Fiziologie celulara

CURS 3

Canale ionice

Proteinele membranare au urmtoarele functii majore

legate de medierea semnalizrii celulare:

- pori pentru ap,

- canale ionice (receptor-dependente, voltaj-dependente,

sau operate n alte moduri),

- transportori (translocatori moleculari),

- receptori membranari (cuplati cu proteine G tirozin-

kinazici, pentru patogeni, etc.),

- molecule de adeziune celular si antigene de suprafat,

- receptori pentru exo/endocitoz

Canale pentru apa - Se mai numesc aquaporine.

- Sunt proteine membranare integrale, ce mai pot

transporta si alti solviti fr sarcin electric

(glicerolul, amoniacul / ureea).

- Porii pentru ap sunt complet impermeabili pentru

orice specie molecular ncrcat electric.

- Aspectul general al unui astfel de canal este de

clepsidr.

- Aquaporinele formeaz tetrameri, fiecare monomer

actionnd ca un canal de ap.

Canale ionice membranare - Sunt ci transmembranare preferentiale pentru

substante hidrofile, de nivel intermediar ntre pori si

transportori n ce priveste rata de transfer si

selectivitatea.

- Functia de canal ionic este asigurat 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 fat de canale, pot realiza fenomene de

transport activ).

- Fluxul de particule prin canale este foarte rapid,

comparativ cu cel asigurat de transportori (nu necesit

un ciclu de modificri conformationale pentru

transferul unui ion / molecule).

- Canalele ionice pot fi:

selective, specializate pentru o singur specie ionic,

mai putin selective (dup semnul sarcinii electrice a

ionilor permeanti canale cationice sau anionice

neselective).

Canale ionice asemntoare cu cele din plasmalem se

gsesc si n membranele intracelulare (reticulul

endoplasmic, etc.).

- Ionii pot trece prin canalele ionice datorit prezentei

filtrului de selectivitate.

- Canalele ionice prezint 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 prezint fluctuatii conformationale

spontane sau induse, extrem de rapide, ntre starea

nchis (inactiv) si starea deschis (activ).

- Factorii operatori influenteaz anumiti parametri

legati de aceste transformri de stare:

probabilitatea de producere a transformrii

durata de mentinere a strii activate.

Ionoforii - Ionoforii sunt transportori exogeni (artificiali) care

mresc permeabilitatea membranar 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

- Functioneaz ca o navet transmembranar

- Se pot asocia n vederea realizrii unor adevrate punti hidrofile transmembranare facilitnd difuzia substantei.

Canale voltaj-dependente Sunt responsabile de variatiile de potential

transmembranar si de aparitia potentialului de actiune.

In mod aparent canalele voltaj-dependente au dou

functii principale:

- producerea potentialelor de actiune n celulele

excitabile (canalele voltaj-dependente de Na+ si K+)

- transformarea semnalului electric n semnal chimic

(canalele de calciu), cnd calciul va fi folosit ca

mesager secund (secretie, contractie muscular, etc.).

Din punct de vedere functional un canal voltaj-dependent este

alctuit din:

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

- domeniile care sesiseaz modificarea potentialului membranar

(senzor de voltaj).

Probabilitatea ca un canal ionic voltaj-dependent s fie deschis

/ nchis depinde de valoarea efectiv a potentialului

membranar n micro-aria membranar respectiv.

Canalele care sunt deschise prin depolarizare functioneaz pe

baza unui senzor care asigur fenomenul de operare a portii

(gating).

Amplitudinea curentului ionic printr-un singur canal (curent

unitar) tehnici electrofiziologice avansate (patch-clamp).

Familiile de canale voltaj-dependente

Canalele de sodiu voltaj-dependente: 9 membri, implicate n

declansarea PA (n celulele electric excitabile),

Canale de calciu voltaj-dependente

Canale de potasiu voltaj-dependente

Canale TRP (Transient Receptor Potential): 28 de membri, cu

activare dependent de voltaj, tensionare mecanic, stare

redox, osmolaritate, pH.

Canale protonice voltaj-dependente: se deschid la

depolarizare, numai n conditiile n care gradientul

electrochimic este ndreptat ctre exterior, n asa fel nct s

permit eliminarea protonilor din citoplasm (fagocite).

Canale ionice dependente de 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 activeaz 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 de liganzi

extracelulari

Canalele dependente de substante chimice prezint pe

partea extracelular formatiuni receptoare unde se

cupleaz liganzi:

- se modific permeabilitatea canalului

- are loc un influx ionic n celul declansarea

depolarizarii.

- se intalnesc la transmiterea excitatiei de la o celul

nervoas la alta / de la celulele nervoase la efectorii

musculari sau glandulari = neuromediatori.

- Eliberarea lor la nivelul membranei post-sinaptice.

Canale ionice cu alte tipuri de

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 dup un eflux rapid, de tip potential de actiune.

