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Potencial de ação

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Em fisiologia, um potencial de ação é um evento de curta duração em que a elétrica potencial de membrana de uma célula rapidamente aumenta e diminui, seguindo uma trajectória consistente. Os potenciais de acção ocorre em vários tipos de células animais , chamados As células excitáveis, incluindo neurônios, células musculares, e células endócrinas, bem como em algumas células vegetais . Em neurónios, que desempenham um papel central na comunicação célula-a-célula. Em outros tipos de células, a sua função principal é a de activar processos intracelulares. Em células musculares, por exemplo, um potencial de acção é o primeiro passo na cadeia de eventos que levam a uma contracção. Em células beta do pâncreas, eles provocam liberação de insulina . Os potenciais de ação nos neurônios também são conhecidos como "impulsos nervosos" ou "picos", e a sequência temporal dos potenciais de ação gerados por um neurônio é chamado de "trem pico". Um neurônio que emite um potencial de ação é muitas vezes disse a "fogo".

Os potenciais de ação são gerados por tipos especiais de canais iônicos dependentes de voltagem embutido em uma célula de membrana plasmática. Estes canais estão fechados quando o potencial de membrana está perto do potencial de repouso da célula, mas que rapidamente começar a abrir se os potenciais de membrana aumenta para um valor de limiar definido com precisão. Quando os canais abertos, permitem que um fluxo interno de sódio iões, o que altera o gradiente electroquímico, que por sua vez produz um novo aumento no potencial de membrana. Este, em seguida, faz com que mais canais para aberto, produzindo uma maior corrente eléctrica, e assim por diante. O processo prossegue até que todos explosivamente dos canais de iões disponíveis são abertos, resultando numa grande variação no potencial da membrana. O influxo rápido de iões de sódio provoca a polaridade da membrana plasmática para inverter, e os canais de iões, em seguida, rapidamente inactivar. À medida que os canais de sódio perto, os iões de sódio já não pode entrar no neurónio, e eles são transportados activamente para fora da membrana do plasma. potássio canais são então activadas, e existe uma corrente de iões potássio para fora, voltando o gradiente electroquímico para o estado de repouso . Depois de um potencial de acção tenha ocorrido, há um deslocamento negativo transiente, o chamado afterhyperpolarization ou período refratário, devido às correntes adicionais de potássio. Este é o mecanismo que impede um potencial de ação de viajar de volta do jeito que veio apenas.

Em células animais, existem dois tipos principais de potenciais de ação, um tipo gerado por canais de sódio voltagem-dependentes, e outro da voltagem dependentes de cálcio canais. Potenciais de ação baseado em sódio geralmente duram menos de um milésimo de segundo, enquanto que os potenciais de ação à base de cálcio pode durar ou mais 100 milissegundos. Em alguns tipos de neurônios, pontos lentos de cálcio fornece a força motriz para uma longa rajada de picos de sódio rapidamente emitidos. Nas células do músculo cardíaco, por outro lado, um pico inicial rápido de sódio proporciona um "iniciador" para provocar o aparecimento rápido de um pico de cálcio, que em seguida produz contracção do músculo.

Visão global

Função

Quase todas as células de animais, plantas e fungos função como baterias, no sentido de que eles manter uma diferença de tensão entre o interior e o exterior da célula, sendo o interior com o pólo negativo da bateria. A tensão da célula é geralmente medida em milivolts (mV) ou milésimos de um volt. A tensão típica de uma célula animal é -65 mV-aproximadamente um quinto de um volt. Como as células são tão pequenos, tensões desta grandeza dar origem a forças muito fortes eléctricos dentro da membrana celular.

Na maioria das células, os variações de tensão muito pouco ao longo do tempo. Existem alguns tipos de células, no entanto, que são electricamente activa no sentido de que as suas tensões de flutuar. Em algumas delas, as tensões às vezes mostram as flutuações para cima e para baixo muito rápidas que têm uma forma estereotipada: esses ciclos para cima e para baixo são conhecidos como potenciais de ação. As durações de potenciais de ação variam em uma ampla gama e, consequentemente, eles são sinais analógicos. Em células do cérebro de animais, o todo para cima e para baixo ciclo pode ter lugar em menos do que um milésimo de segundo. Em outros tipos de células, o ciclo pode durar vários segundos.

As propriedades eléctricas de uma célula animal são determinadas pela estrutura da membrana que rodeia. A membrana celular é constituída por uma camada de lipídicas moléculas com moléculas de proteínas maiores incorporado. A camada lipídica é altamente resistente ao movimento de iões electricamente carregados, por isso, funciona principalmente como um isolante. As grandes moléculas incorporado à membrana, por outro lado, proporcionar canais através do qual os iões podem passar através da membrana, e alguns dos grandes moléculas são capazes de mover-se activamente tipos específicos de iões a partir de um lado da membrana para o outro.

Processo em um neurônio típico

Dois lotes de potencial de membrana (medido em mV) em função do tempo (MS). Top: Lote idealizado onde o potencial de membrana começa a -70 mV no tempo zero. Um estímulo é aplicado no tempo = 1 ms, o que aumenta o potencial de membrana de -55 mV acima (o potencial limite). Após o estímulo é aplicado, o potencial da membrana aumenta rapidamente a um potencial de pico de 40 mV ao tempo = 2 ms. Tão rapidamente, o potencial e, em seguida, cai ultrapassa a -90 mV no tempo = 3 ms, e, finalmente, o potencial de repouso de -70 mV é restabelecida no tempo = 5 ms. Resumindo: um terreno de um potencial de ação determinada experimentalmente que é muito semelhante em aparência a trama idealizada, exceto que o pico é muito mais nítida ea queda inicial é de -50 mV aumentando a -30 mV antes de cair de volta para o potencial de repouso -70 mV.
Figura 1. A. vista de um potencial de acção idealizada mostra suas várias fases como o potencial de acção passa um ponto numa membrana celular. B. As gravações de potenciais de ação são muitas vezes distorcida em comparação com a visão esquemática por causa de variações na técnicas eletrofisiológicas usados para fazer a gravação.

Todas as células nos tecidos do corpo do animal são electricamente polarizado - por outras palavras, eles manter uma diferença de voltagem através da célula de membrana do plasma, conhecido como a potencial de membrana. Esta polarização eléctrica resulta de uma complexa interacção entre estruturas de proteínas incorporadas na membrana chamada Bombas de íons e canais iônicos. Em neurónios, os tipos de canais iónicos na membrana normalmente variam em diferentes partes da célula, o que dá dendrites, axónio, e corpo de células diferentes propriedades elétricas. Como resultado, algumas partes da membrana de um neurónio pode estar excitável (capazes de gerar potenciais de acção), enquanto que outros não são. A parte mais excitável de um neurônio é geralmente o axónio colina (o ponto onde o axónio sai do corpo celular), mas o corpo celular axonal e também são excitáveis, na maioria dos casos.

Cada sistema de membrana excitável tem dois níveis importantes de potencial de membrana: o potencial, que é o valor do potencial de membrana, enquanto mantém nada perturba a célula, e um valor superior a chamada de repouso potencial limiar. No morro axônio de um neurônio típico, o potencial de repouso é de cerca de -70 milivolts (mV) eo potencial limiar é de cerca de -55 mV. Synaptic entradas para um neurónio causar a membrana despolarizar ou hiperpolarizar; ou seja, fazer com que o potencial de membrana para subir ou cair. Os potenciais de acção são provocadas quando se acumula despolarização suficiente para levar o potencial de membrana até limiar. Quando um potencial de ação é acionado, o potencial de membrana dispara abruptamente para cima, muitas vezes chegando a 100 mV, então igualmente abruptamente atira de volta para baixo, muitas vezes terminando abaixo do nível de repouso, onde permanece por algum período de tempo. A forma do potencial de acção é de molde; ou seja, a subida e descida geralmente têm aproximadamente a mesma amplitude, e decurso de tempo para todos os potenciais de acção de uma dada célula. (As exceções são discutidos mais adiante neste artigo.) Na maioria dos neurônios, todo o processo tem lugar em menos de um milésimo de segundo. Muitos tipos de neurônios emitem potenciais de ação constantemente a taxas de até 10-100 por segundo; alguns tipos, no entanto, são muito mais silenciosos, e pode ir para minutos ou mais sem emitir quaisquer potenciais de ação.

