Fenomene bioelectrice

Fenomene bioelectrice

Notiuni de electrochimie. Potentialul Nernst

Bioelectrogeneza producerea de electricitate în org.vii (aparitia unor fenomene electrice în tesuturile vii reprezinta una dintre manifestarile fundamentale ale vietii celulelor).

În urma proceselor metabolice care au loc → distributii asimetrice ale ionilor de semne contrare care determina gen 555f51f erarea unor diferente de potential electric numite potentiale biologice.

Diferentele de potential dau nastere la rândul lor unor biocurenti.

Diferentele de potential exista atât în repausul celular (potential de repaus) cât si în timpul activitatii celulei (potential de actiune).

În organismele vii purtatorii de sarcini electrice sunt ionii iar distributia ionilor de o parte si de alta a membranei se face inegal.

m m + RT ln c + n F V (potentialul chimic)

m_i m + RT ln c_i + n F V_i (în mediul intracelular)

m_e m + RT ln c_e + n F V_e (în mediul extracelular)

m_i m_e conditia de echilibru

pot. Nernst-Planck (pot.de electrodifuzie)

Unde:

V_i, respectiv V_e reprezinta potentialul ionilor în interiorul, respectiv exteriorul membranei, R constanta universala a gazelor, T temperatura, n valenta, F numarul lui Faraday, c_e si c_i concentratia ionului în interiorul, respectiv exteriorul membranei.

Potentialul de electrodifuzie apare ca urmare a difuziei mai rapide a unor ioni decât a altora.

Diferenta de potential de o parte si de alta a membranei depinde numai de diferenta de concentratie.

La formarea potentialului de membrana un rol hotarâtor îl au ionii K⁺.

Aplicând relatia de mai sus, potentialul de echilibru este dat de relatia:

Obs.

→ pe baza concentratiilor ionilor de K⁺ din interior si exterior s-a calculat pentru potentialul de repaus o valoare de aproximativ -95 mV (fata de valoare determinata experimental -90 mV).

→ contrib. într-o masura mai mica si ceilalti ioni prezenti si având în vedere ca se gaseste într-o faza stationara, potentialul de membrana de repaus este redat mai corect de relatia:

Relatia lui Goldmann:

Potentialul de repaus al unei celule vii se masoara prin tehnica microelectrozilor care au dimensiuni de 0,6 m

Membrana excit. → se produce o scadere a permeabilitatii pentru ionii K⁺ si creste permeabilitatea pentru Na⁺ potentialul de membrana se modifica.

Initial se produce o reducere a potentialului de repaus la 0, o depolarizare, iar apoi se polarizeaza în sens contrar, pozitiv în interior si negativ în exterior (proces foarte rapid).

Originea potentialelor celulare se datoreaza proceselor de oxidare si de reducere.

În procesele de oxidare se desprind electroni de pe substrat. (aceasta desprindere de electroni este efectuata de catre anumite enzime speciale numite dehidrogenaze). Electronii si protonii formati trec spre straturile superficiale ale celulei unde se gasesc oxidazele).

Potentialul de repaus

tehnica microelectrozilor → fiecare celula vie este polarizata în raport cu lichidul interstitial, adica între suprafata interna si cea externa a membranei exista o diferenta de potential numita potential de repaus al membranei celulare. (se considera potentialul fetei interioare a membranei fata de potentialul fetei exterioare, socotit ca reper).

Valoarea potentialului de repaus al membranei celulare difera de la specie la specie si de la celula la celula.

Dupa moartea celulei, diferenta de potential dintre cele doua fete ale membranei se anuleaza.

Potentialul de repaus al membranei se datoreaza, în esenta, unei inegalitati de concentratie, unei asimetrii de repartizare a diferitilor ioni, care exista în exteriorul membranei celulare (lichidul interstitial) si în interiorul ei (lichidul intracelular).

Obs.

Dintre ionii care populeaza mediile intra- si extracelular prezinta importanta în special ioni de Na⁺, K⁺ si Cl^-, precum si anionii organici cu molecula mare, cum sunt polipeptidele si proteinele.

Potentialul de actiune

Se realizeaza în urma modificarii polarizarii membranei.

Rezulta o variatie a potentialului electric de membrana prin efluxul de ioni K⁺ si influxul de ioni Na⁺. Restabilirea echilibrului initial se face cu consum de energie.

Excitatia aparuta într-un loc pe suprafata membranei celulei excitate este difuzata pe întreaga ei suprafata. Fibrele nervoase se bucura cu predilectie de aceasta proprietate.

Transmiterea influxurilor nervoase între doi neuroni se face prin intermediul sinapselor care au proprietatea de a lasa fluxul nervos sa treaca numai într-o singura directie.

Tipuri de raspunsuri celulare la stimularea electrica

Fazele potentialului de actiune

vdepolarizarea

vvârful de potential

vrepolarizarea

Caracteristicile potentialului de actiune:

Legea "totul sau nimic"

În cazul fibrei musculare striate cardiace, daca aceasta este stimulata (excitata) cu stimuli liminali, fibra da un raspuns maxim si, oricât am mari intensitatea stimulului, raspunsul este acelasi.

Obs.

Aceasta lege nu poate fi aplicata sistemelor cu un grad înalt de organizare ca la receptori sau neuroni, unde raspunsul este în functie de intensitatea excitantului.

Relatia amplitudine-durata

Pentru masurarea excitabilitatii unui nerv sau muschi se folosesc stimuli electrici rectangulari. Pentru a primi raspuns la o excitatie, trebuie ca excitantul sa aiba o anumita intensitate si curentul sa dureze un anumit timp.

3. Perioada refractara

Este de doua feluri: refractara si absoluta.

Perioada refractara absoluta este perioada potentialului de vârf, când membrana se gaseste în perioada de inexcitabilitate, adica nu mai este capabila sa primeasca noi stimuli, deci nu se pot genera potentiale de actiune (depolarizari).

Perioada refractara relativa este perioada în care se genereaza potentialul de actiune daca stimulii sunt îndeajuns de puternici, însa amplitudinea si viteza de depolarizare si de declansare a depolarizarii sunt diminuate.

Acomodarea

Mecanismul generarii potentialului de actiune:

Propagarea potentialului de actiune de-a lungul membranei excitabile:

Mecanismul propagarii excitatiei este explicat cu ajutorul teoriei cablului.

o    Zona excitata B este caracterizata printr-o inversare a polarizarii.

o    Ca urmare a acestei inversari apar curenti locali atât în interiorul fibrei cât si în exterior.

o    Acesti curenti tind sa excite dintr-o zona excitata si zonele vecine.

o    Propagarea se face din aproape în aproape în sensul indicat mai sus, deoarece zona C care a fost excitata înaintea zonei B nu mai este sensibila la depolarizare pentru ca ea se gaseste într-o perioada refractara.

o    Excitatiile se propaga deci într-un singur sens

o    Viteza impulsului nervos atinge zeci de metri pe secunda în cazul fibrelor amielinice.

o    La fibrele mielinice conducerea (propagarea) excitatiei se face în salturi si mult mai repede decât în cazul fibrelor amielinice.

o       Stratul de mielina este de natura lipo-proteica si deci este un bun izolant. În acest caz curentii locali trec în afara, prin lichidul interstitial, fapt ce determina o crestere a conductiei.