Fiziologie Animala Generala - Suport de Curs

FIZIOLOGIE ANIMAL GENERAL-suport de curs--2010-CUPRINS

4COMPOZIIA CHIMIC A ORGANISMULUI

41.1. INTRODUCERE

41.2. APA CORPORAL

41.2.1. Lichidele intra- i extracelulare

41.2.2. Difuziunea

51.2.3. Osmoza

51.2.4. Tonicitatea

51.2.5. Filtrarea

61.3. GLUCIDELE

61.4. LIPIDELE

81.5. AMINOACIZII I PROTEINELE

81.5.1. Aminoacizii eseniali

81.6. NUCLEOSIDELE, NUCLEOTIDELE I ACIZII NUCLEICI

81.6.1. Nucleosidele

81.6.2. Nucleotidele

81.6.3. Coenzime nucleotidice

91.6.4. Acizii nucleici

10POTENIALUL DE MEMBRAN. MEMBRANE EXCITABILE

102.1. POTENIALUL DE REPAUS

102.1.1. Msurarea potenialului de membran

112.1.2. Originea potenialului de repaus

122.2. POTENIALUL DE ACIUNE

132.2.1. Potenialul de aciune sub form de platou

15TRANSMITEREA SINAPTIC

153.1. ANATOMIA FUNCIOANL A SINAPSEI CHIMICE NEURO-NEURONALE

163.2. SINAPSELE INHIBITOARE DIN SNC

173.3. INACTIVAREA MEDIATORULUI CHIMIC

183.4. NATURA MEDIATORILOR CHIMICI

213.5. SINAPSELE ELECTRICE

213.6. UNELE CARACTERISTICI ALE TRANSMITERII SINAPTICE

223.7. SINAPSA NEUROMUSCULAR

223.7.1. Secreia i aciunea acetilcolinei

233.7.2. Potenialul local de plac terminal

243.7.3. Excitarea fibrelor musculare netede

25FIZIOLOGIA MUCHILOR

254.1. FIZIOLOGIA MUCHILOR STRIAI SCHELETICI

254.1.1. Structura fin a muchilor striai

274.1.2. Iniierea contraciei musculare: cuplarea electro-mecanic

284.1.3. Sursa energetic a contraciilor musculare

294.2. PARTICULARITILE FUNCONALE ALE MUCHILOR NETEZI

304.2.1. Bazele fiziologice ale contraciei musculaturii netede

32SISTEMUL NERVOS SENZORIAL

325.1. PROPRIETILE GENERALE ALE RECEPTORILOR

325.1.1. Codificarea calitii stimulilor

325.1.2. Codificarea intensitii excitanilor

335.1.3. Codificarea distribuiei spaiale a stimulilor

335.1.4. Codificarea desfurrii temporare a stimulilor

335.2. FUNCTIA SOMESTEZIC A SISTEMULUI NERVOS

335.2.1. Sensibilitatea tactil

345.2.2. Simul poziiei

345.2.3. Cile sensibilitii somatice mecanoreceptive

365.2.4. Scoara somestezic

365.2.5. Sensibilitatea termic

375.2.6. Sensibilitatea dureroas

375.2.6.1. Receptorii dureroi (nociceptorii)

385.2.6.2. Cile de conducere i segmentul central

395.2.7. Sensibilitatea auditiv

405.2.7.1. Anatomia funcional a cohleei

425.2.8. Organe de sim pentru echilibru

455.2.9. Analizatorul optic

455.2.9.1. Mecanismul acomodrii ochiului

465.2.9.2. Funcia receptoare a retinei

495.2.9.3. Proiecia retinei n SNC

495.2.10. Sensibilitatea gustativ

515.2.11. Sensibilitatea olfactiv

53FUNCIILE DE NUTRIIE

536.1. FIZIOLOGIA DIGESTIEI

536.1.1. Funcia secretorie a tubului digestiv

536.1.1.1. Secreia salivar

546.1.1.2. Secreia esofagului

546.1.1.3 Secreia stomacului

556.1.1.4. Secreia pancreatic

576.1.1.5. Secreia biliar

586.1.1.6. Secreia intestinului subire

586.1.1.7. Secreiile intestinului gros

596.2. FIZIOLOGIA RESPIREIEI

596.2.1. Etapa pulmonar

596.2.1.1. Mecanica respiraiei

596.2.1.2. Extensibilitatea plmnilor i a toracelui (compliana)

606.2.1.3. Volume, capaciti i debite respiratorii

606.2.1.4. Ventilaia alveolar

606.2.2. Etapa sanguin

616.2.3. Etapa tisular

616.2.4. Reglarea respiraiei

626.2.4.1. Controlul nervos si umoral al respiraiei

626.2.4.2. Reglarea comportamental si voluntar a respiraiei

636.3. FIZIOLOGIA CIRCULAIEI

636.3.1. Proprietile funcionale ale miocardului

636.3.2. Ciclul cardiac (revoluia cardiac)

646.3.3. Zgomotele cardiace

646.3.4. Debitul i travaliul cardiac

646.3.5. Fiziologia circulaiei

646.3.5.1. Circulaia n artere

656.3.5.2.Circulaia capilar

656.3.5.3.Circulaia venoas

666.3.6. Reglarea activitii cardiovasculare

666.3.6.1. Mecanisme intrinseci de autoreglare

666.3.6.2. Mecanisme extrinseci

67BIBLIOGRAFIE

CAPITOLUL 1

COMPOZIIA CHIMIC A ORGANISMULUI1.1. INTRODUCEREn compoziia chimic a organismului animal predomin 4 elemente eseniale: oxigen, carbon, hidrogen i azot. Acestea se gsesc combinate n diferite moduri, rezultnd o mare varietate de compui chimici. Aproximativ 70% din compoziia chimic a organismului este reprezentat de ap, restul de 30% fiind reprezentat de substane organice i anorganice.

Principalele substane organice sunt carbohidraii, lipidele, proteinele i acizii nucleici, formate din molecule aparinnd urmtoarelor clase de compui organici: glucide, acizi grai, aminoacizi i nucleotide.

Dintre substanele anorganice, cele mai reprezentative sunt elementele: calciul, fierul, magneziul, fosforul, potasiul i sodiul. n tabelul 1 este indicat compoziia chimic a organismului animal.Tabel 1. Compoziia chimic a organismului animal

Substane Procente

Oxigen65

Carbon18

Hidrogen 10

Azot3,4

Substane minerale3,6

Na+0,17

K+0,28

Cl-0,16

Mg2+0,05

Ca2+1,5

P1,2

S0,25

Fe2+/3+0,007

Zn2+0,002

1.2. APA CORPORALApa este principalul constituent al organismului animal i este esenial pentru via. Este principalul solvent al celulelor vii. Substanele care se dizolv n ap se numesc polare sau hidrofile (sodiu, clor, glucoza, etanol etc.) iar cele insolubile sunt denumite non-polare sau hidrofobe (lipide, colesterol etc.). Unele molecule de interes biologic au proprieti mixte, avnd o parte hidrofil i alta hidrofob. Ele sunt cunoscute sub denumirea de substane amfifilice.

1.2.1. Lichidele intra- i extracelulareApa corporal poate fi mprit n dou categorii: apa extracelular i apa intracelular.

Lichidele extracelulare din cavitile seroase (ventriculele din creier, cavitatea peritoneal i capsulele articulare, globul ocular) sunt cunoscute sub denumirea de lichide transcelulare. n continuare ele pot fi subdivizate n dou categorii: plasm i lichidul interstiial.

Lichidul intracelular este separat de cel extracelular prin membrana plasmatic a celulelor.1.2.2. Difuziunean momentul n care o substan (solubil) se dizolv ntr-un solvent, rezultnd o soluie, moleculele substanei solubile se disperseaz n solvent, avnd o micare brownian. Acest proces este cunoscut sub denumirea de difuziune.

Rata de difuziune ntr-un solvent este dependent de temperatur (este mai mare la temperaturi ridicate), de proprietile moleculelor, de magnitudinea gradientului de concentraie i de suprafaa de difuziune. Aceste particulariti sunt incluse ntr-o constant fizic cunoscut sub denumirea de coeficient de difuziune.

1.2.3. OsmozaOsmoza este difuzia unui solvent (de obicei apa) printr-o membran semipermeabil, dintr-o soluie cu concentraie mic de soluie (potenial mare al apei) ntr-o soluie cu concentraie mare de soluie (potenial mic al apei), pn la un anumit gradient de concentraie al soluiei. Este un proces fizic n care un solvent se deplaseaz, fr a primi energie, printr-o membran semipermeabil (permeabil la solvent, dar nu i la soluie) separndu-se n dou soluii de concentraii diferite.Presiunea osmotic este definit ca presiunea necesar pentru a menine echilibrul, fr o micare a solventului. Presiunea osmotic a unei soluii cu o compoziie molar cunoscut (M) poate fi calculat conform ecuaiei:

unde R este constanta universal a gazelor (8,31 J/K/mol) i T este temperatura absolut (310K la temperatura corporal normal).Presiunea osmotic este dependent de numrul de particule prezente n soluie i independent de natura chimic a acestora.

Osmoza este important n sistemele biologice unde multe membrane biologice sunt semipermeabile. n general, aceste membrane sunt impermeabile la soluii organice cu molecule mari, precum, polizaharidele, n timp ce sunt permeabile la ap i soluii cu molecule de volum mic, nencrcate. Permeabilitatea poate depinde de proprietile solubilitii, sarcin, sau dimensiunile moleculare ale soluiei. Moleculele de ap trec prin pereii celulei de plasm, tonoplast (vacuol) sau protoplast n dou modaliti, sau direct prin difuziune prin stratul dublu fosfolipid, sau prin aquapori (mici proteine transmembran similare cu cele din difuzia facilitat i de la crearea canalelor de ioni). Osmoza ofer principala modalitate prin care apa este transportat n i din celule.

1.2.4. TonicitateaTonicitatea unei soluii se refer la influena osmolalitii sale (moli per kg de ap) asupra volumului celulelor. De exemplu, prin introducerea eritrocitelor ntr-o soluie salin de 0,9% nu se observ variaii de volum ale acestora. Spunem c soluia este izotonic, avnd o osmolalitate de 310 mOsmol/kg. La o osmolalitate a soluiei saline de 260 mOsmol/kg, datorit permeabilitii selective a membranei eritrocitelor, se creeaz un flux endosmotic, ce favorizeaz ptrunderea apei n eritrocite, creterea lor n volum, urmat de procesul de hemoliz. n acest caz soluia este hipotonic. n cazul soluiilor hipertonice (osmolalitatea de 360 mOsmol/kg) apa va iei din eritrocite, producndu-se ratatinarea eritrocitelor.1.2.5. FiltrareaFiltrarea este procesul de trecere a lichidelor printr-o membran permeabil, pe care are loc reinerea prin fenomene predominant fizice a unor particule cu diametrul mai mare dect porii membranari. Filtrarea este dependent de gradientul de presiune dintre cele dou fee ale membranei. Ultrafiltrarea este un proces dirijat de fore fizice prin care se produce separarea unor molecule mari (proteine) de unele mai mici (glucoza, Na+, K+, Cl- etc.).

Endoteliul capilarelor nu este permeabil pentru proteine (albumin), fiind permeabil pentru molecule mici. Astfel, prin contracia inimii se creeaz un gradient de presiune de-a lungul pereilor capilarelor, prin care se foreaz trecerea lichidelor din capilare n spaiul interstiial. Acest proces are loc n toate zonele vasculare, n special la nivelul capilarelor glomerulare unde filtreaz zilnic volume nsemnate de plasm. 1.3. GLUCIDELEGlucidele reprezint principala surs de energie a reaciilor celulare. Ele au formula general Cn(H2O)m, cteva exemple fiind indicate n Fig. 1. Glucidele care conin 3 atomi de carbon sunt cunoscute drept trioze (gliceraldehida), cele cu 5 atomi de carbon sunt pentoze (riboza), iar cele care conin 6 atomi de carbon sunt hexoze (fructoza i glucoza).