Base biofísica

Os potenciais de acção resultantes da presença na membrana de uma célula de tipos especiais de canais iônicos dependentes de voltagem. Um canal de iões dependentes da voltagem é um conjunto de proteínas embutidas na membrana que tem três propriedades fundamentais:

  1. Ele é capaz de assumir mais do que uma conformação.
  2. Pelo menos uma das conformações cria um canal através da membrana que é permeável a tipos específicos de iões.
  3. A transição entre as conformações é influenciada pelo potencial de membrana.

Assim, um canal de iões dependentes da voltagem tende a ser aberto para alguns valores do potencial de membrana, e fechado para outros. Na maioria dos casos, no entanto, a relação entre o potencial de membrana e o estado do canal é probabilística e envolve um tempo de atraso. Canais de iões alternar entre conformações em momentos imprevisíveis: O potencial da membrana determina a taxa de transições e a probabilidade por unidade de tempo de cada tipo de transição.

Canais iônicos dependentes de voltagem são capazes de produzir potenciais de ação, porque eles podem dar origem a feedback positivo ciclos: O potencial de membrana controla o estado dos canais de iões, mas o estado dos canais de iões controla o potencial de membrana. Assim, em algumas situações, um aumento no potencial da membrana pode fazer com que os canais iónicos de abertura, fazendo assim com que um novo aumento no potencial de membrana. Um potencial de ação ocorre quando esse ciclo de feedback positivo continua explosiva. O tempo de percurso e amplitude do potencial de acção são determinados pelas propriedades biofísicas dos canais de iões dependentes da voltagem que o produzem. Vários tipos de canais que são capazes de produzir o feedback positivo necessário para gerar um potencial de acção existir. Canais de sódio dependentes da voltagem são responsáveis pelos potenciais de ação rápidos envolvidos na condução nervosa. Mais lentas potenciais de ação em células musculares e alguns tipos de neurônios são gerados por canais de cálcio dependentes da voltagem. Cada um destes tipos vem em várias variantes, com sensibilidade de tensão diferente e diferentes dinâmicas temporais.

O tipo mais intensamente estudados de canais iônicos dependentes de voltagem compreende os canais de sódio envolvidos na condução nervosa rápido. Estes são por vezes conhecidos como canais de sódio de Hodgkin-Huxley, porque eles foram inicialmente caracterizadas pela Alan Hodgkin e Andrew Huxley em seus estudos sobre a biofísica do potencial de ação vencedor do Prêmio Nobel, mas pode ser mais convenientemente referido como canais de Na V. (O "V" significa "tensão".) Um canal de Na V tem três estados possíveis, conhecidos como desactivada, activada, e inactivado. O canal é permeável apenas aos iões sódio quando ele estiver no estado activado. Quando o potencial de membrana é baixa, o canal passa a maior parte do seu tempo no estado desactivado (fechado). Se o potencial de membrana é elevada acima de um certo nível, o canal mostra o aumento da probabilidade de transição para o estado (aberto) ativado. Quanto maior for o potencial de membrana maior será a probabilidade de activação. Uma vez que um canal de ter activado, ele irá eventualmente fazer a transição para o estado inactivado (fechado). Ele tende a permanecer inactivado em seguida, por alguma tempo, mas, se o potencial de membrana se torna baixo outra vez, o canal terá, eventualmente, a transição de volta para o estado desactivado. Durante um potencial de ação, a maioria dos canais desse tipo passam por um ciclo desactivada → → activado inactivadodesativado. Isto é apenas o comportamento da média da população, no entanto - um canal individual pode, em princípio, realizar qualquer transição a qualquer momento. No entanto, a probabilidade de transição de um canal a partir do estado inativado diretamente para o estado ativado é muito baixa: Um canal no estado inativado é refratária até que ele fez a transição de volta para o estado desativado.

O resultado de tudo isto é que a cinética dos canais de Na V são reguladas por uma matriz de transição cujas taxas são de uma forma complicada e dependente da voltagem. Uma vez que estes próprios canais desempenham um papel importante na determinação da tensão, a dinâmica global do sistema pode ser bastante difícil de trabalhar. Hodgkin e Huxley abordado o problema através do desenvolvimento de um conjunto de equações diferenciais para os parâmetros que governam os estados de canal de iões, conhecidos como o Equações de Hodgkin-Huxley. Essas equações têm sido extensivamente modificado por pesquisas posteriores, mas formam o ponto de partida para a maioria dos estudos teóricos de potenciais de ação biofísica.

À medida que o potencial de membrana é aumentada, canais de iões sódio aberto, permitindo a entrada de sódio iões dentro da célula. Isto é seguido pela abertura de canais de iões de potássio que permitam a saída de potássio iões a partir da célula. O fluxo para dentro de iões de sódio aumenta a concentração de carga positiva catiões na célula e provoca a despolarização, em que o potencial da célula é maior do que a da célula potencial de repouso. Os canais de sódio fechar no pico do potencial de acção, enquanto o potássio continua a sair da célula. O efluxo de iões potássio diminui o potencial de membrana ou hiperpolariza a célula. Para pequenos aumentos de tensão de resto, a corrente de potássio excede a corrente de sódio ea tensão retorna ao seu valor de repouso normal, tipicamente -70 mV. No entanto, se a tensão aumenta últimos um limiar crítico, normalmente de 15 mV mais elevada do que o valor de repouso, a corrente de sódio domina. Isto resulta numa condição em que o fugitivo feedback positivo da corrente de sódio ativa ainda mais os canais de sódio. Assim, a célula "fogos", produzindo um potencial de ação.

As correntes produzidas pela abertura de canais dependentes da voltagem no decurso de um potencial de acção são tipicamente significativamente maior do que a corrente de estimulação inicial. Assim, a amplitude, a duração, e a forma do potencial de acção é determinado em grande parte pelas propriedades da membrana excitável e não a amplitude ou duração do estímulo. Este propriedade tudo-ou-nada do potencial de ação que o diferencia de potenciais classificados como potenciais receptores, potenciais eletrotônicos, e potenciais sinápticos, que escalam com a magnitude do estímulo. Uma variedade de tipos de acção potenciais existem em muitos tipos de células e compartimentos celulares tal como determinado pelos tipos de canais dependentes da voltagem, canais de vazamento, distribuições de canais iônicos, concentrações, capacitância de membrana, temperatura, e outros fatores.

Os iões principais envolvidos num potencial de acção são catiões de sódio e de potássio; íons de sódio entram na célula, e íons de potássio sair, restabelecer o equilíbrio. Relativamente poucos iões tem de atravessar a membrana para a tensão da membrana para alterar drasticamente. Os íons trocados durante um potencial de ação, portanto, fazer uma mudança insignificante nas concentrações iônicas interiores e exteriores. Os poucos íons que se cruzam são bombeados para fora outra vez pela ação contínua do bomba de sódio-potássio, o qual, com outros transportadores de íons, mantém a relação normal de concentrações de íons através da membrana. cálcio e cátions cloreto de aniões estão envolvidos em alguns tipos de potenciais de acção, tais como a potencial da acção cardíaca e o potencial de acção no de uma única célula de alga Acetabularia, respectivamente.

