Membrana neuronală în repaus

Conspect al capitolului ”The neural membrane at rest”, de Bear, Connors și Paradiso, publicat în ”Neuroscience. Exploring the Brain”, în 2016.

Introducere

Neuronii conduc informația pe o distanță lungă pe baza unor semnale electrice, de-a lungul axonilor. Încărcătura electrică din citosolul axonului este transportată de atomi încărcați electric. Membrana axonului are anumite proprietăți care facilitează transmiterea unui anumit tip de semnal – impulsul nervos sau potențialul de acțiune. Informația este encodată în frecvența potențialelor de acțiune ale neuronilor individuali, alături de distribuția și numărul de neuroni care declanșează potențiale de acțiune într-un anumit nerv. Celulele capabile de generarea și transportul potențialelor de acțiune sunt cele cu membrană excitantă.

Atunci când o celulă cu membrană excitantă nu generează impulsuri, spunem că este în repaus. În neuronul în repaus, citosolul din suprafața internă a membranei este încărcată electric negativ, diferit de exterior. Acestă diferență de încărcare electrică se numește potențialul de repaus.  Atunci când apare potențialul de acțiune, are loc inversarea acestei condiții.

Distribuția substanțelor chimice

Citosolul și fluidul extracelular

Apa este ingredientul principal al fluidului din interiorul neuronului, fluidului intracelular și a fluidului dinafara neuronului. Atomii încărcați electric – ionii – care sunt dizolvați în apă sunt responsabili pentru potențialul de acțiune și potențialul de repaus.

Cea mai importantă proprietate a moleculei de apă este distribuția inegală a încărcăturii electrice – electronii împărțiți petrec mai mult timp asociați cu atomul de oxigen decât cu cei doi atomi de hidrogen. Astfel, atomul de oxigen adună o încărcătură negativă și atomii de hidrogen adună o încărcătură pozitivă. Astfel, o moleculă de apă este o moleculă polară, fiind un solvent eficient pentru alte molecule încărcate electric.

Atomii sau moleculele cu încărcătură electrică se numesc ioni. De exemplu, sarea este formată din ioni de sodiu și clor, legați de atracția electrică datorată încărcării electrice opuse. Această atracție se numește legătură ionică.

Sarea se dizolvă în apă deoarece moleculele din apă încărcate electric prezintă o atracție mai mare pentru ioni, decât au ionii unii față de alții. Când fiecare ion se desprinde de cristal, este înconjurat de o sferă de molecule de apă. Aceste sfere de apă izolează ionii unii de alții. 

Încărcătura electrică a unui atom depinde de diferența dintre numărul de protoni și electroni. Când diferența este 1, ionul este monovalent. Când diferența este 2, ionul este bivalent. Ionii cu o încărcare electrică net pozitivă se numesc cationi. Ionii cu o încărcătură negativă se numesc anioni.

Ionii importanți pentru neurofiziologia celulară sunt cationii monovalenți de sodiu și potasiu, cationul bivalent de calciu și anionul monovalent de clor.

Membrana fosolipidică

Substanțele care se dizolvă în apă se numesc substanțe hidrofile. Dar când legăturile covalente sunt nonpolare, adică atunci când electronii sunt distribuiți egal în molecule, moleculele nu se vor mai dizolva în apă. Acestea se numesc hidrofobe. Astfel de molecule sunt lipidele. Lipidele din membrana neuronală contribuie la potențialele de acțiune și de repaus formând o barieră pentru ionii solubili și apă.

Principalele substanțe chimice ale blocului de construcție din membrana celulei sunt fosfolipidele. Acestea conțin și un grup fosfat polar atașat la finalul unei molecule. Astfel, ele au un cap polar, hidrofil, și o coadă nonpolară, hidrofobă. Membrana neuronală conține o folie de fosfolipide, de o grosime de două molecule, care izolează citosolul de fluidul extracelular.

Proteinele

Tipul și distribuția moleculelor de proteine disting neuronii de alte celule. Potențialul de acțiune și potențialul de repaus depind de proteine speciale care acoperă stratul fosfolipidic.

Structura proteinelor

Proteinele sunt molecule asamblate din diferite combinații ale aminoacizilor. Toți aminoacizii au un atom central de carbon, care are o legătură covalentă cu patru grupuri moleculare – un atom de hidrogen, o grupare aminică, o grupare carboxil și o grupare variabilă, numită grupare R. Diferiți aminoacizi rezultă din diferențe în mărimea și natura grupurilor R.

Proteinele sunt sintetizate de ribozomii din corpul celulei. În acest proces, aminoacizii se asamblează într-un lanț conectat de legături peptidice, care leagă grupul aminic al unui aminoacid de grupul carboxil al următorului. Proteinele făcute dintr-un singur lanț de aminoacizi se numesc și polipeptide.

