Transportul Transmembranar

PARTEA I

1.NOTIUNI PRIVIND TRANSPORTUL TRANSMEMBRANAR

Fluidul din interiorul celulelor poartă denumirea de lichid intracelular, care este diferit compozițional de cel aflat în exteriorul celulelor, numit lichid extracelular. Lichidul extracelular care include lichidul interstițial (care circulă în spațiile dintre celule) și plasma sanguină (care se amestecă cu lichidul interstițial la nivelul pereților capilarelor sanguine) este responsabil de aprovizionarea celulelor cu nutrienți și alte substanțe necesare funcției celulare. Pentru ca celulele să poată folosi aceste substanțe în complexele lor procese metabolice, ele trebuiesc transportate prin membrana celulară.

Datorită integrității sale structurale membrana celulară constituie o barieră pentru cele mai multe substanțe solubile în apă, în intenția acestora de a migra între cele 2 compartimente de lichide, intra- și extracelular.

Fig. 1: Modalități de transport prin membrana celulară (după Guyton).

În structura membranei sunt inserate molecule de proteină care, în cele mai multe cazuri, străbat întreaga grosime a acesteia și proeminează, cu părți ale lor, în cele 2 compartimente de lichide, intra- și extracelular. Multe din aceste molecule proteice posedă spații care pot fi străbătute de anumiți ioni ori molecule; aceste proteine se numesc canale proteice (Fig. 1). Alte proteine din structura membranei se leagă de moleculele ce urmează a fi transportate; au loc modificări conformaționale spațiale ale diferitelor porțiuni ale structurii interne a proteinei transportor, care stau la baza transportului substanței prin interstițiul acestei proteine transportor spre cealaltă față a membranei. Aceste proteine poartă denumirea de proteine transportoare (carrier proteins) (Fig. 1.). Atât proteinele canal, cât și proteinele transportoare manifestă o selectivitate pentru un anumit, sau anumite tipuri de molecule ori ioni ce urmează să traverseze membrana celulară. Cu toate că la baza transportului transmembranar stau canalele ionice și proteinele transportoare, sunt și situații în care unele substanțe pot penetra membrana în ambele sensuri, prin componenta lipidică a membranei.

Transportul prin membrana celulară, mijlocit sau nu de proteine, se poate realiza pe 2 căi: difuzie (proces numit “transport pasiv”) ori transport activ (Fig. 1). Transportul pasiv are la bază mișcarea cinetică normală a materiei și presupune trecerea substanțelor prin membrana celulară, prin porii acesteia, ori prin combinația cu carrieri proteici. Transportul activ al ionilor ori a altor substanțe prin membrana celulară se realizează în urma combinației cu un transportor proteic, dar în acest caz transportul se realizează împotriva energiei de gradient, cum ar fi de la o concentrație mică la o concentrație mare a ionului sau substanței în cauză. Transportul activ este un proces care necesită spre a se realiza energie chimică.

1.1. Difuzia prin porțiuni ale membranei celulare lipsită de canale proteice

Difuzia poate fi simplă și facilitată (Fig.1). Difuzia simplă presupune trecerea moleculelor ori ionilor prin porii membranari fără să fie necesară legarea lor de carrierii proteici din structura membranei. Viteza de difuzie simplă este determinată de cantitatea de substanță disponibilă, de viteza mișcării cinetice și de numărul porilor existenți pe unitatea de suprafață de membrană pentru moleculele ori ionii care fac obiectul difuziei. Difuzia simplă se poate realiza prin interstițiul componentei lipidice a membranei, ori prin canalele de apă al unor proteine transportor. Difuzia facilitată a ionilor sau moleculelor se face după o prealabilă interacțiune a acestora cu transportorul proteic, iar complexul astfel format traversează membrana (Fig. 2).

Fig. 2: Mecanismul difuziei facilitate (după Guyton)

1.1.1. Difuzia substanțelor liposolubile

Liposolubilitatea mare a unor elemente și substanțe cum ar fi oxigenul, azotul și alcoolii le permite acestora o traversare rapidă prin membrana celulară. Aceste substanțe se dizolvă în componenta lipidică a membranei și difuzează prin aceasta într-o manieră asemănătoare substanțelor hidrosolubile. De notat este faptul că datorită liposolubilității mari, oxigenul este transportat în cantități mari în interiorul celulelor, făcând practic abstracție aproape totală de membrana celulară.

1.1.2. Transportul apei și a moleculelor insolubile în lipide.

Chiar dacă apa este insolubilă în componenta lipidică a membranei, ea penetrează membrana celulară cu mare ușurință; trecerea se realizează cu aproximativ aceeași viteză atât prin zonele membranare cu canale proteice, cât și prin acelea lipsite de aceste canale. Rapiditatea cu care apa traversează membrana celulară este de-a dreptul remarcabilă. Astfel, cantitatea de apă care traversează membrana eritrocitului, în ambele direcții, într-o secundă, este de 100 de ori mai mare decât volumul celulei ca atare.

Se consideră că viteza mare cu care apa penetrează membrana celulară s-ar datora faptului că aceasta are molecula mică, iar energia cinetică a moleculei de apă este suficient de mare pentru a-i permite trecerea prin membrană, înainte ca lipidele din componența acestora să-și manifeste caracterul hidrofobic.

Alte molecule insolubile în lipide pot de asemenea să treacă prin membrană, ca și molecula de apă, dacă molecula lor este suficient de mică. Dacă molecula substanțelor insolubile în lipide crește, se micșorează mult mai accentuat viteza de penetrare a membranei. Astfel, chiar dacă molecula ureei este doar cu 20% mai mare comparativ cu cea a apei, ea traversează de o mie de ori mai încet membrana comparativ cu apa. Molecula glucozei, care este aproximativ de trei ori mai mare comparativ cu cea a apei, penetrează membrana celulară, prin zonele lipsite de transportori proteici, de l00.000 de ori mai încet decât aceasta. Cele arătate subliniază faptul că substanțele insolubile în fracțiunea lipidică a membranei celulare, penetrează membrana numai dacă au o moleculă de mărime mică, comparabilă cu a apei.

Problema difuziei ionilor prin membrana celulară

Chiar dacă apa și alte molecule mici neîncărcate electric trec relativ ușor prin membrana celulară, ionii, chiar dacă sunt foarte mici, cum este cazul celor de hidrogen, sodiu sau potasiu, au o viteză de penetrabilitate de un milion de ori mai mică decât a apei, prin porțiunile în care membrana este lipsită de canalele proteice.

Cauzele acestei slabe penetrabilități ar fi: a) sarcinile electrice ale ionilor determină legarea de aceștia a mai multor molecule de apă, formând așa-numiții ioni hidratați; prin aceasta crește diametrul complexului ioni-molecule de apă și astfel scade capacitatea ionilor de a traversa membrana; b) sarcinile electrice ale ionilor interacționează cu cele ale lipidelor membranare. Se consideră că fiecare din cele două straturi lipidice din componența membranei celulare au în compoziție lipide “polare” ce posedă un exces de încărcare negativă orientată spre cele două suprafețe ale membranei (fața dinspre interstițiu și cea dinspre citoplasmă) și un exces de încărcare pozitivă în porțiunea mijlocie a grosimii membranei. Așa se explică faptul că atunci când un ion încărcat electric încearcă să penetreze cele două bariere electrice ale membranei, este respins.

Difuzia prin canalele proteice ale membranei

Canalele proteice sunt considerate ca fiind reprezentate prin interstițiul din structura moleculelor proteice inserate în grosimea membranei celulare (Fig. 1). Canalele proteice se caracterizează prin permeabilitate selectivă pentru anumite substanțe și prin faptul că multe din ele pot fi închise și deschise prin porți.

Permeabilitatea selectivă a diferitelor canale proteice.

Cele mai multe, dar nu toate, canale proteice manifestă selectivitate în ceea ce privește unul ori mai mulți ioni sau molecule. Selectivitatea canalelor proteice depinde de forma și diametrul lor, precum și de natura sarcinilor electrice dispuse de-a lungul suprafeței acestora. Unul dintre cele mai importante canale proteice este așa-numitul canal de sodiu, cu un diametru de 0,3-0,5 nm; dar cel mai important lucru pentru acest canal îl constituie încărcarea negativă puternică a suprafeței sale interne. Sarcinile negative ale canalului atrag ionii de sodiu care apoi sunt directionați spre interior sau exterior în conformitate cu legile difuziei. De subliniat este faptul că acest canal de sodiu este specific selectiv pentru trecerea ionilor de sodiu (Fig. 3).

Fig. 3: Caracteristicile canalelor voltaj-dependente de sodiu și a celor de potasiu. Activarea ori inactivarea canalelor de sodiu, precum și activarea canalelor de potasiu are loc atunci când potențialul membranei se modifică de la valoarea normală negativă, în condiții de repaus, la o valoare pozitivă (după Guyton).

Sunt canale proteice cu selectivitate pentru ionii de potasiu. Ele sunt mai mici decât cele pentru sodiu (0,1-0,3 nm) și nu sunt încărcate negativ ca în cazul canalelor de sodiu. Chiar dacă ionii de potasiu nu sunt atrași în interiorul canalului specific de sarcinile negative, ei vor străbate ușor canalele sub formă hidratată. Ionul de potasiu hidratat are un diametru mult mai mic comparativ cu ionul de sodiu aflat în aceeași stare. Acest lucru se datorește faptului că ionul de sodiu dispune de un set de orbite electronice mai mic în comparație cu ionul de potasiu și acest lucru permite nucleului de sodiu să atașeze mai multe molecule de apă, comparativ cu potasiu.

Porțile canalelor proteice

Canalele proteice se pot închide și deschide în funcție de necesități, datorită prezenței unor porți. Se consideră că aceste porți ar fi reprezentate prin niște prelungiri ale moleculei proteinei canal, care pot optura sau degaja deschiderea canalului printr-o modificare conformațională spațială a structurii moleculare. În cazul canalului de sodiu poarta se află la capătul canalului dinspre fața externă a membranei, iar în cazul celui pentru potasiu, la capătul canalului dinspre fața internă a membranei.

Închiderea și deschiderea canalelor proteice se realizează cel puțin pe două căi, cum vom arăta în continuare.

1.2.2.1. Canalele proteice voltaj-dependente

În cazul canalelor proteice voltaj-dependente, poarta canalului își schimbă conformația spațială în funcție de potențialul electric al membranei. Spre exemplu, canalele pentru sodiu dispun de câte două porți, una de activare (la nivelul feței externe a membranei) și o poartă de inactivare (la nivelul feței interne a membranei). Când potențialul de membrană are valoarea de repaus (-90 mV), poarta de activare este închisă, iar cea de inactivare deschisă. Această poziție a porții de activare nu permite pătrunderea ionilor de sodiu de la exterior la interior. Când potențialul de membrană crește de la –90mV la –70 ori –50 mV, are loc o schimabare conformațională a porții de activare, care deschide canalul și permite intrarea în celulă a unei cantități mari de ioni de sodiu; acum crește permeabilitatea membranei de până la 5.000 de ori. Dar creșterea potențialului membranar este și cauza închiderii porții de inactivare, care se săvârșește cu o latență mai mare decât deschiderea porții de activare; poarta de inactivare se închide la 10 ms după deschiderea porții de activare. În acest interval de 10ms între finalizarea deschiderii porții de activare și finalizarea închiderii porții de inactivare, are loc pătrunderea unei cantități suficiente de ioni de sodiu în celulă, pentru a crește potențialul membranar la +35mV. Apoi, închiderea porții de inactivare a canalului de sodiu va duce la o revenire treptată a membranei la starea de repaus, prin procesul de repolarizare normală.

O caracteristică importantă a procesului de inactivare a canalului de sodiu constă în aceea că poarta de inactivare nu se redeschide până când potențialul de membrană nu revine la valoarea normală de repaus, sau foarte aproape de această valoare.

Canalele proteice pentru ionii de potasiu dispun doar de o singură poartă care este dispusă la capătul dinspre fața internă. În condițiile potențialului de repaus membranar (-90mV) poarta canalului de potasiu este închisă și ionii de potasiu sunt împiedicați să iasă din celulă. Când potențialul de membrană crește spre zero, are loc o modificare conformațională a porții de potasiu, deschizând canalul și permițând astfel difuzia spre exterior a ionilor de potasiu. Cu toate acestea însă, datorită faptului că porțile canalelor de potasiu se deschid cu latență mare, efluxul ionilor de potasiu din celulă are loc abia după ce canalele de sodiu se inactivează. Deci, efluxul ionilor de potasiu se corelează cu reducerea aproape totală, sau totală, a intrării sodiului în celulă, ceea ce ajută la repolarizarea normală a membranei.

1.2.2.2. Canale proteice ale căror porți se închid și deschid în funcție de legarea unui ligand

Porțile unor canale proteice se închid și deschid prin legarea de unele molecule care le schimbă conformația spațială. Substanțele care pot influența starea acestor porți poartă denumirea de liganți. Astfel, sunt canale a căror porți pot fi controlate de acetilcolină; canalele poartă denumirea de canale acetilcolinice. Acetilcolina este un mediator chimic excitator care facilitează excitarea componentei postsinaptice acționând asupra canalelor ionice acetilcolinice din membrana acestora.

