FENOMENE BIOELECTRICE

1. Potenţialul de repaus al celulelor

2. Potenţialul de acţiune celular

3. Propagarea potenţialelor de acţiune

4. Sinapsele neuronale

5. Notiuni de bioexcitabilitate

Potenţial de repaus (PR)

– diferenţă de potenţial

electric între faţa

externă si cea internă a

membranei celulare în

repaus

((–– 50 mV) 50 mV) –– ((––100) mV100) mV

Potentialul de difuzie• c1 > c2

• PK+ >PCl-

• JK+ > JCl-

• [K+] creste in (2) care devinepozitiv in raport cu (1)

⇓

• diferenţă de potenţial: potenţialde difuzie

⇓

• accelerarea Cl- , frânarea K+

⇓

• stare staţionară• ecuaţia Planck-Henderson

2

1

KCl

KCl21 c

clnzFRT

PPPPEE∆E ⋅

+−

=−=

• PCl- = 0

• Difuzeaza doar ionii de K+

• La echilibru: între cele două compartimente o diferenţă de potenţial dată de relaţia lui Nernst:

• Compartimentul 2 devine încărcat pozitiv în raport cu compartimentul 1

• Diferenţa de potenţial rămâne constantă după instalarea echilibrului pentru K+

• Diferenţa de concentraţie a celor două specii ionice

⇓

dezechilibru osmotic

⇓

flux de apă înspre compartimentul 1

[ ][ ]2

1

KKln

zFRT∆E +

+

= apa

Echilibrul Donnan

[ ][ ]

[ ][ ]2

1

2

1 lnln −

−

+

+

−==∆ClCl

FRT

KK

FRTE

• Iniţial, în (2) apă distilată

• Membrană selectiv permeabilă

pentru A-Z

• Între cele două compartimente

se stabileste echilibrul Donnan:[ ][ ]

[ ][ ] rClCl

KK

== −

−

+

+

1

2

2

1

π1 > π2

[ ][ ]

[ ][ ] 130 >== −

−

+

+

in

ex

ex

in

ClCl

KK

[ ][ ] 5,14=+

+

in

ex

NaNa [ ]

[ ]inex

KKln

FRTE

+

+

=∆

fibrafibra muscularamusculara

Distributia ionilor in celula nervoasa

Măsurarea PR•• directdirect

– cu ajutorul microelectrozilormicroelectrozilor de sticlă

• pipete obţinute prin tragere la cald, cu vârfuri mai mici de 0,5 µm

• umpluti cu o soluţie de electrolit (KCl 3M)

– Se măsoară diferendiferenţţaa de de potenpotenţţialial îîntrentremicroelectrodulmicroelectrodul introdus în celulă şşii un un electrodelectrod de de referinreferinţţăă, nepolarizabil (de calomel).

•• indirectindirect

– prin utilizarea unor substanţe fluorescenteionizate (tiocianatul)

PRPR al celulei se poate calcula teoretic

GoldmanGoldman--HodgkinHodgkin--KatzKatz

[ ] [ ][ ] [ ]∑ ∑

∑ ∑−+

−+

+

+=∆

i iexiAiiniCi

i iiniAiexiCi

APCP

APCP

FRTE ln

PK = PCl = 1 şi PNa = 0,02

[ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ] mV

ClPNaPKPClPNaPKP

FRTE

exClinNainK

inClexNaexK 84ln −=++

++=∆ −++

−++

Circuitul electric echivalent pentru descrierea PR• Bistrat lipidic – izolator• Abistrat ~200 Acanale-ionice

• Capacitatea electrică a membraneicelulare reflectă proprietatea membranei de a menţine o încărcare electrică de semne contrare pe cele două feţe ale ei

• CM ~ 1 µF/cm2

• EK, ENa, ECl, potenţialele de echilibru electrochimic ale diferiţilor ioni

• RK, RNa, RCl, rezistenţele canalelor specifice în serie cu E

• baterie de trei elemente legate în paralel

ClNaK

ClClNaNaKK

ClNaK

Cl

Cl

Na

Na

K

K

m gggEgEgEg

RRR

RE

RE

RE

E++++

=++

++=

111

Potenţialul de acţiune celular (local PA-l şi de tip tot-sau-nimic PA-tn)

• PA - o depolarizare trecătoare a membranei celulare prin care interiorul celulei devine mai puţin negativ decât în stare de repaus

