FENOMENE BIOELECTRICE1. Bioelectrogeneza celular - potenialul electric celular de repaus - potenialul electric celular de aciune 2. Bioexcitabilitate

Ce este bioelectrogeneza?Producerea de electricitate de ctre materia vie manifestat prin: - crearea i meninerea unor diferene de potenial electric ntre compartimente separate prin membrane - modificarea diferenelor de potenial prin intermediul unor cureni electrici

Potenialul de repaus al celulelor (PR)Definiie, valori (( 50) (-100) mV) Potenial de difuzie, echilibrul Donnan Exemple Msurarea PR

Potenialul de difuzieE

C1 K+ (1) ClC2(2)

Caz 1-Membran permeabil + Soluie de KCl c1 > c2, PK+ >PCl-, JK+ >JClPK+ = PCl- E = 0

PCl PK RT c1 E = E1 E 2 = ln PCl + PK zF c 2

Caz 2 - membran selectiv permeabil (impermeabil pentru Cl)KCl, c1 > c2, PCl- = 0, JCl- = E 0 (2) pozitiv n raport cu (1) dezechilibru osmotic C1 K+ flux de ap nspre (1) (1) Cl-

+ C2(2)

K RT E = ln + zF K

[ ] [ ]+

1 2

Caz 3 - Echilibrul Donnan(1) KCl, A-z anioni proteici nedifuzibili, (2) ap distilat Membran selectiv permeabil impermeabil pentru anionii proteici echilibru Donnan:E

A-z K1+ Cl1K2+ Cl2-

+

K RT E= ln + F K

[ ] [ ]+

1 2

Cl RT = ln F Cl

[ ] [ ]

1 2

Caz 4 - Echilibrul Donnan, ion nedifuzibilE

A-z K1+ Cl1Na+ K2+ Cl2-

+

(1) KCl, A-z anioni proteici nedifuzibili, (2) NaCl, Na+ - nedifuzibil

Exemplu - fibra muscularE= -84 mV

[A-z]i= 135 [K+]i = 150 [Cl-]i = 5 [Na+]i = 10 izotonicitate

[K ] [K ]+ +

in ex

=

[Cl ] [Cl ]

ex in

= 30 > 1

[K+]= 5 mmoli [Cl-]e = 150 [Na+]e = 145

[ Na ] [ Na ]+ +

ex in

= 14,5+

K RT E= ln + F K

[ ] [ ]

ex in

Msurarea PRmicroelectrozi de sticl, 0,5 m, KCl, 3M

Relaia Goldman-Hodgkin-KatzTeoretic, potenialul de repaus al celulei se calculeaz cu relaia Goldman-Hodgkin-Katz:

E=

RT ln F i i

PCi C PCi

[ ] + [C ] + + i ex + i in i i

PAi A PAi

[ ] [A ]

i in

i ex

C+, A- specii de cationi, respectiv anioni, difuzibili P permeabilitatea membranei pentru specia respectiv

PR n cazul celulei musculare (-84 mV)

PK = PCl = 1 i PNa = 0,02:

RT PK K E= ln + F PK K

[ ] [ ]+

ex in

+ PNa Na + PNa

[ ] [ Na ]+ +

ex in

+ PCl Cl + PCl

[ ] [Cl ]

in

= 84 mV

ex

n repaus celula se afl n stare staionar

Circuitul electric echivalent pentru descrierea potenialului de repaus celular

Bistratul lipidic - izolator; Abistrat 200 Acanale ionice capacitate electric a membranei celulare Cm 1 F/ cm2Interior

Em

Cm

RK EK Exterior

RNa ENa

RCl

ECl

EK, ENa, ECl, poteniale de echilibru electrochimic ale diferiilor ioni RK, RNa, RCl, rezistenele canalelor specifice n serie cu E baterie de trei elemente legate n paralel

Tensiunea electromotoare echivalentE 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 + + R K R Na RCl

1 g= R

conductana

Valorile gk i Ek se calculeaz pe baza dependenei de Pk i ck

Reactivitate, iritabilitate, excitabilitatereactivitate - toate celulele vii iritabilitate - poteniale de aciune locale excitabilitate - poteniale de aciune tot sau nimic: celulele nervoase, musculare i glandulare

Potenialul de aciune celular

Impulsul (influxul) nervos - variaie tranzitorie i propagabil a potenialului de membran al fibrelor nervoase, produs de un stimul (uneori exist i o activitate celular spontan):

potenial de aciune (PA)- depolarizare trectoare, sau: hiperpolarizare trectoare (retin)