1.3. Difuzia facilitată

Difuzia facilitată se mai numește și difuzie mediată de transportori și diferă de difuzia simplă prin aceea că în acest tip de difuzie este atinsă o viteză maximă la o anumită valoare a concentrației substanței de difuzat; dacă în continuare crește concentrația substanței, viteza maximă de difuzie nu mai poate fi depășită. În cazul difuziei simple, viteza de difuzie crește proporțional cu creșterea concentrației substanței de difuzat.

Printre substanțele care difuzează facilitat se numără glucoza și aminoacizii. În cazul glucozei molecula carrier are o greutate moleculară de ≈45.000 și poate transporta și manoza, galactoza, xiloza și arabinoza. Insulina poate crește viteza de difuzie facilitată a glucozei de 10-20 ori. Acesta este principalul mecanism prin care insulina reglează utilizarea glucozei de către organism.

De menționat este faptul că difuzia facilitată se realizează prin carrieri proteici, a căror canal dispune de receptori, de care se leagă în prealabil molecula care face obiectul difuziei prin membrană. Legarea, dezlegarea și finalizarea transportului prin canalul proteinei carrier, sunt etape ale difuziei facilitate care trebuie să se deruleze în aceeași ordine și ar putea constitui factorul limitant pentru viteza de transport transmembranar a substanțelor.

1.3.1. Difuzia netă prin membrana celulară

Substanțele care difuzează într-o direcție, pot difuza și în direcție opusă prin membrana celulară. De obicei, important pentru celulă nu este cantitatea totală de substanță difuzată în ambele direcții, ci diferența dintre cantitatea de substanță care difuzează într-o direcție și cantitatea care difuzează în direcție opusă, diferență care reprezintă viteza netă de difuzie într-o direcție. Factorii care afectează viteza netă de difuzie sunt:

1) permeabilitatea membranei; 2) diferența de concentrație pentru substanța de difuzat între cele două fețe ale membranei; 3) diferența de presiune între cele două fețe ale membranei.

Permeabilitatea membranei reprezintă viteza de transport prin unitatea sa de suprafață pentru o diferență de concentrație dată. Printre factorii care afectează permeabilitatea totală a canalelor proteice membranare sunt: a) numărul de canale proteice prin care poate difuza substanța; b) lungimea canalelor proteice; c) rezistența canalului; d) greutatea moleculară a substanței de difuzat; e) temperatura. Factorii care influențează permeabilitatea pot fi transpuși într-o formulă de determinare a permeabilității:

Numărul de canale pe unitatea de suprafață membranară x temperatura

Permeabilitatea = ▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬

Rezistența canalelor per unitatea de lungime x lungimea canalului x rădăcina pătrată a greutății moleculare

1.3.2. Osmoza și presiunea osmotică

Am arătat anterior că apa penetrează cel mai ușor membrana celulară. Dacă de o parte și de alta a membranei se află apă pură, cantitatea de apă care difuzează într-o direcție este sensibil egală cu cantitatea de apă care difuzează în direcție opusă. Dacă de o parte și alta a membranei apare o diferență de concentrație pentru apă, atunci se va înregistra o viteză netă de difuzie dinspre fața membranei unde concentrația apei este mai mică; acest lucru poate duce la creșterea sau scăderea volumului celular. Acest proces de migrare netă de apă prin membrana celulară cauzată de o concentrație diferită de apă de o parte și alta a membranei se numește osmoză (Fig. 4).

Fig. 4: Osmoza la nivelul unei membrane celulare când de-o parte a membranei se află o soluție de clorură de sodiu, iar de cealaltă parte se află apă (după Guyton).

Dacă spre exemplu, de o parte a membranei avem apă pură și de cealaltă parte o soluție de clorură de sodiu, vom constata fenomenul de osmoză, o migrare netă a apei dinspre fața cu apă pură spre cea cu soluție de clorură de sodiu. În partea membranei unde se află clorura de sodiu, avem un amestec de molecule de apă (care pot penetra membrana) și ioni de sodiu și de clor (a căror trecere prin membrană este dificilă); cantitatea de molecule de apă pe unitatea de volum de soluție de clorură de sodiu este mai mică decât de partea opusă. Dacă ne referim la soluția de clorură de sodiu spunem că membrana este selectiv permeabilă (se mai utilizează termenul “semipermeabilă”) și anume permeabilă pentru apă, dar nu și pentru ionii de clor și sodiu (Fig. 5).

Fig. 5: Demonstrarea presiunii osmotice la nivelul celor două fețe ale membranei semipermeabile (după Guyton).

Osmoza apei spre soluția de clorură de sodiu poate fi încetinită sau chiar stopată. Presiunea de o anumită valoare necesară stopării osmozei poartă denumirea de presiune osmotică. Cu cât o soluție este mai concentrată, cu atât presiunea sa osmotică este mai mare; adică diferența de presiune care trebuie să se realizeze între cele două fețe ale membranei trebuie să fie mai mare (ori tocmai această diferență de presiune nu este altceva decât presiunea osmotică). Migrarea moleculelor de apă din coloana B spre coloana A (osmoza) se realizează (se menține) până când cantitatea de molecule de apă din coloana A va fi egală cu cantitatea de molecule de apă din coloana B. Este lesne de înțeles că acest lucru va dura cu atât mai mult cu cât concentrația soluției din coloana A este mai mare. Cu cât concentrația soluției din coloana A este mai mare, cu atât cantitatea de apă care va trece prin membrana selectiv permeabilă din coloană B în coloana A va fi mai mare și astfel, lungimea coloanei de lichid din coloana A va fi și ea mai mare. Cu cât coloana de lichid este mai mare, în ramul A, presiunea pe care o va exercita asupra unității de suprafață de membrană semipermeabilă va fi mai mare. Pe măsură ce scade lungimea coloanei de apă pură din ramul B, datorită osmozei, scade și valoarea presiunii exercitată de aceasta asupra unității de suprafață de membrană semipermeabilă. Prin urmare, se ajunge la situația în care între presiunea exercitată de lichidul din coloana A (soluția) asupra membranei semipermeabile și cea exercitată de lichidul din coloana B (apa pură) asupra aceleași membrane, diferența este mai mare; tocmai această diferență de presiune este presiunea osmotică.

1.4. Transportul activ

Sunt dese situațiile în care o anumită substanță se află în concentrație mică în lichidul extracelular, dar ea este necesară în concentrație mult mai mare în interiorul celulei (cazul ionului de potasiu). În alte cazuri sunt substanțe care intră în celulă în cantități mari și trebuiesc scoase în afară (cazul ionului de sodiu).

Este evident faptul că difuzia acestor substanțe prin membrana celulară, pentru a fi asigurată pentru ele o concentrație celulară optimă, se realizează împotriva gradientului electrochimic.

Dacă o moleculă este transportată prin membrana împotriva gradientului de concentrație, procesul poartă denumirea de transport activ. Printre substanțele care sunt transportate activ prin membrana celulară, sunt ionii de sodiu, potasiu, calciu, fier, hidrogen, clor, urați, precum și unele glucide și aminoacizii.

La baza transportului activ al substanțelor prin membrană stau proteinele carrier care sunt inserate în structura acesteia ca și în cazul difuziei facilitate. Cu toate acestea însă, în transportul activ funcția carrierului proteic este diferită de ce a celui din difuzia facilitată, în sensul că trebuie să furnizeze energia necesară substratului ce urmează a fi transportat împotriva gradientului electrochimic. De obicei, această energie este furnizată de ATP-ul ce este degradat chiar de carrierul proteic care are activitate ATP-azică. Din păcate însă, nu se cunoaște modalitatea prin care este cuplată energia eliberată din ATP, substratului ce urmează a fi transportat transmembranar.

1.4.1. Pompa de sodiu-potasiu

Pompa de sodiu-potasiu este un mecanism de transport transmembranar pentru scoaterea din celulă a ionilor de sodiu și pomparea în interiorul acesteia a potasiului (Fig. 6). Această pompă ionică este prezentă în structura membranei tuturor celulelor organismelor animale și este responsabilă de menținerea concentrațiilor diferite pentru ionii de sodiu și potasiu de o parte și alta a membranei celulare, precum și pentru stabilirea unui potențial electric negativ în interiorul celulelor.

Fig. 6: Mecanismul acceptat pentru funcționarea pompei de sodiu-potasiu (după Guyton).

Proteina transportor a pompei de Na+-K+ este un complex format din două proteine globulare separate, una mai mare, cu o greutate moleculară de 100.000 de daltoni și una mai mică, de 45.000 de daltoni. Chiar dacă funcția proteinei mici nu se cunoaște, proteina mare are următoarele proprietăți esențiale pentru funcționarea pompei:

– are două locusuri receptor pentru ionii de potasiu dispuse la capătul dinspre fața externă a membranei;

– are trei locusuri receptor pentru ionii de sodiu dispuse la capătul ce proeminează în interiorul celulei;

– la nivelul locusurilor receptor pentru ionii de sodiu, sau adiacent acestora, proteina transportor are o zonă cu activitate ATP-azică.

Mecanismul de funcționare a pompei de sodiu-potasiu ar fi cel expus în continuare. Când proteina transportor a pompei leagă la locusurile respective cei trei ioni de sodiu și doi ioni de potasiu, ATP-aza acestei proteine se activează. Are loc degradarea unei molecule de ATP și eliberarea energiei necesară transportului ionilor. Se consideră că energia astfel eliberată ar modifica configurația spațială a proteinei transportor, ceea ce ar asigura transportul transmembranar al ionilor de sodiu spre exterior și a celor de potasiu spre interior.

Una din funcțiile importante ale pompei de Na+-K+ este aceea de a controla volumul celulelor; dacă pompa nu ar funcționa, celulele s-ar umfla și ar crăpa. Mecanismul de control al volumului celular prin pompa de Na+-K+ ar fi următorul: în interiorul celulelor se găsește o cantitate apreciabilă de compuși organici care nu pot părăsi celula. Mulți din acești compuși organici sunt încărcați cu sarcini negative și vor atrage în jurul lor un mare număr de ioni pozitivi. Toate aceste substanțe vor determina osmoza apei spre interiorul celulei ceea ce ar duce în final la plesnirea celulelor. Pompa de Na+-K+ reduce cu o unitate numărul sarcinilor pozitive din interiorul celulelor (este scos din celulă un ion de sodiu). Ionul de sodiu scos din celulă rămâne în exterior dat fiind faptul că în condiții de repaus membrana este foarte puțin permeabilă pentru acest ion. Această pierdere continuă de ioni de sodiu stă la baza inițierii și derulării unei osmoze a apei în sens opus, dinspre interiorul celulei spre exteriorul acesteia. Ba mai mult, când celulele se umflă cu apă datorită osmozei, acest lucru declanșează automat pompa de sodiu-potasiu, care scoate ionii de sodiu la exterior și aceștia duc cu ei la exterior excesul de apă. În felul acesta, pompa de sodiu-potasiu are în permanent rolul de a supraveghea menținerea normală a volemiei.

Pompa de sodiu-potasiu se spune că este electrogenă pentru că scoate Na+ la exterior creind o pozitivizare a feței externe și o negativizare a celei interne; în felul acesta se creează o diferență de potențial între cele două fețe ale membranei.

1.4.2. Pompa de calciu

O altă pompă (membranară) foarte importantă este pompa de calciu. De obicei, ionii de calciu sunt menținuți în interiorul celulei la concentrații extrem de mici, la o concentrație de 10.000 de ori mai mică ca în lichidul extracelular. Acest echilibru privind concentrația intracelulară și extracelulară a calciului este asigurat de două pompe de calciu. Una este dispusă în membrana celulară și este responsabilă de pomparea continuă a calciului la exteriorul celulei. O altă pompă de calciu este dispusă în membrana organitelor celulare: a mitocondriilor tuturor celulelor și în cazul fibrei musculare și în membrana reticulului sarcoplasmatic. În cazul ambelor tipuri de pompe, proteina carrier responsabilă de pomparea ionilor de calciu este o ATP-ază care are aceeași capacitate de a scinda ATP-ul ca și ATP-aza proteinei carrier pentru sodiu, cu deosebirea că leagă Ca2+ în loc de Na+.

Când concentrația substanței ce face obiectul transportului activ este mică, viteza de transport transmembranar a acesteia crește aproximativ proporțional cu concentrația. Dacă concentrația substanței este mare, atunci viteza de transport atinge o valoare maximă, numită Vmax., care nu mai poate fi depășită chiar dacă crește concentrația substanței; fenomenul este asemănător difuziei facilitate. Factorii limitanți responsabili de instalarea Vmax. sunt: viteza limitată cu care se derulează reacția chimică de legare și eliberare a substanței de transportat, precum și latența cu care se realizează modificarea conformațională spațială a carrierului proteic necesară desăvârșirii transportului.

