Fisiologia Neuronal i Muscular: Potencial d'Acció, Sinapsi i Regulació

Característiques del Potencial d'Acció en Fibres Nervioses de Mamífers

El potencial d'acció (PA) en fibres nervioses de mamífers presenta les següents característiques:

1. Depèn de la presència de canals iònics dependents de voltatge.
2. La magnitud del PA és independent de l’estímul que el genera i constant per a cada fibra en les mateixes condicions (Llei del Tot o Res).
3. Té una durada de milisegons.
4. Es propaga a velocitat constant i no disminueix.
5. No és sumable (a causa dels períodes refractaris).
6. No depèn directament de l’activitat de la bomba ATPasa, ja que les concentracions de sodi o potassi de fora o dins de la cèl·lula no varien significativament durant un sol PA.
7. Els estímuls capaços de generar un PA són diversos. L’estímul és traduït pel receptor a potencial d’acció.

Sinapsi Regulada per Neurotransmissors Peptídics

Una mateixa neurona pot contenir vesícules amb diferents neurotransmissors (NT):

• La Substància P generarà un PPSE (Potencial Postsinàptic Excitador) i està relacionada amb la sensació de dolor.
• L'Encefalina, alliberada per neurones espinals, fa sinapsi amb altres neurones. Actua com un opiaci, fent que la neurona alliberi menys Substància P i, per tant, redueixi la sensació de dolor.

Tipus de Sinapsi

• Sinapsi Ionotròpica: És una sinapsi ràpida. S'allibera un NT que s'uneix a un receptor, el qual es converteix directament en un canal iònic. Exemple: receptor nicotínic de l'acetilcolina. Provoca PPSE.
• Sinapsi Metabotròpica: És una sinapsi lenta. El NT s'uneix al receptor i genera una cascada de senyalització. Són receptors acoblats a Proteïna G. Exemple: receptor muscarínic de l'acetilcolina. Sol provocar PPSI (Potencial Postsinàptic Inhibidor).

Integració Sinàptica i Potencial Revers

Per determinar si es generarà o no un potencial d’acció, hem de conèixer els potencials postsinàptics invertits o potencials revers (Erev). Aquest es defineix per un canal iònic determinat que es troba en una cèl·lula postsinàptica.

El potencial revers és el valor de voltatge del potencial de membrana en el qual la càrrega neta que travessa el canal és zero. És a dir, el potencial revers serà igual al potencial d’equilibri de l’ió que passa pel canal. Quan el canal és selectiu per a més d’un ió, es pot calcular mitjançant fórmules específiques.

El potencial revers depèn de:

• Les concentracions dels ions que passen pel canal (potencial d’equilibri).
• Les conductàncies del canal per cadascun dels ions que passen pel canal.

Direcció dels Potencials Postsinàptics

El potencial revers marca la direcció dels PPSE i PPSI:

• PPSE (Excitador): Augmenta la probabilitat de generar un potencial d’acció. Serà excitador quan el potencial revers estigui per sobre del potencial llindar de la cèl·lula postsinàptica.
• PPSI (Inhibidor): Disminueix la probabilitat de generar un potencial d’acció. Serà inhibidor quan el potencial revers del canal implicat sigui més petit que el potencial llindar.

Quan el potencial revers d'un canal és més gran que el de repòs, però menor al llindar, tindrem un potencial postsinàptic inhibidor, ja que mai superarà el llindar. L’efecte inhibidor es produeix perquè obrir el canal comporta la tendència a un equilibri en Erev, el qual és inferior al llindar.

Determinació de la Freqüència d'Emissió del PA

Que hi hagi o no potencial d’acció dependrà del que passi al principi de l’axó, on hi ha els canals regulats de sodi. El potencial que hi hagi a cada instant depèn de la suma de tots els potencials graduats que s’estiguin donant constantment al soma o dendrites d’aquesta neurona (sumació espacial i temporal).

Si es genera un potencial d’acció, la seva freqüència d’emissió és directament proporcional a:

• Període refractari de la neurona: Com més gran sigui el període, menor serà la freqüència.
• Magnitud de la despolarització: Quant per sobre del llindar estigui el potencial al principi de l’axó.

Així, a més despolarització per sobre del llindar, més freqüència d’emissió de PA.

