Fiziologie Animală - Potențialul de Membrană (PDF)

Fiziologie animală Potențialul de membrană. Membrane excitabile Între interiorul celulei şi lichidul extracelular există o diferenţă de potenţial numită potenţial de membrană. Funcţiile majorităţii celulelor pot fi controlate prin variaţiile acestui potenţial. Modificările potenţialului de membrană pot fi considerate ca unităţi de informaţie, care ajută organismul în coordonarea activităţilor exercitate de grupuri celulare. De exemplu, informaţiile generate de acţiunea factorilor de mediu ajung într-un centru nervos unde sunt prelucrate şi vor fi folosite de organism în vederea adaptării la mediu. La baza tuturor funcţiilor se află potenţialul de repaus al membranei şi modificările acestui potenţial, care sunt transmise prin celule. În continuare vom prezenta modul de generare al potenţialului de membrană şi condiţiile care guvernează modificările sale. Potențialul de repaus Măsurarea potențialului de membrană Diferența de potențial dintre interiorul unei celule și lichidul interstițial – potențialul de membrană – poate fi măsurată prin racordarea unui pol al instrumentului de măsurat cu interiorul unei celule, iar celălalt pol cu spațiul extracelular. Aparatul de măsură este legat de preparatul de testat prin intermediul electrozilor. Se utilizează microelectrozi (capilare) de sticlă, având vârful foarte fin (de aproximativ 1μm), umpluți cu un electrolit (KCl). Fig. 5. A- modul de plasare al electrozilor în vederea măsurării potenţialului extracelular sau intracelular; B-potenţialul de membrană înainte şi după pătrunderea electrodului în celulă Dacă ambii electrozi sunt plasați în spațiul extracelular, nu se înregistrează diferențe de potențial. Potențialul spațiului extracelular este considerat a fi 0. Primul tip de fenomen electric poate fi observat de îndată ce microelectrodul străbate membrana celulară. În momentul respectiv se înregistrează o cădere bruscă de potențial în direcție negativă până la cca. -75mV. Deoarece diferența de potențial apare numai în momentul străpungerii membranei, potențialul se numește potențial de membrană. La majoritatea celulelor potențialul de membrană rămâne constant un timp îndelungat, cu condiția ca asupra celulei să nu se exercite influențe externe. Când celula se află în această stare (nu sunt stimuli), potențialul de membrană se numește potențial de repaus. În celulele musculare sau în neuroni potențialul de repaus este întotdeauna negativ și are o amplitudine constantă. În fibrele musculare mari și în fibrele nervoase groase valoarea lui este de cca. -90mV. În fibrele mai subțiri cum sunt cele ale musculaturii netede și ale majorității neuronilor sistemului nervos central (SNC), potențialul de repaus are valori cuprinse între -40/-60mV. Activitatea bioelectrică este modaliattea de bază folosită de neuroni pentru a comunica între ei sau a transmite diferite comenzi. Cu cât rata descărcării electrice e mai mare, cu atât este perceput mai intens stimulul. Comunicările neuronale reprezintă mecanisme de inițiere a potențialelor electrice și a curenților. Potențialul electric este diferența concentrației unor ioni între cele 2 fețe ale membranei și poate fi de repaus, de acțiune, de platou, etc. Celulele vii sunt polarizate. Celula excitabilă are capacitatea de a răspunde la stimuli prin potențial de membrană. Originea potențialului de repaus Înainte de a explica originea potențialului de repaus, trebuie precizate următoarele: 1) Membrana nervului prezintă o pompă Na-K, reprezentată de ATP-ază Na+-K+ dependentă, Na fiind pompat în exterior, iar K în interior, deci împotriva gradientului de concentrație. Pompa electrogenă, deoarece pentru fiecare moleculă de ATP hidrolizat se pompează spre exterior 3Na și spre înterior 2K. Prin intervenția pompei Na-K se realizează transmembranar gradientul de concentrație al Na-K, sodiul extracelular fiind de cca 10 ori mai concentrat decât intracelular (142 mEq/l / 14 mEq/l), potasiul intracelular fiind de cca 35 de ori mai concentrat decât extracelular (4 mEq/l / 140 mEq/l) Fig. 6. Caracteristicile funcţionale ale pompei Na+-K+ şi ale canalelor e „curgere” a K+-Na+ (după Guyton, 2006) Fig. 7. Stabilirea potenţialului de repaus în trei condiţii separate: A-contribuţia adusă numai de difuzia potasiului; B-contribuţia adusă de difuzia potasiului şi a sodiului; C- contribuţia difuziei sodiului şi a potasiului şi transportul activ prin pompa de Na+-K+ (după Guyton, 2006) 2) Membrana este prevăzută cu proteine transportoare prin care ionii de Na și K se pot scurge conform gradientului de concentrație. Canalele din aceste proteine se numesc canale de pierdere sau curgere a potasiului-sodiului, în special a K, pentru care canalul este de cca 100 ori mai permeabil. Canalele de pierdere permit difuzia pasivă a cationilor conform sensului gradientului de concentrație. 3) În interiorul fibrei nervoase se găsește un număr mare de anioni reprezentați în special prin proteine și compuși fosfați și sulfați organici, care nu pot difuza prin canalele membranare. Deoarece nu pot părăsi interiorul axonului, orice deficit de sarcini pozitive din interiorul membranei produce un exces de ioni negativi. Din această cauză ionii negativi impermeabili sunt responsabili de încărcarea negativă a interiorului fibrelor. Potențialul membranar de repaus poate fi considerat ca reprezentând suma potențialelor de echilibru pentru principalii ioni aflați în mediu extra- și intracelular, în funcție de permeabilitatea membranei pentru fiecare tip de ion. Potențialul de echilibru al unui ion E reprezintă diferența de potențial realizată de repartiția la echilibru a unui ion pe cele 2 fețe ale membranei, potențial care poate fi calculat cu ajutorul ecuației Nernst. Pentru ionii de K, potențialul de echilibru e egal cu: EK x zF= EK=(RT/zF) x ln în care EK (mV) reprezintă potenţialul de echilibru pentru ionul de K+, R este o constantă gazoasă, T este temperatura absolută (exprimată în grade pe scara Kelvin), z este valenţa ionului (1), F este constanta Faraday, [K0] este concentraţia ionului de K+ la interior şi [K1] este concentraţia ionului de K+ la exterior. Deoarece este mult mai simplu să se efectueze calcule utilizând logaritmii zecimali şi să se realizeze experimentele la temperatura camerei, această ecuaţie se poate simplifica astfel: EK= Deoarece K+ poate difuza ușor prin membrana celulei, rezultă, conform, ecuației Nernst, că valoarea potențialului de repaus este dată în întregime de diferența concentrațiilor ionilor de K + pe cele două fețe ale membranei. Potențialul de membrană de repaus calculat teoretic pe baza ecuației Nernst dă o valoare de -94 mV. Această cifră este apropiată de valoarea medie de circa -90 mV, care se înregistrează experimental. Deci, potențialul de repaus poate fi considerat ca un potențial de difuzie al K+.Diferenţa dintre valoarea potenţialului de difuzie al K+ (-94 mV) şi cea obţinută experimental (-90 mV) se datorează, pe de o parte, influxului redus de Na+ prin canalele de pierdere sodiu-potasiu, care ridică potenţialul la -86 mV (deci cu +8 mV), iar pe de altă parte, intervenţiei pompei electrogene Na+-K+, care contribuie cu circa -4 mV, valoarea rezultată în final ajungând la -90 mV. Potențialul de acțiune Potențialul de membrană își păstrează valoarea constantă de -90mV atâta timp cât membrana fibrei nervoase nu este deranjată. Orice factor care modifică permeabilitatea membranei pentru unii ioni produce o secvență de modificări rapide în potențialul de membrană, determinând apariția potențialului de acțiune, care durează câteva fracțiuni de secundă, după care revine la valoarea inițială. Potenţialele de acţiune apar la nivelul membranei celulelor nervoase şi musculare, la nivelul receptorilor şi al celulelor secretoare, precum şi la protozoare. Ele îndeplinesc două funcţii majore: 1) transmit rapid informaţia pe distanţe mari în fibrele nervoase şi musculare şi 2) controlează răspunsurile efectorilor ca, de exemplu, contracţia musculară sau secreţia neurotransmiţătorilor şi a hormonilor. În figura 8 sunt indicaţi termenii diferitelor faze ale potenţialului de acţiune. Potenţialul de acţiune începe printr-o modificare pozitivă foarte rapidă, denumită faza ascendentă („upstroke”), care durează în fibrele musculare şi nervoase ale homeotermelor circa 0,2-0,5 ms. În faza ascendentă celula pierde sarcinile negative de repaus, sau polarizarea ei, din care cauză se numeşte faza de depolarizare. La majoritatea celulelor faza de depolarizare se continuă dincolo de zero, spre potenţialul pozitiv. Porţiunea pozitivă a potenţialului de acţiune se numeşte „overshoot” sau potenţial inversat. Diferenţa de potenţial între valoarea de repaus şi vârful potenţialului se numeşte spike potential (potenţialul de vârf). Odată cu atingerea vârfului potenţialului, potenţialul de acţiune revine spre potenţialul de repaus. Acest proces se numeşte repolarizare, deoarece are loc refacerea polarităţii normale a membranei. Spre sfârşitul potenţialului de acţiune apar postpotenţialele (iniţial negativ şi apoi postpotenţialul pozitiv). Potenţialul de acţiune apare numai în momentul când potenţialul de repaus creşte în măsură suficientă, aptă să declanşeze reacţiile în lanţ, care duc la apariţia potenţialului de acţiune. De regulă, este necesară o creştere bruscă a potenţialului cu 15-30 mV. De exemplu, în fibrele nervoase groase este necesară o creştere a potenţialului de la –90mV la -65 mV. Acest nivel de -65mV se numeşte prag de excitare. După atingerea pragului, potenţialul de acţiune se dezvoltă sub o formă explozivă, fiind independent de intensitatea stimulului care l-a declanşat. Pentru un stimul dat, axonul răspunde printr-un potenţial de acţiune maximal, sau nu răspunde deloc, de un mod de comportare supus legii „totul sau nimic”. Potenţialul de acţiune al unui axon nu are întotdeauna aceeaşi amplitudine, deoarece rezervele energetice ale axonului pot fi influenţate de numeroşi factori. Totuşi, pentru o anumită stare dată, axonul va reacţiona la un stimul prag printr-un răspuns maxim. Deci, potenţialul de acţiune poate fi definit ca o succesiune stereotipă a depolarizării şi repolarizării membranei, care are loc ori de câte ori membrana este depolarizată dincolo de potenţialul de prag. Potenţialul de acţiune sub formă de platou Acest tip de potenţial de acţiune se observă la muşchiul cardiac, unde platoul durează 0,2-0,3s. Durata mare a platoului este determinată de diferiţi factori. În primul rând, în fibra miocardului depolarizarea este determinată de două tipuri de canale: 1) canale obişnuite de Na+ voltaj-dependente, numite canale rapide şi 2) canale de Ca2+-Na+ voltaj-dependente, care se activează lent şi de aceea sunt numite canale lente. Activarea canalelor rapide determină apariţia vârfului potenţialului, în timp ce activarea lentă şi prelungită a canalelor de Ca2+-Na+ permite pătrunderea Ca2+ în fibra nervoasă, ceea ce determină menţinerea platoului. Un alt factor responsabil de apariţia platoului este reprezentat de faptul că activarea canalelor de K+ voltaj-dependente nu are loc decât spre sfârşitul platoului, ceea ce întârzie instalarea repolarizării. TRANSMITEREA SINAPTICĂ Informaţia este transmisă la nivelul SNC printr-o înlănţuire de neuroni. În timpul transmiterii impulsurilor prin SNC, ele pot fi: 1) blocate; 2) transformate din impuls unic în impulsuri repetate (salve de impulsuri) sau 3) integrate cu impulsurile provenite de la alţi neuroni, determinând în neuronii succesivi un model complicat de impulsuri. Toate aceste funcţii pot fi clasificate ca funcţii