FENOMENE BIOELECTRICE1. Potenialul de repaus al celulelor 2. Potenialul de aciune celular 3. Propagarea potenialelor de aciune 4. Sinapsele neuronale 5. BioexcitabilitateaPrezena, att n citoplasma oricrei celule, ct i n fluidele extracelulare, a numeroase tipuri de atomi i molecule ionizate, deci ncrcate electric, i faptul c activitatea metabolic menine diferene de concentraii ale acestor ioni, fac ca fenomenele electrice s fie proprii tuturor celulelor.

POTENIALUL DE REPAUS AL CELULELORO caracteristic de baz a unei celule vii este existena unei diferene de potenial electric ntre faa extern i cea intern a membranei celulare. n interiorul celulei potenialul este acelai, avnd o valoare ce depinde de tipul de celul, iar n mediul interstiial potenialul va avea o alt valoare, astfel nct ntre cele dou medii se stabilete o diferen de potenial. Aceast diferen de potenial se numete potenial de repaus (PR) al celulei (spre deosebire de cel din timpul activitii). Are valori cuprinse ntre ( 50) (-100) mV. Pentru a explica modul n care apare PR se vor analiza cteva sisteme bicompartimentale simple dintre care ultimul este apropiat de sistemul citoplasm lichid interstiial.

Cazul 1Se consider c, n cele dou compartimente ale sistemului (figura) se gsete KCl n concentraii diferite (c1 > c2) i c aceste compartimente sunt separate printr-o membran inegal permeabil (cu coeficienii de permeabilitate diferii pentru K+ i Cl-, PK+ > PCl-). Conform legilor difuziei va aprea un flux J de substan dinspre compartimentul 1 nspre compartimentul 2. Dar PK+ >PCl- i n acest caz: JK+ > JCl-. Concentraia ionilor de K va crete n compartimentul 2 i acesta devine ncrcat pozitiv n raport cu compartimentul 1. Apare o diferen de potenial ntre cele dou compartimente, numit potenial de difuzie. Potenialul de difuzie va accelera difuzia ionilor de Cl i o va frna pe aceea a ionilor de K. Se ajunge n final la o stare staionar. Potenialul de difuzie are, conform unei ecuaii derivate din ecuaia Planck-Henderson, expresia:

1

Potenialul de difuzie scade n timp, pe msur ce concentraiile se egalizeaz. n cazul n care PK+ = PCl- potenialul de difuzie este nul ( E = 0).

Cazul 2Se consider un montaj similar celui anterior, dar n care compartimentele sunt separate printr-o membran selectiv permeabil, de exemplu impermeabil pentru Cl (PCl- = 0). n acest caz nu pot s difuzeze dect ionii de K. La echilibru se stabilete ntre cele dou compartimente o diferen de potenial dat de relaia lui Nernst:

Compartimentul 2 devine ncrcat pozitiv n raport cu compartimentul 1. Spre deosebire de primul caz, unde dup un timp se poate ajunge la anularea diferenei de potenial, n acest caz diferena de potenial rmne constant dup instalarea echilibrului pentru K+. Datorit diferenei de concentraie a celor dou specii ionice apare i un dezechilibru osmotic care duce la apariia unui flux de ap nspre compartimentul 1.

Cazul 3. Echilibrul Donnan

Se consider un sistem bicompartimental (figura) n care, la momentul iniial, n primul compartiment (1) se gsete KCl, iar n al doilea se gsete ap distilat. n plus, n primul compartiment se gsesc anioni proteici nedifuzibili, A-Z. Compartimentele sunt separate printro membran care este selectiv permeabil numai pentru anionii proteici. ntre cele dou

2

compartimente se stabilete un echilibru Donnan (a se vedea cursul de Biofizica sistemelor disperse) :

cu consecinele:

1)

2) r > 1 3) 1 > Cazul 42

Se consider un montaj (figura) analog cu cel din cazul 2, dar care conine n compartimentul al doilea un ion nedifuzibil prin membran, de exemplu Na +. De exemplu, n fibra muscular exist urmtoarea distribuie a ionilor(figura).

