PDF - Fiziologia neuronului (2)

1. Fiziologia neuronului (2) 1.2. Proprietăţile funcţionale ale neuronilor Funcţionarea sistemului nervos se bazează pe trei proprietăţi fundamentale ale neuronilor: a) excitabilitatea; b) conductibilitatea; c) degenerarea şi regenerarea. 1.2.1. Excitabilitatea Exc...

1. Fiziologia neuronului (2) 1.2. Proprietăţile funcţionale ale neuronilor Funcţionarea sistemului nervos se bazează pe trei proprietăţi fundamentale ale neuronilor: a) excitabilitatea; b) conductibilitatea; c) degenerarea şi regenerarea. 1.2.1. Excitabilitatea Excitabilitatea este proprietatea fundamentală a oricărei celule vii de a reacţiona la acţiunea unui stimul prin modificarea permeabilităţii pentru ioni a membranei sale plasmatice şi generarea unui potenţial electric. În organul efector, reacţia de răspuns se traduce prin îndeplinirea unor funcţii specifice, ca secreţia glandulară, contracţia musculară etc. Citosolul are o compoziţie foarte diferită de a lichidului extracelular. De exemplu, concentraţia potasiului şi a fosfatului este mai mare în interiorul celulei decât în afara ei, în timp ce pentru sodiu, calciu şi clor situaţia este inversă. Aceste diferenţe sunt necesare funcţionării normale a multor enzime intracelulare; bunăoară, sintezele proteice de la ribozomi necesită o concentraţie relativ ridicată de potasiu. Diferenţele de concentraţie sunt create şi menţinute de membrana plasmatică, prin stabilirea unei bariere de permeabilitate în jurul citosolului. Plasmalema are permeabilitate selectivă, care asigură păstrarea în celulă a substanţelor necesare, dintre care unele - în special proteinele - cu cost metabolic prea ridicat pentru a fi irosite, şi previne pătrunderea în interiorul celulei a substanţelor ce nu-i sunt utile. De asemenea, posedă mecanisme (canale ionice, pompe ionice, proteine transportoare) care ajută unele molecule să străbată bariera membranară în vederea îndeplinirii de către celulă a funcţiilor sale specifice. Toate celulele vii sunt excitabile, dar gradul lor de excitabilitate este adaptat structurii lor funcţionale. Celula cea mai excitabilă este neuronul, de rapiditatea sa de reacţie chiar la stimuli cu intensitate mică depinzând capacitatea de integrare şi coordonare a organismului. Urmează, în ordine, fibra musculară striată, muşchii scheletici trebuind să fie capabili de răspunsuri contractile rapide şi precis gradate la comenzile emise de sistemul nervos central, apoi celulele musculare de tip cardiac şi fibrele musculare netede. Structuri înalt excitabile sunt şi senzorii analizatorilor, precum şi alte celule cu rol de senzor grupate în zone strategice din interiorul organismului. Celule mai puţin excitabile, în care modificările de permeabilitate membranară sunt de mai mică amploare şi răspunsul specific al celulelor nu se bazează pe generarea unor potenţiale de acţiune, sunt hepatocitul şi celulele ţesuturilor conjunctive, inclusiv cele osoase. Excitant sau stimul poate fi orice agent din mediu capabil să determine o reacţie din partea unei structuri vii (în fapt, orice variaţie a unei forme de energie din mediu, care pentru celule capătă valoare informaţională). Pentru a fi investită cu calitatea de stimul, variaţia de energie trebuie să îndeplinească o serie de condiţii, adică să se supună legilor generale ale excitabilităţii: 1. Pentru a produce o reacţie din partea celulei, excitantul trebuie să aibă o anumită valoare minimă: intensitate-prag sau liminară. 2. Stimulii subliminari produc doar reacţii locale membranare, ce nu se pot transmite mai departe ca potenţiale de acţiune. Dar, dacă stimulii subliminari acţionează repetat şi cu o frecvenţă care să permită însumarea lor, ei pot genera o reacţie din partea celulei, sub forma unui potenţial de acţiune. 3. Acționând asupra unei singure celule sau asupra unei unităţi funcţionale (neuron, unitate motorie, sinciţiu), un stimul liminar produce o reacţie maximală, iar un stimul superior ca intensitate (supraliminar) produce aceeaşi reacţie ca şi excitantul liminar - legea "tot sau nimic". Această lege nu mai este valabilă în cazul agregatelor supracelulare (de ex. muşchiul scheletic în ansamblul său). 