sinaptice. Sinapsele pot fi chimice sau electrice. ANATOMIA FUNCŢIOANLĂ A SINAPSEI CHIMICE NEURO-NEURONALE Sinapsa neuro-neuronală reprezintă zona unde are loc transmiterea informaţiei de la un neuron la altul. La acest nivel cei doi neuroni intră în contiguitate, axonul unuia din ei (neuronul presinaptic) terminându-se pe corpul celulei, dendritele sau axonul celuilalt neuron (neuronul postsinaptic) prin nişte butoni sinaptici. În funcţie de zona neuronului postsinaptic cu care se realizează contactul, sinapsele pot fi axo-dendritice, axo-somatice sau axo-axonice. Au fost descrise şi sinapse dendrodendritice, dendrosomatice, somatodendritice, somatosomatice. Neuronii diferă prin forma şi mărimea corpului celular, dimensiunile şi numărul dendritelor, dimensiunea axonului, numărul terminaţiilor presinaptice la nivelul unui singur neuron, care pot oscila între 100 şi câteva mii, din care circa 80-90% sunt localizate pe dendrite iar restul pe soma sau axon. Toate aceste diferenţe fac ca neuronii din diverse zone ale SNC să reacţioneze la impulsurile aferente într-un mod diferit şi să efectueze funcţii diferite. Forma sinapselor chimice este foarte diferită. Sub aspect funcţional, toate tipurile de sinapse chimice prezintă următoarele părţi comune (Fig. 10): înainte de joncţiune axonul dobândeşte o formă de buton (buton sinaptic). Butonul sinaptic conţine două structuri caracteristice, având rol în transmiterea impulsului: vezicule sinaptice şi mitocondrii. Veziculele conţin mediatorul chimic excitator sau inhibitor. Mitocondriile generează ATP-ul necesar resintezei mediatorului, care trebuie refăcut foarte rapid, deoarece cantitatea de mediator depozitată în vezicule poate fi consumată în câteva secunde sau minute, în funcţie de activitatea sinaptică. Sinteza mediatorului (neurotransmiţătorului) are loc atât la nivelul somei neuronale, cât şi la nivelul terminaţiei butonate. Între membrana pre- şi postsinaptică există un spaţiu sinaptic (fanta sinaptică) de 200-300 Å, în care au fost puse în evidenţă nişte filamente ce asigură adezivitatea regiunii presinaptice şi ar reprezenta un sistem de ghidaje pentru moleculele de mediator care îl traversează. Regiunea postsinaptică prezintă o porţiune diferenţiată a membranei şi citoplasmei periferice a elementului postsinaptic. Membrana postsinaptică este mai densă electronooptic şi conţine structuri receptoare caracteristice mediatorului. Eliberarea mediatorului. Când potenţialul de acţiune ajunge la nivelul butonului terminal, depolarizarea butonului determină golirea unui număr de vezicule în spaţiul sinaptic. Mediatorul eliberat, acţionând asupra receptorului de pe membrana postsinaptică, induce la acest nivel modificări de permeabilitate caracteristice receptorului dat. Rolul ionilor de calciu în eliberarea mediatorului. Depolarizarea membranei butonului terminal determină, în afara pătrunderii Na+, şi un influx masiv de Ca2+. Ionii de Ca2+ din mediul extracelular pătrund în oarecare măsură prin canalele de Na+ voltaj-dependente, deschise de potenţialul de acţiune. Majoritatea calciului pătrunde prin canalele specifice de Ca2+ voltaj-dependente, care se deschid cu o oarecare latenţă. Ionii de calciu pătrunşi în butonul terminal se combină cu calmodulina, un receptor intracelular de calciu, care determină combinarea veziculelor sinaptice din vecinătatea membranei presinaptice, fuziunea membranelor urmată de golirea conţinutului în spaţiu sinaptic prin exocitoză. După golirea conţinutului vezicular prin exocitoză, membrana veziculelor va fi încorporată în structura membranei presinaptice, din care ulterior se vor forma noi vezicule, care se încarcă cu mediator. INACTIVAREA MEDIATORULUI CHIMIC Inactivarea mediatorului este procesul prin care se realizează scoaterea din circulaţie a mediatorului eliberat, în vederea reluării ciclului la stimulul următor. Viteza deosebit de mare cu care se realizează acest proces presupune existenţa unor mecanisme multiple. Acestea sunt: Inactivarea postsinaptică. Este realizată cu ajutorul enzimelor hidrolizante din membrana postsinaptică. Aceste enzime, plasate de regulă în imediata apropiere a receptorilor, desfac complexul mediator-receptor pe măsură ce acesta se formează. Captarea postsinaptică: o parte din mediatorul care nu a fost fixat pe receptori este captat de structura postsinaptică şi trecut în citoplasmă acesteia, unde se inactivează. Difuzia extrasinaptică: o parte din mediatorul eliberat difuzează în mediul extracelular, unde este inactivat de enzime hidrolizante cu sediul extracelular sau captat de celule extrasinaptice (nevroglii, celule musculare, etc.). Recaptarea: elementul nervos presinaptic captează o parte din mediatorul eliberat în vederea reutilizării sau inactivării. Recaptarea se observă bine în cazul sistemului nervos simpatic pentru recaptarea acetilcolinei (Fig. 12). Gradul în care fiecare procedeu este utilizat diferă de la un mediator la altul. Fig. 12. Metabolismul acetilcolinei la nivelul terminaţiilor colinergice. Sinteza acetilcolinei din colină şi acetil CoA are loc în prezenţa colin-acetiltransferazei. Acetil CoA provine din piruvat, generat prin glicoliză, iar colina este transportată la nivelul terminaţiilor sinaptice prin intermediul unui transportor comun cu Na+. Acetilcolina este depozitată în vezicule prin intermediul unui transportor vezicular. După eliberare, acetilcolina este rapid metabolizată de acetilcolinesterază, iar colina este recaptată în terminaţia presinaptică (după Purves, 2004) NATURA MEDIATORILOR CHIMICI Au fost propuse circa 100 de substanţe diferite având rol de mediator chimic. În general ele pot fi incluse în următoarele clase sau tipuri (tabel 2): Tabel 2. Neurotransmiţători (după Webster, 2001) Grupuri Exemple 1. Acetilcolina Acetilcolina 2. Monoamine Dopamina, Noradrenalina, Adrenalina, Serotonina, Histamina 3. Aminoacizi Glutamat, acidul gamma-aminobutiric (GABA), Glicina 4. Peptide Encefaline, Endorfine, Colecistokinina, Substanţa P 5. Purine Adenozin trifosfat (ATP), Adenozina Pe lângă grupurile amintite anterior, mai există şi alte substanţe care pot fi considerate drept neurotransmiţători, pe baza activităţii lor la nivelul sistemului nervos central, şi anume: Steroizii (Pregnenalona, Dehidroepiandrosteronul), Oxidul Nitric şi Eicosanoidele (Prostaglandinele). Acetilcolina. Este secretată de neuroni din diverse zone ale sistemului nervos, în special neuronii piramidali din neocortexul motor, mulţi neuroni din ganglionii bazali, motoneuronii ce inervează fibrele musculare striate, neuronii preganglionari de la ambele sisteme vegetative, neuronii postganglionari parasimpatici, etc. Căile nervoase colinergice sunt evidenţiate în figura 13. Majoritatea corpilor neuronali sunt prezenţi în nucleii mezencefalici: nucleul bazal al lui Meynert, nucleul bandei diagonale al lui Broca şi nucleul preoptic magnocelular. Axonii neuronilor din aceste zone inervează în special neocortexul şi hipocampul. Hipocampul primeşte majoritatea proiecţiilor colinergice, având rol în special în memoria de scurtă durată. Fig. 13. Căile colinergice din creierul de şobolan (secţiune parasagitală). 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 medială, OB- bulb olfactiv, OT- tubercul olfactiv, RF- formaţia reticulată, SM- stria medulară, TH- talamus, TR-formaţia reticulată tegmentală În majoritatea cazurilor acetilcolina determină efecte excitatorii, dar la nivelul efectorilor periferici poate avea şi efecte inhibitorii (miocard). În general, efectul excitator sau inhibitor al mediatorului depinde nu numai de natura mediatorului, ci şi de tipul receptorilor de pe membrana postsinaptică. Acetilcolina poate acţiona asupra a două tipuri de receptori: 1) receptori nicotinici (efectul poate fi imitat de concentraţii scăzute de nicotină), care determină efecte rapide, cu depolarizări excitatorii, ca în cazul sinapselor neuromusculare sau a ganglionilor simpatici şi 2) receptori muscarinici (efectul poate fi imitat de muscarină), care pot cauza efecte lente, excitatorii sau inhibitorii, ca în cazul inimii de la vertebrate. Monoamine. Au ca principal mod de acţiune cel metabotrop. Ele interacţionează cu receptori, prin care declanşează modificări chimice în membrana postsinaptică, care pot produce efecte de scurtă durată (modificări ale permeabilităţii membranei la ioni), sau modificări trofice şi plastice de lungă durată. Catecolaminele: acţionează asupra receptorilor presinaptici, numiţi autoreceptori presinaptici şi asupra receptorilor postsinaptici tipici. Autoreceptorii sunt localizaţi la nivelul membranei presinaptice şi reacţionează tot la mediatorul eliberat în fanta sinaptică. Activarea acestui tip de receptor intervine în autoreglarea sintezei şi/sau secreţiei mediatorului, inhibând, de regulă, eliberarea lui exagerată. Noradrenalina (NA). Este secretată de neuroni având corpii celulari localizaţi în hipotalamus şi trunchiul cerebral. Neuronii adrenergici din nucleul pontin („locus coerulens” – A6) (Fig. 14) proiectează în diverse zone corticale, având rol în controlul activităţii globale a scoarţei cerebrale şi a afectivităţii. În majoritatea cazurilor determină excitarea, dar în unele zone determină efecte inhibitorii. NA se secretă şi de către majoritatea fibrelor postganglionare simpatice, având efecte excitatorii sau inhibitorii. Receptorii NA sunt receptorii alfa şi beta, fiecare tip de receptori fiind subdivizat în alfa1A, alfa1B, alfa 1D şi alfa2A, alfa2B, alfa 2C şi, respectiv, beta1, beta2 şi beta3 (Alexander şi colab., 2001). Receptorii afla nu sunt cuplaţi cu adenilatciclaza, în timp ce receptorii beta sunt cuplaţi, determinând efecte cu latenţă mai mare. Fig. 14. Căile noradrenergice. O cale importantă îşi are origine în locus coeruleus (A6) şi proiectează în alte zone nervoase. Alţi nuclei noradrenergici (A1, A2, A5 şi A7) sunt situaţi pe partea ventrală a trunchiului cerebral Dopamina (DA). Este secretată de neuronii din substanţa neagră (A8, A9) (Fig. 15), care proiectează în ganglionii bazali. Se află şi la nivelul eminenţei mediane, altor zone hipotalamice, sistemului limbic, unor zone neocorticale, etc. De regulă, neuronii dopaminergici au efecte inhibitorii. Se pare că sunt cel puţin 5 tipuri de receptori dopaminergici (D1-D5) (Alexander et al., 2001). Cei mai studiaţi sunt receptorii D1. Receptorii D1 sunt cuplaţi cu adenilatciclaza. Fig. 15. Căile dopaminergice. Cea mai importantă cale (banda nigrostriatală) provine din substanţa neagră (A8, A9) şi va inerva corpul striat Serotonina (5-HT). Este secretată de neuronii nucleului rafeului median din trunchiul cerebral, care proiectează în coarnele posterioare medulare, hipotalamus şi scoarţa cerebrală. Este secretată şi de către hipotalamus, cerebel, sistemul limbic, retină, tubul digestiv. Serotonina acţionează ca mediator inhibitor pe căile sensibilităţi dureroase. De asemenea, intervine în controlul stării de somn şi veghe, a activităţii adenohipofizei, termoreglării, apetitului, învăţare şi memorie (Hriţcu şi colab., 2007) etc. Există 7 tipuri de receptori pentru 5-HT (Barnes şi Sharp, 1999). Autoreceptorii serotoninergici din butonii terminali diminuează frecvenţa descărcărilor spontane. Receptorii postsinaptici, de regulă, inhibă descărcarea neuronului, dar au fost identificaţi la nivelul SNC şi unii receptori excitatori. Aminoacizi. În cele mai multe cazuri acţiunea lor este ionotropă. Deşi circa 15 aminoacizi au fost propuşi ca neurotransmiţători, numai 4 dintre ei ar îndeplini aceste calităţi. Acidul gamma-aminobutiric (GABA) este secretat de unii neuroni din măduva spinării, ganglionii