FENOMENE BIOELECTRICE BIOELECTRICE
1. Bioelectrogeneza celulară - potenţialul electric celular de repaus - potenţialul electric celular de acţiune 2. Bioexcitabilita Bioexcitabilitate te
Ce este bioelectrogeneza? Producerea de electricitate de către materia vie manifestat ă prin: - crearea şi menţinerea unor diferenţe de potenţial electric între între compartimente separate prin membrane - modificarea diferenţelor de potenţial prin intermediul unor curenţi electrici
Ce este bioelectrogeneza? Producerea de electricitate de către materia vie manifestat ă prin: - crearea şi menţinerea unor diferenţe de potenţial electric între între compartimente separate prin membrane - modificarea diferenţelor de potenţial prin intermediul unor curenţi electrici
Potenţialul de repaus al celulelor (PR) Definiţie, valori (( – – 50) – (-100) mV) Potenţial de difuzie, echilibrul Donnan Exemple Măsurarea PR
Potenţialul de difuzie E
-
+
C1 (1)
K + Cl-
C2 (2)
Caz 1-Membrană permeabilă Soluţie de KCl c1 > c2, PK+ >PCl-, JK+ >JClPK+ = PCl- ⇒ ∆E = 0
P Cl − P K RT c1 ∆ E = E 1 − E 2 = ⋅ ln P Cl + P K zF c 2
Caz 2 - membrană selectiv permeabilă (impermeabilă pentru Cl) KCl, c1 > c2, PCl- = 0, JCl- = 0 (2) pozitiv în raport cu (1) dezechilibru osmotic ⇒
flux de apă înspre (1) + RT K 1 ∆ E = ln + zF [ K ] 2
E
-
+
C1 (1)
K + Cl-
C2 (2)
Caz 3 - Echilibrul Donnan
(1) KCl, A-z anioni proteici nedifuzibili, (2) apă distilată Membrană selectiv
E
-
+
A-z K 1+ Cl1-
permeabilă -
impermeabilă pentru
anionii proteici
K 2+ Cl2-
⇒ echilibru Donnan: ∆ E =
RT F
ln
K
+
[ K ]
1
+
2
= −
RT F
−
ln
Cl
[Cl ]
1
−
2
Caz 4 - Echilibrul Donnan, ion nedifuzibil E
-
+
A-z K 1+ Cl1-
Na+ K 2+ Cl2-
(1) KCl, A-z anioni proteici nedifuzibili, (2) NaCl, Na+ - nedifuzibil
Exemplu - fibra musculară E= -84 mV
[A-z]i= 135 [K +]i = 150 [Cl-]i = 5 [Na+]i = 10
izotonicitate
K
+
[ K ]
−
in
=
+
ex
[K +]= 5 mmoli [Cl-]e = 150 [Na+]e = 145
∆ E =
Cl
[Cl ]
ex
−
Na
= 30 > 1
in
+
[ Na ]
ex
+
RT F
ln
=
14,5
in
K
+
[ K ]
ex
+
in
Măsurarea PR microelectrozi de sticlă, 0,5 µm, KCl, 3M
Relaţia Goldman-Hodgkin-Katz Teoretic, potenţialul de repaus al celulei se calculează cu relaţia Goldman-Hodgkin-Katz: ∆ E =
RT F
∑ ln
i
∑ i
P Ci [C i
+
P Ci [C i
+
] ]
ex
+
∑ i
in
+
∑
P Ai [ Ai
]
P Ai [ Ai
]
−
−
in
ex
i
C+, A- –– specii de cationi, respectiv anioni, difuzibili P – permeabilitatea membranei pentru specia respectivă
PR în cazul celulei musculare (-84 mV) PK = PCl = 1 şi PNa = 0,02:
∆ E =
RT F
ln
P K K
+
P K [ K
+
]
ex in
+ P Na Na + P Na [ Na
+
+
−
]
ex
+ P Cl Cl + P Cl [Cl
−
in
]
in
= − 84 m
ex
În repaus celula se află în stare staţionară
Circuitul electric echivalent pentru descrierea potenţialului de repaus celular
Bistratul lipidic - izolator; A bistrat≈ 200 Acanale ionice ⇒ capacitate electrică a membranei celulare Cm ≈ 1 µF/ cm2
Interior Cm
R K
R Na
R Cl
Em EK Exterior
E Na
ECl