4. Pentru a evita adaptarea structurilor vii faţă de variaţia unei forme de energie, stimulul trebuie să acţioneze cu o anumită bruscheţe pentru a produce o reacţie. 5. Excitarea repetată cu un stimul de aceeaşi natură atrage după sine modificarea temporară a pragului de excitabilitate al celulei faţă de acel stimul (adaptare). 6. Reacţia de răspuns la un stimul nu apare instantaneu, ci după un anumit interval de timp (în general foarte scurt – perioadă de latenţă) necesar desfăşurării proceselor fizico-chimice declanşate de stimul.  Cu excepţia apei, componentele majore ale lichidului extracelular sunt ionii Na+ şi Cl-, în timp ce fluidul intracelular conţine concentraţii mari de K+, anioni proteici şi fosfaţi. Fenomenele ce rezultă din distribuţia și deplasarea acestor particule încărcate electric joacă un rol important în funcţionarea celulelor. Când particule cu încărcătură electrică opusă se află în acelaşi mediu (loc), forţa care le atrage una spre alta poate fi utilizată pentru a efectua un travaliu. Dimpotrivă, pentru a separa aceste particule, trebuie acţionat cu o forţă care să învingă atracţia dintre ele. Deci, sarcinile electrice de sens contrar au potenţialul de a efectua un travaliu, dacă se pot apropia una de alta. Acest potenţial poartă numele de potenţial electric sau, deoarece este determinat de diferenţa de sarcină dintre două puncte, diferenţă de potenţial - pe scurt, potenţial. Diferenţa de potenţial se măsoară în volţi (V), dar în sistemele biologice ea este foarte mică, de aceea se foloseşte ca unitate de măsură milivoltul (mV). Potenţialul membranar de repaus În condiţii de repaus, toate celulele au o diferenţă de potenţial între faţa externă şi cea internă a membranei, cu faţa externă încărcată pozitiv şi faţa internă încărcată negativ. Acesta este potenţialul membranar de repaus (PMR), a cărui mărime variază între -5 şi -100 mV, în funcţie de tipul de celulă (în neuron, este de ordinul a -40 pînă la -75 mV). PMR al celulelor excitabile se poate modifica rapid ca răspuns la o excitaţie, această proprietate fiind esenţială pentru funcţionarea lor. PMR se caracterizează printr-un exces de ioni negativi în interiorul celulei şi un exces de ioni pozitivi în exterior. Sarcinile negative în exces din celulă, nefiind suficiente sarcini pozitive care să le neutralizeze, sunt atrase electric spre excesul de sarcini pozitive de la exterior, şi invers. Astfel, ionii în exces se adună într-un strat subţire la suprafaţa internă şi la cea externă a membranei plasmatice, în timp ce majoritatea mediului extracelular, precum şi cea mai mare parte a citosolului sunt practic neutre din punct de vedere electric (fig. 1). De precizat că numărul de sarcini pozitive şi negative care se aliniază de o parte şi de alta a membranei şi generează diferenţa de potenţial reprezintă o fracţiune infinitezimală din numărul total de sarcini electrice dintr-o celulă. Mărimea PMR este determinată de următorii factori: (1) diferenţa în concentraţiile ionilor de o parte şi de alta a barierei membranare; (2) permeabilitatea diferită a membranei pentru diferite specii de ioni; (3) transportul pasiv (difuziune) al Na+ (influx) şi K+ (eflux) prin membrană, în sensul gradientului de concentraţie; (4) echilibrul Gibbs-Donnan; (5) osmoza; (6) transportul activ al ionilor prin pompa de Na+ / K+. Diferitele mecanisme de transport pasiv şi activ sunt astfel coordonate încât să menţină ionii şi alte substanţe intracelulare la concentraţii compatibile cu Fig. 1. Excesul de sarcini pozitive de la exteriorul viaţa. În consecinţă concentraţiile ionilor din celulei şi excesul de sarcini negative din interior se interiorul celulei nu se echilibrează cu cele din aglomerează în apropierea membranei plasmatice. lichidul extracelular, ci există într-o