Fig. 1. Structura carbohidrailor

Prin combinarea a dou monozaharide urmat de eliminarea unei molecule de ap se formeaz dizaharidele. Prin combinarea fructozei cu glucoza se formeaz sucroza, iar prin combinarea glucozei cu galactoza se formeaz lactoza, principalul glucid din lapte. Prin polimerizarea monozaharidelor se formeaz polizaharidele (amidon, glicogen). Dei glucidele reprezint sursa major de energie a celulelor, ele reprezint constituenii unor alte molecule. Astfel, acizii nucleici (ADN i ARN) conin pentoze (deoxiriboza i riboza). Riboza este una din componentele nucleotidelor purinice, jucnd un rol central n metabolismul celular. Unele hexoze au o grupare amino n locul unei grupri hidroxil (hexoamine). Hexoaminele intr n structura glicoproteinelor (constitueni ai oaselor i esuturilor conective) sau a glicolipidelor (constitueni ai membranelor). 1.4. LIPIDELELipidele reprezint o grup de substane insolubile n ap dar solubile n solveni organici, precum eterul i cloroformul. Ele ndeplinesc urmtoarele funcii: sunt elementele structurale principale ale membranei celulare rezerv energetic

molecule semnal (hormoni steroidici i prostaglandine)

strat izolator

Trigliceridele sau triacilglicerolii sunt formate din 3 acizi grai legai de glicerol prin legturi esterice (Fig. 2.).

Fig. 2. Structura chimic a acizilor grai, gliceridelor i a steroizilor

Digliceridele au 2 acizi grai cuplai cu glicerolul n timp ce monogliceridele doar unul. Acizii grai au formula general CH3(CH2)nCOOH. Ca exemple: acidul acetic (2 atomi de carbon), acidul butiric (4 atomi de carbon), acidul palmitic (16 atomi de carbon) i acidul stearic (18 atomi de carbon). n general, trigliceridele conin acizi grai cu muli atomi de carbon (acidul linoleic - 18 atomi de carbon cu dou legturi duble i acidul arahidonic - 20 atomi de carbon cu patru legturi duble). Dei la mamifere i la om nu se sintetizeaz aceti acizi grai nesaturai, ei joac un rol important n metabolismul celular. Ei sunt cunoscui sub denumirea de acizi grai eseniali. Lipidele structurale sunt componentele principale ale membranelor celulare. Din categoria lor fac parte: fosfolipidele, glicolipidele i colesterolul. Structura lor este prezentat n Fig. 3. Fosfolipidele sunt de dou categorii: cele care au la baz glicerolul i cele c are au la baz sfingozina. Glicerofosfolipidele se gsesc n membranele plasmatice i sunt clasificate pe baza gruprilor polare ataate la fosfat. Din categoria lor fac parte: fosfatidilcolina, fosfatidilserina, fosfatidiletanolamina i fosfatidilinozitolul.

Glicolipidele sunt formate din sfingizin care se cupleaz cu un acid gras i formeaz ceramida. Exist dou clase de glicolipide: cerebrozidele n care ceramida este cuplat cu un monozaharid (galactoza) i gangliozidele n care ceramida este cuplat cu un oligozaharid.

Fig. 3. Structura unor lipide structurale

1.5. AMINOACIZII I PROTEINELEProteinele ndeplinesc o mare varietate de funcii n organism: catalizeaz reaciile chimice (enzime) sunt implicate n transportul moleculelor i ionilor n organism

sunt responsabile de transportul moleculelor i ionilor la nivelul membranelor

formeaz citoscheletul (tubulina)

formeaz esuturile conective

intervin n funcia de aprare a organismului (imunoglobulinele)

acioneaz ca molecule semnal (insulina)

Unitile structurale de baz ale proteinelor sunt -aminoacizii. Proteinele sunt formate din 20 de aminoacizi diferii, care sunt grupai n urmtoarele clase:

aminoacizii monoamino-dicarboxilici (acid aspartic i acid glutamic) aminoacizii diamino-monocarboxilici (arginina, lizina)

aminoacizi aromatici (fenilalanina, tirozina)

tioaminoacizi (cistein, metionin)

Aminoacizii se pot combina ntre ei prin legturi peptidice. Peptidele cu un numr mare de aminoacizi se numesc polipeptide.

1.5.1. Aminoacizii esenialiCei 20 de aminoacizi naturali constituie alfabetul proteinelor. Distribuia lor calitativ i cantitativ ntr-o protein determin caracteristicile chimice, valoarea ei nutritiv i funciile ei metabolice n organism. Dintre cei 20 de aminoacizi uzuali,organismul uman i al vertebratelor superioare poate sintetiza un numr limitat, restul trebuie s fie furnizai zilnic prin hran i se numesc aminoacizi eseniali. Cei mai muli autori, consider drept aminoacizi eseniali urmtorii: valina, fenilalanina, metionina, lisina, triptofanul, iar ali autori includ i leucina, izoleucina, treonina i histidina.

1.6. NUCLEOSIDELE, NUCLEOTIDELE I ACIZII NUCLEICIInformaia genetic a organismului este depozitat n acidul deoxiribonucleic (ADN). ADN este format din nucleotide. Acidul ribonucleic (ARN) are o structur primar similar. Fiecare nucleotid cuprinde o baz cuplat cu o pentoz, care n schimb este legat cu o grupare fosfat (Fig. 4). Bazele acizilor nucleici sunt citozina, timina i uracilul (baze pirimidinice) i adenina i guanina (baze purinice). Alte baze sunt nicotinamida i dimetilizoaloxazina, cu rol important n metabolismul celular. 1.6.1. Nucleosidele

Rezult prin combinarea unei baze cu o pentoz. Astfel, prin combinarea adeninei cu riboza rezult adenozina; timidina rezult prin combinarea timinei cu riboza.

1.6.2. Nucleotidele

O nucleotid rezult prin combinarea unei nucleoside cu una sau mai multe grupri fosfat. Astfel, prin combinarea adenozinei cu o grupare fosfat se formeaz adenozin monofosfatul (AMP), uridina va forma uridin monofosfatul etc. Nucleotidele sunt elemnetele structurale de baz ale acizilor nucleici.1.6.3. Coenzime nucleotidice

Nucleotidele se pot combina ntre ele sau cu alte molecule rezultnd coenzime. Adenozin monofosfatul (AMP) se poate cupla cu o grupare fosfat formndu-se adenozin difosfatul (ADP) sau cu dou grupri fosfat rezultnd adenozin trifosfatul (ATP). n mod similar, guanozina poate forma guonozin mono-, di- i trifosfatul, iar uridina poate forma uridin mono-, di- i trifosfatul. ATP joac un rol important n metabolismul energetic al celulelor.

Gruparea fosfat a nucleotidelor este legat la poziia 5 a pentozei i are dou sarcini negative. Se poate lega cu hidroxilul n poziia 3 rezultnd 3, 5 adenozin monofosfatul ciclic (AMPc), cu rol de mesager intracelular.

Fig. 4. Componentele structurale ale nucleotidelor i acizilor nucleici

1.6.4. Acizii nucleicin natur exist dou tipuri majore de acizi nucleici: ADN i ARN. n structura ADN ntlnim deoxiriboza i bazele adenina, guanina, citozina i timina (A, G, C i T), iar n structura ARN ntlnim riboza i bazele adenina, guanina, citozina i uracilul (A, G, C i U).

ntrebri de controlCare sunt principalii constitueni ai organismului? Ce rol au proteinele i acizii nucleici?CAPITOLUL 2POTENIALUL DE MEMBRAN. MEMBRANE EXCITABILE

ntre interiorul celulei i lichidul extracelular exist o diferen de potenial numit potenial de membran. Funciile majoritii celulelor pot fi controlate prin variaiile acestui potenial. Modificrile potenialului de membran pot fi considerate ca uniti de informaie, care ajut organismul n coordonarea activitilor exercitate de grupuri celulare. De exemplu, informaiile generate de aciunea factorilor de mediu ajung ntr-un centru nervos unde sunt prelucrate i vor fi folosite de organism n vederea adaptrii la mediu. La baza tuturor funciilor se afl potenialul de repaus al membranei i modificrile acestui potenial, care sunt transmise prin celule. n continuare vom prezenta modul de generare al potenialului de membran i condiiile care guverneaz modificrile sale.

2.1. POTENIALUL DE REPAUS

2.1.1. Msurarea potenialului de membranDiferena de potenial dintre interiorul unei celule i lichidul interstiial potenialul de membran poate fi msurat prin racordarea unui pol al instrumentului de msurat cu interiorul unei celule, iar cellalt pol cu spaiul extracelular. Aparatul de msur este legat de preparatul de testat prin intermediul electrozilor (Fig. 5). Se utilizeaz microelectrozi (capilare) de sticl, avnd vrful foarte fin (de aproximativ 1m), umplui cu un electrolit (KCl).

Fig. 5. A- modul de plasare al electrozilor n vederea msurrii potenialului extracelular sau intracelular; B-potenialul de membran nainte i dup ptrunderea electrodului n celul

Dac ambii electrozi sunt plasai n spaiul extracelular (Fig. 5, A), nu se nregistreaz diferene de potenial. Potenialul spaiului extracelular este considerat a fi zero (Fig. 5, B). Primul tip de fenomen electric poate fi observat de ndat ce microelectrodul strbate membrana celular. n momentul respectiv se nregistreaz o cdere brusc de potenial n direcie negativ pn la circa -75 mV (Fig.5, B). Deoarece diferena de potenial apare numai n momentul strpungerii membranei, potenialul se numete potenial de membran.

La majoritatea celulelor potenialul de membran rmne constant un timp ndelungat, cu condiia ca asupra celulei s nu se exercite influene externe. Cnd celula se afl n aceast stare, potenialul de membran se numete potenial de repaus. n celulele musculare sau n neuroni, potenialul de repaus este totdeauna negativ i are o amplitudine constant. n fibrele musculare mari i fibrele nervoase groase valoarea lui este de circa -90 mV. n fibrele nervoase i musculare mai subiri, cum sunt cele ale musculaturii netede i ale majoritii neuronilor sistemului nervos central (SNC), potenialul de repaus are valori cuprinse ntre -40-60 mV.

2.1.2. Originea potenialului de repaus

nainte de a explica originea potenialului de repaus, trebuie precizate urmtoarele:

1) Membrana nervului prezint o pomp Na+-K+, reprezentat de ATP-az Na+-K+ dependent, Na+ fiind pompat spre exterior, iar K+ spre interior, deci mpotriva gradientului de concentraie. Pompa este electrogen, deoarece pentru fiecare molecul de ATP hidrolizat se pompeaz spre exterior 3Na+, iar spre interior 2K+ (Fig. 6). Prin intervenia pompei de Na+-K+ se realizeaz transmembranar gradientul de concentraie al Na+ i K+, sodiul extracelular fiind de circa 10 ori mai concentrat dect intracelular (142 mEq/l / 14 mEq/l), potasiul intracelular fiind de circa 35 ori mai concentrat dect extracelular (4 mEq/l / 140 mEq/l) (Fig. 7).

Fig. 6. Caracteristicile funcionale ale pompei Na+-K+ i ale canalelor e curgere a K+-Na+ (dup Guyton, 2006)

Fig. 7. Stabilirea potenialului de repaus n trei condiii separate: A-contribuia adus numai de difuzia potasiului; B-contribuia adus de difuzia potasiului i a sodiului; C- contribuia difuziei sodiului i a potasiului i transportul activ prin pompa de Na+-K+ (dup Guyton, 2006)

2) Membrana este prevzut cu proteine transportoare prin care ionii de Na+ i K+ se pot scurge conform gradientului de concentraie. Canalele prin aceste proteine se numesc canale de pierdere (curgere) a potasiului-sodiului, n special a potasiului, pentru care canalul este de circa 100 ori mai permeabil. Canalele de pierdere permit difuzia pasiv a cationilor conform sensului gradientului de concentraie.

3) n interiorul fibrei nervoase se gsete un numr mare de anioni reprezentai n special prin proteine i compui fosfai i sulfai organici, care nu pot difuza prin canalele membranare. Deoarece nu pot prsi interiorul axonului, orice deficit de sarcini pozitive din interiorul membranei produce un exces de ioni negativi. Din aceast cauz ionii negativi impermeabili sunt responsabili de ncrcarea negativ a interiorului fibrelor.