Divisions del Sistema Nerviós

El Sistema Nerviós es divideix en:

Sistema Nerviós Central (SNC)

Està compost pel cervell i per la medul·la espinal. Es connecten mitjançant vies neuronals eferents amb el sistema nerviós motor.

Sistema Nerviós Sensorial

Té dues branques:

• Autonòmic: Constituït per vies aferents de receptors sensorials relacionats amb canvis interns (oxigen, pH, etc.). Monitoritza canvis en el medi intern de l’animal.
• Somàtic: Constituït per vies aferents relacionades amb el tacte, la visió, etc.

Sistema Nerviós Motor

Està dividit també en dues branques:

• Autonòmic: Envia informació a efectors autonòmics (cor, múscul llis i determinades glàndules). Al mateix temps està subdividit en dues branques:
  • Sistema Autonòmic Simpàtic
  • Sistema Autonòmic Parasimpàtic
• Somàtic: Envia informació a músculs estriats o esquelètics, dedicats a la locomoció.

Estructura i Funció de la Medul·la Espinal

La medul·la espinal conté:

• Canal espinal: Per on circula el líquid cefaloraquidi.
• Matèria blanca: Constituïda per axons de moltes neurones.
• Matèria grisa: Constituïda per somes o cossos neuronals.
• Nervis: Agrupacions d’axons aferents o eferents. Quan un nervi arriba a prop de la medul·la es subdivideix en dues branques: una sensorial (entra a la medul·la per la part dorsal) i una motora (surt de la medul·la espinal per la part ventral). Hi ha una separació anatòmica de les vies eferents i aferents de cada nervi.

A la medul·la hi resideixen la major part dels actes reflexos que no necessiten control cerebral. També hi resideixen grups de neurones anomenats generadors de patrons (com el generador del patró de locomoció). Aquests permeten la locomoció fins i tot en l’extrem cas de la dissociació del cervell i la medul·la.

Cervell i Còrtex Cerebral

Organització Funcional del Còrtex Cerebral

El còrtex cerebral està subdividit funcionalment en diferents zones que reben i processen informació diferent:

• Còrtex olfactiu: Rep informació del sistema sensorial olfactiu.
• Còrtex occipital: És la zona que rep informació visual.
• Còrtex associatiu: Integra informació d’altres zones del còrtex i també les funcions superiors (parla, planificació, pensament abstracte). En humans ocupa la major superfície del còrtex.

Tècniques d'Estudi del Còrtex

Hi ha dues tècniques principals que han permès estudiar i determinar aquestes àrees:

1. Accidents naturals: A través de l’estudi de persones amb defectes molt concrets en el seu sistema nerviós.
2. Ressonància magnètica funcional (fMRI): S’estimula un sentit i s’estudia, a partir d’aquestes ressonàncies, quina part del còrtex es troba activa.

La formació de mapes topogràfics distorsionats és una de les característiques del còrtex. Aquests mapes indiquen quina superfície de l’àrea del còrtex està dedicada a una part del cos. La superfície del còrtex somatosensorial (tacte) és proporcional a la importància funcional de la part del cos que representa.

Sistema Nerviós Motor Perifèric (Autonòmic i Somàtic)

Com hem vist abans, el sistema nerviós motor està dividit en l’autonòmic i el somàtic. A més, l’autonòmic està subdividit en el parasimpàtic i el simpàtic:

Sistema Nerviós Motor Autonòmic

La primera neurona motora (neurona pregangliònica) té el soma al SNC, però no arriba a l’òrgan efector. Per arribar-hi, fa sinapsi amb una segona neurona (neurona postgangliònica) en unes estructures anatòmiques anomenades ganglis. La segona neurona ja farà sinapsi amb la cèl·lula efectora.

• Parasimpàtic: El gangli es troba lluny del SNC, més a prop de l’òrgan diana. Hi intervé l’acetilcolina en totes les sinapsis que es creen.
• Simpàtic: El gangli es troba a prop del SNC. Hi intervé l’acetilcolina en la primera sinapsi, però en la sinapsi de la segona neurona amb l’òrgan diana hi intervé la noradrenalina.

Sistema Nerviós Motor Somàtic

Contacta amb el múscul esquelètic. El soma de la neurona que contacta es troba en el SNC (al cervell o a la medul·la). Entre el SNC i el múscul esquelètic només hi ha una neurona: la neurona motora. Hi intervé l’acetilcolina.

