Fiziologie Fiziologie celularacelulara

CURS 3CURS 3

Canale ioniceCanale ioniceProteinele membranare au următoarele functii majore legate de medierea semnalizării celulare:

- pori pentru apă, - canale ionice (receptor-dependente, voltaj-

dependente, sau operate în alte moduri), - transportori (translocatori moleculari), - receptori membranari (cuplati cu proteine G

tirozin-kinazici, pentru patogeni, etc.), - molecule de adeziune celulară si antigene de

suprafată,- receptori pentru exo/endocitoză

Canale pentru apaCanale pentru apa- Se mai numesc aquaporine. - Sunt proteine membranare integrale, ce

mai pot transporta si alti solviti fără sarcină electrică

(glicerolul, amoniacul / ureea). - Porii pentru apă sunt complet

impermeabili pentru orice specie moleculară încărcată electric.

- Aspectul general al unui astfel de canal este de „clepsidră”.

- Aquaporinele formează tetrameri, fiecare monomer actionând ca un canal de apă.

Canale ionice Canale ionice membranaremembranare

- Sunt căi transmembranare preferentiale pentru substante hidrofile, de nivel intermediar între pori si transportori în ce priveste rata de transfer si selectivitatea.

- Functia de canal ionic este asigurată de ansambluri oligomerice de proteine transmembranare (intrinseci).

- Transportul prin canale este strict pasiv, conform gradientelor electro-chimice (doar unii transportori, care sunt sisteme complet diferite ca mecanism de functionare fată de canale, pot realiza fenomene de transport activ).

- Fluxul de particule prin canale este foarte rapid, comparativ cu cel asigurat de transportori (nu necesită un ciclu de modificări conformationale pentru transferul unui ion / molecule).

- Canalele ionice pot fi:• selective, specializate pentru o singură

specie ionică, • mai putin selective (după semnul sarcinii

electrice a ionilor permeanti → canale cationice sau anionice neselective).Canale ionice asemănătoare cu cele din plasmalemă se găsesc si în membranele intracelulare (reticulul endoplasmic, etc.).

- Ionii pot trece prin canalele ionice datorită prezentei filtrului de selectivitate.

- Canalele ionice prezintă mecanisme de control al fluxului de particule → sunt „dependente” / „operate” de anumiti factori:

• potentialul electric transmembranar (voltaj-dependente),

• complexe ligand - receptor (receptor-operate, activate de liganzi), etc.

- Canalul ionic prezintă fluctuatii conformationale spontane sau induse, extrem de rapide, între starea “închis” (inactiv) si starea “deschis” (activ).

- Factorii “operatori” influentează anumiti parametri legati de aceste transformări de stare:

• probabilitatea de producere a transformării

• durata de mentinere a stării activate.

IonoforiiIonoforii- Ionoforii sunt transportori exogeni

(artificiali) care măresc permeabilitatea membranară pentru anumiti ioni.

Exemple: Valinomicina este ionofor de potasiu, Gramicidina este ionofor de sodiu, A23187 este ionofor de calciu. - Au afinitate mare pentru anumiti ioni- Functionează ca o navetă

transmembranară- Se pot asocia în vederea realizării unor

adevărate punti hidrofile transmembranare facilitând difuzia substantei.

Canale voltaj-dependenteCanale voltaj-dependenteSunt responsabile de variatiile de potential transmembranar si de aparitia potentialului de actiune. In mod aparent canalele voltaj-dependente au două functii principale:

- producerea potentialelor de actiune în celulele excitabile (canalele voltaj-dependente de Na+ si K+)

- transformarea semnalului electric în semnal chimic (canalele de calciu), când calciul va fi folosit ca mesager secund (secretie, contractie musculară, etc.).

Din punct de vedere functional un canal voltaj-dependent este alcătuit din:

- porul de conductie (ce prezintă un filtru de selectivitate)

- domeniile care sesisează modificarea potentialului membranar (senzor de voltaj).Probabilitatea ca un canal ionic voltaj-dependent să fie deschis / închis depinde de valoarea efectivă a potentialului membranar în micro-aria membranară respectivă. Canalele care sunt deschise prin depolarizare functionează pe baza unui senzor care asigură fenomenul de operare a „portii” (gating).Amplitudinea curentului ionic printr-un singur canal (curent unitar) → tehnici electrofiziologice avansate (patch-clamp).

