Dispozitive electronice _

Anexa V. Electronică celulară

1. Electrofiziologie

Celulele care alcătuiesc organismul uman fac parte din categoria celulelor eucariote şi sunt compuse din: membrană celulară, citoplasmă şi nucleu. Membrana are o structură trilamelară: straturile intern şi extern sunt protidice, iar cel median fosfolipidic. Membrana are permeabilitate selectivă graţie unor canale ionofore şi este polarizată electric prin menţinerea unui gradient al concentraţiei ionilor de Na+ şi K+ pe faţa internă faţă de cea externă a celulei, fig.A.5.1.

(a) (b)Fig. A.5.1. (a) Celulă eucariotă (b) menţinerea gradientului concentraţiei ionilor de Na+

şi K+ în membrană datorită unor canale selective.

Citoplasma se prezintă ca un sistem coloidal, în care mediul de dispersie este apa, iar faza dispersată este formată din micelii organice. Aceste micelii sunt molecule organice polarizate şi înconjurate de un strat foarte fin de apă (vezi ionul hidratat prezentat la capitolul 9). Miceliile sunt menţinute în soluţie într-o formă dispersată, datorită încărcăturii lor electrice de acelaşi fel, care fac să se respingă reciproc. Unii agenţi fizici – temperatura sau chimici – acizi, pot duce la coagularea mediului coloidal, adică separarea mediului lichid de moleculele organice. Electroforeza

305

soluţiei coloidale presupune aplicarea unui câmp electric extern. Miceliile se vor deplasa spre anod (anaforeză) sau spre catod (cataforeză), în funcţie de încărcătura lor electrică.În afară de miceliile celulare, în citoplasmă se mai găsesc organitele celulare: reticulul endoplasmatic (un fel de sistem circulator), ribozomii (cu rol în sinteza proteinelor), lizozomii (cu rol în digestia intracelulară), aparatul Golgi (cu rol în secreţia celulei), mitocondriile (cu rol în producerea energiei celulare pe baza reacţiilor chimice redox), centrozomul (cu rol în diviziune, absente la neuron), alte organite specifice.

(a) (b) Fig. A.5.2. (a) Desen reprezentând elementele componente ale celulei nervoase; (b)

carioplasma – secvenţă din ADN.

Nucleul este format din membrana nucleară, carioplasmă şi unul sau mai mulţi nucleoli. Carioplasma conţine o reţea de filamente subţiri, formate din granulaţii fine de cromatină, care conţine ADN-ul şi din care la începutul diviziunii se formează cromozomii.

(a) (b) (c)

Fig. A.5.3. Exemple de celule vii: (a) eritrocite (globule roşii); (b) neutrofile (un tip de globule albe) care prin fagocitoză digeră un Streptococ (zona închisă la culoare din

stânga); (c) neuron multipolar (cu mai multe terminaţii).

306

În figura A.5.3. sunt prezentate imaginile la microscop a unor celule vii.2. Potenţial de echilibru celular

Teoria difuziei ionilor de Na+ şi K+ prin membrana celulară, postulată în 1950 de Hodgkin, a fost pusă la punct după anii 1970 pe baze analitice, utilizând ecuaţiile termodinamicii, [93]. Prin membrana celulei difuzează ioni de Na+, K+, Mg+2, Ca+2, Cl- şi alţii. Concentraţiile acestor ioni sunt menţinute la valori diferite în interiorul celulei faţă de exteriorul său prin mecanisme biologice, schematic reprezentate în figura A.5.1.b. Potenţialul de repaus celular reprezintă diferenţa de potenţial între faţa internă şi cea externă a membranei celulare, ca efect al concentraţiilor diferite de ioni şi se calculează pentru fiecare tip de ion cu relaţia lui Nerst:

(A.5.1)

Spre exemplu se obţin: pentru potasiu VK+=+91mV, iar pentru sodiu VNa+=--62mV. Prin superpoziţia gradienţilor tuturor ionilor, celula are un potenţial de repaus celular negativ (în interior faţă de exterior), cuprins între -10mV şi -110mV, în funcţie de celule şi condiţiile de măsură.