Codificació del Senyal Sensorial

El sistema nerviós necessita saber quatre coses bàsiques sobre un estímul:

1. Modalitat: Quin tipus d'estímul és (llum, so, tacte, etc.).
2. Localització: D'on ve l'estímul.
3. Intensitat: Com de fort és.
4. Duració: Quant dura.

Codificació de la Modalitat

La modalitat de l'estímul es codifica mitjançant un sistema de línies etiquetades. Això vol dir que la informació d'un tipus de sensor (receptor sensorial) va sempre directament a un lloc específic del sistema nerviós central. És a dir, hi ha vies separades per a cada tipus d'informació que van a zones diferents del cervell.

Codificació de la Intensitat de l'Estímul

La intensitat d'un estímul es codifica principalment per la freqüència dels potencials d'acció (PA) que emet el receptor sensorial.

• Un estímul feble genera una baixa freqüència de PA.
• Un estímul fort genera una alta freqüència de PA.

La relació entre la intensitat de l'estímul i la freqüència de PA no sempre és lineal. En molts receptors sensorials, la freqüència de PA és directament proporcional al logaritme de la intensitat de l'estímul. Això permet al sistema nerviós distingir un rang molt gran d'intensitats, però implica que el sistema és més sensible a detectar canvis quan l'estímul és feble que quan ja és molt fort (la diferència absoluta d'intensitat de 10 a 100 provoca el mateix canvi en logaritme que de 100 a 1000).

Codificació de la Duració i Adaptació

La duració d'un estímul també és una informació important. La forma en què els receptors responen a un estímul constant permet distingir dos tipus principals:

• Receptors Fàsics: Aquests receptors s'adapten ràpidament a un estímul constant. No emeten PA durant tota la duració de l'estímul, sinó principalment a l'inici i/o al final d'aquest. Són bons per detectar canvis en un estímul.
• Receptors Tònics: (Implícit) Aquests receptors s'adapten lentament i continuen emetent PA durant tota la duració de l'estímul.

L'adaptació sensorial és el fenomen pel qual la percepció d'un estímul constant es redueix amb el temps. Això pot incrementar la sensibilitat per detectar petits canvis en la intensitat dins d'un rang determinat.

Mecanismes d'Adaptació: L'exemple del Corpuscle de Paccini

Un exemple detallat és el dels corpuscles de Paccini, que són receptors tàctils. La càpsula del corpuscle de Paccini actua com un filtre mecànic perifèric. Aquesta estructura fibrosa i el fluid que conté modulen com l'estímul (la pressió) arriba al sensor nerviós intern. Quan s'aplica pressió, la càpsula transmet l'estímul inicial i es genera un potencial graduat i un PA. Però si la pressió es manté constant, la càpsula "s'ajusta" i l'estímul deixa d'arribar al sensor intern, aturant l'emissió de PA (adaptació). Quan s'atura la pressió, la càpsula es deforma de nou momentàniament, generant un altre potencial graduat i PA al final de l'estímul. Per això, el corpuscle de Paccini és un exemple de receptor fàsic que respon a l'inici i al final d'una pressió.

Resum del Receptor Sensorial

En resum, la cèl·lula receptora tradueix l'energia de l'estímul en potencials graduats, que al seu torn poden generar potencials d'acció (PA) (que segueixen la llei del tot o res).

• La intensitat de l'estímul es codifica per la freqüència dels PA.
• La modalitat de l'estímul es codifica per les línies etiquetades.
• Els receptors tenen la capacitat d'adaptar-se a una estimulació constant.

També s'esmenta un exemple amb l'olfacte, on diferents cèl·lules olfactòries responen de manera diferent a diferents substàncies (odorants). Això mostra que la informació sensorial es processa a nivell cel·lular, on algunes cèl·lules augmenten la seva activitat, altres la disminueixen o no canvien, depenent de l'estímul.

Fisiologia del Múscul Esquelètic

Estructura del Sarcòmer

L’estructura del sarcòmer sempre és la mateixa:

• Banda A: Defineix tota l’extensió del filament de miosina.
• Banda I: Està formada per la zona que conté només filaments d’actina.
• Banda H: S’estén a banda i banda de la línia M i només conté filaments de miosina.
• Zona de solapament: Zona on se solapen filaments d’actina i de miosina.
• Disc Z: Defineix la longitud del sarcòmer. Conté filaments d’actina.
• Línia M: Defineix el centre del sarcòmer. Conté filaments de miosina.

