Partea IProprietatile membranei

Excitabilitatea

Dr. Gabriela Titu

• EXCITABILITATEA reprezinta capacitatea materiei vii de a raspunde prin manifestari specifice(potential de actiune) la actiunea unui stimul care poate fi liminal ( de prag ), sau supraliminal.

• Exista si stimul subliminal care, insa, nu dezvolta influx nervos.

• Nervul raspunde la stimulul liminal si la cel supraliminal prin acelasi potential de actiune ( influx nervos ): legea „tot sau nimic”.

• Pentru a provoca un raspuns, stimulul trebuie sa aiba o anumita bruschete .

Excitabilitatea se caracterizeaza prin urmatorii parametri: a)intensitatea prag a stimulilor (reobaza) reprezinta intensitatea minima necesara unui stimul pentru a produce un influx nervos .Stimulii cu intensitatea inferioara pragului se numesc subliminali si nu produc influx nervos.In cazul unei stimulari repetate cu excitanti subliminali apare fenomenul de sumatie(insumarea modificarilor repetate de deploizare) care produce excitatie.Stimulii cu intensitatea superioara pragului(supraliminali) au acelasi efect ca si cei cu intensitate prag(legea "tot sau nimic"). b) timpul util este timpul minim necesar unui stimul cu intensitatea prag pentru a genera un influx nervos; c)cronaxia este timpul minim necesar unui stimul(curent elecctric), avand o intensitate dubla fata de reobaza, pentru a induce aparitia unui influx nervos.Are valori de 10-30 ori mai mici decat timpul util si este cu atat mai scurta cu cat exciilitatea este mai amre.Are valori apropiate pentru neuronii senzitivi,motori si efectori(secretori). d)labilitatea este capacitatea neuronului de a raspunde la un anumit numar de stimuli pe unitatea de timp; e) perioada refractara reprezinta proprietatea neuronului de a nu raspunde la un stimul nou in timpul unui raspuns la un stimul anterior; f)bruschetea este rapiditatea cu care actioneaza stimulul.

Curba intensitate-durata

CONDUCTiBILITATEA reprezinta capacitatea de autopropagare a influxului nervos prin axon spre alt neuron sau spre efector.

Exista 3 tipuri de fibre nervoase:

1.Fibre mielinice A care sunt de 2 feluri

-Aferente care apartin:*sensibilitatii proprioceptive si au diametrul >20μm si viteza de conducere>100m/s(fibre anulospirale si fibre proprioceptive constiente)*sensibilitatii tactile si au diametrul 5-15μm si viteza de conducere20-90 m/s*sensibilitatii termoalgezice e si au diametrul 5-7μm si viteza de conducere 5-20m/s

-Eferente

*fazice(fibre somatice care produc contractii rapide) *tonice(fibre somatice care produc contractii lente)

*fibre colaterale spre fusurile neuromusculare

*1 (asigura inervatia motorie a fusului producind contractii rapide) *2 asigura inervatia motorie a fusului producind contractii lente)

2. Fibre mielinice B*au diametrul 3μm si viteza de conducere 5-15 m/s *sunt fibre vegetative preganglionare

3.Fibre amielinice C*au diametrul 2 μm si viteza de conducere 0,2-3 m/s*conduc sensibilitatea viscerala si termica si apartin SNV (fibre postganglionare)   

 

-Propagarea influxului nervos se realizeaza „din aproape in aproape” in fibrele amielinice si saltatoriu in fibrele mielinice ( de la o strangulatie Ranvier la alta ).-Mecanismul autopropagari infuxului nervos consta in proprietatea sarcinilor pozitive de a se deplasa spre cele negative. -In segmentul excitat al unui nerv are loc negativarea la exterior si pozitivarea la interior, respectiv, aparitia potentialului de actiune.- Deplasarea sarcinilor pozitive spre cele negative se realizeaza la suprafata nervului din segmentul neexcitat spre zona excitata; in interiorul nervului, de la zona excitata, sarcinile pozitive se deplaseaza in zona aflata inca in repaus. -Se formeaza astfel curenti locali Hermann care vor deplasa influxul nervos ca pe o unda de negativare.-Suportul fizico-chimic al excibilitatii si al conductibilitatii este potentialul electric membranar.

-Infatigabilitatea – nervul nu oboseste. -Conducerea excitatiei in nervul izolat si in cadrul sinapselor 

Sinapsa

Sinapsa

-Sinapsa este regiunea de comunicare dintre doi neuroni, sau un neuron şi un organ efector (muschi, glanda etc.).

-Pentru ca majoritatea sinapselor sunt chimice, se descriu mai mult aceste tipuri.

-Astfel, se sustine ca transmiterea impulsului nervos nu se realizează printr-un salt electric, deoarece membrana postsinaptică nu este excitabilă electric.

