Modulul III - Semnalizare Sinaptică, Excitabilitate și Conductibilitate PDF

# MODULUL III ## Semnalizare sinaptică. Excitabilitate. Conductibilitate - În continuare, veți afla cum are loc semnalizarea sinaptică și ce proprietăți ale neuronilor fac posibilă existența ei: excitabilitatea (capacitatea de a răspunde la un stimul electric) și conductibilitatea (capacitatea de a...

# MODULUL III ## Semnalizare sinaptică. Excitabilitate. Conductibilitate - În continuare, veți afla cum are loc semnalizarea sinaptică și ce proprietăți ale neuronilor fac posibilă existența ei: excitabilitatea (capacitatea de a răspunde la un stimul electric) și conductibilitatea (capacitatea de a conduce activitatea electrică). - Înţelegerea activității electrice din țesutul nervos necesită, însă, trecerea în revistă a câtorva concepte de bază, precum sarcina electrică și potențialul de membrană. ## Molecule și atomi - Moleculele sunt formate din atomi. - Atomii sunt, la rândul lor, alcătuiți din particule subatomice: protoni, electroni și neutroni. - O proprietate importantă a particulelor, numită sarcină electrică, orchestrează comportamentul acestor particule astfel: - cele cu sarcină de același semn se resping, iar cele cu sarcină de semn opus se atrag. - La nivel subatomic, sarcinile electrice pot fi +1 (pentru protoni), -1 (pentru electroni) sau 0 (pentru neutroni). - Atomii sunt grupuri de particule subatomice ale căror sarcini, însumate, sunt nule. ## Ioni - Atunci când un atom pierde sau câștigă un număr de electroni, sarcina sa devenind nenulă, acesta primește numele de ion. - În mod similar, moleculele sunt grupurile de atomi ale căror sarcini electrice, însumate, sunt nule. - Ele primesc, de asemenea, numele de ioni atunci când atomii lor pierd sau câștigă electroni. - Să luăm exemplul simplu al unui atom de sodiu. - Nucleul său conține 11 protoni, fiecare având sarcina electrică +1. - În jurul nucleului gravitează un număr egal de electroni, fiecare având sarcina electrică opusă, -1. - Sarcina totală a atomului este, prin urmare, nulă (11 - 11). - Dacă, în schimb, atomul pierde un electron, vor rămâne 10 electroni și 11 protoni. - Sarcina se modifică, astfel, din 0 în +1, iar atomul de sodiu primește numele de ion de sodiu (Na+). - Este important de menționat că distribuția sau concentrația ionilor din lichidul intracelular nu este identică celei din lichidul extracelular. - Acest lucru determină diferențe de voltaj la nivelul membranei plasmatice. - Potențialul de membrană reprezintă diferența de voltaj dintre lichidul intracelular și cel extracelular. - Atunci când neuronul este în repaus, potențialul de membrană are o valoare negativă și se numește potențial de repaus. - În urma semnalizării sinaptice, pe anumite porţiuni de membrană, se produc mici schimbări în acest potențial. - Sumate, schimbările pot declanșa potențialul de acțiune: inversarea temporară, pentru aproape 2 msec, a potențialului de repaus. - Potențialul de acțiune este condus de-a lungul axonului până la nivelul arborizaţiilor terminale, unde iniţiază o nouă sinapsă, cu un alt neuron. ## 3.1. Semnalizarea sinaptică - Sinapsa este zona de contact dintre două celule în care un terminal (numit presinaptic) al unui neuron comunică cu o componentă (numită postsinaptică) a celeilalte celule. - Aceasta poate fi un alt neuron, însă poate fi și o celulă dintr-un alt tip de țesut (de exemplu, țesut muscular sau glandular). - Procesul prin care două celule comunică între ele poartă numele generic de semnalizare celulară. - Semnalizarea sinaptică este o formă de semnalizare celulară întâlnită în sistemul nervos și presupune transmiterea unui semnal electric între celule. - În majoritatea cazurilor, din cauza spațiului liber dintre neuroni (fanta sinaptică dintr-o sinapsă chimică), este necesară transformarea semnalui electric într-un semnal chimic, intermediar. ## 3.1.1. Clasificarea sinapselor - Sinapsele pot fi clasificate după zona de contact, după mecanismele de semnalizare sau după neurotransmiţătorii eliberați. - După zona de contact, ele pot fi axo-dendritice (între butoni terminal și spini dendritici) sau axo-somatice (între butoni terminal și corp celular), axo-axonice (între o prelungire colaterală a axonului și un buton terminal) sau dendro-dendritice (între două dendrite). - Cele două din urmă sunt rar întâlnite. - După mecanismele de semnalizare, sinapsele pot fi electrice sau chimice. - Sinapsele electrice transmit