FIZIOLOGIE CELULARA

Procesele fiziologice fundamentale se desfasoara la nivel celular, avind ca suport o serie de caracteristici morfo- functionale ale celor mai importante componente celulare: membrana celulara, citoplasma, organitele celulare si nucleul. In cadrul acestora, membrana celulara joaca roluri deosebite, avind functia de bariera intre mediul celular si cel extracelular, dar si de participant la realizarea unor fenomene fiziologice esentiale.

Membrana celulara este o structura cu grosimea de 100- 200 A (Angstrom), evidentiata numai la microscopul electronic. Din punct de vedere biochimic este alcatuita din proteine insolubile (55%), lipide de tipul fosfolipide si colesterol (40%) si polizaharide (5%). La microscopul electronic (ME), membrana apare cu o structura trilaminara, prezentand doua straturi osmiofile, electronodense, de natura proteica, intre care se gaseste un strat mai putin dens, osmiofob, de natura lipidica. Acest tip de structura face ca membrana celulara sa fie semipermeabila, permitand transferul apei, al moleculelor de mici dimensiuni si al lipidelor; membrana celulara este practic impermeabila pentru moleculele de mari dimensiuni. Conceptele moderne referitoare la structura membranei celulare considera ca aceasta are forma unui ‘mozaic fluid’ (Singer & Nicholson, 1972), respectiv un fluid bidimensional fosfolipidic, asimetric si eterogen, care realizeaza o bariera intre mediul extracelular si interiorul celulei; in acest continuum lipidic se afla mozaicul de proteine care indeplineste functii specifice (receptionarea mesajelor extracelulare, transportul ionilor si al moleculelor de mici dimensiuni, etc.).

Proteinele membranare pot fi clasificate astfel:a. proteine integrale sau intrinseci. Majoritatea sunt transmembranare, respectiv

strabat in intergime membrana celulara, si joaca diverse roluri: antigene de suprafata (parte a sistemului HLA); actiune enzimatica (adenilatciclaza, guanilatciclaza, fosfolipaza C); receptori membranari (beta- receptorul pentru catecolamine sau receptorul pentru acetilcolina); pompe ionice (pompa de Na- K sau pompa de extruzie a Ca); canale ionice (Na, Ca); transportori transmembranari (antiportul Na- Ca sau simportul Na- glucoza);

b. proteine periferice sau extrinseci. Acestea sunt atasate la diverse segmente lipidice sau proteice si joaca in general roluri enzimatice (proteinkinaza A, C sau G; 5- nucleotidaza; ecto- ATP- aza).

Permeabilitatea membranei este explicata prin existenta unor structuri speciale denumite pori, canele sau ionofori, cu dimensiuni de aprox. 3- 4 A, prin internediul carora moleculele de mici dimensiuni pot trece prin stratul impermebil de natura lipidica. Moleculele mici sunt definite prin dimensiuni de 2- 10 A si o greutate de 400- 800 Daltoni (D). Moleculele de apa sunt translocate si prin canalele ionice, datorita prezentei la acestea a unui interior hidrofil. Ionii si moleculele polarizate, cu dimensiuni peste 100 D, nu pot trece prin stratul lipidic si sunt obligate sa traverseze membrana celulara la nivelul proteinelor membranare, care trebuie sa fie de tip integral. Prin aceste proteine (canale), ionii circula datorita unui fenomen de transport pasiv (prin difuziune, pe baza unui gradient electrochimic) sau prin fenomene de transport activ, asigurat de activitatea unor pompe ionice de tipul ATP- azelor (ex.: ATP- aza de Na- K), caer utilizeaza energie frunizata prin hidroliza ATP.

Transportul pasiv se realizeaza fara consum direct de energie, pe baza unui gradient de concentratie, electrochimic sau de alta natura. Exista doua variante principale, in raport cu ruta urmata:

a. transport prin stratul lipidic, care se realizeaza prin difuzie simpla si se adreseaza unor molecule polare (apa, etanol, uree, glicerol) sau nepolare (O2, CO2, N2);

b. transport prin proteinele transmembranare, cu doua variante:- prin difuzie simpla, datorita interventiei canalelor ionice, fara poarta sau cu poarta

de intrare operata chimic sau electric. Aici se pot cita canalele de Na, K si Ca;

1

- prin difuzie facilitata, pe baza functionarii unor transportori (pentru glucoza, aminoacizi, electroliti). Difuzia facilitata prezinta viteza si selectivitate superioare difuziei simple, dar si un caracter de saturabilitate care- I limiteaza capacitatea de transport pe unitatea de timp. Transportorii pot fi clasificati in rarpot cu numarul si sensul parcurs de substantele transportate: - uniport (transporta o singura substanta); - cotransport (transporta doua substante), care la randul lor pot fi de tip simport (transport in acelasi sens) sau antiport (transport in sensuri opuse). Ca exemplu se poate cita antiportul Na/ H, foarte important in mentinerea pH- ului intracelular.

Transportul activ se realizeaza prin proteinele membranare si presupune folosirea energiei rezultate din hidroliza ATP- ului. Ca exemple de astfel de transport se pot cita pompa de Na- K si pompa de extruzie a Ca. Pompa electrogena de Na/ K memtine potentialul de repaus (potentialul de membrana) si contine doua subunitati, alfa (catalitica si transportoare) si beta (reglatoare). Subunitatea alfa este o proteina transmembranara si cupleaza hidroliza ATP- ului cu transportul ionilor de Na si K. Prin functionarea sa, pompa de Na/ K este electrogena intrucit genereaza in permanenta un deficit de sarcini pozitive in interiorul celulei (ejecteaza 3 ioni de Na si introduce numai 2 ioni de K), ceea ce reprezinta o contributie esentiala la negativarea interiorului celulei pina la valori de - 80, -90 mV.