Potenialul membranar de repaus poate fi considerat ca reprezentnd suma potenialelor de echilibru pentru principalii ioni aflai n mediul extra- i intracelular, n funcie de permeabilitatea membranei pentru fiecare tip de ion.

Potenialul de echilibru al unui ion (E) reprezint diferena de potenial realizat prin repartiia la echilibru a unui ion pe cele dou fee ale membranei, potenial ce poate fi calculat cu ajutorul ecuaiei Nernst. Pentru ionii de K+, potenialul de echilibru este egal cu:

EK x zF=

EK=(RT/zF) x ln

n care EK (mV) reprezint potenialul de echilibru pentru ionul de K+, R este o constant gazoas, T este temperatura absolut (exprimat n grade pe scara Kelvin), z este valena ionului (1), F este constanta Faraday, [K0] este concentraia ionului de K+ la interior i [K1] este concentraia ionului de K+ la exterior. Deoarece este mult mai simplu s se efectueze calcule utiliznd logaritmii zecimali i s se realizeze experimentele la temperatura camerei, aceast ecuaie se poate simplifica astfel:

EK=

Deoarece K+ poate difuza uor prin membrana celulei, rezult, conform, ecuaiei Nernst, c valoarea potenialului de repaus este dat n ntregime de diferena concentraiilor ionilor de K+ pe cele dou fee ale membranei. Potenialul de membran de repaus calculat teoretic pe baza ecuaiei Nernst d o valoare de -94 mV. Aceast cifr este apropiat de valoarea medie de circa -90 mV, care se nregistreaz experimental. Deci, potenialul de repaus poate fi considerat ca un potenial de difuzie al K+. Diferena dintre valoarea potenialului de difuzie al K+ (-94 mV) i cea obinut experimental (-90 mV) se datoreaz, pe de o parte, influxului redus de Na+ prin canalele de pierdere sodiu-potasiu, care ridic potenialul la -86 mV (deci cu +8 mV), iar pe de alt parte, interveniei pompei electrogene Na+-K+, care contribuie cu circa -4 mV, valoarea rezultat n final ajungnd la -90 mV.

Deci, prin asimetria ionic indus de faptul c pompa transport la exterior 3 Na+ i la interior 2K+, ea aduce o contribuie relativ minor la generarea potenialului de membran. Majoritatea potenialului se datoreaz difuziei ionilor conform gradienilor de concentraie a Na+ i a K+, meninute prin Na+ - K+ ATP-az, combinat cu permeabilitatea mare a plasmalemei pentru K+, comparativ cu Na+ sau anioni.

2.2. POTENIALUL DE ACIUNE

Potenialul de membran i pstreaz valoarea constant de -90 mV atta timp ct membrana fibrei nervoase nu este deranjat. Orice factor care modific permeabilitatea membranei pentru unii ioni produce o secven de modificri rapide n potenialul de membran, determinnd apariia potenialului de aciune, care dureaz cteva fraciuni de secund, dup care revine la valoarea de repaus.

Potenialele de aciune apar la nivelul membranei celulelor nervoase i musculare, la nivelul receptorilor i al celulelor secretoare, precum i la protozoare. Ele ndeplinesc dou funcii majore: 1) transmit rapid informaia pe distane mari n fibrele nervoase i musculare i 2) controleaz rspunsurile efectorilor ca, de exemplu, contracia muscular sau secreia neurotransmitorilor i a hormonilor.

n figura 8 sunt indicai termenii diferitelor faze ale potenialului de aciune. Potenialul de aciune ncepe printr-o modificare pozitiv foarte rapid, denumit faza ascendent (upstroke), care dureaz n fibrele musculare i nervoase ale homeotermelor circa 0,2-0,5 ms. n faza ascendent

Fig. 8. Termenii fazelor potenialului de aciune

celula pierde sarcinile negative de repaus, sau polarizarea ei, din care cauz se numete faza de depolarizare. La majoritatea celulelor faza de depolarizare se continu dincolo de zero, spre potenialul pozitiv. Poriunea pozitiv a potenialului de aciune se numete overshoot sau potenial inversat. Diferena de potenial ntre valoarea de repaus i vrful potenialului se numete spike potential (potenialul de vrf). Odat cu atingerea vrfului potenialului, potenialul de aciune revine spre potenialul de repaus. Acest proces se numete repolarizare, deoarece are loc refacerea polaritii normale a membranei. Spre sfritul potenialului de aciune apar postpotenialele (iniial negativ i apoi postpotenialul pozitiv).

Potenialul de aciune apare numai n momentul cnd potenialul de repaus crete n msur suficient, apt s declaneze reaciile n lan, care duc la apariia potenialului de aciune. De regul, este necesar o cretere brusc a potenialului cu 15-30 mV. De exemplu, n fibrele nervoase groase este necesar o cretere a potenialului de la 90mV la -65 mV. Acest nivel de -65mV se numete prag de excitare. Dup atingerea pragului, potenialul de aciune se dezvolt sub o form exploziv, fiind independent de intensitatea stimulului care l-a declanat. Pentru un stimul dat, axonul rspunde printr-un potenial de aciune maximal, sau nu rspunde deloc, de un mod de comportare supus legii totul sau nimic. Potenialul de aciune al unui axon nu are ntotdeauna aceeai amplitudine, deoarece rezervele energetice ale axonului pot fi influenate de numeroi factori. Totui, pentru o anumit stare dat, axonul va reaciona la un stimul prag printr-un rspuns maxim.

Deci, potenialul de aciune poate fi definit ca o succesiune stereotip a depolarizrii i repolarizrii membranei, care are loc ori de cte ori membrana este depolarizat dincolo de potenialul de prag. 2.2.1. Potenialul de aciune sub form de platou

Acest tip de potenial de aciune se observ la muchiul cardiac, unde platoul dureaz 0,2-0,3s. Durata mare a platoului este determinat de diferii factori. n primul rnd, n fibra miocardului depolarizarea este determinat de dou tipuri de canale: 1) canale obinuite de Na+ voltaj-dependente, numite canale rapide i 2) canale de Ca2+-Na+ voltaj-dependente, care se activeaz lent i de aceea sunt numite canale lente. Activarea canalelor rapide determin apariia vrfului potenialului, n timp ce activarea lent i prelungit a canalelor de Ca2+-Na+ permite ptrunderea Ca2+ n fibra nervoas, ceea ce determin meninerea platoului.

Un alt factor responsabil de apariia platoului este reprezentat de faptul c activarea canalelor de K+ voltaj-dependente nu are loc dect spre sfritul platoului, ceea ce ntrzie instalarea repolarizrii (Fig. 9).

Fig. 9. Potenialul de aciune sub form de platou n fibra miocardic (dup Guyton, 2006)

ntrebri de controlCare este originea potenialului de repaus? Care este modalitatea de rspuns a esuturilor excitabile la aciunea unui stimul? Care sunt fazele potenialului de aciune? Care sunt schimburile ionice specifice fiecrei faze a potenialului de aciune?CAPITOLUL 3

TRANSMITEREA SINAPTIC

Informaia este transmis la nivelul SNC printr-o nlnuire de neuroni. n timpul transmiterii impulsurilor prin SNC, ele pot fi: 1) blocate; 2) transformate din impuls unic n impulsuri repetate (salve de impulsuri) sau 3) integrate cu impulsurile provenite de la ali neuroni, determinnd n neuronii succesivi un model complicat de impulsuri. Toate aceste funcii pot fi clasificate ca funcii sinaptice. Sinapsele pot fi chimice sau electrice.

3.1. ANATOMIA FUNCIOANL A SINAPSEI CHIMICE NEURO-NEURONALE

Sinapsa neuro-neuronal reprezint zona unde are loc transmiterea informaiei de la un neuron la altul. La acest nivel cei doi neuroni intr n contiguitate, axonul unuia din ei (neuronul presinaptic) terminndu-se pe corpul celulei, dendritele sau axonul celuilalt neuron (neuronul postsinaptic) prin nite butoni sinaptici. n funcie de zona neuronului postsinaptic cu care se realizeaz contactul, sinapsele pot fi axo-dendritice, axo-somatice sau axo-axonice. Au fost descrise i sinapse dendrodendritice, dendrosomatice, somatodendritice, somatosomatice. Neuronii difer prin forma i mrimea corpului celular, dimensiunile i numrul dendritelor, dimensiunea axonului, numrul terminaiilor presinaptice la nivelul unui singur neuron, care pot oscila ntre 100 i cteva mii, din care circa 80-90% sunt localizate pe dendrite iar restul pe soma sau axon. Toate aceste diferene fac ca neuronii din diverse zone ale SNC s reacioneze la impulsurile aferente ntr-un mod diferit i s efectueze funcii diferite. Forma sinapselor chimice este foarte diferit. Sub aspect funcional, toate tipurile de sinapse chimice prezint urmtoarele pri comune (Fig. 10): nainte de jonciune axonul axonul dobndete o form de buton (buton sinaptic). Butonul sinaptic conine dou structuri caracteristice, avnd rol n transmiterea impulsului: vezicule sinaptice i mitocondrii. Veziculele conin mediatorul chimic excitator sau inhibitor. Mitocondriile genereaz ATP-ul necesar resintezei mediatorului, care trebuie refcut foarte rapid, deoarece cantitatea de mediator depozitat n vezicule poate fi consumat n cteva secunde sau minute, n funcie de activitatea sinaptic. Sinteza mediatorului (neurotransmitorului) are loc att la nivelul somei neuronale, ct i la nivelul terminaiei butonate.

Fig. 10. Anatomia funcional a sinapsei (dup Vander, 2001)

Referitor la stocarea mediatorului chimic, se considera c veziculele sinaptice ar reprezenta locul unic al stocurilor presinaptice. Cercetrile recente pe sinapsa gigant din organul electric al unor peti au dus la identificarea unor stocuri citoplasmatice de mediator. n acest sens se descrie un compartiment stabil (de depozit), care cuprinde mediatorul de rezerv ce se elibereaz mai trziu n cursul stimulrii. Al doilea compartiment ar fi reprezentat de compartimentul labil, coninnd mediatorul imediat disponibil n momentul stimulrii (Fig. 22).

Fig. 22. Reprezentarea schematic a etapelor transmiterii sinaptice

ntre membrana pre- i postsinaptic exist un spaiu sinaptic (fanta sinaptic) de 200-300 , n care au fost puse n eviden nite filamente ce asigur adezivitatea regiunii presinaptice i ar reprezenta un sistem de ghidaje pentru moleculele de mediator care l traverseaz.

Regiunea postsinaptic prezint o poriune difereniat a membranei i citoplasmei periferice a elementului postsinaptic. Membrana postsinaptic este mai dens electronooptic i conine structuri receptoare caracteristice mediatorului.

Eliberarea mediatorului. Cnd potenialul de aciune ajunge la nivelul butonului terminal, depolarizarea butonului determin golirea unui numr de vezicule n spaiul sinaptic. Mediatorul eliberat, acionnd asupra receptorului de pe membrana postsinaptic, induce la acest nivel modificri de permeabilitate caracteristice receptorului dat.

Rolul ionilor de calciu n eliberarea mediatorului. Depolarizarea membranei butonului terminal determin, n afara ptrunderii Na+, i un influx masiv de Ca2+. Ionii de Ca2+ din mediul extracelular ptrund n oarecare msur prin canalele de Na+ voltaj-dependente, deschise de potenialul de aciune. Majoritatea calciului ptrunde prin canalele specifice de Ca2+ voltaj-dependente, care se deschid cu o oarecare laten. Ionii de calciu ptruni n butonul terminal se combin cu calmodulina, un receptor intracelular de calciu, care determin combinarea veziculelor sinaptice din vecintatea membranei presinaptice, fuziunea membranelor urmat de golirea coninutului n spaiu sinaptic prin exocitoz. Dup golirea coninutului vezicular prin exocitoz, membrana veziculelor va fi ncorporat n structura membranei presinaptice, din care ulterior se vor forma noi vezicule, care se ncarc cu mediator. 3.2. SINAPSELE INHIBITOARE DIN SNC

Importana proceselor inhibitoare pentru funcionarea normal a SNC, poate fi ilustrat prin urmtorul experiment: dac se injecteaz unui animal cteva mg de stricnin, substan ce blocheaz sinapsele inhibitoare, lsnd aproape nealterate sinapsele excitatoare, se instaleaz n cteva minute o convulsie puternic ce duce, n final, la moartea animalului.