1.4.3. Transportul activ secundar

Glucoza și amnoacizii sunt transportați în interiorul unor celule împotriva unui foarte mare gradient de concentrație, chiar dacă proteinele transportoare ale acestor substanțe nu scindează ATP-ul spre a obține energia necesară. În acest caz energia este furnizată de gradientul de concentrație al ionilor de sodiu aflați pe cele două fețe ale membranei celulare; concentrația Na+ este mare la exterior și foarte mică la interior. De notat este faptul că, proteina transportor dispune de două locusuri la nivelul capătului dinspre fața externă a membranei; unul pentru sodiu și unul pentru glucoză (Fig. 7). O proprietate interesantă a acestei proteine transportor este aceea că își modifică conformația spațială, garanția finalizării transportului, doar în cazul în care la un locus se leagă ionul de sodiu, iar la celălalt molecula de glucoză. Transportul glucozei se realizează în această situație, chiar dacă glucoza se află în concentrație mare la interior și foarte mică la exterior. Energia gradientului ionilor de sodiu trage glucoza la interior. Acest tip de transport a primit numele de transport activ secundar și cotransport sodiu-glucoză.

Fig. 7: Mecanismul acceptat pentru cotransportul sodiului și glucozei (după Guyton).

Aminoacizii sunt transportați în mod asemănător, deosebirea constând în faptul că proteinele transportor sunt altele. Au fost identificate cinci proteine transportor pentru aminoacizi, fiecare fiind responsabilă pentru transportul unui subset de aminoacizi cu caracteristici moleculare specifice.

Cotransportul sodiu de glucoză și aminoacizi apare mai ales la nivelul celulelor epiteliale ale tractului intestinal și tubii renali, pentru absorbția acestor substanțe în sânge.

Trebuie să subliniem faptul că și în acest caz sursa de energie pentru cotransportul sodiu, glucoză și aminoacizi este tot ATP-ul, care susține pompa de sodiu-potasiu ce este la rândul ei răspunzătoare de realizarea gradientului de concentrație pentru ionul de sodiu.

2. POTENTIALUL DE REPAUS

Celulele organismului animal dispun de potențiale electrice. De obicei, în condiții fiziologice normale membrana celulelor este încărcată pozitiv pe fața externă și negativ pe fața internă, lucru datorat în bună măsură unei densități mari de ioni de sodiu pe fața externă și a unei densități anionice mari pe fața internă a membranei celulare.

Potențialul electric membranar se datorește, pe de o parte, difuziei ionilor prin membrană, ca rezultat al concentrației ionice diferite între cele două fețe ale membranei, iar pe de altă parte, transportului activ de ioni prin membrană, ambele procese determinând un dezechilbru de sarcini negative și pozitive pe cele două fețe ale membranei.

Potențialul membranar are un rol foarte important pentru fiziologia celulelor, țesuturilor, organelor și organismului ca un tot unitar. Astfel, modificarea potențialului de membrană în cazul celulelor receptoare sau nervoase este cauza declanșării impulsurilor nervoase care se pot propaga pe căi nervoase la centrii nervoși corespunzători. După analiza informației purtată de aceste impulsuri, centrii nervoși emit mesaje eferente diferiților efectori ai organismului, ajutându-l pe acesta din urmă să se integreze în mediul de viață. Apoi, modificarea valorii potențialului membranar poate constitui o modalitate de control a funcțiilor celulelor.

Rolul difuziei în realizarea potențialelor membranare

În mod normal concentrația ionilor de potasiu în interiorul fibrei nervoase este de 140 mEq/l, iar la exteriorul acesteia de 4mEq/l (Fig. 8).

Fig. 8: A; Potențialul de difuzie transmembranar determinat de ionii de potasiu care difuzează din interiorul celulei la exterior, când membrana este selectiv permeabilă numai pentru potasiu. B; Potențialul de difuzie când membrana este permeabilă numai pentru ionii de sodiu. De notat este faptul că potențialul feței interne a membranei este negativ când difuzează ionii de sodiu, din cauza gradienților de concentrație opuși ai acestor doi ioni(după Guyton).

Dacă în mod ipotetic considerăm membrana axonală (membrana celulară) permeabilă numai pentru ionii de potasiu, atunci în virtutea gradientului de concentrație ionii de potasiu ies din fibra nervoasă la exterior. Ionii de potasiu vor transporta pe fața externă a membranei axonale un număr egal de sarcini pozitive; membrana devine electropozitivă pe fața sa externă. Fața internă a membranei rămâne electronegativă din cauza anionilor negativi care rămân în interiorul fibrei (în axoplasmă) și nu pot difuza la exterior împreună cu potasiu. Pe măsură ce crește numărul de ioni de potasiu ce părăsesc fibra nervoasă, crește și diferența de potențial dintre cele două fețe ale membranei. Această diferență de potențial ajunge la un moment dat la o valoare suficient de mare, timp de câteva milisecunde, să se poată opune continuării exodului de ioni de potasiu; ba mai mult, diferența de potențial creată tinde chiar să replieze ionii de potasiu în interiorul fibrei, prin membrana acesteia. Această valoare a potențialului membranar poartă denumirea de potențialul Nernst pentru ionii de potasiu.

Spre deosebire de ionul de potasiu, ionul de sodiu se află în concentrație mare în lichidul extracelular (142 mEq/l) și mică în interiorul celulei (14 mEq/l). Dacă considerăm de data aceasta membrana axonului permeabilă doar pentru ionii de sodiu, nu și pentru ionii de altă natură, în virtutea gradientului de concentrație va avea loc o pătrundere masivă a Na+ în axoplasma fibrei nervoase. Ionii de sodiu fiind purtători de sarcini pozitive, vor determina electropozitivizarea feței interne a membranei, fața externă rămânând negativă. Pe măsură ce ionii de sodiu pătrund în axoplasmă, crește diferența de potențial a membranei axonale și se ajunge la o valoare a acestuia care, timp de câteva milisecunde, se va opune continuării penetrării membranei, de la exterior spre interior, de către ionii de sodiu. În acel moment, acea valoare a potențialului de membrană poartă denumirea de potențial Nernst pentru ionii de sodiu.

Valoarea potențialului Nernst pentru ionii de potasiu ori sodiu poate fi determinată utilizând ecuația lui Nernst. Formula dă valori reale pentru o temperatură a corpului de 380C.

Concentrația internă

FEM (milivolți) = -61 log ▬▬▬▬▬▬▬▬▬

Concentrația externă

Dacă aplicăm formula de calcul pentru aflarea potențialului Nernst pentru ionii de potasiu obținem:

140

FEM (milivolți) = -61 log ▬▬ = -61 log 35 = -61 x 1,54 = -94

4

Pentru ionii de sodiu valoarea potențialului Nernst va fi:

14

FEM (milivolți) = -61 log ▬▬ = -61 log 0,1 = -61 x (–1) = +61

142

Deci, valoarea potențialului Nernst pentru ionii de potasiu este –94mV, valoare foarte apropiată de valoarea potențialului de repaus membranar pentru majoritatea celulelor, -90mV. Acest lucru arată că membrana celulară în repaus este foarte permeabilă pentru ionii de potasiu. După cum am văzut, valoarea potențialului Nernst pentru ionii de sodiu este +61mV. Dacă prin nerv este transmis un impuls nervos membrana acestuia devine pentru o fracțiune de timp mult mai permeabilă pentru Na+ decât pentru K+; în această situație potențialul de membrană crește la aproximativ +45mV, valoare mult mai apropiată de potențialul Nernst pentru ionul de sodiu.

Dacă membrana celulară este permeabilă în același timp pentru mai mulți ioni și situația reală este aceasta, potențialul de difuzie care se va naște va depinde de trei factori: 1) polaritatea sarcinii electrice a fiecărui ion, 2) permeabilitatea membranei (p) pentru fiecare ion, 3) concentrația (c) ionilor respectivi în interiorul (i) și exteriorul (e) membranei. Dacă considerăm membrana permeabilă pentru ionii de sodiu (Na+), potasiu (K+) și clor (Cl-), atunci potențialul de membrană poate fi calculat pe baza formulei:

(CNa+i x PNa+) + (CK+i x PK+) + (CCl-e x PCl-)

EMF (milivolți) = -61 log ▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬

(CNa+e x PNa+) + (CK+e x PK+) + (CCl-i x PCl-)

Formula poartă denumirea de ecuația câmpului constant, sau ecuația Goldman, ori ecuația Goldman-Hodgkin-Katz.

Utilizarea ecuației câmpului constant pentru determinarea potențialului membranar are câteva motivații pe care le vom expune în cele ce urmează. În primul rând, ionii de sodiu, potasiu și clor sunt cei mai importanți ioni implicați în realizarea potențialelor membranare în fibrele nervoase și musculare, precum și în celulele nervoase ale sistemului nervos central; gradientul de concentrație al fiecăruia din acești ioni, prin membrana celulară, ajută la determinarea voltajului potențialului de membrană.

În al doilea rând, importanța fiecarui ion în determinarea voltajului este proporțională cu permeabilitatea membranei pentru ionul în cauză. Astfel, dacă membrana este impermeabilă la un moment dat pentru ionii de potasiu și clor, atunci potențialul membranei este determinat numai de gradientul de concentrație al ionilor de sodiu, și valoarea potențialului este perfect egală cu cea a potențialului Nernst pentru ionii de sodiu.

În al treilea rând, gradientul de concentrație al unui ion pozitiv, dinspre fața internă a membranei spre fața externă a acesteia, determină electronegativizarea feței interne a membranei. Acest lucru se datorește faptului că ionii pozitivi duc sarcinile pozitive la exterior, iar în interiorul celulei rămân anionii negativi. Când gradientul de concentrație se naște pe seama unui ion negativ, lucrurile se petrec invers. Astfel, un gradient de ioni de clor de la exterior spre interiorul celulei duce tot la negativizarea feței interne, acest lucru datorându-se sarcinilor negative aduse în celulă de ionii de clor.

În al patrulea rând, permeabilitatea canalelor proteice membranare specifice pentru ionii de potasiu și sodiu se modifică foarte rapid în timpul conducerii impulsului nervos, în timp ce permeabilitatea canalelor proteice membranare specifice ionilor de clor nu se schimbă prea mult în acest moment. Așa stând lucrurile, modificările de permeabilitate membranară pentru sodiu și potasiu sunt în primul rând responsabile pentru transmiterea semnalelor prin nervi.

Rolul transportului activ în realizarea potențialului de membrană

După cum am văzut, pompa de sodiu-potasiu, cu fiecare ciclu de funcționare, pompează trei ioni de sodiu la exterior și asigură pătrunderea a doi ioni de potasiu în interiorul celulei. Datorită faptului că membrana nu este permeabilă pentru cei mai mulți ioni încărcați negativ, pe măsură ce pompa de Na+-K+ funcționează, fața externă a celulei devine electropozitivă, iar cea internă electronegativă. Datorită faptului că pompa de Na+-K+ crează un astfel de potențial de membrană, ea a fost numită pompă electrogenă.

Am văzut de asemenea că, pompa de Na+-K+ este răspunzătoare de menținerea gradienților electrochimici normali între cele două fețe ale membranei pentru sodiu și potasiu; pompând Na+ la exterior asigură pentru acest ion o concentrație mare în lichidul extracelular, iar prin pomparea K+ în interiorul celulei, asigură pentru acest cation o concentrație mare intracelulară.

După cum am văzut, potențialul de repaus membranar calculat pe baza ecuației lui Nernst este de –94mV. Această valoare este foarte apropiată de valoarea medie de circa –90mV, care se înregistrează experimental (Fig. 9). Prin urmare, potențialul de repaus poate fi considerat ca un potențial de difuzie al K+. Diferența dintre valoarea potențialului de difuzie al K+ (-94mV) și cea obținută experimental (-90mV) se datorează pe de o parte influxului redus de sodiu prin canalele de scurgere (pierdere) sodiu-potasiu comparativ cu efluxul ionilor de potasiu, iar pe de altă parte pompei electrogene de Na+-K+. Valoarea potențialului membranar datorat în exclusivitate difuziei ionilor de potasiu și sodiu prin membrana celulară, datorită gradientului de concentrație, la nivelul canalelor proteice de pierdere (scurgere) a potasiului-sodiului, este de –86mV (Fig. 10).

Fig. 9: Porențialul de repaus membranar al fibrelor nervoase în trei condiții separate: A, când potențialul de membrană este determinat în întregime doar de difuzia potasiului: B, când potențialul membranar este determinat de difuzia atât a potasiului cât și a sodiului; C, când potențialul de membrană este determinat de difuzia celor doi ioni, plus pomparea celor doi ioni prin membrana celulară datorită activității pompei de sodiu-potasiu (după Guyton).