EK, ENa, ECl, potenţiale de echilibru electrochimic ale diferiţilor ioni RK, RNa, RCl, rezistenţele canalelor specifice în serie cu E ⇒ baterie de trei elemente legate în paralel
Tensiunea electromotoare echivalentă E K E m =
R K 1
R K
g =
+ +
E Na R Na 1
R Na
+ +
E Cl RCl 1
=
g K E K + g Na E Na + g Cl E Cl g K + g Na + g Cl
RCl
1
R
conductanţa
Valorile gk şi Ek se calculează pe baza dependenţei de Pk şi ck
Reactivitate, iritabilitate, excitabilitate reactivitate - toate celulele vii iritabilitate - potenţiale de acţiune locale excitabilitate - potenţiale de acţiune tot sau
nimic:
celulele nervoase, musculare şi glandulare
Potenţialul de acţiune celular
Impulsul (influxul) nervos - variaţie
tranzitorie şi propagabilă a potenţialului de membrană al fibrelor nervoase, produsă de un stimul (uneori există şi o activitate celulară spontană): potenţial de acţiune (PA)
- depolarizare trecătoare, sau: hiperpolarizare trecătoare (retină)
Declanşarea potenţialului de acţiune
se realizează prin deschiderea porţilor
unor canale cationice sau anionice (uneori prin închiderea porţilor cationice,
în cazul PA hiperpolarizante) apar fluxuri de ioni care determină producerea unui semnal electric
Ionii implicaţi în special ionii de Na+ - în faza ascendentă a PA, şi de K+ - în faza
descendentă
în celula musculară, în faza ascendentă, sunt implicaţi ionii de
Ca++
Clasificarea PA 1. Potenţiale locale - PA-l (dendrite sau soma neuronală) 2. Potenţiale de acţiune tot sau nimic - PA-tn (axon)
E 2 1 0 -1
stimulare culegere
+30 0 -50
I (mA)
Stimuli electrici
E (mV) prag
-100 Potenţiale locale Potenţiale t sau nimic
Stimularea fibrei nervoase
Caracteristicile potenţialelor locale
Amplitudinea depinde de intensitatea excitantului Se propagă în vecinătate, pe distanţe foarte mici Propagare decrementală
Potenţialele de acţiune tot-sau- nimic
Declanşare - intensitatea stimulului atinge valoarea “de prag” sau “prag de detonare” (valori liminare sau supraliminare) Potenţialul de vârf (spike) – variaţie amplă a potenţialului celular în urma căreia interiorul celulei devine pozitiv (+ 30 mV). Amplitudinea - 120 mV
Caracteristicile potenţialului de acţiune tot sau nimic – – –
amplitudine constantă propagare pe distanţe mari, cu viteze mari şi fără pierderi ( nedecremental) amplitudinea potenţialului de vârf, pragul şi viteza de propagare caracteristici ale fibrei (sau celulei)
Fazele potenţialului de acţiune a) potenţial de repaus b) stimul rectangular supraliminar c) perioadă de latenţă şi prepotenţial d,e) potenţialul de vârf , cu fazele: d) ascendentă şi e)descendentă f,g) postpotenţialele pozitiv (f) şi negativ (g)
Din punct de vedere al reacţiei la stimul se disting două perioade refractare: perioada refractară absolută, în care celula nu
poate fi excitată, faza ascendentă şi parţial faza descendentă
perioada refractară relativă ,
în care excitabilitatea este redusă, în celelalte faze ale PA.
