elemente de bioelectricitate

UMF C.Davila - Biofizica MG 2014

BioelectricitateBioelectricitate


CuprinsCuprins❒ Noţiuni preliminare – potenţiale electrice în sisteme

bicompartimentale❒ Potenţialul membranar de repaus❒ Potenţialul de actiune❒ Propagarea potenţialelor de actiune❒ Sinapse❒ Bioexcitabilitatea❒ Tehnici de studiu în laborator


Noţiuni preliminareNoţiuni preliminarePotentiale electrice în sisteme Potentiale electrice în sisteme

bicompartimentalebicompartimentale


Noţiuni generaleNoţiuni generale

❒ Existenţa unor diferenţe de concentraţii ionice între diferite compartimente antrenează apariţia de fenomene electrice:

Diferenţe de potential între compartimente Curenţi ionici (dacă membrana de separare este

permeabilă şi permite transportul ionilor)

❒ Aceste tipuri de fenomene electrice se regăsesc la nivelul oricărei celule, unde toate condiţiile descrise mai sus sunt îndeplinite.

❒ Pentru înţelegerea acestor fenomene în celulele vii, prezentăm 4 cazuri succesive de complexitate crescândă.


Caz I – Ecuaţia Planck-Henderson Caz I – Ecuaţia Planck-Henderson ❒ Membrană inegal permeabilă (PPKK > P > PCl)Cl)

❒ Potenţial de difuzie ΔE

1 2


❒ Două compartimente cu KCl (CDouă compartimente cu KCl (C11 > C > C22))

❒ PPKK > P > PClCl

❒ Între cele două compartimente există o Între cele două compartimente există o diferenţă de potenţial electric = diferenţă de potenţial electric = potenţial de difuzie = potenţial de difuzie = ΔΔEE

❒ Potenţialul de difuzie scade pe măsură Potenţialul de difuzie scade pe măsură ce ionii difuzează spre celălalt ce ionii difuzează spre celălalt compartimentcompartiment; după un timp suficient ; după un timp suficient poate ajunge la 0 (la egalizarea poate ajunge la 0 (la egalizarea concentraţiilor)concentraţiilor)

1

221 ln

C

C

zF

RT

P+P

PP=EE=ΔE

KCl

KCl

1 2

Caz I – Ecuaţia Planck-Henderson Caz I – Ecuaţia Planck-Henderson ❒ Membrană inegal permeabilă (PPKK > P > PCl)Cl)

❒ Potenţial de difuzie ΔE


Caz II – Relaţia lui NernstCaz II – Relaţia lui Nernst

1 2

❒ Membrana selectiv permeabilă (permeabilă doar ptr K+)❒ Potenţial de echilibru de tip Nernst


❒ Membrana selectiv permeabilă (permeabilă doar ptr K+)❒ Potenţial de echilibru de tip Nernst

❒ Două compartimente cu KCl (CDouă compartimente cu KCl (C11 > C > C22))

❒ PPCl Cl = 0 = 0

❒ La echilibruLa echilibru, diferenţa de potenţial , diferenţa de potenţial dintre compartimente este egală cu dintre compartimente este egală cu potenţialul Nernstpotenţialul Nernst al K al K++

❒ Suplimentar, apare şi un flux de apă Suplimentar, apare şi un flux de apă din dreapta spre stânga datorită din dreapta spre stânga datorită dezechilibrului osmoticdezechilibrului osmotic

21

11

ln+

+

K

K

zF

RT=ΔE

Caz II – Relaţia lui NernstCaz II – Relaţia lui Nernst

1 2


Caz III – Echilibrul DonnanCaz III – Echilibrul Donnan

1 2

❒ Membrană selectiv permeabilă (impermeabilă pentru anioni proteici)

= anioni proteici (proteine ionizate negativ) = ioni pozitivi = ioni negativi


Caz III – Echilibrul DonnanCaz III – Echilibrul Donnan❒ Membrană selectiv permeabilă (impermeabilă pentru anioni proteici)