Embora os potenciais de ação são gerados localmente em manchas de membrana excitável, as correntes resultantes podem acionar potenciais de ação em trechos de membrana vizinha, precipitando uma propagação domino-like. Em contraste com a difusão passiva de potenciais elétricos ( potencial eletrotônicos), potenciais de ação são gerados de novo trechos ao longo excitáveis de membrana e propagar sem cárie. Secções mielinizadas de axônios não são excitáveis e não produzem potenciais de ação eo sinal é propagado passivamente como eletrotônicos potencial. Espaçadas regularmente manchas não mielinizadas, a chamada nós de Ranvier, gerar potenciais de ação para aumentar o sinal. Conhecido como condução saltatória, este tipo de propagação de sinal fornece uma troca favorável da velocidade do sinal e diâmetro do axônio. A despolarização da terminais de axónios, em geral, provoca a libertação de neurotransmissor na fenda sináptica . Além disso, backpropagating potenciais de ação foram registrados nos dendritos das neurônios piramidais que são onipresentes no neocórtex. Estes são pensados para desempenhar um papel na spike-dependente-timing plasticidade.

Neurotransmissão

Anatomia de um neurônio

Estrutura de um neurônio típico
Neuron
Numa extremidade de uma estrutura alongada é uma massa de ramificação. No centro desta massa é o núcleo e os ramos são dendritos. Um axônio grosso trilhas longe da massa, terminando com mais ramificações que são rotulados como terminais do axônio. Ao longo do axônio uma série de protuberâncias rotulados como bainhas de mielina.
Dendrite
Soma
Axon
Núcleo
Nó de
Ranvier
Axônio terminal
Células de Schwann
Bainha de mielina

Vários tipos de células de suporte a um potencial de acção, tais como células vegetais, células de músculo, e as células especializadas do coração (em que ocorre a potencial de ação cardíaco). No entanto, a principal célula excitável é o neurónio, que também tem o mecanismo mais simples para o potencial de acção.

Os neurónios são células electricamente excitáveis composta, em geral, de um ou mais dendrites, um único Soma, um único axônio e um ou mais terminais de axônio. O dendrítico é um dos dois tipos de sinapses , sendo o outro a boutons terminais axónio. Dendritos formam saliências em resposta às boutons terminais axônio. Estas saliências, ou espinhas, são projetados para capturar os neurotransmissores liberados pelo neurônio pré-sináptico. Eles têm uma elevada concentração de ligando de canais activados. É, por conseguinte, aqui, onde sinapses de dois neurónios comunicar uns com os outros. Estes espinhos têm um pescoço fino conectar uma saliência bulbosa à dendrite principal. Isto garante que as alterações que ocorrem no interior da coluna vertebral são menos propensos a afetar os espinhos vizinhos. A espinha dendrítica pode, portanto, com raras exceções (ver LTP), agir como uma unidade independente. As dendrites em seguida, ligue para o soma. As casas soma dos núcleo, que actua como regulador para o neurónio. Ao contrário dos espinhos, a superfície da soma é povoada por canais de iões de tensão ativado. Estes canais ajudam a transmitir os sinais gerados por os dendritos. Emergindo a partir da soma é a axônio outeiro. Esta região é caracterizada por ter uma concentração extremamente elevada de canais de sódio activados por voltagem. Em geral, considera-se ser a zona de pico de iniciação potenciais de acção. Vários sinais gerados nos espinhos, e transmitida pela soma todos convergem aqui. Imediatamente após a colina é o axônio axônio. Esta é uma saliência tubular fina viajando longe da soma. O axônio é isolado por um bainha de mielina. A mielina é composto de uma das As células de Schwann (no sistema nervoso periférico) ou oligodendrócitos (no sistema nervoso central), tipos de células gliais. Embora as células da glia não estão envolvidos com a transmissão de sinais elétricos, eles se comunicam e prestar apoio bioquímico importante para os neurônios. Para ser mais específico, a mielina envolve várias vezes em torno do segmento axonal, formando uma camada de gordura espessa que impede a entrada de iões ou escapar do axónio. Este isolamento previne a cárie sinal significativo, bem como garantir a velocidade de sinal mais rápido. Este isolamento, no entanto, tem a limitação de que não há canais pode estar presente na superfície do axónio. Há, portanto, manchas regularmente espaçados de membrana, que não têm isolamento. Estes nódulos de Ranvier pode ser considerado como "mini montículos de axónios ', como a sua finalidade é a de aumentar o sinal, a fim de impedir a deterioração de sinal significativo. No final mais distante, o axônio perde o seu isolamento e começa a ramificar em vários terminais do axônio. Estes terminais do axônio, em seguida, acabar na forma da segunda classe de sinapses, botões terminais axônio. Estes botões têm canais de cálcio activados por tensão, que entram em jogo quando sinalizando outros neurônios.

Iniciação

Antes de considerar a propagação de potenciais de ação junto axônios e sua terminação nos botões sinápticos, é útil considerar os métodos pelos quais os potenciais de ação podem ser iniciadas no axônio outeiro. O requisito básico é que a tensão na membrana colina ser elevada acima do limiar de disparo. Existem várias maneiras em que este despolarização pode ocorrer.

Os axónios pré e pós-sinápticos são separadas por uma curta distância conhecida como a fenda sináptica. Neurotransmissor libertado por axónios pré-sinápticos difundir através do clef sináptica para se ligar a e canais iônicos abertos em axônios pós-sinápticos.
Quando um potencial de acção chega ao fim do axónio pré-sináptico (amarelo), que provoca a libertação de moléculas de neurotransmissores que se abrem canais iônicos no neurônio pós-sináptico (verde). O combinado excitatórios e potenciais pós-sinápticos inibitórios de tais insumos pode começar um novo potencial de ação no neurônio pós-sináptico.

Dinâmica

Os potenciais de ação são mais comumente iniciado por potencial excitatório pós-sináptico de um neurónio pré-sináptico. Tipicamente, moléculas de neurotransmissores são liberados pelo presynaptic neurônio. Estes neurotransmissores, em seguida, ligam-se a receptores na célula pós-sináptica. Esta ligação é aberta vários tipos de canais iônicos. Esta abertura tem ainda o efeito de alterar a permeabilidade ao local do membrana celular e, assim, o potencial de membrana. Se a ligação aumenta a tensão (despolariza a membrana), a sinapse excitatória é. Se, no entanto, diminui a ligação da tensão (hiperpolariza a membrana), é inibidora. Se a tensão é aumentada ou diminuída, a mudança se propaga de forma passiva para regiões próximas da membrana (tal como descrito pela equação cabo e seus refinamentos). Tipicamente, o estímulo tensão decai exponencialmente com a distância a partir da sinapse e com o tempo a partir da ligação do neurotransmissor. Alguns fracção de uma tensão de excitação pode atingir o axônio outeiro e pode (em casos raros) despolarizar a membrana suficiente para provocar um novo potencial de ação. Mais tipicamente, os potenciais de várias sinapses excitatórias deve trabalhar em conjunto no praticamente ao mesmo tempo, para provocar um novo potencial de acção. Seus esforços conjuntos pode ser frustrado, no entanto, pela neutralização potenciais pós-sinápticos de inibição.

Neurotransmissão também pode ocorrer através sinapses elétricas. Devido à ligação directa entre as células excitáveis, sob a forma de junções comunicantes, um potencial de ação pode ser transmitido diretamente de uma célula para a próxima em qualquer direção. O livre fluxo de íons entre as células permite a transmissão não-química mediada rápida. Retificação canais de assegurar que os potenciais de ação se mover apenas em uma direção através de uma sinapse elétrica. Sinapses eléctricas são encontrados em todos os sistemas nervoso, incluindo o cérebro humano, embora sejam uma minoria distinta.

Princípio "Tudo ou nada"

O amplitude de um potencial de acção é independente da quantidade de corrente que a produziu. Em outras palavras, as correntes maiores não criar potenciais de acção mais vasto. Portanto, os potenciais de ação estão a ser dito sinais de tudo-ou-nada, uma vez que quer que eles ocorram totalmente ou não ocorrer. O freqüência de potenciais de ação está relacionada com a intensidade de um estímulo. Isto está em contraste com potenciais receptores, cujas amplitudes são dependentes da intensidade de um estímulo.

