Appunti Fisiologia cellulare

K

Se considero caso in cui esiste un gradiente chimico per K+, in particolare se considero che la concentrazione IN è >> di quella

OUT tale per cui Em=-80mV in cui la corrente I viene calcolata con la legge

K

di Ohm modificata. Se inietto cariche negativa iperpolarizzando la membrana

affinché Vm=-80mV allora:

Iniettando cariche negative in modo da spostare Vm=-100mV la I sarà entrante con effetto depolarizzante, mentre se stavolta

K

inietto cariche + in modo da spostare il potenziale Vm=-40mV la corrente sarà uscente con effetto iperpolarizzante. La corrente

depolarizzante ha effetto eccitatorio mentre quella iperpolarizzante ha effetto inibitorio.

Data la presenta sulla membrana di diversi canali ionici, ognuno permeabile alla propria specie, quando costruisco il circuito

equivalente ne devo tenere conto. Devo vedere la membrana come un conduttore elettrico dotato di batterie e resistori connessi in

serie e parallelo. La corrente che scorre all’interno di ogni maglia la calcolo con la legge di Ohm modificata mentre la corrente

netta circolante è la somma delle singole correnti ioniche. Alcuni resistori hanno una freccia che indica le conduttanze variabili,

ovvero quando sono presenti canali ionici VOC la conduttanza varia in funzione del voltaggio.

Considero esempio di una membrana dotata di canali selettivi al sodio e al potassio, tenendo conto che il potenziale di diffusione è

caratterizzato dall’equilibrio elettrico in cui il flusso

netto è nullo I + I =0 posso ricavare il potenziale

K Na

della cellula.

Questa è l’equazione permette di calcolare la differenza di potenziale della membrana in funzione delle conduttanze e dei potenziali

di equilibrio degli ioni che ci permeano all’interno.

Il circuito equivalente della membrana:

La membrana è rappresentata attraverso un circuito RC, costituito da un C condensatore, doppio strato fosfolipidico, e un R

resistore, conduttanza canali, collegati in parallelo. Questa rappresentazione ha conseguenze funzionali importanti, per esempio a

livello neuronale con le proprietà di eccitabilità del neurone. Prendiamo l’esperimento di Current-Clamp, in cui vengono inseriti

due microelettrodi nella cellula, uno collegato ad un generatore di tensione, in modo da applicare nuovi stimoli, il secondo collegato

ad un voltometro così da misurarne il potenziale. Se inietto un gradino di corrente voglio andare a misurare i valori di Vm e noto

che la variazione del potenziale è tempo-dipendente. La corrente

iniettata, all’inizio, fluisce tutta nel condensatore caricandolo, e

successivamente diminuisce in modo esponenziale facendo

aumentare la corrente resistiva con lo stesso andamento. Si nota

però che il potenziale non varia istantaneamente, anzi bensì a

raggiungere un valore stazionario determinato dalla corrente

resistiva.

La costante di tempo rappresenta il tempo necessario affinché l’aumento di Vm sia uguale al 63% di Vf-Vo, condizione

l’eccitabilità della membrana e più è piccola minore è il tempo per un certo stimolo di modulare il potenziale. La costante

di tempo della membrana indica il tempo necessario affinché l’aumento del potenziale sia uguale al 63% di Vf-Vo, più è

piccola minore è il tempo che lo stimolo di corrente ha per modulare Vm.

Il potenziale d’azione:

Le cellule eccitabili, presenti in muscoli, cuore e neuroni, hanno la caratteristica per cui se la membrana viene polarizzata da uno

stimolo oltre un certo valore, detto valore di soglia, la cellula genera un ampia escursione del suo potenziale. Lo stimolo che le

cellule ricevono può provocare una variazione in negativo del potenziale detta iperpolarizzazione, oppure in positivo detta

depolarizzazione, il ritorno al potenziale di riposo è definito come ripolarizzazione. L’escursione del valore Vm è indipendente, per

durata e ampiezza, dal valore dello stimolo e prende il nome di potenziale d’azione.

Caratteristiche generali:

il potenziale d’azione può essere descritto con un ampia e transitoria depolarizzazione del Vm ed è caratterizzato da una serie di

fasi sequenziali:

fase inziale di rapida depolarizzazione

à inversione di polarità

à ripolarizzazione verso il potenziale di riposo

à

Nelle fibre muscolari striate il potenziale d’azione ha lo scopo di innescare la

contrazione del muscolo e, a seconda della durata dello stimolo varia anche il tempo di

contrazione. Nel cuore invece il PA durante la fase inziale governa l’insorgenza della

contrazione, mentre nel restante decorso temporale governa e modula il rilasciamento

della diastole cardiaca. Nel neurone infine ha il compito di propagare in modo veloce

e affidabile l’informazione nervosa lungo le fibre assoniche.

Le fasi: - Prima base o piede: è la fase di depolarizzazione che porta il potenziale di membrana al

valore di soglia. può essere indotta da input sperimentale, sinaptico ed endogeno. Il secondo

riguarda le reti neuronali, dove la depolarizzazione del piede insorge per effetto di processi di

trasmissione dell’informazione nervosa. Nelle sinapsi chimiche il neurotrasmettitore si lega ai

canali ionici che aprendosi provocano depolarizzazione.

- La soglia: è un valore preciso del potenziale che se superato innesca il PA, questo valore non

dipende né dall’intensità né dall’ampiezza della corrente (sopra soglia).