Contracció i Relaxació

Les conclusions extretes dels experiments sobre contracció-relaxació són:

1. Hi ha d’haver-hi una interacció òptima de ponts creuats i filaments d’actina.
2. Sarcòmers de gran longitud tenen menys llocs disponibles per a la unió de ponts creuats de la miosina.
3. Amb sarcòmers de poca longitud, els filaments fins se superposen a la zona H, la qual no té ponts creuats de miosina.
4. En la contracció isomètrica, la tensió màxima s’assoleix amb una longitud similar a la del relaxament normal.
5. La tensió màxima s’assoleix quan la longitud del sarcòmer o el grau de superposició dels filaments és similar a la de l’animal intacte.

Força i Tensions Musculars

La força màxima (F màxima) s'obté quan el múscul està en repòs.

• Tensió activa: La que està sent generada per solapaments d’actina i miosina (ponts creuats). Depèn de la hidròlisi d’ATP.
• Tensió passiva: Augmenta quan estirem el múscul; l’exerceixen els tendons i els elements elàstics.

La força depèn del nombre de fibres musculars disposades en paral·lel (apilades). Generalment, no es generen noves fibres musculars, sinó que les existents augmenten el seu volum generant més miofibril·les dins de cada fibra.

• Hipertròfia: Es generen miofibril·les dins de cada fibra, augmentant el volum.
• Hiperplàsia: Es generen noves fibres (poc comú en múscul esquelètic adult).

Regulació de la Contracció

El múscul necessita ser estimulat per generar potencials d’acció. Els estímuls es tradueixen en l’entrada de Ca²⁺ al citoplasma de les cèl·lules musculars. El Ca²⁺ sempre prové del reticle sarcoplasmàtic (RS).

• Múscul relaxat: La tropomiosina bloqueja els llocs d’unió a la miosina de l’actina. La troponina manté la posició de la tropomiosina.
• Múscul contret: El Ca²⁺ s’uneix a la troponina, que canvia de conformació. En canviar de conformació, la tropomiosina s’allibera i es pot produir la unió actina-miosina.

Mecanismes d’Alliberament del Calci

Per entendre els mecanismes, és important entendre l’anatomia neuromuscular. Una motoneurona enerva diferents fibres musculars, però una fibra muscular és enervada per una única motoneurona. A la unió neuromuscular, la membrana plasmàtica pateix una invaginació anomenada túbul T o transvers. Aquest túbul penetra fins al sarcòmer i es troba envoltat de cisternes del reticle sarcoplasmàtic.

Components del Túbul T

• Canals de Na⁺ i K⁺ regulats per voltatge.
• Receptors de dihidropiridina (DHPR): Tenen homologia amb canals de Ca²⁺ regulats per voltatge, però el Ca²⁺ no hi travessa (actuen com a sensors de voltatge).

Components de les Cisternes del RS

• Receptors de rianodina (RyR): Són canals de calci NO regulats per voltatge. Un 50% d’aquests es troben físicament units als receptors de dihidropiridina quan el múscul es troba relaxat (es mantenen tancats).
• Bombes de calci (SERCA): Consumeixen ATP. Transporten el calci en contra de gradient entre el citoplasma i el RS.
• Calseqüestrina: Ajuda a les bombes de calci segrestant el calci dins del RS i així mantenint el gradient.

Tipus de Fibres en Múscul Esquelètic

Les fibres musculars esquelètiques difereixen en diverses propietats:

• Velocitat màxima de contracció: Depèn de la velocitat amb la qual es desprenen els ponts creuats (depèn de la naturalesa de la miosina ATPasa).
• Nombre de bombes de calci: Afecta el temps de permanència de l’ió (+ bombes = relaxació + ràpida).
• Resistència a la fatiga: Depèn de la producció d’ATP (nombre de mitocondris i aport sanguini).

