Neuronul - celula excitabila si secretorie

NEURONUL - CELULA EXCITABILA SI SECRETORIE

Dintre miliardele de neuroni care alcatuiesc sistemul nervos nu exista nici unul care sa fie independent, sa nu stabileasca relatii sinaptice cu alti neuroni. Din acest motiv, neuronii sint prevazuti cu prelungiri -dendrite si axoni. Daca la cei mai multi neuroni dendritele sint mai scurte decit axonii, la foarte multi (in special la protoneuroni) lungimea dendritelor o poate depasi pe aceea a axonilor altor neuroni. Pentru un neuron izolat, propagarea potentialului de actiune se realizeaza in toate directiie, la nivelul corpului celular si in ambele directii, la nivelul prelungirilor sale. Aceasta intrucit propagarea se datoreaza unui proces fizic: electromigrarea protonilor spre zonele negative. Este, deci, falsa afirmatia ca dendritele conduc potentialul de actiune in sens centripet si axonii in sens centrifug. Intr-un lant de mai multi neuroni, desigur, asa stau lucrurile, dar unidirectionarea se datoreaza prezentei sinapselor, care functioneaza similar unor diode din fizica, si nu proprietatilor specifice prelungirilor. 

Membrana neuronului (similara membranei altor tipuri celulare) este formata dintr-o matrice fosfolipidica continua (doua monostraturi de fosfolipide care isi satisfac reciproc hidrofobicitatea lanturilor de acizi grasi) pe care plutesc, din loc-in-loc, intocmai unui mozaic, proteine (sau glicoproteine). Alte proteine, de dimensiuni mai mari (formate din patru subunitati), strabat toata grosimea bistratului fosfolipidic formind canalele ionice (aproximativ 300/µ²). Iata, deci, ca membrana nu este trilaminata! Printre moleculele de fosfolipide se dispun molecule de colesterol, prin care sporesc atit rezistenta mecanica, cit si capacitatea electrica a membranei, in calitatea ei de condensator (similar celui din fizica). Rolurile proteinelor membranare sint multiple: enzime, transportori activi, canale ionice, receptori (pentru neuromesageri, hormoni, anticorpi). 

Pentru ca puterea catalitica a enzimelor anabolice si catabolice sa fie optima este necesar ca in citoplasma neuronului sa existe anumite conditii, intre care si anumite concentratii ale ionilor Na+ (10 mEq/l) si K+ (110 mEq/l). Mentinerea quasiconstanta a acestor concentratii cade in sarcina pompei de Na+-K+ care, din acest motiv, detine un rol homeostazic (ca rol principal). Denumirea de pompa se justifica prin aceea ca acest mecanism lucreaza impotriva legii fizice a gradientilor: deplaseaza cei doi ioni din zonele cu concentratii mici spre zonele cu concentratii ridicate, ceea ce implica un important consum de energie chimica (furnizata de ATP). Trebuie subliniat faptul ca rolul de mecanism homeostazic poate fi indeplinit si in situatia in care pompa ar lucra cu stoichiometria de 1/1 (un ion Na+ expulzat, in schimbul introducerii in neuron a unui ion K+). Ca mecanism homeostazic, pompa este menita sa faca posibila doar existenta neuronului ca sistem viu, nu insa si functionarea lui in planul excitabilitatii.  