semnalul electric fără ajutorul neurotransmiţătorilor, direct de pe membrana plasmatică a componentei presinaptice pe cea a terminalului postsinaptic, și sunt mai puțin numeroase decât cele chimice. - Pot fi găsite, însă, în sistemul nervos fetal, între anumite categorii foarte specifice de interneuroni (de ex., interneuronii GABAergici din cortexul cerebral) și chiar între astrocite. - Sinapsele chimice presupun transformarea semnalului electric într-un semnal chimic, intermediar. - Structura și funcţionarea sinapselor chimice vor fi prezentate pe larg în subcapitolele următoare. - Nu în ultimul rând, sinapsele pot fi categorizate în funcție de neurotransmiţătorii eliberați în procesul de semnalizare. - De exemplu, sinapsele colinergice utilizează neurotrasmiţătorul acetilcolină, cele noradrenergice, noradrenalină, cele GABAergice, acid gama-aminobutiric (GABA) ș.a.m.d. ## 3.1.2. Structura sinapsei - În capitolul precedent, ați aflat despre astrocite că sunt unul dintre cele trei componente care participă la sinapsă, conform modelului tripartit. - În continuare, veți afla structura terminalului presinaptic și cea a componentei postsinaptice. - Membrana terminalului presinaptic este caracterizată de o porțiune, numită zonă activă, cu o densitate mare de pori prin care se eliberează neurotransmiţătorii în fanta sinaptică. - Componenta postsinaptică este caracterizată, în schimb, de o zonă membranară numită densitate postinaptică, bogată în proteine numite receptori postsinaptici ligand-dependenți, ce detectează neurotransmiţătorii. - Un detaliu important este acela că densitatea postsinaptică are un caracter dinamic, modificându-se de zeci de ori pe minut, în funcție de numărul de cuante de neurotransmiţători detectați, acest mecanism fiind important pentru neuroplasticitate. ## Receptorii postsinaptici - În funcție de procesele declanşate ca urmare a detectării unui neurotransmiţător, receptorii postsinaptici pot fi categorizați în ionotropici sau metabotropici. - Receptorii ionotropici au un canal ionic în structura lor. - Cuplarea neurotransmiţătorului la receptor deschide acest canal, facilitând schimbul de ioni dintre lichidul intracelular și cel extracelular. - Acest lucru duce la apariția unui potențial local, de valori mici, numit potențial postinaptic. - Receptorii metabotropici, în schimb, nu au un canal ionic în structura lor. - Neurotransmițătorul, în acest caz, poartă numele de mesager de ordinul I. - Cuplarea sa la receptorul metabotropic declanșează o cascadă de procese implicând alți mesageri, de ordinul II, ce poate duce la apariția unui potențial postsinaptic. ## 3.1.3. Funcţionarea sinapsei - Presupunem că sinapsa descrisă în continuare este una axo-dendritică. - În acest caz, terminalul presinaptic este un buton terminal al primului neuron, iar componenta postsinaptică este un spin dendritic al celui de-al doilea neuron. - Semnalizarea sinaptică implică patru etape distincte: - sinteza, stocarea (sau împachetarea) și transportul neurotransmițătorilor, procese prin care se obțin și se transportă neurontrasmiţători în terminalul presinaptic, - exocitoza neurotransmițătorilor, prin care neurotransmiţătorii sunt eliberați în fanta sinaptică, - detectarea neurotransmițătorilor de către receptori și - degradarea sau recaptarea neurotransmițătorilor rămași în fanta sinaptică. ## Categorii de neurotransmiţători - Există câteva categorii de neurotransmiţători: de tip molecule mici, neuropeptide și opioide endogene. - Neurotransmiţătorii de tip molecule mici sunt acetilcolina, aminoacizi (glutamat, acid gama aminobutiric, aspartat, glicină), monoamine (catecolamine, precum dopamina, noradrenalina și adrenalina, și indolamine, precum serotonina) și neurotransmițători neconvenționali (endocanabinoide, similare canabinoidelor din marijuana). - Neuropeptidele sunt proteine scurte, fiind formate din lanțuri de aminoacizi, cum ar fi oxitocina, vasopresina, grelina, leptina, colecistokinina. ## Exocitoza neurotransmiţătorilor - Neurotransmiţătorii de tip molecule mici sunt, de regulă, sintetizați chiar în citoplasma butonului terminal, unde sunt împachetați în vezicule de către aparatului Golgi. - În cazul neuropeptidelor, însă, sinteza și stocarea neurotransmiţătorilor se întâmplă la nivelul corpului celular. - În acest caz, veziculele cu neurotransmiţători ajung din corp la nivelul zonei active prin transport axoplasmatic. - Un neuron poate sintetiza cel mult două