stare staţionară În realitate, aceste sarcini în exces reprezintă doar o diferită faţă de acesta. De exemplu, concentraţia Na+ mică parte din numărul total de ioni de la exteriorul intracelular (10 mM într-o celulă musculară) este şi din interiorul celulei. mult mai scăzută decît a Na+ extracelular (140 mM), deci sodiul poate intra în celulă prin transport pasiv, difuziune în sensul gradientului de concentraţie. Rata intrării sodiului este egalată de rata transportului activ al sodiului spre exteriorul celulei via pompa de Na+/K+. Astfel, concentraţia intracelulară a sodiului este menţinută la un nivel scăzut şi constant, deşi sodiul intră şi iese în permanenţă din celulă. Procesul este invers pentru ionii de potasiu, care sunt menţinuţi la o concentraţie ridicată în celulă, comparativ cu exteriorul. Ieşirea pasivă a potasiului este contrabalansată de intrarea activă prin pompa de Na+/K+ (fig. 2). 2  Fig. 2. Conceptul de stare staţionară. Rata intrării Na+ în celulă, în sensul gradientului electrochimic, este egalată de rata transportării Na+ spre exterior, prin activitatea pompei de Na+/K+. În acest fel, concentraţia intracelulară a Na+ nu se modifică. În mod similar, rata efluxului pasiv de K+ este egalată de rata introducerii active a K+ în celulă, prin aceeaşi pompă. Energia furnizată prin hidroliza unei molecule de ATP serveşte pentru deplasarea spre exterior a 3 ioni de sodiu şi introducerea în celulă a 2 ioni de potasiu. Atât în interiorul celulei, cât şi în lichidul extracelular există şi alţi ioni: Mg2+, Ca2+, H+, HC03 -, HP04 , S04 2-, grupări amino şi carboxil ale aminoacizilor, anioni proteici mari; dar sodiul, potasiul şi 2- clorul sunt prezenţi în cele mai mari concentraţii şi deci joacă rolul hotărâtor în generarea PMR. Concentraţiile ionilor de Na+, K+ şi Cl- în mediul extracelular şi în citosolul unei celule nervoase sunt prezentate în tabelul 1. Tabelul 1. Distribuţia celor mai importanţi ioni de o parte şi de alta a membranei plasmaticea unei celule nervoase Concentraţia (mM) Ionul Extracelular Intracelular K + 5 150 + Na 150 15 Cl- 110 10 Aşa cum am mai arătat, membrana plasmatică este selectiv permeabilă, lăsând să treacă numai anumiţi ioni sau molecule şi numai în anumite proporţii. Această proprietate poate fi caracterizată prin coeficientul de permeabilitate membranară, particular fiecărei specii chimice (tabelul 2). Tabelul 2. Coeficienţii de permeabilitate pentru principalii ioni implicaţi în realizarea potenţialului membranar de repaus; Prot- = anioni proteici. Ionul Coeficientul de permeabilitate membranară Na+ 0,1 K + 1,0 Cl - 2,0 Prot - 0 Se observă că, pentru fiecare ion de sodiu care intră în celulă, 10 ioni de potasiu părăsesc celula şi 20 de ioni de clor intră, în timp ce anionii mari proteici nu pot părăsi celula. Concentraţia mare a sodiului în lichidul extracelular, precum şi deplasarea ionilor de potasiu în sensul gradientului lor de concentraţie conferă electropozitivitate feţei externe a membranei; anionii proteici, împreună cu influxul de clor conferă electronegativitate feţei interne a membranei. Difuziunea ionilor prin membrană, guvernată de gradientul electrochimic şi de permeabilitatea selectivă, este influenţată şi de prezenţa, în interiorul celulei, a anionilor mari proteici, care nu pot străbate membrana, dar conferă electronegativitate feţei sale interne. Datorită anionilor proteici, între interiorul celulei şi micromediul extern se stabileşte un echilibru cunoscut sub numele de echilibrul Gibbs-Donnan, caracterizat printr-o distribuţie inegală a ionilor difuzibili între două soluţii separate de o membrană, impermeabilă pentru cel puţin o specie ionică (formată din ioni prea mari pentru a străbate membrana). 