Pentru a putea sesiza variatiile semnificative ale parametrilor de stare ai ambientului, membrana trebuia sa detina o incarcatura electroionica, intocmai ca un condensator electric din fizica, incarcatura ce urma sa se modifice la impactul cu acele variatii.  Principial, ar fi fost necesar un alt mecanism, capabil sa functioneze ca un generator ce incarca electrionic membrana. Avind tot timpul la dispozitie, Natura, prin tatonari repetate (gratie jocului ADN-ului), a "gasit" solutia optima, utilizind in acest sens tot pompa de Na+-K+, careia i-a modficat doar stoichiometria: in schimbul a trei ioni Na+ expulzati, pompa introduce in citoplasma neuronului numai doi ioni K+. Considerind doar sarcinile electrice, nu si natura chimica a purtatorilor acestora, in fapt, pompa scoate la exterior trei sarcini pozitive, introducind in citoplasma doar doua sarcini pozitive, ceea ce echivleaza cu scoaterea in afara neuronului a unei sarcini pozitive la fiecare ciclu de transport activ, in citoplasma raminind cite o sarcina negativa libera (fara pereche pozitiva) purtata de macromoleculele proteice care, la pH-ul citoplasmei, au valoarea de anioni organici. Astfel, pompa indeplineste un al doilea rol, acela de mecanism electrogen, pe linga cel homeostazic. In acest mod, pompa distribuie sarcini pozitive (purtate de Na+) pe fata externa a membranei si lasa pe fata interna a acesteia sarcini negative (purtate de anionii organici), realizind o cadere de potential intre ele de aproximativ (ca medie) 80 mV. Acesta este potentialul de repaus al membranei (PR).Deoarece aceasta stare electroionica se va inversa la un moment dat, s-a convenit ca in fata valorii caderii de potential sa se treaca semnul sarcinii electrice aflate la fata interna a membranei la acel moment (in acest moment: -80 mV); atragem atentia asupra faptului ca aceste semne nu au valoare algebrica (un PR de -70 mV este mai mic decit unul de -80 mV). Capacitatea neuronului de a sesiza variatiile parametrilor de stare ai ambientului consta tocmai in inversarea starii electroionice a membranei la impactul cu acestea, adica in redistribuirea ionilor Na+ si K+ de cele doua parti ale membranei, in baza gradientilor electrochimici (in tendinta de stabilire a echilibrului termodinamic intre citoplasma si ambient). Or, pentru ca redistribuirea ionilor sa fie posibila, se impune ca membrana sa detina spatii canaliculare prin care acestia sa se miste liber in baza legilor fizice (gradienti). Acestea sint canalele ionice transmembranare, cu un diametru mediu de 8 Å. Cum insa distributia asimetrica a ionilor Na+ si K+ pe cele doua fete ale membranei genereaza gradienti cu forte remarcabile, pentru pastrarea starii electroionice de repaus (PR) se impune ca aceste canale ionice sa fie inchise in intervalul de timp in care nu se produc variatii semnificative ale parametrilor de stare ai ambientului. Se impune deci existenta unui mecanism prin care aceste canale sa fie inchise, atunci cind nu exista variatii semnificative ale parametrilor de stare ai ambientului. Prin acelasi joc al ADN-ului, Natura a gasit solutia de a utiliza tot pompa de Na+-K+ si in acest scop, chiar daca intr-o modalitate indirecta. 

