ATOMUL

Dilema continuităţii sau discontinuităţii materiei a apărut din timpul filozofilor greci.Leucip a fost primul care a analizat problema divizării materiei, deci a discontinuităţii acesteia.

El a susţinut faptul că indiferent cât de mult încercăm să divizăm materia, la un moment dat ajungem la un fragment ce nu mai poate fi divizat.

Unul dintre elevii lui Leucip, Democrit a denumit „atomos” (în limba greacă „atomos” înseamnă indivizibil) aceste particule ce nu mai pot fi divizate. Astfel, atomul reprezintă cea mai mică fracţiune indivizibilă dintr-o substanţă ce păstrează proprietăţile acesteia.

Democrit considera ca universul este format din „spaţiu liber” şi din particule indivizibile, numite atomi care diferă între ei prin dimensiune, formă, poziţie şi aranjare spaţială.

Atomismul a fost respins de Aristotel şi Platon care susţineau teoria continuităţii materiei.Ipoteza existentei atomilor nu a fost complet acceptată decât la sfârşitul sec. al XIX lea, după

demonstrarea teoriei cinetice şi mişcării browniene.

Structura atomului

În general se poate afirma că atomul este format din nucleu şi electroni.Numărul de electroni din atom a fost determinat experimental. Acesta se numeşte număr atomic

şi se notează cu Z. Numărul atomic indică poziţia elementului chimic în sistemul periodic.Atomul este neutru din punct de vedere electric. Deci, conţine în numar egal sarcini pozitive şi

negative. Sarcinile negative sunt reprezentate de electroni iar sarcinile pozitive se află în nucleu.Exceptând hidrogenul, celelalte elemente chimice conţin în nucleu, pe langă protoni şi un

număr variabil de neutroni. Masa neutronilor şi masa protonilor formeaza numărul de masă, A, al elementului respectiv.

Pentru acelaşi element chimic numarul de neutroni din nucleu poate fi variabil. Acest lucru nu modifică proprietăţile chimice ale elementului şi nici poziţia sa în sistemul periodic.

Numărul diferit de neutroni din nucleu conferă elementului chimic proprietăţi fizice diferite.Elementele chimice cu acelasi număr atomic Z, dar cu numere de masă diferite se numesc

izotopi (în limba greacă „izotop” înseamnă „acelaşi loc”).

Electronul

Electronul este sarcina electrică indivizibilă.Primul experiment care a demonstrat că sarcina electrică nu este divizibilă la infinit, ci este

divizibilă în unitaţi discrete, a fost efectuat de Faraday în 1833. În urma acestui experiment au fost deduse legile electrolizei.

Faraday a evidenţiat faptul că masa unei substanţe dintr-o soluţie eliberată la un electrod într-un anumit interval de timp este proporţională cu cantitatea de electricitate ce a trecut prin soluţie în acel interval de timp.

De asemeni, tot Faraday a demonstrat că o cantitate dată de electricitate eliberează aceeaşi masă dintr-o substanţă dată. Masa de substanţă eliberată este proporţională cu masa echivalentă a substanţei.

Rezultatele experimentelor lui Faraday presupuneau existenţa unei unităţi elementare de electricitate, cantitatea de electricitate purtată de diverşi ioni fiind multipli ai acestei unităţi. Această unitate a fost denumită de către Stoney (in 1874) „electron”, definind-o ca fiind cantitatea de

1

electricitate ce trebuie să treacă printr-o soluţie electrolitică pentru a elibera un atom dintr-o substanţă monovalentă.

e = F/NA

unde:e – sarcina electronuluiF – constanta lui FaradayNA – numărul lui Avogadro

Calculele lui Stoney au stabilit pentru electron o valoare aprox. de 10-20C.Primele măsurători directe asupra sarcinii electronului le-a iniţiat J.J. Thomson şi J.S.

Townsend în 1897, valoarea exactă fiind stabilită de Millikan în 1909.Valoarea sarcinii electrice a electronului este 1,6x10-19C iar masa sa este 9,11x10-31Kg.Pentru determinarea distribuţiei în interiorul atomului a masei şi sarcinii electrice s-au realizat

de-a lungul timpului mai multe experimente, elaborându-se mai multe modele.Experimentele lui Rutherford au demonstrat că sarcina electrică pozitivă nu este distribuită

uniform în atom ci este concentrată într-un nucleu, confirmând astfel modelul planetar al atomului în care sarcina pozitivă a atomului este concentrată într-un nucleu cu raza de aprox. 10 -14m şi electronii se rotesc în jurul acestuia pe orbite cu razele de aprox. 10-10m.

Dificultatea de bază a modelului planetar clasic constă în stabilitatea atomului.Dacă avem în vedere legile electrodinamicii clasice, electronii, rotindu-se în jurul nucleului au o

miscare accelerată. Ori, o particulă încărcată electric care are o mişcare accelerată emite radiaţie electromagnetică încercând să-şi micşoreze energia cinetică. Pe măsura scăderii energiei cinetice ar scădea şi raza orbitei, energia potenţială ar creşte în valoare absolută şi electronii ar cădea pe nucleu.

Pentru a corecta deficienţele modelului planetar clasic, Niels Bohr a introdus ca postulate concluziile impuse de datele experimentale:

1. postulatul I: Atomii sunt caracterizaţi de stări staţionare, stări în care aceştia nu absorb şi nu emit energie. Într-o stare staţionară energia sistemului este constantă în timp.

2. postulatul II: Atomii absorb sau emit radiaţie electromagnetică numai la trecerea dintr-o stare staţionară în altă stare staţionară.Frecvenţa radiaţiei electromagnetice emise sau absorbite se poate determina prin relaţia

cunoscută sub numele de „condiţia frecvenţelor lui Bohr”:h= Em - En

sau = E / h

unde:E este diferenţa de energie între cele două stări; este frecvenţa radiaţiei emise sau absorbite

2

MOLECULA

După Lehninger, moleculele din organismele vii, studiate individual, se supun principiilor fizice şi chimice obisnuite care guverneaza comportarea materiei inerte, dar studiate în ansamblu, interactioneaza între ele conform unui alt grup de principii care alcatuiesc logica moleculara a stării vii. Aceste principii nu includ, în mod necesar, legi fizice noi, nedescoperite încă. Mai degraba ele trebuie privite ca un grup de reguli fundamentale care guverneaza natura, functia şi interactiile tipurilor specifice de molecule din organismele vii, proprietăţi ce confera acestora capacitatea de a se autoorganiza, autireplica şi autoregla. Este mult mai potrivit sa consideram aceste principii ca axiome deoarece unele dintre ele sint intuitive şi nu pot fi demonstrate încă.

Compoziţia chimică a materiei vii este calitativ diferită de aceea a mediului în care aceasta se găseşte .

În esenţă, organismele vii au în constituţia lor: ioni de dimensiuni foarte mici (microioni). Dintre aceştia câtăm: Na+, K+, Cl- (implicaţi

îndeosebi în excâtabilitate), Ca2+ (implicat în contracţia musculara), Mg2+ (cu rol în procesul de bioluminiscenţă), H+(secretat de mucoasa gastrică şi generator de tensiuni protonmotrice în anumite microorganisme), HCO3

- , HPO42-, OH-.

micromolecule (neutre sau disociate): aminoacizi, mononucleotide, monozaharide, acizi graşi, etc.

macromolecule complexe macromoleculare

STRUCTURA FIZICĂ A MOLECULEI

Molecula este o grupare de atomi ce formează o configuraţie stabilă datorită forţelor de interacţiune dintre ei. Aceste forţe de interacţiune se numesc forţe interatomice. Forţele care se exercită între molecule poartă numele de forţe intermoleculare. Forţele interatomice şi intermoleculare derivă din faptul că toţi atomii conţin sarcini electrice de semne contrare. Forţele dezvoltate sunt de natură electrostatică.

Wp

r0 r

Condiţiile de formare a moleculei se realizează când forţele de atracţie dintre atomi sunt egale cu cele de respingere, iar energia potenţială este minimă.

3

Forţe interatomice şi intermoleculare

Forţele care acţionează între elementele ce formează biomolecula se numesc forţe intramoleculare (în interiorul moleculei) sau forţe interatomice. Aceste forţe se pot măsura cu metode specifice, cum ar fi: Rezonanţa Magnetică Nucleară, Rezonanţa Electronică de spin sau Difracţia de raze X.

Forţele interatomice sunt: Legătura ionică este de natură electrostatică. Forţa de legătură se poate determina,

teoretic, prin legea lui Coulomb - mărimea forţei aplicate unei sarcini, q1, datorită prezenţei unei alte sarcini, q2:

în care este constanta dielectrică a mediului în care se găsesc corpurile, iar r distanţa dintre ele. Ecuaţia se aplică în cazul corpurilor macroscopice. În cazul atomilor şi moleculelor legea nu se

poate aplica deoarece nu există constanta dielectrică între doi atomi. În acest caz apar forţe specifice între atomii constituienţi ai unei molecule.

Legătura covalentă este legătura în care doi atomi cedează şi primesc electroni de valenţă formând un nivel electronic stabil. (un atom cedează un electron, celălalt atom primeşte un electron).

Caracterele generale ale legăturii covalente sunt: este o legătură de distanţă mică. Distanţa dintre doi atomi este inferioară razei de

interacţiune interatomică; are caracter de saturaţie. Odată formată legătura dintre doi atomi, perechile

electronice nu mai permit alte legături; cristalele covalente sunt foarte dure (diamantul).

În legăturile covalente formate între atomi diferiţi, perechea de electroni de legătură nu este repartizată simetric între cei doi atomi, ci este atrasă spre atomul mai electronegativ; legătura capătă un moment de dipol. Dipolmomentul legăturii va fi cu atât mai mare cu cât diferenţa de electronegativitate este mai mare.