3  Pentru a înţelege acest fenomen, să considerăm două compartimente lichidiene, separate printr- o membrană permeabilă pentru apă şi electroliţi, dar total impermeabilă pentru o specie ionică (anionii proteici) (fig. 3). Presupunem că, iniţial, în ambele compartimente există doar apă; dacă în compartimentul I se adaugă KCl, K+ şi Cl- vor difuza în compartimentul II, până când concentraţiile lor vor fi egale în cele două compartimente (fig. 3a). Dacă în compartimentul I este adăugată sareade potasiu a unui anion proteic (KA), prezenţa acestuia va modifica echilibrul ionic de o parte şi de alta a membranei (fig. 3b): va atrage în compartimentul I mai mulţi ioni pozitivi (K+) şi mai puţini ioni negativi (Cl-). Astfel, se va menţine electroneutralitatea în fiecare compartiment, dar concentraţiile ionilor difuzibili nu vor mai fi egale în cele două compartimente. Fig. 3. Echilibrul Gibbs-Donnan. (a) – KCl adăugat în compartimentul I difuzează în compartimentul II, până la egalizareaconcentraţiilor celor doi ioni; (b) - prezenţa unui anion nedifuzibil în compartimentul I va modifica raportul de concentraţii al ionilor difuzibili. La un PMR de -70 mV, o valoare caracteristică neuronului, nici sodiul şi nici potasiul nu se află la potenţialul lor de echilibru, deci există un continuu eflux de K+ şi influx de Na+. Cu toate acestea, concentraţia sodiului în interiorul celulei şi a potasiului în lichidul extracelular nu creşte, deoarece sodiul pătruns în celulă şi potasiul ieşit la exterior sunt permanent trimişi înapoi în compartimentele lor printr- un mecanism activ de transport membranar - pompa de Na+/K+ (fig. 4.). Fig. 4. Pompa de Na+/K+. pentru fiecare moleculă de ATP consumată, 3 ioni de sodiu sunt expulzaţi şi 2 ioni de potasiu sunt introduşi în celulă. 4  Acest mecanism are o dublă contribuţie la realizarea PMR: 1) indirectă, prin menţinerea concentraţiilor Na+ şi K+ de o parte şi de alta a membranei; 2) directă, prin faptul că numărul ionilor de sodiu şi de potasiu transportaţi prin membrană nu este egal. Pompa de Na+/K+ funcţionează ca o pompă electrogenă, deoarece scoate din celulă 3 Na+ pentru 2 K+ pe care-i introduce. Acest transport inegal face ca valoarea PMR să fie mai mare decît cea rezultată exclusiv în urma difuziunii ionilor în sensul gradientului de concentraţie. În majoritatea celulelor contribuţia directă, electrogenă a pompei de Na+/K+ la realizarea PMR este mică. Pe lângă sodiu şi potasiu, ionii de clor sunt prezenţi în cantitate mare, mai ales în lichidul extracelular. Membrana plasmatică a majorităţii celulelor este permeabilă pentru Cl-, dar nu are pompe ionice pentru acesta. Potenţialul membranar stabilit de interacţiunile ionice descrise până acum va determina şi deplasarea Cl-. Electronegativitatea din interiorul celulei este forţa care va determina deplasarea Cl- spre exterior, pînă la apariţia unui gradient de concentraţie (concentraţie mai mică de Cl- în interiorul celulei decât la exterior). Forţa gradientului de concentraţie va produce difuzarea Cl- înapoi în celulă, opunându-se astfel forţei de gradient electric. Rezultatul este că potenţialul deechilibru pentru Cl- este egal cu PMR şi Cl- nu contribuie la valoarea potenţialului de membrană. În neuroni, majoritatea sarcinilor negative din interiorul celulei nu se datorează Cl-, ci moleculelor organice, mai ales anionilor mari proteici, care nu pot străbate membrana plasmatică. Modificări ale potenţialului membranar pot fi produse prin alterarea temporară a permeabilităţii membranei pentru anumiţi ioni, sub influenţa unui stimul. Membrana devine polarizată electric, adică are un potenţial diferit de zero. Dacă PMR este punctul de referinţă faţă de care măsurăm modificările de potenţial membranar, trecerea la o stare mai polarizată (cu interiorul membranei mai electronegativ şi exteriorul mai electropozitiv) o numim hiperpolarizare, iar trecerea la o stare mai puţin polarizată (mai aproape de 0 mV) o numim depolarizare (fig. 5). Fig. 5. Hiperpolarizarea şi depolarizarea. Potenţialele deechilibru pentru Na+ şi pentru K+ (ENa= +60 mV; EK= -90 mV) sunt prezentate în relaţie cu PMR (-70 mV) şi cu starea nepolarizată a membranei (punct izoelectric = 0 mV). Canalele ionice Implicate în producerea