⇓• scăderea diferenţei de potenţial de-o parte şi de alta a membranei

celulare

– Exista si PA hiperpolarizante

• PA este produs de un stimul sau poate fi rezultatul unei activităţi celulare spontane

• Propagarea PA = impulsul nervos

Potenţialele de acţiune pot fi

• locale PA-l

• de tip tot-sau-nimic PA-tn

Potenţiale de acţiune locale (PA-l)

• Apar în urma acţiunii stimulistimulilorlor subliminarisubliminari

• Constau intr-o depolarizare redusdepolarizare redusă ă a a membraneimembranei, proporţională cu amplitudinea stimulului

• Propagare decrementaldecrementalaa, pe distanpe distanţţe scurtee scurte

• Amplitudinea PA-l se face exponenexponenţţialial cu distanţa

Potenţialele de acţiune de tip tot-sau-nimic (PA-tn)

• Apar în urma acţiunii unui stimul de prag

• Interiorul celulei devine pozitivpozitiv

• Are amplitudine constantă

• Se propagă pe distandistanţţe e MARIMARI, nedecrementalnedecremental, cu viteze mari

•• Amplitudinea potenAmplitudinea potenţţialului de vârfialului de vârf, pragulpragul şi viteza de propagareviteza de propagare sunt caracteristici ale celulei

Fazele potenţialului de acţiune

• prepotenţialul (c)

• potenţialul de vârf– faza ascendentă (d)

– faza descendentă (e)

• postpotenţialele– pozitiv (f)

– negativ (g)

• Din punct de vedere funcţional se disting două perioade refractare:

– perioada refractară absolută, celula nu poate fi excitată, în faza ascendentă şi parţial în faza descendentă

– perioada refractară relativă, excitabilitatea este redusă

Acomodarea la stimul• Actiunea unui stimul de durată ⇒ acomodarea

– manifestată prin creşterea pragului de excitabilitate

• Acomodarea poate fi – rapidă (fibrele din nervii motori) – lentă (unele fibre senzitive)

• Pentru depolarizare locală superioară pragului de excitabilitate ⇒ fibra prezintă un răspuns repetitiv– realizarea codificării în frecvenţă a amplitudinii

stimulilor

Mecanismul de producere a unui potenţial de acţiune local (PA-l)• În membrana celulară există canale de scurgere (leak) pentru Na+ şi K+

• N canale K > > N canale Na

• În stare de repaus, porţile externe ale canalelor de Na+ sunt închise, iar cele interne deschise

• Stimulii de intensitate mică determină deschiderea portilor externe a unui număr mic de canale de Na+

⇓

• Cand potentialul ajunge la – 60 mV se deschid porţile canalelor de K+ sensibile la voltaj.

• Ionii de K+ ies din celulă, se restabileşte valoarea potenţialului de repaus.

• La depăşirea pragului de detonare ⇒ pătrunderea în avalanşă a ionilor de Na ⇒ accentuarea depolarizării membranei ⇒ deschiderea mai multe porţi externe ale canalului de Na (feed-back pozitiv).

• Valoarea potenţialului celular = zero ⇒ interiorul atinge + 30 mV ⇒

PAPA--tntn

• Distrugerea celulei este împiedicată de două evenimente:– inactivarea canalului de Na.

– deschiderea porţilor canalelor de K

Etapele care duc la apariţia PA-tn• Pătrunderea în avalanşă a ionilor de Na+ ⇒ interiorul celulei se pozitivizează• La o anumită valoare a potenţialului celular (+30 mV) se produce inactivarea

canalelor de Na+ şi deschiderea porţilor canalelor de K+, permiţând ieşirea lor din celulă.

• Deschiderea porţilor canalelor de K+ dependende de voltaj este un proces mai lent. • Ionii de K+ părăsesc celula în sensul gradientului lor electrochimic şi astfel se revine

la valoarea potenţialului de repaus.

• Faza ascendentă a PA-tn:intrarea în avalanşă a ionilor de Na+

• Faza descendentă: iesireaionilor de K+ din celula

• PA-tn sunt produse numai de celulelenervoase, musculare şi glandulare

• Capacitatea tuturor celulelor vii de a răspunde prin potenţiale de acţiune locale se numeşte iritabilitateiritabilitate

• Proprietatea de a răspunde prin potenţiale de acţiune tot sau nimic se numeşte excitabilitateexcitabilitate.