-Transmiterea se realizează printr-un mecanism chimic.

-Afirmatia este corecta doar referitor la sinapsele chimice.

Scurt istoric

Denumirea de "sinapsă" a fost dată de Sherrington în 1897, şi, iniţial, se referea la locul de contact dintre doi neuroni.

Santiago Ramon y Cajal a adus la începutul secolului argumente pentru întreruperea sistemului nervos la nivelul acestor sinapse.

În 1921, a fost dovedită existenţa mediatorilor chimici de către Otto Loewi.

Anul 1954 a fost marcant pentru istoria sinapsei, deoarece G.E.Palade, românul care a luat şi premiul Nobel, a studiat ultrastructura sinaptică cu microscopul electronic.

Clasificare

Din punct de vedere al modalităţii de transmitere:•Sinapse chimice•Sinapse electrice - însă acestea sunt foarte rare. În general au o fantă sinaptică foarte redusă (2nm), prin care ionii pot circula foarte uşor. Se mai numesc şi gap junction.

Din punct de vedere al neurotransmiţatorului:•sinapse colinergice - acetilcolina•sinapse adrenergice - noradrenalina (norepinefrina)•sinapse dopaminergice - dopamina•sinapse serotoninergice - serotonina

sinapse gabaergice - GABA

Din punct de vedere structural:•tipul I, sinapse axo-dendritice (între un axon şi o dendrită), cu o fantă mai mare de 30 nm•tipul II, sinapse axo-somatice, cu o fantă mai îngustă, de 20nm•tipul III, sinapse cu o fantă de 2nm (de exemplu gap junctions)

Din punct de vedere al părţilor pre- şi postsinaptice:•axo-dendritice•axo-somatice•axo-axonice•dendro-dendritice•somato-somatice•dendro-somatice 

Structura sinapsei chimice

Sinapsa chimica are 3 compartimente:

•Componenta presinaptică•Fanta sinaptică•Componenta postsinaptică

Zona presinapticaeste în principal constituită din butoni axonali, dar poate fi reprezentată şi de dendrite sau corpi neuronali.

Conţine în principal vezicule sau granule, dar se întâlnesc şi mitocondrii, reticul endoplasmatic neted şi microtubuli.

Veziculele pot fi diseminate în citoplasma sau ancorate de membrana presinaptica, acolo unde se află localizati receptorii presinaptici, modulatori care intervin în mecanismul de feed back pozitiv sau negativ prin care se reglează eliberarea si recaptarea neuromediatorului.

Neuromediatorii chimici sunt clasificaţi în funcţie de structura chimică, şi de efectul asupra neuronilor postsinaptici:

Transmisia Mediatorul chimic Receptorii

Colinergică Acetilcolina N 1-2 M1-5(muscarinici)

Adrenergică Noradrenalină, Adrenalină Alfa 1 si 2, beta 1, 2, 3, 4

Dopaminergică Dopamina D1-D5

Serotoninergică Serotonina (5 hidroxitriptamina) 5HT1 (A, B, C, D, E, F)

5HT2 5HT3 5HT4-7

Melatoninergică Melatonina (5metoxi-N-acetiltriptamina)

ML1

Histminergică Histamina H 1-3

Purinergică Adenozina ATP, AMP ciclic GTP GMP ciclic

P1 A1 A2a-b A3

GABA-ergică Acid gama aminobutiric GABAA GABAB

Glutamat-ergică Acid glutamic, Acid aspartic canale ionice, NMDA familia proteinei G

Glicinergică Aminoacizi inhibitori, Taurina Glucina

Familia canalelor ionice NMDA

Opioidergică Enkefaline, Endorfine, Dinorfine Miu 1-2, delta 1-2, kappa 1-2

Tahikin-ergică Substanta P, Neurokinina NK1, NK2

Eicosanoidergică Derivaţi de acid arahidonic: Prostaglandine PGE2, PGF 2,

PGI2

Leucotriene LT(A-F)

Tromboxani TXA2

Neuromediatorii prezentaţi pot avea diferite efecte asupra celulei postsinaptice putîndu-se astfel deosebi:

a)neuromediatori cu efect de excitare a celulei postsinaptice : acidul glutamic, substanta P b)neuromediatori cu efect de inhibare : GABA, glicina.

Proteinele funcţionale din spaţiule presinaptic sunt 

-proteine citoplasmatice si se găsesc sub formă de fibrile proteice (în reţea unde se află diseminate veziculele cu neuromediatori, sau ancorate în membrana celulară presinaptică)

-proteine veziculare care au rol în dinamica veziculelor dar, se pare, ca sunt implicate şi în exocitoza

-proteine membranare care au rol în transmiterea sinaptică

Receptorii membranari presinaptici sunt receptori modulatori ai concentraţiei de neuromediatori în fanta sinaptică.