3. Potenţial de acţiune celular

Aplicarea unui stimul (cum ar fi captarea unui analit pe un receptor) duce la modificarea permeabilităţii membranei celulare la ionii de Na+, iar la ionii de K+ rămâne neschimbată. Astfel, ionii de Na+, care în repaus se aflau în cantitate mare în exteriorul celulei, pătrund prin canalele ionofore din peretele membranei spre interiorul celulei, fenomen denumit depolarizarea membranei celulare. Când tensiunea electrică atinge o valoare de prag, VT, procesul de conducţie ionică nu mai este controlat de stimulul extern, ci devine un fenomen de trecere în avalanşă. Experimental au rezultat valori ale tensiunii de depolarizare maxime pentru celule de Vd=+35mV. Când se atinge valoarea de depolarizare completă, prin mecanisme intinseci, celula comandă repolarizarea ei la valoarea potenţialului de repaus (de exemplu Vr=-90mV). Acest lucru se întâmplă prin deschiderea canalelor de potasiu. În figura A.5.4 se prezintă forma de undă a potenţialului de acţiune celular.

Cea mai reprezentativă este transmiterea impulsului nervos intraneuronal. Conform teoriei de mai sus, stimulii sub prag (subliminali) nu sunt transmişi mai departe, iar stimulii peste prag (supraliminali) produc depolarizarea locală a membranei celulare, fenomenul de propagare având

307

loc într-o manieră similară cu cea prin dispozitivele MOS cuplate prin sarcină, [14, 19].

Fig.A.5.4. Forma de undă a potenţialului de acţiune celular.

5. Neuroelectrofiziologie5.1. Neuronul – prezentare celulă

Neuronul este format din (fig.A.5.2.a): corpul celulei nervoase – soma – de 5…100μm, ce conţine organitele celulare, apoi numeroase dentrite, înzestrate cu butoni terminali (ce sunt receptori pentru neurotransmiţători) şi o terminaţie prelungită, denumită axon şi care reprezintă singura cale de ieşire a informaţiei din neuron. Dentritele sunt cât mai ramificate, pentru a avea o sensibilitate spaţială cât mai mare la celulele nervoase adiacente; ele adună semnalele incidente pe fibre nervoase aferente (presinaptice), iar toate fibrele conduc informaţia către soma. La nivelul fiecărui buton terminal există o arie foarte mică de contactare cu precedentul/următorul neuron, denumită sinapsă, având o lăţime de circa 12-20 nm, [92].

Neuronul în condiţii de repaus prezintă o diferenţă de potenţial membranar de -70mV. Acest potenţial membranar de repaus este menţinut constant prin consum energetic. În realitate toţi ionii trec prin membrana semipermeabilă, dar unii întâmpină o forţă de rezistenţă mai mare, iar alţii mai mică. Spre exemplu, în cazul neuronilor la echilibru, ionii de potasiu K+ traversează foarte uşor membrana, iar cei de sodiu Na+ şi clor Cl- foarte greu, iar o proteină A- nu poate traversa deloc membrana.

308

La neuronii fără teacă de mielină (nemielinizaţi) conducţia impulsului nervos se face “în val”, din aproape în aproape. Aplicarea unui stimul nervos cu intensitate peste prag, VT=-0.55V (aceasta însemnând apariţia unei diferenţe de potenţial a stimulului mai mare de 15 mV), creşte mult permeabilitatea membranei pentru ionii Na+, determinând depolarizarea ei, adică micşorarea diferenţei de potenţial membranar. Ca urmare a accentuării influxului de Na+, polaritatea membranei ajunge să se inverseze, devenind negativă pe faţa externă şi pozitivă pe faţa internă, atingând valoarea potenţialului de acţiune de circa +35mV. Această depolarizare locală începe să se propage de-a lungul membranei neuronale spre capătul axonului. Există şi neuroni cu teacă de mielină de-a lungul axonului, fig.A.5.5, [93, 94]. În procesul de repolarizare iarăşi creşte permeabilitatea pentru ionii de potasiu, în defavoarea sodiului.

((a) (b)

Fig.A.5.5. (a) Desenul neuronului; (b) imagine microscopică a unui neuron piramidal, zona hipocampului.

5.2. Transmiterea inter-neuronală a informaţiei

Transmiterea informaţiei între neuroni se face prin eliberarea din neuronul presinaptic a unui mediator chimic, numit şi neurotransmiţător. Există neurotransmiţători sintetizaţi endocrin, numiţi şi neurohormoni (adrenalina, acetilcolina, dopamina), sau preluaţi din mediul exterior (nicotina, medicamente ca benzodiazepinele). Pentru a putea fi recepţionaţi de una dintre celulele înconjurătoare, mediatorii trebuie să deţină receptori specifici. Vom lua ca exemplu acetilcolina (ACh). Ea este receptată de butonii terminali care deţin receptori nicotinici sau muscarinici, [96].

