O potencial de repouso: introdução aos fundamentos do sistema nervoso Teach article

Traduzido por Bruno Fontinha. Simulando um neurónio na sala de aula

O sistema nervoso não é apenas fascinante, mas também, provavelmente, um dos tópicos mais complexos em aulas de biologia, na medida em que trabalhar com neurónios reais não é exequível na escola. Neste artigo, descrevemos uma actividade que utiliza uma membrana de celofane para explorar como o potencial de repouso é gerado num neurónio. Adequado para alunos com idades entre 16-19, a actividade durará aproximadamente 90 minutos.

Um potencial de membrana artificial

Para que a transferência de informações ocorra, os neurónios precisam de ser capazes de gerar e manter um potencial de membrana: uma diferença de voltagem entre os meios intra e extracelulares que se concentra ao longo da membrana celular. A diferença de voltagem num neurónio em repouso é referido como o potencial de repouso. A estimulação deste neurónio pode alterar o potencial de repouso, causando um potencial de acção: o impulso eléctrico através do qual o neurónio transmite informações. Antes de o neurónio pode disparar novamente, o potencial de repouso tem de ser reestabelecido (figura 1). Mas como é que o potencial de repouso é gerado e mantido? A resposta encontra-se, em parte, na natureza semi-permeável da membrana celular.

De entre outros constituíntes do material intracelular e extracellular, encontram-se dissolvidos iões de sódio (Na⁺), cloro (Cl^–), aniões  orgânicos (A^–) e, o mais importante, potássio (K⁺). Quando um neurónio dispara e o potencial de repouso começa a ser restabelecido, a concentração de iões K⁺ é maior no interior do neurónio do que fora. Ao contrário da maioria dos outros iões, os iões de K⁺ podem passar livremente para dentro e para fora da célula, através de canais iónicos especializados localizados na membrana. Impulsionado pelo respective gradiente de concentração, os iões K⁺ difudem-se para fora do neurónio, causando um movimento geral de carga positiva (figura 2). Isto provoca uma diferença de voltagem através da membrana, ficando o meio intracelular com um maior número de cargas negativas quando comparado com o meio extracellular. Este é o potencial de repouso, com um valor de cerca de -70 mV.

Apesar de existirem outros factores envolvidos na determinação do potencial de repouso num neurónio, a contribuição conjunta do gradiente de concentração e das propriedades eléctricas dos catiões e aniões pode facilmente ser demonstrada na sala de aula utilizando o celofane como uma membrana semi-permeável, como descrito abaixo.

Antes da actividade, seria útil cobrir os princípios básicos da difusão e membranas celulares com os seus alunos. Instruções para as atividades que envolvam as propriedades da membrana celular e difusão através de membranas podem ser descarregadas a partir da secção de material adicional^w1.

Materiais

Para cada grupo de 2-4 estudantes, precisará:

• 300 ml 0.01 M solução de cloreto de potássio (KCl)
• 100 ml 0.1 M solução de cloreto de potássio (KCl)
• Água destilada
• Voltímetro
• Eléctrodos (fio de prate clorada)
• Tijela de vidro (200-300 ml)
• Funil
• Papel celofane
• Elástico
• Suporte de fixação e três braçadeiras
• Dois cabos com clipes de crocodilo
• Pipetas
• Tesouras

Procedimento

Antes de iniciar a actividade, discuta com com os alunos o modo como eles pensam que pode ocorrer uma diferença de voltagem na célula e quais os componentes celulares que são importantes no seu estabelecimento. Apresente resumidamente o potencial de repouso. Só de seguida, diga aos seus alunas para:

1. Encher a tigela de vidro com cerca de 200 ml de solução 0.01 M de cloreto de potássio (KCl), que representa o meio extracelular da membrana.

2. Cortar um pedaço grande o suficiente de papel celofane  para cobrir a base do funil e, em seguida, enxaguar o celofane em água destilada para torná-lo mais flexível. O papel celofane serve como a membrana semi-permeável.

3. Enrolar um pedaço de papel celofane firmemente em torno da base do funil e fixar com ajuda do elástico.

4. Prender o funil no suporte de fixação de modo a que a base do funil esteja submersa na solução de KCl presente na tijela de vidro.

5. Usando uma pipeta, adicionar 0.1 M de solução de KCl para o funil, até que os níveis dos líquidos dentro e fora do funil estejam ajustados. A solução que se encontra dentro do funil representa o meio intracelular.

6. Prender os dois eléctrodos ao voltímetro com pinças de crocodilo. Colocar o eléctrodo, que se encontra ligado ao cátodo do voltímetro, dentro da solução da tijela de vidro. Apoiado por uma braçadeira, colocar o segundo eléctrodo, ligado ao ânodo, na solução do funil.

Discussão e futuras investigações

Pergunte aos seus estudantes:

• Qual a voltagem que eles prevêem que o voltímetro irá mostrar? Alguns estudantes poderão pensar que será positiva, tal como é um potencial de acção. Peça-lhes para definir o voltímetro para cerca de 200 mV.
• Em cerca de 10 segundos, a voltagem irá decrescer, estabilizando em aproximadamente 5 minutos entre -50 mV e -60 mV.
• O que é que causa a diferença de voltagem entre as duas solucões? Porque é que o valor é negativo? O que teria acontecido se a solução dentro da tijela de vidro fosse a mais concentrada das duas?
• Porque é que eles pensam que a membrana e as duas solucões criaram uma distribuição desigual de iões?

Tal como um neurónio verdadeiro, esta experiência baseia-se em dois componentes: no gradiente de concentração e nas propriedades semi-permeáveis do papel de celofane. Tal como a membrana de um neurónio, o celofane é permeável aos iões K mas praticamente não-permeável a iões Cl^–. Isto significa que, como no neurónio, há uma difusão gradual de iões K  para fora do funil (0.1 M de KCl) em direcção à tigela de vidro (0.01 M de KCl). Se os eléctrodos forem colocados cuidadosamente, sem perfurar o celofane, a voltagem da solução no funil pode ser vista a tornar-se mais negativa. O ajuste inicial de 200 mV no voltímetro é arbitrária, para garantir que a leitura final é semelhante ao potencial de repouso verdadeiro.

Apesar de ser realista, esta experiência não é um modelo completo de como o potencial de repouso é estabelecido e mantido. Num neurónio, os meios intra- e extracelular contêm mais do que iões K⁺ e Cl^–, e existem outros mecanismos que determinam a permeabilidade da membrana. No entanto, esta actividade oferece uma oportunidade para discutir a exactidão do modelo, e a introdução de outros aspectos da neurobiologia, tais como canais de iões, a bomba de sódio-potássio e o potencial de acção.

Alternativamente, poderá perguntar aos seus estudantes para discutirem cenários hipotéticos, por exemplo, usando soluções adicionais, ou uma membrana com outras propriedades or diferentes concentracões de KCl.