bazali şi multe zone corticale. Se pare că el acţionează numai ca mediator inhibitor. Glicocolul este secretat la nivelul neuronilor medulari, determinând efecte inhibitorii. Glutamatul este secretat de terminaţiile presinaptice ale multor căi senzitive şi de către unele zone corticale. Este un mediator excitator. Peptide. Substanţa P este secretată la nivelul măduvei spinării de către terminaţiile protoneuronului, care transmite semnale algice. Neuronii ce secretă substanţa P se găsesc şi în hipotalamus, ganglioni bazali, retină, având totdeauna rol excitator. Encefalinele sunt substanţe cu acţiune asemănătoare morfinei. Sunt secretate de substanţa gelatinoasă a măduvei spinării, trunchiul cerebral, talamus şi hipotalamus. Acţionează ca mediator excitator, activând sistemele ce inhibă transmiterea sensibilităţii dureroase. Purine. Activitatea lor a fost observată prima dată la nivel periferic. Prin aplicarea ATP-ului se produce vasodilataţie. S-a constatat că plexurile nervoase ale tractusului gastrointestinal nu conţin fibre colinergice şi noradrenergice. Mediatorul chimic al acestor fibre se pare că este ATP-ul. Este posibil ca ATP-ul eliberat de fibrele purinergice să fie degradat la adenozină la nivelul fantei sinaptice. În anii 1970, au fost identificaţi receptori purinergici la nivelul membranei presinaptice a joncţiunii neuromusculare. Se cunosc două clase de receptori purinergici: receptorii P1 sensibili la adenozină şi AMP; receptorii P2 sensibili la ATP şi ADP. Acţiunea purinelor este în principal neuromodulatoare. Oxidul nitric. Activitatea neuroactivă a oxidului nitric a fost evidenţiată pentru prima dată în 1988. El apare în zonele nervoase care controlează comportamentele de lungă durată şi memoria (cerebel, bulb olfactiv, hipocamp, coliculii superiori şi inferiori, şi izolat în cortexul cerebral). Spre deosebire de alţi neurotransmiţători, oxidul nitric nu este preformat sau depozitat în vezicule sinaptice, ci se formează aproape instantaneu la momentul oportun. Odată format, oxidul nitric difuzează în câteva secunde din terminaţia presinaptică, acţionând asupra neuronului postsinaptic sau asupra neuronilor adiacenţi. De regulă, oxidul nitric nu afectează semnificativ potenţialul de membrană, ci provoacă modificări metabolice intracelulare care afectează excitabilitatea neuronală pentru un timp de secunde, minute sau mai mult. SINAPSELE ELECTRICE La acest tip de sinapse membranele pre- şi postsinaptice nu sunt separate printr-o fantă sinaptică, ci sunt legate strâns în maniera unor conductori electrici. De asemenea, nu există întârziere sinaptică, din care cauză ele sunt foarte adecvate pentru sincronizarea activităţii electrice a unui mare grup de celule nervoase, sau celule efectoare ca, de exemplu, descărcarea simultană a miilor de electroplăci din organele electrice ale unor peşti. Ca şi sinapsele chimice, cele electrice pot fi excitatorii (depolarizante) sau inhibitorii (hiperpolarizante). Ele au fost puse în evidenţă la diferite grupe de nevertebrate şi vertebrate inferioare (peşti). Totuşi şi la mamifere au fost descrise conexiuni dintre neuroni de la diverse nivele ale creierului, sau la nivelul musculaturii netede, a miocardului şi a celulelor receptoare, care seamănă cu sinapsele electrice. UNELE CARACTERISTICI ALE TRANSMITERII SINAPTICE Conducerea unidirecţională prin sinapse. Din cele expuse anterior rezultă că impulsurile sunt conduse prin sinapsele chimice numai de la terminaţia presinaptică spre terminaţia postsinaptică, şi nu invers. Întârzierea sinaptică. În timpul transmiterii impulsului de la terminaţia presinaptică spre neuronul postsinaptic, se consumă un timp necesar: descărcării mediatorului; difuziei acestuia la membrana postsinaptică; acţiunii lui asupra membranei; pătrunderii Na+; apariţiei PPSE şi apoi a potenţialului de acţiune. Timpul minim necesar desfăşurării acestor procese determină ceea ce se numeşte întârzierea sinaptică, variază între 0,5-0,7 ms. Cunoscând această valoare putem calcula numărul de neuroni dintr-un circuit nervos. Oboseala sinaptică. Atunci când sinapsele excitatorii sunt excitate repetat, cu o frecvenţă mare, numărul descărcărilor din neuronul postsinaptic este iniţial foarte mare, după care diminuează. Aceasta se datorează oboselii sinaptice. Acest fenomen reprezintă o caracteristică importantă a funcţiei sinapsei, deoarece atunci când o arie din SNC devine extrem de excitată, oboseala cauzează după un interval pierderea excesului de excitabilitate. Prin „oboseala sinaptică” s-ar putea explica durata scurtă a crizei de epilepsie. În acest caz, „oboseala” reprezintă un mecanism de protecţie. Cauza principală a oboselii sinaptice rezidă în epuizarea rezervelor de mediatori din butonul terminal, deoarece o terminaţie presinaptică poate media cel mult 10 000 de transmiteri sinaptice, cantitatea de mediator consumată cu această ocazie, putând fi epuizată în câteva secunde până la câteva minute. Oboseala ar putea fi cauzată şi de următorii 2 factori: 1) inactivarea treptată a unor receptori postsinaptici şi 2) din cauza potenţialelor de acţiune repetate, ionii de Ca2+ din celule se fixează prea lent. Rămânând în citosol, ionii de Ca2+ deschid aşa-numitele canale de K+-calciu-dependente, care determină un efect inhibitor asupra neuronului postsinaptic. Facilitarea posttetanică. Dacă excităm repetat o sinapsă excitatorie o perioadă scurtă de timp, pentru a evita instalarea oboselii, se constată că neuronul devine mai reactiv la impulsurile sosite ulterior. Fenomenul poartă denumirea de facilitare (potenţare) posttetanică; aceasta s-ar putea datora acumulării ionilor de Ca2+ în membrana presinaptică, ce va mări cantitatea de mediator eliberat în spaţiul sinaptic. Deoarece la unii neuroni acest fenomen poate dura de la câteva fracţiuni de secundă până la câteva minute, s-ar putea ca acest proces să reprezinte unul din mecanismele, prin care neuronii stochează informaţia. Deci, facilitarea posttetanică ar putea constitui un mecanism al memoriei de scurtă durată. Efectul acidozei şi alcalozei asupra transmiterii sinaptice. Neuronii sunt foarte sensibili la modificarea pH-ului. Alcaloza creşte mult excitabilitatea neuronilor. Creşterea pH-ului de la 7,4 la 7,8 produce adesea convulsii cerebrale datorită hiperexcitabilităţii neuronilor. Efectul alcalozei poate fi uşor demonstrat prin hiperventilare pulmonară, la persoane predispuse la epilepsie. Eliminarea excesivă a CO2 (acid) pe induce un acces de epilepsie. Acidoza diminuează mult activitatea neuronilor. Scăderea pH- ului de la 7,4 la 7,0 determină, de regulă, instalarea comei. În cazuri de diabet sever apare totdeauna coma. Efectul hipoxiei asupra transmiterii sinaptice. Excitabilitatea neuronilor este dependentă de un aport corespunzător cu O2. Lipsa O2 de câteva secunde provoacă inexcitabilitate completă a neuronului. Dacă circulaţia cerebrală este întreruptă temporar (3-5s), subiectul devine inconştient FIZIOLOGIA SISTEMULUI MUSCULAR SINAPSA NEUROMUSCULARĂ La muşchii striaţi transmiterea informaţiei de la nivelul SNC se face prin intermediul unor formaţiuni numite plăci motoare, care reprezintă sinapse neuromusculare. Axonul celulei nervoase pierde teaca de mielină, se ramifică la capătul terminal, formând placa motorie care se invaginează în fibra musculară, dar se află aşezată în afara sarcolemei (Fig. 16). Întreaga formaţiune este acoperită cu una sau mai multe celule Schwann, care izolează placa motorie de mediul înconjurător. Urmărind la microscopul electronic structura unei invaginaţii sinaptice, a unei ramificaţii axonice, se constată prezenţa unui spaţiu sinaptic între nerv şi sarcolemă de 20-30 nm. Acest spaţiu este ocupat de lama bazală, care reprezintă un strat subţire de ţesut reticulat spongios prin care difuzează lichidul extracelular. Membrana muşchiului (sarcolema) formează un mare număr de cute, care măresc suprafaţa de contact între muşchi şi mediatorul sinaptic. La nivelul terminaţiei nervoase există un mare număr de mitocondrii, având acelaşi rol ca şi Ia sinapsele interneuronale. Mediatorul chimic, depozitat în vezicule sinaptice, este acetilcolina. Ataşată de lama bazală este acetilcolinesteraza enzimă ce hidrolizează acetilcolina. Secreţia şi acţiunea acetilcolinei Când un impuls nervos atinge joncţiunea neuromusculară, are loc activarea canalelor de Ca2+ voltaj-dependente, care permit influxul ionilor de Ca2+. Ca şi în cazul sinapselor neuro-neuronale, ionii de Ca2+ determină atracţia veziculelor sinaptice din apropierea membranei presinaptice, fuziunea membranelor veziculelor cu membrana presinaptică, urmată de exocitoză şi evacuarea acetilcolinei în spaţiul sinaptic. La fiecare impuls nervos se eliberează acetilcolina din circa 60 vezicule sinaptice, care conţin fiecare circa 10000 molecule de mediator. După exocitoză membrana veziculelor sinaptice va fi înglobată în butonul terminal, prin endocitoză, în vederea reîncărcării sale cu noi molecule de acetilcolină. Acetilcolina din spaţiul sinaptic, în timp de circa 1 ms, exercită receptorii nicotinici de pe sarcolemă, după care are loc inactivarea ei prin difuzie în spaţiul extrasinaptic, şi prin colinesterază, prin care se evită reexcitarea fibrei musculare după trecerea potenţialului de acţiune. Potenţialul local de placă terminală În acest interval de 1 ms, cât are la dispoziţie acetilcolina, ea difuzează prin spaţiul sinaptic şi se combină cu receptorii nicotinici ai acetilcolinei de pe sarcolemă. Receptorul prezintă, în acelaşi timp, şi un canal proteic cu poartă chimică (canal de aceticolină). Deschiderea canalului ionic se produce în urma combinării fiecărui receptor cu 2 molecule de acetilcolină. Ca urmare, se declanşează în special un influx puternic de Na+, care determină creşterea potenţialului de câţiva mV creând un potenţial local denumit potenţial de placă terminală. El este analog cu PPSE şi persistă circa 5 ms. Când atinge valoarea de prag, generează în muşchi potenţialul de acţiune. Obişnuit, fiecare impuls care ajunge la nivelul plăcii motorii creeză un potenţial de placă de 3-4 ori mai mare decât cel necesar apariţiei potenţialului de acţiune. Excitarea nervului timp de câteva minute cu o frecvenţă mai mare de 100 Hz diminuează rezervele de acetilcolină, încât la un moment dat impulsul s-ar putea să nu genereze potenţiale de acţiune în muşchi. Apare oboseala la nivelul sinapsei. În condiţiile obişnuite de activitate, oboseala nu apare la acest nivel niciodată. Curara blochează trecerea impulsului de la nivelul plăcii motorii în muşchi. Acţiunea ei se pare că se exercită la nivelul receptorilor: curara se combină cu receptorii acetilcolinei, încât acetilcolina ce va acţiona asupra restului de receptori rămaşi liberi nu va mări în măsură suficientă permeabilitatea canalelor de acetilcolină care să poată iniţia o undă de depolarizare FIZIOLOGIA MUŞCHILOR STRIAŢI SCHELETICI Structura fină a muşchilor striaţi Un muşchi striat este format dintr-o fascie de înveliş rezistentă, în interiorul căreia se găsesc fibrele musculare dispuse în fascicule (Fig. 19). Fibrele musculare striate sunt celule învelite de o membrană - sarcolema, care înglobează un mănunchi de miofibrile separate între ele de un sistem de tuburi şi cisterne membranoase aparţinând reticulului sarcoplasmic. Miofibrilele. Constituie componenta contractilă a muşchiului. Ele sunt formate dintr-o succesiune de sarcomere, delimitate prin membrane (discuri) Z, situate la mijlocul unei zone clare şi izotrope (banda I). În centrul sarcomerului se găseşte discul (banda) A, întunecat, anizotrop. În mijlocul acestuia se