Ca oricare celula eucariota, si neuronul utilizeaza in mod direct pentru nevoile proprii energia chimica furnizata de ATP. Pentru eliberarea unei cuante macroergice din ATP, o enzima specifica (ATP-aza) rupe un radical fosforic, eliberind astfel cuanta necesara. Pentru un nou consum, este necesara refacerea ATP-ului din ADP si P, refacere care presupune consum de energie. Aceasta este obtinuta din arderea ionului H+ -obtinut prin dehidrogenare din substantele alimentare- cu O provenit din respiratie. Se deduce ca ATP-ul nu se consuma: el se desface si se reface,adevaratul "combustibil" fiind H+ proveit din substantele alimentare. Cum, insa, numarul ionilor H+ din citoplasma este dependent de activitatea enzimelor specifice si, in consecinta, el poate fi reglat, iar numarul moleculelor de O2 este dependent de presiunea lui partiala in aerul inspirat care nu poate fi reglata (fiind un proces pasiv), apar doua posibilitati: fie sa se genereze mai multi ioni H+ decit numarul atomilor de O -avind in vedere raprtul de 2 la 1 (H2O)-, fie sa apara mai multi atomi de O decit numarul ionilor H+. Daca numarul ionilor H+ excede numarul atomilor O (respectind raportul de 2/1), apare pericolul acidifierii citoplasmei, cu consecinte negative asupra activitatii catalitice a enzimelor metabolice. Daca, insa, numarul O2 excede numarul ionilor H+, atunci apare pericolul generarii de peroxizi si radicali liberi, care pot distruge o celula in citeva minute. Cum cel de al doilea reprezinta un pericol mult mai mare pentru neuron, acesta se apara si prin enzimele specifice produce, pentru orice eventualitate, un excedent de H+ fata de cantitatea de O2. Cind numarul mai mare al ionilor H+ afecteaza echilibrul acidobazic al citoplasmei, atunci excesul de H+ trebuie eliminat la exterior (fie- cel mai adesea- prin antiportul Na+/H+, amorsat de pompa de Na+-K+, care realizeaza gradientul sodiului orientat spre interior si prin care se corecteaza pH-ul citoplasmei, fie prin pompa de protoni, atunci cind gradientul de sodiu este insuficient). Ionii H+ expulzati ramin atasati de fata externa a membranei fiind atrasi de electronegativitatea fetei interne a acesteia. Incit, pelicula de lichid din intimitatea fetei externe a membranei, in care se scalda capetele externe ale subunitatilor proteinelor canal, va avea un pH acid. Cum proteinele sint substante amfolite, capetele externe ale subunitatilor proteinelor canal, aflate intr-un mediu acid, se vor comporta ca substante bazice, mnifestind afinitate pentru ionii metalici cu caracter acid, impreuna cu care vor forma, prin coordinare (nu prin valenta), complecsi organometalici. Cum ionul Ca++ din lichidul extern este cel mai acid, acesta va fi legat (prin 2 pina la 10 puncte de ligandare) de capetele externe ale proteinelor canal, inchizind astfel gura externa a acestuia, intocmai ca un capac pe gura unei fintini. Iata, deci, ca pompa, care realizeaza gradientul de Na+ orientat spre interiorul neuronului, face posibila activarea antiportului Na+/H+ si, prin aceasta inchiderea canalelor ionice. Canalele ionice fiind inchise (starea de repaus a neuronului), asimetria ionica, realizata de pompa, poate fi pastrata: Na+ ext.-140 mEq/l; Na+ int.10 mEq/l iar K+ ext.10 mEq/l; K+ int.110 mEq/l. 

Variatiile semnificative ale parametrilor de stare ai mediului extern capabile sa determine ruperea legaturilor dintre Ca++ si proteine si, astfel, sa duca la deschiderea canalelor ionice, se numesc excitanti (stimuli). Deschiderea canalelor de catre excitanti se poate realiza fie prin inlaturarea ionilor H+ de la fata externa a membranei (cimp catodic, substante bazice, cresterea fluiditatii fosfolipidelor membranare, solventi organici), fie prin mascarea chimica a punctelor de ligandare oferite de proteine (neuromesageri) sau prin deformarea gurii externe a canalelor facori mecanici). O variatie a parametrilor de stare ai ambientului este semnificativa, adica are valoare de excitant, numai atunci cind poate provoca deschiderea unui numar suficient de mare de canale (aproximativ 250), numit numar critic.  