Declanarea potenialului de aciunese 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 n

special ionii de Na+ - n faza ascendent a PA, i de K+ - n faza descendent celula muscular, n faza ascendent, sunt implicai ionii de Ca++

n

Clasificarea PA

1. Poteniale locale - PA-l (dendrite sau soma neuronal) 2. Poteniale de aciune tot sau nimic - PA-tn (axon)

E2 1 0 -1

I (mA) Stimuli electrici

stimulare culegere

+30 0 -50 -100

E (mV) prag

Poteniale locale Poteniale to sau nimic

Stimularea fibrei nervoase

Caracteristicile potenialelor localeAmplitudinea depinde de intensitatea excitantului Se propag n vecintate, pe distane foarte mici Propagare decremental

Potenialele de aciune tot-saunimicDeclanare - intensitatea stimulului atinge valoarea de prag sau prag de detonare (valori liminare sau supraliminare) Potenialul de vrf (spike) variaie ampl a potenialului celular n urma creia interiorul celulei devine pozitiv (+ 30 mV). Amplitudinea - 120 mV

Caracteristicile potenialului de aciune tot sau nimic

amplitudine constant propagare pe distane mari, cu viteze mari i fr pierderi (nedecremental) amplitudinea potenialului de vrf, pragul i viteza de propagare caracteristici ale fibrei (sau celulei)

Fazele potenialului de aciune

a) potenial de repaus b) stimul rectangular supraliminar c) perioad de laten i prepotenial d,e) potenialul de vrf, cu fazele: d) ascendent i e)descendent f,g) postpotenialele pozitiv (f) i negativ (g)

Din punct de vedere al reaciei la stimulse disting dou perioade refractare: perioada refractar absolut, n care celula nu poate fi excitat, faza ascendent i parial faza descendent perioada refractar relativ, n care excitabilitatea este redus, n celelalte faze ale PA.

Evenimentele la nivel molecular

repaus - stare staionar, canale de scurgere (leak) de K+, Na+ interior: 140 mM K+, 5mM Na + exterior, invers: 142 mM Na+ i 4 mM K+

V -86 mV (apropiat de potenialul de echilibru al K, departe de potenialul de echilibru al Na)

poarta intern de Na deschis, cea extern, precum i cea de K - nchise nu contribuie la potenialul de membran

la o valoare prag de -60 mV, porile de Na externe sensibile la voltaj se deschid

ptrundere n avalan a Na (feedback pozitiv)

Permeabilitatea pentru Na+ crescut deplasare rapid ctre potenialul de echilibru al Na+

Evenimentele care previn distrugerea celulei:1) ca rezultat al depolarizrii, porile interne de Na+ se nchid i rmn nchise cca. 0,5 ms revenire nspre potenialul de echilibru al K+. nchiderea porilor interne pentru Na+ perioadele refractare relativ i absolut.

2) se deschid canalele de K+ sensibile la voltaj, Permeabilitate crescut pentru K+ repolarizare rapid a membranei

permeabilitatea membranei pentru K mai mare dect n mod normal deplasare mai aproape de potenialul de echilibru al K dect n mod normal scdere momentan (undershoot) a potenialului de membran

Tehnica potenialului fixat (voltage clamp)S

Permite msurarea curenilor electrici transmembranar i (Na, K, Cl)

4 3 1 2 I

G

A

1 - electrod de culegere intracelular, 2 - electrod de referin extracelular, 3- electrod pentru compensarea curenilor ionici, 4 - electrozi de stimulare, A - amplificator operaional, S stimulator, I - instrument de msurarea a curentului, G generator de semnale electrice

Propagarea potenialelor de aciune

cureni locali Hermann

Datorit rezistenelor ntlnite, intensitatea curenilor locali scade cu distana:

d

Rm Ri

d - distana la care amplitudinea PA se reduce la jumtate prin cderile de tensiune pe rezistene Rm - rezistena electric transmembranar pe unitatea de lungime a membranei Ri - rezistena pe unitatea de lungime a

Tipuri de propagare n fibrele nervoase

1. Propagare recurent 2. Propagare saltatorie

Propagarea recurent (din aproape n aproape)caracteristic fibrelor nemielinizate se realizeaz prin cureni locali ce traverseaz ntreaga suprafa a membranei axonale i se nchid prin citoplasm i lichidul interstiial (spre centru n exterior i invers n interior)

Propagarea saltatorie caracteristic

fibrelor mielinizate curenii locali nu traverseaz toat suprafaa membranei axonale ci sar de la un nod Ranvier la altul, nchizndu-se prin axoplasm i lichidul extracelular

Fibrele mielinizate

Mielina - izolator care mpiedic traversarea membranei de ctre fluxul de sarcini. n zonele acoperite de mielin nu se poate produce depolarizarea membranei

