Biolelectricitate Mg Ovidius Cta

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) – (–100) mV

• c 1 > c2

Potentialul de difuzie

• PK+ >PCl• JK+ > JCl• [K+] creste in (2) care devine pozitiv in raport cu (1) ⇓ • diferenţă de potenţial: potenţial de difuzie ⇓ • accelerarea Cl- , frânarea K+ ⇓ • stare staţionară

PCl − PK RT c1 ∆E = E1 − E2 = ⋅ ln PCl + PK zF c 2

• ecuaţia Planck-Henderson

• PCl- = 0 • Difuzeaza doar ionii de K+ • La echilibru: între cele două compartimente o diferenţă de potenţial dată de relaţia lui Nernst:

[ ] [ ]

RT K + 1 ∆E = ln + zF K 2 • 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

apa

Echilibrul Donnan • Iniţial, în (2) apă distilată • Membrană selectiv permeabilă pentru A-Z

[K ] = [Cl ] [K ] [Cl ]

• Între cele două compartimente

+

1

se stabileste echilibrul Donnan:

RT [K ] ∆E = ln [K ] F +

1

+

2

−

+

2

−

2

RT [Cl ] =− ln [Cl ] F −

1

−

2

π1 > π 2

1

=r

fibra musculara

[K ] [K ] [Na [Na +

[ Cl ] = = 30 > 1 [Cl ] RT [K ] ] = 14,5 ∆E = ln F [K ] ] −

in

ex

+

−

ex

+

in

+

ex

+

in

ex

+

in

Distributia ionilor in celula nervoasa

Măsurarea PR • direct – cu ajutorul microelectrozilor 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 diferenţa de potenţial între microelectrodul introdus în celulă şi un electrod de referinţă, nepolarizabil (de calomel).

• indirect – prin utilizarea unor substanţe fluorescente ionizate (tiocianatul)

PR al celulei se poate calcula teoretic Goldman-Hodgkin-Katz P [C ] + ∑ P [A ] ∑ RT ∆E = ln F ∑ P [C ] + ∑ P [A ] Ci

+ i ex

i

Ai

− i in

Ai

− i ex

i

Ci

+ i in

i

i

PK = PCl = 1 şi PNa = 0,02

[ ] RT ∆E = ln F P [K ] PK K +

+

K

[ ] [Na ]

[ ] [Cl ]

+ + P Na Na ex

− + P Cl Cl ex

in

+ P Na in

+ P Cl in

ex

+

−

= −84mV

Circuitul electric echivalent pentru descrierea PR • Bistrat lipidic – izolator • Abistrat ~200 Acanale-ionice • Capacitatea electrică a membranei celulare 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

E K E Na ECl + + RK R Na RCl g K E K + g Na E Na + g Cl ECl Em = = 1 1 1 g K + g Na + g Cl + + RK R Na RCl

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 stimulilor subliminari • Constau intr-o depolarizare redusă a membranei, membranei proporţională cu amplitudinea stimulului • Propagare decrementala, pe distanţe scurte • Amplitudinea PA-l se face exponenţial cu distanţa

Potenţialele de acţiune de tip tot-saunimic (PA-tn) • Apar în urma acţiunii unui stimul de prag • Interiorul celulei devine pozitiv • Are amplitudine constantă • Se propagă pe distanţe MARI, MARI nedecremental, nedecremental cu viteze mari • Amplitudinea potenţialului de vârf, vârf pragul şi viteza 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 ⇒ PA-tn • 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: iesirea ionilor de K+ din celula

• PA-tn sunt produse numai de celulele nervoase, musculare şi glandulare • Capacitatea tuturor celulelor vii de a răspunde prin potenţiale de acţiune locale se numeşte iritabilitate • Proprietatea de a răspunde prin potenţiale de acţiune tot sau nimic se numeşte excitabilitate.

Determinarea experimentala a PR si PA • PR: electrozi de sticla sau substante fluorescente • PA: tehnica potentialului fixat sau tehnica patch-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 tensiune pe rezistenţe este:

d≈

Rm Ri

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

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 Rm d≈ Ri • prin micşorarea rezistenţei lichidului intracelular – în fibrele nervoase şi musculare gigante (1,5 mmm l diametru: calmar - axon gigant)

R=ρ

S

• prin mărirea rezistenţei transmembranare – prin mielinizare – tecile de mielină sunt electric izolatoare şi astfel creşte rezistenţa transmembranară

Sinapsele neuronale • Realizeaza contactul între doi neuroni sau dintre un neuron şi o celulă musculară sau glandulară • Sinapsele pot fi:

– chimice – electrice

•

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

Sipasa chimica

Sinapsa electrică

• 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

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