❒ Stânga: KCl (PStânga: KCl (PKK = P = PClCl ≠ 0) şi anioni ≠ 0) şi anioni proteici nedifuzibili (Pproteici nedifuzibili (PAA=0)=0)

❒ Dreapta: apăDreapta: apă

❒ Între compartimente se stabileşte un Între compartimente se stabileşte un Echilibru DonnanEchilibru Donnan

❒ suplimentar apare un flux osmotic de suplimentar apare un flux osmotic de apă spre stângaapă spre stânga

1 2

21

11

211

1

lnln

Cl

Cl

F

RT=

K

K

F

RT=ΔE

+

+


Caz IVCaz IV❒ Membrana selectiv permeabilă (impermeabilă pentru anioni proteici

şi Na+ , adăugat în compartimentul 2)


Caz IVCaz IV❒ Membrana selectiv permeabilă (impermeabilă pentru anioni proteici

şi Na+, adăugat în compartimentul 2)

❒ PPAA = P = PNaNa = 0 = 0

❒ KK++ si Cl si Cl- - vor difuza până la atingerea vor difuza până la atingerea unui echilibru Donnanunui echilibru Donnan

❒ Potenţialul de echilibru va fi egal cu Potenţialul de echilibru va fi egal cu potenţialul Nernst al Kpotenţialul Nernst al K++

❒ Nu va aparea flux osmoticNu va aparea flux osmotic în cazul în care numărul ionilor de Na în cazul în care numărul ionilor de Na++ compensează numărul anionilor proteici (osmolaritate identică în cele 2 compensează numărul anionilor proteici (osmolaritate identică în cele 2 compartimente)compartimente)

❒ Aceast exemplu corespunde situaţiei din multe celule (de ex: celula Aceast exemplu corespunde situaţiei din multe celule (de ex: celula musculară, unde în repaus Pmusculară, unde în repaus PClCl = P = PKK = 1 iar P = 1 iar PNaNa = 0.04 - neglijabil) = 0.04 - neglijabil)

1 2


Potenţialul membranar de repausPotenţialul membranar de repaus


Noţiuni generaleNoţiuni generale❒ Datorită menţinerii constante a unor gradienţi de

concentratii ionice între exteriorul şi interiorul celulei, între cele două compartimente se stabileste o diferenţă de potenţial = Potenţial membranar de repaus

❒ Poate fi măsurat prin metode electrofiziologice (cu electrozi intracelulari)


Relatia Goldman-Hodgkin-KatzRelatia Goldman-Hodgkin-Katz

mV=E=RepausPotential K 84

14.5

1

1

=Na

Na

intracel+

extracel+

30

1

1

1

1

=Cl

Cl=

K

K

intracel

extracel

extracel+

intracel+


❒Valoarea potenţialului de repaus al unei celule Valoarea potenţialului de repaus al unei celule poate fi calculată pe baza poate fi calculată pe baza relaţiei Goldman – relaţiei Goldman – Hodgkin – KatzHodgkin – Katz

C – specie cationicăC – specie cationică

A – specie anionicăA – specie anionică

PPCC – permeabilitate cation – permeabilitate cation

PPAA – permeabilitate anion – permeabilitate anion

Relatia Goldman-Hodgkin-KatzRelatia Goldman-Hodgkin-Katz

extracely

Aintracelx+

C

intracely

Aextracel+x

C

AP+CP

AP+CP

F

RT=ΔE ln


Circuitul echivalent al membranei Circuitul echivalent al membranei celularecelulare

ggKK, g, gNaNa, g, gClCl – conducţantele – conducţantele canalelor de K, Na, Clcanalelor de K, Na, Cl EEKK, E, ENaNa, E, EClCl – potenţialele – potenţialele Nernst ale K, Na, ClNernst ale K, Na, Cl CCmm – capacitatea membranei– capacitatea membranei

EEmm – tensiunea electromotoare – tensiunea electromotoare a membranei (potenţialul de a membranei (potenţialul de repaus)repaus)