PA, ele poartă numele de canale voltaj-dependente, deoarece devin operante când se produc modificări ale valorii potenţialului membranar (modificări de voltaj). Deşi există deosebiri între proprietăţile canalelor de Na+ şi de K+ din membrana celulelor nervoase (spre exemplu, canalele de Na+ se deschid mai rapid decât cele de K+ şi se închid instantaneu după un anumit interval de timp, independent de starea de polarizare a membranei, în timp ce canalele de K+ se deschid mai încet şi nu se inactivează spontan, ci continuă să rămână deschise câtă vreme membrana este depolarizată), ambele tipuri de canale sunt considerate canale voltaj-dependente rapide. Vom vedea, la studierea excitabilităţii miocardului, că există în unele celule şi canale voltaj-dependente lente, a căror acţiune, combinată cu cea a canalelor rapide, duce la prelungirea perioadei de depolarizare, ce ia forma unui platou, imediat după atingerea vârfului PA. În stare de repaus, menţinerea PMR, fără apariţia unor variaţii de voltaj, se datorează difuziunii pasive a ionilor prin alt tip de canale, numite canale ionice de scurgere ("leaking" channels). Trecerea ionilor prin aceste canale este determinată de forţele descrise la subcapitolul privind PMR. Unele membrane plasmatice posedă şi un alt tip de canale, ce se deschid în urma legării unei molecule proteice (mediator chimic, hormon) numită ligand la o moleculă receptor ataşată canalului, 5 cu formarea unui complex ligand-receptor. Este cazul membranelor neuronale postsinaptice şi al membranelor celulelor-ţintă pentru diferite specii de hormoni. Asemenea canale poartă numele de canale ligand-dependente (ligand-gated); un exemplu îl reprezintă canalele membranelor postsinaptice ale sinapselor avînd ca mediator chimic acetilcolina (Ach). Legarea Ach la un receptor membranar determină deschiderea canalelor ligand-dependente, sub forma unui por cu diametrul de 0,65 nm, care permite ionilor pozitivi cu diametru mai mic decît al porului să pătrundă în celulă. Canalele mecano-dependente sunt deschise de o modificare mecanică (tracţiune) a membranei plasmatice. Astfel de canale sunt prezente în membranele cililor celulelor senzoriale auditive şi vestibulare, excitate prin îndoirea cililor. Potenţialul de acţiune (PA) Potenţialul de acţiune este o modificare locală (apare la locul de acţiune al unui stimul asupra membranei celulare) şi rapidă a potenţialului membranar, cu durată redusă (1 ms pentru neuron), timp în care potenţialul se poate modifica cu peste 100 mV şi membrana se poate repolariza, refăcând PMR. Numai celulele nervoase, musculare şi unele celule glandulare au membrane plasmatice capabile de a produce PA. Aceste membrane se numesc excitabile, iar proprietatea lor de a produce PA se numeşte excitabilitate. În cadrul sistemului nervos, informaţia poate circula în organism la distanţe mari, sub forma PA (impuls nervos). Bazele ionice ale generării PA. Mecanismele modificării de permeabilitate membranară. În cazul formării PA, apare o modificare temporară a permeabilităţii membranare, în timp ce gradientul de concentraţie rămîne neschimbat şi dirijează sensul de deplasare al ionilor. În stare de repaus, în membrana celulei sunt deschise mai ales canale de K+ şi de Cl- şi doar foarte puţine canale de Na+. Din această cauză PMR este mai apropiat de potenţialul de echilibru al potasiului decât de cel al sodiului. În timpul generării unui PA şi apoi a revenirii la polaritatea de repaus a membranei, distingem două evenimente majore - depolarizarea şi repolarizarea - care se petrec în mai multe etape (fig. 6). 1. Depolarizarea lentă. La locul de acţiune a stimulului, în membrană se deschid canale voltaj- dependente pentru Na+ şi influxul de Na+ devine treptat mai mare decât în perioada de repaus. Înacelaşi timp, conductanţa membranei pentru K+ scade la zero şi pompa de Na+/K+ nu mai funcţionează. Rezultatul este o scădere a PMR de la -70 la -55 mV, membrana trecând într-o stare mai puţin polarizată. 