Acetilcolina (ACh) este sintetizată de corpul neuronului presinaptic şi stocată ca vezicule încărcate pozitiv în zona terminală. ACh este produsă printr-o reacţie asistată enzimatic de acetiltransferază, care utilizează coenzima A acetil (AcetylCoA) şi colina ca substrat, [2]:

309

Spre exemplu receptorii nicotinici ai acetilcolinei sunt reprezentaţi de nişte canale pentru ionii de Na+, K+ sub forma unor nanotuburi cilindrice, ca în fig. A.5.6, [96]. Aceşti “pori” constau din 5 subunităţi polipeptidice: α, β, σ, γ, δ. Spre exemplu, secvenţa aminoacidului pentru subunitatea α, constă într-o regiune de glicolipid cu un grup de sulfhidril şi 4 regiuni hidrofobe, ce despică membrana.

Fig. A.5.6. Nanotuburi clindrice cu proprietăţi ionofore, reprezentând porţiunea transmembranară ai receptorilor nicotinici.

Transmisia informaţiei către următorul neuron este un suprapotenţial pozitiv, care respinge aceste vezicule spre sinapsă. Prin spargerea acestor vezicule în lichidul sinaptic sunt eliberate la un singur potenţial de acţiune cam 107 molecule de ACh, [96]. Imediat ACh este captată de receptorii săi plasaţi pe butonii terminali ai dentritei neuronului postsinaptic.

Realizarea depolarizării membranei postsinaptice are loc după stabilirea legăturilor chimice şi formarea complexului ACh-Receptor, pe butonul terminal al unei dentrite a neuronului postsinaptic. Doar un singur potenţial sinaptic local modifică potenţialul celulei receptoare cu cel mult 1…4mV. Numai prin însumarea depolarizărilor venite de la mai mulţi butoni terminali, pe fibra presinaptică se poate atinge potenţialul de prag (15mV) şi celula poate transmite mai departe informaţia primită ca potenţial de depolarizare.

Această modificare de potenţial electric pe “terminalul de comandă – butonul terminal”, duce la depolarizarea locală a membranei postsinaptice, prin deschiderea canalelor ionofore de Na+. În limbaj de dispozitive electronice am spune: prin captarea neurotransmiţătorului pe poarta “tranzistorului cu canal de sodiu”, poarta se polarizează peste prag, permiţând conducţia prin tranzistor – ionii de sodiu din exterior pătrund în membrana neuronului postsinaptic. În acest timp “tranzitorul cu canal de potasiu” este blocat. Deci se acumulează multă sarcină pozitivă (Na+) în interiorul celulei, sub membrană.

310

În vecinătatea joncţiunilor neuroni-sinapsă există o enzimă denumită acetilcolinesterază (AChE), în concentraţie suficient de mare ca să hidrolizeze toate moleculele de ACh în acetat, colină şi H+, într-un timp de ordinul milisecundelor, [97]:

Cl- Cl-

CH3CO(CH2)2N+(CH3)3 + H2O CH3COO- + H+ + HO(CH2N+(CH3)3

De aceea acetilcolina are ocazia să acţioneze pe butonii cu receptori un timp limitat, după care este descompusă chimic, iar membrana va reveni la echilibrul celular, prin închiderea canalelor de sodiu şi deschiderea canalelor de potasiu, (vezi fig.A.5.1.b, A.5.4).

5.3. Transmiterea intra-neuronală a informaţiei

În cazul fibrelor nervoase mielinizate, fig.A.5.5.a, teaca de mielină izolează axonul de lichidul extracelular, astfel încât se realizează un contact electric numai la nodurile Ranvier.

311

interior axon

Nod Ranvier

depolarizaremembrana la echilibru

mielina

5nm

2μm2μm

2…5μm

+

-

+

-

-

+

Potenţial

de acţiune(+35mV)

de repaus (-70mV)

Mediu extern celular

Mediu intern celular

AChsinapsa

Buton cu Receptor

Na+ Na+ Na+ Na+

Na+K+

blocat pt K+

K+ K+

K+

K+

+

-

Na+

Na+

Na+Na+

depolarizare

Fig. A.5.7. Un model de conducţie intraneuronală a impulsului nervos, de-a lungul unui axon mielinizat.