Múscul Llis: Característiques i Tipus

El múscul llis és bastant diferent de l’esquelètic:

• Són cèl·lules fusiformes quan estan relaxades.
• No hi ha miofibril·les dins de les fibres.
• Hi ha sarcòmers compostos per miosina i actina, i la teoria dels filaments lliscants es compleix.
• La proporció d’actina i miosina és més gran.
• El control de l’acoblament d’excitació-contracció és diferent: no hi ha tropomiosina.
• El calci ve tant del RS com de l’exterior cel·lular (el RS està menys desenvolupat).
• No tenen túbuls T.
• La isoforma de la miosina ATPasa és molt lenta: la hidròlisi d’ATP és molt lenta. Això fa que la contracció sigui més lenta, però que duri més.
• Està sempre enervat pel sistema nerviós perifèric (autònom).
• La seva contracció pot ser modulada per hormones i/o altres moduladors químics.
• Els sarcòmers estan units a la membrana mitjançant unions mecàniques que uneixen dues cèl·lules musculars llises.
• Les cèl·lules poden estar unides (comunicació de citoplasma) mitjançant GAP junctions.
• La musculatura llisa forma molts esfínters, que es troben tancats (contrets) durant la major part del temps.

Tipus de Múscul Llis

1. Múscul Llis Multiunitat

• Els citoplasmes no es troben comunicats.
• El sistema nerviós autònom dicta/ordena que la cèl·lula es contregui.
• Es troba principalment a les vies respiratòries (bronquis), tracte urinari i vasos sanguinis grans (artèries i venes grans). També es troba a l’úter en fases de NO part.

2. Múscul Llis d’una Única Unitat (Single Unit)

• Totes les cèl·lules musculars es troben unides per GAP junctions. Això permet que els canvis iònics o respostes es facin de forma més ràpida i sincrònica.
• Qui ordena la contracció són un grup d’algunes cèl·lules musculars llises (cèl·lules marcapassos) del propi múscul. La contracció és miogènica.
• La neurona només modula la contracció, no l’ordena.
• Es troba en el tracte digestiu i en els vasos sanguinis petits (arterioles i vènules). Es troba a l’úter en fase de part.

Regulació de la Contracció del Múscul Llis

La regulació del múscul llis és molt més complexa. Sense calci no es produirà la contracció, i aquest calci pot venir tant de l’exterior com del RS.

Regulació de l'Actina

La regulació de l’actina ve donada pels següents mecanismes:

1. En absència de calci, l’actina es troba unida a la caldesmona. No es pot unir a la miosina.
2. Quan hi ha calci al citoplasma, el calci s’uneix a la calmodulina. El complex calci-calmodulina té molta afinitat per la caldesmona. La caldesmona deixa d’estar unida a l’actina.
3. L’actina ja es pot unir a la miosina.
4. La caldesmona té dues conformacions: fosforilada i no fosforilada. Està regulada per la PKC (Proteïna Cinasa C), que la fosforila en presència de calci, fent que no es pugui unir a l’actina. La fosfatasa (en absència de calci) li treu el fòsfor, fent que es pugui unir a l’actina i, per tant, inhibeix la contracció.

Regulació de les Cadenes Lleugeres de la Miosina (Mecanismes)

La regulació de les cadenes lleugeres de la miosina es duu a terme mitjançant dos mecanismes principals:

Mecanisme 1: Unió Directa de Calci

1. En absència de calci, la cadena lleugera no es pot unir a l’actina; no hi ha contracció.
2. Quan la concentració de calci augmenta, el calci s’uneix a la cadena lleugera, facilitant que la cadena pesada s’uneixi a l’actina.

Mecanisme 2: Fosforilació per Cinasa (MLCK)

1. Implica una cinasa (Cinasa de la Cadena Lleugera de la Miosina o MLCK). En estat relaxat, està inactiva.
2. Quan hi ha calci, aquest s’uneix a la calmodulina. El complex calci-calmodulina s’uneix a la cinasa i l’activa.
3. Quan la cinasa està activada, fosforila la cadena lleugera de la miosina, facilitant la unió de la cadena pesada a l’actina.
4. Hi ha fosfatases que poden revertir l’acció.

Addicionalment, la cadena lleugera de la miosina es pot fosforilar mitjançant la PKC (en un lloc diferent). Quan es produeix la doble fosforilació (per part de les dues cinases), la cadena lleugera impedeix la unió a l’actina i, per tant, es retorna a l’estat relaxat.