Fanta sinaptică

Între membrana presinaptică şi cea postsinaptică există un spaţiu liber cu o grosime de aproximativ 10-30 nm, denumită fantă sinaptică. În acest spaţiu se găseşte lichid extracelular.  Regiunea postsinaptica

A treia componentă este cea postsinaptică şi este reprezentată de regiunea receptoare a celui de-al doilea neuron (sau muşchi, glandă, etc.). Şi aici există o porţiune mai îngroşată de membrană plasmatică, numită densitate postsinaptică. Pe această densitate postsinaptică se aglomearează receptorii pentru mediatorii chimici care sunt formaţi dintr-o componentă care fixează molecula de mediatorul chimic şi o componentă reprezentată de un canal ionic. Canalele ionice, care se deschid numai sub acţiunea mediatorului chimic specific, determină depolarizarea celulei postsinaptice.

Transmiterea sinaptică A) Componenta presinaptică B) Componenta postsinaptică 1. Mitocondrie2. Vezicule cu mediator 3. Autoreceptor 4. Fanta sinaptică 5. Receptor 6. Canal ionic Ca++ 7. Vezicula ce eliberează mediatorul 8. Pompa de reabsorbite a mediatorului

Mecanismul transmiterii sinaptice se desfăşoară în 6 etape.

•sinteza mediatorului - mediatorii sunt produşi atât la nivelul butonului terminal, cât şi în corpul celular.

•stocarea mediatorului - mediatorul se stochează în principal în butonul terminal, pentru a fi pregătit în momentul în care trebuie transmis semnalul

•eliberarea mediatorului - când depolarizarea neuronului presinaptic (care a primit la rândul lui un semnal) ajunge la butonul terminal, şi determină exoctioza, adică expulzarea conţinutului veziculelelor. Apoi, veziculele goale vor fi "reciclate" prin încorporarea lor în membrană, din care se vor forma, la un moment dat, alte vezicule.

•traversarea spaţiului sinaptic

•acţiunea postsinaptică - se face prin cuplarea moleculei de mediator cu receptorul specific, ceea ce determină modificări în structura postsinaptică.

•inactivarea mediatorului - este importantă pentru ca circuitul să se poată relua la apariţia unui nou stimul. Aceasta se poate realiza prin inactivarea enzimatică postsinaptică sau transsinaptică (prin enzime care distrug mediatorul), captarea postsinaptică (captarea în citoplasma postsinaptică şi inactivarea sa), difuzia extrasinaptică (inactivarea în afara spaţiului sinaptic) şi recaptarea (captarea mediatorului de zona presinaptică).

Dezvoltarea şi plasticitatea sinaptică

Sinapsele nu sunt statice, nu sunt nişte porţi din fier prin care trec mediatorii. Ele işi pot modifica permanent funcţionalitatea, pot fi înlocuite, pot creşte sau scadea în numar. Plasticitatea sinaptică constă în principal în trei lucruri:

•calitatea şi cantitatea mesagerilor eliberaţi•calitatea şi numărul receptorilor postsinaptici•modificarea dimensiunii fantei sinaptice

Lezarea sau distrugerea sinapsei duce la refacerea acesteia în aprox. 35-40 de zile. Dacă, de exemplu, se trece de la un mediu banal la unul complex, creşte numărul sinapselor cu peste 10%. Din această cauză este recomandat ca stimularea copiilor să fie făcută prin mijloace cât mai diverse, deoarece sinaptogeneza (adică formarea noilor sinapse) este pregnantă la copii, faţă de neurogeneza, care aproape că dispare dupa naştere (majoritatea neuronilor se produc înainte de naştere). Evoluţia cognitiva (procesele gândirii etc.) este strâns legată de dezvoltarea sinapselor. Este important ca stimularea să se menţină, mai ales până la vârsta adultă, deoarece sinapsele (create), care nu se mai folosesc, se distrug în timp.Un exemplu interesant legat de dezvoltarea capacităţilor psihice şi de dezvoltarea neurobiologică este corelaţia dintre mielinizarea axonilor din encefal şi apariţia si progresul rapid al limbajului.

Particularităţile transmiterii sinaptice

•propagarea impulsului nervos se face într-o singură direcţie•apare o întârziere sinaptică de circa 0,5 ms•oboseala sinaptică, adică după o stimulare repetitivă a unei sinapse excitatorii, descărcările scad în frecvenţă•facilitarea posttetanică, adică dacă se stimulează o sinapsă repetat şi rapid, după care se face o pauză, neuronul va fi mai sensibil pentru o perioadă de timp•vulnerabilitatea la hipoxie, adică în lipsa oxigenului nu se mai realizează transmiterea sinaptică, deoarece fără oxigen nu se pot sintetiza unele substanţe ca de exemplu ATP-ul•sumarea temporală şi spaţială, adică o serie de stimuli slabi veniţi unul după altul se pot suma şi crea o descărcare; respectiv un număr de stimuli se pot suma spaţial în cazul în care acţionează concomitent•fenomene de convergenţă şi ocluzie, adică facilitarea unei sinapse se poate realiza dacă acţionează mai mulţi neuroni pe unul singur; respectiv fenomenul opus•fenomenul de postdescărcare, adică după o stimulare, continuă descărcarea pentru o vreme.

