressaltar que o potencial de ação se propaga sem decaimento visto que a membrana axonal é excitável (capaz de gerar potenciais de ação) ao longo de toda sua extensão.
Período Refratário
Uma vez que o potencial de ação foi disparado numa região da membrana, essa região precisa de tempo para se recuperar antes de disparar novamente. Esse tempo é chamado de período refratário e ele limita a frequência de disparo de potenciais de ação, além de promover a unidirecionalidade da propagação do potencial de ação. Como definido por Lucindo José (2009), o período refratário divide-se em absoluto e relativo. No absoluto, qualquer estímulo para gerar potencial de ação é inútil, pois os canais de sódio estão em estado inativo (comporta rápida aberta e comporta lenta fechada). No relativo, alguns destes canais já estarão de volta ao repouso ativável (comporta rápida fechada e comporta lenta aberta), mas nem todos. Estímulos supralimiares conseguem gerar potenciais de ação no período refratário relativo. A transição entre os dois períodos ocorre aproximadamente quando a repolarização do potencial de ação atinge o potencial limiar excitatório, que é quando as comportas lentas do canal de sódio dependente de tensão elétrica começam a abrir.
Velocidade
A velocidade de propagação do potencial de ação varia, pois depende do diâmetro e do comprimento do axônio, da quantidade de canais dependentes de tensão elétrica, da presença da bainha de mielina e sua espessura; porém, a velocidade típica é de 10 m/s. Considerando então que o potencial de ação dura cerca de 2ms, é possível calcular o comprimento da membrana: Portanto, um potencial de ação andando a 10 m/s percorre um axônio de 2 cm. Segundo Lucindo José (2009), em alguns axônios do polvo atlântico Loligo pealei, a velocidade de propagação do potencial de ação alcança velocidades superiores a 100 m/s, em virtude do calibre elevado e da mielina espessa.
Bainha de mielina e nódulo de Ranvier
Como conceituado por Lucindo José (2009), a bainha de mielina é uma membrana lipídica modificada e espessada. Ela pode ser sintetizada por duas células: os oligodendrócitos, no sistema nervoso central, e as células de Schwann, no sistema nervoso periférico. A espessura da bainha de mielina é de acordo com o número de voltas que a membrana das células de Schwann ou dos oligodendrócitos dão em torno do axônio. Em axônios de calibre pequeno, não há mielina envolvendo. Nestes, a corrente local induz outro potencial de ação na membrana adjacente, se movimentando como uma onda - mudar. Já em axônios de calibre grande, a mielina é mais espessada que os outros menores que a possuem. Ela fornece um aumento do isolamento celular (aumento da resistência de membrana), em virtude de não haver canais de vazamento de membrana onde há mielina, impedindo a entrada e saída de íons.
Patologias
Algumas patologias prejudicam a condução saltatória e reduzem a velocidade de propagação do potencial de ação, produzindo um aumento no tempo de resposta. A mais conhecida é a esclerose múltipla, que ataca as bainhas de mielina dos feixes de axônios do encéfalo, da medula espinhal e dos nervos ópticos. Conforme conceituado em Bear (2002), a palavra esclerose é derivada do grego para definir “endurecimento”, que descreve as lesões que se desenvolvem ao redor de feixes de axônios, e a esclerose é múltipla porque a doença atinge muitos locais no sistema nervoso ao mesmo tempo. Existem vários testes que fazem o diagnóstico da EM e demonstram a importância da mielina e como ela aumenta a velocidade da condução. Um deles envolve estimular o olho e medir o tempo da resposta elétrica, visto que pessoas com EM caracteristicamente têm um retardo na velocidade de condução do nervo óptico.
A junção neuromuscular é um local de estudo relativamente simples e acessível à experimentação. Neste local, o neurônio motor inerva o músculo em uma região especializada da membrana muscular chamada de placa motora. Nesta área, os terminais do neurônio motor formam expansões chamadas de botões sinápticos, de onde o neurônio motor libera seu neurotransmissor. Cada botão é posicionado sobre uma dobra juncional, uma dobra profunda na superfície da fibra muscular pós-sináptica que contém os receptores para o neurotransmissor acetilcolina (ACh). A fenda sináptica possui uma enzima chamada acetilcolinesterase, que é produzida tanto pelo neurônio como pela fibra muscular, e possui a função de inativar a ACh, a fim de que esta substância não fique sempre ligada ao seu receptor provocando estimulação constante. A liberação do neurotransmissor ACh depende da despolarização do neurônio motor, pois dessa forma ativará os canais de Ca2+, fazendo com que este íon entre na célula e permita que as vesículas sinápticas da região terminal se fundam com a membrana plasmática e assim liberem seu conteúdo (ACh) na fenda sináptica. A liberação de ACh pelo terminal do nervo motor ocorre também sem a necessidade de despolarização. Assim, pequenas quantidades de ACh são liberadas sempre na fenda sináptica, fazendo com que sempre haja o potencial miniatura de placa motora (cerca de 3mV, uma espécie de “standby” da célula).
Como pode ser percebido em Mecanismos básicos, a transmissão de potenciais de ação depende de concentrações iônicas pré-determinadas. Assim sendo, depende do meio extracelular.
Hipocaliemia e hipercaliemia
Baixas concentrações extracelulares de potássio promovem uma hiperpolarização no potencial de repouso de membrana da célula, pois os canais repouso de potássio estão sempre abertos. A hiperpolarização faz com que o limiar excitatório da célula aumente. Portanto, serão necessários estímulos muito grandes para a geração do potencial de ação. Essa alteração, no músculo cardíaco, leva a deficiência na contratilidade. Já o aumento da concentração extracelular de potássio resulta na despolarização do potencial de membrana das células. Essa despolarização abre canais de sódio tensão elétrica dependentes, mas em quantidade insuficiente para gerar um potencial de ação. Os canais de sódio então entram em período refratário aumentando assim o potencial de repouso de membrana da célula. Dessa forma há uma diminuição gradativa do limiar excitatório da célula. Ou seja, serão necessários estímulos cada vez menores para gerar um potencial de ação. Isso pode causar danos cardíacos, neuromusculares e gastrintestinais. No coração, pode levar a fibrilação ventricular ou assistolia.
Venenos
Devido à importância dos canais iônicos, principalmente de sódio e potássio, no sistema nervoso central, vários animais desenvolveram mecanismos de defesa e ataque que atuam nos mesmos. Como exemplo dessas substâncias, tem-se: • Tetrodotoxina: atua bloqueando os canais de sódio, impedindo que o potencial de ação seja gerado e, consequentemente, paralisando os organismos que a ingerem. Tal substância é encontrada em algumas espécies de peixe-balão. • Saxitoxina: possui efeito muito semelhante ao da tetrodotoxina, pois é um homólogo químico da mesma. É produzida pelos dinoflagelados, constituindo um malefícios da maré vermelha, pois pode contaminar os bivalves que a ingerem através dos dinoflagelados.
Com a evolução, alguns organismos tornaram-se complexos e maiores. Houve, então, necessidade de manter fidedigna as informações das porções mais distais do organismo. Para tal, o potencial de ação tornou-se um mecanismo muito eficiente, pois sua informação está contida na freqüência, que é uma propriedade que depende da fonte somente, ou seja, não se altera até chegar ao seu destino. Diferente do potencial passivo, que tem sua informação contida na amplitude, sujeita a várias alterações pelo meio. Comparando-se com as ondas de rádio, pode-se dizer que o potencial de ação equivale à FM (freqüência modulada), enquanto o potencial passivo equivale à AM (amplitude modulada).