Evenimentele la nivel molecular
repaus - stare staţionară,
canale de scurgere (leak) de K+, Na+ interior: 140 mM K+, 5mM Na + exterior, invers: 142 mM Na+ şi 4 mM K+
V -86 mV (apropiat de potenţialul de echilibru al K, departe de potenţialul de echilibru al Na)
poarta internă de Na deschisă, cea externă, precum şi cea de K - închise → nu contribuie la potenţialul de membrană
la o valoare prag de -60 mV, porţile de Na externe sensibile la voltaj se deschid
pătrundere în avalanşă a Na (feedback pozitiv)
Permeabilitatea pentru Na + crescută ⇒ deplasare rapidă către potenţialul de echilibru al Na+
Evenimentele care previn distrugerea celulei: 1) ca rezultat al
depolarizării, porţile interne de Na+ se închid şi rămân închise cca. 0,5 ms ⇒revenire înspre potenţialul de echilibru al K+. Închiderea porţilor interne pentru Na + perioadele refractare relativă şi absolută.
2) se deschid
canalele de K+ sensibile la voltaj, Permeabilitate crescută pentru K+ ⇒ repolarizare rapidă a membranei
permeabilitatea membranei pentru K mai mare decât în mod normal ⇒ deplasare mai aproape de potenţialul de echilibru al K decât în mod normal ⇒ scădere momentană (undershoot) a potenţialului de membrană
Tehnica potenţialului fixat (voltage clamp) S
Permite măsurarea curenţilor electrici transmembranar i (Na, K, Cl)
4 3 1 2 I
G
A
1 - electrod de culegere intracelular, 2 - electrod de referinţă extracelular, 3- electrod pentru compensarea curenţilor ionici, 4 - electrozi de stimulare, A - amplificator operaţional, S stimulator, I - instrument de măsurarea a curentului, G generator de semnale electrice
Propagarea potenţialelor de acţiune
curenţi locali Hermann
Datorită rezistenţelor întâlnite, intensitatea curenţilor locali scade cu distanţa: d ≈
Rm Ri
d - distanţa la care amplitudinea PA se reduce la jumătate prin căderile de tensiune pe rezistenţe Rm - rezistenţa electrică transmembranară pe unitatea de lungime a membranei Ri - rezistenţa pe unitatea de lungime a
Tipuri de propagare în fibrele nervoase 1. Propagare recurentă 2. Propagare saltatorie
Propagarea recurentă (din aproape în aproape)
caracteristică fibrelor nemielinizate se realizează prin curenţi locali ce traversează întreaga suprafaţă a membranei axonale şi se închid prin citoplasmă şi lichidul interstiţial (spre centru în exterior şi invers în interior)
Propagarea saltatorie caracteristică fibrelor mielinizate curenţii locali nu traversează toată suprafaţa membranei axonale ci sar de la un nod Ranvier la altul, închizându-se prin axoplasmă şi lichidul extracelular
Fibrele mielinizate
Mielina - izolator care împiedică traversarea membranei de către fluxul de sarcini. În zonele acoperite de mielină nu se poate produce depolarizarea membranei
Fibrele mielinizate Nod Ranvier concentraţia canalelor Na+ ale căror porţi sunt sensibile la voltaj este foarte mare Deci, potenţialele de acţiune sar de la un nod la altul -
conducere saltatorie
Dovadă - propagarea blocată prin narcotizarea nodului Ranvier, dar nu a internodului
Viteza de propagare a impulsului nervos PA se deplasează mult mai repede într-o fibră nervoasă mielinizată, prin conducerea saltatorie de la un nod Ranvier la altul Într-un nerv nemielinizat mic, viteza de conducere a impulsului nervos este cca. 0,25 m/s, în timp ce într-un axon mielinizat mare ea poate ajunge la 100 m/s Unidirecţionalitatea - prin sinapse