Neurônios sensoriais

Em neurónios sensoriais, um sinal externo, tais como pressão, temperatura, luz, som ou é acoplado com a abertura e fechamento de canais de iões, que por sua vez altera as permeabilidades iónicos da membrana e a sua tensão. Estas variações de tensão pode voltar a ser excitatório (despolarização) ou inibitória (hiperpolarizante) e, em alguns neurônios sensoriais, os seus efeitos combinados podem despolarizar a colina axônio suficiente para provocar potenciais de ação. Exemplos em seres humanos incluem a neurônio receptor olfativo e Corpúsculo de Meissner, que são críticos para o sentido de cheiro e tocar, respectivamente. No entanto, nem todos os neurônios sensoriais converter seus sinais externos em potenciais de ação; alguns nem sequer têm um axônio! Em vez disso, eles podem converter o sinal para a libertação de um neurotransmissor, ou em contínuo potenciais graduadas, qualquer dos quais pode estimular neurónio subsequente (s) para disparar um potencial de acção. Para ilustração, na humana orelha, células ciliadas converter o som de entrada para a abertura e fecho de fechado mecanicamente canais iônicos, que pode causar moléculas do neurotransmissor a ser lançado. De modo semelhante, no ser humano retina , a inicial células fotorreceptoras ea próxima camada de células (compreendendo células bipolares e células horizontais) não produzem potenciais de ação; apenas algumas amacrine células e a terceira camada, o células ganglionares, produzir potenciais de ação, que, em seguida, viajar até o nervo óptico.

Potenciais de pacemaker

A parcela do potencial de ação (mV) vs tempo. O potencial de membrana de -60 mV é inicialmente, de forma relativamente lenta para aumentar o potencial limiar de -40 mV e, em seguida, rapidamente picos a um potencial de 10 mV, após o que rapidamente retorna para o ponto de partida potencial -60 mV. O ciclo é então repetido.
Em potenciais de pacemaker, a célula despolariza espontâneamente (linha reta com inclinação para cima) até que ele dispara um potencial de ação.

Em neurônios sensoriais, potenciais de ação resultar de um estímulo externo. No entanto, algumas células excitáveis não necessitam de tais estímulo ao fogo: Eles despolarizar espontaneamente seus hillock axônio e ação de incêndio potenciais a um ritmo regular, como um relógio interno. Os vestígios de tensão de tais células são conhecidos como potenciais de pacemaker. O células marcapasso cardíaco do nó sinusal no coração são um bom exemplo. Embora esses potenciais têm um pacemaker ritmo natural, que pode ser ajustada por estímulos externos; por exemplo, frequência cardíaca pode ser alterada por fármacos, bem como os sinais do Simpático e nervos parassimpático. Os estímulos externos não causam repetitivo disparo da célula, mas apenas alterar a sua temporização. Em alguns casos, a regulação da frequência pode ser mais complexo, que conduz a padrões de potenciais de acção, tal como estourar.

Fases

O curso do potencial de ação pode ser dividido em cinco partes: a fase crescente, o pico de fase, a fase de queda, a fase undershoot, eo período refratário. Durante a fase de ascensão da membrana despolariza potenciais (se torna mais positivo). O ponto em que pára de despolarização é chamada a fase de pico. Nesta fase, o potencial de membrana atinge um máximo. Subsequente a esta, há uma fase de queda. Durante esta fase, as membranas hiperpolariza potenciais (se torna mais negativo). A fase subestimativa é o ponto em que o potencial de membrana torna-se temporariamente mais negativamente carregados do que quando em repouso. Finalmente, o tempo durante o qual um potencial de acção subsequente é impossível ou difícil de fogo é o chamado período refratário, que podem sobrepor-se com as outras fases.

O curso do potencial de acção é determinado por dois efeitos acoplados. Em primeiro lugar, os canais sensíveis à voltagem de iões abrem e fecham em resposta a alterações no voltagem da membrana V m. Isto altera a permeabilidade da membrana aos iões. Em segundo lugar, de acordo com o Equação Goldman, esta mudança de alterações de permeabilidade do potencial de equilíbrio e m, e, assim, a tensão da membrana V m. Assim, o potencial de membrana afecta a permeabilidade, o que afecta em seguida ainda mais o potencial de membrana. Isso configura a possibilidade de feedback positivo, que é uma parte fundamental da fase ascendente do potencial de ação. Um fator complicador é que um único canal de iões pode ter vários "portões" internas que respondem a mudanças em V m de maneiras opostas, ou em taxas diferentes. Por exemplo, embora o aumento V m abre a maioria das portas do canal de sódio sensível à tensão, também encerra "portão de inactivação" do canal, embora mais lentamente. Assim, quando V m é levantado de repente, os canais de sódio abrir inicialmente, mas depois fechar devido à inactivação mais lento.

As tensões e as correntes do potencial de acção em todas as suas fases foram modelados com precisão pela Alan Lloyd Hodgkin e Andrew Huxley em 1952, para o qual eles foram agraciados com o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1963. No entanto, seu modelo considera apenas dois tipos de canais iônicos sensíveis à voltagem, e faz várias suposições sobre elas, por exemplo, que os seus portões internos abrem e fecham independentemente um do outro. Na realidade, há muitos tipos de canais iônicos, e eles nem sempre abrir e fechar de forma independente.

Estimulação e subindo fase

Uma potencial acção típica começa no axónio colina com uma despolarização suficientemente forte, por exemplo, um estímulo que aumenta V m. Esta despolarização é muitas vezes causada pela injecção de sódio extras catiões dentro da célula; estes catiões pode vir de uma ampla variedade de fontes, tais como as sinapses químicas , neurônios sensoriais ou potenciais de pacemaker.

Para um neurónio em repouso, existe uma elevada concentração de iões de sódio e cloro no fluido extracelular em comparação com o fluido intracelular enquanto que existe uma elevada concentração de iões de potássio no fluido intracelular em comparação com o fluido extracelular. Este gradiente de concentração, juntamente com canais presentes na membrana de vazamento de potássio do neurónio provoca uma efluxo de íons potássio, tornando o potencial de repouso perto de K E ≈ -75 mV. A despolarização abre tanto o sódio e os canais de potássio na membrana, permitindo que os iões de fluir para dentro e para fora do axónio, respectivamente. Se a despolarização é pequena (por exemplo, aumentando V m de -70 mV para -60 mV), a corrente de potássio para o exterior supera a corrente de sódio para o interior e a membrana repolariza de volta para o seu potencial de repouso normal em torno de -70 mV. No entanto, se a despolarização é suficientemente grande, a corrente aumenta para dentro de sódio mais do que a corrente de potássio para o exterior e uma condição fugitivo ( feedback) resultados positivos: a mais interior atual, há, mais V m aumenta, o que aumenta ainda mais a corrente para dentro. A despolarização suficientemente forte (aumento em V m) faz com que os canais de sódio sensíveis à voltagem para abrir; o aumento da permeabilidade ao sódio conduz V m mais perto da tensão de equilíbrio do sódio E Na ≈ 55 mV. A tensão aumentando por sua vez provoca ainda mais os canais de sódio para abrir, o que empurra V m ainda mais para E Na. Esse feedback positivo continua até que os canais de sódio estão totalmente abertas e V m está perto de E Na. O forte aumento da V m e permeabilidade de sódio correspondem à fase de subida do potencial de ação.

A tensão de limiar crítico para esta condição do fugitivo é geralmente em torno de -45 mV, mas depende da atividade recente do axônio. Uma membrana que acabou demitido um potencial de ação não pode disparar outra imediatamente, uma vez que os canais de íon não tenham regressado ao seu estado normal. O período durante o qual nenhum novo potencial de ação pode ser demitido é o chamado período refratário absoluto. Em tempos mais longos, após alguns, mas nem todos os canais de iões ter recuperado, o axónio pode ser estimulada para produzir um outro potencial de acção, mas apenas com uma despolarização muito mais forte, por exemplo, -30 mV.O período durante o qual os potenciais de ação são extraordinariamente difícil para evocar é chamado operíodo refratário relativo.