- Fase di depolarizzazione rapida: ha luogo una volta superato lo stimolo, poi prosegue in

modo indipendente da esso fino ad annullare il potenziale o addirittura invertirlo. Questa

eccedenza del potenziale prosegue fino ad un valore di picco raggiunto il quale si inverte.

- Fase di Ripolarizzazione: riporta il potenziale verso il suo valore di riposo, è diversa in base alla cellula in cui avviene,

esempio nei cardiomiociti è lente e comprende tre fasi: di ripolarizzazione precoce, di plateau e di ripolarizzazione tardiva.

- Fase di Iperpolarizzazione postuma: il valore del Vm è più negativo di quello di riposo.

La refrattarietà:

è un intervallo di tempo successivo, dall’insorgenza del potenziale d’azione in cui la cellula presenta una variazione della sua

eccitabilità. Questa è distinta in due periodi quello assoluto e quello relativo e ha durata dell’intera depolarizzazione e parte della

ripolarizzazione. La refrattarietà assoluta è il periodo in cui l’eccitabilità è nulla ovvero qualunque stimolo che dò non evoca il PA.

Mentre la refrattarietà relativa è un periodo in cui l’eccitabilità è ridotta, ovvero per evocare il potenziale d’azione, la cellula

necessita di uno stimolo con ampiezza maggiore del primo. Più lo stimolo arriva vicino al precedente più deve essere intenso,

comprende la fase finale della ripolarizzazione e tutta la ripolarizzazione postuma.

La genesi ionica del potenziale d’azione:

nell’esperimento condotto sull’assone gigante del calamaro, viene stimolata la membrana

dell’assone con gradini molto polarizzati (+20mV). In risposta allo stimolo viene registrata una

corrente ionica che mostra due fasi, la prima, più rapida composta da un picco che poi si annulla e

la seconda, più lenta, che si assesta a valori stazionari. Rianalizzando le fasi del potenziale:

à

-condizione di riposo il Vm=-80mV ed i canali Nav e Kv sono chiusi

à

- depolarizzazione rapida quando arriva lo stimolo il potenziale si depolarizza, i canali del

sodio si aprono mentre quelli del potassio iniziano ad aprirsi più lentamente. La I netta entrante

Na

innesca la depolarizzazione rapida portando Vm vicino suo al potenziale di equilibrio di 35mV. In

questo momento il potenziale è polarizzato verso E ma non lo raggiunge per tre motivi primo la

Na

depolarizzazione inattiva i Nav, così da impedire il flusso di Na entrante. In questo modo anche la corrente c diminuisce

avvicinandosi al suo potenziale E riducendo anche la driving force ed infine i canali Kv aprendosi, generano una corrente uscente

Na,

che iperpolarizza la membrana.

à

- Ripolarizzazione del PA con l’inattivazione dei Nav e l’apertura dei Kv il potenziale inizia a ripolarizzarsi verso il E -90mV.

K

à

- Iperpolarizzazione postuma spinge il potenziale verso il suo valore di riposo perché con la ripolarizzazione i canali Kv iniziano

a chiudersi. La I spinge il potenziale verso quello di equilibrio del potassio definendo una iperpolarizzazione postuma, che si

K

esaurisce nel tempo in cui i Kv si chiudono riportando il Vm al potenziale di riposo.

Riassumendo i Nav e Kv innescano due processi, i primi a feedback positivo perché cercano di portare il potenziale di membrana

verso E . I secondi a feedback negativo stabilizzante per lo stesso motivo. Il valore di soglia del potenziale è dovuto alle correnti

Na

di leakage che stabilizzano il Vm verso E . Con lo stimolo la membrana si allontana dal potenziale di equilibrio del potassio

K

avvicinandosi a quello del sodio se la sua ampiezza è compresa tra -70 e -60 allora K ha conduttanza maggiore e il Vm si ripolarizza.

Se invece lo stimolo ha intensità sufficiente da reclutare i Nav l’equilibrio si sposta facendo partire il potenziale d’azione.

Durante il periodo di refrattarietà assoluta se lo stimolo viene dato durante la fase di depolarizzazione i Nav possono esserne

influenzati mentre se arriva durante la fase di ripolarizzazione non rispondono. Durante la refrattarietà relativa i Nav si stanno de-

attivando mentre i Kv si stanno attivando; quindi, con l’insorgere di un nuovo stimolo viene generata una I che deve vincere la

Na

I per generare un nuovo PA.

K

Il trasferimento dell’informazione nervosa:

a livello neuronale il potenziale d’azione rappresenta la trasmissione dell’informazione, il sistema nervoso però utilizza anche altri

segnali detti segnali o risposte graduali in cui la variazione del potenziale segue le variazioni di ampiezza e durata dello stimolo.

Sia le risposte di tipo tutto o nulla che quelle graduali si propagano lungo la superficie della membrana spontaneamente. Lo stimolo

depolarizza aggiungendo cariche + sul versante interno della cellula provocando un inversione, nella zona, di polarità del potenziale.

Questa inversione è dovuta ad un eccesso di cariche positive all’interno e da un eccesso di cariche negative all’esterno della

membrana, e provoca un gradiente di carica. Questo gradiente da vita alle correnti elettrotoniche che sul lato intracellulare portano

cariche + dalla zona attiva a quelle intorno, mentre sul lato esterno sottraggono cariche + dalle zone circostanti. L’effetto

complessivo è quello di diffondere la depolarizzazione dalle zone attive a quelle inattive, e