Familiile de canale voltaj-dependenteCanalele de sodiu voltaj-dependente: 9 membri, implicate în declansarea PA (în celulele „electric excitabile”), Canale de calciu voltaj-dependenteCanale de potasiu voltaj-dependenteCanale TRP (Transient Receptor Potential): 28 de membri, cu activare dependentă de voltaj, tensionare mecanică, stare redox, osmolaritate, pH.Canale protonice voltaj-dependente: se deschid la depolarizare, numai în conditiile în care gradientul electrochimic este îndreptat către exterior, în asa fel încât să permită eliminarea protonilor din citoplasmă (fagocite).

Canale ionice dependente Canale ionice dependente de liganzi intracelularide liganzi intracelulari

Exemplu canale de potasiu, care sunt dependente de concentratiile unor substante intracelulare.Canalele de K+ dependente de Ca++ (KCa) asemanatoare cu canalele K voltaj-dependente → cresterea Ca submembranar activează KCa.Canalele ionice dependente de nucleotidele ciclice → cuplarea AMPc sau GMPc pe receptorul citoplasmic deschide porul, care este permeabil pentru Na+ si Ca++.

Canale ionice dependente Canale ionice dependente de liganzi extracelularide liganzi extracelulari

Canalele dependente de substante chimice prezintă pe partea extracelulară formatiuni receptoare unde se cuplează liganzi:

- se modifică permeabilitatea canalului - are loc un influx ionic în celulă→ declansarea

depolarizarii. - se intalnesc la transmiterea excitatiei de la o

celulă nervoasă la alta / de la celulele nervoase la efectorii musculari sau glandulari = neuromediatori.

- Eliberarea lor → la nivelul membranei post-sinaptice.

Canale ionice cu alte tipuri Canale ionice cu alte tipuri de dependentade dependenta

Canalele de potasiu cu rectificare: - sunt canale ce permit influxul de potasiu, dar nu

permit efluxul.- scopul este de a rectifica continutul de potasiu

după un eflux rapid, de tip potential de actiune. - sunt implicate în: activitatea de pacemaker a

inimii, eliberarea de insulină din celulele β-insulare pancreatice etc. Canalele de potasiu cu curgere lentă (leaky)

- asigură fenomene de rectificare. Canalele de potasiu deschise de cuante de lumină.Canalele cationice mecanosensibile se deschid sub influenta tensionării, presiunii, stresului de forfecare, deplasare, vibratii.

Pompe ionicePompe ionice- Pot transporta ioni si alti solviti împotriva

gradientilor de concentratie. - Energia pentru această activitate este sub

formă de ATP (hidroliza ATP-ului are loc când se cuplează ionii necesari pentru transport).

- Există trei clase de pompe ionice:• care transportă exclusiv ioni; clasele P, F

si V • care transportă molecule mici; o

superfamilie numită ABC (ATP-Binding Cassette)

Pompe din clasa P:- pompa H+ (membranele bacteriilor si fungilor)- pompa Na+/K+ (membranele celulare ale

eucariotelor )- pompa K+/H+ (membrana celulelor mucoasei

gastrice)- pompele de Ca2+ (plasmalema si membrana

reticulară a celulelor eucariote).

Pompa de calciu este prezentă sub două forme majore:

- una în plasmalemă (Plasma Membrane Calcium ATP-ase; PMCA)

- membrana reticulului endoplasmic (Sarcoplasmic / Endoplasmic Reticulum Calcium ATP-ase; SERCA).

Potentialul membranarPotentialul membranar

Diferentele de concentratie ionică dintre mediul intra-celular si cel extra-celular sunt determinate de existenta unor anioni nedifuzibili în citosol si determină la rândul lor o diferentă de potential electric între interiorul si exteriorul celulei.