Legătura coordinativă este o legătură formată din doi electroni puşi în comun. Electronii sunt furnizaţi de acelaşi atom, pentru completarea nivelului energetic extern. Ca exemplu, poate fi luat oxigenul, care poate realiza două legături covalente dar poate fi şi receptor pentru o legătură coordinativă.

Legătura metalică este o legătura puternică realizată cu electroni puşi în comun care generează şi electroni liberi de conductibilitate.

Forţele intermoleculare sunt forţele ce se exercită între moleculele ce formează o structură biologică. Aceste forţe sunt mai mici decât forţele intramoleculare, dar efectul lor devine semnificativ datorită numărului mare de interacţii de acest fel. Energia mică corespunzătoare acestor forţe permite ruperea şi formarea lor destul de uşor, ceea ce condiţionează funcţiile biologice ale biomacromoleculelor. Forţele intermoleculare apar în urma interacţiilor dintre dipoli sau dintre dipoli şi ioni.

4

Dipolul electric

Dipolul electric este un sistem format din două sarcini electrice egale şi de semn contrar, aflate la distanta „d” una faţă de alta.

În biofizică se întâlnesc în mod frecvent biomolecule care sunt, din punct de vedere electric, dipoli permanenţi. Ex. aminoacizii, proteinele şi lipidele au acest caracter datorită distribuţiei de grupări de sarcină pe suprafaţa biomoleculelor.

Legătura de hidrogen

Legătura de hidrogen este un caz particular al interacţiei dipol-dipol.O moleculă formată dintr-un atom de hidrogen şi un atom electronegativ prezintă o legătură

covalentă cu caracter parţial ionic. Se formează un dipol cu sarcina negativă spre atomul electronegativ şi sarcina pozitivă spre atomul de hidrogen. Dacă în apropierea acestui dipol se găseşte un alt atom, atunci între atomul respectiv şi dipol se realizează o legătură determinată de atracţia dintre proton şi electronii atomului. Legătura formată dintre dipol şi atom se numeşte legătură de hidrogen.

Legătura de hidrogen are următoarele caracteristici: distanţa dintre atomi este foarte mică energia legăturii de hidrogen este mai mare decât energia legăturii dipol-dipol.

Dipoli induşi

Se consideră un atom (sistem neutru din punct de vedere electric) în apropierea căruia se găseşte un ion pozitiv. Ionul va exercita o forţă de atracţie asupra electronilor şi o forţă de respingere asupra nucleului atomului. Atomul se va „deforma”, adică se produce o uşoară separare a sarcinilor pozitive şi negative din atom, luând naştere un dipol. Acesta se numeste dipol indus deoarece există atât timp cât ionul există în jurul atomului.

Dipoli tranzitorii

În general, într-un atom sau moleculă electronii sunt distribuiţi simetric în jurul nucleului. La un moment dat, această simetrie poate să se modifice, formând un dipol. Deoarece electronii sunt în continuă mişcare, existenţa dipolului este condiţionată de probabilitatea asimetriei şi distribuţiei electronice şi durează atât timp cât durează aceasta. Un astfel de dipol se numeste dipol tranzitoriu.

Dacă un astfel de dipol se află în apropierea unei molecule, atunci poate induce în aceasta dipoli a căror orientare şi moment să depindă de dipolul tranzitoriu.

În biomolecule se pot induce mulţi dipoli tranzitorii şi efectul lor fiind cumulativ, forţele dispersive pot avea mare importanţă.

5

STRUCTURA MOLECULEI DE APĂ ŞI RELAŢIA CU PROPRIETĂŢILE FIZICE PARTICULARE

Molecula de apă este formată din doi atomi de hidrogen şi un atom de oxigen, legaţi între ei prin legături covalente.

Lungimea legăturii -O-H este de 0.99 Å iar unghiul de legătura este de 105º. Cei 10 electroni ai moleculei de apă sunt distribuiţi astfel:

2 electroni ai oxigenului (de pe primul strat) se gasesc în permanenţă în apropierea nucleului 8 electroni (electroni de valenţă) gravitează pe orbite eliptice alungite.

H

H

o două perechi de electroni se află pe două orbite axate pe direcţiile -O-H ; aceştia sunt electronii ce formează legătura covalentă;

o două perechi de electroni gravitează pe două orbite situate perpendicular pe planul nucleelor; se numesc electroni neparticipanţi.Prin urmare, molecula de apă are o structură spaţială tetraedrică, nucleul de oxigen fiind în

centrul tetraedrului.Datorită distribuţiei asimetrice a sarcinilor, densitatea electronică maximă fiind în jurul

atomului de oxigen, molecula de apă este un dipol permanent.Molecula de apă poate forma legături coordinative - punţi de hidrogen cu alte molecule.

Fiecare moleculă de apă se poate lega coordinativ cu alte 4 molecule, formând structuri spaţiale. Punţile de hidrogen stau la baza structurilor supramoleculare, atât în stare solidă cât şi în stare lichidă.

Caracterul dipolar al moleculei de apă, dar în special punţile de hidrogen, explică proprietăţile speciale ale apei:

densitate maximă la 4ºC căldura latentă de vaporizare, căldura specifică şi conductivitatea termică deosebit de mari constanta dielectrică mare, ceea ce favorizează disocierea electrolitică tensiune superficială mare.

STRUCTURAREA MOLECULARĂ A APEI ÎN BIOSISTEME.PROPRIETĂŢILE BIOFIZICE ALE APEI

În organismele vii apa se găseşte în procente diferite, în funcţie de specie şi de gradul de dezvoltare ontogenetică.

La organismele superioare apa se poate clasifica astfel:

1. după locul în care se afla în raport cu celulele:

6

-apa intracelulară (70%)intestiţială (23%)

-apa extracelulară (30%) circulantă sau vasculară (7%)

2. după distribuţia în ţesuturi:- apa tisulară- apa extratisulară (cavitară): umori apoase, sticloase, LCR, sânge

3. după interacţiunea cu macromoleculele biologice :- apa liberă- apa legată sau structurată

4. după provenienţa în organism :- apa exogenă- apa endogenă

Cantitatea de apă din ţesuturi depinde de coeficientul lipocitic care este raportul dintre cantitatea de colesterol (hidrofil) şi cantitatea de acizi graşi (hidrofobi).

Cu cât un organ sau ţesut constituie sediul unor procese metabolice mai intense, cu atât conţinutul de apă este mai mare. Deoarece anabolismul scade cu vârsta, se constată şi o scădere a procentului de apă cu vârsta: 76% la nou-născuţi şi 46% la femei între 60 şi 80 ani.

7

APA ÎN SISTEMELE BIOLOGICEI.1. Rolul şi repartiţia apei în organism funcţie de vârsta şi sex apa este „matricea vietii”; constituie solventul universal atât în mediul interstiţial cât şi în mediul intracelular; mediu de transport al substanţelor de la un organ la altul; mediu de eliminare al produşilor de dezasimilaţie (prin urină şi transpiraţie); mediu de dispersie; necesară în reacţiile de hidroliză; „tamponare” a variaţiilor de temperatură (degajare prin evaporare de caldura şi rol de termostat

prin căldura specifică mare).

I.2. Conţinutul de apă al organismelor şi ţesuturilor.

În organism apa este conţinută diferit funcţie de: tipul ţesutului, vârsta, sex.

embrion în luna 2 3 4 5 6 nou născut AdultApa % 97 94 92 85 74 67-74 58-67

Conţinutul în apă al principalelor ţesuturi: Dentina - 10%; schelet – 30%; ţesut adipos – 30%; cartilag – 50%; Ficat – 70%; ţesut nervos (substanţa alba) – 70%; Pancreas – 75%; muşchi striat – 76%; inimă, plămân, rinichi – 80%.

Conţinutul în apă este în funcţie de metabolism.

II. Structura moleculei de apă şi proprietăţile sale fizice particulare

1. Structura moleculei de apă

molecula triatomică, formată din doi atomi de H şi un atom de O; molecula plană;

8

Figura

comportare ca dipol - între moleculele de apa vecine se formează legături de Hidrogen. Fiecare molecula formează două legături de Hidrogen.

Figura

Modele de structură a gheţii şi a apei lichide.

Apa poate exista în trei stări de agregare: o solidă, o lichidă, o gazoasă.

Starea solidă (gheaţa) - prin difracţie X pe cristale de gheaţă s-a demonstrat că moleculele de apă sunt în structura spaţială tetraedrică.

Figura

Topirea gheţii duce la stricarea structurii tetraedrice şi spatiile goale din cristal se ocupă cu alte molecule de apă ceea ce explică creşterea densităţii apei la 4C la valoarea 1g/cm3.

Creşterea temperaturii ---> de 4C duce la agitaţie termică crescută iar densitatea se micşorează.

9

În molecula de apă fiecare atom de hidrogen este legat de atomul de oxigen printr-o legătură covalentă.

Figura

Atomul de H şi cel de O pun în comun fiecare un electron. Fiecare atom primeşte un electron suplimentar.

Atomul de Hidrogen va avea 2 electroni iar cel de oxigen 8 electroni periferici în loc de 6 (in anumite intervale de timp).

Electronii sunt mai puternic atraşi de Oxigen decât de Hidrogen conferindu-i starea dipolară moleculei de apă. Acest lucru conferă proprietatea de disociere a cristalelor ionice în apă.

Legătura de Hidrogen permite formarea structurii de tetraedru cu atomul de Oxigen în centru (cazul gheţii).

La îngheţarea apei se cedează mediului 1,44 kcal pentru o moleculă de apă deoarece energia legăturilor de Hidrogen la gheaţă este 10 kcal/mol.

La topire 15% din legăturile de H se rup. Rămân 85% legături de H după dezgheţare deci „apa mai conţine configuraţii spaţiale de gheaţă”.