- sunt implicate n: activitatea de pacemaker a inimii, eliberarea de insulin din celulele -insulare pancreatice etc.

Canalele de potasiu cu curgere lent (leaky)

- asigur fenomene de rectificare.

Canalele de potasiu deschise de cuante de lumin.

Canalele cationice mecanosensibile se deschid sub influenta tensionrii, presiunii, stresului de forfecare, deplasare, vibratii.

Pompe ionice

- Pot transporta ioni si alti solviti mpotriva gradientilor

de concentratie.

- Energia pentru aceast activitate este sub form de

ATP (hidroliza ATP-ului are loc cnd se cupleaz ionii

necesari pentru transport).

- Exist trei clase de pompe ionice:

care transport exclusiv ioni; clasele P, F si V

care transport molecule mici; o superfamilie numit

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 reticular a

celulelor eucariote).

Pompa de calciu este prezent sub dou forme majore:

- una n plasmalem (Plasma Membrane Calcium ATP-ase; PMCA)

- membrana reticulului endoplasmic (Sarcoplasmic / Endoplasmic

Reticulum Calcium ATP-ase; SERCA).

Potentialul membranar

Diferentele de concentratie ionic dintre mediul intra-

celular si cel extra-celular sunt determinate de

existenta unor anioni nedifuzibili n citosol si

determin la rndul lor o diferent de potential electric

ntre interiorul si exteriorul celulei.

Echilibrul Donnan Membranele ideale sunt permeabile pentru ap si

impermeabile pentru substantele solvite.

Membrana celular izolat este:

- permeabil pentru ap, electroliti, cristaloizi si

- impermeabil pentru macromolecule sit molecular.

Echilibrul Donnan : n cazul n care n unul din compartimentele separate de o membran cu permeabilitate selectiv se gseste un macroanion nedifuzibil, echilibrul dinamic rezultat se caracterizeaz prin distributia asimetric a ionilor liberi difuzibili.

Astfel la echilibru starea de neutralitate este reprezentat 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 permeabilittii particulare a membranei, dar la acesta se adaug n cazul membranei celulare variatiile de permeabilitate datorate activittii canalelor ionice, precum si mecanismele de transport activ.

Potentialul membranar de repaus (PR)

Permeabilitatea selectiv a plasmalemei determin distributia

asimetric 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 n cele dou

compartimente;

Conform ecuatiei Goldman-Hodgkin-Katz; PR este

determinat de distributia si coeficientii de permeabilitate

membranar pentru trei ioni majori: Na+, K+, Cl-, la care

putem aduga calciul si contributia unor canale cationice

neselective.

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

PR de repaus variaz de la o celul la alta, n functie de permeabilitatea membranei.

Pentru mentinerea potentialului de repaus este necesar pomparea permanent a ionilor, pentru a asigura mentinerea gradientelor de concentratie ATP-az membranar (pomp de sodiu).

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

Pentru fiecare ciclu conformational pompa de Na+-

K+ expulzeaz 3 Na+ si introduce doar 2 K+, fiind

deci electrogen; adic are un efect hiperpolarizant.

Activitatea pompei fiind dependent 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 local = un influx net de sarcini

pozitive (propagare pe o mic arie, scznd n

amplitudine cu distanta).

Potentialul de actiune (PA) PA = depolarizarea tranzitorie care se propag

nedecremential la distant.

Canalele ionice implicate au o dependent de voltaj a

probabilittii de deschidere relativ abrupt, ceea ce

imprim caracteristica de fenomen cu prag a

fenomenului (legea tot sau nimic).

Propagarea PA n membrana celular se realizeaz prin

autoregenerare, pe baza difuziunii sarcinilor pe cele

dou fete ale membranei.

Fiziologic PA apare prin sumatie temporal 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 mecanic.

Potential de actiune de tip neuronal

In fibra muscular scheletic si n fibrele nervoase cu diametru mare potentialul de actiune are anumite caractere.

- depolarizarea este abrupt, cu durat de ~0,2 ms, cu depsirea izopotentialului (overshoot),

- urmat 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, n conditiile inactivrii canalelor de Na.

- durata este de 2-3 ms.

Fazele potentialului de actiune

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

2. Stimulare cresterea conductantei locale pentru Na+ mecanic, electric, termic

- curenti locali potentiale locale

- stingere, dac sunt sub prag

3. Faza de depolarizare deschiderea canalelor de Na+ voltaj-dependente feedback-pozitiv inversarea polarizrii membranare

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

- Canalele de K+ voltaj dependente se deschid

5 Faza de repolarizare eflux masiv de K+ repolarizare rapid

6. Postpotenialul negativ canalele de K+ de rectificare tardiv pierd K+ chiar si dup ce membrana s-a repolarizat complet

Transmiterea PA

- depolarizarea se face de-a lungul ntregii membrane

celulare

- toat celula este depolarizat

- dac nu exist jonctiuni gap, care s transmit PA,

acesta se opreste la nivelul celulei initiale

- fiecare celul trebuie stimulat individual

- depolarizarea propagat este responsabil pentru legea

tot sau nimic

- viteza PA depinde de grosimea axonilor (10-100 m/s)

- motivul principal este c rezistenta axial este cu att

mai sczut cu ct diametrele sunt mai mari

Transmitere sinaptica

Sinapsele chimice sunt structuri specializate ce asigur

transmiterea de mesaje ntre celule nvecinate.