Prin deschiderea numarului critic de canale de catre excitant, lichidul citoplasmatic comunica liber cu cel interstitial si neuronul ramine descoperit in fata legilor fizice ale gradientilor de concentratie si electrici ai ionilor Na+ si K+, care il imping spre echilibru termodinamic cu ambientul. Desi dimensiunile in stare hidratata ale celor doi ioni sint net inferioare diametrului canalului, primul care se va deplasa va fi ionul Na+, intrucit pentru el ambii gradienti -de concentratie si electric- sint orientati in acelasi sens: din exteriorul spre interiorul neuronului. Ionul K+ nu se poate deplasa primul, intrucit cei doi gradienti care il mobilizeaza sint orientati in sensuri opuse: cel de concentratie spre exterior, cel electric spre interior. Iata de ce este falsa afirmatia din literatura de profil, care sustine ca sub actiunea excitantului membrana devine brusc foarte permeabila pentru Na+ si impermeabila pentru K+. In determinarea sensurilor de miscare ale celor doi ioni membrana nu are nici o contributie. Abia dupa patrunderea ionilor Na+ in citoplasma in baza propriilor gradienti, ceea ce duce la inversarea distributiei sarcinilor, la exterior raminind ionii Cl-, (potentialul membranar atingind +20 mV) se genereaza conditiile necesare si suficiente iesirii in interstitiu a ionilor K+, ambii gradienti fiind acum orientati in acelasi sens:spre exterior. Aceste miscari pasive ale celor doi ioni in cele doua sensuri determina o modificare grava a starii electroionice a membranei, de la -80 mV la +20 mV, modificare ce poarta dnumirea de potential de actiune (PA) sau impuls nervos. In baza lor, se tinde spre echilibru termodinamic intre cele doua medii aflate de o parte si de alta a membranei si, prin aceasta, la moartea sistemului. Iata de ce este nu numai plastica, ci si adevarata afirmatia potrivit careia orice excitatie este un prim pas spre moartea neuronului! 

Daca vom considera o portiune din suprafata membranei neuronale pe care au fost deschise de catre excitant canalele ionice in numar critic si prin acestea, patrunderea in neuron a ionilor Na+ va determina aici inversarea potentialului membranar, atunci vom avea o zona centrala electronegativa (datorata prezentei ionilor Cl-) inconjurata de o zona extinsa electropozitiva (electropozitivitatea fiind data de prezenta ionilor H+ si Na+). Cum sarcinile de semn contrar se atrag, intre cele doua zone se vor exercita fortele electrostatice cunoscute: sarcinile de semn contrar se atrag cu forte egale: Cl- va atrage Na+ si H+ din jur si invers, fortele de atractie fiind egale. Desi fortele sint egale, electromigrarea rapida va fi realizata de purtatorul de sarcina cu dimensiunile cele mai reduse si mobilitatea cea mai ridicata: ionul H+. Plecind din zonele periferice pozitive spre zona centrala negativa, desigur, de la o distanta potrivita fortei cimpului electronegativ din zona centrala, la nivelul acesteia valoarea pH-ului va creste, caracterul bazic al proteinelor canal se va reduce si Ca++ se va desprind de la gura externa a canalelor din zona, lasindu-le deschise si permitind ca prin acestea sa se miste liber, in baza gradientilor proprii, ionii Na+ si K+ si sa genereze aici un PA. Astfel, prin electromigrarea ionilor H+ din periferie, din aproape-in-aproape, se produce o propagare  radiara a PA de la locul actiunii excitantului spre periferie, intocmai cum se propaga valurile pe un lac linistit atunci cind aruncam in el o piatra. In mod identic se petrec lucrurile si atunci cind evenimentul se produce nu pe o suprafata plana, ci cilindrica (unele prelungiri axonale si dendritice). Desigur, viteza propagarii PA in acest mod pe prelungirile neuronale este redusa, intrucit ea se realizeaza cu pasi marunti, din aproape-in-aproape. Pentru a fi marita considerabil viteza de propagare a PA, prelungirea axonala sau dendritica este izolata segmentar de teaca de mielina, electromigrarea ionilor H+ realizindu-e acum prin salturi mari. Esential este sa se retina ca propagarea PA, independent de modalitate, este un proces ce intereseaza exclusiv fata externa a membranei neuronale, aceasta intrucit singurul purtator de sarcina cu maxima mobilitate in solutiile apoase este ionul H+. In consecinta, ipoteza propagarii prin microcurentii Hermann (transmembranari) este falsa. 

Faptul ca, sub actiunea excitantului, neuronul este pus in pericol de moarte trebuie interpretat corect: in acest mod, neuronul este obligat sa reactioneze in mod specific, "optiunea" fiind exclusa.