Linus Pauling propune în configuraţia apei pure structura de „clatrat” (sau cuşcă).O moleculă de apă este înconjurată de 20 de molecule.La structura apei în stare gazoasă nu mai avem legături de Hidrogen.În vederea ruperii legăturilor de Hidrogen se consumă căldura latentă de vaporizare şi rămân

Forţe Van der Waals (forţe slabe).

Modificarea structurii moleculare a apei în prezenta solviţilor

Solvitul micşorează de multe ori gradul de ordonare a moleculelor de apă similar cu creşterea temperaturii.

Solviţii se împart în patru categorii:1. electroliţi ce disociază în ioni şi se pot hidrata;2. solviţi capabili de a forma legături de hidrogen;3. solviţi inerţi chimic ce realizează legături hidrofobe;4. solviţi cu diferite tipuri de grupări (polare, nepolare, proteine, macromolecule).

Tipuri de interacţiune cu apa

Formarea de apă prin hidratare – apa se dispune concentric în jurul ionului formând primul şi al doilea strat de hidratare.

Formarea de cristale hidraţi – moleculele hidrofobe creează cavităţi în apă şi devin molecule interstiţiale (cazul gazelor sau al anestezicelor).

10

Crearea de reţele de apă în apropierea macromoleculelor (colagenul cu molecule de apă în formă de reţea).

Apa ca mediu dispersant, dizolvant şi ionizant

Apa rupe coeziunea macroscopică a substanţelor dizolvate.Dispersia substanţelor dizolvate prin interacţiunea dintre dizolvant şi dizolvat se numeşte:

solvatare în cazul dizolvantului şi hidratare în cazul apei.

Substanţele macromoleculare organice şi macromoleculare nedisociabile dispersează în apă datorită existenţei în molecula lor a legăturilor hidrofobe.

Solubilitatea lor depinde de numărul de legături hidrofobe raportate la greutatea moleculară a substanţelor (glucoza, ureea).

Datorită = 80 (constanta dielectrică a apei) electroliţii introduşi în apă disociază.Prezenţa acizilor (donori de protoni) sau bazelor în apă (acceptori de protoni) modifică pH-ul

soluţiei care variază între 14 şi 0.

2. Proprietăţile fizice particulare ale apei şi implicaţiile lor în biologie

1. Căldura specifică a apei (4,2 kJ/kg) foarte mare faţă de oricare substanţă solidă sau lichidă. permite o stabilizare a temperaturii în diversele procese biologice căldura produsă în travaliul muscular sau în procesele energetice apărute în

metabolism2. Conductibilitatea termică (0,59 W×m-1×K-1 la 20C) mai mare ca la alte lichide permite un

„amortizor şi transportor termic” în vederea evacuării căldurii în jurul membranelor sau altor structuri care nu poate fi evacuată prin circulaţie de lichide.

3. Căldura latentă de vaporizare (2,43 J/kg la 37C) este mult mai mare ca la alte lichide; factor determinant şi favorizant în homeotermie prin pierderea de căldură (termoliza) sau prin evaporare pulmonară (0,73×106 J/zi) iar prin transpiraţie o cantitate mult mai mare de căldură.

4. Densitatea. Creşterea spre 4C a densităţii permite supravieţuirea în apă cu gheaţă la suprafaţă a peştilor.

5. Constanta dielectrică = 78,5 la 25C explică capacitatea mare de ionizare a substanţelor dizolvate în ea.

6. Punctele de topire 0C şi fierbere 100C permit o plajă mare în care proprietăţile apei se schimbă puţin.

7. Coeficientul de difuziune (2,4×10-4 cm2/s) reprezintă cantitatea de substanţă care difuzează printr-o suprafaţă de 1 cm2 într-o secundă. Coeficientul de difuziune permite difuziunea liberă a substanţelor existente în lichidele biologice.

8. Coeficientul de vâscozitate este mic ceea ce permite o deplasare a straturilor apei în mod liber fără o frecare şi consum de energie între ele.

9. Coeficientul de tensiune superficială 75,6×10-3 N/m la 0C scade cu creşterea temperaturii, prin ruperea legăturilor de hidrogen şi agitaţia termică.

III. Rolul şi proprietăţile fizice ale apei în termoreglare

Omul este homeoterm (cu sânge cald) iar temperatura corpului ramâne constantă în ciuda variaţiilor de temperatură ale mediului sau ale proceselor biologice cu caracter energetic.

Pentru a menţine constantă această temperatură este necesară existenţa unui sistem de termoreglare. Aportul apei în termoreglare trebuie studiat în următoarele condiţii:

11

1. în zona de confort termic (în jur de 25C);2. la temperaturi inferioare neutralităţii termice;3. la temperaturi superioare neutralităţii termice;4. în condiţii extreme de cald şi rece.

La temperatura mai joasă de confort termic este necesar un aport de calorii (termogeneza) iar la temperaturi mai ridicate este necesară o pierdere de căldură (termoliza).

Căldura specifică ridicată a apei explicată prin caracterul puternic asociat al legăturilor de hidrogen (1 cal/gr grad ---> 4,18x103 J/kg grad) organismele pot primi cantităţi mari de căldură din afără sau interior fără a-şi ridica temperatura proprie.

Conform ecuaţiei calorimetrice t = Q/mc, în care:t - variaţia de temperatură;Q - cantitatea de căldură;m - masa;c - căldura specifică.

Un adult are 65% apă din 70 kg corp, deci un aport de 45.000 calorii ridica cu 1 C o masă de apă de 45 Kg.

Sistemul metabolic produce pe zi (24 ore) 2500 kcal. Apa termostatează ridicarea temperaturii prin:

conductibilitatea termică îndepărtează hipertermiile locale; căldura latentă de evaporare (permite prin evaporare pulmonară şi cutanată o pierdere

importantă de căldură de către corp).

Rolul evaporării pulmonare în termoreglare - un adult elimină prin pulmon 300 – 400 g apă în 24 ore. Hipertermia mediului ambiant antrenează o „polipnee termică” capabilă în creşterea eliminării pulmonare a apei.

Evaporarea cutanată, se face prin mecanismele: perspiraţia insensibilă; sudaţia.

Perspiraţia insensibilă este difuziunea invizibilă a vaporilor de apă sau a lichidului intercelular prin straturile cornoase ale epidermei ---> 600 la 800 cm3 apă pe zi (la om).

Q = 700 gr x 591 calorii (căldura latentă la 20C) 413 kcal.Eliminare 25% din căldura metabolică produsă.

Sudaţia - eliminarea prin piele a unui lichid de excreţie - sudaţia exocrină sau sudaţia adevărată, cu conţinut de 3-5 grame clorură sodiu. Sudoarea este rezultatul activităţii glandelor mici sudoripare repartizate pe toată suprafaţa pielii. Se elimină pe zi între 1 litru şi 1,5 litri în climat temperat iar la temperaturi ridicate 20-25 litri.

Eficacitatea sudaţiei este legată de viteza de evaporare care depinde de: suprafaţa pielii sudate „s”, de tensiunea de vapori „f” de presiunea de vapori a apei „p” la temperatura considerată şi de presiunea totală „P” (presiunea atmosferică)

P p- f

s k V

IV. Apa în reacţiile biochimice:

12

1. Hidroliza enzimatică, degradarea macromoleculelor alimentare, glucide şi protide în mici molecule absorbabile în intestin. Aceste biosinteze se realizează prin deshidratare.

2. Participarea apei la reacţiile de oxido-reducere3. Biosinteza prin deshidratare

glicogenoformarean glucoza ---> glicogen + n molecule apă

Biosinteza proteinelor se face prin crearea de legături peptidice ca structura primara a proteinelor

Producerea metabolică de apă - este apa „endogenă” rezultată din combustii celulare. Combustia totală a unei molecule de glucoză dă ca rezultat 6 molecule de apă.

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O

Reacţia este exergonică (producătoare de energie). În organism pentru un mol de apă produsă rezultă 56,7 kcal. Cantitatea de apă formată zilnic este 350 gr sau aproximativ 20 moli ceea ce dă o cantitate de căldură de

56,7 x 20 = 1134 kcal.

V. Apa grea

În 1932 Urey observă că rezidul bacurilor de electroliză (bac de celulă electrolitică = vas de ebonită, de sticlă sau de răşini sintetice, care conţine electrozii şi electrolitul) au densitate mai mare decât apa obişnuită şi astfel descoperă apa grea. Apa grea se obţine prin electroliza la tensiuni mari.

Există două feluri de apă grea: D2O şi DOHÎn locul atomului de H apa grea are izotopul său D – deuteriu care are în nucleu un proton şi un

neutron D2

1 .

Proprietăţile fizice ale apei grele densitatea maximă la 11,6C faţă de 4C la apa normală; punct de topire 3,802C; punct de fierbere 101,42C în condiţii normale de presiune; coeficientul de vâscozitate 12,6 milipoise fata de 1,09 mp la apa normală la 20C.

Se poate marca apa cu apă grea pentru studiul metabolismului apei cu ajutorul spectroscopiei de masă sau prin refracţie.

Rolul apei grele în organism încetineşte metabolismul; inhibă diviziunea celulară; aboleşte parţial capacitatea de conducere a influxului nervos; inhibă transportul activ şi contracţia musculară.

Aceste modificări se explică prin: structuralizarea mai pronunţată a apei grele; realizarea în celulă a unor complexe apă-proteine mai stabile.

După deuterizare forţa de contracţie musculară scade iar timpul de latenţă al contracţiei creşte. La înlocuirea apei cu apă grea se generează modificări profunde în funcţia miocardului.