Peak e fase de queda

O feedback positivo da fase ascendente desacelera e chega a um impasse, como os canais de iões de sódio tornar maximamente aberto. No pico do potencial de acção, a permeabilidade de sódio é maximizada e a tensão da membrana V m é quase igual à tensão de equilíbrio do sódio E N / D . No entanto, a mesma voltagem elevada que abriu os canais de sódio inicialmente também fecha lentamente-los fora, fechando os poros; os canais de sódio se tornar inactivado . Isto reduz a permeabilidade da membrana em relação ao sódio de potássio, conduzindo a tensão da membrana de volta em direcção ao valor de repouso. Ao mesmo tempo, a tensão levantada abre os canais de potássio sensíveis à voltagem; o aumento de unidades de permeabilidade do potássio da membrana V m em direcção E K . Combinadas, essas mudanças no sódio e potássio causa permeabilidade V m a cair rapidamente, repolarização da membrana e produzir a "fase de queda" do potencial de ação.

Afterhyperpolarization

A tensão elevou abriu muitos canais mais potássio do que o habitual, e algumas delas não fechar imediatamente quando a membrana retorna à sua tensão de repouso normal. Além disso, novos canais de potássio se abrem em resposta ao influxo de íons de cálcio durante o potencial de ação. A permeabilidade da membrana de potássio é transientemente invulgarmente elevada, a condução da voltagem da membrana V m ainda mais perto da tensão de equilíbrio de potássio E K . Deste modo, existe uma subestimativa ou hiperpolarização, denominado um afterhyperpolarization em linguagem técnica, que persiste até que o potássio da membrana de permeabilidade regressa ao seu valor normal.

Período refratário

Cada potencial de acção é seguido por um período refractário, que pode ser dividido em um período refractário absoluto , durante o qual é impossível para evocar um outro potencial de acção, e então um período refractário relativa , durante o qual é necessário um estímulo mais forte do que o usual. Estes dois períodos refractários são causadas por alterações do estado de moléculas de sódio e do canal de potássio. Ao fechar após um potencial de acção, os canais de sódio introduzir um estado "inactivado", em que eles não podem ser feitas para abrir independentemente do potencial de membrana, o que dá origem ao período refractário absoluto. Mesmo depois de um número suficiente de canais de sódio têm a transição de volta para o seu estado de repouso, acontece com frequência que uma fracção dos canais de potássio permanece aberta, o que torna difícil para o potencial de membrana para despolarizar, e dando assim origem a relação do período refractário. Uma vez que a densidade e subtipos de canais de potássio pode variar muito entre diferentes tipos de neurónios, a duração do período refractário relativa é altamente variável.

O período refratário absoluto é em grande parte responsáveis ​​pela propagação unidirecional de potenciais de ação ao longo de axônios. Em qualquer dado momento, o remendo de axónio atrás da parte spiking activamente é refractário, mas o adesivo na frente, não tendo sido activado recentemente, é capaz de ser estimulada pela despolarização do potencial de acção.

Propagação

Axons of neurons are wrapped by several myelin sheaths, which shield the axon from extracellular fluid.  There are short gaps between the myelin sheaths known as nodes of Ranvier where the axon is directly exposed to the surrounding extracellular fluid.

Em condução saltatória, um potencial de ação em um nó de Ranvier causa para dentro correntes que despolarizar a membrana no próximo nó, provocando um novo potencial de ação lá; o potencial de ação parece "salto" de nó em nó.

Mielina e condução saltatória

A fim de permitir a rápida e eficiente de transdução de sinais eléctricos no sistema nervoso, certos axónios neuronais são cobertas com bainhas de mielina. A mielina é uma membrana que envolve o indivíduo multilamelar axónio em segmentos separados por intervalos conhecidos como nódulos de Ranvier. É produzida por células especializadas: células de Schwann exclusivamente no sistema nervoso periférico, e oligodendrócitos exclusivamente na sistema nervoso central. bainha de mielina reduz a capacitância da membrana e aumenta a resistência da membrana nos intervalos entre os nós, permitindo assim um movimento rápido, saltatória de potenciais de acção do nó de nó. Mielinização é encontrado principalmente em vertebrados , mas um sistema análogo foi descoberto em alguns invertebrados, tais como algumas espécies de camarão. Nem todos os neurônios em animais vertebrados são mielinizado; por exemplo, axónios dos neurónios compreendem o sistema nervoso autónomo não são, em geral, mielinizadas.

Mielina impede íons de entrar ou sair do axônio juntamente segmentos mielinizadas. Como regra geral, a mielinização aumenta a velocidade de condução do potencial de acção e os torna mais eficiente em termos energéticos. Se saltatória ou não, a velocidade de condução de uma acção gamas possíveis a partir de 1 m / s a mais de 100 m / s, e, em geral, aumenta com o diâmetro axonal.

Os potenciais de ação não pode se propagar através da membrana em segmentos mielinizadas do axônio. No entanto, a corrente é transportada pelo citoplasma, que é suficiente para despolarizar a primeira ou segunda subsequente nó de Ranvier. Em vez disso, a corrente iônica de um potencial de ação em um nó de Ranvier provoca outro potencial de ação no próximo nó; esta aparente "salto" do potencial de acção do nó para nó é conhecido como condução saltatória. Embora o mecanismo de condução saltatória foi sugerida em 1925 por Ralph Lillie, a primeira evidência experimental para a condução saltatory veio de Ichiji Tasaki e Taiji Takeuchi e de Andrew Huxley e Robert Stampfli. Em contraste, em axónios sem mielina, o potencial de acção provoca outra na membrana imediatamente adjacente, e move-se continuamente para baixo do axon como uma onda.

A log-log plot of conduction velocity (m/s) vs axon diameter (μm).
Comparação das velocidades de condução de mielinizados e não mielinizados axônios no gato . A velocidade de condução v de neurónios mielinizados varia aproximadamente linearmente com diâmetro axónio d (isto é, v α d ), enquanto que a velocidade de neurónios não mielinizadas varia aproximadamente como a raiz quadrada ( v α√ d ). As curvas vermelhas e azuis são acessos de dados experimentais, enquanto que as linhas pontilhadas são as suas extrapolações teóricas.

Mielina tem duas vantagens importantes: a velocidade de condução rápida e eficiência energética. Para axónios maiores do que o diâmetro mínimo (cerca de 1 micrómetro), mielinização aumenta a velocidade de condução de um potencial de acção, tipicamente dez vezes. Por outro lado, para uma dada velocidade de condução, fibras mielinizadas são menores do que as suas contrapartes não mielinizadas. Por exemplo, os potenciais de ação mover mais ou menos na mesma velocidade (25 m / s) em um axônio sapo mielinizado e um axônio lula gigante unmyelinated, mas o axônio sapo tem uma cerca de 30 vezes menor diâmetro e 1000 vezes a área da seção transversal menor . Além disso, uma vez que as correntes iônicas limitarem-se a nós de Ranvier, muito menos íons de "vazamento" através da membrana, economia de energia metabólica. Esta é uma poupança significativa vantagem selectiva , uma vez que o sistema nervoso humano utiliza cerca de 20% de energia metabólica do corpo.

O comprimento dos segmentos de axónios mielinizados 'é importante para o sucesso da condução saltatória. Elas devem ser tão longo quanto possível para maximizar a velocidade de condução, mas não tão longo que o sinal que chega é fraco demais para provocar um potencial de acção ao próximo nó de Ranvier. Na natureza, os segmentos mielinizadas são geralmente suficientemente longo para que o sinal passivamente propagadas para viajar para, pelo menos, dois nós, mantendo a amplitude suficiente para disparar um potencial de acção no segundo ou terceiro nó. Assim, o factor de segurança da condução saltatória é alta, permitindo a transmissão para os nódulos de derivação em caso de danos. No entanto, os potenciais de ação pode terminar prematuramente em certos lugares onde o fator de segurança é baixa, mesmo nos neurônios unmyelinated; Um exemplo comum é o ponto de ramificação de um axônio, onde se divide em dois axônios.