Structura unei proteine are patru nivele. Structura primară este asemănătoare unui lanț, în care aminoacizii sunt uniți prin legături peptidice. Pe măsură ce proteina este sintetizată, lanțul polipeptidic se poate transforma într-o configurație de tip spirală, numită alfa helix. Un alfa helix este un exemplu de structură secundară. Interacțiunea dintre grupările R poate duce la schimbarea moleculei într-o configurație tridimensională, numită structură terțiară. În final, diferite lanțuri de polipeptide se pot lega pentru a forma o moleculă mai mare, numită structură cuaternară. Fiecare polipeptidă care contribuie la structura cuaternară se numește subunitate.

Proteine – canal

Suprafața proteinei poate fi eterogenă chimic. Regiunile în care grupurile R nonpolare sunt expuse sunt hidrofobe și se asociază cu lipide. Regiunile în care grupurile R polare sunt expuse, sunt hidrofile și evită mediul lipidic. Astfel, există proteine în formă de baston cu grupările polare expuse la fiecare capăt și cu grupări hidrofobe în mijlocul suprafeței.  Astfel de proteine pot fi suspendate într-un bistrat fosfolipidic, cu porțiunea hidrofobă în interiorul membranei și capetele hidrofile expuse mediului din cealaltă parte. Canalele de ion sunt formate din acest tip de proteine. Un canal are nevoie ca 4-6 molecule de proteine să formeze un por între ele.

O proprietate importantă a canalelor de ion este selectivitatea ionică, specificată de diametrul porului și natura grupărilor R. Astfel, canalele de potasiu sunt permeabile doar la potasiu, cele de sodiu doar la sodiu și așa mai departe.

O altă proprietate importantă este legată de poartă. Canalele cu această proprietate pot fi închise sau deschise de schimbări în mediul local al membranei.

Pompele de ioni

Pe lângă formarea canalelor, proteinele formează și pompe de ioni.  Acestea sunt enzime care folosesc energia eliberată de descompunerea ATP pentru a transporta anumiți ioni la membrană.

Mișcarea ionilor

Mișcarea ionică este influențată de doi factori – difuzia și electricitatea.

Difuzia

Ionii și moleculele dizolvate în apă sunt în continuă mișcare. Această mișcare tinde să distribuie ionii în mod egal în soluție. Astfel, există o mișcare de la regiunile cu o concentrație înaltă la cele cu o concentrație scăzută. Acest proces se numește difuzie. Diferența de concentrație se numește gradient de concentrație. Difuzia depinde de temperatură  – în temperaturi înalte difuzia este mai rapidă decât în cazul temperaturilor scăzute.

Prin difuzie, ionii sunt împinși în canalele din membrană. Mișcarea ionilor se întâmplă atunci când membrana are canale permeabile la ioni și apare un gradient de concentrație în membrană.

Electricitatea

Un alt mod de a induce mișcarea ionilor este utilizarea unui câmp electric deoarece ionii sunt particule încărcate electric. Mișcarea încărcăturii electrice se numește curent electric, fiind reprezentat prin simbolul I și este măsurat în amperi. 

Doi factori determină cât de mult curent trece – potențialul electric și conductanța electrică. Potențialul electric, cunoscut ca voltaj, este forța exercitată asupra unei particule încărcate, reflectând diferența între anod, terminalul pozitiv și catod, terminalul negativ. Cu cât diferența este mai mare, cu atât va intra mai mult curent.

Conductanța electrică reprezintă abilitatea relativă a unei încărcături electrice de a migra de la un punct la altul. Aceasta depinde de numărul de ioni sau electroni disponibili pentru transportul încărcăturii electrice și de ușurința cu care aceste particule pot călători. Un alt termen pentru această proprietate este rezistența electrică – inabilitatea relativă a unei încărcături electrice de a migra.

Relația dintre potențial, conductanță și cantitatea de curent este cunoscută sub forma legii lui Ohm. Astfel, curentul este produsul conductanței și al diferenței de potențial. Dacă una dintre ele este zero, atunci curentul nu va trece, indiferent de valoarea celeilalte.

Bazele ionice pentru potențialul de repaus al membranei

Potențialul membranei reprezintă voltajul de-a lungul membranei neuronale într-un moment dat. Uneori, potențialul este de repaus, alteori, de acțiune. Dacă este măsurat voltajul, se relevă faptul că încărcătura electrică este distribuită inegal în membrană.

Interiorul membranei este negativ din punct de vedere electric. Diferența dintre exteriorul și interiorul membranei, numit potențial de repaus, este menținut dacă un neuron nu generează impulsuri.

Potențialele de echilibru

Se ajunge la o stare de echilibru atunci când forțele de difuzie și electrice sunt egale și au semn opus, iar mișcarea moleculelor se oprește. Diferența de potențial electric care echilibrează concentrația gradientului de ion se numește potențial de echilibru ionic sau doar potențial de echilibru.