află banda clară - discul H. În sarcomere se află 2 tipuri de miofilamente: filamente de miozină, groase, şi filamente de actină, subţiri. Fiecare miofilament de miozină este înconjurat de 6 miofilamente de actină. În repaus, discul I conţine exclusiv fibre de actină, pe când în zona A cele 2 tipuri de filamente sunt intricate. Filamentele de actină traversează discul Z şi trec în sarcomerul vecin. Miofilamentele de miozină prezintă punţi transversale. Interacţiunea acestor punţi cu actina determină contracţia musculară. Discul Z, compus din câteva proteine filamentoase, străbate zona I a tuturor miofibrilelor şi prin capete se inseră pe faţa internă a sarcolemei. Reticulul sarcoplasmic. Este reprezentat de un sistem de tuburi longitudinale, ce merg paralel cu miofilamentele şi de cisterne în dreptul striei Z. Sistemul T. Al doilea sistem tubular, T sau transvers, reprezintă invaginaţii ale sarcolemei care, Ia broască, se formează cu regularitate în zona membranei Z, iar la mamifere există în fiecare sarcomer câte două tuburi T, ceea ce va contribui la mărirea vitezei de transmitere a informaţiei. Aria de contact dintre sistemul tubular longitudinal şi cel transversal poartă denumirea de „triadă”, compusă în partea centrală dintr-un tub din cadrul sistemului transvers, înconjurat pe laturi de 2 cisterne. Din punct de vedere funcţional, reticulul sarcoplasmic are rol de „sechestrare” a ionilor de Ca2+, eliberaţi în timpul excitării, iar sistemul T, în transmiterea excitaţiei de la sarcolemă la aparatul contractil prin eliberarea Ca2+ din reticulul sarcoplasmic. Structura moleculară a filamentelor de miozină. Molecula de miozină este formată din 6 lanţuri polipeptidice: 2 lanţuri grele şi 4 lanţuri uşoare (Fig. 20). Cele două lanţuri grele se împletesc, formând o structură dublu helicoidală numită coada, respectiv corpul. Lanţul greu la o extremitate se răsuceşte, formând o masă proteică globulară numită capul miozinei (segmentul S1), în alcătuirea căruia intră şi cele 4 lanţuri uşoare (Fig. 20c). Cele 4 lanţuri uşoare contribuie la controlul funcţiei capului în timpul contracţiei musculare. Fiecare filament de miozină este format din circa 200 molecule de miozină (Fig. 20c). Cozile se aliniază formând corpul filamentului, iar capetele proemină în afară. O parte din structura helicoidală a fiecărei molecule de miozină formează expansiunile laterale numite braţe (segmentul S2). Braţele împreună cu capetele (segmentul S1) formează punţile transversale. Ele prezintă câte 2 articulaţii: prima articulaţie se află în zona unde braţul părăseşte corpul, iar cea de a doua, în locul unde cele 2 capete vin în contact cu braţul (Fig. 20d). Braţele articulate permit capetelor de a se depărta sau apropia de corpul filamentului. Capetele articulate se leagă de actină, determinând procesul contracţiei. Zonele de emergenţă ale punţilor transversale descriu o spirală pe suprafaţa filamentului de miozină. Structura moleculară a filamentelor de actină. Filamentul de actină este compus din 3 componente diferite: actina, tropomiozina şi troponina (Fig. 20b). Filamentul de actină (F-actină) rezultă din polimerizarea monomerilor de actină globulară (G-actină). Are o structură de alfa dublu helix. De fiecare moleculă de G-actină se ataşează câte o moleculă de ADP, care reprezintă zona activă a filamentului de actină, cu care vor interacţiona punţile laterale ale miozinei. Printre filamentele de F-actină se află nebulina, care asigură coeziunea filamentelor de actină. Tropomiozina. Filamentul de actină conţine 2 filamente proteice de tropomiozină, slab ataşate de filamentul de F-actină. În perioada repausului muscular tropomiozina acoperă zonele active ale actinei, împiedicând interacţiunea actinei cu miozina. Troponina este un complex din 3 proteine globulare ataşate de tropomiozină. Cele 3 proteine globulare sunt: troponina I, care prezintă o puternică afinitate pentru actină; troponina T, care prezintă afinitate pentru tropomiozină şi troponina C cu afinitate pentru ionii de Ca2+. Atunci când ionii de Ca2+ se combină cu troponina C, care fixează ca şi calmodulina câte 4 ioni de Ca2+, complexul troponinei suferă o modificare conformaţională, care acţionează tropomiozina, descoperind zonele active ale actinei. Prin descoperirea zonelor active ele intră în interacţiune cu capul miozinei, iniţiind contracţia musculară. Iniţierea contracţiei musculare: cuplarea electro-mecanică În muşchii striaţi contracţia începe prin apariţia potenţialului de acţiune, care produce curenţi electrici ce se deplasează în interiorul fibrei musculare, determinând eliberarea ionilor de Ca2+ din reticului sarcoplasmic. Ionii de Ca2+ induc fenomene chimice, care declanşează procesul contractil. Această secvenţă a proceselor descrise formează cuplarea electro-mecanică. Potenţialul de acţiune din fibra musculară striată. Valoarea potenţialului de repaus al membranei este de -80-90mV. De asemenea, potenţialul de vârf are, în esenţă, acelaşi voltaj ca la fibrele nervoase mari, însă durata lui este de 1-5 ms, deci de 5 ori mai mare decât în fibrele mielinice mari. De regulă, fibrele musculare prezintă o singură placă motorie situată la mijlocul fibrei, de unde depolarizarea se propagă simetric de la locul de excitare a membranei spre extremităţile fibrei cu o viteză de 3-5 m/s. Fibra musculară poate fi excitată mult mai uşor, atunci când stimulul se aplică la nivelul joncţiunii neuromusculare. Acest fapt este folosit în practica medicală pentru determinarea prezenţei sau absenţei inervaţiei musculare. Electrodul de excitare se deplasează pe piele deasupra muşchiului explorat şi dacă se descoperă un punct în care muşchiul este excitat mai puternic decât în alte puncte, aceasta constituie un indiciu al prezenţei unei joncţiuni neuromusculare viabile. Aceste puncte cu excitabilitate mărită sunt denumite puncte motorii. Conducerea potenţialului de acţiune în interiorul fibrei. Fibrele musculare striate sunt atât de mari, încât potenţialul de acţiune, care se propagă de-a lungul membranei, aproape că nu determină curgerea curentului prin interiorul fibrei musculare. Totuşi, pentru a determina contracţia, acest curent electric trebuie să ajungă în apropierea tuturor miofibrilelor. Această necesitate se realizează prin conducerea potenţialului de acţiune de-a lungul tubului transvers (sistemul T), care pătrunde în interiorul fibrei musculare. Sistemul T reprezintă o invaginaţie a sarcolemei şi conţine în lumenul său, ca şi membrana externă, lichid extracelular. La animalele inferioare există câte un singur tub T, localizat în dreptul discului Z. Aceeaşi situaţie se regăseşte şi în miocard, în schimb, muşchii scheletici ai mamiferelor conţin în fiecare sarcomer câte 2 tuburi T localizate în dreptul capetelor miofilamentelor de miozină, care reprezintă locurile unde apare forţa mecanică a contracţiei. În felul acesta, muşchii scheletici ai mamiferelor prezintă o organizare optimă în vederea excitării rapide a muşchiului. Eliberarea ionilor de Ca2+ de către reticulul sarcoplasmatic. O caracteristică specială a reticulului sarcoplasmatic (RS) constă în aceea că el conţine ioni de Ca2+ în concentraţie mare, care sunt eliberaţi în mare parte atunci când tubul T este excitat. În figura 21 se observă cum potenţialul de acţiune determină o scurgere a curentului din tubul T în cisterna adiacentă. Cisterna proiectează digitaţii joncţionale care înconjură tubul T, facilitând trecerea curentului din tubul T în cisternă. Conform teoriei electrice, scurgerea curentului determină deschiderea canalelor de Ca2+-voltaj dependente din cisterne şi din tubul longitudinal. Conform altor teorii (teoria chimică), 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 generează în membrana sistemului T inozitoltrifosfatul (IP 3). La rândul lor, Ca2+ sau IP3, în calitate de mesageri intracelulari, ar determina deschiderea canalelor de Ca2+ de pe RS. Ionii de Ca eliberaţi din reticul difuzează spre miofibrilele adiacente, combinându-se cu troponina C, ceea ce se va solda cu contracţia musculară, care a fost prezentată. Acest „puls” de Ca2+ durează, de regulă, 1/30 s. În miocard el durează mai mult (circa 0,3 s). Cât timp concentraţia Ca2+ din citosol rămâne ridicată (circa 2x10-14 moli), contracţia continuă. Totuşi pompele de calciu de pe membranele RS, care se activează de concentraţiile crescute de calciu din citosol, vor reintroduce Ca2+ în RS. În mişcarea Ca2+ de la nivelul miofibrilelor, în RS există o proteină numită paralbumină, care îndeplineşte rolul unui fixator intermediar de Ca2+. Pompele de Ca2+ concentrează acest ion de circa 10 000 ori. În afară de aceasta, în RS se află o proteină numită calsechestrină, care poate fixa de 40 ori mai mult Ca2+ decât cel existent în forma ionică. Prin intervenţia acestor mecanisme (pompa de calciu şi calsechestrina), concentraţia Ca din citosol este menţinută la un nivel foarte scăzut (circa 10-7 moli). Pentru a se putea repeta contracţia este necesară apariţia unui nou potenţial de acţiune, care va declanşa reacţiile descrise mai sus. Sursa energetică a contracţiilor musculare Din mecanismul contracţiei musculare a rezultat că acest proces depinde de energia furnizată de ATP. Majoritatea energiei, care rezultă din hidroliza ATP-ului, este folosită pentru glisarea filamentelor de actină printre cele de miozină. O mică parte din energia rezultată, va fi folosită pentru: 1) aprovizionarea cu energie a pompelor de Ca2+ în vederea „sechestrării” acestor ioni de către RS sau eliminarea lor în mediul extracelular şi 2) aprovizionarea cu energie a pompelor de Na+-K+, în vederea reîncărcării adecvate a membranei cu ioni. Cantitatea de ATP prezentă în fibra musculară (circa 4 mV), este suficientă pentru menţinerea contracţiilor timp de câteva secunde (la broască, cu rezervele de ATP existente, pot apărea circa 100 secuse musculare). Din fericire, după hidroliza ATP în ADP şi Pi, ADP-ul poate fi refosforilat generând din nou ATP. Există câteva surse energetice, necesare acestei refosforilări: Prima sursă folosită la refacerea ATP este reprezentată de fosfocreatină (PC), un alt compus macroergic prezent în muşchi. Prin scindarea PC se eliberează energia necesară refacerii ATP conform reacţiei: PC + ADP → ATP + C (creatină). Totuşi, şi cantitatea de PC prezentă în muşchi este redusă (se află de circa 5 ori mai multă comparativ cu ATP), din care cauză rezervele totale energetice (ATP + PC) nu pot prelungi contracţiile musculare decât pentru câteva secunde (10-20 s). Altă sursă energetică folosită la refacerea atât a ATP, cât şi a PC, este reprezentată de energia eliberată în urma metabolizării principiilor alimentare reprezentate prin glucide, lipide şi proteine. O cantitate redusă de energie se eliberează în urma scindării iniţiale a glicogenului şi glucozei prin procesul glicolizei. Cantitatea cea mai mare (circa 95%) din energia depozitată în substanţele de origine alimentară, se eliberează în faza aerobă a metabolismului de la nivelul ciclului Krebs. Din procesele de glicoliză anaerobă rezultă un câştig de 2 ATP, în timp ce din procesele care au loc la nivelul ciclului Krebs, apare un plus de 36 molecule de ATP. Importanţa glicolizei constă în aceea că energia se eliberează de 2,5 ori mai repede comparativ cu oxidarea la nivelul ciclului Krebs. Totuşi, în urma glicolizei se acumulează produşi de catabolism (acid piruvic, lactic), care fac ca durata contracţiei să fie redusă (circa 1 minut). Din contră, oxidarea aerobă furnizează, pe de o parte, o cantitate mult mai mare de energie, iar pe de altă parte, poate folosi, alături de