3

Deoarece numrul de particule n unitatea de volum este acelai, presiunea osmotic este aceeai n ambele compartimente (izotonicitate).

E va fi dat de relaia lui Nernst pentru K+:

n celula nervoas distribuia ionilor este cea din figur. Asimilarea PR cu potenialul echilibru al K+ se bazeaz pe ipoteza c membrana celular ar fi impermeabil pentru Na+. Aceast ipotez a provenit din observaia c Na+ rmne mult mai abundent n spaiul extracelular fa de citoplasm, dei att gradientul de concentraie ct i cel de potenial s-l introduc n celul. S-a artat Na+intr pasiv n celul, dar concentraia rmne constant datorit scoaterii active prin pompele ionice. Se

de

tind c

lui

4

creeaz astfel o stare staionar. La blocarea transportului activ cu toxine sau dup moarte Na+intr n celul. Msurarea PR PR poate fi msurat direct, cu ajutorul microelectrozilor de sticl, sau indirect, prin utilizarea unor sunstane fluorescente ionizate (de exemplu tiocianatul). Microelectrodul de sticl este o pipet obinut prin tragere la cald, avnd vrful mai mic de 0,5 m. Strpungerea membranei cu acest microelectrod nu lezeaz considerabil membrana, iar contactul de scurtcircuitare ntre citoplasm i fluidul extracelular nu are loc deoarece membrana se strnge n jurul vrfului de sticl (din cauza tensiunii superficiale). Microelectrodul este umplut cu o soluie de electrolit (de obicei KCl, 3M). Se msoardiferena de potenial ntre microelectrodul introdus n celul i un electrod de referin, nepolarizabil (de calomel). Relaia Goldman-Hodgkin-Katz. Teoretic, potenialul de repaus al celulei se calculeaz cu relaia GoldmanHodgkin-Katz:

C+, A- specii de cationi, respectiv anioni, difuzibili P permeabilitatea membranei pentru specia respectiv. Se poate aplica formula Goldman-Hodgkin-Katz n cazul datelor numerice din figura pentru celula muscular. innd seama de faptul c PK = PCl = 1 i PNa = 0,02:

n cazul axonului gigant de calmar permeabilitile sunt: P K = 1, PCl = 0,45 i PNa = 0,04. n repaus celula se afl n stare staionar, fluxurile pasive sunt echilibrate de cele active. Ceilali ioni (Ca++, Mg++) au pondere mai mic. Ca++, de exemplu, joac un rol important n celula muscular cardiac. Circuitul electric echivalent pentru descrierea potenialului de repaus celular

5

Bistratul lipidic se comport din punct de vedere electric ca un izolator. Deoarece suprafaa bistratului este de 200 de ori mai mare dect suprafaa canalelor ionice, se poate vorbi despre o capacitate electric a membranei celulare. Capacitatea electric reflect proprietatea membranei de a menine o ncrcare electric de semne contrare pe cele dou fee ale ei. Capacitatea electric a membranei, CM are valori n jur de 1 F/cm2. Dac se noteaz cu EK, ENa, ECl, potenialele de echilibru electrochimic ale diferiilor ioni i cu R K, RNa, RCl, rezistenele canalelor specifice n serie cu E, se obine o baterie de trei elemente legate n paralel a crei tensiune electromotoare echivalent va fi:

unde se noteaz cu g conductana (inversul rezistenei):

Aceast relaie red mai corect dect ecuaia Nernst valorile experimentale ale potenialului celular de repaus. Em tinde s devin egal cu Ei al acelui ion pentru care conductana este mult mai mare dect a celorlali ioni (de exemplu K +). Valorile gi i Ei se calculeaz pe baza dependenei de Pi i ci.