După cum observăm, valoarea diferă (este mai mare) cu 8mV față de valoarea potențialului de membrană calculat pe baza ecuației Nernst pentru ionii de potasiu. Diferența se datorește faptului că aceste canale de pierdere a potasiului-sodiului sunt permeabile și pentru Na+ (care intră în celulă), chiar dacă această permeabilitate este de circa 100 de ori mai mică decât pentru K+ (care ies). Deci, ionii de sodiu purtători de sarcini pozitive, care pătrund prin canalele de pierdere potasiu-sodiu, aduc în interiorul celulei sarcini pozitive, ce anulează o parte din sarcinile negative de pe fața internă a membranei, reducând în felul acesta electronegativitatea acesteia și care nu va fi de –94mV, ci de –86mV. Cu toate acestea însă, pompa de Na+-K+ asigură cu fiecare ciclu de funcționare o evacuare netă a unei sarcini pozitive din celulă, prin purtătorul ei, ionul de sodiu. Prin activitatea sa pompa de sodiu-potasiu contribuie, spre deosebire de canalele de pierdere (scurgere) potasiu-sodiu, la creșterea gradului de electronegativitate a feței interne a membranei cu circa –4mV; valoarea rezultată în final ajungând la –90mV.

Fig. 10: Mecanismul de funcționare al pompei de sodiu-potasiu și al canalelor de pierdere potasiu-sodiu (după Guyton)

Din cele arătate mai sus privind factorii care contribuie la realizarea potențialului de repaus membranar, rezultă că pompa ionică de sodiu-potasiu are o contribuție minoră la generarea acestui potențial. Rolul esențial în constituirea potențialului de repaus membranar revine difuziei ionilor de sodiu și potasiu în virtutea gradientului de concentrație (mai mare pentru K+ și mai mică pentru Na+), combinată cu permeabilitatea redusă a membranei pentru anioni. Valoarea de –90mV a potențialului de repaus membranar înseamnă că potențialul din interiorul celulei este cu 90mV mai negativ decât potențialul lichidului interstițial din exteriorul celulei.

3. POTENTIALUL DE ACTIUNE

Dacă asupra membranei acționează factori care modifică brusc permeabilitatea membranei pentru unii ioni, potențialul normal membranar este înlocuit cu potențialul de acțiune, care durează câteva fracțiuni de secundă, după care reapare potențialul de repaus.

Potențialele de acțiune apar la nivelul membranelor celulelor nervoase și musculare, la nivelul membranelor unor receptori, precum și la nivelul membranelor celulelor secretoare. Rolul lor este acela de a transmite rapid informația pe distanțe mari în fibrele nervoase și musculare și de a controla activitatea efectorilor cum ar fi mușchii și celulele secretoare.

3.1. Stadiile potențialului de acțiune

Stadiile succesive ale potențialului de acțiune sunt descrise în cele ce urmează (Fig. 11).

Fig. 11: Un potențial tipic de acțiune înregiatrat prin metoda aratată în figură(după Guyton).

1.3.1. Stadiul de repaus

Acest stadiu reprezintă potențialul de repaus membranar (-90mV) de dinaintea apariției potențialului de acțiune. În acest stadiu se spune despre membrană că este “polarizată” datorită potențialului negativ foarte mare a acesteia.

1.3.2. Stadiul de depolarizare

În acest timp (câteva zecimi de miimi de secundă) membrana devine foarte permeabilă pentru sodiu, permițând pătrunderea unei mari cantități de ioni de sodiu în celulă. De la valoarea de –90mV potențialul membranar crește rapid înspre valori pozitive; fenomenul poartă denumirea de depolarizare. În cazul fibrelor nervoase groase potențialul membranar pur și simplu depășește nivelul zero devenind ușor pozitiv, dar în cazul fibrelor mai mici, precum și în cazul neuronilor sistemului nervos central, potențialul de acțiune nu depășește niciodată valoarea zero.

Stadiul de repolarizare

În acest stadiu canalelele de sodiu se închid tot atât de repede după cum s-au deschis în stadiul precedent. Apoi, difuzia rapidă a ionilor de potasiu la exterior, restabilește potențialul de repaus al membranei. Acest fenomen poartă denumirea de repolarizarea membranei.

În timpul stării de repaus, înaintea declanșării potențialului de acțiune, conductanța membranei pentru ionii de potasiu este de până la 100 de ori mai mare decât pentru ionii de sodiu. Acest lucru se datorește difuziei cu viteze diferite a ionilor de sodiu și potasiu prin canalele de scurgere (pierdere) a potasiului-sodiului. La declanșarea potențialului de acțiune, canalele de sodiu se activează instantaneu și conductanța membranei pentru Na+ crește de 5.000 de ori. Apoi, în câteva fracțiuni de milisecundă are loc închiderea canalelor de sodiu, când se derulează panta descendentă a potențialului de acțiune. Declanșarea potențialului de acțiune determină de asemenea intrarea în activitate a canalelor de potasiu voltaj dependente; acestea se deschid cu o fracțiune de milisecundă după deschiderea canalelor de sodiu. La sfârșitul potențialului de acțiune, revenirea potențialului membranar la valori negative determină închiderea canalelor de potasiu, dar și această operațiune se realizează tot cu o scurtă întârziere (latență). Întârzierea cu câteva milisecunde a închiderii canalelelor de potasiu, după procesul de repolarizare a membranei celulare, determină post-potențialul pozitiv. Atâta timp cât canalele de K+ rămân deschise, sunt scoase din celulă (fibra nervoasă) un exces de sarcini pozitive, ceea ce va face ca membrana să aibă fața internă mai electronegativă decât în condițiile de repaus membranar clasic. Denumirea de post-potențial pozitiv a fost dată pe timpul primelor măsurători ale potențialului membranar, care erau efectuate la suprafața externă a celulei unde valorile erau pozitive.

Dacă înregistrăm potențialul de acțiune pe parcursul mai multor milisecunde, alura grafică este cea prezentată mai jos (Fig. 12).

Fig 12: Prezentarea grafică a potențialului de acțiune unde se observă spike-ul, urmat de postpotențialul negativ și postpoțentialul pozitiv (după Guyton).

Potențialul de acțiune are 3 faze: potențialul de vârf (spike potential), postpotențialul negativ și postpotențialul pozitiv. Potențialul de acțiune începe printr-o creștere rapidă a valorii potențialului de repaus, care poartă denumirea de faza ascendentă (upstroke) sau faza de depolarizare și durează în fibrele musculare și nervoase ale homeotermelor 0,2-0,5 ms. Diferența de potențial între valoarea de repaus și vârful potențialului de acțiune reprezintă spike potential (potențialul de vârf). După ce a fost atinsă valoarea de vârf, potențialul membranar revine spre valoarea de repaus. Acest proces de revenire spre normal poartă denumirea de repolarizare, pentru că în această perioadă a derulării potențialului de acțiune are loc refacerea polarizării normale de repaus a membranei. Spre sfârșitul potențialului de acțiune apar postpotențialele: mai întâi cel negativ și apoi cel pozitiv.

După cum am mai arătat cu o altă ocazie, potențialul de acțiune apare atunci când potențialul membranar de repaus crește de la –90mV la – 65mV. Valoarea de –65mV numindu-se prag de excitație. Dacă a fost atins pragul de excitație al potențialului de acțiune, acesta se declanșează brusc și va atinge prin potențialul său de vârf aceeași valoare indiferent de intensitatea stimulului care a produs pragul de excitație, în conformitate cu legea “totul sau nimic”.

Potențialul de acțiune poate fi definit ca o succesiune stereotipă de depolarizări și repolarizări ale membranei, fenomene care au loc ori de câte ori membrana se depolarizează cel puțin la valoarea pragului de excitație. Celulele la nivelul cărora se poate declanșa potențialul de acțiune, se numesc celule excitabile. Excitabilitatea este o proprietate tipică a celulelor nervoase și musculare.

Înainte de a expune evenimentele care caracterizează potențialul de acțiune, subliniem faptul că factorii de bază care determină depolarizarea și repolarizarea membranei în perioada potențialului de acțiune, sunt canalele de sodiu și canalele de potasiu voltaj-dependente; închiderea și deschiderea lor depinde de modificarea voltajului membranar. În derularea tuturor etapelor potențialului de acțiune intervin și pompa de sodiu-potasiu, precum și canalele de pierdere Na+-K+.

Perioada de latență reprezintă intervalul de timp dintre momentul aplicării stimulului și începutul potențialului de acțiune. Durează circa 0,1ms și în această perioadă potențialul de membrană crește progresiv de la valoarea de repaus la valoarea pragului de excitație. La valoarea pragului de excitație se deschid canalele de sodiu voltaj-dependente și pătrunde masiv Na+ în interiorul celulei (conductibilitatea membranei pentru Na+ crește de până la 5.000 de ori).

Depolarizarea se caracterizează prin continuarea influxului de Na+ în celulă (fibra musculară). Acum polarizarea membranei poate să ia valori pozitive, fenomenul poartă denumirea de “polarizare inversată” (+35- +45 mV).

Repolarizarea înseamnă revenirea membranei din punct de vedere al încărcării electrice la valoarea de repaus (-90mV). Ea începe atunci când în celulă s-a acumulat o cantitate mare de Na+ care se opune unei continuări a intrării de Na+. Tot acum are loc o închidere a canalelor de sodiu voltaj-dependente și permeabilitatea membranei pentru sodiu revine la valorile normale de repaus (adică mică). După cum am văzut, canalele de sodiu voltaj-dependente au câte o poartă de activare (externă) și câte o poartă de inactivare (internă). Ambele porți ale canalelor de sodiu voltaj-dependente intră în funcțiune o dată cu creșterea potențialului membranar de la –90mV la +35mV. Cu toate acestea însă, între intrarea în activitate a porților de activare (care se deschid) și a porților de inactivare (se închid) există un decalaj de câteva fracțiuni de ms.

Acest decalaj de câteva ms este suficient pentru ca în timpul derulării pantei ascendente (depolarizarea) a potențialului de acțiune, să intre în celulă o cantitate suficientă de ioni de Na+, pentru a se atinge valoarea maximă a acestuia, spike potential (potențialul de vârf). Când potențialul de acțiune a atins valoarea maximă, se închid porțile de inactivare a canalelor de sodiu voltaj-dependente. Tot la valoarea maximă a potențialului de acțiune (potențialul de vârf) are loc deschiderea canalelor de potasiu voltaj-dependente. Canalele de potasiu voltaj-dependente se deschid tot datorită creșterii potențialului membranar de la –90mv la +35mV; cum însă există un decalaj între deschiderea porților de activare a canalelor de sodiu voltaj-dependente și deschiderea canalelor de potasiu, acestea din urmă ajung să fie deschise abia atunci când potențialul de acțiune are valoare maximă. Deschiderea canalelor de K+ voltaj-dependente este răspunzătoare de o creștere a permeabilității membranei celulare pentru K+ de până la 40 de ori. Acum are loc un exod masiv de sarcini pozitive purtate de ionii de potasiu (panta descendentă) ce are drept scop repolarizarea normală a membranei celulare.

În cazul structurilor nervoase, deschiderea completă a canalelor de K+ coincide cu momentul atingerii valorii maxime de către potențialul de acțiune. În cazul fibrelor musculare cardiace, spre exemplu, deschiderea canalelor de K+ se realizează cu un decalaj după închiderea porților de inactivare ale canalelor de sodiu voltaj-dependente, lucru ce duce la apariția unui platou al potențialului de acțiune.

Postpotențialul negativ apare ca o întârziere a finalizării fenomenului de repolarizare a membranei; repolarizarea se realizează mai încet decât în prima parte a derulării pantei descendente a spike-ului. Repolarizarea înceată a membranei se datorește, pe de o parte, unei mențineri scăzute a permeabilității membranei pentru sodiu (exces de ioni de sodiu în interiorul celulei), iar pe de altă parte, scăderii treptate a permeabilității membranei pentru potasiu. Datorită scăderii treptate a potențialului membranar, canalele de potasiu încep să se închidă și efectul va fi reducerea exodului de K+; membrana revine la normal privind permeabilitatea pentru K+. Diminuarea excesului de Na+ pe fața internă a membranei este realizată pe două căi: difuzia ionilor de Na+ din zona adiacentă feței interne a membranei spre zonele profunde ale citoplasmei și o altă cale este aceea prin activitatea pompei de Na+-K+, când pentru fiecare ciclu al acesteia este scoasă din celulă o sarcină pozitivă purtată de ionul Na+. Chiar dacă funcționează încet, pompa de sodiu-potasiu este modalitatea de bază pentru repolarizarea normală a membranei.

Postpotențialul pozitiv înseamnă un grad mai mare de negativitate pentru fața internă a membranei și se crede că s-ar datora unei prelungiri a activității canalelor de K+ voltaj-dependente care continuă să scoată la exterior K+. Deci, deschiderea și închiderea totală a canalelor de potasiu realizându-se lent, nu brusc, ca în cazul porților canalelor de sodiu, asigură în primul caz nașterea potențialului de vârf, iar în al doilea caz apariția postpotențialului pozitiv. Postpotențialul pozitiv poate dura de la 50ms până la câteva secunde, când potențialul feței interne a membranei este mai mic cu până la câțiva milivolți față de valoarea normală de repaus.