Echilibrul DonnanEchilibrul DonnanMembranele ideale sunt permeabile pentru apă si impermeabile pentru substantele solvite. Membrana celulară izolată este:

- permeabilă pentru apă, electroliti, cristaloizi si - impermeabilă pentru macromolecule → “sită

moleculară”. “Echilibrul Donnan” : în cazul în care în unul din compartimentele separate de o membrană cu permeabilitate selectivă se găseste un macroanion nedifuzibil, echilibrul dinamic rezultat se caracterizează prin distributia asimetrică a ionilor liberi difuzibili.

Astfel la echilibru starea de neutralitate este reprezentată prin ecuatiile:K+

a = Cla si K+b = Clb+ Mb,

iar produsul ionilor difuzibili dintr-un compartiment este egal cu produsul ionilor difuzibili din cel de-al doilea compartiment:K+

a x Cla= K+b x Clb

Efectul Gibbs-Donnan este rezultatul permeabilitătii particulare a membranei, dar la acesta se adaugă în cazul membranei celulare variatiile de permeabilitate datorate activitătii canalelor ionice, precum si mecanismele de transport activ.

Potentialul membranar de Potentialul membranar de repaus (PR)repaus (PR)

Permeabilitatea selectivă a plasmalemei determină distributia asimetrică a ionilor de o parte si de alta a acesteia. Pentru orice ion difuzibil se defineste potentialul de echilibru conform legii Nernst:

E=±61log(c1/c2),

c1 si c2 = concentratiile ionului respectiv în cele două compartimente; Conform ecuatiei Goldman-Hodgkin-Katz; PR este determinat de distributia si coeficientii de permeabilitate membranară pentru trei ioni majori: Na+, K+, Cl-, la care putem adăuga calciul si contributia unor canale cationice neselective.

Permeabilitatea pentru potasiu fiind mai importantă, PR este apropiat de valoarea potentialului de echilibru pentru K.

PR de repaus variază de la o celulă la alta, în functie de permeabilitatea membranei.

Pentru mentinerea potentialului de repaus este necesară pomparea permanentă a ionilor, pentru a asigura mentinerea gradientelor de concentratie → ATP-ază membranară (pompă de sodiu).

In absenta transportului activ s-ar produce în timp pierderea de K si acumularea de Na.

Pentru fiecare ciclu conformational pompa de Na+- K+ expulzează 3 Na+ si introduce doar 2 K+, fiind deci electrogenă; adică are un efect hiperpolarizant. Activitatea pompei fiind dependentă de concentratia Na intracelular, pompa va participa la fenomenul de repolarizare din cadrul potentialului de actiune. Hiperpolarizare = cresterea diferentei de potential electric transmembranar. Depolarizare = reducerea diferentei de potential electric transmembranar.Depolarizarea locală = un influx net de sarcini pozitive (propagare pe o mică arie, scăzând în amplitudine cu distanta).

Potentialul de actiune Potentialul de actiune (PA)(PA)

PA = depolarizarea tranzitorie care se propagă nedecremential la distantă.

Canalele ionice implicate au o dependentă de voltaj a probabilitătii de deschidere relativ abruptă, ceea ce imprimă caracteristica de fenomen cu prag a fenomenului (legea “tot sau nimic”).

Propagarea PA în membrana celulară se realizează prin autoregenerare, pe baza difuziunii sarcinilor pe cele două fete ale membranei.

Fiziologic PA apare prin sumatie temporală a efectelor depolarizante si hiperpolarizante ale diferitilor curenti ionici.Curentii ionici depolarizanti pot fi determinati de:

- mediatori chimici (transmitere sinaptica) - efecte hormonale sau paracrine- agenti fizici (celule receptoare)→potential

de receptor- activarea canalelor ionice prin deformare

mecanică.

Potential de actiune de tip neuronalPotential de actiune de tip neuronalIn fibra musculară scheletică si în fibrele nervoase cu diametru mare potentialul de actiune are anumite caractere.

- depolarizarea este abruptă, cu durată de ~0,2 ms, cu depăsirea izopotentialului (overshoot),

- urmată imediat de repolarizare (spike-potential).