glucide, şi alte substanţe metabolice, precum lipidele şi proteinele, ceea ce permite ca mecanismul contracţiei musculare să poată funcţiona timp de multe ore. Reacţiile chimice din muşchiul în contracţie se pot schematiza astfel: 1. ATP → ADP + Pi + energie necesară contracţiei FC → C + Pi + energie necesară resintezei ATP PC + ADP → C + ATP 2. Glucoza 2M acid lactic + energie pentru refacerea PC: C + Pi → PC 3. Acid lactic CO 2 + H2O + energie (36 ATP) În concluzie, energia necesară contracţiei musculare este de natură chimică. Sursa energetică imediată constituie scindarea ATP-ului. Energia depozitată în PC nu intervine direct în contracţie, ci pentru refacerea ATP-ului, iar refacerea PC, în vederea menţinerii ciclului, se realizează pe seama energiei rezultată din glicoliză. Dacă se înregistrează simultan lucrul mecanic efectuat de un muşchi (A) şi cantitatea de O2 consumat, în vederea calculării cantităţii de energie consumată (Q), se poate afla randamentul energetic (A/Q), care la muşchi este în jur ele 20-25%. Acest randament este realizat la temperatura corpului printr-un proces chimiodinamic şi nu termodinamic. Cu alte cuvinte, în muşchi, energia chimică se transformă direct, şi nu prin intermediul căldurii, în contracţie musculară. PARTICULARITĂŢILE FUNCŢONALE ALE MUŞCHILOR NETEZI Tipuri de muşchi netezi (MN). În linii mari, musculatura netedă poate fi divizată în 2 tipuri majore: muşchiul neted multiunitar şi muşchiul neted visceral. MN multiunitar. Acest tip de muşchi este format din fibre musculare netede, care lucrează independent una de alta. Controlul lor este exercitat, de regulă, pe cale nervoasă, deşi, de obicei, ele nu generează potenţiale de acţiune. De asemenea, foarte rar manifestă contracţii spontane. Ca exemple de MN multiunitar pot servi muşchii ciliari, muşchii irisului, ai membranei nictitante, muşchiul piloerector şi musculatura netedă a multor vase sangvine mari. MN visceral. Este format, de regulă, din fascicule musculare, nu fibre izolate, iar membranele celulelor vecine formează joncţiuni laxe („gap”), prin care ionii pot trece cu uşurinţă dintr-o celulă în alta. În acest mod, fibrele formează un sinciţiu funcţional, care, de regulă, se contractă simultan pe zone mari. Din această cauză MN visceral poate fi denumit MN unitar. Acest tip de muşchi se găseşte în tunicile intestinului, ale canalelor biliare, ureterelor, uterului etc. Potenţialele de acţiune dintr-o zonă excitată sunt conduse la fibrele vecine prin conducere electrică. Cu alte cuvinte, potenţialul de acţiune, generat într-o zonă musculară, excită electric fibrele adiacente, fără a secreta un mediator chimic, curentul electric deplasându-se prin joncţiuni laxe, de la o celulă la alta, ca şi cum între fibrele musculare vecine n-ar exista membrane celulare. Procesul contractil în MN. MN conţin filamente de actină şi miozină, având caracteristicile chimice apropiate, dar nu chiar identice cu ale fibrelor similare de la muşchii striaţi. Ele conţin şi tropomiozină dar, probabil, nu conţin troponină. Ca şi la muşchii striaţi, procesul contracţii este activat de ioni de Ca2+, iar ATP-ul este scindat în ADP cu eliberare de energie necesară contracţiei. Totuşi, există diferenţe majore în privinţa organizării fibrelor musculare netede, a cuplării excitaţiei cu contracţia, controlul procesului contracţiei prin Ca2+; durata contracţiei, cantitatea de energie necesară contracţiei. Bazele fiziologice ale contracţiei musculaturii netede MN nu prezintă o organizare a filamentelor de actină şi miozină în sarcomere. Rolul membranelor Z este îndeplinit de aşa-numiţii corpusculi denşi (Fig. 22), de care se ataşează filamentele de actină. Unii corpusculi sunt atraşi de membrana celulei, iar alţii sunt răspândiţi în corpul celulei şi menţinuţi în poziţie prin legăturile realizate de proteinele structurale, care leagă corpusculii între ei. Printre fibrele de actină există un număr de fibre de miozină. Numărul lor este de 12-15 ori mai redus comparativ cu cele de actină. Cu toate că numărul filamentelor de miozină este redus, prin cuplarea cu actină se poate dezvolta o tensiune aproximativ egală cu tensiunea dezvoltată de muşchii striaţi (circa 3 Kg/cm2 grosime). Durata mare a contracţiei şi relaxării. Perioada latentă este de circa 50-100 ms, iar contracţia şi relaxarea, circa 1-3 s. Totuşi, există MN cu contracţii foarte rapide (0,2 s), după cum există şi MN cu contracţii foarte lente (30 s). În timpul contracţiei musculare, care se desfăşoară prin mecanismul „mersului de-a lungul”, descris la muşchii striaţi, frecvenţa apariţiei forţelor de tracţiune este de 1/10-1/100 comparativ cu muşchii striaţi. Se pare că această activitate lentă rezultă din activitatea ATP-azică redusă a miozinei. Necesarul energetic al contracţiilor susţinute. Măsurătorile au arătat că, pentru dezvoltarea unei tensiuni egale cu cea dezvoltată de muşchii striaţi, este necesară doar 1/12-1/25 din energia necesară muşchilor striaţi. Aceasta se datorează, probabil, activităţii ATP-azice reduse a capului miozinei şi numărului mic de miofilamente de miozină. Economia de energie este deosebit de importantă pentru funcţionarea globală a organismului, având în vedere contracţiile tonice aproape continue ale unor organe ca intestinul, vezica urinară, vezica biliară şi alte viscere. Potenţialul de membrană. Valorile potenţialului de membrană diferă de la un muşchi la altul şi în funcţie de condiţiile în care se află muşchiul respectiv. În general, aceste valori sunt cuprinse între -40-60 mV. La MN multiunitar, potenţialul de acţiune, probabil, nu apare. La MN visceral există două forme de potenţiale de acţiune: 1) sub formă de platou şi 2) spike potenţial. Ele pot apărea ca urmare a excitării electrice, prin hormoni, mediatori chimici sau ca urmare a generării spontane. Potenţialele sub formă de platou (Fig. 23) apar, de regulă, în ureter, uter şi unele vase sangvine. Ele pot fi responsabile de prelungirea duratei de contracţie, care se observă în unele fibre musculare. Undele lente de potenţial. Unele fibre musculare netede sunt autoexcitabile, în sensul că potenţialele de acţiune apar fără un stimul extrinsec. Apariţia lor este legată, de regulă, de activitatea ritmică a potenţialului de membrană, sub forma unor unde lente (Fig. 23). Undele lente ca atare nu reprezintă potenţiale de acţiune. Cauza lor este necunoscută. După unii autori, ele ar apărea ca urmare a creşterii sau diminuării pompării ionilor de Na+ din interiorul celulei: potenţialul devine pronunţat negativ când efluxul Na+ este accentuat, şi invers. După alţi autori, aceste unde ar fi determinate de modificarea ritmică a conductanţei canalelor ionice. Importanţa undelor lente constă în aceea că pot genera potenţiale de acţiune. Undele lente nu produc contracţii musculare, ci produc potenţiale de acţiune, care la rândul lor induc contracţia muşchilor. Din această cauză, undele lente se numesc unde pacemaker (în traducere, care imprimă ritmul). De exemplu, activitatea ritmică a contracţiilor intestinului este controlată prin aceste unde lente. Excitarea musculaturii netede prin întindere. Întinderea MN viscerali determină generarea potenţialelor de acţiune urmată de contracţie. Apariţia potenţialelor de acţiune reprezintă o rezultantă a undelor lente, combinate cu scăderea diferenţei de potenţial, produsă de întindere. Acest mod de comportare prezintă o deosebită importanţă în funcţionarea MN viscerali, permiţând organelor cavitare, care au fost întinse de către conţinutul lor, de a se contracta şi a rezista la tracţiune. De exemplu, distensia intestinului prin conţinutul intestinal, generează o undă peristaltică, care împinge conţinutul din zona tensionată. Depolarizarea MN multiunitari. MN multiunitari se contractă, de regulă, prin stimuli nervoşi. Terminaţia nervoasă secretă acetilcolină sau noradrenalină, care determină depolarizarea membranei, urmată de contracţia musculară. Totuşi, de regulă, nu apar potenţiale de acţiune. Cauza acestui fenomen constă în aceea că fibra musculară netedă este prea mică pentru a putea genera potenţiale de acţiune. Pentru a apărea potenţialul de acţiune autopropagabil, trebuie să se depolarizeze simultan circa 30-40 fibre musculare. Totuşi depolarizarea locală, care apare în urma secreţiei mediatorului, se propagă electrotonic de-a lungul întregii fibre musculare şi determină contracţia. Cuplarea excitaţiei cu contracţia. Rolul ionilor de Ca2+. Ca şi la alţi muşchii striaţi, la MN activarea procesului contractil este realizat de ioni de Ca2+. Sursa Ca2+ este aproape în totalitate din mediul extracelular, deoarece reticulul sarcoplasmic (RS) este slab dezvoltat. Influxul extracelular de Ca2+, care contribuie în acelaşi timp la generarea potenţialelor de acţiune, ajunge în preajma miofilamentelor şi activează procesul contractil. La unii MN există un RS slab dezvoltat, dar nu există sistem transvers de tuburi (tuburi T). În acest caz, cisternele RS vin în contact cu membrana celulei, iar eliberarea ionilor de Ca2+ din RS, ar fi determinată direct de potenţialul de acţiune al membranei fibrei musculare. Există pompe de Ca2+, care pompează aceşti ioni în mediul extracelular sau în RS. Totuşi, ele acţionează mult mai lent comparativ cu pompele din muşchii striaţi. Aceasta constituie cauza prelungirii contracţiei musculare. Mecanismul de acţiune a calciului. MN nu prezintă complexul troponinei, prezentat la muşchii striaţi. Ca2+ iniţiază contracţia prin mărirea activităţii ATP-azice a capului miozinei. În lipsa Ca2+ activitatea ATP-azică este foarte redusă, încât ATP nu poate fi scindat, iar procesul contractil nu poate avea loc. Activarea ATP-azei prin Ca 2+ are loc astfel: 1) influxul de calciu, cauzat de potenţialul de acţiune sau alt stimul, determină creşterea concentraţiei Ca2+ din citosol; 2) ionii de Ca2+ se combină cu calmodulina (CaM), un receptor intracelular de calciu foarte asemănător cu troponina C din muşchii striaţi; 3) complexul Ca2+-CaM activează kinaza lanţului uşor al miozinei (MLCK); 4) MLCK activată fosforilează un lanţ uşor din capul miozinei (LC20), care 5) determină modificarea conformaţională a miozinei, permiţând legarea de actină, urmată de stimularea activităţii ATP-azei. Hidroliza ATP generează energia necesară dezvoltării tensiunii şi contractilităţii. Există o fosfatază care îndepărtează specific fosfatul de pe lanţul uşor al miozinei (LC20), ceea ce schimbă sensul reacţiei. SISTEMUL NERVOS SENZORIAL Semnalele senzoriale din toate zonele corporale sunt transmise SNC, prin care îl informează despre condiţiile care există în diverse zone corporale sau în mediul înconjurător. Semnalele nervoase pleacă întotdeauna de la nivelul receptorilor. Există o multitudine de receptori. Orice analizator este compus din receptor, calea de conducere (segmentul intermediar), care începe după receptor şi se continuă până în zona corticală, care reprezintă segmentul central al analizatorului. FUNCTIA SOMESTEZICĂ A SISTEMULUI NERVOS Somestezia (sau sensibilitatea corporală) se referă la mecanismul nervos care recepţionează informaţiile senzitive din corp. Ea cuprinde 3 modalităţi diferite de senzaţii: 1) sensibilitatea mecanoreceptivă; 2) sensibilitatea termoreceptivă 3) sensibilitatea nociceptivă (dureroasă). Modalitatea mecanoreceptivă include următoarele modalităţi de sensibilităţi: tactilă, de presiune, de vibraţie (denumite obişnuit sensibilitate tactilă) şi simţul poziţiei (sensibilitate proprioceptivă). Sensibilitatea tactilă La om, există cel puţin 6 tipuri diferite de receptori tactili: Terminaţii nervoase libere. Se găsesc în piele