Pot exista dou tipuri diferite de inhibiii sinaptice: inhibiie postsinaptic i inhibiie presinaptic.

Inhibiia postsinaptic. Inhibiia postsinaptic rezult n urma secreiei unui mediator inhibitor (GABA, glicocolul, etc). Terminaiile presinaptice inhibitoare provin de la unii neuroni ai formaiei reticulate, unii neuroni intercalari medulari, celulele Renshaw, etc. Mediatorul inhibitor determin creterea permeabilitii pentru ioni de K+ i Cl-. Ca urmare, datorit efluxului de K+ i n special a influxului de CI-, se instaleaz hiperpolarizarea membranei, ceea ce face ca potenialul de repaus s scad de la -65 mV la -70 mV, deci cu 5 mV mai negativ comparativ cu starea de repaus. Acest potenial de -5 mV se numete potenial postsinaptic inhibitor (PPSI). El persist, ca i PPSE, timp de 15-20 ms.

Inhibiia presinaptic. La acest tip de inhibiie nu apar modificri ale permeabilitii membranei postsinaptice, ci ea apare ca urmare a diminurii secreiei de mediator de ctre terminaia presinaptic a sinapsei excitatorii. Inhibiia presinaptic apare prin activarea sinapselor axoaxonice.

n figura 11 se observ cum axonul B formeaz o sinaps axosomatic cu neuronul C, iar axonul A formeaz o sinaps axoaxonic cu axonul B. Dup modul aranjrii veziculelor sinaptice i a grosimii membranei postsinaptice, axonul B poate fi considerat ca presinaptic pentru neuronul C, iar axonul A ca presinaptic axonului B. Excitarea terminaiei sinaptice B declaneaz n neuronul C un PPSE de circa 10 mV. Deci, sinapsa axosomatic este o sinaps excitatoare. Dac nainte de a excita axonul B se excit axonul A, amplitudinea PPSE este de numai 5 mV, deci nu apare un PPSI ci unul excitator dar subliminal. Aceast form de inhibiie se numete presinaptic. Comparativ cu inhibiia postsinaptic, cea presinaptic se instaleaz mai greu i dureaz un timp de ordinul minutelor sau orelor.

A fost stabilit c activarea sinapsei axoaxonice diminueaz cantitatea de neuromediator eliberat de sinapsa axosomatic. Se pare c activarea sinapsei inhibitorii determin depolarizarea parial a axonului B, care va reduce amplitudinea potenialului de aciune ce ajunge la nivelul butonului terminal al axonului B. Aceasta va determina ptrunderea unei cantiti insuficiente de ioni de Ca2+, urmat de eliberarea unei cantiti mai reduse de mediator excitator i, de aici, PPSE subliminal. n cazuri extreme, ca dup excitri repetate, terminaia B poate deveni att de depolarizat prin excitarea axoaxonic, nct va bloca complet propagarea potenialului de aciune.

Inhibiii presinaptice se ntlnesc cu precdere la nivelul sinapselor excitatoare, formate de terminaiile aferente mduvei spinrii. Dac n figura 11 neuronul C este motoneuronul, axonul B este fibra aferent de la fusul neuromuscular, iar axonul A un neuron intercalar, atunci putem deduce c inhibiia presinaptic, creat de neuronul intercalar, realizeaz o posibilitate de control foarte timpurie a cantitii de informaie ce ptrunde n SNC. Acest mecanism este folosit i n accentuarea contrastului informaiilor, care se transmit de la receptori.

Fig. 11. Inhibiia presinaptic a motoneuronului. Explicaia este n text (dup Vander, 2001)

Fenomenul de inhibiie prezint o importan deosebit pentru funcionarea normal a SNC. SNC este bombardat continuu de un mare numr de impulsuri sosite prin fibrele senzitive ale nervilor. Dac n-ar exista posibilitatea de inhibare a unora din aceste impulsuri, creierul s-ar afla ntr-o stare de excitaie continu, cu consecine nefaste pentru organism. Prin intervenia inhibiiei sunt blocate semnalele, care nu prezint importan n momentul respectiv.

3.3. INACTIVAREA MEDIATORULUI CHIMIC

Inactivarea mediatorului este procesul prin care se realizeaz scoaterea din circulaie a mediatorului eliberat, n vederea relurii ciclului la stimulul urmtor. Viteza deosebit de mare cu care se realizeaz acest proces presupune existena unor mecanisme multiple. Acestea sunt:

Inactivarea postsinaptic. Este realizat cu ajutorul enzimelor hidrolizante din membrana postsinaptic. Aceste enzime, plasate de regul n imediata apropiere a receptorilor, desfac complexul mediator-receptor pe msur ce acesta se formeaz.

Captarea postsinaptic: o parte din mediatorul care nu a fost fixat pe receptori este captat de structura postsinaptic i trecut n citoplasm acesteia, unde se inactiveaz.

Difuzia extrasinaptic: o parte din mediatorul eliberat difuzeaz n mediul extracelular, unde este inactivat de enzime hidrolizante cu sediul extracelular sau captat de celule extrasinaptice (nevroglii, celule musculare, etc.).

Recaptarea: elementul nervos presinaptic capteaz o parte din mediatorul eliberat n vederea reutilizrii sau inactivrii. Recaptarea se observ bine n cazul sistemului nervos simpatic pentru recaptarea acetilcolinei (Fig. 12). Gradul n care fiecare procedeu este utilizat difer de la un mediator la altul.

Fig. 12. Metabolismul acetilcolinei la nivelul terminaiilor colinergice. Sinteza acetilcolinei din colin i acetil CoA are loc n prezena colin-acetiltransferazei. Acetil CoA provine din piruvat, generat prin glicoliz, iar colina este transportat la nivelul terminaiilor sinaptice prin intermediul unui transportor comun cu Na+. Acetilcolina este depozitat n vezicule prin intermediul unui transportor vezicular. Dup eliberare, acetilcolina este rapid metabolizat de acetilcolinesteraz, iar colina este recaptat n terminaia presinaptic (dup Purves, 2004)

3.4. NATURA MEDIATORILOR CHIMICI

Au fost propuse circa 100 de substane diferite avnd rol de mediator chimic. n general ele pot fi incluse n urmtoarele clase sau tipuri (tabel 2):

Tabel 2. Neurotransmitori (dup Webster, 2001)

Grupuri Exemple

1. AcetilcolinaAcetilcolina

2. MonoamineDopamina, Noradrenalina, Adrenalina, Serotonina, Histamina

3. AminoaciziGlutamat, acidul gamma-aminobutiric (GABA), Glicina

4. PeptideEncefaline, Endorfine, Colecistokinina, Substana P

5. PurineAdenozin trifosfat (ATP), Adenozina

Pe lng grupurile amintite anterior, mai exist i alte substane care pot fi considerate drept neurotransmitori, pe baza activitii lor la nivelul sistemului nervos central, i anume: Steroizii (Pregnenalona, Dehidroepiandrosteronul), Oxidul Nitric i Eicosanoidele (Prostaglandinele).

Acetilcolina. Este secretat de neuroni din diverse zone ale sistemului nervos, n special neuronii piramidali din neocortexul motor, muli neuroni din ganglionii bazali, motoneuronii ce inerveaz fibrele musculare striate, neuronii preganglionari de la ambele sisteme vegetative, neuronii postganglionari parasimpatici, etc. Cile nervoase colinergice sunt evideniate n figura 13. Majoritatea corpilor neuronali sunt prezeni n nucleii mezencefalici: nucleul bazal al lui Meynert, nucleul bandei diagonale al lui Broca i nucleul preoptic magnocelular. Axonii neuronilor din aceste zone inerveaz n special neocortexul i hipocampul. Hipocampul primete majoritatea proieciilor colinergice, avnd rol n special n memoria de scurt durat.

Fig. 13. Cile colinergice din creierul de obolan (seciune parasagital). A- amigdala, AON- nucleul olfactiv anterior, Ar- nucleul arcuat, BN- nucleul bazal al lui Meynert, C- cortex cerebral, CP- putamen caudat, DB- nucleul bandei diagonale al lui Broca, FR-fascicul retroflex, H- hipocamp, IP-nucleul interpeduncular, LDT- nucleul tegmental lateral dorsal, MH- habenula medial, OB- bulb olfactiv, OT- tubercul olfactiv, RF- formaia reticulat, SM- stria medular, TH- talamus, TR-formaia reticulat tegmental

n majoritatea cazurilor acetilcolina determin efecte excitatorii, dar la nivelul efectorilor periferici poate avea i efecte inhibitorii (miocard). n general, efectul excitator sau inhibitor al mediatorului depinde nu numai de natura mediatorului, ci i de tipul receptorilor de pe membrana postsinaptic.

Acetilcolina poate aciona asupra a dou tipuri de receptori: 1) receptori nicotinici (efectul poate fi imitat de concentraii sczute de nicotin), care determin efecte rapide, cu depolarizri excitatorii, ca n cazul sinapselor neuromusculare sau a ganglionilor simpatici i 2) receptori muscarinici (efectul poate fi imitat de muscarin), care pot cauza efecte lente, excitatorii sau inhibitorii, ca n cazul inimii de la vertebrate.

Monoamine. Au ca principal mod de aciune cel metabotrop. Ele interacioneaz cu receptori, prin care declaneaz modificri chimice n membrana postsinaptic, care pot produce efecte de scurt durat (modificri ale permeabilitii membranei la ioni), sau modificri trofice i plastice de lung durat.

Catecolaminele: acioneaz asupra receptorilor presinaptici, numii autoreceptori presinaptici i asupra receptorilor postsinaptici tipici. Autoreceptorii sunt localizai la nivelul membranei presinaptice i reacioneaz tot la mediatorul eliberat n fanta sinaptic. Activarea acestui tip de receptor intervine n autoreglarea sintezei i/sau secreiei mediatorului, inhibnd, de regul, eliberarea lui exagerat.

Noradrenalina (NA). Este secretat de neuroni avnd corpii celulari localizai n hipotalamus i trunchiul cerebral. Neuronii adrenergici din nucleul pontin (locus coerulens A6) (Fig. 14) proiecteaz n diverse zone corticale, avnd rol n controlul activitii globale a scoarei cerebrale i a afectivitii. n majoritatea cazurilor determin excitarea, dar n unele zone determin efecte inhibitorii. NA se secret i de ctre majoritatea fibrelor postganglionare simpatice, avnd efecte excitatorii sau inhibitorii. Receptorii NA sunt receptorii alfa i beta, fiecare tip de receptori fiind subdivizat n alfa1A, alfa1B, alfa 1D i alfa2A, alfa2B, alfa 2C i, respectiv, beta1, beta2 i beta3 (Alexander i colab., 2001). Receptorii afla nu sunt cuplai cu adenilatciclaza, n timp ce receptorii beta sunt cuplai, determinnd efecte cu laten mai mare.

Dopamina (DA). Este secretat de neuronii din substana neagr (A8, A9) (Fig. 15), care proiecteaz n ganglionii bazali. Se afl i la nivelul eminenei mediane, altor zone hipotalamice, sistemului limbic, unor zone neocorticale, etc. De regul, neuronii dopaminergici au efecte inhibitorii. Se pare c sunt cel puin 5 tipuri de receptori dopaminergici (D1-D5) (Alexander et al., 2001). Cei mai studiai sunt receptorii D1. Receptorii D1 sunt cuplai cu adenilatciclaza.

Serotonina (5-HT). Este secretat de neuronii nucleului rafeului median din trunchiul cerebral, care proiecteaz n coarnele posterioare medulare, hipotalamus i scoara cerebral. Este secretat i de ctre hipotalamus, cerebel, sistemul limbic, retin, tubul digestiv. Serotonina acioneaz ca mediator inhibitor pe cile sensibiliti dureroase. De asemenea, intervine n controlul strii de somn i veghe, a activitii adenohipofizei, termoreglrii, apetitului, nvare i memorie (Hricu i colab., 2007) etc.