Potenialul de aciune celular 6

La toate metazoarele sistemul nervos periferic i central constituie o vast reea de comunicaie n cadrul organismului, reea n care pentru transmiterea semnalelor este utilizat un fenomen de natur bioelectric, influxul sau impulsul nervos. Impulsul nervos reprezint variaia tranzitorie i propagabil a potenialului de membran al fibrelor nervoase, numit potenial de aciune (PA), produs de un stimul (uneori exist i o activitate celular spontan). Potenialul de aciune este o depolarizare trectoare a membranei celulare prin care interiorul celulei devine mai puin negativ dect n stare de repaus i diferena de potenial de-o parte i de alta a membranei celulare scade. Exist i poteniale de aciune hiperpolarizante, de exemplu n celulele receptoare retiniene. Declanarea potenialului de aciune se realizeaz prin deschiderea porilor unor canale cationice sau anionice (uneori prin nchiderea porilor cationice, n cazul PA hiperpolarizante). Apar fluxuri de ioni care determin producerea unui semnal electric. Ionii implicai sunt n special ionii de Na+ (n faza ascendent a PA) i de K+ (n faza descendent). n celula muscular, n faza ascendent sunt implicai ionii de Ca++. Potenialele de aciune sunt de dou feluri: 1- poteniale locale (de exemplu n dendrite sau n soma neuronal); 2- poteniale de aciune tot sau nimic (de exemplu n axon). Aceste poteniale se pot msura pe baza experienelor cu microelectrozi. 1. Potenialele de aciune locale (PA-l)(figura) se obin la stimuli depolarizani de intensitate mic, avnd valoarea sub cea a unei valori numit valoare prag. Aceti stimuli sunt numii stimuli subliminari(sub prag). Ei produc o depolarizare redus a membranei, care se propag decremental sau electrotonic (amplitudinea scade pe parcursul propagrii). La axonul gigant, de exemplu, o depolarizare de 15 mV determin un potenial local. Amplitudinea unui asemenea potenial scade exponenial cu distana. Deci potenialele locale se caracterizeaz printr-o amplitudine proporional cu intensitatea stimulului i printr-o propagare cu pierderi (decremental). 2. Potenialele de aciune tot-sau-nimic (PA-tn)(figura) se declaneaz atunci cnd intensitatea stimulului atinge o valoare critic de prag sau prag de detonare, deci cnd aceasta are valori liminare sau supraliminare. Se produce potenialul de vrf (spike) al fibrei nervoase variaie ampl a potenialului celular n urma creia interiorul celulei devine pozitiv (+ 30 mV). Amplitudinea acestuia este de 120 mV. Odat declanat, indiferent de amplitudinea stimulului, amplitudinea PA-tn rmne constant. Deci PA-tn este caracterizat de urmtoarele: ]- amplitudine constant (nu depinde de intensitatea excitantului atunci cnd stimulii sunt liminari sau supraliminari); - se propag pe distane mari, cu viteze mari i fr pierderi (nedecremental); - amplitudinea potenialului de vrf, pragul i viteza de propagare sunt caracteristici ale fibrei (sau celulei). Toate celulele vii posed reactivitate, rspunznd la aciunea unui stimul. Capacitatea de a rspunde prin poteniale de aciune locale, pe care o au toate