Algumas doenças degradam a mielina e prejudicar a condução saltatória, reduzindo a velocidade de condução dos potenciais de ação. O mais bem conhecido destes é a esclerose múltipla , em que a desintegração da mielina prejudica movimento coordenado.

Teoria cabo

A diagram showing the resistance and capacitance across the cell membrane of an axon.  The cell membrane is divided into adjacent regions, each having its own resistance and capacitance between the cytosol and extracellular fluid across the membrane.  Each of these regions is in turn connected by an intracellular circuit with a resistance.
Figura.1: visão simplificada da teoria cabo de uma fibra neuronal. As ligados circuitos RC correspondem aos segmentos adjacentes de um passivo neurite. O extracelular resistências r e (os homólogos do resistências intracelulares r Eu ) não são mostrados, uma vez que são geralmente desprezível; o meio extracelular pode ser assumida para ter a mesma tensão em todos os lugares.

O fluxo das correntes dentro de um axónio pode ser descrito quantitativamente pela teoria cabo e suas elaborações, tais como o modelo compartimental. Teoria cabo foi desenvolvido em 1855 por Lord Kelvin para modelar o cabo telegráfico transatlântico e mostrou-se relevante para os neurônios por Hodgkin e Rushton em 1946. Na teoria cabo simples, o neurônio é tratado como um cabo de transmissão eletricamente passivo, perfeitamente cilíndrico, que pode ser descrito por uma equação diferencial parcial


\tau \frac{\partial V}{\partial t} = \lambda^{2} \frac{\partial^{2} V}{\partial x^{2}} - V

onde V (x, t) é a tensão através da membrana de cada vez t e uma posição de x ao longo do comprimento do neurónio, e onde λ e τ são as escalas de comprimento e de tempo características em que as referidas tensões de decaimento em resposta a um estímulo . Referindo-se ao diagrama de circuito acima, essas escalas pode ser determinada a partir das resistências e capacitâncias por unidade de comprimento


\tau =\ r_{m} c_{m} \,

\lambda = \sqrt \frac{r_m}{r_l}

Estes tempos e escalas de comprimento pode ser usado para compreender a dependência da velocidade de condução do diâmetro do neurónio em fibras não mielinizadas. Por exemplo, o tempo τ escala aumenta tanto com a resistência de membrana R m e capacitância C m . Como a capacitância aumenta, mais carga deve ser transferido para a produção de uma dada tensão transmembranar (por equação Q = CV ); como a resistência aumenta, menos carga é transferida por unidade de tempo, tornando mais lento o equilíbrio. De modo semelhante, se a resistência interna por unidade de comprimento r Eu é inferior em um axónio do que no outro (por exemplo, porque o raio do primeiro é maior), o comprimento de decaimento λ espacial torna-se mais longa e a velocidade de condução de um potencial de acção deve aumentar . Se a resistência da transmembrana r m é aumentada, o que reduz a média de "fugas" de corrente através da membrana, do mesmo modo causando λ a tornar-se mais longo, aumentando a velocidade de condução.

Terminação

Sinapses químicas

Em geral, os potenciais de ação que alcançam os botões sinápticos causar um neurotransmissor ser liberado na fenda sináptica. Os neurotransmissores são pequenas moléculas que podem abrir canais iônicos na célula pós-sináptica; a maioria dos axónios têm o mesmo neurotransmissor em todos os seus terminais. A chegada do potencial de acção abre os canais de cálcio sensíveis à voltagem da membrana pré-sináptica; o influxo de cálcio provoca vesículas cheias com neurotransmissor para migrar para a superfície da célula e libertar os seus conteúdos para a fenda sináptica . Este processo complexo é inibida pelos neurotoxinas Tetanoespamina e toxina botulínica, que são responsáveis ​​por tétano e botulismo, respectivamente.

Electrical synapases are composed of protein complexes that are imbedded in both membranes of adjacent neurons and thereby provide a direct channel for ions to flow from the cytoplasm of one cell into an adjacent cell.
Sinapses elétricas entre células excitáveis ​​permitir que os íons passem diretamente de uma célula para outra, e são muito mais rápidas do queas sinapses químicas.

As sinapses elétricas

Algumas sinapses dispensar o "intermediário" do neurotransmissor, e conectar as células pré-sinápticos e pós-sinápticos juntos. Quando um potencial de acção atinge um tal sinapse, as correntes iónicas que fluem para dentro da célula pré-sináptica pode atravessar a barreira das duas membranas celulares e entrar na célula pós-sináptica através de poros conhecido como conexons. Assim, as correntes iónicas do potencial de acção pré-sináptica pode estimular directamente a célula pós-sináptica. Sinapses eléctricas permitir a transmissão mais rapidamente porque eles não requerem a difusão lenta de neurotransmissores em toda a fenda sináptica. Assim, as sinapses elétricas são usadas sempre que a resposta e coordenação de timing rápido são cruciais, como em reflexos de fuga, a retina de vertebrados , eo coração .

Junções neuromusculares

Um caso especial de uma sinapse química é a junção neuromuscular, em que o axónio de um neurónio motor termina em uma fibra muscular. Em tais casos, o neurotransmissor libertado é a acetilcolina, que se liga ao receptor de acetilcolina, uma proteína integral da membrana em que a membrana (o sarcolema ) da fibra muscular. No entanto, a acetilcolina não permanece ligado; em vez disso, ele dissocia-se e é hidrolisado pela enzima, a acetilcolinesterase, localizado na sinapse. Esta enzima reduz rapidamente o estímulo para o músculo, o que permite que o grau de temporização e de contracção muscular a ser regulada delicada. Alguns venenos inativar acetilcolinesterase para evitar este controle, tais como os agentes nervosos sarin e tabun, ea inseticidas diazinon e malation.

Outros tipos de células

Potenciais de ação cardíacos

Plot of membrane potential versus time. The initial resting phase (region 4) is negative and constant flowed by sharp rise (0) to a peak (1).  The plateau phase (2) is slightly below the peak. The plateau phase is followed by a fairly rapid return (3) back to the resting potential (4).
Fases de um potencial de ação cardíaco. O forte aumento da tensão ("0") corresponde ao influxo de iões de sódio, enquanto que os dois decaimentos ("1" e "3", respectivamente) correspondem à inactivação dos canais de sódio e o eflux repolarizante de iões de potássio. O platô característica ("2") resulta da abertura de sensíveis à voltagem de cálcio canais.

O potencial da acção cardíaca difere do potencial de acção neuronal por ter um patamar prolongado, em que a membrana é mantida a uma voltagem elevada para algumas centenas de milissegundos antes de ser repolarizada pela corrente de potássio como de costume. Este patamar é devido à acção de mais lentas cálcio canais de abertura e que prendem a tensão de membrana perto do seu potencial de equilíbrio, mesmo depois de os canais de sódio têm inactivado.

O potencial da acção cardíaca desempenha um papel importante na coordenação da contracção do coração. As células cardíacas do nó sinusal fornecer o potencial pacemaker que sincroniza o coração. Os potenciais de acção dessas células propagadas para e através do nódulo atrioventricular (nó AV), o qual é normalmente a única via de condução entre o átrio e os ventriculos. Os potenciais de ação a partir do nó de viagens AV através do feixe de His e daí para as fibras de Purkinje. Por outro lado, anomalias no potencial de ação cardíaco-se devido a uma mutação ou congênita lesão pode levar a patologias humanas, especialmente arritmias. Vários fármacos anti-arritmia agir sobre o potencial da acção cardíaca, tais como quinidina, lidocaína, bloqueadores beta, e verapamil.