Un singur potențial de acțiune necesită traversarea membranei celulare de cantități relativ infime de Na+ și K+. Cu toate acestea însă, când prin nervi se transmit salve de impulsuri, acest fenomen duce la reducerea gradientului de concentrație privind acești doi ioni. Astfel, se impune refacerea gradientului de concentrație pentru Na+ și K+ pentru a fi asigurată o funcționare normală a nervilor. Acest lucru se realizează cu ajutorul pompei ionice Na+-K+ (care are activitate ATP-azică). De remarcat este faptul că, în urma hidrolizei ATP-ului, până la 30% din energie este utilizată pentru “reîncărcarea” ionică normală a membranelor. Pentru comparație, arătăm faptul că, o serie de procese de transformare a lipidelor și proteinelor necesită de 3 ori mai puțină energie.

Activitatea pompei de Na+-K+ este intensificată de 8 ori când concentrația intracelulară a Na+ se dublează. Acest comportament al pompei explică rolul ei în restabilirea relativ rapidă a potențialului de repaus membranar după derularea unui potențial de acțiune. Din cele arătate rezultă faptul că, potențialul de acțiune ca atare este un proces pasiv prin evenimentele care-l însoțesc, iar procesul de reîncărcare ionică a membranelor este un proces activ consumator de energie.

În cazul unor structuri biologice, cum este fibra cardiacă, repolarizarea membranei se realizează cu întârziere în timpul derulării potențialului de acțiune. Acest potențial poartă denumirea de potențial de acțiune sub formă de platou. Pentru fibra cardiacă platoul potențialului de acțiune durează 0,2-0,3 secunde. Acest lucru se datorește faptului că în structura membranei cardiace se găsesc pe lângă canalele de Na+ voltaj-dependente, numite și canale rapide, responsabile de explozia pantei ascendente a potențialului de acțiune și canale de Ca2+-Na+, numite și canale lente, care având o latență mai mare la deschidere, ajung să fie maximal deschise abia atunci când canalele de Na+ încep să se închidă. Când sunt deschise canalele de Ca2+-Na+, ele permit intrarea în fibra cardiacă a unor cantități corespunzătoare de ioni de Ca2+ (dar și puțini ioni de Na+) care să mențină un timp potențialul de acțiune aproape de nivelul maxim atins. La acest fenomen de întârziere a repolarizării membranei în cazul potențialului de acțiune cu platou pot contribui și canalele de K+ voltaj-dependente care se pare că în cazul unor structuri biologice, cum este fibra cardiacă, se activează doar spre sfârșitul derulării platoului. O dată ce canalele de K+ s-au activat, are loc închiderea canalelor de Ca2+-Na+, ceea ce înseamnă sfârșitul platoului și începutul pantei descendente a potențialului de acțiune cu platou (Fig.13).

Fig. 13: Potențialul de acțiune cu platou înregistrat la nivelul unei fibre Purkinje din structura inimii (după Guyton).

3.2. Proprietatea unor țesuturi de a descărca ritmic potențiale de acțiune

În principiu toate țesuturile excitabile pot descărca repetitiv potențiale de acțiune dacă pragul lor de stimulare se reduce suficient. Pentru ca potențialele de acțiune să se descarce ritmic, membrana trebuie să fie în mod natural suficient de permeabilă pentru ionii de sodiu, pentru a se putea depolariza automat. Subliniem faptul că membrana fibrelor cardiace și musculare netede conțin un număr foarte mare de canale de Ca2+-Na+,canale lente (care se activează de 10-20 de ori mai lent comparativ cu canalele de sodiu – canale rapide ). După un potențial de acțiune membranele fibrelor musculare cardiace și netede încep repolarizarea normală. Repolarizarea se realizează prin mecanismele cunoscute: închiderea canalelor de sodiu rapide și activarea pompei de sodiu-potasiu. Cu toate acestea însă, canalele de Ca2+-Na+ activează în această perioadă de repolarizare a membranei, opunându-se procesului, prin facilitarea pătrunderii în fibră a Ca2+. Deși aceste canale continuă să permită intrarea Ca2+ în fibră, pe întreaga perioada de repolarizare, efectul activității lor nu se vede imediat deoarece spre sfârșitul acestei perioade sunt foarte active canalele de potasiu, care scot masiv K+ din fibră reușind ca timp de aproape o secundă să mențină potențialul feței interne a membranei mai negativ decât normal (potențialul pozitiv). Când canalele de K+ revin la normal privind exodul de K+, canalele de Ca2+-Na+ devin dominante și cresc potențialul membranar al fibrei la –60mV, valoare ce coincide cu pragul de excitație (Fig. 14).

În mod normal valoarea de repaus a potențialului membranei fibrei musculare cardiace și netede este de –60 ori –70 mV, dar prelungirea activității canalelor de K+ în perioada repolarizării duce la hiperpolarizarea membranei. Practic aceste hiperpolarizări membranare separă potențialele de acțiune ce apar ritmic la nivelul fibrelor musculare cardiace, cu o succesiune de 0,8-1,0 secunde

Fig. 14: Potențialele de acțiune ritmice și relația lor cu conductanța membranei pentru potasiu și cu starea de hiperpolarizare (după Guyton).

. Propagarea potențialului de acțiune

Potențialul de acțiune apărut într-o anumită zonă a membranei va excita zonele adiacente acestei zone, care se află în repaus, asigurându-și propria propagare în toate direcțiile (Fig.15).

Fig. 15: Propagarea potențialelor de acțiune se face în ambele direcții de-a lungul fibrelor nervoase(după Guyton).

Dacă potențialul de acțiune a luat naștere la nivelul axonului, atunci propagarea stării de excitație se va face atât spre capătul axonului cât și spre pericarionul neuronului. Între zona excitată (depolarizată) a membranei și zonele adiacente aflate în repaus se creează o diferență de potențial care va da naștere unor curenți locali care se scurg prin membrana celulară de la zona pozitivă spre cea negativă, pe ambele fețe ale membranei. Curenții locali, fiind rezultatul diferenței de potențial dintre zona depolarizată și zonele adiacente, se mențin doar la acest nivel; în felul acesta este realizată din aproape în aproape depolarizarea întregii suprafețe a membranei, asigurându-se deplasarea excitației. Propagarea procesului de depolarizare în fibra musculară sau nervoasă dă naștere impulsului nervos sau muscular.

Durata depolarizării și implicit a potențialului de acțiune în fiecare punct al membranei este aceeași. Pe măsură ce depolarizarea se deplasează, porțiunile membranare părăsite de acest fenomen se repolarizează. Cu alte cuvinte, depolarizarea în deplasarea ei este urmată de fenomenul de repolarizare; cele două fenomene se deplasează în aceeași direcție, ordinea fiind cea arătată (Fig. 16).

Dacă ne referim la fibra nervoasă, excitația care ia naștere la un anumit nivel al acesteia se deplasează în ambele direcții (conducere indiferentă). Cu toate acestea însă, datorită sinapselor, în structurile nervoase, impulsurile se deplasează într-o singură direcție (conducere unidirecțională).

Fig. 16: Propagarea repolarizării în ambele direcții de-a lungul fibrelor nervoase (după Guyton).

Modalitatea de transmitere a influxului nervos prin curenți locali, din aproape în aproape, este întâlnită în cazul nervilor amielinici. Prezența tecii de mielină modifică mecanismul de transmitere a influxului nervos. Teaca de mielină este impermeabilă ionilor și nu permite nașterea curenților locali responsabili de transmiterea stării de excitație. Cu toate acestea însă, depolarizarea membranei fibrelor nervoase mielinizate are loc la nivelul strangulațiilor Ranvier unde este întreruptă continuitatea tecii de mielină și se se pot naște curenți locali. Curenții locali închid circuitul electric prin grosimea membranei numai la nivelul a două noduri Ranvier învecinate (Fig. 17).

Fig. 17: Conducerea saltatorie a potențialelor de-a lungul unui axon mielinizat (după Guyton).

Dat fiind faptul că depolarizarile și repolarizările se realizează numai la nivelul acestor noduri și că ele în deplasarea lor de-a lungul fibrelor mielinizate sar internodurile, modalitatea de transmitere a potențialelor de acțiune se numește saltatorie.

Viteza de transmitere a influxului nervos este mai mare la fibrele mielinizate comparativ cu fibrele nemielinizate. Cu cât diametrul axonului este mai mare, cu atât viteza de conducere a impulsului este mai mare; la fibrele mielinizate diametrul (în micrometri) înmulțit cu 6 dă viteza în m/s. Pentru axonii de același tip și aceeași grosime viteza de conducere este mai mare la homeoterme.

De obicei, nervii sunt compuși din mai multe tipuri de fibre nervoase mielinizate și nemielinizate, mai groase sau mai subțiri. Redăm în tabelul care urmează principalele tipuri de fibre nervoase cu caracteristicile lor.

Tabelul 1: Caracteristicile fibrelor nervoase

După cum se observă din tabelul prezentat, fibrele de tipul A alfa conduc impulsurile cu viteza cea mai mare (120 m/s). Dacă prin acest tip de fibre timpul necesar parcurgerii de impulsul nervos a distanței echivalentă cu lungimea unui teren de fotbal este de circa o secundă, atunci distanța de la degetul piciorului la măduva spinării este parcursă de același impuls nervos prin fibrele de tip C în circa 2 secunde. De remarcat este faptul că 2/3 din fibrele unui nerv periferic sunt reprezentate prin fibre de tip C. Acest aranjament anatomic face posibilă transmiterea unui număr mare de informații printr-un nerv de diametru relativ mic. Dacă toate fibrele dintr-un nerv ar fi de tipul A, grosimea unui nerv ar fi de diametrul unei funii groase, iar a măduvei spinării de diametrul trunchiului.

4. TRANSMITEREA SINAPTICA

Transmiterea informației de la receptori la diferite nivele ale sistemului nervos central (SNC) se realizează prin mai mulți neuroni înlănțuiți prin intermediul unor structuri morfofuncționale specifice, numite sinapse. După mecanismul care stă la baza funcției lor sinapsele se împart în chimice sau electrice.

4.1. Sinapsele chimice

Sinapsa neuro-neuronală reprezintă locul unde are loc transmiterea informației de la un neuron la altul. La nivelul sinapsei cei doi neuroni intră în contiguitate și axonul unuia din ei (elementul sau neuronul presinaptic) are punct terminus, corpul, dendritele sau axonul celuilalt neuron (neuronul sau elementul postsinaptic). După denumirea părții neuronului postsinaptic cu care axonul neuronului presinaptic realizează raportul de contiguitate, sinapsele pot fi: axodendritice, axosomatice sau axoaxonice. Cu toate acestea însă, au fost descrise și sinapse dendrodendritice, dendrosomatice, somatodendritice ori somatosomatice.

Fig. 18: Srtructura funcțională a sinapsei chimice (după Guyton)

Sinapsele chimice se caracterizează prin faptul că la baza funcției lor stă mediatorul chimic sintetizat și stocat în neuronul presinaptic (fig.18). Mediatorul chimic excitator sau inhibitor se află stocat în veziculele sinaptice. Veziculele sinaptice se găsesc în porțiunea butonată a axonului terminal, dacă elementul presinaptic al sinapsei este un axon. Butonul sinaptic conține și numeroase mitocondrii care generează ATP-ul necesar sintezei mediatorului. Sinteza mediatorului trebuie realizată rapid și în cantitatea corespunzătoare, mai ales atunci când stocul din vezicule este epuizat în urma unei activități sinaptice intense. Sinteza mediatorului (neurotransmițătorului) se realizează atât în soma, cât și în butonul axonal terminal al neuronului presinaptic.

După sinteză, mediatorul chimic este stocat de regulă în veziculele sinaptice. Cu toate acestea, însă, cercetările au arătat că, stocarea mediatorului se poate realiza și la nivelul citoplasmei carionului (constatarea a fost făcută relativ recent pe organul electric al unor pești). În acest caz, depozitarea citoplasmatică a mediatorului se poate face în compartimente stabile, de unde acesta este eliberat doar în urma unor stimulări susținute, și în compartimente labile, care eliberează rapid mediatorul așa cum fac acest lucru veziculele sinaptice.

La nivelul spațiului sinaptic (fantei sinaptice) între membrana pre- și postsinaptică sunt dispuse filamente care se consideră că ar fi responsabile de adezivitatea elementelor celor doi neuroni și totodată de ghidarea neurotransmițătorului spre elementul postsinaptic.

Membrana neuronului postsinaptic conține receptori specifici pentru mediatorul chimic eliberat din neuronul presinaptic.

Potențialul de acțiune sosit la nivelul butonului terminal al elementului presinaptic determină depolarizarea membranei acestuia. Sunt deschise canalele de Na+ voltaj-dependente (canale rapide), dar și canalele de Ca2+ voltaj-dependente (canale lente). Ionii de calciu pătrunși în axoplasma butonului se leagă de cele 4 locusuri ale calmodulinei determinând activarea acesteia. Calmodulina activată facilitează adeziunea veziculelor încărcate cu mediator chimic de fața internă a membranei presinaptice. După fuziunea membranei veziculelor cu membrana presinaptică urmează golirea conținutului vezical în spațiul sinaptic, prin exocitoză; nașterea noilor vezicule sinaptice are loc la nivelul membranei presinaptice și se pare că “materialul de sinteză” nu este altul decât restul membranelor veziculelor ce și-au deversat mediatorul în fanta sinaptică și au fuzionat cu această membrană presinaptică.