Fig. 14. Cile noradrenergice. O cale important i are origine n locus coeruleus (A6) i proiecteaz n alte zone nervoase. Ali nuclei noradrenergici (A1, A2, A5 i A7) sunt situai pe partea ventral a trunchiului cerebral

Exist 7 tipuri de receptori pentru 5-HT (Barnes i Sharp, 1999). Autoreceptorii serotoninergici din butonii terminali diminueaz frecvena descrcrilor spontane. Receptorii postsinaptici, de regul, inhib descrcarea neuronului, dar au fost identificai la nivelul SNC i unii receptori excitatori.

Aminoacizi. n cele mai multe cazuri aciunea lor este ionotrop. Dei circa 15 aminoacizi au fost propui ca neurotransmitori, numai 4 dintre ei ar ndeplini aceste caliti.

Acidul gamma-aminobutiric (GABA) este secretat de unii neuroni din mduva spinrii, ganglionii bazali i multe zone corticale. Se pare c el acioneaz numai ca mediator inhibitor.

Glicocolul este secretat la nivelul neuronilor medulari, determinnd efecte inhibitorii.

Glutamatul este secretat de terminaiile presinaptice ale multor ci senzitive i de ctre unele zone corticale. Este un mediator excitator.

Fig. 15. Cile dopaminergice. Cea mai important cale (banda nigrostriatal) provine din substana neagr (A8, A9) i va inerva corpul striat

Peptide. Substana P este secretat la nivelul mduvei spinrii de ctre terminaiile protoneuronului, care transmite semnale algice. Neuronii ce secret substana P se gsesc i n hipotalamus, ganglioni bazali, retin, avnd totdeauna rol excitator.

Encefalinele sunt substane cu aciune asemntoare morfinei. Sunt secretate de substana gelatinoas a mduvei spinrii, trunchiul cerebral, talamus i hipotalamus. Acioneaz ca mediator excitator, activnd sistemele ce inhib transmiterea sensibilitii dureroase.

Purine. Activitatea lor a fost observat prima dat la nivel periferic. Prin aplicarea ATP-ului se produce vasodilataie. S-a constatat c plexurile nervoase ale tractusului gastrointestinal nu conin fibre colinergice i noradrenergice. Mediatorul chimic al acestor fibre se pare c este ATP-ul. Este posibil ca ATP-ul eliberat de fibrele purinergice s fie degradat la adenozin la nivelul fantei sinaptice.

n anii 1970, au fost identificai receptori purinergici la nivelul membranei presinaptice a jonciunii neuromusculare. Se cunosc dou clase de receptori purinergici: receptorii P1 sensibili la adenozin i AMP; receptorii P2 sensibili la ATP i ADP. Aciunea purinelor este n principal neuromodulatoare.

Oxidul nitric. Activitatea neuroactiv a oxidului nitric a fost evideniat pentru prima dat n 1988. El apare n zonele nervoase care controleaz comportamentele de lung durat i memoria (cerebel, bulb olfactiv, hipocamp, coliculii superiori i inferiori, i izolat n cortexul cerebral). Spre deosebire de ali neurotransmitori, oxidul nitric nu este preformat sau depozitat n vezicule sinaptice, ci se formeaz aproape instantaneu la momentul oportun. Odat format, oxidul nitric difuzeaz n cteva secunde din terminaia presinaptic, acionnd asupra neuronului postsinaptic sau asupra neuronilor adiaceni. De regul, oxidul nitric nu afecteaz semnificativ potenialul de membran, ci provoac modificri metabolice intracelulare care afecteaz excitabilitatea neuronal pentru un timp de secunde, minute sau mai mult.

3.5. SINAPSELE ELECTRICE

La acest tip de sinapse membranele pre- i postsinaptice nu sunt separate printr-o fant sinaptic, ci sunt legate strns n maniera unor conductori electrici. De asemenea, nu exist ntrziere sinaptic, din care cauz ele sunt foarte adecvate pentru sincronizarea activitii electrice a unui mare grup de celule nervoase, sau celule efectoare ca, de exemplu, descrcarea simultan a miilor de electroplci din organele electrice ale unor peti.

Ca i sinapsele chimice, cele electrice pot fi excitatorii (depolarizante) sau inhibitorii (hiperpolarizante). Ele au fost puse n eviden la diferite grupe de nevertebrate i vertebrate inferioare (peti). Totui i la mamifere au fost descrise conexiuni dintre neuroni de la diverse nivele ale creierului, sau la nivelul musculaturii netede, a miocardului i a celulelor receptoare, care seamn cu sinapsele electrice.

3.6. UNELE CARACTERISTICI ALE TRANSMITERII SINAPTICE

Conducerea unidirecional prin sinapse. Din cele expuse anterior rezult c impulsurile sunt conduse prin sinapsele chimice numai de la terminaia presinaptic spre terminaia postsinaptic, i nu invers.

ntrzierea sinaptic. n timpul transmiterii impulsului de la terminaia presinaptic spre neuronul postsinaptic, se consum un timp necesar: descrcrii mediatorului; difuziei acestuia la membrana postsinaptic; aciunii lui asupra membranei; ptrunderii Na+; apariiei PPSE i apoi a potenialului de aciune. Timpul minim necesar desfurrii acestor procese determin ceea ce se numete ntrzierea sinaptic, variaz ntre 0,5-0,7 ms. Cunoscnd aceast valoare putem calcula numrul de neuroni dintr-un circuit nervos.

Oboseala sinaptic. Atunci cnd sinapsele excitatorii sunt excitate repetat, cu o frecven mare, numrul descrcrilor din neuronul postsinaptic este iniial foarte mare, dup care diminueaz. Aceasta se datoreaz oboselii sinaptice. Acest fenomen reprezint o caracteristic important a funciei sinapsei, deoarece atunci cnd o arie din SNC devine extrem de excitat, oboseala cauzeaz dup un interval pierderea excesului de excitabilitate. Prin oboseala sinaptic s-ar putea explica durata scurt a crizei de epilepsie. n acest caz, oboseala reprezint un mecanism de protecie.

Cauza principal a oboselii sinaptice rezid n epuizarea rezervelor de mediatori din butonul terminal, deoarece o terminaie presinaptic poate media cel mult 10 000 de transmiteri sinaptice, cantitatea de mediator consumat cu aceast ocazie, putnd fi epuizat n cteva secunde pn la cteva minute. Oboseala ar putea fi cauzat i de urmtorii 2 factori: 1) inactivarea treptat a unor receptori postsinaptici i 2) din cauza potenialelor de aciune repetate, ionii de Ca2+ din celule se fixeaz prea lent. Rmnnd n citosol, ionii de Ca2+ deschid aa-numitele canale de K+-calciu-dependente, care determin un efect inhibitor asupra neuronului postsinaptic.

Facilitarea posttetanic. Dac excitm repetat o sinaps excitatorie o perioad scurt de timp, pentru a evita instalarea oboselii, se constat c neuronul devine mai reactiv la impulsurile sosite ulterior. Fenomenul poart denumirea de facilitare (potenare) posttetanic; aceasta s-ar putea datora acumulrii ionilor de Ca2+ n membrana presinaptic, ce va mri cantitatea de mediator eliberat n spaiul sinaptic.

Deoarece la unii neuroni acest fenomen poate dura de la cteva fraciuni de secund pn la cteva minute, s-ar putea ca acest proces s reprezinte unul din mecanismele, prin care neuronii stocheaz informaia. Deci, facilitarea posttetanic ar putea constitui un mecanism al memoriei de scurt durat.

Efectul acidozei i alcalozei asupra transmiterii sinaptice. Neuronii sunt foarte sensibili la modificarea pH-ului. Alcaloza crete mult excitabilitatea neuronilor. Creterea pH-ului de la 7,4 la 7,8 produce adesea convulsii cerebrale datorit hiperexcitabilitii neuronilor. Efectul alcalozei poate fi uor demonstrat prin hiperventilare pulmonar, la persoane predispuse la epilepsie. Eliminarea excesiv a CO2 (acid) pe induce un acces de epilepsie.

Acidoza diminueaz mult activitatea neuronilor. Scderea pH- ului de la 7,4 la 7,0 determin, de regul, instalarea comei. n cazuri de diabet sever apare totdeauna coma.

Efectul hipoxiei asupra transmiterii sinaptice. Excitabilitatea neuronilor este dependent de un aport corespunztor cu O2. Lipsa O2 de cteva secunde provoac inexcitabilitate complet a neuronului. Dac circulaia cerebral este ntrerupt temporar (3-5s), subiectul devine incontient.

3.7. SINAPSA NEUROMUSCULAR

La muchii striai transmiterea informaiei de la nivelul SNC se face prin intermediul unor formaiuni numite plci motoare, care reprezint sinapse neuromusculare. Axonul celulei nervoase pierde teaca de mielin, se ramific la captul terminal, formnd placa motorie care se invagineaz n fibra muscular, dar se afl aezat n afara sarcolemei (Fig. 16).

ntreaga formaiune este acoperit cu una sau mai multe celule Schwann, care izoleaz placa motorie de mediul nconjurtor.

Urmrind la microscopul electronic structura unei invaginaii sinaptice, a unei ramificaii axonice, se constat prezena unui spaiu sinaptic ntre nerv i sarcolem de 20-30 nm. Acest spaiu este ocupat de lama bazal, care reprezint un strat subire de esut reticulat spongios prin care difuzeaz lichidul extracelular. Membrana muchiului (sarcolema) formeaz un mare numr de cute, care mresc suprafaa de contact ntre muchi i mediatorul sinaptic. La nivelul terminaiei nervoase exist un mare numr de mitocondrii, avnd acelai rol ca i Ia sinapsele interneuronale. Mediatorul chimic, depozitat n vezicule sinaptice, este acetilcolina. Ataat de lama bazal este acetilcolinesteraza enzim ce hidrolizeaz acetilcolina.

3.7.1. Secreia i aciunea acetilcolinei

Cnd un impuls nervos atinge jonciunea neuromuscular, are loc activarea canalelor de Ca2+ voltaj-dependente, care permit influxul ionilor de Ca2+. Ca i n cazul sinapselor neuro-neuronale, ionii de Ca2+ determin atracia veziculelor sinaptice din apropierea membranei presinaptice, fuziunea membranelor veziculelor cu membrana presinaptic, urmat de exocitoz i evacuarea acetilcolinei n spaiul sinaptic. La fiecare impuls nervos se elibereaz acetilcolina din circa 60 vezicule sinaptice, care conin fiecare circa 10000 molecule de mediator. Dup exocitoz membrana veziculelor sinaptice va fi nglobat n butonul terminal, prin endocitoz, n vederea rencrcrii sale cu noi molecule de acetilcolin. Acetilcolina din spaiul sinaptic, n timp de circa 1 ms, exercit receptorii nicotinici de pe sarcolem, dup care are loc inactivarea ei prin difuzie n spaiul extrasinaptic, i prin colinesteraz, prin care se evit reexcitarea fibrei musculare dup trecerea potenialului de aciune.3.7.2. Potenialul local de plac terminal

n acest interval de 1 ms, ct are la dispoziie acetilcolina, ea difuzeaz prin spaiul sinaptic i se combin cu receptorii nicotinici ai acetilcolinei de pe sarcolem. Receptorul prezint, n acelai timp, i un canal proteic cu poart chimic (canal de aceticolin). Deschiderea canalului ionic se produce n urma combinrii fiecrui receptor cu 2 molecule de acetilcolin. Ca urmare, se declaneaz n special un influx puternic de Na+, care determin creterea potenialului de civa mV crend un potenial local denumit potenial de plac terminal. El este analog cu PPSE i persist circa 5 ms. Cnd atinge valoarea de prag, genereaz n muchi potenialul de aciune.

Obinuit, fiecare impuls care ajunge la nivelul plcii motorii creez un potenial de plac de 3-4 ori mai mare dect cel necesar apariiei potenialului de aciune.

Fig. 16. Placa motorie (dup Martini, 2001)

Fig. 17. Poteniale de plac motorie: A- potenial de plac nregistrat pe un muchi curarizat, care nu genereaz potenial de aciune ca n B; C- potenial de plac subliminal

Excitarea nervului timp de cteva minute cu o frecven mai mare de 100 Hz diminueaz rezervele de acetilcolin, nct la un moment dat impulsul s-ar putea s nu genereze poteniale de aciune n muchi. Apare oboseala la nivelul sinapsei. n condiiile obinuite de activitate, oboseala nu apare la acest nivel niciodat.