Din acest motiv depolarizarea locală a membranei se propagă de la o ştrangulaţie la alta în regim “saltatoriu”, ca în figura A.5.7.

În urma descompunerii chimice a neurotransmiţătorului, “tranzistorul cu canal de sodiu” îşi pierde polarizarea pe poartă şi conducţia de Na+ este blocată. Începe eliminarea de ioni de K+ prin canalele ionofore pentru a reajunge la potenţialul de echilibru celular. Dar “pachetul de ioni de sodiu”, care este o sarcină pozitivă în exces, nu poate ieşi pe direcţie verticală şi atunci este preluat pe direcţie longitudinală, pe sub teaca de mielină, spre următorul nod Ranvier. Cauzele sunt superpoziţiiile pe direcţie orizontală a gradientului de sarcină, a gradientului de masă pentru sodiu şi a gradientului potenţialului electric. Teaca de mielină este polarizată neuniform, ca poarta unui tranzistor MOS cu poartă rezistivă, [98]. Potenţialul ei este mai mic spre extremitatea din stânga (unde există ioni de K+ cât la echilibru) şi mai mare spre extremitatea din dreapta (unde pe lângă ionii de K+ de la echilibru, apar şi ioni de K+ care ies pentru a contrabalansa sarcina Na+ infuzată), fig.A.5.7. Toate cele trei cauze duc la deplasarea grupului de ioni de Na+ spre următorul nod Ranvier. Aici se caută revenirea la echilibru prin deschiderea canalelor de K+ şi emisia sa în exterior. Aceasta duce la polarizarea neuniformă a următorului segment de mielină şi fenomenul se repetă, până la capătul axonului. Deplasarea pachetului de purtătorilor de sarcină Na+ se face analog cu deplasarea pachetelor de sarcină prin dispozitivele cuplate prin sarcină de tip MOS, [19]. Segmentele de mielină se polarizează pe rând, datorită emanării în exteriorul membranei a ionilor de potasiu, pe măsură ce “saltul de ioni de Na+ avansează, în acelaşi mod în care sunt aplicate semnalele de tact pe electrozii dispozitivelor CCD (Coupled Charged Devices).

5.4. Circuitul echivalent al celulei nervoase

În fig.A.5.8 este prezentat modelul Huxley pentru transmisia impulsului nervos de-a lungul axonului, [92, 95].Elementele concentrate din figura A.5.8 corespund unor mărimi biologice: rezistenţa Re modelează rezistivitatea mediului extracelular (ρe=300Ωcm), C modelează capacitatea electrică a membranei (C=2μF/cm2), Zm

modelează conductanţa membranei pe unitatea de arie (ex. Gm=30mS/cm2), VK+, VNa+ modelează căderile de potenţial pe membrană când există un gradient al ionilor de Na+ şi K+ între faţa internă şi cea externă (conform

312

relaţiei Nerst), Ud este potenţialul de depolarizare maximă de circa +20mV, diodele DK+ şi DNa+ modelează deschiderea canalelor pentru ionii de sodiu şi potasiu peste un anumit prag. Parametrii de model ai diodelor depind de lungimea nodului Ranvier al axonului l=2,5μm, grosimea membranei circa 5nm, permitivitatea dielectrică a membranei, εr=11,3.

Fig.A.5.8. Modelul Huxley pentru conducţia electrică intraneuronală.

Acest model poate fi generalizat, dacă axonul este privit ca un cablu cu constante distribuite sau ca un lanţ de cuadripoli cu constante concentrate pasive, [92].

Modelul Huxley stabileşte un circuit echivalent pentru conducţia intraneuronală şi este mai potrivit pentru axonii nemielinizaţi. Modelul de conducţie al dispozitivelor MOS cuplate prin sarcină, CCD-MOS, este mai potrivit pentru axonii cu teacă de mielină. Datorită legii de transmisie “Totul sau nimic”, pentru conducţia intraneuronală a influxului nervos, cea mai potrivită modelare este cu tranzistoare MOS, cu canale nanometrice pentru ionii de sodiu şi potasiu. Conducţia prin aceşti “pori” este controlată de concentraţia de neurotransmiţător eliberat în sinapsă şi care polarizează “poarta tranzistorului” (adică receptorii de pe butonii terminali).

În realitate procesul de convertire a stimulului biologic în semnal electric este un proces complex, puternic dependent de proprietăţile celulei. O modelare mai precisă trebuie să pornească de la dependenţa curentului prin canalele ionofore de intensitatea stimulului aplicat.

313