Forme particulare de transport transmembranar sunt reprezentate de endocitoza (internalizarea unor compusi) si exocitoza (ex: externalizarea unor compusi proteici sintetizati intracelular).

La suprafata membranei se gaseste un strat dublu de ioni, pozitiv la exterior si negativ la interior, care realizeaza astfel polarizarea membranei. Se descriu un potential de repaus (diferenta permanenta de potential electric intre cele doua fete ale membranei) si unul de actiune, care presupune existenta unor fenomene rapide de depolarizare- repolarizare prin interventia activa a transportului ionic prin canale specifice. Potentialul de repaus (PR) apare prin migrarea speciilor ionice, in urma careia suprafata exterioara a membranei se pozitiveaza iar interiorul ramane negativ in principal prin activitatea pompei de Na/ K care realizeaza expulzia Na impotriva gradientului de concentratie (concentratia extracelulara este de aprox. 30 de ori mai mare decit cea intracelulara). De mentionat si existenta unor canale ionice prin care K se poate scurge lent si pasiv din interiorul spre exteriorul celulei, in sensul gradientului de concentratie, contribuind de asemenea la mentinerea potentialului de repaus (membrana celulara in repaus este o membrana de K). Valoarea PR este de aproximativ –80, -90 mV pentru majoritatea celulelor.

Potentialul de actiune (PA) apare prin cresterea brusca a permeabilitatii membranei pentru ionii de Na (principalul ion al PA), in timp ce permeabilitatea membranei pentru ionii de K si Cl ramane neschimbata. Sub actiunea unui stimul (chimic, electric, termic, mecanic sau de alta natura) care are o intensitate minima, denumita prag, se produce o inhibare temporara a pompei de Na/ K, cu deschiderea canalului de Na pentru un interval de timp foarte scurt (aproximativ 1 msec- canale rapide de Na). Acesta este insa suficient pentru realizarea unui influx masiv de ioni de Na, care circula in sensul gradientului de concentratie, ceea ce determina modificarea polaritatii membranei celulare- aceasta devine pozitiva pe fata interna si negativa pe cea externa, la valori de +20, 30 mV. Inversarea potentialului membranar constituie asa- numita ‘faza 0’ a potentialului de actiune, care are o forma ascutita si se mai numeste si ‘overshoot’. Debutul acestei faze corespunde depolarizarii celulare; la sfarsitul perioadei de ‘overshoot’ se produce scaderea rapida a potentialului membranar (faza 1), datorita deschiderii canalelor de Cl si patrunderii acestuia in celula. Din acest moment intra in functiune canalele de K, care urmeaza inactivarii canalelor rapide de Na, cu scaderea in continuare a valorii potentialului membranar spre valoarea 0. In cazul celulelor miocardice, urmeaza activarea canalelor de Ca si deschiderea lor, cu producerea unui influx lent de Ca necesar realizarii fenomenelor contractile cardiace. Acest influx de Ca permite temporizarea

2

fenomenului de revenire a potentialului membranar la valoarea initiala, astfel incit pe curba potentialului de actiune apare un platou (faza 2). In final, prin amplificarea efluxului de K se produce o faza de repolarizare rapida, in care potentialul membranar revine la valoarea initiala, care a precedat depolarizarea (faza 3). In majoritatea celulelor, potentialul transmembranar se mentine la valoarea atinsa la sfirsitul repolarizarii si ia aspectul unei linii orizontale (faza 4). Pe parcrusul acestei perioade se produce un schimb lent si continuu de ioni, de sens invers celui din timpul potentialului de actiune: ies din celula ionii de Na si Ca si reintra ionii de K, proces activ realizat de catre pompa de Na/ K.

De mentionat ca aspectul grafic al potentialului de actiune este identic pentru aceeasi celula, indiferent de tipul de excitatie sau momentul realizarii acesteia. Pot exista unele diferente intre diverse tipuri celulare- de exemplu, in cazul cordului, potentialul de repaus al celulelor din sistemul excito- conductor are faza 1 atenuata si prezinta un curent spontan de depolarizare diastolica, pe care nu’ l intilnim in cazul fibrelor miocardului de lucru (atrial sau ventricular). Excitatia unei fibre produce intotdeauna acelasi raspuns, cu conditia ca intensitatea stimului sa depaseasca o anumita limita (legea ‘tot sau nimic’): excitatia determina un raspuns integral sau nu este urmata de raspuns din partea celulei. De mentionat ca rolul stimului initial este de a micsora diferenta de potential membranar pina la o valoare critica (-60, - 55 mV), moment in care se produc deschiderea canalelor de Na si o depolarizare exploziva a celulei respective.Pe parcursul depolarizarii si partial al repolarizarii, celula se afla intr- o stare refractara, in sensul ca orice stimul exterior, indiferent de natura si intensitatea lui, nu poate determina aparitia unui raspuns celular. La sfarsitul fazei 3 si mai ales in faza 4, aceasta stare refractara absoluta diminua si se transforma intr- o stare refractara relativa, apoi intr- o faza de excitabilitate normala.

3