13

VI. Apa extracelulară şi apa intracelularăForţele care menţin apa intracelulară sunt cele osmotice (acţionând prin membrane).Apa intracelulara este de 55% din totalul organismului.Apa extracelulara este de 45% şi reprezinta fluidul interstitial şi fluidele circulante.Forţele osmotice compensează pătrunderea sau ieşirea prin membrane a unei cantităţi de apă

faţă de echilibrul osmotic dictat de compoziţia intracelulară.În interiorul celulei avem:

apa de hidratare pe macromolecule; apa legată cu rol specific de structuralizare a macromoleculelor cât şi de structuralizare a apei

de către aceste macromolecule în diversele lor configuraţii spaţiale.Apa legată are proprietăţi specifice faţă de apa normală.Datorită forţelor electrostatice generate de legătura de hidrogen cât şi de cuplarea dintre

moleculele de apă în apropierea unor macromolecule putem vorbi de straturi macromoleculare de apă în apropierea macromoleculelor care îşi modifică structura prin modificarea funcţiei sale specifice.

Straturile macromoleculare pot fi în număr limitat datorită forţelor de interacţiune dintre ele.Primul strat de lângă macromoleculă este mai legat, are o mobilitate scăzută iar straturile II şi

III au forţe de legătură mai scăzute. Nu trebuie confundată în totalitate apa legată cu apa de hidratare.Proprietăţile apei legate (numită şi sub termenii de apă fixată, apa necongelabilă, apă

nesolvantă, apă intransferabila osmotic): rezistă la deshidratare; nu îngheaţă nici chiar la –20C; nu are proprietăţile obişnuite de solvent la cristaloizi; nu este transferată prin membrane în schimbul osmotic dintre celule şi mediul extern.

În ţesuturile animale 5-10% din apa tisulară nu îngheaţă deci este apă legată.Pentru determinarea structuralizarii apei o metoda eficace a fost şi este R.M.N.-ul (Rezonanta

magnetica nucleară) realizată pe ţesuturi şi tomografia de R.M.N. care dă imaginea structurilor biologice prin imaginea structuralizarii apei sau a altor nuclee, corelată cu modificările funcţionale, normale sau patologice ale acestor structuri. Nu am fi avut tomografie de R.M.N. realizată pe protonii apei din ţesuturi fără existenţa structuralizării specifice a acestei ape în ţesuturi.

Concluziile la care au condus tehnicile de rezonanţă magnetică protonică referitor la apa intracelulară, sau apa tisulară au arătat prezenţa mai multor compartimente pentru apa intracelulară, între aceste compatimente existând un schimb continuu de molecule.

VII. Compartimentarea apei în organism. Metode de evaluare

O primă formă de compartimentare: apa intracelulară - reprezintă locul reacţiilor metabolice; apa extracelulară - constiuie mediul înconjurător al fiecărei celule. Aceasta conţine şi fluidul

interstiţial şi fluidele circulante.Pentru evidenţierea diferitelor compartimente pot fi utilizate metode de diluţie, de colorare

(pentru sistemul circulator), izotopi radioactivi.Concentraţia substanţei test variază între compartimente în funcţie de timp, printr-o lege

multiexponenţială:

C(t) = Ae–1t + Be–2t + ...Metoda analizei compartimentale este generată atât pentru determinarea compartimentării apei

cât şi pentru pătrunderea şi compartimentarea medicamentelor în organism sau a izotopilor radioactivi utilizaţi ca diagnostic.

14

BIOMEMBRANE CELULARE

Biomembranele reprezintă circa 10 - 20% din masa celulară. Proporţia de lipide şi proteine care intră în componenta acestora este diferită în raport cu funcţiile particulare ale fiecărei biomembrane. Membranele cu activitate metabolică marită conţin mai multe proteine (de ex. membrana internă a mitocondriei cu peste 70% proteine în alcătuirea sa). Teaca mielinică conţine lipide în proporţie de 75% ceea ce asigură rolul său de izolant electric. Glucidele reprezintă un component minor, prezent numai în proporţie de 2-10%. Acestea sunt dispuse în principal pe faţa externă a membranei fiind legate covalent de lipide sau proteine. Acestor componente la nivel membranar li se asociază o însemnată cantitate de apă (circa 20% din masa totală) precum şi ioni de Ca şi Mg. Proporţiile lor variază foarte mult în special în stări patologice.

Proteinele membranare sunt unele periferice iar altele sunt integrate în lipide.Pe faţa citoplasmică a multor membrane celulare se formează o reţea de proteine fibrilare

formând citoscheletul.Pe faţa externă a membranelor atât proteinele cât şi lipidele prezintă porţiuni oligozaharidice

fiind constituite ca glicoproteine şi glicolipide.Acestea formează în ansamblul lor invelişul celular numit glicocalix.Lipidele membranare pot fi nepolare (neutre) cum este colesterolul ori polare cum sunt

glicerofosfolipidele şi sfingolipidele.Modelul de membrană acceptat este cu dublu strat lipidic, monomoleculare juxtapuse cu

capetele polare spre exterior şi cu catenele hidrocarburice în contact.Stratul lipidic este străbătut de pori umpluţi cu apă, cu o structură de mozaic cu mici zone

hidrofile împrăştiate pe un fond hidrofob.

Modelul este de mozaic fluid de proteine globulare în dublul strat lipidic.I. Stratul dublu reprezintă matricea lipidică a biomembranelor iar structura sa este realizată

printr-un proces de auto-asamblare (autoorganizare).Forţele de atracţie Van der Walls dintre lanţurile hidrocarbonate determină, la rândul lor,

aglomerarea acestora. De asemenea între constituienţii membranari se manifestă şi interacţiunile de tip electrostatic sau de tip legătură de H (între capetele polare şi moleculele de apă).

15

Proprietatea de autoorganizare a stratului dublu se păstrează şi în vitro, putându-se astfel obţine membranele artificiale. Acestea se prezintă de obicei sub două forme: fie ca straturi bi-lipidice plane, fie ca straturi duble lipidice dispuse în vezicule (lipozomi).

II. Fluiditate: Stratul dublu lipidic efectuează anumite mişcări intra- sau intermoleculare, fiind înzestrat, prin insăşi structura sa, cu o mare mobilitate.

Frecvenţa şi amplitudinea fiecărui tip de deplasare a stratului dublu depind de caracteristicile sale mecanice şi structurale. Astfel, mişcarea cea mai simplă de observat o reprezintă rotaţia lipidelor în jurul propriei axe moleculare şi a lanţurilor hidrocarbonate. Cu cât aceste mişcări sunt mai ample cu atât mai însemnate devin şi mişcările laterale ale lipidelor şi proteinelor în planul membranei.

Moleculele lipidice prezintă şi proprietatea de a difuza liber în stratul dublu lipidic.În afara acestor deplasări se mai evidenţiază şi deplasări intramoleculare (în care se deplasează

doar o parte a moleculei) mişcări de rotaţie de translatie a moleculei.Mişcările de translaţie ale moleculelor lipidice pot fi laterale sau de migrare dintr-un strat în

altul.Prin translaţia laterală, moleculele lipidice îşi schimbă locul cu moleculele vecine în cadrul

aceluiaşi monostrat lipidic. Viteza acestei mişcări este de circa 107 m/s. Migrarea lipidelor de la un strat la altul este mult mai redusă. Prin mecanismul basculant numit „flip-flop”, anumite enzime realizează un transfer specific al unor fosfolipide dintr-un monostrat în celălalt. Aceasta se datoreşte şi compoziţiei lipidice diferite a unui monostrat faţă de monostratul vecin. Mişcarea „flip-flop” este foarte lentă ceea ce face să explice formarea dublului strat asimetric cu apariţie în cursul biosintezei acestuia în reticulul endoplasmatic.

PROTEINE MEMBRANARE

Proteinele membranare sunt specifice fiecărei membrane. Ele reprezintă elementul activ al membranei (cu rol de enzime, canale, transportori, receptori, etc.).

Concentraţia lor variază funcţie de tipul membranei între 20% şi 75% (membrana mitocondriilor).

Putem grupa aceste proteine în două categorii:a) proteine extrinseci sau periferice, sau care pătrund în membrană pe o anumita adâncime. Ele

sunt slab legate de membrană şi pot fi îndepărtate prin spălare ori prin tratare cu soluţie ionică scăzută. Ele sunt frecvent implicate în transmiterea informaţiei spre interiorul celulei.

b) proteine intrinseci sau integrale care traversează membrana pe toată grosimea ei. Pot fi extrase prin tratare cu detergenţi sunt implicate în general în fenomene de transport. Părţile intramembranare sunt structuri hidrofobe, în dublu helix, legate între ele, în mediul apos, prin zone hidrofile neelicoidale.

Moduri de legare a proteinelor membranare: proteine intrinseci

a) cu un singur segment transmembranar;b) segmente transmembranare multiple.

proteine extrinsecia) legături electrostatice;b) legături hidrofobe;c) legături hidrofobe, prin ancorare de un segment terminal ce penetrează membrana;d) ancorare printr-o moleculă lipidică legată covalent;e) legare de o altă proteină membranară.

16

Posibilităţi de mişcare în stratul bilipidic

Lipidea) difuzie laterala în stratul lipidic (stânga) şi schimb intre moleculele lipidice din strat

şi cele adiacente proteinelor (dreapta);b) rotaţie în jurul axei proprii şi basculare dintr-un strat în celalalt;c) rotaţie descriind o suprafaţă conică (o asemenea mişcare pot avea şi derivaţii acizilor

graşi); Proteine

a) difuzie laterală;b) rotaţie în jurul unei axe perpendiculare pe stratul bilipidic;c) rotaţie izotropică (fără axa preferenţială);d) rotaţie descriind suprafeţe conice, molecule hidrofobe, comportându-se ca un

bastonaş rigid.