Curara blocheaz trecerea impulsului de la nivelul plcii motorii n muchi. Aciunea ei se pare c se exercit la nivelul receptorilor: curara se combin cu receptorii acetilcolinei, nct acetilcolina ce va aciona asupra restului de receptori rmai liberi nu va mri n msur suficient permeabilitatea canalelor de acetilcolin care s poat iniia o und de depolarizare (Fig. 17).

3.7.3. Excitarea fibrelor musculare netede

De regul, la musculatura neted nu se gsesc jonciuni neuromusculare de tipul plcilor motorii de la musculatura striat. n general, la musculatura neted fibra nervoas se ramific difuz pe grupuri de fibre musculare. Majoritatea terminaiilor axonice postganglionare prezint multe varicoziti, dispuse de-a lungul axei lor. La aceste nivele celulele Schwann sunt ntrerupte, nct mediatorul poate fi secretat prin pereii denudai ai varicozitilor. Varicozitile conin vezicule cu mediator chimic (Fig. 18).

Fig. 18. Inervarea muchilor netezi

n unele cazuri, n special la muchiul neted multiunitar, varicozitile sunt aezate direct, pe membrana fibrei musculare, nchiznd sub ea un spaiu de 20 nm, egal cu spaiul sinaptic de la plcile motorii. Aceste jonciuni de contact funcioneaz n mare msur ca i plci motorii de la musculatura striat. n acest ultim caz, perioada latent a contraciilor musculare este mai mic comparativ cu fibrele care sunt stimulate prin jonciuni difuze. De asemenea, cnd o structur este format din mai multe straturi musculare netede, fibrele nervoase, de regul, inerveaz numai stratul superficial, straturile profunde urmnd a fi excitate prin conducerea potenialelor de aciune, sau prin difuzia ulterioar a mediatorului n aceste structuri.

Mediatorii de la nivelul jonciunii neuromusculare netede. Se cunosc 2 substane eliberate la nivelul terminaiilor nervoase vegetative: acetilcolina i noradrenalina (NA). Acetilcolina este o substan excitatoare la nivelul unor fibre musculare i inhibitoare n altele. NA are o aciune invers acetilcolinei. Efectul exercitat la nivelul efectorului depinde de natura substanei receptoare din fibra muscular.

Potenialul de jonciune. Transmiterea potenialului de aciune fibrei musculare netede are loc n aceeai manier ca i la jonciunile neuromusculare din fibra striat, cu deosebirea c viteza reaciilor are loc mult mai lent Astfel, cnd un potenial de aciune atinge fibra neted, exist o perioad de laten de circa 50 ms. Dup aceasta potenialul n muchi crete treptat, atingnd un maxim n circa 100 ms. Dac nu apare potenialul de aciune, acest potenial va dispare treptat, avnd o perioad de njumtire la fiecare 200-500 ms. Aceast secven de modificri ale potenialului este denumit potenial de jonciune. El este analog PPSE sau cu potenialul de plac, cu excepia unei durate de 20-100 ori mai mari. Fenomenul de inhibiie se instaleaz, de asemenea, prin hiperpolarizarea membranei musculaturii netede.

ntrebri de controlCe este sinapsa? Care sunt componentele sinapsei chimice neuro-neuronale i ce rol au? Ce este un neurotransmitor? Explicai modul de funcionare a sinapsei neuro-musculare.CAPITOLUL 4FIZIOLOGIA MUCHILOR

Sistemul biologic capabil s transforme energia chimic n energie mecanic, genernd n felul acesta micare i tensiune mecanic, este intitulat sistem contractil. Toate formele de via se caracterizeaz prin prezena unor asemenea sisteme contractile. Datorit lor devin posibile micrile citoplasmei i ale organitelor celulare, diviziunea celulei, micrile cililor i ale flagelilor, deplasarea animalelor unicelulare, a spermatozoizilor i a unor virusuri i, evident, desfurarea funciilor celulelor musculare netede i striate, care prin proprietatea lor de baz - contractilitatea - transform energia chimic n energie cinetic.

Datorit micrilor active, animalele dobndesc o mare independen fa de modificrile mediului de via. n cazul fiinelor umane, actele motorii reprezint expresia aspectului voliional al actelor de comportament, iar jocul muchilor mimicii, vocea, scrisul exteriorizeaz aspecte personalitii umane. Aproape c nu exist un act fiziologic fr o component motorie. Sub un anume aspect, sistemul nervos poate fi privit ca un sistem ce rspunde, sub aciunea stimulilor, prin producerea contraciei musculare. n acest sens, sistemul nervos i muscular formeaz o unitate funcional.

4.1. FIZIOLOGIA MUCHILOR STRIAI SCHELETICI

4.1.1. Structura fin a muchilor striai

Un muchi striat este format dintr-o fascie de nveli rezistent, n interiorul creia se gsesc fibrele musculare dispuse n fascicule (Fig. 19). Fibrele musculare striate sunt celule nvelite de o membran - sarcolema, care nglobeaz un mnunchi de miofibrile separate ntre ele de un sistem de tuburi i cisterne membranoase aparinnd reticulului sarcoplasmic.

Miofibrilele. Constituie componenta contractil a muchiului. Ele sunt formate dintr-o succesiune de sarcomere, delimitate prin membrane (discuri) Z, situate la mijlocul unei zone clare i izotrope (banda I). n centrul sarcomerului se gsete discul (banda) A, ntunecat, anizotrop. n mijlocul acestuia se afl banda clar - discul H.

n sarcomere se afl 2 tipuri de miofilamente: filamente de miozin, groase, i filamente de actin, subiri. Fiecare miofilament de miozin este nconjurat de 6 miofilamente de actin.

Fig. 19. Organizarea muchiului scheletic la vertebrate (dup Vander, 2001)

n repaus, discul I conine exclusiv fibre de actin, pe cnd n zona A cele 2 tipuri de filamente sunt intricate. Filamentele de actin traverseaz discul Z i trec n sarcomerul vecin. Miofilamentele de miozin prezint puni transversale. Interaciunea acestor puni cu actina determin contracia muscular. Discul Z, compus din cteva proteine filamentoase, strbate zona I a tuturor miofibrilelor i prin capete se inser pe faa intern a sarcolemei.

Reticulul sarcoplasmic. Este reprezentat de un sistem de tuburi longitudinale, ce merg paralel cu miofilamentele i de cisterne n dreptul striei Z. Sistemul T. Al doilea sistem tubular, T sau transvers, reprezint invaginaii ale sarcolemei care, Ia broasc, se formeaz cu regularitate n zona membranei Z, iar la mamifere exist n fiecare sarcomer cte dou tuburi T, ceea ce va contribui la mrirea vitezei de transmitere a informaiei. Aria de contact dintre sistemul tubular longitudinal i cel transversal poart denumirea de triad, compus n partea central dintr-un tub din cadrul sistemului transvers, nconjurat pe laturi de 2 cisterne.

Din punct de vedere funcional, reticulul sarcoplasmic are rol de sechestrare a ionilor de Ca2+, eliberai n timpul excitrii, iar sistemul T, n transmiterea excitaiei de la sarcolem la aparatul contractil prin eliberarea Ca2+ din reticulul sarcoplasmic.

Structura molecular a filamentelor de miozin. Molecula de miozin este format din 6 lanuri polipeptidice: 2 lanuri grele i 4 lanuri uoare (Fig. 20). Cele dou lanuri grele se mpletesc, formnd o structur dublu helicoidal numit coada, respectiv corpul. Lanul greu la o extremitate se rsucete, formnd o mas proteic globular numit capul miozinei (segmentul S1), n alctuirea cruia intr i cele 4 lanuri uoare (Fig. 20c). Cele 4 lanuri uoare contribuie la controlul funciei capului n timpul contraciei musculare.

Fiecare filament de miozin este format din circa 200 molecule de miozin (Fig. 20c). Cozile se aliniaz formnd corpul filamentului, iar capetele proemin n afar. O parte din structura helicoidal a fiecrei molecule de miozin formeaz expansiunile laterale numite brae (segmentul S2). Braele mpreun cu capetele (segmentul S1) formeaz punile transversale. Ele prezint cte 2 articulaii: prima articulaie se afl n zona unde braul prsete corpul, iar cea de a doua, n locul unde cele 2 capete vin n contact cu braul (Fig. 20d). Braele articulate permit capetelor de a se deprta sau apropia de corpul filamentului. Capetele articulate se leag de actin, determinnd procesul contraciei.

Zonele de emergen ale punilor transversale descriu o spiral pe suprafaa filamentului de miozin.

Fig. 20. Structura filamentelor de actin i miozin. b) organizarea filamentelor de F actin i poziia complexului troponin-tropomiozin; c) organizarea filamentelor de miozin; d) structura moleculei de miozin cu indicarea segmentelor S1 i S2 (dup Martini)

Structura molecular a filamentelor de actin. Filamentul de actin este compus din 3 componente diferite: actina, tropomiozina i troponina (Fig. 20b).

Filamentul de actin (F-actin) rezult din polimerizarea monomerilor de actin globular (G-actin). Are o structur de alfa dublu helix. De fiecare molecul de G-actin se ataeaz cte o molecul de ADP, care reprezint zona activ a filamentului de actin, cu care vor interaciona punile laterale ale miozinei. Printre filamentele de F-actin se afl nebulina, care asigur coeziunea filamentelor de actin.

Tropomiozina. Filamentul de actin conine 2 filamente proteice de tropomiozin, slab ataate de filamentul de F-actin. n perioada repausului muscular tropomiozina acoper zonele active ale actinei, mpiedicnd interaciunea actinei cu miozina.

Troponina este un complex din 3 proteine globulare ataate de tropomiozin. Cele 3 proteine globulare sunt: troponina I, care prezint o puternic afinitate pentru actin; troponina T, care prezint afinitate pentru tropomiozin i troponina C cu afinitate pentru ionii de Ca2+. Atunci cnd ionii de Ca2+ se combin cu troponina C, care fixeaz ca i calmodulina cte 4 ioni de Ca2+, complexul troponinei sufer o modificare conformaional, care acioneaz tropomiozina, descoperind zonele active ale actinei. Prin descoperirea zonelor active ele intr n interaciune cu capul miozinei, iniiind contracia muscular.

4.1.2. Iniierea contraciei musculare: cuplarea electro-mecanic

n muchii striai contracia ncepe prin apariia potenialului de aciune, care produce cureni electrici ce se deplaseaz n interiorul fibrei musculare, determinnd eliberarea ionilor de Ca2+ din reticului sarcoplasmic. Ionii de Ca2+ induc fenomene chimice, care declaneaz procesul contractil. Aceast secven a proceselor descrise formeaz cuplarea electro-mecanic.

Potenialul de aciune din fibra muscular striat. Valoarea potenialului de repaus al membranei este de -80-90mV. De asemenea, potenialul de vrf are, n esen, acelai voltaj ca la fibrele nervoase mari, ns durata lui este de 1-5 ms, deci de 5 ori mai mare dect n fibrele mielinice mari. De regul, fibrele musculare prezint o singur plac motorie situat la mijlocul fibrei, de unde depolarizarea se propag simetric de la locul de excitare a membranei spre extremitile fibrei cu o vitez de 3-5 m/s.

Fibra muscular poate fi excitat mult mai uor, atunci cnd stimulul se aplic la nivelul jonciunii neuromusculare. Acest fapt este folosit n practica medical pentru determinarea prezenei sau absenei inervaiei musculare. Electrodul de excitare se deplaseaz pe piele deasupra muchiului explorat i dac se descoper un punct n care muchiul este excitat mai puternic dect n alte puncte, aceasta constituie un indiciu al prezenei unei jonciuni neuromusculare viabile. Aceste puncte cu excitabilitate mrit sunt denumite puncte motorii.