Potenciais de ação musculares

O potencial de acção no músculo esquelético uma célula normal, é semelhante ao do potencial de acção nos neurónios. Os potenciais de acção resultam da despolarização da membrana celular (o sarcolema), o que abre os canais de sódio sensíveis à voltagem; estes tornam-se inactivado e a membrana é repolarizada através da corrente exterior de iões de potássio. O potencial de repouso antes do potencial de ação é tipicamente 90MV, um pouco mais negativa do que neurônios típicos. O potencial de ação muscular dura cerca de 2-4 ms, o período refratário absoluto é de aproximadamente 1-3 ms, e a velocidade de condução ao longo do músculo é de aproximadamente 5 m / s. O potencial de ação libera cálcio íons que liberar o tropomyosin e permitem que o músculo se contrair. Potenciais de acção do músculo são provocadas pela chegada de um potencial de acção neuronal pré-sináptico na junção neuromuscular, o que é um objectivo comum de neurotoxinas.

Potenciais de ação da planta

Planta e as células fúngicas são também electricamente excitáveis. A diferença fundamental para potenciais de acção animal é, que a despolarização em células de planta não é realizado por uma absorção de iões de sódio positivos, mas por libertação de negativos de cloreto de iões. Juntamente com a seguinte liberação de íons positivos de potássio, que é comum a potenciais de plantas e de ação animal, o potencial de ação nas plantas infere, portanto, uma perda osmótica de sal (KCl), ao passo que o potencial de ação animal é osmoticamente neutro, quando quantidades iguais de entrar de sódio e potássio deixando anulam mutuamente osmoticamente. A interação das relações elétricas e osmóticos em células vegetais indica uma função osmótica de excitabilidade elétrica nos ancestrais unicelulares comuns, de plantas e animais sob condições de salinidade mudança, considerando que a actual função de transmissão de sinal rápida é visto como uma realização mais novo de metazoários células em um ambiente osmótica mais estável. Deve-se supor que a função de sinalização familiares de potenciais de ação em algumas plantas vasculares (por exemplo, Mimosa pudica ), surgiu independentemente de que, em células excitáveis ​​metazoários.

Distribuição taxonômica e vantagens evolutivas

Os potenciais de ação são encontrados em todo os organismos multicelulares, incluindo plantas , invertebrados , como insetos e vertebrados , tais como répteis e mamíferos . esponjas parecem ser o principal filo dos multicelulares eucariontes que não transmitem os potenciais de ação, embora alguns estudos tenham sugerido que esses organismos têm uma forma de sinalização eléctrica, também. O potencial de repouso, bem como o tamanho e a duração do potencial de acção, não variaram muito com a evolução, embora a velocidade de condução faz variar dramaticamente com diâmetro axonal e mielinização.

A comparação do potencial de acção (APs) de uma secção transversal representativa de animais
Animal Tipo de celularPotencial de repouso (mV)Aumento AP (mV)AP duração (ms)Velocidade de condução (m / s)
Lulas (Loligo)Axônio gigante-60 120 0,75 35
Minhoca (Lumbricus)Fibra gigante Median-70 100 1.0 30
Cockroach (Periplaneta)Fibra gigante-7080-1040,4 10
Frog (Rana)Axônio do nervo ciático-60 A -80110-130 1.0 30/7
Cat (Felis)Neurônio motor espinhal-55 A -8080-1101-1,530-120

Dada a sua conservação ao longo da evolução, o potencial de ação parece conferir vantagens evolucionárias. Uma função do potencial de acção é rápida, a sinalização de longo alcance dentro do organismo; a velocidade de condução pode exceder 110 m / s, o que é um terço do velocidade do som. título de comparação, uma molécula da hormona na corrente sanguínea realizado se move a cerca de 8 m / s em artérias de grande calibre. Parte desta função é a coordenação de acontecimentos apertado mecânicas, tais como a contracção do coração. Uma segunda função é a computação associado com a sua geração. Sendo um sinal de tudo-ou-nada que não decai com a distância de transmissão, o potencial de ação tem vantagens semelhantes a eletrônica digital. A integração de vários sinais dendríticas no hillock axônio e seu limiar para formar um trem complexo de potenciais de ação é outra forma de cálculo, que tem sido explorado biologicamente para formar geradores de padrão central e imitou em redes neurais artificiais.

Métodos experimentais

Photograph of a giant squid.
Os axônios gigantes de lula Europeia ( Loligo vulgaris) foram cruciais para os cientistas a entender o potencial de ação.

O estudo de potenciais de acção tem requerido o desenvolvimento de novos métodos experimentais. O trabalho inicial, antes de 1955, focado em três objetivos: isolar sinais de neurônios ou axônios individuais, em rápido desenvolvimento, eletrônicos sensíveis, e encolhendo eletrodos suficientes de que a tensão dentro de uma única célula pode ser gravado.

O primeiro problema foi resolvido através do estudo dos axônios gigantes encontrados nos neurônios do gênero lula Loligo . Estes axónios são tão grande em diâmetro (cerca de 1 mm, ou 100 vezes maior do que um neurónio típico) que podem ser vistas a olho nu, tornando-os fáceis de extrair e manipular. No entanto, os Loligo axónios não são representativas de todas as células excitáveis, e numerosos outros sistemas com potenciais de acção foram estudados.

O segundo problema foi resolvido com o desenvolvimento crucial do fixador de tensão, o que permitiu experimentadores para estudar as correntes iónicas subjacentes um potencial de acção em isolamento, e eliminado uma das principais fontes de ruído electrónico, a corrente I C associado com a capacitância C da membrana. Uma vez que a corrente é igual a C vezes a taxa de variação da tensão transmembranar V m , a solução foi desenhar um circuito que manteve V m fixo (taxa de variação de zero), independentemente de as correntes que fluem através da membrana. Assim, a corrente necessária para manter V m a um valor fixo é um reflexo directo da corrente que flui através da membrana. Outros avanços electrónicos incluiu o uso de gaiolas de Faraday e electrónica com alta impedância de entrada, de modo que a própria medição não afecta a tensão que está sendo medido.

O terceiro problema, que a obtenção de eléctrodos pequenos o suficiente para tensões ficha dentro de um único axónio sem perturbar isso, foi resolvido em 1949 com a invenção do eléctrodo de micropipeta de vidro, que foi rapidamente adoptado por outros investigadores. Refinamentos deste método são capazes de produzir pontas de eletrodos que são tão fina quanto 100 A (10 nm), que também confere alta impedância de entrada. Os potenciais de ação também podem ser gravados com pequenos eletrodos metálicos colocados apenas ao lado de um neurônio, com neurochips contendo EOSFETs, ou opticamente com corantes que são sensíveis a Ca 2+ ou a tensão.

Plot of membrane potential versus time.  The channel is primarily in a high conductance state punctuated by random and relatively brief transitions to a low conductance states
Como revelado por umeletrodo de patch-clamp, umcanal iônico tem dois estados: aberto (alta de condutância) e fechada (baixo condutância).

Enquanto eletrodos micropipeta de vidro medir a soma das correntes que passam através de muitos canais iônicos, que estudam as propriedades elétricas de um único canal iônico se tornou possível nos anos 1970 com o desenvolvimento do patch clamp por Erwin Neher e Bert Sakmann. Para isso, eles foram agraciados com o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1991. Patch-aperto verificado que canais iônicos têm estados discretos de condutância, como a aberta, fechada e inactivada.

Tecnologias de imagem ópticos foram desenvolvidos nos últimos anos para medir os potenciais de ação, seja por meio de gravações em vários locais em simultâneo ou com resolução ultra-espacial. Uso corantes sensíveis à voltagem, potenciais de ação foram opticamente gravado a partir de um pequeno pedaço demembrana dos cardiomiócitos.

Neurotoxinas

Photograph of a pufferfish.
Tetrodotoxina é uma toxina letal encontrado embaiacu que inibe ocanal de sódio sensíveis à voltagem, interrompendo potenciais de ação.