Fibrele mielinizate

Nod Ranvier concentraia canalelor Na+ ale cror pori sunt sensibile la voltaj este foarte mare Deci, potenialele de aciune sar de la un nod la altul conducere saltatorie Dovad - propagarea blocat prin narcotizarea nodului Ranvier, dar nu a internodului

Viteza de propagare a impulsului nervos

PA se deplaseaz mult mai repede ntr-o fibr nervoas mielinizat, prin conducerea saltatorie de la un nod Ranvier la altul ntr-un nerv nemielinizat mic, viteza de conducere a impulsului nervos este cca. 0,25 m/s, n timp ce ntr-un axon mielinizat mare ea poate ajunge la 100 m/s Unidirecionalitatea - prin sinapse

Modalitile de cretere a vitezei de propagare a impulsului nervos

1. Micorarea rezistenei lichidului intracelular Ri: fibre gigante nervoase (calmar) i musculare (molusca barnaclu), diametru cca. 1,5 mm dezavantaj - volum foarte mare 2. Mrirea rezistenei transmembranare, Rm : mielinizare, tecile izolatoare de mielin duc la creterea Rm

Transmiterea impulsului nervos prin sinapseSinaps - structur prin care se realizeaz contactul dintre doi neuroni sau dintre un neuron i o celul glandular sau muscular

Tipuri de sinapseCa mod de transmitere: a) chimice b) electrice Ca efecte: 1) excitatorii 2) inhibitorii

Structur

Sinapsa chimic

regiune presinaptic (ramificaii axonale butoni terminali) cu vezicule sinaptice (40 nm) i membrana presinaptic spaiul sinaptic (20-50 nm) regiune postsinaptic cu membrana postsinaptic ce conine receptori i canale ionice

Teoria cuantic a transmiterii sinapticeCuant - coninutul unei vezicule (cca.104 molecule de Ach) PA local miniatural PA-l postsinaptic care se deplaseaz decremental spre axon sumaie spaial /temporal

Sinapsa electric

Funcioneaz fr mediatori chimici Se gsesc n anumite pri ale creierului sau ntre celulele fotoreceptoare i orizontale din retin Structur: membran presinaptic spaiu sinaptic (< 2 nm) membran postsinaptic

ntre canalele membranelor pre- i postsinaptic exist o contiguitate Jonciuni membranare: conexine, conexon

Comparaie ntre sinapsa chimic i electric

Sinapsa chimicntrziere n transmitere de 0,5-1 ms Se poate face o gradare n intensitate - cuante transmitere unidirecional

Sinapsa electricTransmitere practic instantanee Nu se poate face gradare n intensitate transmiterea poate fi bidirecional Important n sincronizarea unui mare de celule efectoare, datorit rapiditii

Sinapse excitatorii - depolarizareExemplu: neuron, acetilcolin (ACh) Legarea ACh de receptorii si deschiderea canalelor de sodiu operate de ligand potenial excitator postsinaptic - EPSP peste prag - potenial de aciune

Sinapse inhibitorii - hiperpolarizareExemplu: 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 activeaz o protein G intern i un mesager secund care determin deschiderea canalelor de K+ n ambele cazuri, prin difuzia facilitat a ionilor (Cl- intr, K+ iese) crete in valoare absoluta potenialul de membran (pn la - 80 mV) Acest potenial de membran crescut este numit potenial inhibitor postsinaptic - IPSP; el contracareaz orice semnal excitator care ar sosi la neuron, ca i cum neuronul respectiv ar avea un prag mai ridicat

Bioexcitabilitatea

Excitant Excitare Excitaie Excitabilitate

Excitant (stimul)Variaie suficient de intens, ndelungat i brusc a proprietilor mediului capabil s produc un rspuns al sistemului biologic

Excitare (stimulare)

Fenomenul prin care excitantul modific permeabilitatea membranei celulare pentru ioni (deschiderea sau nchiderea porilor canalelor ionice) este determinat de excitant

Excitaie

Totalitatea fenomenelor care au loc n celul ca urmare a stimulrii cu factori excitani este rezultatul activitii celulei

Excitabilitate

Proprietatea structurilor vii de a rspunde la factorii excitani printr-o excitaie

Exemple de stimuli

Parametrii stimulilor: form durat amplitudine frecven de repetiie

intensitate

t

Legea lui Weiss

Stabilete relaia ntre valorile intensitii i duratei unui excitant, capabil s produc excitarea sistemului biologic

a i= + b t

i

a, b - constante care depind de sistem La t , i = b (reobaza) Pentru i = 2b, t = a/b (cronaxia)

2r r cronaxie t