Conducerea potenialului de aciune n interiorul fibrei. Fibrele musculare striate sunt att de mari, nct potenialul de aciune, care se propag de-a lungul membranei, aproape c nu determin curgerea curentului prin interiorul fibrei musculare. Totui, pentru a determina contracia, acest curent electric trebuie s ajung n apropierea tuturor miofibrilelor. Aceast necesitate se realizeaz prin conducerea potenialului de aciune de-a lungul tubului transvers (sistemul T), care ptrunde n interiorul fibrei musculare. Sistemul T reprezint o invaginaie a sarcolemei i conine n lumenul su, ca i membrana extern, lichid extracelular. La animalele inferioare exist cte un singur tub T, localizat n dreptul discului Z. Aceeai situaie se regsete i n miocard, n schimb, muchii scheletici ai mamiferelor conin n fiecare sarcomer cte 2 tuburi T localizate n dreptul capetelor miofilamentelor de miozin, care reprezint locurile unde apare fora mecanic a contraciei. n felul acesta, muchii scheletici ai mamiferelor prezint o organizare optim n vederea excitrii rapide a muchiului.

Eliberarea ionilor de Ca2+ de ctre reticulul sarcoplasmatic. O caracteristic special a reticulului sarcoplasmatic (RS) const n aceea c el conine ioni de Ca2+ n concentraie mare, care sunt eliberai n mare parte atunci cnd tubul T este excitat.

n figura 21 se observ cum potenialul de aciune determin o scurgere a curentului din tubul T n cisterna adiacent. Cisterna proiecteaz digitaii joncionale care nconjur tubul T, facilitnd trecerea curentului din tubul T n cistern. Conform teoriei electrice, scurgerea curentului determin deschiderea canalelor de Ca2+-voltaj dependente din cisterne i din tubul longitudinal. Conform altor teorii (teoria chimic), scurgerea curentului prin tubul T, ar determina ori deschiderea canalului de Ca2+ din sistemul T, care va permite influxul de Ca2+ din mediul extracelular (nu intracelular), sau curentul genereaz n membrana sistemului T inozitoltrifosfatul (IP3). La rndul lor, Ca2+ sau IP3, n calitate de mesageri intracelulari, ar determina deschiderea canalelor de Ca2+ de pe RS. Ionii de Ca eliberai din reticul difuzeaz spre miofibrilele adiacente, combinndu-se cu troponina C, ceea ce se va solda cu contracia muscular, care a fost prezentat.

Fig. 21. Cuplarea excitaiei cu contracia. Potenialul de aciune determin eliberarea ionilor de Ca2+ din reticulul sarcoplasmic, urmat de sechestrarea lor prin intervenia pompelor de Ca2+, care funcioneaz cu consum de ATP (dup Vander, 2001)

Acest puls de Ca2+ dureaz, de regul, 1/30 s. n miocard el dureaz mai mult (circa 0,3 s). Ct timp concentraia Ca2+ din citosol rmne ridicat (circa 2x10-14 moli), contracia continu. Totui pompele de calciu de pe membranele RS, care se activeaz de concentraiile crescute de calciu din citosol, vor reintroduce Ca2+ n RS. n micarea Ca2+ de la nivelul miofibrilelor, n RS exist o protein numit paralbumin, care ndeplinete rolul unui fixator intermediar de Ca2+. Pompele de Ca2+ concentreaz acest ion de circa 10 000 ori. n afar de aceasta, n RS se afl o protein numit calsechestrin, care poate fixa de 40 ori mai mult Ca2+ dect cel existent n forma ionic. Prin intervenia acestor mecanisme (pompa de calciu i calsechestrina), concentraia Ca din citosol este meninut la un nivel foarte sczut (circa 10-7 moli).

Pentru a se putea repeta contracia este necesar apariia unui nou potenial de aciune, care va declana reaciile descrise mai sus.

4.1.3. Sursa energetic a contraciilor musculare

Din mecanismul contraciei musculare a rezultat c acest proces depinde de energia furnizat de ATP. Majoritatea energiei, care rezult din hidroliza ATP-ului, este folosit pentru glisarea filamentelor de actin printre cele de miozin. O mic parte din energia rezultat, va fi folosit pentru: 1) aprovizionarea cu energie a pompelor de Ca2+ n vederea sechestrrii acestor ioni de ctre RS sau eliminarea lor n mediul extracelular i 2) aprovizionarea cu energie a pompelor de Na+-K+, n vederea rencrcrii adecvate a membranei cu ioni.

Cantitatea de ATP prezent n fibra muscular (circa 4 mV), este suficient pentru meninerea contraciilor timp de cteva secunde (la broasc, cu rezervele de ATP existente, pot aprea circa 100 secuse musculare). Din fericire, dup hidroliza ATP n ADP i Pi, ADP-ul poate fi refosforilat genernd din nou ATP. Exist cteva surse energetice, necesare acestei refosforilri:

Prima surs folosit la refacerea ATP este reprezentat de fosfocreatin (PC), un alt compus macroergic prezent n muchi. Prin scindarea PC se elibereaz energia necesar refacerii ATP conform reaciei: PC + ADP ATP + C (creatin). Totui, i cantitatea de PC prezent n muchi este redus (se afl de circa 5 ori mai mult comparativ cu ATP), din care cauz rezervele totale energetice (ATP + PC) nu pot prelungi contraciile musculare dect pentru cteva secunde (10-20 s).

Alt surs energetic folosit la refacerea att a ATP, ct i a PC, este reprezentat de energia eliberat n urma metabolizrii principiilor alimentare reprezentate prin glucide, lipide i proteine. O cantitate redus de energie se elibereaz n urma scindrii iniiale a glicogenului i glucozei prin procesul glicolizei. Cantitatea cea mai mare (circa 95%) din energia depozitat n substanele de origine alimentar, se elibereaz n faza aerob a metabolismului de la nivelul ciclului Krebs. Din procesele de glicoliz anaerob rezult un ctig de 2 ATP, n timp ce din procesele care au loc la nivelul ciclului Krebs, apare un plus de 36 molecule de ATP. Importana glicolizei const n aceea c energia se elibereaz de 2,5 ori mai repede comparativ cu oxidarea la nivelul ciclului Krebs. Totui, n urma glicolizei se acumuleaz produi de catabolism (acid piruvic, lactic), care fac ca durata contraciei s fie redus (circa 1 minut). Din contr, oxidarea aerob furnizeaz, pe de o parte, o cantitate mult mai mare de energie, iar pe de alt parte, poate folosi, alturi de glucide, i alte substane metabolice, precum lipidele i proteinele, ceea ce permite ca mecanismul contraciei musculare s poat funciona timp de multe ore.

Reaciile chimice din muchiul n contracie se pot schematiza astfel:

1. ATP ADP + Pi + energie necesar contraciei

FC C + Pi + energie necesar resintezei ATP

PC + ADP C + ATP

____________________________________________________________________2. Glucoza 2M acid lactic + energie pentru refacerea PC:

C + Pi PC

____________________________________________________________________3. Acid lactic CO2 + H2O + energie (36 ATP)

n concluzie, energia necesar contraciei musculare este de natur chimic. Sursa energetic imediat constituie scindarea ATP-ului. Energia depozitat n PC nu intervine direct n contracie, ci pentru refacerea ATP-ului, iar refacerea PC, n vederea meninerii ciclului, se realizeaz pe seama energiei rezultat din glicoliz.

Dac se nregistreaz simultan lucrul mecanic efectuat de un muchi (A) i cantitatea de O2 consumat, n vederea calculrii cantitii de energie consumat (Q), se poate afla randamentul energetic (A/Q), care la muchi este n jur ele 20-25%. Acest randament este realizat la temperatura corpului printr-un proces chimiodinamic i nu termodinamic. Cu alte cuvinte, n muchi, energia chimic se transform direct, i nu prin intermediul cldurii, n contracie muscular.

4.2. PARTICULARITILE FUNCONALE ALE MUCHILOR NETEZI

Tipuri de muchi netezi (MN). n linii mari, musculatura neted poate fi divizat n 2 tipuri majore: muchiul neted multiunitar i muchiul neted visceral. MN multiunitar. Acest tip de muchi este format din fibre musculare netede, care lucreaz independent una de alta. Controlul lor este exercitat, de regul, pe cale nervoas, dei, de obicei, ele nu genereaz poteniale de aciune. De asemenea, foarte rar manifest contracii spontane. Ca exemple de MN multiunitar pot servi muchii ciliari, muchii irisului, ai membranei nictitante, muchiul piloerector i musculatura neted a multor vase sangvine mari.

MN visceral. Este format, de regul, din fascicule musculare, nu fibre izolate, iar membranele celulelor vecine formeaz jonciuni laxe (gap), prin care ionii pot trece cu uurin dintr-o celul n alta. n acest mod, fibrele formeaz un sinciiu funcional, care, de regul, se contract simultan pe zone mari. Din aceast cauz MN visceral poate fi denumit MN unitar. Acest tip de muchi se gsete n tunicile intestinului, ale canalelor biliare, ureterelor, uterului etc.

Potenialele de aciune dintr-o zon excitat sunt conduse la fibrele vecine prin conducere electric. Cu alte cuvinte, potenialul de aciune, generat ntr-o zon muscular, excit electric fibrele adiacente, fr a secreta un mediator chimic, curentul electric deplasndu-se prin jonciuni laxe, de la o celul la alta, ca i cum ntre fibrele musculare vecine n-ar exista membrane celulare.

Procesul contractil n MN. MN conin filamente de actin i miozin, avnd caracteristicile chimice apropiate, dar nu chiar identice cu ale fibrelor similare de la muchii striai. Ele conin i tropomiozin dar, probabil, nu conin troponin.

Ca i la muchii striai, procesul contracii este activat de ioni de Ca2+, iar ATP-ul este scindat n ADP cu eliberare de energie necesar contraciei. Totui, exist diferene majore n privina organizrii fibrelor musculare netede, a cuplrii excitaiei cu contracia, controlul procesului contraciei prin Ca2+; durata contraciei, cantitatea de energie necesar contraciei.

4.2.1. Bazele fiziologice ale contraciei musculaturii netede

MN nu prezint o organizare a filamentelor de actin i miozin n sarcomere. Rolul membranelor Z este ndeplinit de aa-numiii corpusculi deni (Fig. 22), de care se ataeaz filamentele de actin. Unii corpusculi sunt atrai de membrana celulei, iar alii sunt rspndii n corpul celulei i meninui n poziie prin legturile realizate de proteinele structurale, care leag corpusculii ntre ei. Printre fibrele de actin exist un numr de fibre de miozin. Numrul lor este de 12-15 ori mai redus comparativ cu cele de actin. Cu toate c numrul filamentelor de miozin este redus, prin cuplarea cu actin se poate dezvolta o tensiune aproximativ egal cu tensiunea dezvoltat de muchii striai (circa 3 Kg/cm2 grosime).

Fig. 22. Dispoziia filamentelor n muchii neteziFig. 23. A-spike potenial; B- o serie de poteniale de aciune cauzate de unde electrice lente (dup Guyton, 2006)

Durata mare a contraciei i relaxrii. Perioada latent este de circa 50-100 ms, iar contracia i relaxarea, circa 1-3 s. Totui, exist MN cu contracii foarte rapide (0,2 s), dup cum exist i MN cu contracii foarte lente (30 s). n timpul contraciei musculare, care se desfoar prin mecanismul mersului de-a lungul, descris la muchii striai, frecvena apariiei forelor de traciune este de 1/10-1/100 comparativ cu muchii striai. Se pare c aceast activitate lent rezult din activitatea ATP-azic redus a miozinei.

Necesarul energetic al contraciilor susinute. Msurtorile au artat c, pentru dezvoltarea unei tensiuni egale cu cea dezvoltat de muchii striai, este necesar doar 1/12-1/25 din energia necesar muchilor striai. Aceasta se datoreaz, probabil, activitii ATP-azice reduse a capului miozinei i numrului mic de miofilamente de miozin. Economia de energie este deosebit de important pentru funcionarea global a organismului, avnd n vedere contraciile tonice aproape continue ale unor organe ca intestinul, vezica urinar, vezica biliar i alte viscere.

Potenialul de membran. Valorile potenialului de membran difer de la un muchi la altul i n funcie de condiiile n care se afl muchiul respectiv. n general, aceste valori sunt cuprinse ntre -40-60 mV.