Vários neurotoxinas, naturais e sintéticos, são projetados para bloquear o potencial de ação. Tetrodotoxin do baiacu e saxitoxin do Gonyaulax (o gênero dinoflagellate responsável por " marés vermelhas ") potenciais de ação do bloco através da inibição do canal de sódio sensíveis à voltagem; Da mesma forma, dendrotoxina da cobra mamba preta inibe o canal de potássio sensíveis à voltagem. Tais inibidores de canais iônicos servir um importante objetivo de pesquisa, permitindo que os cientistas de "desligar" canais específicos à vontade, isolando assim contribuições dos outros canais; eles podem também ser úteis em purificação por canais de iões ou cromatografia de afinidade em ensaiar a sua concentração. No entanto, estes inibidores também fazer neurotoxinas eficazes, e têm sido considerados para uso como armas químicas. neurotoxinas destinadas aos canais de iões de insectos têm sido eficazes insecticidas; um exemplo é o sintética permetrina, o que prolonga a activação dos canais de sódio em potenciais de acção envolvidos. Os canais de íon de insetos são suficientemente diferentes dos seus homólogos humanos que existem poucos efeitos colaterais em humanos. Muitas outras neurotoxinas interferir com a transmissão de efeitos do potencial de acção nas sinapses , especialmente na junção neuromuscular.

História

Hand drawn figure of two Purkinje cells side by side with dendrites projecting upwards that look like tree branches and a few axons projected downwards that connect to a few granule cells at the bottom of the drawing.
Imagem de duas células de Purkinje (rotulados como A ) desenhada por Santiago Ramón y Cajal. Grandes árvores de dendrites alimentar a soma, a partir do qual um único axônio emerge e se move para baixo, geralmente com alguns pontos de ramificação. As células mais pequenas marcadas B são células granulares.

O papel da energia elétrica nos sistemas nervosos de animais foi observada pela primeira vez em dissecadosrãsporLuigi Galvani, que o estudou desde 1791 até 1797. Os resultados da Galvani estimuladosAlessandro Volta para desenvolver apilha de volta-o mais antigo conhecidoda bateria-elétrico com que ele estudou eletricidade animal (tais comoenguias elétricas) e as respostas fisiológicas à aplicadasde corrente contínuatensões.

Os cientistas do século 19 estudou a propagação de sinais elétricos em todo nervos (ou seja, feixes de neurônios) e demonstraram que o tecido nervoso foi composta de células , em vez de uma rede interligada de tubos (um retículo ). Carlo Matteucci seguido estudos de Galvani e demonstraram que as membranas das células tinha uma tensão entre eles e podem produzir corrente contínua. O trabalho de Matteucci inspirou o fisiologista alemão, Emil du Bois-Reymond, que descobriu o potencial de ação em 1848. A velocidade de condução dos potenciais de ação foi medido pela primeira vez em 1850 por um amigo de du Bois-Reymond, Hermann von Helmholtz. Para estabelecer que o tecido nervoso é composto de células discretas, o médico espanhol Santiago Ramón y Cajal e seus alunos usou uma mancha desenvolvido por Camillo Golgi para revelar as formas miríade de neurônios, que eles prestados meticulosamente. Por suas descobertas, Golgi e Ramón y Cajal foram agraciados com o 1906 Prêmio Nobel de Fisiologia. O trabalho deles resolveu uma controvérsia de longa data na neuroanatomia do século 19; Golgi próprio tinha defendido o modelo de rede do sistema nervoso.

Cartoon diagram of the sodium–potassium pump drawn vertically imbedded in a schematic diagram of a lipid bilayer represented by two parallel horizontal lines. The portion of the protein that is imbedded in the lipid bilayer is composed largely of anti-parallel beta sheets.  There is also a large intracellular domain of the protein with a mixed alpha-helix/beta-sheet structure.
Diagrama de fita da bomba de sódio e potássio no seu estado E2-Pi. Os limites estimados da bicamada lipídica são mostrados como azul (intracelular) e aviões vermelhos (extracelulares).

O século 20 foi uma era dourada para eletrofisiologia. Em 1902, e de novo em 1912, Julius Bernstein avançada a hipótese de que o potencial de acção resultou a partir de uma alteração na permeabilidade da membrana aos iões axonal. A hipótese de Bernstein foi confirmada por Ken Cole e Howard Curtis, que mostrou que o aumento da condutância de membrana durante um potencial de ação. Em 1907, Louis Lapicque sugeriu que o potencial de acção foi gerado como um limiar foi ultrapassado, o que viria a ser mostrado como um produto de os sistemas dinâmicos de condutâncias iónicos. Em 1949, Alan Hodgkin e Bernard Katz refinado hipótese de Bernstein, considerando que a membrana axonal pode ter diferentes permeabilidades para íons diferentes; em particular, eles demonstraram o papel essencial da permeabilidade de sódio para o potencial de acção. Esta linha de pesquisa culminou nas cinco 1,952 papéis de Hodgkin, Katz e Andrew Huxley, em que aplicaram a técnica de fixação de tensão para determinar a dependência da permeabilidade da membrana axonal de sódio e potássio íons na tensão e no tempo, a partir do qual eles foram capazes para reconstruir o potencial de acção quantitativamente. Hodgkin e Huxley correlacionadas as propriedades de seu modelo matemático com discretas canais iônicos que podem existir em diversos estados diferentes, incluindo "aberto", "fechado", e "inativado". Suas hipóteses foram confirmadas em meados dos anos 1970 e 1980 por Erwin Neher e Bert Sakmann, que desenvolveu a técnica de patch clamping para examinar os estados condutância de canais iônicos individuais. No século 21, os pesquisadores estão começando a compreender a base estrutural para esses estados condutância e para a seletividade de canais para as suas espécies de íons, através dos atômica resolução estruturas cristalinas, medições de distância de fluorescência e estudos de microscopia crio-eletrônica.

Julius Bernstein também foi a primeira a introduzir a equação de Nernst para potencial através da membrana em repouso; este foi generalizado por David E. Goldman ao homônimo equação Goldman em 1943. A bomba de sódio-potássio foi identificado em 1957 e suas propriedades gradualmente elucidados, culminando com a determinação de sua estrutura atômica resolução por cristalografia de raios-X. As estruturas cristalinas de bombas iônicas relacionados também foram resolvidos, dando uma visão mais ampla de como estas máquinas moleculares trabalhar.

Modelos quantitativos

Circuit diagram depicting five parallel circuits that are interconnected at the top to the extracellular solution and at the bottom to the intracellular solution.
Circuito eléctrico equivalente para o modelo de Hodgkin-Huxley do potencial de acção. I m e V m representam a corrente através de, e a voltagem através de um pequeno pedaço de membrana, respectivamente. O C m representa a capacitância de membrana do penso, ao passo que os quatro g ' s representam as condutâncias de quatro tipos de iões. Os dois condutâncias à esquerda, para o potássio (K) e sódio (Na), estão apresentados com setas para indicar que eles podem variar de acordo com a tensão aplicada, correspondente aos canais iónicos sensíveis à voltagem. Os dois conductances à direita ajudar a determinar o potencial de membrana em repouso.

Modelos matemáticos e computacionais são essenciais para a compreensão do potencial de ação, e oferecer previsões que podem ser testadas contra dados experimentais, fornecendo um teste rigoroso de uma teoria. O mais importante e preciso destes modelos é o modelo de Hodgkin-Huxley, que descreve o potencial de acção por um conjunto de quatro acoplado equações diferenciais ordinárias (EDOs). Embora o modelo de Hodgkin-Huxley pode ser uma simplificação de uma membrana nervosa realista, uma vez que existe na natureza, a sua complexidade tem inspirado vários modelos ainda-mais-simplificados, por exemplo o modelo de Morris-Lecar e o modelo de FitzHugh-Nagumo, ambos os quais têm apenas dois ODEs acopladas. As propriedades dos modelos de Hodgkin-Huxley e FitzHugh-Nagumo e seus familiares, tais como o modelo der Pol Bonhoeffer-van, foram bem estudado dentro da matemática, computação e eletrônica. Uma pesquisa mais moderna tem se concentrado em sistemas maiores e mais integrados; juntando-se modelos de ação-potencial com modelos de outras partes do sistema nervoso (tais como dendritos e sinapses), as pesquisas podem estudar computação e simples neurais reflexos, como reflexos de fuga e outros controladas por geradores de padrão central.