- depolarizarea se produce ca urmare a unui influx masiv de Na prin canale voltaj-dependente rapide

- repolarizarea se produce ca urmare a efluxului de K prin canale voltaj-dependente ceva mai lente, în conditiile inactivării canalelor de Na.

- durata este de 2-3 ms.

Fazele potentialului de Fazele potentialului de actiuneactiune

1- Potential de repaus - nu există curent net – curent de scurgere de K+ si curent de extruzie de Na+

2. Stimulare – cresterea conductantei locale pentru Na+ – mecanică, electrică, termică

- curenti locali – potentiale locale- stingere, dacă sunt sub prag3. Faza de depolarizare – deschiderea canalelor de Na+

voltaj-dependente – feedback-pozitiv – inversarea polarizării membranare

4. Peak-ul aproximativ +30 mV canalele de Na+ voltaj-dependente se inactivează

- Canalele de K+ voltaj dependente se deschid5 – Faza de repolarizare – eflux masiv de K+ – repolarizare

rapidă6. Postpotenţialul negativ – canalele de K+ de rectificare

tardivă pierd K+ chiar si după ce membrana s-a repolarizat complet

Transmiterea PATransmiterea PA

- depolarizarea se face de-a lungul întregii depolarizarea se face de-a lungul întregii membrane celularemembrane celulare

- toată celula este depolarizatătoată celula este depolarizată- dacă nu există joncdacă nu există joncttiuni “gap”, care să iuni “gap”, care să

transmită PA, acesta se opretransmită PA, acesta se opresste la nivelul te la nivelul celulei inicelulei inittialeiale

- fiecare celulă trebuie stimulată individualfiecare celulă trebuie stimulată individual- depolarizarea propagată este responsabilă depolarizarea propagată este responsabilă

pentru legea “tot sau nimic”pentru legea “tot sau nimic”- viteza PA depinde de grosimea axonilorviteza PA depinde de grosimea axonilor ((10-10-

100 m/s100 m/s))- motivul principal este că rezistenmotivul principal este că rezistentta axială este a axială este

cu atât mai scăzută cu cât diametrele sunt mai cu atât mai scăzută cu cât diametrele sunt mai marimari

Transmitere sinapticaTransmitere sinaptica

Sinapsele chimice sunt structuri specializate ce asigură transmiterea de mesaje între celule învecinate.

Ele permit difuzia ionilor de la o celulă la cealaltă, asigurând astfel direct propagarea potentialului de actiune.

Organizarea functionala a Organizarea functionala a sinapseisinapsei

Sinapsa “chimică” presupune:- existenta unui mediator chimic pentru

semnalizarea intercelulară, - mediatorul este eliberat în spatiul sinaptic

din teritoriul presinaptic si - mediatorul actioneaza asupra unor

receptori specifici prezenti în membrana postsinaptică.

Componenta presinaptică este întotdeauna terminatia unei prelungiri neuronale de tip axonic.

Dacă celula receptoare este - un neuron → sinapsa este neuro-neuronală - alt tip celular → sinapsa este neuro-efectoare.

Etapele transmiterii sinaptice: - mediatorul sinaptic (neuromediator) este

sintetizat la nivelul butonului terminal. - eliberarea mediatorului în spatiul sinaptic se

produce prin exocitoză. - mediatorul eliberat în spatiul sinaptic poate

fi:=>recaptat la nivel presinaptic, =>inactivat enzimatic, =>difuza extrasinaptic.

- moleculele vor actiona la nivelul membranei postsinaptice

- cuplarea cu receptori membranari specifici determină un răspuns excitator / inhibitor.

- depolarizarea este de obicei rezultatul unui influx de Na si / sau Ca, iar hiperpolarizarea poate fi determinată de eflux de K / influx de Cl.

- transmiterea sinaptică presupune o întârziere (determinată de difuzia mediatorului).

Placa motoriePlaca motorieSe mai numeste: sinapsa neuromusculară; placa motorie; jonctiunea neuromuscularăJonctiunea neuromusculară este o sinapsă cu transmitere chimică, cu cele trei componente descrise:

- segmentul presinaptic, - spatiul sinaptic, - membrana postsinaptică. Componenta presinaptică a sinapsei

neuromusculare este reprezentat de arborizatia terminală a axonului motoneuronului α.