PERMEABILITATEA ŞI SELECTIVITATEA MEMBRANELOR BIOLOGICE

În cazul organismelor vii intâlnim membrane permeabile şi selectiv permeabile constând în bariere de complexităţi diferite:

bariere multicelulare (intestinul); monocelulare (peretele vaselor capilare); membranele particulelor subcelulare (nuclee, mitocondrii, lipozomi).

Membranele biologice au permeabilităţi foarte mari pentru moleculele de apă faţă de permeabilitatea pentru moleculele polare sau macromolecule.

Permeabilitatea este mare şi pentru molecule sau pentru ioni hidratati.Membranele pot fi clasificate după proprietăţile lor de permeabilitate:

impermeabile; permeabile; selectiv permeabile:

SMP: naturale:

pluricelulare; monocelulare; celulare.

artificiale: organice; anorganice.

IRP.SMP – membrane semipermeabile (permeabile numai la solvent).IRP – membrane ireciproc permeabile, adica permeabile la solviţi dar numai intr-un sens.

17

TRANSPORTUL DE SUBSTANŢĂ PRIN MEMBRANA CELULARĂ

Clasificarea mecanismelor de transport membranar:Transport pasiv (fără consum de energie metabolică, datorită gradienţilor de concentraţie, de

potenţial electric, de presiune, gravitaţional şi în sensul lor. difuzie simplă prin stratul bilipidic; difuzie prin canale; difuzie facilitată de moleculele transportoare; osmoza.

Transport activ (consum de energie metabolică împotriva gradienţilor, realizat de molecule transportoare, cu proprietăţi enzimatice.

primar (pompe ionice) - este cuplat cu o reacţie exergonică (exemplu hidroliza ATP); secundar - este cuplat cu transportul simultan al unei alte substanţe în sensul

gradientului electrochimic; simport: ambele substanţe sunt transportate în acelaşi sens; antiport: cele două substanţe sunt transportate în sensuri opuse.

TRANSPORTUL PASIV

Este un proces de difuzie a ionilor şi a moleculelor prin membrană.În acest transport pasiv există două fenomene distincte ca modalitate de transport microscopic.

difuzia liberă prin membrană (dializa) sub acţiunea unui gradient de concentraţie; filtrarea printr-o membrană sub acţiunea unui gradient de presiune şi concentraţie.

Aceste fenomene se întâmplă până când sistemul ajunge în echilibru termodinamic având aceleaşi valori de concentraţie şi presiune între mediul intra şi extracelular.

Difuzia simplăDatorită structurii membranei ca strat bilipidic, zona internă fiind hidrofobă, o particulă trebuie

sa strabată o zonă hidrofilă şi apoi să ajungă în zona hidrofobă. Datorită acestui lucru mecanismele de difuzie vor fi diferite pentru particulele hidrofile (ioni şi molecule polare) şi particule hidrofobe (nepolare) respectiv pentru particulele liposolubile şi hidrosolubile.

Solubilitatea unei substanţe este diferită în mediul apos şi în membrană.Raportul între solubilitatea într-un solvent (în cazul nostru membrana lipidică fluidă) şi

solubilitatea în apă se numeşte coeficient de partiţie solvent-apă ().Un coeficient de partitie diferit de 1 determină un salt de concentraţie pe suprafaţa membranei.Difuzia pasivă sau transportul pasiv datorat agitaţiei termice a unor particule din zonele de

concentraţie (densitate mai ridicată) spre zonele cu valori mai mici printr-un mediu suport omogen se supune legilor cunoscute sub numele de legile lui Fick.

Pentru prezentarea legilor difuziei este necesar a utiliza doi termeni: flux şi gradient. Fluxul reprezintă cantitatea de substanţă, sarcină, energie, etc., transportate printr-o

suprafaţă „S” în unitate de timp.Flux masic m/t (la limita (dm/dt)Flux molar /t (la limita d/dt).

Gradientul reprezintă variaţia unei mărimi (concentraţie, densitate, potenţial electric, etc.) între două puncte ale spaţiului raportată la distanţa dintre cele două puncte.

18

Prima lege a lui Fick:Fluxul masic dintr-o substanţă printr-o suprafaţă S este direct proporţională cu suprafaţa şi cu

gradientul de concentraţie:Legea a II-a a lui FickEste o lege de conservare. În procesul difuziei în intervalul de timp (t, t + t) masa de solvit ce

intra în volumul Sdx este egală cu masa ce rămâne în acest volum, minus masa de lichid care iese.Variaţia temporală a concentraţiei în orice punct al soluţiei este proporţională cu variaţia

spaţială a gradientului de concentraţie.

Aplicaţii ale difuziei Transportul intracelular; Transporturile prin membrana sau dializa; Filtrarea printr-o membrana; Filtrarea unei solutii; Osmoza şi presiunea osmotica.

Difuzia prin canaleSubstanţele ionizate nefiind liposolubile, difuzia lor prin membrană se poate face prin structuri

proteice specializate care străbat membrana pe toata grosimea ei şi creează căi de trecere pentru ioni, formând canale (ionice).

Aceste canale permit trecerea ionilor în ambele sensuri direcţionalitatea fiind impusă de gradientul electro-chimic. Noţiunea veche era de pori prin membrană.

Canalul ionic poate fi o enzimă (E) care formează tranzitoriu un complex care va fi transportat ele formând substratul (S). Funcţionarea sa se face pe baza cineticii Michaelis-Menten.

Canalul se poate închide şi deschide funcţie de modificarea conformaţională a proteinei canal. Comanda se poate realiza:

electric prin modificarea potenţialului membranar (canale Na+ şi K+); chimic prin molecule ce se leagă specific la proteina canal; prin alte mecanisme.

Difuzia facilitatăDupă cum s-a văzut, moleculele mici hidrofobe pot traversa membrana prin difuzie simplă, iar

ionii difuzează prin canale.Moleculele hidrofile mari (care constituie factori nutritivi pentru celule nu pot traversa

membrana decât dacă utilizează un transport mediat de o moleculă transportoare, numită ca mecanism difuzie facilitată.

Molecula transportoare recunoaşte molecula de transportat pe care o introduce în celulă în sensul gradientului electrochimic.

Transportorii sunt capabili să deosebească izomerul dextrogir de cel levogir.Difuzia facilitată poate fi descrisă pe baza cineticii Michaelis – Menten.

Descrierea mecanismului:Molecula transportoare, cu rol enzimatic, se poate afla în două stări conformaţionale:

1. având un loc de legare a substratului (molecula ce urmează a fi transportată) pe una din feţele membranei;

2. modificarea conformaţională ca rezultat de transferare a situsului pe cealaltă faţă a membranei.

Viteza de reacţie este proporţională cu concentraţia substratului, transportul se efectuează de la concentraţie mare la concentraţie mică (în direcţia gradientului de concentraţie a substratului). Similar

19

altor reacţii enzimatice difuzia facilitată poate să fie inhibată de anumiţi compuşi prin inhibiţie competitivă sau necompetitivă.

Eficienţa difuziei facilitate este mult mai mică decât a celei prin canale. Ex: transportul de glucoză din membrana eritrocitară mediază circa 300 molec/s.

Un caz particular al difuziei facilitate este formarea în jurul ionului a unei structuri hidrofobe, care îi permite difuzia prin stratul bilipidic.

TRANSPORT ACTIV PRIN MEMBRANE CELULARE

Este forma de transport care necesită energie metabolică.a) Necesitatea acestui transport este pentru a extrage din mediu substanţe când concentraţia

extracelulară (Ce) este mai mică decât concentraţia intracelulară (Ci) şi a elimina deşeurile din celulă în urma metabolismului;

b) Menţinerea unei stări staţionare de evidentă asimetrie ionică inexplicabilă doar prin intervenţia transportului pasiv.

Transportul activ se produce împotriva gradientului electrochimic. Această energie provine din hidroliza legăturilor fosfat, bogate în energie, ale acidului adenozintrifosforic (ATP) care se transformă în acid adenozinfosforic, (ADP).

Transportul activ primar (pompe)

Inhibitori metabolici, ca dinitrofenolul sau cianurile inhibă complet şi transportul activ. Pentru a explica acest fenomen Ussing introduce noţiunea de „pompă” numită şi pompa de Na+-K+. Acest transport are o foarte mare importanţă fiziologică. Este semnificativ faptul că mai mult de o treime din ATP-ul consumat în repaus este utilizat pentru pomparea acestor ioni.

Pompa de Na+-K+ este electrogenă şi asimetrică. Ea este influenţată de hormoni, enzime, de unele medicamente ca şi de substanţe biologic active. Date recente demonstrează ca Na+-K+ ATP-aza este în realitate o parte a pompei de Na+-K+.1) Na+-K+ ATP-aza este prezentă peste tot unde ionii de Na+si K+ sunt obiectul unui transport activ.

Activitatea enzimatică este corelată cantitativ cu transportul ionic;2) Na+-K+ ATP-aza şi pompa de Na+-K+ sunt amândouă puternic asociate cu membrana plasmatică.

De asemenea sunt orientate în acelaşi mod în membrană;3) Variaţiile concentraţiilor de ioni de Na+şi K+ au efecte paralele asupra activităţii ATP-azei şi a

sintezei de transport a acestor ioni;4) Atât Na+-K+ ATP-aza cât şi pompa de Na+-K+ sunt inhibate de steroizi cardiotonici (ouabaina, care

este o g-strofantina). Concentraţia de inhibitor care provoacă o inhibiţie egală cu jumătate din inhibiţia maximală este aceeaşi pentru cele două procese. S-a demonstrat că pompa Na+-K+ este o proteină oligomerică transmembranară. Astfel Na+-K+ ATP-aza este un tetramer de tip 22 cu masa de 270 kdal. Subunităţile mari (fiecare cu masa de 95kdal) conţin locul activ de hidroliză a ATP şi locul specific de legătură pentru steroizii inhibitori cardiotonici.