şi în alte ţesuturi. Se pare că sunt senzori de prag, semnalizând prezenţa stimulului într-un anume loc de pe corp. De asemenea, pot participa în transmiterea semnalelor generate de stimuli mecanici slabi, care se deplasează pe piele, cum ar fi insectele. Corpusculii Meissner sunt foarte numeroşi la vârful degetelor, buzelor şi altor zone corporale glabre. Au rol deosebit în stereognozie şi în localizarea exactă a zonei corporale excitate mecanic. Se adaptează foarte repede. Discurile Merkel sunt receptori tonici. Sunt răspunzătoare de senzaţiile de apăsare continuă a obiectelor pe suprafaţa corpului. Organele terminale Ruffini, localizate în straturile profunde ale tegumentului, se adaptează lent, transmiţând continuu semnalele generate de deformarea straturilor profunde. Terminaţiile nervoase de la baza foliculului pilos se excită prin mişcarea firelor de păr. Se adaptează uşor. Corpusculii Pacini sunt localizaţi în hipoderm. Se excită numai de deformarea rapidă a pielii, deoarece sunt receptori fazici. Prezintă importanţă în semnalizarea vibraţiilor tisulare sau altor deformări foarte rapide. Oricare ar fi natura excitantului, excitarea receptorilor tactili din piele se produce numai atunci când are loc îndoirea firelor de păr sau deformarea pielii. De exemplu, presiunea atmosferică (760 mm Hg), nu excită receptorii tactili, deoarece acţionează uniform asupra pielii, fără s-o deformeze. Corpusculii Pacini sunt localizaţi în hipoderm. Se excită numai de deformarea rapidă a pielii, deoarece sunt receptori fazici. Prezintă importanţă în semnalizarea vibraţiilor tisulare sau altor deformări foarte rapide. Oricare ar fi natura excitantului, excitarea receptorilor tactili din piele se produce numai atunci când are loc îndoirea firelor de păr sau deformarea pielii. De exemplu, presiunea atmosferică (760 mm Hg), nu excită receptorii tactili, deoarece acţionează uniform asupra pielii, fără s-o deformeze. Simţul poziţiei Simţul poziţiei denumit şi sensibilitate proprioceptivă poate fi împărţit în două subtipuri: 1) poziţia statică, ce înseamnă recunoaşterea conştientă a poziţiei diferitelor segmente unele în raport cu altele 2) kinestezia, sau propriocepţia dinamică, care înseamnă recunoaşterea conştientă a vitezei de deplasare a diferitelor segmente corporale. Poziţia statică şi kinestezia este apreciată pe baza informaţiilor primite din diverse zone corporale, cuprinzând terminaţiile senzitive de la nivelul capsulelor şi a ligamentelor articulare, receptorii tegumentari şi din ţesuturile profunde din apropierea articulaţiilor, fusurile neuromusculare din interiorul muşchilor, care măsoară lungimea muşchiului, organele tendinoase Golgi din zona tendoanelor la locul de inserţie de fibrele musculare, care semnalizează tensiunea dezvoltată în muşchi, receptorii aparatului vestibular, care indică, printre altele, poziţia capului în raport de forţa gravitaţională şi chiar analizatorul optic. Fusurile musculare şi organele tendinoase Golgi, având rol în controlul contracţiilor musculare, vor fi prezentate la funcţia motorie a SNC. La nivelul capsulei şi a ligamentelor articulaţiei, există trei tipuri majore de receptori şi anume:1) terminaţiile nervoase similare cu organele terminale Ruffini, care se excită puternic în cazul mişcărilor bruşte; 2) terminaţii asemănătoare organelor tendinoase Golgi, care se găsesc în ligamentele din jurul articulaţiei; 3) în ţesuturile din jurul articulaţiilor se află un număr redus de corpusculi Pacini. Ei se adaptează foarte repede şi, probabil, permit aprecierea vitezei de deplasare a articulaţilor. Terminaţiile nervoase libere, existente la nivelul articulaţiilor, sunt detectori de durere de la acest nivel. Excitantul specific al acestor receptori este reprezentat prin unghiul articulaţiei şi viteza de mişcare. Căile sensibilităţii somatice mecanoreceptive Căile sensibilităţii exteroceptive. Aferenţele care pătrund prin rădăcina posterioară fac sinapsă cu deutoneuronul din cornul posterior. Axonul deutoneuronului va face sinapsă cu al treilea neuron situat în talamus, a cărui axon va proiecta în scoarţa somestezică (după Purves, 2004) Semnalele senzoriale din segmentele somatice ale corpului, pătrund în măduva spinării prin rădăcinile posterioare ale nervilor spinali. Pătrunzând în măduvă, axonii neuronilor pseudounipolari de pe traseul rădăcilor posterioare, pot pătrunde direct în cordoanele posterioare, formând fasciculele spinobulbare (Goll şi Burdach), sau sinapsează cu deutoneuronii din coarnele posterioare, a căror axoni se încrucişează la nivelul comisurii cenuşii a măduvei spinării, trecând de partea opusă în cordoanele anterolaterale, unde intră în alcătuirea fasciculelor spinotalamice anterolaterale. Cordoanele posterioare sunt formate din fibre groase, mielinizate, care conduc informaţia cu viteză mare. Prin fasciculele spinobulare este transmisă: 1) sensibilitatea tactilă, ce este condusă foarte rapid; 2) sensibilitatea ce necesită un înalt grad de localizare a stimulului şi o gradare fină a intensităţii lui; 3) sensibilitatea vibratorie; 4) simţul poziţiei; 5) sensibilitatea ce semnalizează mişcarea pe suprafaţa corpului. Prin sistemul spinotalamic anterolateral sunt conduse semnalele:1) dureroase; 2) termice; 3)sensibilitatea tactilă crudă (neprelucrată), cu posibilităţi mai reduse de localizare şi de apreciere a intensităţii stimulului; 4) semnalele de mâncărime şi gâdilat; 5) excitaţiile sexuale. Fasciculul Goll şi Burdach sinapsează în nucleii bulbari Goll şi Burdach, după care are loc decusaţia (încrucişarea) senzitivă şi prin lemniscul median proiectează în nucleii talamici specifici. Unele fibre mai vechi filogenetic din fasciculul anterolateral al măduvei spinării, sinapsează în formaţia reticulată a trunchiului cerebral de unde semnalele ajung în nucleii talamici nespecifici. Alte fibre ale fasciculului anterolateral talamic, apărute mai nou filogenetic, sinapsează în nucleii talamici specifici. La nivelul trunchiului cerebral se ataşează de lemnicul medial fibrele senzitive ale nervului V, care îndeplinesc pentru zona capului funcţia cordoanelor posterioare medulare pentru restul corpului. Scoarţa somestezică Aria corticală cerebrală, pe care proiectează semnalele somestezice, se numeşte scoarţa somestezică. Există două arii somestezice distincte: aria somestezică I şi II, care se află în girusul postcentral din lobul parietal. Desenarea pe scoarţa cerebrală a zonelor corporale de unde vin semnalele senzoriale (homunculus senzitiv), arată că proiecţia corpului este răsturnată, contralaterală cu excepţia zonei feţei, şi disproporţionată. Zonă mare de proiecţie ocupă acele teritorii corporale care sunt fin discriminative în procesul de recepţie (faţa, mâna, buzele) şi care conţin un mare număr de receptori. Aria somestezică II, este localizată posterior şi inferior faţă de aria S I şi deasupra şanţului lateral Sylvius. Sensibilitatea termică La om, cele două calităţi ale termorecepţiei - de cald şi rece- sunt deservite de terminaţii nervoase libere: receptorii de rece sunt reprezentaţi prin fibre mielinizate, situate chiar sub stratul epitelial la adâncimea de circa 0,17 mm, iar cei de cald, prin fibre nemielinizate, situate mai profund (circa 0,3 mm). Ei deservesc nu numai sensibilitatea termică conştientă, ci participă, alături de termoreceptori centrali, la termoreglare, livrând semnale termice centrilor termoreglatori hipotalamici. Densitatea termoreceptorilor pentru rece este de circa 3- 10 ori mai mare comparativ cu cei de cald. Densitatea maximă a receptorilor de rece se află pe faţă. Regiunile păroase ale capului şi limba sunt puţin sensibile la cald. Excitantul specific al termoreceptorilor este reprezentat de variaţia termică. Termoreceptorii nu înregistrează temperatura obiectelor ca atare (nu funcţionează ca nişte termometre), ci temperatura pielii la adâncimea la care sunt situaţi. Senzaţia termică apărută depinde de : 1) temperatura iniţială a pielii; 2) viteza de schimbare a temperaturii: 3) mărimea zonei corporale excitate. Termoreceptorii prezintă un mare grad de adaptabilitate, ceea ce explică variaţia în timp a senzaţiei termice după scufundarea sau ieşirea corpului din apă. Totuşi, deoarece ei nu se adaptează până la stingere, ci răspund într-o oarecare măsură şi la starea termică staţionară, senzaţia termică persistă, cu intensitate mai redusă, chiar după expuneri îndelungate la diferite temperaturi. Calea de conducere a sensibilităţii termice este reprezentată prin fasciculele spinotalamice laterale, care proiectează în nucleii talamici specifici şi fasciculele spinoreticulate. Segmentul central al analizatorului termic este localizat în aria somestezică corticală. Sensibilitatea dureroasă Durerea îndeplineşte o funcţie de protecţie specială, informând organismul asupra apariţiei în mediul lui de viaţă a unor agenţi care pot compromite integritatea şi capacitatea sa funcţională. Sensibilitatea dureroasă (nociceptivă) poate fi subdivizată într-un număr de calităţi, în funcţie de locul de origine şi caracterul dureros. Calităţile durerii, locul de origine şi câteva forme specifice de durere Receptorii dureroşi (nociceptorii) Histologic, nociceptorii sunt terminaţii nervoase libere formate din fibre mielinizate cu viteză de conducere de 11 m/s sau nemielinizate cu viteză de circa 1 m/s. Un stimul nociv generează o senzaţie dureroasă dublă: o durere rapidă, intensă şi mai bine localizabilă şi o durere lentă,cu caracter mai difuz, de arsură, care apare după o latenţă mai mare. Durerea rapidă este condusă prin fibre mai groase. Densitatea receptorilor algici este foarte mare în tegument, ceea ce conferă o capacitate mare de localizare a senzaţiilor dureroase, spre deosebire de viscere unde densitatea este mai redusă. Spre deosebire de alţi receptori, cei dureroşi nu se adaptează. De fapt, în multe cazuri, o dată cu prelungirea acţiunii agentului care a provocat durerea, sensibilitatea creşte, determinând ceea ce se numeşte hiperalgezie. Excitantul receptorilor algici este reprezentat prin diferiţi stimuli (mecanici, termici,chimici) de intensitate mare. Aceşti excitanţi determină apariţia în zonele agresionate, a unor substanţe chimice (bradichinina, histamina, serotonina, enzime proteolitice etc), care excită terminaţiile nervoase. Nociceptorii viscerali se excită prin distensia organelor cavitare, provocate, de exemplu, de ocluziile intestinale. Astfel, spasmul organelor determină durere, care uneori ia forma unor crampe, ce se repetă ritmic, datorită contracţiilor ritmice ale muşchilor netezi; leziunile chimice ale suprafeţei viscerale, ca în peritonite, provoacă durere. Durerea viscerală poate fi provocată de anoxie şi acumularea de cataboliţi în condiţiile hipoxiei ischemice viscerale. Există zone viscerale insensibile la durere cum ar fi parenchimul hepatic şi alveolele pulmonare. În schimb capsula hepatică şi canalele biliare sunt dotate cu receptori dureroşi. De asemenea, pleura parietală şi arborele bronşic sunt prevăzute cu receptori algici. Căile de conducere şi segmentul central Protoneuronul (primul neuron al căi de conducere) se află în ganglionul spinal sau în ganglionul senzitiv al nervului V. El secretă glutamatul şi substanţa P, care excită deutoneuronul. Cantitatea de neurotransmiţător eliberată depinde de activitatea neuronilor intercalari medulari, care prin encefalinele eliberate (pentapeptide cu acţiune mofinică), inhibă secreţia neurotransmiţătorilor din protoneuron. În acest mod, diminuă intensitatea senzaţiei dureroase. Activarea neuronilor inhibitori medulari encefalinergici (care secretă