4.1.1.Acțiunea mediatorului chimic asupra receptorilor elementului postsinaptic

Receptorii din structura elementului postsinaptic au două componente importante: 1) o componetă de cuplare care proeminează în spațiul sinaptic și este răspunzătoare de cuplarea cu moleculele neurotransmițătorului eliberat de elementul presinaptic; 2) o componetă ionoforă care proeminează în citoplasma elementului postsinaptic. Componenta ionoforă poate fi reprezentată fie: a) prin canale ionice activate chimic, fie b) printr-o proteinenzimă ce activează un sistem metabolic intracelular. Receptorul a cărui componentă ionoforă este un canal ionic, poartă denumirea de receptor ionotrop, iar cel a cărui componetă ionoforă este o enzimă poartă denumirea de receptor metabotrop.

Canalele ionice care intră în componența receptorilor ionotropi pot fi de 3 tipuri: 1) canale de Na+, care permit fluxul ionilor de sodiu, dar într-o mică măsură și a K+; 2) canale de K+, care permit fluxul ionilor de K+ și 3) canale de Cl-, care permit trecerea ionului de clor. Prin activarea receptorilor ionotropi canale de Na+ sunt deschise canalele de Na+ și este asigurat influxul Na+ în elementul postsinaptic; mediatorul care activează acești receptori este un mediator excitator. Activarea receptorilor ionotropi canale de K+ sau de Cl- asigură efluxul de K+, ori respectiv influxul de Cl- , ceea ce înseamnă inhibiția neuronului postsinaptic; mediatorii care activează acest tip de receptori se numesc mediatori inhibitori.

Activarea receptorilor metabotropi din structura membranei postsinaptice determină, prin reacții enzimatice, efecte de scurtă durată (cum ar fi modificarea permeabilității membranei la ioni), ori efecte de lungă durată (cum ar fi depozitarea informației în procesul de memorare). Enzimele receptorilor metabotropi pot fi implicate în sinteza crescută de receptori, ori diminuarea sintezei acestora la nivelul membranei postsinaptice. Modificarea numărului receptorilor poate influența reactivitatea sinapselor timp de minute, zile sau ani; mediatorii care determină astfel de modificări de durată se numesc modulatori. Modulatorii pot interveni în diverse procese cum ar fi cele legate de memorie.

4.1.2. Potențialul postsinaptic excitator și rolul receptorilor ionotropi în declanșarea acestuia

Mediatorul chimic excitator eliberat din elementul presinaptic al sinapsei se leagă de receptorii ionotropi canale de sodiu din structura membranei postsinaptice. Are loc apoi un influx de Na+ în neuronul postsinaptic și creșterea potențialului de repaus al acestuia cu circa 15-20 mV. Această creștere a voltajului peste valoarea de repaus poartă denumirea de potențial postsinaptic excitator (PPSE), deoarece atunci când atinge valoarea pragului de excitație declanșează un potențial de acțiune în structura neuronului postsinaptic. De remarcat este faptul că PPSE este rezultatul descărcării de mediator chimic din zeci de butoni axonali terminali (elemente presinaptice), fiecare din aceștia contribuind cu o cotă parte de creștere de voltaj la constituirea potențialului postsinaptic excitator. Deci, PPSE poate fi rezultatul unei sumații spațiale a mai multor potențiale postsinaptice excitatorii de voltaj mai mic. De obicei sumația acestor potențiale de voltaj mic se realizează în regiunea conului axonal al neuronului postsinaptic unde membrana conține pe unitatea de suprafață un număr de șapte ori mai mare de canale de Na+ voltaj-dependente comparativ cu restul membranei. Pentru a atinge pragul de excitație în zona conului axonal, PPSE trebuie să aibă o valoare de +15, +20 mV, iar pentru a fi atins acest prag în altă zonă a somei, PPSE trebuie să fie dublu ca și valoare.

Fenomenul de sumație se poate realiza și în urma descărcării repetitive a mediatorului chimic din același buton terminal axonal, dat fiind faptul că fiecare potențial postsinaptic excitator de valoare mică persistă 15-20 ms. Sumația realizată în acest mod poartă denumirea de sumare temporală.

Fig. 19: Trei stări diferite ale neuronului postsinaptic: A, repaus; B, de excitație, când crește potențialul intraneural datorită influxului de sodiu; C, de inhibiție, datorită scăderii potențialului feței interne a membranei prin influxul ionilor de clor și efluxul ionilor de potasiu (după Guyton).

Dacă sunt activați receptorii ionotropi canale de K+ sau receptori ionotropi canale de Cl- din structura membranară neuronului postsinaptic, atunci are loc o inhibare a acestuia datorită scăderii valorii potențialului intraneural (vezi Fig.19).

În situația în care PPSE nu atinge valoarea pragului de excitație, deci are o valoare subliminală, produce în neuronul postsinaptic o stare de facilitare, adică îl face mai ușor excitabil la descărcări presinaptice ulteriaore de mediator chimic.

4.1.3. Receptorii metabotropi

Receptorii metabotropi au de asemenea localizare membranară dar, spre deosebire de receptorii ionotropi, ei nu sunt implicați în modificări ale permeabilității membranei pentru ioni, ci în generarea de mesageri intracelulari cu diverse funcții fiziologice. Enzimele care intră în componența receptorilor metabotropi sunt activate în urma cuplării acestora cu mediatorul chimic specific, sau un hormon (mesageri primari) și contribuie la sinteza mesagerilor intracelulari (mesageri secundari). Rolul de mesageri secundari poate fi atribuit printre altele nucleotidelor ciclice (3’-5- AMPc; 3’-5– GMPc), ionilor de calciu și calmodulinei (ca receptor intracelular de Ca2+), unor produși de degradare a fosfatidil-inozitolului (diacil-glicerolul, inozitol-trifosfatul), prostaglandinelor sau unor aminoacizi (acidul glutamic).

De obicei, mesagerii secundari activează o serie de proteinkinaze intracelulare, care la rândul lor sunt implicate în diverse procese sintetice și catabolice.

4.1.3.1. Nucleotidele ciclice

Adenozin 3’,5’ monofosfatul ciclic (AMPc) și guanozin 3’,5’ – monofosfatul ciclic (GMPc) rezultă în urma acțiunii ciclazelor specifice: adenilatciclaza și respectiv guanilatciclaza. Aceste ciclaze se găsesc în structura membranei celulare și cea mai bine studiată este adenilatciclaza.

Sinteza AMPc este rezultatul activării unui complex membranar format din 3 subunități: receptorul, un element traductor (proteina de cuplare) și o subunitate catalitică (adenilat-ciclaza). Receptorul și adenilatciclaza sunt proteine ce sunt inserate în stratul fosfolipidic al membranei. Elementul traductor responsabil de cuplarea receptorului cu adenilatciclaza este reprezentat prin proteina G (numele vine de la dependența de GTP). Proteina de cuplare G care poate fi de tip Gs (cu rol stimulator) sau de tip Gi (cu rol inhibitor) se găsește în sinapsele stimulatoare și inhibitoare.

Formarea AMPc se realizează în mai multe secvențe ce vor fi descrise în cele ce urmează. Are loc mai întâi legarea mediatorului excitator de receptorul membranar. Apoi, cuplarea receptorului excitat cu proteina Gs facilitează activarea complexului Ca2+- calmodulină (CaM). Complexul CaM activat activează la rândul său adenilatciclaza. Adenilatciclaza activată, catalizeazaă reacția de ciclizare a ATP-ului transformându-l în AMPc. AMPc se fixează apoi de unitatea reglatoare a unei proteinkinaze specifice, eliberând unitatea catalitică a acesteia, ce devine activă. Unitatea catalitică a proteinkinazei participă ulterior la fosforilarea a diferite proteine membranare. Prin aceasta membrana suferă modificări de permeabilitate pentru ioni, de scurtă durată, realizându-se astfel, excitarea neuronului postsinaptic. Fosforilările proteinelor membranare pot duce la modificări ale permeabilității membranei de lungă durată, cum se întâmplă în cazul memoriei.

Proteina G îndeplinește rolul de traductor (proteină de cuplare) doar în prezența GTP-ului; hidroliza acestuia face ca proteina G să-și piardă rolul traductor.

Dacă receptorul membranar se leagă în prealabil de un mediator inhibitor, atunci cuplarea lui prin proteina Gi cu adenilat ciclaza inhibă formarea AMPc.

Sistemul adenilatciclazic stă la baza acțiunii receptorilor: D1 ai dopaminei, h2 ai histaminei, beta ai noradrenalinei, serotoninei, diferitelor peptide și ai unor prostaglandine.

Inactivarea AMPc se face prin intermediul fosfodiesterazei, care transformă AMPc în adenozin-5’-fosfat (5’-AMP).

GMP- ciclic se formează prin ciclizarea GTP-ului sub acțiunea guanilatciclazei; enzima se găseste în componenta postsinaptică. Ca și în cazul AMPc, sunt proteinkinaze GMPc – dependente.

Sistemul guanilatciclazic asigură funcționarea receptorilor muscarinici ai acetilcolinei, ori h1 ai histaminei. Inactivarea GMPc se realizează tot de către fosfodiesterază care îl transformă în guanozin-5’-fosfat (5’-GMP).

4.1.3.2. Calmodulina și Ca2+

Calmodulina (CaM) este o proteină formată din 148 aminoacizi și reprezintă receptorul de bază al Ca2+ intracelular și este prezentă în toate celulele. Este prezentă în citosol și membrană, având rol de mesager secundar ca și nucleotidele ciclice. CaM activează adenilatciclaza și deci participă la sinteza AMPc , stimulează eliberarea neurotransmițătorului prin exocitoză, ca urmare a fosforilării proteinelor din membrana presinaptică și membrana veziculelor sinaptice, stimulează sinteza neurotransmițătorului. CaM activează pompele de Ca2+ , prin care se realizează efluxul de Ca2+, pătruns în celulă în urma depolarizării membranei.

Dacă concentrația Ca2+ revine la valori normale de repaus în urma efluxului prin membrană sau a stocării lui în mitocondrii ori reticulul endoplasmatic, complexul Ca-CaM disociază, ceea ce determină inactivarea enzimelor stimulate de CaM.

Calcineurina este tot o proteină receptoare de Ca2+ și se află în concentrație maximă la nivelul dendritelor și a structurii postsinaptice. Ea poate fixa tot 4 ioni de calciu ca și CaM, dar se opune acțiunilor CaM. Calcineurina ar putea fi unul din mecanismele foarte rapide prin care se inactivează procesele declanșate de Ca2+.

4.1.3.3. Fosfoinozitolul bifosfat membranar

Legarea neurotransmițătorului (sau hormonului) de receptorul specific membranar determină activarea fosfolipazei C (PLC) din structura membranei. Fosfolipaza C activată acționează asupra fosfoinozitolului bifosfat (PIP2), o moleculă lipidică din structura membranei, transformându-l în derivații diacilglicerolul (DAG) și inozitol trifosfatul (IP3), cu rol de mesageri secundar. De subliniat este faptul că PLC este activată prin intervenția unei proteine G ca și în cazul adenilatciclazei.

Mai departe, DAG prin fosforilare dă naștere acidului fosfatidic, care acționează la nivel membranar ca un ionofor de Ca2+, mărind permeabilitatea membranei pentru acest ion, iar IP3 declanșează eliberarea Ca2+ din reticulul endoplasmatic. Creșterea Ca2+ în citosol determină activarea proteinkinazelor calmodulin-dependente, care prin fosforilarea unor proteine controlează diferite funcții.

De asemenea, diacilglicerolul activează proteinkinaza C (CK), care prin activare devine sensibilă la Ca2+; menținerea crescută a concentrației Ca2+ citosolic perpetuează starea activă a proteinkinazei C răspunzătoare la rândul ei de menținerea unor răspunsuri fiziologice din partea celulei cum ar fi contracția, secreția, etc.

O serie de neurotransmițători cum ar fi glutamatul, aspartatul, acetilcolina, serotonina, histamina, ori diferite peptide acționează prin acest sistem al fosfoinozitolului bifosfat.

4.1.3.4. Prostaglandinele

Prostaglandinele sunt substanțe cu multiple funcții fiziologice la nivelul celulelor și țesuturilor. Se pare că fiecare țesut își sintetizează propriile prostaglandine. S-a constatat că în timpul transmiterii sinaptice prostaglandinele eliberate în spațiul sinaptic pot acționa asupra receptorilor specifici ai elementului presinaptic, blocând eliberarea mediatorului. În acest caz, prostaglandinele ar juca un rol de mecanism feed-back în reglarea sintezei mediatorului chimic.

4.1.4. Natura mediatorilor chimici

Funcția de mediator chimic a fost atribuită la circa 50 de substanțe diferite care au fost incluse în patru clase (sau tipuri)(vezi tabelul 2).