20

Model al Na+-K+ - ATP-azei

Fiecare constă din două grupe , cuprinse între două subunităţi glicolipidice mai mici , expuşi ca o subunitate spre exterior cu două situsuri pentru glicoizi cardiaci, un situs de fosforilare, 3 situsuri de legătură pentru sodiu şi două situsuri de legături de potasiu.5) Transportul activ este influenţat de temperatură. Prin scăderea temperaturii se constată că în celulă

se acumulează Na+ iar în spaţiul interstiţial K+ deoarece se micşorează viteza reacţiilor metabolice exergonice care furnizează energie „pompelor ionice”.

6) Este influenţat de factorii chimici care inhibă metabolismul celular; Anoxia (insuficienţa alimentării cu O2 a celulelor) atenuează transportul activ.

7) În cazul celulelor moarte, fluxurile active de substanţă se anulează, rămânând numai cele pasive.

Cum funcţionează pompa de Na+-K+?Ea trebuie să îndeplinească 3 condiţii structurale:

1. Să conţină proteina care asigură transportul activ cu o cavitate destul de largă pentru a primi o moleculă sau un ion.

2. Sa fie capabilă să aibă două conformaţii, astfel încât cavitatea să fie deschisă spre interior pentru transportul de K+ şi spre exterior pentru Na+ astfel că la un ciclu de funcţionare „expulzează” trei ioni de Na+ şi introduce în celulă doi ioni de K+;

3. Afinitatea pentru substanţele transportate sa fie diferită în cele două conformaţii;4. Ionii de Na+ declanşează fosforilarea în timp ce ionii de K+ declanşează defosforilarea.

O deplasare de 2Å a câtorva atomi este suficientă pentru modificarea afinităţii relative a situsurilor pentru Na+ şi K+ şi modificarea orientării acestor situsuri.

ATP-aza scindează ATP în ADP şi radical fosfat anorganic, pompa ionică necesitând ionii de K+ şi Na+ pentru activitatea sa optimală.

Fiecare moleculă proteică de Na+-K+ -ATP-ază scindează aproximativ 100 molecule de ATP/secundă pompând în exterior Na+ şi în interior K+ în raportul:

Na+/K+=3/2 dupa ecuaţia globală3Na+

i + 2K+e + ATPi 3Na+

e + 2K+i - ADPi + (Pi)i

în care:i – se referă la interior;e – se referă la exterior.

De aici se vede caracterul electrogen al pompei în sensul că la fiecare ciclu de funcţionare are loc un transfer net de sarcină pozitivă (un ion de Na+) spre exterior, ceea ce face ca membrana să se polarizeze electric: pozitiv la exterior şi negativ la interior.

În transportul activ primar există şi transportul de Ca2+ cu rol în reglarea contracţiei musculare.

21

Muşchiul scheletic conţine o reţea complexă de tubuli şi de vezicule legate de membrană, iar acest sistem membranar numit reticul sarcoplasmic reglează concentraţia în ioni de Ca 2+. Tranportul ionilor de Ca2+ de către reticulul sarcoplasmic necesită hidroliza ATP, în acest caz existând o ATP-ază care este activată de ionii de Ca2+ prin pompa de Ca2+. Densitatea pompelor de Ca2+ în reticulul sarcoplasmic este foarte crescută, aproximativ 20.000 m2. Ca2+ ATP-aza constituie peste 80% din proteinele membranare intrinseci şi ocupă mai mult de 1/3 din suprafaţa reticulului sarcoplasmic. Formele şi dimensiunile proteinei au fost determinate prin difracţie cu raze X şi microscopie electronică dupa criofractură. Forma sa este simetrică, cea mai mare parte fiind în contact cu citoplasma.

Pompele protonice

În membrana citoplasmică a procariotelor şi chiar în membranele anumitor organite intracelulare (mitocondrii, cloroplaste) există ansambluri proteice care catalizează un transport activ de protoni. Acest transport este cuplat fie de oxidarea unui substrat prin intermediul unui lanţ membranar de transfer de electroni, fie prin hidroliza ATP prin intermediul unei ATP-aze protonice membranare.

Acest transport permite formarea şi menţinerea la nivelul membranelor respective a unei diferenţe de potenţial electrochimic de protoni a cărui disipare ulterioară prin mecanisme de difuziune facilitată permite producerea de fenomene de transport activ secundar.

Transportul activ secundar (co-transportul)

Transportul activ secundar se referă la transportul unei substanţe împotriva gradientului de concentraţie, cuplat cu transportul altei substanţe în sensul gradientului ei, menţinut prin transport activ primar. Cele două fluxuri sunt asigurate de aceeaşi moleculă transportoare. Consumul de energie este mai redus decât în transportul activ primar deoarece se foloseste energia furnizată de gradientul electrochimic al uneia din substanţele transportate.

Din punctul de vedere al sensului fluxurilor, transportul activ secundar se clasifică în:1. antiport (contratransport) cele două substanţe fiind transportate în sensuri contrare;2. simport (cotransport) cele două substanţe fiind transportate în acelasi sens.

1. AntiportulO proteină transportoare leagă pe faţa 1 a membranei o substanţă (S) pe care o transferă pe faţa

2 în schimbul unei alte substanţe (P) legată pe faţa 2 şi transferată pe faţa 1 a membranei. Viteza de transport va fi proporţională cu valoarea concentraţiei S1 (pe faţa 1) a substanţei S, deci cu valoarea concentraţiei P2 (pe faţa 2) a substanţei P, deci cu produsul S1P2.

La echilibru stoichiometric de 1/1 concentraţiile pe cele două feţe ale membranei vor fi:S1P2 = S2P1; S1/S2 = P1/P2

22

Deci antiportul asigură acelaşi raport al concentraţiilor celor două substanţe.Dacă stoichimetria este diferită de 1/1 pentru s moli de substanţă S fiind transportaţi p moli de

substanţă P la echilibru rezultă un raport al concentraţiilor.

(S1/S2)s = (P1/P2)p

Deci raportul concentraţiilor depinde de stoichimetria reacţiei enzimatice.

Antiportul de Na + /Ca 2+ Antiportul de Na+/Ca2+ asigură o concentraţie scăzută de calciu intracelular (exemplu: muşchiul

cardiac, celula fotoreceptoare).Pentru fiecare ion de calciu scos din celulă (împotriva gradientului de concentraţie) sunt

introduşi în celulă trei ioni de sodiu (în sensul gradientului). La echilibru se obţine:

Pentru un raport al concentraţiei de sodiu de 1/10 (menţinut prin transport activ primar: pompa de Na+/K+) se obţine un raport al concentraţiei de Ca de 1/103 deci o concentraţie intracelulară de calciu de 1000 de ori mai mică decât a mediului interstiţial.

Antiporta. Funcţionarea pompei;

S1, S2 = concentraţiile substanţei transportate în sensul gradientului electro-chimic, pe cele două feţe ale membranei;

P1, P2 = concentraţiile substanţei transportate împotriva gradientului electro-chimic, pe cele două feţe ale membranei; S, P definesc stoichiometria transportului de echilibru.

b. Antiportul de Na+/Ca2+ şi transportul activ primar prin pompa de Na+/K+.

Antiportul Na+/Ca2+ este electrogenic: unui ion de Ca2+ scos din celulă (două sarcini) îi corespund trei ioni de Na+ introduşi (trei sarcini). Deci la fiecare ciclu, apare un flux net de o sarcină pozitivă, ceea ce generează un potenţial la echilibru de transport, de o sarcină pozitivă generând un potenţial electro-chimic de echilibru diferit de zero.

2. Simportul

Enzima transportoare leagă pe aceeaşi parte a membranei două substanţe. Modificarea conformaţională a proteinei care permite transferul pe cealaltă parte a membranei şi survine numai dupa legarea ambelor substanţe.

23

Una din ele este transportată împotriva gradientului de concentraţie, în timp ce cealaltă în sensul gradientului de concentraţie, gradient menţinut şi de această dată prin transport activ primar.

Viteza de transport este proporţională cu concentraţiile celor două substanţe pe aceeaşi parte a membranei (S1P1). La echilibru se obţine:

S1P1 = S2P2; S1/S2 = P2/P1,

deci un raport invers al concentraţiilor. Pentru o stoichiometrie 1 raportul concentraţiilor va fi:

Simport

a) Funcţionarea pompei: notaţiile sunt aceleaşi ca în figura precedentă. La echilibru .

Simportul de Na + /glucoză şi transportul activ prin pompa de Na + /K + . Acest simport de glucoză este important în elaborarea urinei. În urina primară concentraţia de

glucoză este comparabilă cu cea din sânge. Ea va fi absorbită total (glucoza) la nivelul tubului urinar însoţită de Na+, transportat în sensul gradientului de concentraţie menţinut prin transport activ primar.

În regiunea proximală are loc un simport de Na+/glucoză cu o stoichimetrie de 1/1. În regiunea distală a tubului apare un simport Na+/glucoză cu o stoichimetrie de 1/2 asigurând pentru un raport al concentraţiei de Na+ de 1/10 un raport al concentraţiei de glucoză de 1/100. Astfel este absorbită în patul vascular practic întreaga cantitate de glucoză. Pompa este electrogenică.

24

ACTIVITATEA ELECTRICĂ A MEMBRANEI CELULARE

POTENŢIALUL MEMBRANAR DE REPAUS

De o parte şi de alta a membranei celulare există o diferenţă de potenţial electric, generată de o repartiţie inegală a sarcinilor electrice în cele două compartimente. În stare staţionară, în cele două compartimente despărţite de membrană se stabileşte o relaţie bine determinată între toţi parametrii sistemului: potenţial electric, potenţial chimic, presiune etc., ceea ce defineşte echilibrul de membrană.