Ele permit difuzia ionilor de la o celul la cealalt,

asigurnd astfel direct propagarea potentialului de

actiune.

Organizarea functionala a sinapsei

Sinapsa chimic presupune:

- existenta unui mediator chimic pentru semnalizarea

intercelular,

- mediatorul este eliberat n spatiul sinaptic din teritoriul

presinaptic si

- mediatorul actioneaza asupra unor receptori specifici

prezenti n membrana postsinaptic.

Componenta presinaptic este ntotdeauna terminatia

unei prelungiri neuronale de tip axonic.

Dac celula receptoare este

- un neuron sinapsa este neuro-neuronal

- alt tip celular sinapsa este neuro-efectoare.

Etapele transmiterii sinaptice:

- mediatorul sinaptic (neuromediator) este sintetizat la

nivelul butonului terminal.

- eliberarea mediatorului n spatiul sinaptic se produce

prin exocitoz.

- mediatorul eliberat n spatiul sinaptic poate fi:

=>recaptat la nivel presinaptic,

=>inactivat enzimatic,

=>difuza extrasinaptic.

- moleculele vor actiona la nivelul membranei

postsinaptice

- cuplarea cu receptori membranari specifici determin

un rspuns excitator / inhibitor.

- depolarizarea este de obicei rezultatul unui influx de

Na si / sau Ca, iar hiperpolarizarea poate fi

determinat de eflux de K / influx de Cl.

- transmiterea sinaptic presupune o ntrziere

(determinat de difuzia mediatorului).

Placa motorie Se mai numeste: sinapsa neuromuscular; placa

motorie; jonctiunea neuromuscular

Jonctiunea neuromuscular este o sinaps cu

transmitere chimic, cu cele trei componente descrise:

- segmentul presinaptic,

- spatiul sinaptic,

- membrana postsinaptic.

Componenta presinaptic a sinapsei neuromusculare

este reprezentat de arborizatia terminal a axonului

motoneuronului .

- Membrana postsinaptic reprezint o portiune

diferentiat din sarcolema fibrei musculare juxtapus

membranei presinaptice n care se gsesc numerosi

receptori colinergici de tip nicotinic, ce contin fiecare

cte un canal de sodiu.

- Intre segmentul pre si postsinaptic se interpune un

spatiu de ~ 100 m (spatiul sinaptic), n care se gsesc

molecule de acetilcolinesteraz.

- Ansamblul format din membrana presinaptic, spatiul

sinaptic si membrana postsinaptic = "plac motorie"

sau sinaps neuromuscular.

- Mediatorul chimic al jonctiunii neuromusculare este

acetilcolina:

=> este transportat pn la nivelul terminatiei axonice

=> este repartizat n anumite compartimente (liber

disponibil si de depozit)

=> ajunge la nivelul membranei postsinaptice, unde se

leag reversibil de receptorii colinergici.

=> creste permeabilitatea sarcolemei pentru Na.

- Inactivarea acetilcolinei:

=> acetilcolinesteraza colin si acetat inactivare

Viteza de conducere nervoasa - Impulsul nervos se deplaseaza de-a lungul neuronului cu 10-100 cm/sec (insuficient

pentru timpii de reactie)

- Vertebratele superioare au celule gliale specializate, numite celule Schwann n sistemul

nervos periferic si oligodendrocite n SNC, care secret straturi concentrice dintr-o

substan lipidic, numit mielin, n jurul axonului.

- Stratul de mielin este discontinuu, prezentnd strangulaiile Ranvier, unde se poate

forma potenial de aciune

- Viteza n fibrele mielinizate depinde de grosimea axonului si grosimea tecii de mielin

10-100 m/sec

Tipuri de axoni

Tip de fibre Inervatie Diametru extern

(mm)

Vitez de

conducere

(m/s)

A a sau I A Fibre motorii 12-20 70-120

A b sau I B Fibre senzoriale 10-15 60-80

II Fibre senzoriale

proprioceptive

5-15 30-80

A g Fibre motorii intrafusale 3-8 15-40

A d sau III Tactile, temperatur, durere 3-8 10-30

B SNV autonom 1-3 5-15

C sau IV

(amielinice)

Durere, temperatur, olfactie 0,2-1,5 0,5-2,5

Electronervograma Reprezint un grup aproape sincron de potentiale de actiune neuronale

msurat la captul unui nerv

Motor

Senzitiv

Mixt

Se obtine prin stimularea nervului si arat ca un potential de actiune cu mai

multe pic-uri