Potențialul de Membrană. Membrane Excitabile PDF

**POTENŢIALUL 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 consi...

**POTENŢIALUL 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. **POTENŢIALUL DE REPAUS** ***Măsurarea potenţialului de membrană*** Diferenţa de potenţial dintre interiorul unei celule şi lichidul interstiţial -- potenţialul de membrană -- poate fi măsurată prin racordarea unui pol al instrumentului de măsurat cu interiorul unei celule, iar celălalt pol cu spaţiul extracelular. Aparatul de măsură este legat de preparatul de testat prin intermediul electrozilor (Fig. 5). Se utilizează microelectrozi (capilare) de sticlă, având vârful foarte fin (de aproximativ 1μm), umpluţi cu un electrolit (KCl). Diagram, schematic Description automatically generated -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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 plasaţi în spaţiul extracelular (Fig. 5, A), nu se înregistrează diferenţe de potenţial. Potenţialul spaţiului extracelular este considerat a fi zero (Fig. 5, B). Primul tip de fenomen electric poate fi observat de îndată ce microelectrodul străbate membrana celulară. În momentul respectiv se înregistrează o cădere bruscă de potenţial în direcţie negativă până la circa -75 mV (Fig.5, B). Deoarece diferenţa de potenţial apare numai în momentul străpungerii membranei, potenţialul se numeşte *potenţial de membrană.* La majoritatea celulelor potenţialul de membrană rămâne constant un timp îndelungat, cu condiţia ca asupra celulei să nu se exercite influenţe externe. Când celula se află în această stare, potenţialul de membrană se numeşte *potenţial de repaus.* În celulele musculare sau în neuroni, potenţialul de repaus este totdeauna negativ şi are o amplitudine constantă. În fibrele musculare mari şi fibrele nervoase groase valoarea lui este de circa -90 mV. În fibrele nervoase şi musculare mai subţiri, cum sunt cele ale musculaturii netede şi ale majorităţii neuronilor sistemului nervos central (SNC), potenţialul de repaus are valori cuprinse între -40-60 mV. ***Originea potenţialului de repaus*** Înainte de a explica originea potenţialului de repaus, trebuie precizate următoarele: 1\) Membrana nervului prezintă o *pompă Na^+^-K^+^*, reprezentată de *ATP-ază Na^+^-K^+^ dependentă*, Na^+^ fiind pompat spre exterior, iar K^+^ spre interior, deci împotriva gradientului de concentraţie. Pompa este electrogenă, deoarece pentru fiecare moleculă de ATP hidrolizat se pompează spre exterior 3Na^+^, iar spre interior 2K^+^ (Fig. 6). Prin intervenţia pompei de Na^+^-K^+^ se realizează transmembranar gradientul de concentraţie al Na^+^ şi K^+^, sodiul extracelular fiind de circa 10 ori mai concentrat decât intracelular (142 mEq/l / 14 mEq/l), potasiul intracelular fiind de circa 35 ori mai concentrat decât extracelular (4 mEq/l / 140 mEq/l) (Fig. 7). +-----------------------------------------------------------------------+ |  | +=======================================================================+ | Fig. 6. Caracteristicile funcţionale ale pompei Na^+^-K^+^ şi ale | | canalelor e „curgere" a K^+^-Na^+^ | | | | (după Guyton, 2006) | +-----------------------------------------------------------------------+ Diagram Description automatically generated ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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^+^ şi K^+^ se pot scurge conform gradientului de concentraţie. Canalele prin aceste proteine se numesc *canale de pierdere* (curgere) *a potasiului-sodiului*, în special a potasiului, pentru care canalul este de circa 100 ori mai permeabil. Canalele de pierdere permit difuzia pasivă a cationilor conform sensului gradientului de concentraţie. 3\) În interiorul fibrei nervoase se găseşte un număr mare de anioni reprezentaţi în special prin proteine şi compuşi fosfaţi şi sulfaţi 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. *Potenţialul membranar de repaus* poate fi considerat ca reprezentând suma potenţialelor de echilibru pentru principalii ioni aflaţi în mediul extra- şi intracelular, în funcţie de permeabilitatea membranei pentru fiecare tip de ion. *Potenţialul de echilibru* al unui ion (E) reprezintă diferenţa de potenţial realizată prin repartiţia la echilibru a unui ion pe cele două feţe ale membranei, potenţial ce poate fi calculat cu ajutorul **ecuaţiei Nernst**. Pentru ionii de K^+^, potenţialul de echilibru este egal cu: E~K~ x zF= E~K~=(RT/zF) x ln în care E~K~ (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, \[K~0~\] este concentraţia ionului de K^+^ la interior şi \[K~1~\] 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: E~K=~ Deoarece K^+^ poate difuza uşor prin membrana celulei, rezultă, conform, ecuaţiei Nernst, că valoarea potenţialului de repaus este dată în întregime de diferenţa concentraţiilor ionilor de K^+^ pe cele două feţe ale membranei. Potenţialul de membrană de repaus calculat teoretic pe baza ecuaţiei Nernst dă o valoare de -94 mV. Această cifră este apropiată de valoarea medie de circa -90 mV, care se înregistrează experimental. Deci, potenţialul de repaus poate fi considerat ca un potenţial 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. Deci, prin asimetria ionică indusă de faptul că pompa transportă la exterior 3 Na^+^ şi la interior 2K^+^, ea aduce o contribuţie relativ minoră la generarea potenţialului de membrană. Majoritatea potenţialului se datorează difuziei ionilor conform gradienţilor de concentraţie a Na^+^ şi a K^+^, menţinute prin Na^+^ - K^+^ ATP-ază, combinată cu permeabilitatea mare a plasmalemei pentru K^+^, comparativ cu Na^+^ sau anioni. **POTENŢIALUL DE ACŢIUNE** Potenţialul de membrană îşi păstrează valoarea constantă de -90 mV atâta timp cât membrana fibrei nervoase nu este deranjată. Orice factor care modifică permeabilitatea membranei pentru unii ioni produce o secvenţă de modificări rapide în potenţialul de membrană, determinând apariţia potenţialului de acţiune, care durează câteva fracţiuni de secundă, după care revine la valoarea de repaus. 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  ------------------------------------------------------------------ Fig. 8. Termenii fazelor potenţialului de acţiune 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 Ca^2+^-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 Ca^2+^-Na^+^ permite pătrunderea Ca^2+^ 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 (Fig. 9). +-----------------------------------------------------------------------+ | Diagram Description automatically generated | +=======================================================================+ | Fig. 9. Potenţialul de acţiune sub formă de platou în fibra | | miocardică | | | | (după Guyton, 2006) | +-----------------------------------------------------------------------+ **[Întrebări de control]** *Care este originea potenţialului de repaus? Care este modalitatea de răspuns a ţesuturilor excitabile la acţiunea unui stimul? Care sunt fazele potenţialului de acţiune? Care sunt schimburile ionice specifice fiecărei faze a potenţialului de acţiune?*