CONDIŢIILE DE ECHILIBRU

În stabilirea echilibrului de membrană intervin o serie de factori legaţi de caracteristicile membranei şi de particularităţile mediilor disperse pe care le desparte membrana. Organismul uman include o mare cantitate de apă (60-70% din greutatea corporală). Ea reprezintă

solventul pentru sisteme disperse polifazice, cuprinzând cristaloizi sub formă ionizată (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, etc.), molecule mici şi macromolecule amfotere (în general anioni la pH fiziologic).

Mediul intracelular cuprinde şi anioni proteici nedifuzibili prin membrana celulară, ceea ce impune o diferenţă de potenţial între cele două feţe ale membranei şi deci o repartiţie inegală a ionilor difuzibili.

Membranele biologice au o permeabilitate diferită pentru diversele specii ionice. În această situaţie, ionul care difuzează mai uşor determină apariţia unui gradient electric, gradient ce accelerează difuzia ionului de semn opus, astfel încît, la echilibru (egalitatea potenţialului electro-chimic în cele două compartimente) nu se ajunge la egalizarea concentraţiilor şi anularea diferenţei de potenţial. Echilibrul se stabileşte în funcţie de permeabilitatea membranei pentru fiecare ion. Transportul activ impune un raport bine determinat al concentraţiilor, ceea ce duce la o diferenţă de potenţial între cele două feţe ale membranei.

Gradienţii de concentraţie, de potenţial şi de presiune existenţi la un moment dat determină un transport pasiv, prin difuzie şi osmoză, tinzând să antreneze sistemul spre echilibrul termodinamic.

Transportul activ, prin procese cuplate, impune forţe termodinamice constante care îndepărtează sistemul de echilibrul termodinamic, plasându-l într-o stare staţionară.Prin acţiunea conjugată a factorilor de mai sus se ajunge la un echilibru corespunzând unei stări

staţionare. Asta implică: egalitatea potenţialului electro-chimic în cele două compartimente (intra- şi extracelular) şi

deci anularea transportului net de solvit prin membrană; izotonicitatea sistemelor disperse din cele două compartimente şi deci anularea fluxului

osmotic; neutralitatea electrică a soluţiilor din cele două compartimente.

25

STABILIREA POTENŢIALULUI MEMBRANAR DE REPAUS

Din condiţia de anulare a curentului (a transportului net) pentru toate speciile ionice, se poate deduce diferenţa de potenţial dintre cele două feţe ale membranei, în funcţie de concentraţie şi de permeabilitate. Se obţine relaţia Goldman - Hodgkin - Katz, care stabileşte polarizarea membranei în repaus: potenţialul de repaus (Vr):

unde: Cj = concentraţia cationilor difuzibili Aj = concentraţia anionilor difuzibili PCj = Permeabilitatea membranei pentru cationul j PAj = Permeabilitatea membranei pentru anionul j e şi i = faţa externă, respectiv internă a membranei

Principalii ioni care intervin în echilibrul membranar sunt Na+, K+ şi CI- şi deci relaţia de mai sus devine:

N.B.: Prin convenţie, potenţialul lichidului interstiţial este considerat nul şi se ia ca referinţă,

deci potenţialul feţei interne a membranei este egal cu diferenţa de potenţial transmembranar, astfel

încât sintagma "potenţial membranar" e corectă şi reprezintă potenţialul feţei citoplasmatice a

membranei.

Potenţialul membranar poate fi măsurat cu microelectrozi ce se introduc în celulă. Concentraţia

ionilor de Na+ şi K+ e menţinută de pompa de Na+/K+, compensând fluxul pasiv al respectivilor ioni.

Ionii de CI-, pentru care, în general, nu există pompaj activ, se vor distribui în mod pasiv în cele două

compartimente, astfel încât să fie respectat echilibrul electro-chimic (difuzia datorată gradientului de

potenţial e compensată exact de fluxul datorat gradientului de concentraţie).

Înlocuind în relaţia Goldman - Hodgkin - Katz valorile cunoscute (măsurate) ale concentraţiilor

şi permeabilităţilor principalilor ioni (Na+, K+, CI-) se obţine, pentru diferite celule şi diferite specii, un

potenţial de -40... -90 mV, în bună concordanţă cu datele experimentale. Micile diferenţe sunt datorate

intervenţiei altor ioni, existenţi în concentraţie mai mică (Mg2+, Ca2+, etc.), dar care au un rol important

în realizarea funcţiei anumitor celule şi tesuturi (exemplu: muşchiul striat, muşchiul cardiac).

Exemplu: în tabel sunt date concentraţiile ionice aproximative pentru axonul gigant de calmar.

Permeabilitatea membranei în repaus pentru principalii ioni se află într-un raport:

PK : PNa: PCl = 1 : 0,04 : 0,45

26

Ionii Mediul

citoplasmatic

(mM/1)

Mediul

interstitial

(mM/1)

Potenţialul de

echilibru electro-

chimic (mV)

K + 400 20 -75

Na + 50 440 + 55

CI- 52 560 -61

Tabel 1: Concentraţiile ionice tipice şi potenţialul de echilibru electro-chimic pentru axonul gigant de calmar

Înlocuind aceste valori în relaţia Goldman - Hodgkin - Katz, la 25°C, se obţine: VR = -61 mV, valoare foarte apropiată de datele experimentale.

CIRCUITUL ELECTRIC ECHIVALENT AL MEMBRANEI CELULARE

Membrana celulară se comportă, din punct de vedere electric, asemenea unei reţele de rezistenţe, condensatoare şi surse de tensiune electromotoare.

Concentraţia principalilor ioni e diferită pe cele două feţe ale membranei celulare, diferenţa menţinută prin transport activ, ceea ce determină apariţia unei diferenţe de potenţial dată, pentru fiecare specie ionică.

Gradientul de potenţial astfel creat determină un curent ionic pasiv, în sens invers celui activ care a stabilit gradientul, deci se comportă ca o baterie cu tensiunea electromotoare (t.e.m.) egală cu potenţialul Nernst.

Pe de alta parte, membrana opune o anumită rezistenţă trecerii ionului: acesta pierde o parte din energia lui datorită ciocnirilor cu pereţii canalului. Se poate deci defini o rezistenţă R1, a canalului şi o conductanţă g1 = 1/R1. Conductanţa totală a unităţii de suprafaţă a membranei e dată de produsul dintre conductanţa unui singur canal şi densitatea canalelor deschise (N) pentru fiecare specie ionică.

g = g1N

Cu alte cuvinte, conductanţa membranei defineşte în termeni electrici permeabilitatea ei.Fluxul ionilor prin membrană este astfel determinat de combinaţia în serie a unei surse de t.e.m.

a cărei valoare e dată de potenţialul de echilibru electro-chimic, deci dependentă de raportul concentraţiilor, şi o rezistenţă, expresie a permeabilităţii membranei.

Consideraţiile de mai sus sunt valabile pentru fiecare specie ionică în parte, deci schema electrică echivalentă a unei porţiuni de membrană va cuprinde câte o ramură baterie-rezistenţă corespunzătoare fiecărui tip de ion, legate în paralel.

Pe suprafaţa membranei, aşa cum am văzut la difuzia particulelor încărcate, se acumulează sarcini electrice. Ele sunt despărţite de un mediu dielectric, format de stratul bilipidic, a cărui suprafaţă e de circa 100 de ori mai mare decât a tuturor canalelor la un loc. Acest lucru conferă membranei şi o comportare capacitivă, deci schema electrică echivalentă trebuie completată cu un condensator (C). În consecinţă, pe lângă fluxurile ionice, prin membrană apare şi un curent capacitiv de încărcare/ descărcare a condensatorului, curent dat de deplasarea de sarcini (Q) la suprafaţa membranei, proporţional cu valoarea capacităţii (C) şi cu viteza de variaţie a potenţialului (V):

27

N.B. Schema electrică echivalentă descrisă se referă, în mod expres, la celula neuronală şi la cea musculară striată. Membrana plasmatică a altor celule excitabile poate prezenta diferenţe semnificative, constând în: implicarea şi a altor ioni (exemplu: calciu); intervenţia altor pompe (exemplu: pompa de schimb Na+/Ca2+); valori diferite ale parametrilor etc.

EXCITABILITATEA MEMBRANEI CELULARE

Una din principalele caracteristici ale organismelor vii este reactivitatea, deci capacitatea de a răspunde variaţiilor mediului ambiant.

Excitantul (stimulul) reprezintă o variaţie a proprietăţilor fizico-chimice ale mediului, care poate determina o modificare fiziologică a parametrilor sistemului biologic. Pentru a fi eficient, stimulul trebuie să fie adecvat sistemului respectiv şi să aibă anumite caracteristici de intensitate, durată, bruschete, etc. În cercetările experimentale excitantul cel mai utilizat este cel electric, deoarece e adecvat majoritatii sistemelor biologice şi poate fi dozat şi măsurat cu precizie.

Una din structurile excitabile este membrana plasmatică a anumitor celule, cum ar fi neuronul, fibra musculară, celulele senzoriale, etc.

Excitaţia îmbracă aspecte diferite: electrice: modificarea parametrilor electrici ai membranei celulare (impedanţă, polarizare,

curenţi transmembranari); optice: modificări de transparenţă, indice de refracţie, polarizare a luminii; . radiante: emisie de radiaţii infraroşii şi uneori vizibile şi ultraviolete; chimice: reacţii biochimice termice: producerea de căldură.