2. Depolarizarea rapidă. Inversarea polarităţii. Printr-un mecanism de feed-back pozitiv (fig. 7), pătrunderea Na+ în celulă determină deschiderea tuturor canalelor voltaj-dependente pentru Na+ existente în acea zonă a membranei, permeabilitatea pentru acest ion crescând de sute de ori.Astfel polaritatea membranei scade vertiginos până la atingerea punctului izoelectric (când numărul sarcinilor pozitive şi negative de o parte şi de alta a membranei se neutralizează reciproc), apoi se inversează, membrana devenind electropozitivă pe faţa internă şi electronegativă pe faţa externă. În această fază se dezvoltă vârful (spike-ul) PA, care ajunge, în celula nervoasă, la aproximativ +30 mV, aproape de valoarea potenţialului de echilibru al sodiului. Declanşarea depolarizării rapide este dependentă de atingerea pragului de depolarizare, care pentru neuron este minim în membrana conului axonic (locul emergenței axonului din corpul celular), la -55 mV. În celula nervoasă, PA durează aproximativ 1 ms, dar poate fi mult mai lung în anumite tipuri de celule musculare. 3. Repolarizarea rapidă. Potenţialul membranar revine rapid aproape de nivelul său de repaus, datorită: (a) închiderii canalelor pentru Na+ care au fost deschise pe durata depolarizării rapide;astfel sodiul pătruns în etapa precedentă rămâne prizonier în celulă; (b) deschiderii canalelor voltaj- dependente pentru K+. Efluxul masiv de K+ reface rapid electropozitivitatea feţei externe a membranei. 4. Repolarizarea lentă (postrepolarizarea sau postpotenţialul negativ, după denumiri mai vechi) apare ca o întârziere a repolarizării şi se datorează excesului de sarcini pozitive ale ionilor de sodiu sechestraţi în celulă prin închiderea canalelor pentru sodiu. Acesta nu poate fi compensat în totalitate prin ieşirea K+, a cărui conductanţă a atins deja valoarea maximă şi începe să scadă. Această etapă durează 2-3 ms. 5. Posthiperpolarizarea (postpotenţialul pozitiv) este o creştere a diferenţei de potenţial transmembranar peste valoarea PMR, putând ajunge pînă la -80 mV. În acest moment reintră în funcţie pompa de Na+/K+, care scoate activ 3 Na+ din celulă și reintroduce 2 K+. Astfel în interiorul celulei se creează un deficit temporar de sarcini pozitive, ceea ce determină hiperpolarizarea membranei pentru o durată de câteva zeci de ms. 6 Fig. 6. Potenţialul de acţiune al neuronului şi modificările de excitabilitate membranară care-l însoţesc. PRA = perioada refractară absolută; PRR = perioada refractară relativă; E = excitabilitatea (variază între 100% şi 0). 7  Fig. 7. Relaţia de feed-back pozitiv dintre depolarizarea membranei şi creşterea permeabilităţii pentru sodiu. Ca urmare a implicării, în această etapă, a mecanismului de transport activ prin pompa ionică, se înregistrează o creştere a consumului energetic al celulei excitabile, însoţită de eliberare de căldură. Pe măsură ce pompa ionică scoate Na+ şi reintroduce K+ în celulă, permeabilitatea membranei revine la normal şi la sfârşitul posthiperpolarizării potenţialul transmembranar se restaurează la valoarea PMR (-70 mV, pentru celula nervoasă). Putem observa că, după generarea unui PA ca urmare a acţiunii unui stimul, revenirea membranei celulare la starea de polarizare caracteristică repausului (PMR) nu se face dintr-o dată şi nici în mod liniar. Dacă, în celula nervoasă, dezvoltarea unui PA necesită doar 1 ms, restaurarea PMR la valoarea de -70 mV se atinge abia după 40-50 ms sau chiar mai mult, iar curba potenţialului electric evoluează, după faza de repolarizare rapidă, în mod sinusoidal, apropiindu-se de valoarea PMR prin oscilaţii deasupra şi dedesubtul acestei valori. În fapt, această modalitate de reacţie este specifică majorităţii proceselor biofizice, biochimice şi fiziologice (şi nu numai: la nivelul sistemelor supraindividuale, legile ecologice se manifestă în acelaşi mod). Dacă privim stimulul ca pe un factor perturbant al stării staţionare de polarizare de repaus a membranei celulare (PMR), iar PA ca fiind rezultatul acestei perturbări, revenirea sistemului (celulei) la starea staţionară iniţială se face încet şi poate fi reprezentată grafic sub forma unei sinusoide. Modificările excitabilităţii membranare în timpul generării PA În perioada de repaus, când nici un stimul nu acţionează asupra membranei, aceasta are o diferenţă de potenţial transmembranar de -70 mV şi o excitabilitate de 100 % (normală). Orice stimul liminar sau supraliminar va modifica permeabilitatea membranei pentru ioni, va deschide canalele voltaj-dependente pentru Na+ şi va depolariza membrana, generând un PA. La un nou stimul, venit în timpul producerii acestui PA, membrana se va comporta în mod diferit, în funcţie de etapa în care se află PA şi de intensitatea noului stimul (fig. 6). În faza (1) de depolarizare lentă, excitabilitatea membranară creşte uşor peste normal (hiperexcitabilitate), fenomen datorat, în unele cazuri, sumaţiei mai multor stimuli subliminari iar în alte cazuri unui singur stimul, de valoare prag sau peste prag. În etapa (2) de depolarizare rapidă, excitabilitatea membranei scade brusc la zero; acum sunt deschise toate canalele voltaj-dependente pentru sodiu din zona membranară excitată, există un influx masiv de Na+, astfel încât membrana nu mai are resurse pentru a răspunde la un nou stimul care ar acţiona în această perioadă (nu mai poate deschide în acea zonă a membranei noi canale de Na, deoarece toate sunt deja deschise). Aceasta este perioada refractară absolută (PRA). Importanţa PRA constă în aceea că ea determină numărul de PA care pot fi generate în unitatea de timp într-o membrană excitabilă (labilitatea). Cu cât PRA este mai scurtă, labilitatea neuronului creşte. Majoritatea celulelor nervoase pot produce până la 100 PA/s, iar unele pot lucra, pentru perioadescurte de timp, chiar la frecvenţe mai mari. Pe aproape toată durata fazei (3) de repolarizare rapidă, excitabilitatea rămâne la zero (PRA): acum canalele pentru Na+ sunt închise (s-au închis la finele depolarizării rapide), dar nu se pot redeschide imediat. La finele fazei (3) excitabilitatea membranei începe să crească treptat, pe măsură ce repolarizarea avansează. Canalele pentru Na+ s-au închis în totalitate în momentul de vârf al PA, au stat închise un foarte scurt interval şi acum sunt disponibile pentru a genera un nou PA. Este perioada 8 refractară relativă (PRR), în care un stimul prag nu produce PA, dar un stimul supraliminar are această posibilitate. PRR corespunde cu permeabilitatea membranei pentru K+ (eflux al acestui ion);un stimul supraliminar poate deschide mai multe canale pentru Na+, astfel încât influxul de sodiu să întreacă efluxul de potasiu şi să permită intrarea în funcţie a mecanismului de feed-back pozitivdescris anterior. Procesul de creștere treptată a excitabilității continuă în faza (4) de repolarizare lentă și în timpul posthiperpolarizării (5), membrana devenind din ce în ce mai excitabilă. Odată cu refacerea PMR, şi excitabilitatea membranei revine la normal (100%). Potenţiale locale Potenţialele locale (PL) sunt modificări ale potenţialului membranar care privesc doar o mică regiune a membranei şi „mor” la 1-2 μm distanţă de locul de origine. Ele pot apărea fie sub forma unei depolarizări, fie sub forma unei hiperpolarizări şi sunt produse de stimuli subliminari. Se mai numesc şi "potenţiale gradate" pentru că au amplitudine variabilă, proporţională cu intensitatea stimulului. Curentul local "curge" aşa cum curge apa de-a lungul unui furtun fisurat. Se pierd sarcini de-a lungul membranei pentru că membrana este în continuare permeabilă pentru ioni, iar rezultatul este descreşterea curentului cu distanţa. Altfel spus, propagarea PL se face decremental. La apariţia unui PL, va exista un schimb de sarcini electrice între locul său de origine şi regiunile adiacente ale membranei, aflate în stare de repaus. Astfel, PL creează curent electric în lichidul extracelular şi în fluidul intracelular, curenţi