Modalităţile de creştere a vitezei de propagare a impulsului nervos 1. Micşorarea rezistenţei lichidului intracelular Ri: fibre gigante nervoase (calmar) şi musculare (molusca barnaclu), diametru cca. 1,5 mm dezavantaj - volum foarte mare 2. Mărirea rezistenţei transmembranare, R m : mielinizare, tecile izolatoare de mielină duc la creşterea Rm
Transmiterea impulsului nervos prin sinapse Sinapsă - structură
prin care se realizează contactul dintre doi neuroni sau dintre un neuron şi o celulă glandulară sau musculară
Tipuri de sinapse Ca mod de transmitere:
a) chimice b) electrice Ca efecte:
1) excitatorii 2) inhibitorii
Structură
Sinapsa chimică
regiune presinaptică (ramificaţii axonale butoni terminali) cu vezicule sinaptice (40 nm) şi membrana presinaptică spaţiul sinaptic (20-50 nm) regiune postsinaptică cu membrana postsinaptică ce conţine receptori şi canale ionice
Teoria cuantică a transmiterii sinaptice
Cuantă - conţinutul unei vezicule (cca.104 molecule de Ach)
PA local miniatural PA-l postsinaptic postsinaptic care se
deplasează decremental spre axon
sumaţie spaţială /temporală
Sinapsa electrică Funcţionează fără mediatori chimici Se găsesc în anumite părţi ale creierului sau între celulele fotoreceptoare şi orizontale din retină Structură: membrană presinaptică spaţiu sinaptic (< 2 nm) membrană postsinaptică
Între canalele membranelor pre- şi postsinaptică există o contiguitate ⇒ Joncţiuni membranare: conexine, conexon
Comparaţie între sinapsa chimică şi electrică Sinapsa chimică – – –
Întârziere în transmitere de 0,5-1 ms Se poate face o gradare în intensitate - cuante transmitere unidirecţională
Sinapsa electrică – – – –
Transmitere practic instantanee Nu se poate face gradare în intensitate transmiterea poate fi bidirecţională Importantă în sincronizarea unui mare de celule efectoare, datorită rapidităţii
Sinapse excitatorii - depolarizare Exemplu: neuron, acetilcolină (ACh) Legarea ACh de receptorii săi deschiderea canalelor
de sodiu operate de ligand ⇒ potenţial excitator postsinaptic - EPSP peste prag - potenţial de acţiune
Sinapse inhibitorii - hiperpolarizare Exemplu: acidul gama amino butiric (GABA), anumite sinapse din creier Legarea GABA de receptorii GABAA - deschiderea canalelor de clor operate de ligand , legarea de receptorii GABAB activează o proteină G internă şi un “mesager secund” care determină deschiderea canalelor de K + În ambele cazuri, prin difuzia facilitată a ionilor (Cl - intră, K+ iese) creşte in valoare absoluta potenţialul de membrană (până la - 80 mV) Acest potenţial de membrană crescut este numit potenţial inhibitor postsinaptic - IPSP; el contracarează orice semnal excitator care ar sosi la neuron, ca şi cum neuronul respectiv ar avea un prag mai ridicat
Bioexcitabilitatea – – – –
Excitant Excitare Excitaţie Excitabilitate
Excitant (stimul) Variaţie suficient de intensă, îndelungată şi bruscă a proprietăţilor mediului capabilă să producă un răspuns al sistemului biologic
Excitare (stimulare) Fenomenul prin care excitantul modifică permeabilitatea membranei celulare pentru ioni (deschiderea sau închiderea porţilor canalelor ionice) -
este determinată de excitant
Excitaţie Totalitatea fenomenelor care au loc în celulă ca urmare a stimulării cu factori excitanţi -
este rezultatul activităţii celulei
Excitabilitate Proprietatea structurilor vii de a răspunde la factorii excitanţi printr-o excitaţie
Exemple de stimuli Parametrii stimulilor:
t
e t a t i s n e t n i
formă durată amplitudine frecvenţă de repetiţie