Determinarea experimentala a PR si PA

• PR: electrozi de sticla sausubstantefluorescente

• PA: tehnicapotentialuluifixat sau tehnicapatch-clamp

Tehnica voltage-clamp

Propagarea PA

• La producerea PA are loc o modificare locală a distribuţiei de sarcini electrice –această modificare de polaritate duce la apariţia unor curenţi electrici locali între

zona activă şi zonele învecinate: curenţii locali Hermann• Pentru apariţia unui nou PA trebuie ca intensitatea curenţilor în zonele marginale

să depăşească pragul de detonare

• Distanţa la care amplitudinea PA se reduce la jumătate prin căderile de tensiunepe rezistenţe este:

Rm - rezistenţa electrică transmembranară pe unitate de lungime a membraneiRi – rezistenţa pe unitatea de lungime a lichidului intracelular. Rezistenţa lichidului extracelular este neglijabilă.

i

m

RR

d ≈

În funcţie de tipul fibrelor, propagarea se face în mod diferit

• prin fibrele nemielinizate are loc propagarea recurentă (din aproape în aproape) prin curenţi locali ce traversează întreaga suprafaţă a membranei axonale şi se închid prin axoplasmă şi lichid interstiţial (spre centru în exterior şi invers în interior)

• Prin fibrele mielinizate, propagarea are loc prin conducerea saltatorie.

• Mielina – izolator

• Prin nodurile Ranvier se face contact electric intre mediul extracelular şi cel intracelular

Viteza de propagare a impulsului nervos poate creşte

• prin micşorarea rezistenţei lichidului intracelular– în fibrele nervoase şi musculare gigante (1,5 mmm

diametru: calmar - axon gigant)

• prin mărirea rezistenţei transmembranare

– prin mielinizare – tecile de mielină sunt electric izolatoare şi astfel creşte rezistenţa transmembranară

i

m

RR

d ≈

SlR ρ=

Sinapsele neuronale

• Realizeaza contactul între doi neuroni sau dintre un neuron şi o celulă musculară sau glandulară

• Sinapsele pot fi:

– chimice

– electrice

Sipasa chimica• Spaţii: presinaptic, sinaptic (20-50 nm

lăţime), postsinaptic (contine receptori şi canale ionice)

• Sosirea unui PA-l (depolarizare) ⇒

• fuzionarea cu membrana presinaptică a membranelor unor vezicule ⇒

• conţinutul este expulzat prin exocitoză în spaţiul sinaptic ⇒

• semnalul electric PA este tradus în semnal chimic

• Sinapsa chimică introduce o întârziere de minimum 0,3 ms, uneori chiar şi 5 ms.

• Transmisia informaţiei este unidirecţională

• Funcţionează fără mediatori chimici

• Spaţiu sinaptic: 2 - 4 nm

• Variaţia de potenţial la nivelul membranei presinaptice induce o variaţie similară în membrana postsinaptică

• Transmiterea este directă

• Foarte rapidă

• Nu se poate face o gradare în intensitate

• Transmiterea poate fi bidirecţională

Sinapsaelectrică

Clasificarea sinapselor din punctul de vedere al efectului pe care îl produc

• excitatorii– determină depolarizarea celulei,

producând în membrana postsinaptică un potenţial excitator postsinaptic (EPSP)

• ex: joncţiunea neuromusculară, mediator acetilcolina

• inhibitorii– determină hiperpolarizarea celulei,

producând un potenţial inhibitor postsinaptic (IPSP)

• ex.: legarea GABA de receptorii GABAA duce la deschiderea canalelor de clor operate de ligand ⇒ hiperpolarizarea celulei

Bioexcitabilitatea• Excitantul (stimulul) - variaţie suficient de

intensă, îndelungată şi bruscă a proprietăţilor mediului, care poate să producă excitarea sistemului biologic.

• Excitarea - fenomenul prin care excitantul modifică permeabilitatea membranei celulare pentru ioni

• Excitaţia celulară - totalitatea fenomenelor care au loc în celulă ca urmare a excitării acesteia de către factorii excitanţi

• Excitabilitate - proprietatea unui sistem biologic de a răspunde prin excitaţie la acţiunea stimulilor

Reobaza şi cronaxia

• Reobaza - intensitatea minimă a unui excitant cu durată infinită care poate să declanşeze excitaţia în sistemul biologic

• Cronaxia – durata minimă a unui excitant de intensitate egală cu dublul reobazei pentru care acesta poate produce excitarea

• Relaţia lui Weiss: legătura dintre valorile intensităţii (i) şi duratei (t) unui stimul care poate produce excitarea unui sistem biologic:

i = a/t + b