În cadrul sinapsei chimice transmiterea sinaptică se realizează prin intermediul unei substanţe chimice specifice, denumită neurotransmitator chimic sau neuromediator chimic.În patologia umană majoritatea afecţiunilor SNC au ca mecanism fizio-patologic tulburări morfo-funcţionale ale sinapselor chimice, de exemplu: schizofrenia,depresia, boala Parkinson, miastenia gravis, boala Alzheimer.

Sinapsa electrica

• Este reprezentata de o legatura de tip gap junction, stabilita intre 2 neuroni, la nivelul careia citoplasma celor 2 celule comunica.Fanta sinaptica este mult mai redusa ca dimensiune (3,5nm fata de 20-40 nm cea de la sinapsa chimica) (Kandel et al. 2000).In organism, acest tip de sinapsa coexista cu sinapsa chimica. Se gasesc in sistemul nervos in ariile implicate in cel mai rapid raspuns de adaptare cum sunt reflexele defensive, in retina si cortexul cerebral al vertebratelor.

• Fiecare zona de gap junction contine mai multe canale care traverseaza membrana ambelor celule (Gibson et al., 2004). Prin acest tip de sinapsa trec ioni si molecule de dimensiuni medii.

• Fiind sinapse mai simple decit cele chimice sunt mai rapide, intirzierea sinaptica este 0,2 ms fata de 2 ms la sinapsa chimica.

Sistemul mesagerilor secunzi

In fiziologia celulara, sistemul mesagerilor secunzi este o metoda de semnalizare celulara in cadrul careia o molecula semnal difuzibila este generata rapid si eliberata, pentru a activa proteine efectoare din celula; acestea, la rindul lor, determina un raspuns sau efect celular.Sistemul mesagerilor secunzi sunt parte componenta a cascadei de transductie a semnalului .

Activarea sistemului de mesageri secunzi se realizeaza prin:-activarea enzimelor de sinteza a mesagerilor (sistemul adenyl ciclaza-cAMP)-deschiderea canalelor ionice pentru ioni, de exemplu Ca2+

 

Mai departe, mesagerii secunzi determina efectul fiziologic prin activarea unor molecule efectoare ca protein kinazele, canalele ionice sau o varietate de alte proteine

Exista 3 tipuri de molecule cu rol de mesageri secunzi:

-molecule hidrofobe, insolubile in apa, ca diacylglycerol, inozitol trifosfat si phosphatidil-inositol; sunt proteine membranare care difuzeaza dinspre membrana in spatiul juxtamembranar unde regleaza alte proteine efectoare asociate membranei

-molecule hidrofile, solubile in apa cum sunt cAMP, cGMP, si ioni de calciu, localizate in citosol

-gaze ca oxidul nitric (NO),monoxidul de carbon (CO) ce difuzeaza atit in citosol cit si prin membrana celulara

Proprietatile mesagerilor secunzi

-Prin reactii specifice,sintetizeaza, elibereaza si degradeaza enzime si canale ionice

-Unii (ex.: Ca2+) pot fi stocati in organitele celulare si eliberati rapid la nevoie

-Au actiune localizata la un teritoriu celular

Mecanisme comune ale sistemelor de mesageri secunzi

• -neurotransmitatorul se cupleaza cu o proteina-receptor membranara

• -se modifica conformatia receptorului care are un situs pentru proteina G

• -complexul proteinelor G , cunoscut ca traductor de semnal,se gaseste pe fata interna a membranei celulare si este format din 3 subunitati alpha, beta si gamma

• -Dupa cuplarea proteinei G de receptor, aceasta poate schimba o molecula GDP (guanozin difosfat) de pe subunitatea alfa cu GTP(guanozin trifosfat); dupa care, subunitatea alfa se separa de celelalte 2 subunitati, beta si gamma,migreaza de-a lungul fetei interne membranare ,fiind apta de cuplarea cu alta proteina membranara , numita si efector primar

• -neurotransmitatorul este mesagerulprimar

• -efectorul primar genereaza un semnal , numit mesager secund si care difuzeaza in celula

• -mesagerul secund activeaza un efector secundar ale carui efecte depind de sistemul de mesageri secunzi care l-a initiat