CCmm = 1 = 1 μμF/cmF/cm22

Conductanţa canalelor ionice Conductanţa canalelor ionice este constantă, şi reprezintă o este constantă, şi reprezintă o caracteristică a canaluluicaracteristică a canalului

ClNaK

ClClNaNaKK

ClNaK

Cl

Cl

Na

Na

K

K

m g+g+g

Eg+Eg+Eg=

R+

R+

R

RE

+RE

+RE

=E111


Potenţialul de acţiunePotenţialul de acţiune



❒ Potenţialele de actiune (PA) sunt modificări temporare, propagabile, ale potenţialului de membrană, cu inversarea polarităţii membranei

❒ PA reprezinta modalitatea principală de transmitere a informaţiei în sistemul nervos

❒ Tipuri de potenţiale de acţiune: Potenţiale locale (subprag) Potenţiale de actiune propriu-zise (PA de tip tot sau

nimic)



❒ Prag de excitabilitate = intensitatea minimă a unui stimul care poate determina un răspuns electric neuronal

❒ Pragul de detonare = valoarea minimă a potenţialului de membrană care trebuie atinsă pentru propagarea fără pierderi a depolarizării

❒ Valoarea pragurilor depinde de: Tipul de neuron (tipuri diferite de neuroni vor avea

praguri de depolarizare diferite) Concentraţiile ionice de Na+, K+, Ca2+


PotenţialePotenţiale localelocale❒ Sunt modificări subprag ale potenţialului de

membrană❒ Se propagă decremental (electrotonic)❒ Au amplitudinea proporţională cu intensitatea stimulului

(modulate în amplitudine)❒ Reprezintă modul de propagare a impulsurilor electrice

în dendrite sau soma neuronală


Potenţiale de acţiune Potenţiale de acţiune tot sau nimictot sau nimic

❒ Apar ca urmare a unei depolarizări peste prag Stimul cu intensitate mai mare Însumarea unor potenţiale locale

❒ Amplitudinea lor este constantă pentru un anumit tip de neuron (aprox. 120 mV)

❒ Viteza de propagare este constantă (caracteristică tipului de fibră nervoasă)


❒ Se propagă nedecremental❒ Sunt modulate în frecvenţă❒ Reprezintă modul de propagare a impulsurilor în

axoni (fibre nervoase)



• Fazele PA:❒ Perioada de latenta (intre

aplicarea stimulului si aparitia PA)

❒ Faza prepotential (potential local)

❒ Potentialul de varf: Faza ascendentă Faza descendentă

❒ Postpotential (hiperpolarizare)



❒ Perioada refractara – perioada in care neuronul nu mai raspunde la stimuli

Perioada refractara absoluta: Faza ascendenta a PA O parte din faza descendenta

Perioada refractara relativa (excitabilitate redusa): Restul fazei descendente Faza de postpotential



❒ Acomodarea neuronală = creşterea pragului de excitabilitate, ca răspuns la stimulare repetată

Poate fi rapidă / lentă Mecanisme implicate:

Desensibilizarea receptorilor membranari (rapid) Fenomene de plasticitate a receptorilor (up/down-

regulation) (lent)



Evenimente la nivel molecularEvenimente la nivel molecular

❒ În apariţia PA sunt implicate canale ionice: Canale de Na+

Canale de K+

(Canale de Ca2+)

❒ În repaus: Fluxuri pasive de Na+ si K+ prin canale de scurgere (leak)

Canalele de K+ >>> canalele de Na+ → PK >>> PNa; PR ≈ EK

Concentraţiile sunt mentinute stabile prin acţiunea pompei de Na/K


Subunitatea alfa a unui canal de sodiuSubunitatea alfa a unui canal de sodiu

Canal de potasiu închis şi deschisCanal de potasiu închis şi deschis


Evenimente la nivel molecular - canaleEvenimente la nivel molecular - canale


Evenimente la nivel molecular - canaleEvenimente la nivel molecular - canale

movie: actionp.swf


❒ Potenţiale de actiune locale



❒ Potenţiale de acţiune tot sau nimic

Stimulul determină Stimulul determină deschiderea canalelor de Nadeschiderea canalelor de Na