tipuri de neurotransmiţători, o neuropeptidă și un neurotransmițător de tip molecule mici. - În cea de-a doua etapă are loc exocitoza neurotransmiţătorilor, un proces prin care aceștia sunt eliberați din vezicule în fanta sinaptică. ## Detectarea neurotransmiţătorilor de către receptori - În cea de-a treia etapă, neurotransmiţătorii se cuplează pe receptorii postsinaptici ligand-dependenți. - Orice moleculă care se leagă de o alta poartă numele de ligand. - Un receptor nu poate detecta toate tipurile de neurotransmiţători, ci doar anumite tipuri. - Spunem, atunci, că neurotransmițătorul care poate fi detectat de către receptor este ligand pentru acesta. - Ca urmare a cuplării ligandului, se iniţiază potențiale postsinaptice. - Așa cum ați aflat deja, în cazul receptorilor ionotropici acestea se inițiază direct, iar în cazul celor metabotropici se inițiază prin intermediul altor proteine cu care interacționează receptorii. ## Degradarea sau recaptarea neurotransmițătorilor - Ultimul pas presupune curățarea fantei sinaptice de neurotransmiţători. - În capitolul precedent, ați aflat despre contribuția astrocitelor în această etapă. - Neurotransmiţătorii pot fi, însă, degradați cu ajutorul enzimelor și la nivelul fantei sinaptice. - De asemenea, pot fi reintroduși în citoplasma neuronului presinaptic cu ajutorul unor proteine transmembranare specializate numite transportori. - Neurotransmiţătorii pot fi reciclați, astfel, și folosiți în evenimente sinaptice viitoare. ## 3.2. Excitabilitatea - Excitabilitatea este capacitatea unei celule de a răspunde electric la un stimul și presupune modificări ale potențialului de membrană. - Pentru a înțelege cum apar aceste schimbări, trebuie să înţelegem, mai întâi, cum anume se menține potențialul de repaus la o valoare constantă. ## 3.2.1. Potențialul de repaus - Comparând, în repaus, numărul ionilor aflați de o parte și de alta a membranei plasmatice, observăm mai mulți ioni de Nat și de Cl în lichidul extracelular, dar mai mulți ioni de K+ și mai multe proteine cu sarcină negativă în citosol. - Valoarea de -70 mV a potențialului de repaus sugerează că interiorul celulei este mai puternic încărcat negativ decât exteriorul celulei. - Acest potențial de repaus se menţine, însă, la o valoare constantă prin acțiunea a două tipuri de mecanisme: - mecanisme care tind să omogenizeze ionii, și anume gradientul de concentrație și presiunea electrostatică, și - mecanisme care tind să distribuie inegal ionii, și anume conductibilitatea selectivă a membranei și pompa de sodiu-potasiu. ## Mecanisme care tind să omogenizeze ionii - Gradientul de concentrație se referă la tendința ionilor de a se mișca din zone cu concentrație mare în zone cu concentrație mică. - După cum ați aflat deja, distribuția ionilor nu este omogenă de-o parte și de alta a membranei plasmatice. - De exemplu, ştim că ionii de Nat sunt mai numeroși în lichidul extracelular. - Gradientul de concentrație ar împinge, așadar, ionii de Na+ din lichidul extracelular, bogat în Nat, înspre citosolul sărac în Na⁺. - Pentru ionii de K+, direcția gradientului de concentrație se inversează. - Ei sunt mai numeroși în citosol, așadar vor fi împinși de gradientul de concentrație din citosol înspre exteriorul celulei. - Presiunea electrostatică nu se referă la distribuirea ionilor în funcție de număr, ci în funcție de sarcina lor electrică. - Deoarece citosolul este mai puternic încărcat negativ în repaus, ionii pozitivi din lichidul extracelular, precum Na+ și K+, vor fi atrași spre membrană, pe când cei negativi se vor îndepărta de ea. ## Mecanisme care tind să distribuie inegal ionii - Permeabilitatea selectivă a membranei se referă la faptul că nu toate categoriile de ioni pot trece la fel de ușor prin membrană. - Acest lucru se datorează numărului diferit de canale ionice care sunt deschise permanent. - De exemplu, cele mai numeroase sunt canalele de K+. - Din acest motiv, membrana este cel mai permeabilă pentru ionii de K+. - Este mai puțin permeabilă pentru cei de Cl, și mai puțin permeabilă pentru cei de Na+ când neuronul este în repaus, și, în final, cel mai slab permeabilă pentru proteine. - Spre deosebire de canale, care fac un schimb pasiv, pompa de sodiu-potasiu face un schimb activ de ioni. - Pentru fiecare 3 ioni de Na⁺ scoși din citosol, pompa de sodiu-potasiu introduce alți 2 ioni de K+, consumând ATP. ## 3.2.2. Potențialul de acțiune - Pentru că valoarea potențialului de repaus