Ecofiziologie animală

Curs 1

Electricitatea membranei celulare

In mod normal, principalele celule din tesuturile animale au membranele incarcate electric pozitiv (+) pe fata externa si negativ (-) pe fata interna.

Incarcarea pozitiva se datoreaza unui exces de ioni de Na acumulati pe fata externa, purtatori de sarcini pzitive.

Incarcarea negativa pe fata interna a membranei celulare se datoreaza acumularii anionilor incarcati negativ pe aceasta fata, anioni care in majoritatea lor nu pot traversa membrana celulara si raman controlati pe aceasta fata interna, prin diferitele procese metabolice care au loc in interiorul citoplasmei celulelor tesuturilor corpului animal.

Potentialul de repaus (PR) al membranelor celulare este in cazul fibrelor nervoase mari si in cazul fibrelor musculare de aprox 90 mm. In cazul celulelor nervoase sau al fibrelor nervoase cu diam mic, acest potential este de circa – 65 mV. Potentialul de repaus membranar este raspunzator de transferul pe membrana celulara a diferitelor substante care sunt necesitate de procesele metabolice din citoplasma, fie ca trebuie sa fie eliminate la exterior prin membrana celulara. O serie de celule ca celulele secretoare isi bazeaza activitatea pe valoarea potentialului de repaus membranar. Orice modificare a valorii acestui potential va influenta activitatea secretorie a acestor celule.

Cand in fibrele nervoase si celulele nervoase are loc o modificare a potentialului de repaus membranar poate duce la nasterea unui impuls nervos care este transmis centrilor nervosi din sistemul nervos central. Acestia vor prelucra informatia purtata de acest impuls si va elabora un mesaj comanda ptr diferiti efectori ai organismului ce pot fi fibrele musculare, celulele secretoare sau alte celule cu rol de efector in organism.

Potentialul de repaus se datoreaza la 2 evenimente fiziologice importante :

1. Transportul pasiv

2. Transportul activ transmembranar al ionilor, a principalilor ioni care participa la polarizarea celor 2 fete ale membranei celulare.

Principalii ioni implicati in realizarea potentialului de repaus sunt ionii de Na si K, dar se mai adauga si ionii de Cl (-), Ca (2+), Mg (2+).

Mecanismul de transport transmembranar al ionilor in virtutea gradientului de concentratie are la baza un transport pasiv, fara consum de Ca.

Transportul ionilor de K

Concentratia ionilor de K in citoplasma este de 140 mEg/l, iar concentratia la exterior este de 4 mEg/l. Daca consideram in mod ipotetic membrana celulara permeabila numai ptr ionii de K si tinand cont de faptul ca ionii de K se gasesc in interior in concentratii de 140 mEg/l si exterior de 4 mEg/l atunci in virtutea gradientului de concentratie are loc o migrare a ionilor de K din interiorul celulei spre exteriorul celulei prin membrana celulara ptr a incerca egalizarea celor 2 concentratii ale ionilor, interna si externa. Migrarea ionilor de K din interior la exterior va determina o incarcare a fetei externe a membranei celulare cu sarcini pozitive iar in replica, pe fata interna a membranei celulare se vor acumula sarcini negative care sunt atrase de sarcinile pozitive de pe fata externa.

Dat fiind faptul ca cele 2 fete ale membranei celulare sunt incarcate diferit, intre aceste fete se creeza o diferenta de potential este cu atat mai mare cu cat cantitatea de ioni de K scosi prin membrana celulara la exterior este mai mare. Pe masura ce diferenta de potential a membranei celulare creste se dezvolta o forta care daca ajunge la o anumita valoare a potentialului membranar se va opune continuarii iesirii ionilor de K din interiorul celulei spre exteriorul celulei prin membrana celulara.

Aceasta valoare a potentialului membranar cand este oprit exodul de ioni de K la exteriorul celulei poarta denumirea de potential Nersnt ptr ionii de K.

Transportul ionilor de Na

Na se afla la interiorul celulei in concentratie de 14 mEg/l si in exterior de 142 mEg/l, atunci intre cele 2 concentratii (interna si externa) se creeaza o diferenta de concentratie a gradientului care va determina migrarea Na de la exterior prin membrana celulara in interiorul celulelor. Prin migrarea ionilor de Na, purtatori de sarcini pozitive la interiorul celulei, sunt duse la interiorul acestora sarcinile pozitive care se dispun pe fata interna a membranei. In replica, pe fata externa a membranei raman doar sarcinile negative care nu pot traversa membrana celulara ca sa ajunga in interiorul celulei. Pe masura ce are loc intrarea ionilor de Na in celula incepe sa creasca diferenta de potential intre cele 2 fete care vor fi incarcate pozitiv pe fata interna si negativ pe fata externa ajungandu-se la un moment dat la o valoare a potentialului membranar care se va opune patrunderii ionilor de Na incontinuu din exteriorul in interiorul celulei. Aceasta valoare a potentialului membranar poarta denumirea de potential Nernst ptr ionii de Na.

Ptr a calcula valoarea potentialului Nernst a ionilor de Na si K se utilizeaza ecuatia lui Nernst care este :

Forta electromotoare (mV) = -61 lg • (concetratia la interior / concentratia la exterior)

K – forta electromotoare mV = -61 lg140/ 4 = -61 lg35 = -61 * 1,54 = - 94 mV

Na – forta electromotoare mV = -61 lg14/ 142 = -61 lg0,1 = -61 * (-1) = 61 mV

Valoarea -94mV ptr K este foarte apropiata de valoarea de repaus a potentialului membranar de -90 mV de unde rezulta ca in perioada de repaus membranar, membrana celulara este foarte permeabila ptr ionii de K si aproape impermeabila ptr ionii de Na.

Valoarea +61 mV ptr potentialul Nernst ptr ionii de Na inseamna ca membrana celulara devine permeabila ptr ionii de Na numai cand valoarea potentialului membranar creste de la -90 mV la valori pozitive catre +45 mV. Aceasta valoare de +45 mV care caracterizeaza potentialul de actiune are valoare apropiata de valoarea potentialului Nernst a ionilor de Na ceea ce inseamna ca membrana celulara devine permeabila ptr ionii de Na doar in timpul in care are loc excitarea membranei celulare.

Cand este excitata membrana celulara are loc o modificare a permeabilitatii membranei ptr ionii de Na si atunci are loc o patrundere masiva a ionilor de Na din exterior la interiorul celulei, si potentialul de repaus membranar devine din negativ, pozitiv.

In mod normal cei mai importanti ioni care participa la realizarea potentialului de repaus membranar sunt ionii de Na si K, dar in acest fenomen de stabilire a valorii potentialului de repaus membranar pot si implicati si alti ioni.