La MN multiunitar, potenialul de aciune, probabil, nu apare. La MN visceral exist dou forme de poteniale de aciune: 1) sub form de platou i 2) spike potenial. Ele pot aprea ca urmare a excitrii electrice, prin hormoni, mediatori chimici sau ca urmare a generrii spontane. Potenialele sub form de platou (Fig. 23) apar, de regul, n ureter, uter i unele vase sangvine. Ele pot fi responsabile de prelungirea duratei de contracie, care se observ n unele fibre musculare.

Undele lente de potenial. Unele fibre musculare netede sunt autoexcitabile, n sensul c potenialele de aciune apar fr un stimul extrinsec. Apariia lor este legat, de regul, de activitatea ritmic a potenialului de membran, sub forma unor unde lente (Fig. 23). Undele lente ca atare nu reprezint poteniale de aciune. Cauza lor este necunoscut. Dup unii autori, ele ar aprea ca urmare a creterii sau diminurii pomprii ionilor de Na+ din interiorul celulei: potenialul devine pronunat negativ cnd efluxul Na+ este accentuat, i invers. Dup ali autori, aceste unde ar fi determinate de modificarea ritmic a conductanei canalelor ionice.

Importana undelor lente const n aceea c pot genera poteniale de aciune. Undele lente nu produc contracii musculare, ci produc poteniale de aciune, care la rndul lor induc contracia muchilor. Din aceast cauz, undele lente se numesc unde pacemaker (n traducere, care imprim ritmul). De exemplu, activitatea ritmic a contraciilor intestinului este controlat prin aceste unde lente.

Excitarea musculaturii netede prin ntindere. ntinderea MN viscerali determin generarea potenialelor de aciune urmat de contracie. Apariia potenialelor de aciune reprezint o rezultant a undelor lente, combinate cu scderea diferenei de potenial, produs de ntindere. Acest mod de comportare prezint o deosebit importan n funcionarea MN viscerali, permind organelor cavitare, care au fost ntinse de ctre coninutul lor, de a se contracta i a rezista la traciune. De exemplu, distensia intestinului prin coninutul intestinal, genereaz o und peristaltic, care mpinge coninutul din zona tensionat.

Depolarizarea MN multiunitari. MN multiunitari se contract, de regul, prin stimuli nervoi. Terminaia nervoas secret acetilcolin sau noradrenalin, care determin depolarizarea membranei, urmat de contracia muscular. Totui, de regul, nu apar poteniale de aciune. Cauza acestui fenomen const n aceea c fibra muscular neted este prea mic pentru a putea genera poteniale de aciune. Pentru a aprea potenialul de aciune autopropagabil, trebuie s se depolarizeze simultan circa 30-40 fibre musculare. Totui depolarizarea local, care apare n urma secreiei mediatorului, se propag electrotonic de-a lungul ntregii fibre musculare i determin contracia.

Cuplarea excitaiei cu contracia. Rolul ionilor de Ca2+. Ca i la ali muchii striai, la MN activarea procesului contractil este realizat de ioni de Ca2+. Sursa Ca2+ este aproape n totalitate din mediul extracelular, deoarece reticulul sarcoplasmic (RS) este slab dezvoltat. Influxul extracelular de Ca2+, care contribuie n acelai timp la generarea potenialelor de aciune, ajunge n preajma miofilamentelor i activeaz procesul contractil. La unii MN exist un RS slab dezvoltat, dar nu exist sistem transvers de tuburi (tuburi T). n acest caz, cisternele RS vin n contact cu membrana celulei, iar eliberarea ionilor de Ca2+ din RS, ar fi determinat direct de potenialul de aciune al membranei fibrei musculare.

Exist pompe de Ca2+, care pompeaz aceti ioni n mediul extracelular sau n RS. Totui, ele acioneaz mult mai lent comparativ cu pompele din muchii striai. Aceasta constituie cauza prelungirii contraciei musculare.

Mecanismul de aciune a calciului. MN nu prezint complexul troponinei, prezentat la muchii striai. Ca2+ iniiaz contracia prin mrirea activitii ATP-azice a capului miozinei. n lipsa Ca2+ activitatea ATP-azic este foarte redus, nct ATP nu poate fi scindat, iar procesul contractil nu poate avea loc. Activarea ATP-azei prin Ca2+ are loc astfel: 1) influxul de calciu, cauzat de potenialul de aciune sau alt stimul, determin creterea concentraiei Ca2+ din citosol; 2) ionii de Ca2+ se combin cu calmodulina (CaM), un receptor intracelular de calciu foarte asemntor cu troponina C din muchii striai; 3) complexul Ca2+-CaM activeaz kinaza lanului uor al miozinei (MLCK); 4) MLCK activat fosforileaz un lan uor din capul miozinei (LC20), care 5) determin modificarea conformaional a miozinei, permind legarea de actin, urmat de stimularea activitii ATP-azei. Hidroliza ATP genereaz energia necesar dezvoltrii tensiunii i contractilitii. Exist o fosfataz care ndeprteaz specific fosfatul de pe lanul uor al miozinei (LC20), ceea ce schimb sensul reaciei.ntrebri de controlCare sunt principalele categorii de muchi? Care este sursa energetic a contraciilor musculare? Explicai procesul contractil a muchilor striai i netezi.CAPITOLUL 5

SISTEMUL NERVOS SENZORIAL

Semnalele senzoriale din toate zonele corporale sunt transmise SNC, prin care l informeaz despre condiiile care exist n diverse zone corporale sau n mediul nconjurtor. Semnalele nervoase pleac ntotdeauna de la nivelul receptorilor. Exist o multitudine de receptori. Orice analizator este compus din receptor, calea de conducere (segmentul intermediar), care ncepe dup receptor i se continu pn n zona cortical, care reprezint segmentul central al analizatorului.

5.1. PROPRIETILE GENERALE ALE RECEPTORILOR

Un receptor poate fi definit ca o structur specializat care informeaz SNC referitor la evenimentele care au loc n interiorul corpului sau n mediul lui nconjurtor. Funcia principal a receptorilor const n transformarea (traducerea) stimulilor ntr-un limbaj inteligibil pentru SNC (decodarea). Toi receptorii cunoscui transform diferite forme de energie, care reprezint excitani ai receptorilor, n activitate electric.Stimulii care acioneaz asupra receptorilor se difereniaz ntre ei prin calitate, intensitate, desfurare temporar i distribuie spaial. Pentru realizarea unei analize complete toate aceste caliti ale excitanilor, trebuie transpuse ntr-un sistem de codificare. Prin codificare se nelege procesul de convertire a informaiei.

5.1.1. Codificarea calitii stimulilorExcitanii pot fi de diverse tipuri: mecanici, termici, chimici etc. Codificarea calitii stimulilior depinde n primul rnd de structura receptorului. Receptorii, care au aprut n procesul ndelungat al evoluiei, exercit un efect de filtru al excitanilor, n sensul c, n mod normal, ei reacioneaz la o singur categorie de excitani numii excitani specifici. De exemplu, excitantul specific al fotoreceptorilor este reprezentat prin unde electromagnetice, avnd lungimea de und cuprins ntre 400-725 nm.n funcie de natura excitantului specific, receptorii pot fi clasificai n urmtoarele categorii:

1) mecanoreceptori, care reacioneaz la excitani mecanici. n aceasta categorie intr receptorii tactili, acustici,vestibulari, presoreceptorii din unele zone reflexogene, care monitorizeaz presiunea sanguin, presoreceptorii de distensie din organele cavitare etc; 2) chemoreceptori, care reacioneaz la variaiile compoziiei chimice ale mediului. n categoria chemoreceptorilor intr receptorii gustativi, olfactivi, osmoreceptorii, receptorii pentru aminoacizi, liporeceptorii, glucoreceptorii etc; 3) termoreceptorii , care sesizeaz variaiile termice;4) receptorii electromagnetici,care reacioneaz la lumin. Receptorii de durere se consider c nu au un excitant specific, deoarece pot reaciona la orice categorie de excitani, care sunt suficient de puternici.5.1.2. Codificarea intensitii excitanilorLa nivelul receptorului, intensitatea excitantului este codificat sub forma unei amplitudini gradate ale potenialului de receptor. Amplitudinea potenialului de receptor este proporional cu logaritmul intensitii stimulilor. Potenialul de receptor genereaz poteniale de aciune n calea de conducere, a cror frecven este proporional cu amplitudinea potenialului de receptor. Deci, frecvena impulsurilor pe calea de conducere se poate exprima prin formula: F= K log I, n care F reprezint frecvena impulsurilor n fibra nervoas, I, reprezint intensitatea excitantului iar K, o constant de proporionalitate.Rspunsul logaritmic al receptorilor i fibrelor senzitive le-a extins mult scara de perceptivitate. De exemplu, urechea uman poate decela sunete ale cror intensitate difer ntre ele de ordinul 1012 ori. Dac receptorii ar reaciona liniar i nu logaritmic, modificrile intensitii sunetelor care ar putea fi difereniate, n-ar depi cteva sute. Aceasta, pe de o parte, s-ar datora faptului c pentru fiecare intensitate diferit, ar trebui ca numrul impulsurilor s difere ntre ele, iar pe de alt parte, frecvena maxim a impulsurilor transmise printr-o fibr nervoas, este limitat de durata mare a fazei refractare absolute (frecvena maxim a fibrelor mielinizate groase este de 500-1.000 Hz). Rspunznd logaritmic, scara lor de perceptivitate s-a extins foarte mult.Cu toate c la nivelul receptorului i a cii de conducere intensitatea este codificat logaritmic, segmentul central al analizatorului le interpreteaz ntr-un mod antilogaritmic i n felul acesta poate aprecia intensitatea real a stimulului.O alt modalitate folosit de receptori i fibrele nervoase senzitive n vederea analizei intensitii excitantului, const n sumarea lor spaial; cu ct intensitatea stimulului este mare, se vor excita mai muli receptori i vor fi antrenate mai multe fibre nervoase n transmiterea semnalului nervos (prin semnal nervos se nelege totalitatea impulsurilor nervoase de un anume tip ).5.1.3. Codificarea distribuiei spaiale a stimulilorLocalizarea locului unde se afl excitantul, poate fi realizat pe baza somatotopiei, adic a zonei nervoase unde proiecteaz un anume segment corporal. De exemplu, n cazul homuncusului senzitiv, atunci cnd o zon cortical este excitat, senzaia care apare o raportm la zona corpului de unde provin n mod normal semnalele nervoase.

n cazul analizatorului acustic, localizarea sursei sonore se poate face prin diferena de timp a excitrii celor dou urechi, sau prin diferena de intensitate a sunetelor percepute de cele dou urechi.5.1.4. Codificarea desfurrii temporare a stimulilorLa receptorii tonici (lent adaptabili), timpul ct acioneaz excitantul, poate fi apreciat prin prezena continu a semnalelor transmise de receptor. n cazul receptorilor fazici (rapid adaptabili) putem afla nceputul sau sfritul aciunii stimulului.

5.2. FUNCTIA SOMESTEZIC A SISTEMULUI NERVOS

Somestezia (sau sensibilitatea corporal) se refer la mecanismul nervos care recepioneaz informaiile senzitive din corp. Ea cuprinde 3 modaliti diferite de senzaii: 1) sensibilitatea mecanoreceptiv; 2) sensibilitatea termoreceptiv3) sensibilitatea nociceptiv (dureroas).Modalitatea mecanoreceptiv include urmtoarele modaliti de sensibiliti: tactil, de presiune, de vibraie (denumite obinuit sensibilitate tactil) i simul poziiei (sensibilitate proprioceptiv).5.2.1. Sensibilitatea tactilLa om, exist cel puin 6 tipuri diferite de receptori tactili (Fig. 24).Terminaii nervoase libere. Se gsesc n piele i n alte esuturi. Se pare c sunt senzori de prag, semnaliznd prezena stimulului ntr-un anume loc de pe corp. De asemenea, pot participa n transmiterea semnalelor generate de stimuli mecanici slabi, care se deplaseaz pe piele, cum ar fi insectele.Corpusculii Meissner sunt foarte numeroi la vrful degetelor, buzelor i altor zone corporale glabre. Au rol deosebit n stereognozie i n localizarea exact a zonei corporale excitate mecanic. Se adapteaz foarte