Tabelul 2: Neurotransmitatori

Tipul 1:

Acetilcolina

Tipul 2: Amine

Noradrenalina (NA)

Adrenalina (A)

Dopamina

Serotonina

Tipul 3: Aminoacizi

GABA

Glicocolul

Glutamatul

Aspartatul

Tipul 4: Peptide

Liberine hipotalamice

Tiroliberina

Gonadoliberina

Somatoliberina

Peptide hipofizare:

ACTH

Beta-endorfina

Alfa-melanotropina

Vasopresina

Ocitocina

Peptide care acționează asupra tubului digestiv și creierului:

Leucin-encefalina

Metionin-encefalina

Substanța P

Colecistochinina (Pancreozimina)

Polipeptid intestinal vasoactiv

Neurotensina

Insulina

Glucagonul

D. Din alte țesuturi:

Angiotensina II

Bradichinina

Carnozina și Bombesina

Acetilcolina este secretată în special de neuronii piramidali ai cortexului motor, mulți neuroni din ganglionii bazali, motoneuronii ce inervează mușchii striați, neuronii preganglionari vegetativi și neuronii postganglionari parasimpatici. De obicei, acetilcolina este un neurotransmițător excitator, dar la nivelul efectorilor periferici poate avea efecte inhibitoare (miocard).

Acetilcolina (Ach) este sintetizată și stocată în elementul presinaptic. Sinteza se realizează în următoarele două etape:

Acetat + CoA + ATP → Acetil-CoA + AMP + Pi

Acetil-CoA + Colină → Ach + CoA (reacția este catalizată de colinacetiltransferază).

Acetilcolina poate acționa prin intermediul a două tipuri de receptori: 1) nicotinici (efectul poate fi imitat de nicotină), când efectele sunt rapide, concretizate prin depolarizări excitatorii ca în cazul sinapselor neuromusculare sau a ganglionilor simpatici; 2) muscarinici (efectul poate fi imitat de muscarină), când efectele sunt de durată, excitatorii sau inhibitorii, ca în cazul inimii de la vertebrate.

Aminele acționează prin receptorii metabotropi. După interacțiunea cu receptorul, este activată o anumită enzimă care apoi induce o serie de reacții biochimice în membrana postsinaptică. Efectele pot fi de scurtă durată, cum ar fi modificările de permeabilitate pentru ioni, ori de lungă durată, ce pot implica modificări plastice.

Noradrenalina (NA) este secretată de neuroni din hipotalamus și trunchiul cerebral. Majoritatea fibrelor postganglionare simpatice secretă NA cu efecte excitatorii sau inhibitorii. Subliniem faptul că efectul inhibitor sau excitator al mediatorului nu depinde numai de natura chimică a acestuia ci și de tipul receptorilor din membrana postsinaptică. Receptorii NA sunt receptorii alfa (alfa 1 și 2) și beta (beta 1 și 2). Receptorii beta sunt cuplați cu adenilatciclaza (deci sunt de tip metabotrop) și determină efecte de durată.

Noradrenalina este sintetizată în elementul presinaptic plecându-se de la tirozină, care este preluată din circulație.

Tirozina

↓ ← reacția este catalizată de dopa decarboxilază

Dopamina

↓ ← reacția este catalizată de dopamin beta carboxilază

Noradrenalina (NA)

Dopamina (DA) este secretată de neuronii din substanța neagră, care proiectează prin axonii lor în ganglionii bazali. Ea acționează ca mediator și la nivelul hipotalamusului, sistemului limbic, unele zone neocorticale. Neuronii dopaminergici au de obicei efecte inhibitorii. Există două tipuri de receptori postsinaptici pentru dopamină, D1 și D2. Receptorii D1 acționează după principiul metabotrop, sunt cuplați cu adenilatciclaza.

Serotonina (5-HT) este secretată de neuronii nucleului rafeului median din trunchiul cerebral, care proiectează în coarnele posterioare medulare, hipotalamus și scoarța cerebrală.

Hipotalamusul, cerebelul, sistemul limbic, retina și tubul digestiv secretă de asemenea serotonină. Serotonina acționează ca mediator inhibitor pe căile sensibilității dureroase, deci face parte din sistemul analgezic. Serotonina intervine ca mediator în controlul stării de somn și veghe, a activității adenohipofizei, a termoreglării, a apetitului etc.

Aminoacizii cu rol de neurotransmițători, interacționează cu receptorii ionotropi și deschid canalele ionice din membrana postsinaptică.

Acidul ga ma aminobutiric (GABA) este secretat de unii neuroni din măduva spinării, ganglionii bazali și diferite zone corticale. Se pare că GABA acționează numai ca mediator inhibitor.

Glicerolul este secretat de unii neuroni medulari și are efecte inhibitorii.

Glutamatul este secretat de unii neuroni corticali, dar și de unii neuroni ai căilor senzoriale.

Substanța P este secretată de axonii protoneuronului căii algice, dar și de neuronii din hipotalamus, ganglionii bazali, retină și are totdeauna efect excitator.

Encefalinele sunt substanțe cu acțiune asemănătoare morfinei (morfinomimetică) secretate de substanța gelatinoasă a măduvei spinării, de neuroni ai trunchiului cerebral, talamusului și hipotalamusului. Encefalinele activează sisteme ce inhibă transmiterea informației nociceptive.

Oxidul nitric (NO) poate funcționa și ca neurotransmițător. NO apare în zonele nervoase implicate în controlul comportamentului și memoriei. Spre deosebire de alți neurotransmițători, care presupun depozitarea în vezicule sinaptice, NO se formează aproape instantaneu la momentul potrivit. De obicei, mecanismul de acțiune al NO se bazează pe modificări metabolice care pot afecta excitabilitatea neuronală un timp mai scurt sau mai lung.

4.1.5. Inactivarea mediatorului chimic

Inactivarea mediatorului chimic eliberat din elementul presinaptic și care a avut rolul de a iniția excitarea neuronului postsinaptic, este absolut necesară pentru a fi posibilă reluarea ciclului pentru stimulul care urmează. Pentru a avea eficiență fiziologică, inactivarea mediatorului chimic trebuie să se realizeze repede. În cele ce urmează vom descrie modalități de realizare a acesteia.

Inactivarea postsinaptică se realizează cu ajutorul enzimelor hidrolitice din structura membranei postsinaptice. Aceste enzime se găsesc în apropierea receptorilor și desfac complexul mediator-receptor imediat ce acesta s-a format. În cazul acetilcolinei intervine un mecanism de degradare a acesteia după ce și-a îndeplinit rolul fiziologic la nivelul membranei postsinaptice.

Ach → colină + acid acetic (reacția este catalizată de acetilcolinesterază (AchE).

Colina rezultată în urma acestei reacții de degradare a Ach, este captată în bună parte de elementul presinaptic și utilizată la resinteza mediatorului.

Captarea postsinaptică. O parte din mediatorul chimic care nu a fost fixat de receptorii membranari poate ajunge în structura elementului postsinaptic (citoplasma neuronului postsinaptic spre exemplu) unde este supus procesului de inactivare.

Difuzia extrasinaptică. O parte din mediator poate părăsi sinapsa și să ajungă în mediul extracelular (interstițial) unde sub acțiunea unor enzime hidrolizante specifice este inactivat. Mediatorul care părăsește sinapsa poate ajunge în celulele nervoase ori musculare adiacente unde de asemenea este inactivat.

Recaptarea. Sunt situații în care elementul presinaptic captează o parte din mediatorul pe care anterior l-a eliberat în fanta sinaptică, în vederea reîncărcării veziculelor sinaptice sau inactivării. Recaptarea a fost observată în cazul sistemului nervos simpatic, neurotransmițătorul fiind noradrenalina. În elementul presinaptic NA este fie utilizată la reîncărcarea veziculelor sinaptice, fie degradată prin dezaminare oxidativă la nivelul mitocondriei.

Noradrenalina

↓ ← reacția este catalizată de monoaminoxidază (MAO)

Metaboliți

Cu toate acestea însă, noradrenalina poate fi inactivată chiar în fanta sinaptică, printr-o reacție de metilare.

Noradrenalina

↓ ← reacția este catalizată de catecol-O-metil transferază (COMT)

Metaboliți

Măsura în care un procedeu sau altul, sau mai multe la un loc, participă la inactivare, diferă de la un neurotransmițător la altul în funcție de natura lor chimică.

4.1.6. Sinapsele chimice inhibitorii

Morfologia sinapselor inhibitorii este aceeași cu a sinapselor excitatorii. În cazul sinapselor inhibitorii mediatorul chimic eliberat din elementul presinaptic determină hiperpolarizarea membranei postsinaptice.

Inhibiția sinaptică poate fi de două feluri: inhibiția postsinaptică și inhibiția presinaptică.

Inhibiția postsinaptică poartă această denumire pentru că apare în elementul postsinaptic. La baza realizarii ei stă eliberarea de către elementul presinaptic a unui mediator chimic inhibitor cum ar fi GABA, glicocolul, taurina etc., care determină prin intermediul receptorilor ionofori de K+ și receptorilor ionofori de Cl- o hiperpolarizare în elementul postsinaptic. Hiperpolarizarea constă, pe de o parte, în intensificarea efluxului de K+ și pe de altă parte, în creșterea influxului de Clˉ. Acest lucru face ca potențialul membranei postsinaptice să scadă de la –65mV la –70mV, deci cu 5mV mai negativ comparativ cu valoarea normală de repaus. Acest potențial de –5mV poartă denumirea de potențial postsinaptic inhibitor (PPSI). Acest poțential postsinaptic inhibitor persistă, ca și PPSE, timp de 15-20ms.

Inhibiția presinaptică se numește așa pentru că implică în exclusivitate elementul presinaptic. Acest tip de inhibiție apare datorită reducerii (sau sistării) secreției de mediator chimic de către elementul presinaptic; prin urmare, permeabilitatea membranei postsinaptice nu se modifică. În acest tip de inhibiție elementul presinaptic al sinapsei, deci axonul, realizează o sinapsă cu un alt axon (sinapsă axoaxonică) (Fig. 20 ).

Fig. 20: Inhibiția presinaptică (explicația este dată în text).

Excitarea butonului terminal 1 va determina eliberarea de mediator chimic la nivelul sinapsei cu neuronul 3; apare depolarizarea neuronului postsinaptic și un PPSE de o anumită valoare. Dacă în prealabil sosește mai întâi un impuls prin axonul 2 la nivelul sinapsei axoaxonice, atunci un stimul de aceeași intensitate sosit prin axonul 1 va determina în neuronul 3 un PPSE cu o valoare de două ori mai mică comparativ cu cazul precedent, cauza este reducerea cantității de mediator chimic eliberat de butonul axonului 1 în fanta sinaptică axosomatică. Cercetările au dovedit faptul că o excitare prealabilă susținută a sinapsei axo-axonice duce la blocarea totală a eliberării mediatorului chimic din butonul axonal 1 în fanta sinapsei axosomatice și, prin urmare, sistarea trecerii potențialului de acțiune la nivelul acestei sinapse. Mecanismul care stă la baza acestui tip de inhibiție nu este lămurit. Se crede că elementul presinaptic (butonul axonului 2) al sinapsei axoaxonice secretă un neurotransmițător care, nu se știe cum, diminuează voltajul potențialului de acțiune care vine prin elementul presinaptic (butonul axonului 1) la nivelul sinapsei axosomatice. Reducerea voltajului potențialului de acțiune care vine prin butonul axonal 1, duce la scăderea cantității de ioni de calciu care intră (venind din exterior) în butonul axonal 1 și prin aceasta a cantității de mediator chimic eliberat în fanta sinapsei axosomatice.

Dacă inhibiția postsinaptică se instalează rapid, atunci inhibiția presinaptică se instalează mai lent (mai multe milisecunde), dar o dată instalată, ea poate dura minute ori chiar ore. Pentru comparație, inhibiția postsinaptică la nivelul motoneuronilor din coarnele ventrale medulare durează doar 10-15 milisecunde.

Fenomenul de inhibiție este foarte important pentru funcționarea normală a SNC. Sistemul nervos central este bombardat permanent de o mare cantitate de informație sosită pe căi senzoriale. Prin fenomenul de inhibiție este limitată cantitatea de informație senzorială care accede la diferite structuri encefalice. Astfel, este redusă cantitativ informația care nu prezintă pe moment prioritate pentru organism.

4.2. Sinapsele electrice

Sinapsele electrice se caracterizează printr-un spațiu sinaptic foarte îngust (≈20 de Angstroni) sau chiar inexistent, rezistență electrică mică, iar elementul presinaptic nu posedă mitocondrii și vezicule sinaptice.

Acest tip de sinapse sunt întâlnite la nevertebrate (anelide, crustacei), la vertebratele inferioare (pești, amfibieni) și chiar la vertebratele superioare (ganglionul ciliar la gaină, bulbul olfactiv la șobolan, cortexul cerebelos al pisicii) și primate (scoarța cerebeloasă).

Transmiterea excitației de la elementul presinaptic la cel postsinaptic se face pe baza curenților locali. Impulsul sosit la nivelul sinapsei depolarizează membrana elementului postsinaptic și dă naștere PPSE. Dată fiind organizarea diferită a sinapselor electrice, transmiterea excitației de la elementul presinaptic la neuronul postsinaptic se face rapid, neexistând întârzierea sinaptică.