care sunt proporţionali cu amplitudinea potenţialului. Prin convenţie, direcţia de deplasare a sarcinilor pozitive este considerată direcţia de deplasare a curentului. Pe faţa internă a membranei, sarcinile pozitive se vor depărta de locul excitării, spre zone mai negative, caracteristice PMR. Pe faţa externă a membranei, sarcinile pozitive se vor îndrepta dinspre regiunile pozitive adiacente spre locul de excitare, mai electronegativ. Acest curent local scade gradul de separare a sarcinilor (depolarizare) în regiunile din jurul zonei uşor depolarizate prin excitarea cu stimulul subliminar. Curentul local este purtat de ioni ca K+, Na+, Cl- şi HC03-. Întrucât PL nu are prag de depolarizare (depolarizările locale pot fi produse de stimuli mult mai slabi decât un stimul liminar) şi nici perioadă refractară (frecvenţa de acţiune a stimulilor poate fi foarte mare, deoarece modificările în încărcătura membranară sunt mici şi nu necesită mecanisme speciale pentru restaurarea stării de repaus), ele se pot însuma şi pot atinge astfel pragul de depolarizare necesar pentru generarea unui PA (fig. 8). Sumaţia poate fi temporală, dacă în aceeaşi regiune a membranei se aplică succesiv, cu frecvenţă mare, stimuli subliminari, sau spaţială, dacă se aplică simultan stimuli subliminali în puncte foarte apropiate ale membranei. Proprietăţile PL şi PA sunt prezentate comparativ în tabelul 3. 9  După localizare sau după funcţia pe care o îndeplinesc, distingem mai multe tipuri de PL: - potenţiale de receptor, care se nasc, sub influenţa stimulilor specifici, în celulele receptoare ale analizatorilor şi pot fi potenţiale generatoare (PG) sau receptoare (PR), după cum celula receptoare este un neuron sau o celulă epitelială senzorială; - potenţiale postsinaptice, care apar în membrana postsinaptică şi pot fi excitatoare (PPSE) sau inhibitoare (PPSI), după cum se produc prin depolarizarea, respectiv prin hiperpolarizarea membranei; - un tip special de potenţial postsinaptic este potenţialul local terminal de placă (PLTP), generat la membrana postsinaptică a plăcii motorii; Fig. 8. La catod se pot genera PA prin însumarea unor potenţialelor locale produse de stimuli subliminali ce nu depăşesc 80% din intensitatea stimulului prag. La anod, însumarea acestor PLproduce o stare de hiper- polarizare a membranei. IS – intensitatea stimulilor subliminali, ca procente din intensitatea stimulului prag. - potenţialele produse în mod spontan, în absenţa unui excitant extern, de celulele pace- maker generatoare de automatism din ţesutul nodal excitoconductor al inimii, de unele celule musculare ale intestinului subţire sau de neuroni din centrii inspiratori bulbari. Importanţa fiziologică a PL este deosebită, deoarece reprezintă, la sinapse, unica modalitate de comunicare între celulele excitabile şi creează, prin sumaţie, condiţiile necesare iniţierii PA. 10  Tabelul 3. Proprietăţile PL şi PA Potenţiale locale Potenţiale de acţiune 1. Amplitudinea este proporţională cu intensitatea l. Amplitudinea este maximă (independentă de stimulului. Nu se supun legii "tot sau nimic". intensitatea stimulului) dacă a fost atins pragul de depolarizare. Se supun legii "tot sau nimic". 2. Nu au prag de depolarizare. 2. Au un prag de depolarizare de 10-15 mV. 3. Nu au perioadă refractară. 3. Au perioadă refractară, absolută şi relativă. 4. Se pot însuma. 4. Nu se pot însuma. 5. Sunt conduse decremental, amplitudinea scade 5. Sunt conduse nedecremental, amplitudinea cu distanţa. rămâne constantă. 6. Durata variază în funcţie de condiţiile iniţiale. 6. Durata este constantă, specifică tipului celular. 7. Pot fi depolarizări sau hiperpolarizări. 7. Sunt depolarizări. 8. Pot fi iniţiate de stimuli din mediu (în celule 8. Sunt iniţiate de depolarizarea membranei până receptoare), de mediatori chimici (la nivelul la pragul de depolarizare. sinapselor) sau spontan. 9. Codifică intensitatea stimulului în amplitudine. 9. Codifică intensitatea stimulului în frecvenţă. 11