La atingerea pragului de La atingerea pragului de detonare are loc o detonare are loc o deschidere deschidere în avalanşă a canalelor de Naîn avalanşă a canalelor de Na cu pozitivarea potenţialului de cu pozitivarea potenţialului de membranămembrană

Canalele de Na se Canalele de Na se inactiveazăinactivează dupa un timp fix dupa un timp fix

Pozitivarea potentialului Pozitivarea potentialului deschide canalele de K deschide canalele de K şi şi valorile potenţialului încep să valorile potenţialului încep să scadăscadă

Canalele de K rămân Canalele de K rămân deschise un timp mai lung şi deschise un timp mai lung şi sunt responsabile pentru post-sunt responsabile pentru post-potenţialul cu hiperpolarizarepotenţialul cu hiperpolarizare



❒ Potenţiale de acţiune tot sau nimic



Propagarea potenţialelor de Propagarea potenţialelor de acţiuneacţiune



❒ Aparitia unui PA = modificare locală a distribuţiei sarcinilor❒ Ca urmare, între zonele depolarizate şi zonele membranare

învecinate apar curenţi electrici: Se restabileşte potenţialul de repaus al zonei depolarizate iniţial Se depolarizează zonele membranare învecinate => propagarea PA


Tipuri de propagare a PATipuri de propagare a PA

❒ Propagare: Decrementală

Amplitudinea PA scade cu distanţa Se defineşte o constantă de propagare a membranei = distanţa

la care amplitudinea PA scade la jumătate

❒ RRmm – – rezistenţa membranei rezistenţa membranei (pe unitatea de lungime)(pe unitatea de lungime)

❒ RRi i – – rezistenţa lichidului rezistenţa lichidului intracelular (pe unitatea de intracelular (pe unitatea de lungime)lungime)

Nedecrementală Propagare recurentă (din aproape în aproape) Propagare saltatorie

i

m

R

R=d


Tipuri de propagare a PATipuri de propagare a PA

movie:actionp.swf

http://www.blackwellpublishing.com/matthews/actionp.swf

Gary Matthews, Blackwell Publishing


Propagarea recurentaPropagarea recurenta

❒ Caracteristică a fibrelor amielinice❒ Propagare mai lentă (0.5 – 2 m/s)

❒Curenti locali Curenti locali HermanHerman


Conducerea saltatorieConducerea saltatorie❒ Caracteristică fibrelor cu teaca de mielina❒ Propagare rapidă (→ 120 m/s)


Wikimedia Commons

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Conduction_velocity_and_myelination.png


SinapseSinapse



❒ Sinapse = structuri la nivelul cărora impulsurile electrice se transmit de la un neuron la altul; asigură unidirecţionalitatea transmisiei

❒ În funcţie de mecanismele implicate în transmisie, sinapsele pot fi:

Sinapse chimice (majoritatea sinapselor din sistemul nervos uman)

Sinapse electrice


Sinapse chimiceSinapse chimice

Structura:❒ Etaj presinaptic

Butonul terminal al axonului presinaptic

Contine vezicule de neurotransmitator

❒ Spatiul sinaptic (20-50 nm)

❒ Etaj postsinaptic Membrana neuronului

postsinaptic Contine receptori pentru

neurotransmitatori


Exemplu: placa neuro-muscularăExemplu: placa neuro-musculară

movie: nmj.swf


Sinapse chimiceSinapse chimice❒ Etapele neurotransmisiei:

Sosirea unui PA la nivelul butonului terminal determină activarea unor canale de Ca2+ voltaj-dependente

Influxul de Ca2+ determină mobilizarea veziculelor de neurotransmiţător şi fuzionarea lor cu membrana presinaptică, cu eliberarea conţinutului în spaţiul sinaptic

Neurotransmiţătorul difuzează prin spaţiul sinaptic şi se leagă de receptorii specifici de la nivelul membranei postsinaptice

Receptorii postsinaptici sunt activaţi chimic de către neurotransmiţător, ceea ce duce la deschiderea canalelor ionice ale receptorilor cu depolarizarea locală a membranei