encefalină), depinde de fibrele serotoninergice, care pleacă din nucleul rafeului median din partea caudală a punţii şi partea rostrală a bulbului. Majoritatea fibrelor deutoneuronilor spinali se încrucişează la nivelul comisurii anterioare şi pătrund în substanţa albă, formând fasciculul spinotalamic lateral, care va proiecta în nucleii talamici specifici. Alte fibre formează fasciculele spinoreticulate, prin care se transmit circa 9/10 din totalul semnalelor algice şi care fac multiple sinapse în formaţia reticulată a trunchiului cerebral, de unde proiectează în talamus, hipotalamus sau zone corticale. Segmentul central al analizatorului dureros se află în aria somestezică şi în girusul cingulat anterior. Căile sensibilităţii dureroase: NCL- nucleul cervical lateral: Calea durerii viscerale. Aceasta urmează calea nervilor vegetativi şi pătrunde în măduva spinării prin ramura comunicantă albă. Din figură putem deduce şi modul cum apare durerea raportată, adică durerea produsă într-un viscer (inima) pe care o raportăm (simţim) în zone corporale externe (cutia toracică, omoplatul, braţul stâng). Aceasta se produce, printre altele, deoarece protoneuronul căii vegetative sinapsează cu acelaşi deutoneuron medular, cu care sinapsează şi protoneuronul ce transmite durerea cutanată din acelaşi dermatom. Aferenţele viscerale contribuie la formarea căilor polisinaptice ca sistem ascendent de proiecţie vegetativă. După numeroase sinapse la nivelul formaţiei reticulate, ajung în zona hipotalamusului de unde proiectează în diverse zone diencefalice şi corticale. Unii neuroni formează fasciculele spinotalamice laterale, care prin releu talamic ajung la scoarţa cerebrală. Proiecţiile vegetative corticale sunt rare, difuze şi în mod obişnuit nu devin conştiente. Numai în cazul activării masive ale aferenţelor vegetative, ele devin conştiente. Căile ce deservesc durerea raportată. Unele aferenţe algice din viscere fac sinapsă cu aceiaşi neuroni ai fasciculului spinotalamic lateral, în care se termină şi aferenţele dureroase cutanate Sensibilitatea auditivă Sensibilitatea acustică intră în categoria sensibilităţii mecanoreceptive, deoarece excitantul sonor este un excitant mecanic. Excitantul sonor este reprezentat prin undele sonore în limita frecvenţelor de 20- 20.000 Hz. Vibraţiile sonore sunt percepute prin analizatorul acustic ca sunete. Fiziologic, sunetele se caracterizează prin tonalitate, determinată de frecvenţa oscilaţiilor, prin tărie,determinată de amplitudinea lor şi prin timbru, corespondentul spectrului sonor. Urechea externă, reprezentată prin pavilion şi canalul auditiv extern, serveşte la captarea şi transmiterea undelor sonore la timpan, determinând vibrarea lui. Rolul fiziologic de bază al conductului auditiv extern este de a proteja membrana timpanului de lovituri mecanice şi de a menţine o temperatură şi umiditate favorabile. Urechea medie este localizată între timpan şi ferestrele ovale şi rotunde. Schema mişcărilor celor 3 oscioare auditive. Trompa lui Eustachio are rol în egalarea presiunilor pe cele două feţe ale timpanului. Ea se deschide în timpul deglutiţiei (după Martini, 2001) Este o cavitate plină cu aer, care comunică cu exteriorul prin trompa lui Eustachio, ce se deschide în nasofaringe. Rolul trompei Eustachio constă în egalarea presiunii pe feţele timpanului. În urechea medie există un lanţ de trei oscioare, doi muşchi şi 5 ligamente. Timpanul este o membrană conică cu vârful spre interior. El se sprijină pe două apofize ale ciocanului, căruia îi transmite vibraţiile sonore. Ciocanul le transmite nicovalei, cu care este articulat, iar aceasta scăriţei. Talpa scăriţei pătrunde în fereastra ovală pe care o etanşează cu ajutorul unui inel de fibre elastice. Cele trei oscioare formează între ele o pârghie de gradul I. Funcţia de bază a urechii medii constă în cuplarea eficientă a mişcărilor aerului cu mediul apos din urechea internă. Pentru a determina vibraţia lichidului din urechea internă, care prezintă o inerţie mult mai mare, este necesară amplificarea intensităţii excitantului. Aceasta se realizează prin două mecanisme: 1) concentrarea de circa 13 ori a undelor sonore la nivelul ferestrei ovale, datorită suprafeţei mai mici a acesteia din urmă comparativ cu suprafaţa timpanului şi 2) sistemul de pârghii amplifică forţa de 1,3 ori. In felul acesta rezultă o creştere a intensităţii excitantului de circa 17 ori, care va acţiona asupra perilimfei din rampa vestibulară din urechea internă. Când urechea internă transmite semnale sonore prea puternice, se contractă muşchiul timpanului, care trage spre interior mânerul ciocanului, iar contracţia muşchiului scăriţei (muşchiul stapedius) deplasează scăriţa spre exterior. Prin acest act de atenuare se poate reduce intensitatea sunetelor cu 30-40 decibeli. Acest mecanism intervine şi în adaptarea auzului la diferite intensităţi. Anatomia funcţională a cohleei Cohleea reprezintă un sistem de 3 tuburi răsucite de 2,5 ori în jurul unui ax central numit columelă (modiol). Cele 3 tuburi diferite, suprapuse, formează rampa vestibulară, rampa cohlează şi rampa timpanică: Rampa vestibulară este separată de rampa cohleară prin membrana vestibulară (Reissner), iar rampa timpanică este separată de cea cohleară prin membrana bazilară. Pe suprafaţa membranei bazilare se află organul lui Corti,care conţine receptorul reprezentat prin celulele ciliate. Membrana vestibulară este atât de subţire şi se deplasează atât de uşor încât nu opune nici o rezistenţă în calea treceri vibraţiilor acustice din rampa vestibulară în canalul cohlear. Rolul ei constă în separarea perilimfei din rampa vestibulară, care are o compoziţie egală cu a mediului extracelular, de endolimfa din canalul cohlear, în care compoziţia lichiului este egală cu cea a mediului intracelular (K+ mai mult decât Na+). Capătul distal al rampei vestibulare şi rampei timpanice comunică prin helicotremă. Membrana bazilară este formată din circa 20.000 fibre, care se proiectează din columelă spre peretele extern. Se prezintă sub forma unor fire de păr. Lungimea fibrelor creşte treptat de la baza cohleei (0,04 mm) spre vârf (0,5 mm), ceea ce reprezintă o creştere de 12 ori. Luând în considerare structura membranei bazilare, Helmholz a emis teoria rezonanţei, conform căreia analiza tonalităţii sunetelor ar fi o funcţie primară a cohleei, deoarece fibrele membranei bazilare ar reprezenta o serie de rezonatori, iar zona în care fibrele sunt puse în vibraţie maximă, ca urmare a rezonanţei, ar constitui singura bază prin care creierul poate diferenţia tonalitatea. Însă membrana bazilară nu vibrează fragmentat în zonele de rezonanţă, ci în totalitatea ei, cu amplitudine diferită în funcţie de frecvenţa excitantului. Aceasta este teoria undei călătoare. Transmiterea undei călătoare în cohlee. Efectul iniţial, produs de deplasarea scăriţei în cohlee, se exercită asupra porţiunii iniţiale a membranei, pe care o bombează în direcţia ferestrei rotunde. Această bombare generează o undă care călătoreşte în lungul membranei bazilare asemănător undei pulsului de-a lungul peretelui vascular. Fiecare undă are o amplitudine relativ mică la origine, dar devine maximă în zona membranei bazilare, care prezintă o frecvenţă de rezonanţă egală cu unda care a generat-o. În această zonă membrana bazilară oscilează înainte şi înapoi cu atâta uşurinţă, încât energia undei se dispersează. Ca urmare, unda dispare în acest punct şi nu se mai deplasează în restul membranei bazilare. Funcţionarea organului Corti. Organul Corti, localizat pe membrana bazilară, conţine receptorul reprezentat printr-un rând intern de celule senzoriale, care numără în total circa 3.500 celule şi 3-4 rânduri de celule externe, având în total circa 12.000 celule senzoriale. Părţile superioare ale celulelor senzoriale sunt strâns legate prin lama reticulată. Această lamă este foarte rigidă şi se continuă cu pilierii tunelului Corti, care se sprijină pe fibrele membranei bazilare. Deci, fibrele membranei bazilare, pilierii şi lama reticulară, se deplasează ca o singură unitate. Deplasarea în sus a fibrelor membranei bazilare determină înclinarea stereocililor celulelor senzitive, care sunt inclavaţi în membrana tectoria, înclinare urmată de excitarea lor. La baza celulelor receptoare se găsesc dendritele neuronilor senzitivi din ganglionul Corti (spiral), localizat în columelă, care preiau mesajul, ce va fi transmis în continuare prin axonii neuronilor din ganglionul Corti. Axonii lor formează ramura acustică a nervului acusticovestibular (VIII). Analiza tonalităţii sunetelor se realizează pe baza principiului locului, adică decelarea de către SNC a zonei membranei bazilare, de unde au plecat semnalele nervoase. La frecvenţe mari se excită receptorii de la baza membranei bazilare, iar la frecvenţe joase, receptorii de la vârful membranei bazilare, zone unde membrana bazilară oscilează cu amplitudine maximă. Analiza intensităţii sunetelor se realizează prin mecanismele descrise la proprietăţile generale ale receptorilor. Tăria sunetelor se exprimă în decibeli (dB), care reprezintă 1/10 dintr-un bell. Zona de audibilitate este cuprinsă între 0-120 dB. Peste această valoare stimulul generează senzaţii dureroase. Căile de conducere conţin cel puţin 4 neuroni putând ajunge până la 6 neuroni. Protoneuronul se află în ganglionul Corti, iar deutoneuronul, în nucleii cohleari dorsali şi ventrali. Ultimul neuron se află în corpii geniculaţi mediali, care proiectează în segmentul central, localizat în girusul temporal superior, dar se întinde şi deasupra lobului insulei şi în partea inferioară a operculului parietal. Fiecare organ Corti proiectează în ambii lobi temporali, predominând fibrele din partea contralaterală. De pe căile acustice pleacă multe colaterale spre formaţia reticulată a trunchiului cerebral, prin excitarea căreia are loc activarea scoarţei cerebrale. În felul acesta putem explica efectul undelor sonore asupra reacţiei de trezire. Organe de simţ pentru echilibru Receptorii organului de echilibru se află în ampulele canalelor semicirculare şi în utriculă şi sacula aparatului vestibular. Receptorii din utriculă şi saculă se numesc macule, iar cei din ampulele canalelor semicirculare, creste ampulare. Cele 3 canale semicirculare sunt orientate în cele 3 direcţii ale spaţiului, permiţând detectarea şi măsurarea acceleraţiei angulare în jurul oricărei axe din spaţiul tridimensional. Celulele senzoriale ale maculelor şi crestelor conţin prelungiri în zona polului apical sub formă de cili imobili, numiţi stereocili, aranjaţi în ordinea lungimii crescânde în direcţia chinocilului, care este cel mai lung. Cilii pătrund într-o masă gelatinoasă secretată de celule de susţinere.Maculele conţin în masa gelatinoasă concreţiuni de carbonat de calciu, care formează otoliţii. Ambele tipuri de receptori se excită atunci când cilii se îndoaie în direcţia chinocilului, iar îndoirea în direcţia stereocililor determină inhibarea lor. În stare de repaus prezintă activitate tonică a) evidenţierea la microscopul electronic a stereocililor şi chinocilului; b) celula senzorială în repaus; c),d)- modul de răspuns a celulelor senzoriale (după Fox, 2001) Celulele receptoare din macule au orientare în direcţii diferite, încât înclinarea capului în orice direcţie informează SNC referitor la : 1) poziţia capului în raport de forţa de gravitaţie; 2) acceleraţia liniară şi 3) într-o oarecare măsură asupra sensibilităţii vibratorii. Detectarea acceleraţiei liniare prin receptorii din utriculă. Când corpul este deplasat brusc în faţă, otoliţii, care au inerţie mai