- Membrana postsinaptică reprezintă o portiune diferentiată din sarcolema fibrei musculare juxtapusă membranei presinaptice în care se găsesc numerosi receptori colinergici de tip nicotinic, ce contin fiecare câte un canal de sodiu.

- Intre segmentul pre si postsinaptic se interpune un spatiu de ~ 100 μm (spatiul sinaptic), în care se găsesc molecule de acetilcolinesterază.

- Ansamblul format din membrana presinaptică, spatiul sinaptic si membrana postsinaptică = "placă motorie" sau sinapsă neuromusculară.

- Mediatorul chimic al jonctiunii neuromusculare este acetilcolina:

=> este transportată până la nivelul terminatiei axonice

=> este repartizată în anumite compartimente (liber disponibil si de depozit)

=> ajunge la nivelul membranei postsinaptice, unde se leagă reversibil de receptorii colinergici.

=> creste permeabilitatea sarcolemei pentru Na.

- Inactivarea acetilcolinei:=> acetilcolinesteraza → colină si acetat →

inactivare

Viteza de conducere Viteza de conducere nervoasanervoasa

- - Impulsul nervos Impulsul nervos se deplaseazase deplaseaza de-a lungul neuronului cu 10-100 de-a lungul neuronului cu 10-100 cm/seccm/sec ( (insuficient pentru timpii de reacinsuficient pentru timpii de reacttieie))

- - VerteVertebratebratele superioare au celule glialele superioare au celule gliale speciali specializzate, numite ate, numite celule celule SchwannSchwann îîn sistemul nervos periferic sn sistemul nervos periferic si i oligodendrocoligodendrociitete în în SNC, care secretă straturi concentrice dintr-o substanţă lipidică, SNC, care secretă straturi concentrice dintr-o substanţă lipidică, numită numită mielinămielină,, în jurul axonului. în jurul axonului.

- - Stratul de mielină este discontinuu, prezentând Stratul de mielină este discontinuu, prezentând strangulaţiile strangulaţiile RanvierRanvier, unde se poate forma potenţial de acţiune, unde se poate forma potenţial de acţiune

- - Viteza în fibrele mielinizate depinde de grosimea axonului si Viteza în fibrele mielinizate depinde de grosimea axonului si grosimea tecii de mielină – 10-100 m/segrosimea tecii de mielină – 10-100 m/secc

Tipuri de axoniTipuri de axoni

Tip de fibreTip de fibre InervatInervatieie Diametru Diametru extern (extern (m)m)

Viteză de Viteză de conducere conducere

(m/s)(m/s)

A A sau I A sau I A Fibre motoriiFibre motorii 12-2012-20 70-12070-120

A A sau I B sau I B Fibre senzorialeFibre senzoriale 10-1510-15 60-8060-80

IIII Fibre senzoriale Fibre senzoriale proprioceptiveproprioceptive

5-155-15 30-8030-80

A A Fibre motorii Fibre motorii intrafusale intrafusale

3-83-8 15-4015-40

A A sau III sau III Tactile, temperatură, Tactile, temperatură, dureredurere

3-83-8 10-3010-30

BB SNV autonomSNV autonom 1-31-3 5-155-15

C sau IV C sau IV (amielinice)(amielinice)

Durere, temperatură, Durere, temperatură, olfacolfacttieie

0,2-1,50,2-1,5 0,5-2,50,5-2,5

ElectronervogramaElectronervogramaReprezintă un grup aproape sincron de potenReprezintă un grup aproape sincron de potenttiale de iale de

acacttiune neuronale măsurat la capătul unui nerviune neuronale măsurat la capătul unui nerv MotorMotor SenzitivSenzitiv Mixt Mixt

Se obSe obttine prin stimularea nervului ine prin stimularea nervului ssi arată ca un i arată ca un potenpotenttial de acial de acttiune cu mai multe pic-uriiune cu mai multe pic-uri