Daca depolarizarea atinge pragul de activare, se produce un PA care se propagă prin neuronul postsinaptic

Neurotransmiţătorul se dezleagă de receptori şi: poate fi recaptat de neuronul presinaptic poate fi degradat în de enzime existente în fanta sinaptică poate difuza în afara spaţiului sinaptic


❒ Transmitere cuantică ("în pachete"): 1 veziculă – aprox. 104 molecule neurotransmiţător Cresterea intensităţii stimulului → creşterea

numarului vezicule eliberate 1 veziculă eliberată → potenţial local de amplitudine

mică (EPSP/IPSP = excitatory/inhibitory post-synaptic potential)

Răspunsul neuronului postsinaptic se produce prin sumarea EPSP-urilor → modulare în intensitate a răspunsului

❒ Întârzierea sinaptică : cca. 0.5 – 5 ms


obs: “cuantă” = cantitate mică, indivizibilă; elementul cel mai mic al unei mulţimi


❒ Sinapsele chimice pot fi: Excitatorii

Receptori postsinaptici ionotropi – canale de Na+

Activarea determina depolarizare postsinaptică Inhibitorii

Receptori postsinaptici ionotropi – canale de Cl-

Activarea determina hiperpolarizarea postsinaptică Modulatorii

Receptori postsinaptici metabotropi Activarea determină modificari metabolice ale neuronilor

postsinaptici, care le pot influenţa pragul de activare, nivelul de expresie a receptorilor, etc



Sinapse chimice - exempleSinapse chimice - exemple

movie: neurotrans.swf


Sinapse chimiceSinapse chimiceOBSERVAŢII:

❒ Tipul de sinapsă depinde de tipul de receptori postsinaptici

❒ Acelasi neurotransmiţător poate determina atat excitaţie cât şi inhibiţie, în funcţie de tipul de receptor pe care îl activează

❒ Un neuron poate exprima mai multe tipuri de receptori; activitatea sa finală depinde de toţi receptorii exprimaţi


Sinapse chimiceSinapse chimice❒ Exemple:

Sinapse excitatorii: Sinapse nicotinice (acetilcolina) – SNC, joncţiunea neuro-

musculară Sinapse glutamatergice – SNC Sinapse dopaminergice

Sinapse inhibitorii: Sinapse GABA-ergice


Sinapse electriceSinapse electrice❒ Sunt structuri la nivelul carora impulsul electric

poate trece direct de la neuronul presinaptic la neuronul postsinaptic

Caracteristici structurale: Fanta sinaptica de dimensiuni

mult mai mici (2 nm!) Contiguitate intre canalele ionice

ale membranei pre- şi postsinaptice

Fără neurotransmitatori

Wikimedia Commons

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gap_cell_junction.svg


Sinapse electriceSinapse electrice❒ Caracteristici funcţionale:

Transmitere practic instantanee (întarziere sinaptică nulă)

Datorită transmisiei rapide, oferă posibilitatea sincronizarii electrice a unei mase mari de celule


BioexcitabilitateBioexcitabilitate



❒ Excitant (stimul) = variaţie a proprietăţilor fizice ale mediului, capabilă să inducă un răspuns electric celular (excitarea sistemului biologic)

Parametri: Forma Amplitudine Durata Frecvenţa

❒ Excitare = fenomenul prin care un stimul determină modificarea proprietăţilor electrice ale membranei celulare (permeabilitatea pentru ioni)


Notiuni generaleNotiuni generale

❒ Excitaţia celulară = totalitatea fenomenelor care au loc în celulă ca urmare a acţiunii unor stimuli

Aspecte electrice (modificări ale pot. membrană) Aspecte chimice (activări enzimatice) Aspecte optice (modificări indici refracţie etc) Aspecte radiante (emisie luminoasă etc)

❒ Excitabilitate = proprietatea unui sistem biologic de a răspunde prin excitaţie la acţiunea unor stimuli