7

celulele vii, se numete iritabilitate. Proprietatea de a rspunde prin poteniale de aciune tot sau nimic se numete excitabilitate i se ntlnete la trei tipuri de celule: celulele nervoase, musculare i glandulare. Fazele potenialului de aciune (figura) ntre momentul aciunii excitantului i rspunsul celulei exist un interval de timp, caracteristic fiecrui tip de celule, numit perioad de laten. Prima faz a potenialului de aciune este reprezentat de un potenial local i se numete prepotenial. Faza urmtoare este potenialul de vrf, cu fazele ascendent i descendent. Faza a treia este alctuit din postpotenialele pozitiv i negativ. Din punct de vedere funcional se disting dou perioade refractare, perioada refractar absolut, n care celula nu poate fi excitat, n faza ascendent i parial n faza descendent, i perioada refractar relativ, n care excitabilitatea este redus, n celelalte faze ale PA. Atunci cnd asupra fibrelor nervoase acioneaz un stimul de durat are loc o acomodare manifestat prin creterea pragului de excitabilitate. Acomodarea poate fi rapid (fibrele din nervii motori) sau lent (unele fibre senzitive). Dac depolarizarea local este superioar pragului de excitabilitate, dup perioada refractar absolut a unui spike se produce un al doilea .a.m.d., fibra prezint un rspuns repetitiv (oscilatoriu). Prin aceasta se realizeaz codificarea n frecven a amplitudinii stimulilor. Evenimentele n PA (la nivel molecular) La intrarea n canalul ionic se gsesc grupri polare sensibile la modificrile de potenial. Canalele de Na au att pori externe ct i pori interne, cu sensibiliti diferite la modificrile de potenial. n membrana celular exist aa-numitele canale de scurgere (leak) att pentru sodiu ct i pentru potasiu. Cele pentru potasiu sunt ntr-un numr mult mai mare dect cele de sodiu. Fluxurile pasive de ioni sunt echilibrate de cele active (pompa de Na, K). n stare de repaus, porile externe sunt nchise, iar cele interne deschise. Potenialul de repaus este apropiat de potenialul de echilibru pentru potasiu (-86 mV). Ionii de Na, aflai n concentraie mare n mediul extracelular, sunt atrai de interiorul electronegativ al celulei. Stimulii de intensitate mic determin deschiderea unui numr redus de canale de Na, prin deschiderea porilor externe ale acestora. Prin intrarea Na n celul scade electronegativitatea citoplasmei i atunci cnd se ajunge la cca. 60 mV se deschid porile canalelor de K sensibile la voltaj. Ionii de K ies din celul, se restabilete valoarea potenialului de repaus. Concentraiile ionice caracteristice strii de repaus se refac prin aciunea pompelor ionice (Na,K-ATP-aza). Acesta este mecanismul de producere a unui potenial de aciune local (PA-l). La creterea intensitii stimulului se vor deschide mai multe canale de Na, iar la depirea pragului de detonare are loc procesul de ptrundere n avalan a

8

ionilor de Na. Cu ct ptrund mai muli ioni n celul, cu att se accentueaz depolarizarea membranei i prin aceasta se deschid mai multe pori externe ale canalului de Na (feed-back pozitiv). Valoarea potenialului celular atinge zero i apoi interiorul se pozitiveaz pn la + 30 mV. Acesta este potenialul de aciune tot-sau-nimic PA-tn. Se tinde astfel spre valoarea potenialului de echilibru al Na, dat de relaia Nernst, care este de + 50 mV. Aceasta ar duce la distrugerea celulei, proces mpiedicat de dou evenimente. 1) La o anumit valoare a potenialului celular se nchid porile interne ale canalelor de Na (care erau deschise) i nceteaz ptrunderea n avalan a ionilor de Na. Se produce inactivarea canalului de Na. 2) Al doilea eveniment const n deschiderea porilor canalelor de K, proces mai lent, de asemenea dependent de valoarea potenialului celular. Ionii de K, n concentraie mai mare n interior dect n exterior vor prsi celula att sub influena gradientului de concentraie ct i sub aceea a gradientului de potenial electric. n termeni de conductane se poate spune c procesul de cretere a conductanei pentru Na (gNa) este scurt i este urmat de creterea conductanei pentru K (gK). n acest mod, se revine la valoarea potenialului de repaus PR (-80, 90 mV). ntregul proces dureaz cca. 1-2 ms. Revenirea la situaia caracteristic strii de repaus se face prin aciunea pompelor ionice i prin transport pasiv.

9

Tehnica potenialului fixat (voltageclamp) permite msurarea curenilor

transmembranari de Na, K i Cl. Un microelectrod msoar potenialul de repaus PR. Apariia unui curent transmembranar duce la modificarea PR. Prin intermediul altui electrod se readuce PR la valoarea iniial. Curentul introdus pentru restabilire se msoar cu ajutorul unui ampermetru. Corectarea variaiilor PR se face automat cu ajutorul unui dispozitiv electronic automat. Tehnica patch-clamp permite msurarea curenilor care trec prin canale ionice individuale. n aceast tehnic se izoleaz un mic fragment de membran (patch) cu ajutorul unui pipete, n vrful acesteia. n pipet se afl o soluie cu o compoziie ionic, iar n exterior cu o alt compoziie ionic. Prin controlarea concentraiilor diverselor specii se poate urmri comportamentul canalelor ionice n diferite situaii.