este negativă, spunem că membrana este în stare polarizată. - Atunci când potențialul membranei devine mai accentuat negativ, membrana se hiperpolarizează. - Atunci când devine mai accentuat pozitiv, aceasta se depolarizează. - În urma interacțiunii dintre neurotransmiţători și receptori, se declanșează potențiale postsinaptice. - Acestea sunt mici, de ordinul câtorva milivolți, și pot implica depolarizare sau hiperpolarizare. - Altfel spus, unele potențiale post-sinaptice, numite inhibitorii, hiperpolarizează membrana, pe când altele, numite excitatorii, depolarizează membrana. - De exemplu, un potențial postsinaptic care scade valoarea potențialului de membrană de la -70 mV la -72 mV ar fi unul inhibitor, pe când un potențial postsinaptic care crește potențialul de la -70 mV la +75 mV_ar fi unul excitator. - Pentru a se declanșa un potențial de acțiune, potențialul de membrană trebuie să atingă o anumită valoare, de cca. -65 mV, numită prag de depolarizare. - La acest prag se poate ajunge atunci când sumarea spațială sau temporală a potențialelor postsinaptice, de valori mici, este îndeajuns de mare. - Sumarea spațială are loc atunci când două potențiale postsinaptice apar în imediată apropiere unul față de celălalt, pe porțiuni vecine de membrană. - Sumarea temporală are loc atunci când două potențiale postsinaptice apar în succesiune foarte rapidă de timp, pe aceeași porţiune de membrană. ## Fazele potențialului de acțiune - Fazele potențialului de acțiune sunt cele de (1) depolarizare, (2) repolarizare și (3) posthiperpolarizare, și durează, în total, aproximativ 2 msec. - Faza de depolarizare începe cu atingerea pragului de depolarizare. - În acest moment, se deschid canalele voltaj-dependente de Na+, declanşând un influx de Na⁺. - Puțin mai târziu, se deschid și canalele voltaj-dependente de K+, declanşând un eflux de K+. - Potențialul de membrană crește, atingând un maxim, numit spike potențial sau overshoot. - În faza de repolarizare, canalele de Na⁺ se închid, oprindu-se, astfel, influxul de Nat. - În tot acest timp, pompa de sodiu-potasiu continuă să introducă înapoi K+ și să evacueze Nat. - În ultima fază, cea de posthiperpolarizare, canalele de K+ încep să se închidă, gradual. - Din această cauză, valoarea potențialului de membrană scade sub -70 mV. - Datorită pompei de sodiu-potasiu, se revine în scurt timp la potențialul de repaus. ## 3.3. Conductibilitatea - Conductibilitatea este capacitatea unei celule de a conduce răspunsul electric. - Acesta poate fi nepropagabil sau propagabil, în funcție de mărimea lui. - Particulele sunt într-o continuă mișcare: pe de-o parte, urmează o mișcare browniană, pe de altă parte, se resping sau se atrag în funcție de sarcinile lor electrice. - Astfel, un ion de sodiu sau de potasiu nu va zăbovi foarte mult în apropierea membranei, după ce a traversat-o înspre interior sau exterior. - Aceasta este cauza decrementului.  - Pentru că potențialele postsinaptice rezultă dintr-un schimb modest de ioni, au valori mici, de câțiva milivolți. - Ionii se pierd în spațiul vast extracelular sau intracelular, ceea ce înseamnă că nu mai afectează potențialul de membrană. - Prin urmare, un potențial postsinaptic va dispărea la scurt timp după generarea lui și nu va fi condus decât pe o porțiune neglijabilă de membrană. - Astfel, este considerat nepropagabil. - Un potențial de acţiune, în schimb, rezultă dintr-un schimb masiv de ioni și nu se va diminua într-un timp la fel de scurt, putând fi condus pe distanțe mai mari de- a lungul membranei. - Astfel, este considerat propagabil. ## 3.3.1. Tipuri de conducere - Conducerea poate fi pasivă (fără deschiderea canalelor voltaj-dependente) sau activă (cu deschiderea canalelor voltaj-dependente), prima fiind mai rapidă decât a doua. - De asemenea, conducerea poate fi realizată cu decrement (semnalul slăbește pe măsură ce este condus) sau fără decrement (semnalul rămâne constant). - Potențialele postsinaptice sunt, toate, conduse pasiv, cu decrement. - Potențialele de acțiune sunt conduse activ, fără decrement. ## 3.3.2. Conducerea potențialelor de acțiune - În funcție de lipsa sau de prezența mielinei în jurul axonilor, conducerea potențialelor de acțiune poate fi continuă, în axoni nemielinizați, sau saltatorie, în axoni mielinizați. - În cazul celei din urmă, semnalul este condus consecutiv între porțiuni ce întrerup teaca de mielină, numite noduri Ranvier, și este cea mai rapidă formă de conducere.