Parametri de excitabilitateParametri de excitabilitate

❒ Reobaza (b) = intensitatea minimă a unui stimul cu durata de acţiune foarte mare (→ infinită) capabil să declanşeze excitaţia sistemului biologic

❒ Cronaxia (t) = durata minimă a unui excitant cu intensitatea dublă faţă de reobază, pentru care se poate produce excitaţia



❒ a, b – constante care a, b – constante care depind de sistemdepind de sistem

cronaxia=b

a=t=i

reobaza=b=it

2b



❒ Relaţia lui Weiss – stabileşte o legătură între intensitatea (i) şi durata (t) stimulilor capabili să declanşeze excitaţia sistemului biologic

❒ a, b – constante care a, b – constante care depind de sistemdepind de sistem

cronaxia=b

a=t=i

reobaza=b=it

2b

b+t

a=i


Tehnici de studiu în laboratorTehnici de studiu în laboratorElectrofiziologie celularăElectrofiziologie celulară


Noţiuni generaleNoţiuni generale❒ Metodele electrofiziologice sunt tehnici care permit

măsurarea cu ajutorul unor electrozi a potenţialelor celulare sau curenţilor transmembranari (prin canale ionice)

❒ Exemple de metode: Metoda Voltage-Clamp

Metoda Patch-clamp



❒ Principii de bază: Se utilizează “electrozi de sticlă”: tuburi capilare cu

vârful ascuţit (pipete) şi dimensiuni foarte mici, în care există soluţii ionice conductive; în pipetă se introduc electrozi de argint clorurat, prin intermediul cărora se face legătura cu circuitele electrice de măsurare

Se măsoară diferenţe de potenţial între electrozii de sticlă şi electrozi de referinţă (consideraţi la potenţial nul)

Semnalele sunt filtrate şi amplificate


Tehnica voltage-clampTehnica voltage-clamp❒ Utilizeaza doi electrozi intracelulari:

Electrodul de curent Electrodul de voltaj

❒ Principiu: Electrodul de voltaj măsoară potenţialul de membrană

(faţă de o referinţă) Orice curent ionic (prin canale ionice) transmembranar

determină modificări ale acestui potenţial; valoarea este menţinută constantă prin injectarea de curent în celulă (egal şi de semn opus) cu ajutorul electrodului de curent

Curentul necesar a fi injectat pentru a menţine constant potenţialul membranar este deci egal cu curentul prin canalele ionice membranare


Tehnica patch-clampTehnica patch-clamp❒ Metodă mai noua, istoric

❒ Principiu: se măsoară diferenţe de potenţial între un electrod de sticlă ataşat celulei / intracelular şi un electrod de referinţă, în baia de celule

❒ Între electrod şi celulă se realizează un contact cu rezistenţă foarte mare = Gigaseal (> 1 Gohm), care previne scurgerile de curent

❒ Se poate măsura activitatea electrica a întregii celule (Whole-cell) sau a unui singur canal ionic (Single-channel)

❒ Măsuratorile se pot realiza la un potential fix (voltage-clamp) sau la un curent fix (current-clamp)


Molecular Devices, The Axon CNS Guide to electrophysiology and biophysics laboratory techniques

1993-2006 by Molecular Devices Corporation.


Tehnica patch-clampTehnica patch-clamp

Moduri de lucru principale:

Cell-attached: in micro-pipeta se creeaza sucţiune până când celula se ataşează ferm de vârful acesteia; dacă porţiunea de membrană conţine un canal ionic, diferenţele de potenţial create de funcţionarea acestuia pot fi măsurate electric cu microectrodul din pipetă.

Excised patch: prin manipularea potrivită a presiunii din pipetă, se poate exciza (detaşa) o porţiune din membrană; există multe versiuni alte tehnicii, prin care se pot accesa atât faţa externă cât şi cea internă a membranei celulare.


Tehnica patch-clampTehnica patch-clamp❒ Exemplu de inregistrarare electrică a activităţii

unui singur canal. Observaţi intensitatea extraordinar de mică a curentului (de ordinul pico-amperilor, 10-12 A)

elemente de bioelectricitate

Documents