mare, cad în spate pe perii senzitivi, ceea ce duce la informarea SNC despre pierderea echilibrului. Aceasta declanşează îndoirea în faţă a corpului, ceea ce atrage deplasarea în faţă a otoliţilor. Înclinarea corpului în faţă va continua până când va contracara tendinţa de deplasare în spate a otoliţilor, determinată de acceleraţia liniară. În acest moment, SNC detectează o stare de echilibru adecvat, care va stopa continuarea înclinării în faţă a corpului. Deci, maculele otolitice contribuie la menţinerea echilibrului corpului în timpul acceleraţiei liniare. Unele celule senzoriale din macule se excită şi din cauza forţei gravitaţionale, care acţionează ca excitant. Detectarea acceleraţiei angulare prin crestele ampulare. Când capul este rotit brusc într-o direcţie, endolimfa din canalele semicirculare, datorită inerţiei, se va deplasa în direcţia inversă sensului de rotire. Deplasarea lichidului îndoaie cupula, urmată de îndoirea cililor şi excitarea celulelor senzoriale. Când rotirea continuă, endolimfa capătă aceeaşi viteză de deplasare cu a canalului, determinând revenirea cupulei în poziţia de repaus. La oprirea bruscă a rotirii, endolimfa va continua să se scurgă în direcţia rotirii, determinând îndoirea cupulei şi a cililor în sens invers, ceea ce inhibă excitarea celulelor senzoriale. Deci, crestele ampulare detectează acceleraţia angulară (rotirea uniformă a corpului o dată cu Pământul, nu este sesizată de creste). Semnalele care pleacă de la creste permit SNC de a face corecţiile necesare, în vederea menţinerii echilibrului. Deplasarea cupulei în timpul acceleraţiei angulare (după Purves, 2006) Unele conexiuni ale receptorilor vestibulari. A- proiecţia nucleilor vestibulari prin fasciculul longitudinal median în nucleii oculomotori (II, IV, VI); B- proiecţia nucleilor vestibulari prin fasciculul vestibulospinal la motoneuronii muşchilor extensori; la cerebel (după Purves, 2006) Semnalele de la nivelul receptorilor vestibulari, sunt preluate de dendritele neuronilor senzitivi din ganglionul vestibular Scarpa, localizat în columelă, care vor proiecta în cei 4 nuclei vestibulari.Din nucle ii vestibulari ajung semnale la: 1) motoneuronii medulari, prin fasciculele vestibulospinale, motoneuroni ce controlează muşchii extensori ai membrelor; 2) la cerebel, care, alături de vestibular, are rol important în menţinerea echilibrului; 3) la nervii III,IV,VI, care controlează activitatea muşchilor globilor oculari, determinând mişcările nistagmice ale ochilor; 4) la hipotalamus (aceste semnale sunt implicate în apariţia răului de mişcare); 5) prin intermediul talamusului ajung în girusul postcentral din lobul parietal, care reprezintă segmentul central al analizatorului vestibular. La analiza poziţiei corpului în spaţiu, participă alături de analizatorul vestibular, proprioceptorii musculaturii gâtului şi a corpului, receptorii cutanaţi (tactili şi de presiune) şi analizatorul optic. Analizatorul optic Vederea are un rol deosebit de important prin cantitatea impresionantă de informaţii recepţionate din mediul extern, intervenind în cel mai mare grad în adaptarea organismului la mediul de viaţă, în orientarea spaţială, menţinerea echilibrului şi în activitatea generală a scoarţei cerebrale. Analizatorul optic este alcătuit din ochi, la nivelul căruia se găsesc receptorii sensibili la undele electromagnetice cu lungime de 400 - 800 nm, căile de transmitere a informaţiilor optice şi segmentul central cortical. Globul ocular este alcătuit din mai multe învelişuri, sistemul receptor şi un aparat optic. Globul ocular este format dintr-un perete alcătuit din trei tunici concentrice şi o cavitate în care se află mediile transparente ale ochiului. Mecanismul acomodării ochiului Acomodarea ochiului reprezintă procesul care permite formarea pe retină a imaginilor clare a obiectelor aflate la diferite distanţe de ochi. Ea se realizează prin :1) modificarea puterii de refracţie a cristalinului; 2) modificarea diametrului pupilei şi 3) corecţia axelor vizuale ale ochilor în aşa fel încât cele 2 imagini formate în timpul vederii binoculare, să poată fi fuzionate. Acomodarea cristalinului se realizează astfel: cristalinul este compus dintr-o capsulă foarte elastică (cristaloida), care înveleşte proteinele fibrilare vâscoase dar transparente. Când cristalinul este acomodat pentru vederea la distanţă, ligamentul suspensor (zonula Zinn), fixat de capsula cristalinului, este supus unor tensiuni generate de structurile elastice, în special de coroidă. Acomodarea cristalinului. În partea dreaptă muşchii ciliari sunt contractaţi, determinând diminuarea tensiunii exercitate de coroidă asupra cristalinului. Ca urmare, cristalinul se bombează (acomodarea la aproape). În stânga, tensiunea exercitată de coroidă este mărită, iar cristalinul se acomodează (acomodarea la distanţă) (după Pocock şi Richards, 2006) La locul de inserţie a ligamentului suspensor de corpul ciliar, se află muşchii ciliari radiari şi circulari. Când se contractă muşchii radiari, diminuă tensiunea exercitată asupra cristalinului, prin împingerea înainte a inserţiei ligamentului. Tracţiunea asupra cristalinului diminuă şi în urma contracţiei muşchilor ciliari radiari, ca urmare a diminuării diametrului de fixare a ligamentelor. Prin diminuarea tensiunii exercitate asupra cristalinului, el se bombează, în special pe partea sa anterioară, datorită elasticităţii capsulei. În timpul acomodării cristalinului, puterea lui de refracţie poate creşte la copil de la 9 -10 dioptrii , puterea unui cristalin neacomodat, la 20 dioptrii (D). Reacţiile pupilare. În timpul acomodării, pupila se micşorează. În felul acesta se reduce aberaţia cromatică şi de sfericitate şi scade cantitatea de lumină care pătrunde în ochi (lumina care provine de la obiectele luminoase apropiate este mai mare ). Scara acomodării reprezintă diferenţa între punctum remotum şi punctum proximum. Punctum remotum reprezintă distanţa maximă (circa 6 m) de unde începe procesul acomodării, iar punctum proximum reprezintă distanţa cea mai apropiată de ochi (între 7-40 cm în funcţie de vârstă), la care vederea mai este clară. Cu vârsta, punctum proximum se depărtează de ochi, încât la circa 60 de ani, un obiect pentru a putea fi focalizat pe retină trebuie să se afle la circa 1 m. Presbiţia sau presbiopia este termenul dat reduceri treptate a puterii de refracţie a cristalinului. Cristalinul la 50 ani îşi reduce puterea de acomodare la circa 2 D, iar la 70 de ani, la 0,5 D. Ca urmare, pentru a putea fi văzute clar obiectele apropiate sau depărtate, se cer ochelari adecvaţi fiecărei situaţii în parte. Anomalii de refracţie. Miopia se corijează cu ajutorul lentilelor divergente (-D), iar hipermetropia, cu ajutorul lentilelor convergente (+D). Astigmatismul este un defect de refracţie determinat, de regulă, de o neregularitate a curburii cristalinului pe meridianele sale (astigmatism de curbură) sau de inegalitatea indicelui de refracţie între diferite porţiuni ale cristalinului (astigmatism de indice). Se corijează cu ajutorul lentilelor cilindrice. Funcţia receptoare a retinei Datorită prezenţei celulelor cu con şi bastonaş, retina funcţionează ca un fotoreceptor. Sub acţiunea energiei luminoase în retină apar fenomenele retinomotoare, fotochimice şi bioelectrice. Fenomenele retinomotoare se referă la mişcările stratului pigmentar şi a fotoreceptorilor. La lumină, stratul pigmentar coboară iar celulele cu bastonaş urcă în stratul pigmentar în timp ce celulele cu con se retrag din stratul pigmentar. La întuneric se produc fenomene inverse. Acest mod de deplasare a structurilor retiniene, a contribuit la elaborarea teoriei duplicităţii vederii, conform căreia celulele cu con sunt fotoreceptori pentru vederea diurnă, cromatică (fotopică), iar celulele cu bastonaş sunt fotoreceptori pentru vederea nocturnă (scotopică). Fenomene fotochimice. Rodopsina-pigmentul vizual cantonat în segmentul extern al celulelor cu bastonaş, constă dintr-o grupare prostetică-retinen şi un complex lipoproteic-scotopsina (opsina). Absorbţia luminii izomerizează retinenul transformând forma cis în forma trans cu formarea lumirodopsinei. Lumirodopsina este convertită spontan în metarodopsină, care este apoi hidrolizată în retinen trans- şi scotopsină.In aceste reacţii acţiunea luminii se rezumă la izomerizarea retinenului din forma cis în forma trans- , acompaniată de excitarea receptorului. Când lumina nu mai acţionează, are loc regenerarea rodopsinei, care urmează o cale inversă. Are loc convertirea retinenului în forma cis sub acţiunea retinenizomerazei, care se combină spontan cu scotopsina, formând rodopsina. Majoritatea cis retinenului se formează prin oxidarea vitaminei A, depozitată în ficat, stratul pigmentar al retinei sau chiar în fotoreceptor. Când toată scotopsina s-a combinat cu retinenul, are loc sistarea oxidării vitaminei A. Lipsa vitaminei A determină hemeralopia, adică imposibilitatea de a vedea noaptea. La nivelul conurilor, fotopigmentul este reprezentat prin fotopsină (conopsină) şi retinen. În diferite conuri au fost descoperiţi trei tipuri de fotopigmenţi: eritrolabul, sensibil la lumina roşie, clorolabul, sensibil la lumina verde şi cianolabul, care prezintă maximum de absorbţie a luminii albastre. Prezenţa celor trei tipuri de fotopigmenţi în conuri diferite, permite explicarea mecanismului vederii cromatice. Fenomenele fotochimice, generează fenomene bioelectrice, care vor duce în final la apariţia potenţialelor de acţiune tocmai în celulele ganglionare. Adaptarea la lumină şi întuneric. Adaptarea la întuneric este însoţită de următoarele modificări: creşterea concentraţiei rodopsinei, mărirea pupilei, unele modificări structurale şi o deplasare a reacţiei de la acid spre bazic. Diametrul pupilei, de la circa 2 mm poate ajunge la 8 mm, determinând creşterea cantităţii de lumină ce pătrunde în ochi. Adaptarea la lumină. Ochiul adaptat la întuneric este orbit chiar de o lumină slabă, dar în 15 - 60 s se produce adaptarea, timp în care au loc fenomene inverse celor petrecute la întuneric. Dacă luăm în considerare limitele extreme ale adaptării la lumină şi întuneric, rezultă o modificare a sensibilităţii retinei de 500.000 - 1.000.000 ori. Vederea colorată. Au fost propuse mai multe teorii în vederea explicării vederii colorate. Toate se bazează pe constatarea că ochiul uman poate percepe orice culoare, dacă se amestecă în proporţii adecvate culorile primare (roşu, verde şi albastru). Teoria tricromatică a lui Young-Helmholtz admite existenţa la nivelul retinei a 3 tipuri diferite de conuri, fiecare având un anume fotopigment cu maximum de absorbţie a luminii de o anumită lungime de undă. Lumina monocromatică cu lungimea de undă de 580 nm excită în cel mai mare grad conurile pentru roşu (99%), dar şi conurile pentru verde în proporţie de 42% , iar conurile pentru albastru nu sunt excitate (0%). SNC interpretează acest set de excitare (99:42:0) ca o senzaţie de oranj. Senzaţia de albastru se obţine atunci când raporturile de excitare sunt de 0:0:97 etc. Dacă cele trei tipuri de conuri sunt excitate în aceeaşi proporţie, apare senzaţia de culoare albă. Lipsa unuia sau a tuturor pigmenţilor pentru vederea colorată, determină anomalii de vedere cromatică. Lipsa conurilor pentru roşu determină protanopia, a celor pentru verde-deuteranopia, iar pentru albastru- tritanopia; acromatopsia se caracterizează prin lipsa totală a vederii cromatice. Proiecţia retinei în SNC

Fiziologie Animală - Potențialul de Membrană (PDF)

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript

Upgrade to continue