MANIFESTAREA ELECTRICĂ A EXITAŢIEI CELULARE. POTENŢIALUL DE ACŢIUNE

Aspectul electric al excitaţiei celulare constă în variaţia tranzitorie a potenţialului membranar ca răspuns la stimul, prin modificarea permeabilităţii membranei pentru diferite specii ionice şi antrenând curenţi transmembranari. Cel mai adesea (celulele neuronale, musculare), răspunsul constă în depolarizarea celulei, deci micşorarea electronegativităţii feţei interne a membranei şi chiar pozitivarea ei faţă de lichidul interstitial. În cazuri speciale apare o depolarizare spontană a membranei. La alte tipuri de celule, membrana se hiperpolarizează ca răspuns la stimul.

28

Există două tipuri de răspuns electric al membranei la acţiunea unui excitant: potenţial electrotonic (local): potenţial de acţiune (PA).

MECANISMUL DE GENERARE A RĂSPUNSULUI ELECTRIC MEMBRANAR. CARACTERISTICI GENERALE

În repaus, membrana celulară e foarte puţin permeabilă pentru ionii de Na+, menţinuţi în concentraţie mare în exterior, prin transport activ; în schimb ea este permeabilă pentru ionii de K +, care ies pasiv din celulă.

Apariţia unui stimul determină o depolarizare locală a membranei ceea ce duce la deschiderea canalelor de sodiu (comandate electric) şi, în consecinţă, la pătrunderea ionilor de Na+ în celulă în sensul gradientului electro-chimic. Urmare a influxului de sarcini pozitive, membrana se depolarizează mai mult. Efluxul ionilor de K+ şi transportul activ introduc o reacţie negativă, având tendinţa de a stabili echilibrul.

S-a constatat experimental că există canale distincte pentru Na+ şi K+, cu o selectivitate foarte mare (principiul independenţei fluxurilor ionice). Ambele sunt activate (deschise) şi dezactivate (blocate) de constituenţi polari, sensibili la modificarea potenţialului membranar şi care determină deplasări de sarcină în membrană, permiţând sau împiedicând trecerea ionilor. Deschiderea canalelor de potasiu e mult mai lentă decât a canalelor de sodiu. În plus conductivitatea pentru K+ (gK) nu mai poate creşte prea mult, ea fiind mare şi în repaus.

Există o întârziere a declanşării răspunsului faţă de momentul aplicării stimulului, întârziere numită perioadă de latenţă. Ea depinde de constantele de timp ale reacţiilor biochimice care duc la deschiderea canalelor dc sodiu, de caracteristicile stimulului şi de mecanismele membranare implicate.

Potenţialul electrotonic

Potenţialul electrotonic (local) reprezintă răspunsul la stimuli slabi, aflaţi sub un anumit prag (stimuli subliminari), şi caracterizează în special zone specializate ale sistemului nervos: membrana postsinaptică — potenţialul postsinaptic excitator sau inhibitor şi celulele senzoriale, unde formează potenţialul de receptor şi/sau generator. Se manifestă prin depolarizarea membranei ori, în anumite cazuri, hiperpolarizarea ei. Este un semnal analogic, modulat în ampiitudine: creşte cu intensitatea stimulului. Depolarizarea se propagă pe distanţe mici (maximum 1 mm), cu pierderi (propagare decrementală). Dupa o depolarizare uşoară, potenţialul revine la valoarea iniţială, de echilibru, datorită reacţiei negative date de efluxul de K+.

Potenţialul de acţiune

Este caracterisitic sistemului nervos central (SNC). fiind manifestarea electrica a influxului nervos. Are următoarele caracteristici principale:

Apare atunci cind intensitatea excitantului depăşeşte un anumit prag (sitmul supraliminar). Reprezintă o depolarizare puternică a membranei, până la pozitivarea feţei interne. Are caracteristici strict determinate (amplitudine, formă etc.), indiferent de intensitatea

excitantului (cu singura condiţie de a depăşi pragul): PA este deci de tipul „tot-sau- nimic”, în sensul ca ori nu apare deloc ori apare avind aceleasi caracteristici.

Intensitatea stimulului se traduce, în general, în frecventa de repetitie a PA; este deci un semnal discret. modulat în frecventa.

29

Se propagă în toate direcţiile, la distanţe mari, fără pierderi (de fapt nu e o propagare a semnalului electric, ci o propagare a excitaţiei).

Valoarea pragului diferă de la o celulă la alta.

Mecanismul generării PA şi, în consecinţă, forma lui sunt deosebit de complexe, recunoscând mai multe faze

Prepotenţial. La inceput, depolarizarea creşte lent, ca şi în cazul potenţialului local.Faza ascendentă. La atingerea unei depolarizări critice se declanşează un proces în avalanşă

(proces cu reactie pozitivă): pătrunderea sodiului în celulă determină depolarizarea membranei celulare, ceea ce, la rândul ei, duce la o creştere a permeabilităţii (deschiderea unui numar mare de canale) şi deci la un influx mai masiv de Na+; depolarizarea se accentuează, permeabilitatea creşte din nou s.a.m.d.

Pragul la care se declanşează potenţialul de actiune corespunde depolarizării la care influxul de Na+ este egalat exact de efluxul de K+. Este deci o stare labilă, de la care sistemul poate evolua în două direcţii: efluxul de K+ depăşeste cu puţin influxul de Na+, sistemul revine prin reacţie negativă, la starea staţionară de repaus; în caz contrar, deci la o creştere a curentului de sodiu, apare o reacţie pozitivă dată de influxul masiv de Na, în sensul gradientului electro-chimic deosebit de puternic (gradientul de concentraţie şi de potenţial au acelasi sens).

Transportul activ, mai lent, şi efluxul de K+ nu mai pot compensa influx de Na+ atât de rapid. Rezultatul e o depolarizare puternică a membranei, pozitivarea ei până aproape de potenţialul de echilibru electro-chimic al sodiului, care însă nu e atins.

Faza descendentă. Spre sfârşitul fazei ascendente scade din nou permeabilitatea membranei pentru Na, prin blocarea specifică a canalelor datorită noii valori a potenţialului membranar. Curentul de K+ devine preponderent, cu atât mai mult cu cât creşte şi permeabilitatea membranei pentru potasiu, care iese masiv din celulă, contracarând influxul de sarcini pozitive. Aceste mecanisme determină scăderea mai lentă, a depolarizării până la potenţialul de repaus şi uneori. inducând chiar o uşoară hiperpolarizare, numită postpotenţial, datorită efluxului mai puiernic de K+.

Concentraţiile intra şi extracelulare de sodiu şi de potasiu vor fi stabilite prin transport activ (pompa dc Na+-K+).

30

Perioada refractară. În faza ascendentă şi în cea mai mare parte a fazei descendente a PA, membrana e insensibilă la aplicarea unui nou stimul: perioada refractară absolută. În faza ascendentă, procesul în avalanşă fiind oricum declanşat, un al doilea stimul nu mai poate avea nici un efect.

Spre sfârşitul fazei descendente însă şi în timpul postpotenţialului, membrana prezintă o excitabilitate scăzută - perioada refractară relativă - dând un răspuns de amplitudine mai mică.

N.B.: Consumul cel mai mare de energie are loc la restabilirea concentraţiilor de repaus, deoarece aici intervine transportul activ, celelalte faze sunt rezultatul unui complex joc al permeabilităţii, prin deschiderea şi închiderea canalelor, implicând deci transport pasiv.

Răspuns repetitiv. Dacă intensitatea stimulului este mare sau excitaţia e de lungă durată, membrana neuronală răspunde printr-o succesiune de PA. Frecvenţa de repetiţie creşte cu logaritmul intensităţii şi e limitată de perioada refractară.

Se vede aşadar că procesul de declanşare a PA reprezintă a conversie analog-discretă, semnalul analogic modulat în amplitudine (stimul sau potenţial electrotonic) e convertit într-un semnal discret modulat în frecvenţă (succesiunea PA, impulsuri având caracteristici identice). Transmiterea informaţiei prin impulsuri modulate în frecvenţă e caracteristică SNC.

Acomodarea reprezintă fenomenul de creştere a pragului de excitabilitate a fibrei nervoase, atunci când asupra ei acţionează un stimul de lungă durată.

PROPAGAREA EXCITAŢIEI. MECANISM

Propagarea pasivă. Proprietăţile de cablu ale membraneiPentru studiul propagării excitaţiei de-a lungul membranei axonale trebuie avută în vedere

schema electrică echivalentă. O asemenea schemă se obţine prin înlănţuirea circuitelor echivalente ale fiecărei porţiuni de membrană, legate între ele prin rezistenţe Ri ale citoplasmei.

Rezistenţa lichidului interstiţial e neglijabilă, dat fiind volumul mare de electrolit. Se obţine astfel o structură de cablu cu elemente distribuite, reprezentată simplificat în figură. S-au neglijat sursele de t e.m , iar rezistenţele canalelor au fost înlocuite prin rezistenţa lor echivalentă:

Propagarea regenerativă. Curenţii localiDepolarizarea membranei celulare într-un punct (acolo unde se aplică stimulul) duce la apariţia

unei diferenţe de potenţial între punctul respectiv şi zonele învecinate. Ca urmare, se va produce o deplasare a sarcinilor pozitive spre regiunile mai electronegative şi deci depolarizarea lor. Dacă depolarizarea atinge valoarea prag, se va genera un nou potenţial de actiune. Se închid astfel circuite locale de curent, numite curenţi locali sau curenţi Hermann.

31

Viteza de propagareCu cât distanţa până la care stimulul reprezentat de curenţii Hermann este mai mare, cu atât

viteza de propagare a excitaţiei creşte. Mielinizarea fibrelor nervoase determină o rezistenţă mare a membranei Rm. Viteza de

propagare saltatorie, de la un nod Ranvier la altul ajunge la 100 m/s. Rezultă astfel că la animalele superioare se obţine o viteză de propagare apreciabilă, fără mărirea dimensiunilor fibrei nervoase.

32