Există patru concluzii importante. În primul rând, schimbările mari în potențialul membranei sunt cauzate de schimbări minuscule în concentrațiile de ioni.

În al doilea rând, diferența netă în încărcătura electrică apare atât în interiorul, cât și în exteriorul suprafeței membranei. Deoarece bistratul fosfolipidic este foarte subțire este posibil ca ionii de pe o parte să interacționeze electrostatic cu ionii de pe cealaltă parte. Astfel, încărcătura negativă din interiorul neuronului și încărcătura pozitivă din exteriorul neuronului tind să fie atrase de membrană. În acest mod, membrana stochează încărcătura electrică, proprietate numită capacitanță.

În al treilea rând, ionii sunt conduși la o rată proporțională cu diferența dintre potențialul membranei și potențialul de echilibru.  Diferența dintre potențialul membranei real și potențialul de echilibru pentru un ion se numește forță de conducere ionică.

În al patrulea rând, în cazul în care diferența de concentrație este cunoscută pentru un ion, atunci se poate calcula potențialul de echilibru. Cunoscând încărcătura electrică a ionului și diferența de concentrație, poate fi dedus dacă interiorul celulei este pozitiv sau negativ în starea de echilibru.

Distribuția ionilor în membrană

Potențialul membranei depinde de concentrarea ionilor din ambele părți ale membranei. Este important de reținut că potasiul este mai concentrat în interior, iar calciul și sodiul sunt mai concentrați în-exterior.

Gradienții de concentrație ionică sunt stabiliți de acțiunea pompelor ionice din membrană. Două pompe sunt importante în neurofiziologia celulară – cea de sodiu-potasiu și cea de calciu. Pompa sodiu – potasiu este o enzimă ce descompune ATP în prezența sodiului în mediul intern. Energia chimică eliberată de această reacție pornește pompa, care schimbă sodiul intern cu potasiul extern.  Această acțiune este foarte costisitoare în termenii energiei, utilizând până la 70% din ATP-ul utilizat de creier.

Pompa de calciu este o enzimă ce transportă calciul din citosol spre membrană. Anumite mecanisme scad nivelul de calciu intercelular. Astfel de mecanisme implică proteinele și organitele care se leagă de calciu, precum mitocondria.

Permeabilitatea relativă a membranei în repaus

Potențialul de echilibru pentru un ion este potențialul care ar rezulta dacă membrana ar fi permeabilă selectiv doar la acel ion. În realitate, neuronii nu sunt permeabili doar la un tip de ion. Potențialul de repaus al membranei poate fi calculat cu ecuația lui Goldman, o formulă ce ia în calcul permeabilitatea relativă a membranei la diferiți ioni.

Permeabilitatea selectivă pentru canalele de potasiu este un determinant important al potențialului de repaus. Selectivitatea pentru ionii de potasiu rezultă din aranjarea reziduurilor de aminoacizi care aliniază regiunile porului canalelor.

În 1987 a fost descoperită secvența de aminoacizi a familiei de canale de potasiu în musca Drosophila Melamogaster. Majoritatea canalelor de potasiu au patru subunități, aranjate precum doagele unui butoi, pentru a forma un por. În ciuda diversității, subunitățile unor canale de potasiu diferite au în comun caracteristici structurale care oferă selectivitatea pentru potasiu. O astfel de caracteristică este regiunea numită bucla porului.

Nu doar Drosophila a adus contribuții, ci și studiile pe scorpionii. S-a observat că toxinele scorpionului blochează canalele de potasiu și otrăvesc victima prin legarea de porii din canal. Cercetătorii au utilizat toxina pentru a identifica bucata de aminoacid care se formează în pereții interni și filtrează canalele. MacKinnon a identificat structura tridimensională a canalelor de potasiu, relevând baza fizică pentru selectivitatea ionică.

Importanța reglării concentrației externe de potasiu

Schimbarea în potențialul membranei de la o valoare normală de repaus la o valoare mai puțin negativă se numește depolarizare. Astfel, creșterea nivelului de potasiu extracelular depolarizează neuronii.

Sensibilitatea potențialului membranei la potasiu a rezultat în evoluția unor mecanisme care reglează concentrația extracelulară de potasiu. Unul dintre aceste mecanisme este bariera hematoencefalică, o specializare a pereților capilarelor din creier care limitează mișcarea potasiului în lichidul extracelular din creier.

De asemenea, celulele gliale, mai ales astrocitele, au un mecanism de recaptare a potasiului extracelular atunci când concentrația crește prea mult. Mecanismul de reglare a nivelului de potasiu de către astrocite se numește buffering spațial.

Nu toate celulele sunt protejate de creșterea nivelului de potasiu. Celulele musculare nu au echivalentul barierei hematoencefalice sau al mecanismului de buffering.