Propagarea PALa producerea PA are loc o modificare local a distribuiei de sarcini electrice aceast modificare de polaritate duce la apariia unor cureni electrici locali ntre zona activ i zonele nvecinate: curenii locali Hermann. Pentru apariia unui nou PA trebuie ca intensitatea acestor cureni n zonele din margine s depeasc pragul de detonare. Datorit rezistenelor ntlnite, intensitatea curentului local scade cu distana. Se demonstreaz c distana la care amplitudinea PA se reduce la jumtate prin cderile de tensiune pe rezistene este:

10

cu Rm - rezistena electric transmembranar pe unitate de lungime a membranei Ri rezistena pe unitatea de lungime a lichidului intracelular. Se consider c rezistena lichidului extracelular este neglijabil. Ri crete cu scderea diametrului fibrei. Cu ct distana maxim la care se atinge pragul de detonare este mai mare, cu att crete viteza de propagare. Propagarea se face n mod diferit, n funcie de tipul de fibre. 1) Fibre nemielinizate: propagare recurent (din aproape n aproape) prin cureni locali (Hermann) ce traverseaz ntreaga suprafa a membranei axonale i se nchid prin axoplasm i lichid interstiial (spre centru n exterior i invers n interior). 2) Fibre mielinizate: prin conducere saltatorie. Teaca de mielin (izolator) este ntrerupt la nodurile Ranvier i acolo se poate face contactul electric intraextracelular. Curenii locali nu traverseaz toat suprafaa membranei, ci sar de la un nod la cellalt, nchizndu-se prin axoplasm i lichidul extracelular. O dovad a acestui lucru este faptul c narcotizarea nodului blocheaz propagarea impulsului, n timp ce narcotizarea internodului nu o blocheaz. Modaliti de cretere a vitezei de propagare a impulsului nervos 1) Micorarea rezistenei lichidului intracelular. 2) Mrirea rezistenei transmembranare. 1) Se realizeaz n fibrele nervoase i musculare gigante (1,5 mm diametru: calmar - axon gigant, molusca barnaclu fibr muscular gigant). 2) Se realizeaz prin mielinizare tecile de mielin sunt electric izolatoare i astfel crete rezistena transmembranar. Unidirecionalitatea propagrii se realizeaz prin sinapse.

Sinapsele neuronaleSinapsa structur prin care se realizeaz contactul ntre doi neuroni sau dintre un neuron i o celul muscular sau glandular. Tipuri de sinapse: a) chimice; b) electrice Sinapsa chimic Elemente: regiune presinaptic cu membrana presinaptic (ramificaii axonale butoni terminali, vezicule sinaptice), spaiu sinaptic (20-50 nm), regiune postsinaptic cu membrana postsinaptic (n care se afl receptori i canale ionice). Etape de funcionare. n apropierea membranei presinaptice exist un mare numr de vezicule cu mediator chimic. La sosirea unui PA local (depolarizare), membranele unor vezicule (diametru de cca 40 nm) fuzioneaz cu membrana presinaptic i coninutul este expulzat prin exocitoz n spaiul sinaptic (semnalul electric PA este tradus n semnal chimic). Moleculele de mediator (mesager prim) se combin cu moleculele receptoare din membrana postsinaptic, activndu-le. Acestea vor comanda deschiderea porilor canalelor ionice. n celula postsinaptic vor intra ioni i n acest fel este generat un PA local. Semnalul chimic este