Polarizarea funcțională a sinapselor electrice nu este totodeauna bine pusă la punct, așa încât transmiterea semnalelor electrice se realizează și în sens invers, de la neuronul postsinaptic la cel presinaptic.

Sinapsele electrice nu sunt totdeauna excitatoare, ci pot fi și inhibitoare. Un exemplu de sinapsă electrică inhibitoare este cea realizată de fibrele nervului VIII care se spiralizează în jurul axonului celulei Mauthner din bulbul teleostenilor și urodelelor. Celulele Mauthner sunt dispuse pe căile motoare descendente care conduc mesaje eferente de la centrii bulbari ai echilibrului la musculatura corpului (Fig. 21)

Fig. 21: Conexiunile neuronului Mauthner cu fibre ale nervului

VIII;bulbul teleosteenilor și urodelelor (după Strungaru).

4.3. Unele caracteristici ale transmiterii sinaptice

Conducerea unidirecțională prin sinapse. În cazul sinapselor chimice impulsurile sunt conduse totdeauna de la elementul presinaptic la neuronul postsinaptic și nu invers.

Întârzierea sinaptică. Transmiterea impulsului nervos de la neuronul presinaptic la neuronul postsinaptic necesită un anumit interval de timp pentru: descărcarea mediatorului din elementul presinaptic; străbaterea de către acesta a fantei sinpatice; cuplarea mediatorului cu receptorii membranari specifici; pătrunderea Na+ în elementul postsinaptic în procesul de depolarizare; nașterea PPSE și apoi a potențialului de acțiune. Timpul necesar derulării tuturor acestor procese poartă denumirea de întârzierea sinaptică, care durează între 0,5-0,7 ms.

Oboseala sinaptică. Dacă sinapsele excitatorii sunt excitate cu frecvență mare, inițial numărul descărcărilor de impulsuri ale neuronului postsinaptic este și el mare, după care urmează o diminuare treptată a acestor descărcări. Acest fenomen poartă denumirea de oboseală sinaptică. Obosela sinaptică se datorește mai ales epuizării rezervelor de mediator chimic din butonul terminal al neuronului presinaptic. Se estimează că rezerva de mediator chimic al unui buton presinaptic ajunge pentru medierea transmiterii a cel mult 10.000 de impulsuri și că această rezervă se epuizează în cel mult câteva minute (dar și în câteva secunde). De asemenea, oboseala sinaptică poate fi cauzată și de o inactivare a receptorilor specifici pentru mediatorul chimic aflați în structura membranei neuronului postsinaptic. Este de asemenea acreditată ideea că potențialele de acțiune repetate care iau naștere în neuronul postsinaptic pot menține un timp prea îndelungat nivelul crescut al Ca2+ citosolic, care la rândul său activează canalele de K+ calciu-dependente și în felul acesta se intensifică exodul ionilor K+. Exodul ionilor de potasiu determină o hiperpolarizare a membranei postsinaptice și deci o încetinire a transmiterii impulsurilor prin sinapsă.

Codificarea sinaptică. PPSE sunt potențiale locale. Dacă la nivelul elementului presinaptic sosesc stimuli subliminali, atunci PPSE va fi cu atât mai mare cu cât intensitatea stimulului subliminal va fi mai mare. Apoi, dacă în elementul presinaptic sosesc impulsuri liminale, atunci PPSE, se vor suma cu atât mai repede cu cât frecvența impulsurilor liminale este mai mare.

Facilitarea posttetanică. Dacă excităm repetat o sinapsă excitatorie o perioadă relativ scurtă de timp, pentru a evita instalarea oboselii, se constată că neuronul postsinaptic devine mai reactiv la impulsurile ulterioare sosite la nivelul elementului presinaptic. Fenomenul poartă denumirea de facilitare (potențare) posttetanică. Se consideră că potențarea postteanică s-ar datora unei acumulări crescute de ioni de Ca2+ în elementul presinaptic, ceea ce va duce la eliberarea unei cantități mai mari de mediator chimic în fanta sinaptică.

Dat fiind faptul că la unii neuroni potențarea posttetanică poate dura de la câteva fracțiuni de secundă până la câteva minute, este posibil ca acest proces să constituie unul din mecanismele prin care neuronii stochează informația; prin urmare, potențarea posttetanică ar putea constitui un mecanism de realizare a memoriei de scurtă durată.

Efectul acidozei și alcalozei asupra transmiterii sinaptice. Este dovedit faptul că neuronii sunt foarte sensibili la modificarea pH-ului. Astfel, alcaloza mărește excitabilitatea neuronilor; o creștere a pH-ului de la 7,4 la 7,8 produce convulsii ale creierului datorită unei hiperexcitabilități a neuronilor.

Spre deosebire de alcaloză, acidoza diminuează activitatea neuronilor. Scăderea pH-ului de la 7,4 la 7,0 determină, de regulă, instalarea comei; în diabetul sever apare coma.

Efectul hipoxiei asupra transmiterii sinaptice. Lipsa O2 timp de câteva secunde provoacă inexcitabilitatea completă a neuronilor; o întrerupere de 3-5 secunde a circulației cerebrale face ca subiectul să devină inconștient.

4.4. Sinapsa neuromusculară

Mușchii scheletici sunt inervați de axoni mielinizați ai motoneuronilor din coarnele anterioare ale măduvei spinării. Porțiunile terminale ale axonilor își pierd teaca de mielină și se ramifică abundent pentru a realiza un complex de ramificații nervoase care poartă denumirea de placă motoare. Complexul de ramificații nervoase care constituie placa motoare pătrund în niște invaginări ale sarcolemei fibrelor musculare.

Invaginările sarcolemale în care sunt inclavate ramificațiile terminale ale axonului poartă denumirea de jgheab sinaptic, iar spațiul dintre terminația nervoasă și membrana fibrei musculare se numește fantă sinaptică (Fig. 22).

Fig. 22: Joncțiunea neuromusculară (placa motoare). In medalion se observă prezența numeroaselor mitocondrii atât în butonul terminal axonal, cât și în sarcoplasma fibrei musculare, cu rol în furnizarea energiei transmiterii sinaptice. La nivelul fantei sinaptice se observă numeroase pliuri ale sarcolemei, numite fante subneurale, care măresc suprafața de acțiune a neurotansmițătorului eliberat din butonul axonal (după Van De Graaff).

La nivelul acestor invaginări sarcolema este foarte abundent cutată mărind suprafața sarcolemală implicată în recepția neurotransmițătorului eliberat de terminația nervoasă. Ansamblul acestor cute ale sarcolemei poartă numele de fante subneurale. Fanta sinapsei neuromusculare are deschiderea de 20-30 nm și este ocupată de un strat subțire de țesut reticulat , numit lamă (lamină) bazală, în care difuzează lichid extracelular.

Ansamblul structurilor care compun placa motoare sunt acoperite de una sau mai multe celule Schwann, care izolează placa de mediul înconjurător.

La nivelul terminațiilor nervoase se găsesc numeroase mitocondrii care furnizează energia necesară mai ales sintezei neurotransmițătorului excitator acetilcolina, care excită membrana fibrei musculare. Acetilcolina este sintetizată în citoplasma terminațiilor nervoase și este depozitată în veziculele sinaptice. Fiecare placă motoare conține cam 300.000 de vezicule sinaptice încărcate cu neurotransmițător. La nivelul lamei bazale din fanta sinaptică se află o cantitate mare de acetilcolinesterază capabilă să degradeze o parte din acetilcolina eliberată în fanta sinaptică, dar numai după ce aceasta și-a îndeplinit rolul fiziologic la nivelul membranei fibrei musculare.

Când un impuls nervos sosește la nivelul joncțiunii neuromusculare, are loc activarea canalelor de Ca2+ voltaj-dependente din structura membranei terminației nervoase și are loc un influx de Ca2+ în această terminație. Ionii de calciu asigură atracția și apoi fuziunea veziculelor terminale cu membrana butonului terminal, urmată de eliberarea, prin exocitoză, a acetilcolinei în fanta sinaptică, ca și în cazul sinapselor neuroneuronale. Ulterior, membrana veziculelor sinaptice este înglobată în butonul terminal prin endocitoză în vederea reîncărcării ei cu noi molecule de acetilcolină.

După eliberarea acetilcolinei în fanta sinaptică a plăcii motoare mediatorul are la dispoziție 1ms pentru a difuza prin spațiul sinaptic și a se combina cu receptorii nicotinici ai acetilcolinei din structura sarcolemei. Receptorii nicotinici sarcolemali sunt canale ionice controlate de acetilcolină și au ca și componentă principală o moleculă de proteină, cu dispunere transmembranară și greutatea moleculară de 240.000. Spre partea externă a sarcolemei această proteină canal are o poartă de activare ce este activată de un ligand care în acest caz este acetilcolina. Capătul dinspre fanta sinaptică a proteinei canal acționează ca și receptor pentru molecula de acetilcolină, care o dată legată la acest nivel, determină o schimbare conformațională a moleculei canal, asigurând deschiderea porții de activare a acesteia timp de aproximativ o milisecundă. Aceste canale ionice acetilcolin-activabile au un diametru de circa 0,65 nm, fiind suficient de largi pentru a putea fi străbătute ușor de ionii pozitivi importanți: Na+, K+ și Ca2+. Ionii negativi cum ar fi Cl- nu pot străbate aceste canale dat fiind faptul că acestea au pe pereți sarcini negative. Chiar dacă aceste canale ionice activate de acetilcolină sunt permeabile și pentru ionii de K+ și Ca2+, ele vor asigura în momentul activării, practic, influxul masiv doar pentru Na+. Lucrurile se petrec așa în primul rând pentru faptul că valoarea potențialului de repaus al sarcolemei este foarte apropiat de valoarea potențialului Nernst pentru ionul de K+ (-94mV) și deci, gradientul de concentrație pentru ionul de K+ de o parte și alta a sarcolemei este aproape inexistent (concentrația K+ la exteriorul sarcolemei este sensibil egală cu concentrația sarcoplasmatică a acestui ion). Ori, în situația deschiderii canalelor sarcolemale acetilcolin-activabile, K+ nu au motiv să le străbată. În al doilea rând, atât Na+, cât și Ca+, se află în concentrație mult mai mare la exterior decât în interiorul fibrei musculare, iar potențialele Nernst ale acestor ioni sunt pozitive, în opoziție cu potențialul negativ (-90mV) al sarcolemei. Când sunt activate canalele sarcolemale acetilcolin-sensibile are loc un influx de Na+ și Ca2+ în fibra musculară. Cu toate acestea însă, concentrația Ca2+ la exteriorul fibrei musculare este de 50 de ori mai mică decât cea a Na+ și de fapt deschiderea canalelor sarcolemale actilcolin-sensibile permit influxul foarte rapid a ionilor de sodiu prin sarcolemă și totodată mult redus pentru alți cationi. Timp de 1ms cât se menține activarea canalelor sarcolemale acetilcolin-sensibile, în fibra musculară pătrunde o cantitate suficientă de Na+ pentru a depolariza sarcolema și a genera un potențial local numit potențial de placă terminală. El este asemănător PPSE, persistă 5ms și poate genera potențialul de acțiune în sarcolema fibrei musculare. Influxul ionilor de sodiu prin canalele sarcolemale activate de acetilcolină cresc potențialul sarcolemei cu 50-70 mV, ori am văzut în cazul sinapselor neuro-neuronale că potențialul de acțiune în membrana neuronului postsinaptic apare la o creștere cu 15-30 mV a potențialului membranar. Rezultă că fiecare impuls sosit la nivelul joncțiunii neuromusculare crează un potențial de placă terminală de câteva ori mai mare decât valoarea pragului de excitație..

După circa 1ms de la eliberarea acetilcolinei în fanta sinaptică și după ce ea a declanșat nașterea potențialului de placă motoare în membrana fibrei musculare, acest mediator excitator este îndepărtat din fanta sinaptică și degradat pe loc de acetilcolinesterază, pentru a permite fibrei musculare să revină la starea de repaus, ca apoi să poată fi excitată din nou.

Excitarea susținută a nervului timp de câteva minute cu o frecvență mai mare de 100Hz duce la diminuarea rezervelor de acetilcolină, încât impulsul sosit ulterior la nivelul plăcii motoare nu mai genereză potențiale de acțiune în mușchi; apare obosela la nivelul sinapsei neuromusculare. În condiții normale de activitate oboseala plăcilor motoare nu apare niciodată.

Mecanismul intoxicației cu curara constă în blocarea trecerii impulsului de la nerv la mușchi, la nivelul plăcii motorii. Curara se leagă de receptorii acetilcolinei din sarcolemă intrând deci în competiție cu mediatorul pentru receptorii nicotinici. Receptorii nicotinici rămași liberi după acțiunea curarei sunt prea puțini pentru ca prin activarea cu acetilcolină să se asigure un număr suficient de canale ionice pentru depolarizarea sarcolemei.