11

transformat n semnal electric. Conform teoriei cuantice a transmisiei sinaptice, eliberarea mediatorului se face sub form de cuante. O cuant (coninutul unei vezicule) cca. 104 molecule de Ach. Prin spargerea unei vezicule se produce un PAl miniatural. Prin nsumarea mai multor PA-l miniaturale apare un PA-l postsinaptic ce se deplaseaz decremental spre axon. PA locale aprute simultan n mai multe puncte sau n acelai punct la intervale mici de timp pot da natere unui potenial mai amplu prin sumaie spaial i/sau temporal. Ulterior, mediatorul este descompus enzimatic i resintetizat tot enzimatic, dup revenirea prin membrana presinaptic n terminaiile nervoase. Ex. n sinapsele colinergice acetilcolinesteraza descompune i colinacetilaza reface Ach. Sinapsele electrice Funcioneaz fr mediatori chimici. Sinapsele electrice nu sunt att de rspndite ca sinapsele chimice. Se gsesc, de exemplu, n anumite pri ale creierului sau ntre celulele receptoare i cele orizontale n retin. Structur: membran presinaptic, spaiu sinaptic (mult mai mic 2 nm), membran postsinaptic. Funcionare: ntre canalele membranei presinaptice i postsinaptice exist o contiguitate, ceea ce face ca o variaie de potenial la nivelul membranei presinaptice s induc o variaie similar n membrana postsinaptic. Transmiterea fiind direct este foarte rapid. n timp ce n sinapsa chimic ntrzierea este de 0,5 5 ms, n cea electric transmiterea este practic instantanee. Spre deosebire de sinapsa chimic, n sinapsa electric nu se poate face o gradare n intensitate. Este important n cazul sincronizrii unui numr mare de celule efectoare. n sinapsele electrice transmiterea poate fi bidirecional, spre deosebire de cele chimice n care este unidirecional. Exist i sinapse n care depolarizarea i hiperpolarizarea se propag n sensuri opuse funcie de redresare cu conducere unidirecional. Din punct de vedere al efectului pe care l produc, sinapsele pot fi 1) excitatorii i 2) inhibitorii. Sinapsele excitatorii determin depolarizarea celulei, producnd n membrana postsinaptic un potenial excitator postsinaptic (EPSP)(ex. jonciunea neuromuscular, mediator acetilcolina; prin legarea Ach de receptorii si, se deschid canalele de sodiu operate de ligand i aceasta determin depolarizarea membranei). Sinapsele inhibitorii determin hiperpolarizarea celulei, producnd un potenial inhibitor postsinaptic (IPSP)(ex. anumite sinapse din creier: legarea GABA de receptorii GABAA duce la deschiderea canalelor de clor operate de ligand i celula se hiperpolarizeaz).

BioexcitabilitateaExcitant variaie suficient de intens, ndelungat i brusc a proprietilor mediului, care poate s produc excitarea sistemului biologic. Parametrii unui stimul (excitant) sunt urmtorii: form, amplitudine, durat, frecven de repetiie. Excitare fenomenul prin care excitantul modific permeabilitatea membranei celulare pentru ioni (nchiderea sau deschiderea canalelor ionice). Un factor fizic sau chimic este excitant dac este capabil s determine ntr-un fel sau

12

altul deschiderea porilor canalelor ionice (ex. canale operate electric sau canale operate de ligand). Excitaia celular totalitatea fenomenelor care au loc n celul ca urmare a excitrii acesteia de ctre factorii excitani. Excitaia are aspecte: electrice (PA), optice (modificri ale transparenei, refringenei i activitii optice a celulei), radiante (emisie de IR, vizibil, UV), chimice (hidroliza ATP, producere de NH3 etc.), calorice (producere i absorbie de cldur). Excitabilitate proprietatea unui sistem biologic de a rspunde prin excitaie la aciunea excitanilor (stimulilor).

Reobaza i cronaxia Cantitativ, excitabilitatea se evalueaz cu ajutorul mrimilor numite reobaz i cronaxie. Reobaza intensitatea minim a unui excitant (stimul) cu durat de aciune foarte mare (teoretic infinit) care poate s declaneze excitaia n sistemul biologic. Cronaxia durata minim a unui excitant de intensitate egal cu dublul reobazei pentru care acesta poate produce excitarea. Relaia lui Weiss este o relaie ntre valorile intensitii i duratei unui stimul care poate produce excitarea unui sistem biologic: i = a/t + b unde a, b constante ce depind de sistem. Pentru t , i = b (reobaza) Pentru i = 2b, t = a/b (cronaxia)

13