Appunti per il primo esonero di Fisiologia generale

POTENZIALE DI EQUILIBRIO

In una cellula il potassio è più concentrato

all’interno rispetto all’esterno, questo

tende ad uscire dalla cellula grazie al

gradiente chimico ma, uscendo permette

l’aumento delle cariche negative all’interno

della cellula provocando una differenza di

cariche elettriche che porta il potassio a

rientrare all’interno. Quando il gradiente

chimico e quello elettrico si compensano si

ha il potenziale di equilibrio del potassio che

equivale a -94,2 mV. Per calcolarlo si parte

dall’equazione di Van’t Hoff ma, poiché si

parla di forze sia chimiche che elettriche, si

aggiunge la valenza dello ione, la costante di

Faraday e il potenziale di membrana.

Ponendo il DG=0 si ha l’equazione di Nernst

che determina il potenziale di equilibrio di

tutti gli ioni. Per il sodio il funzionamento è

analogo, per gradiente chimico entra

all’interno aumentando le cariche positive,

per gradiente elettrico esce e quando

queste forze si eguagliano si arriva al suo

potenziale di equilibrio che equivale a +60,1

mV. La cellula è più permeabile al potassio

rispetto al sodio, infatti il potenziale di

equilibrio di quest’ultimo non contribuisce

al potenziale di membrana, in quanto i canali

del sodio sono chiusi mentre quelli del al

potassio aperti. Esperimento di Donnan

Donnan fu il primo a scoprire che le proteine influenzano il

potenziale di membrana in quanto ioni non diffusibili. Il

cloro passa nella zona 2 per gradiente chimico, portando

con se il potassio per gradiente elettrico. Nel tempo il

potassio si sposta nella zona 1 per gradiente chimico e il

cloro per gradiente elettrico. All’equilibrio i gradienti sono

uguali e il flusso netto è zero.

Dall’esperimento di Donnan emergono due conseguenze fondamentali, ovvero che la concentrazione

degli ioni in grado di attraversare la membrana è tanto maggiore nel lato dove si trova lo ione che

non è in grado di attraversarla. Per garantire l’elettroneutralità allora gli ioni diffusibili devono

passare la membrana in coppia.

Per molto tempo il potenziale di membrana è stato ritenuto conseguenza dell’instaurarsi

dell’equilibrio di Donnan ma sperimentalmente non è così.

La membrana è permeabile a ioni differenti, i canali ionici hanno gradi di apertura diversi e la

presenza di trasporto attivo provocano l’instaurarsi di uno stato stazionario che non coincide

con l’equilibrio elettrochimico delle specie.

Equazione di Goldman, Hodgkin-Katz

Grazie all’intuizione di Donnan che la permeabilità determinava il potenziale di membrana si è

compreso che anche le concentrazioni influivano sul valore reale, tramite l’equazione di Goldman,

Hodgkin-Katz si è arrivati ad un potenziale di membrana di circa -70,6 mV. La lieve ripolarizzazione è

data dalla lieve entrata di sodio che contrasta il gradiente chimico.

Il potenziale di membrana a riposo è quindi determinato dal gradiente chimico delle specie ioniche,

dalla permeabilità della membrana al potassio e al sodio e dalla pompa sodio/potassio che equilibra la

concentrazione delle sue specie ai lati della membrana.

Dissipazione gradienti ionici

I canali ionici modificano la permeabilità della membrana alle varie specie chimiche, poiché la

membrana è più permeabile al potassio rispetto al sodio il rischio è quello di dissipare il gradiente

ionico. Questo viene impedito dal lavoro della pompa sodio/potassio che è elettrogenica.

DEFINIZIONE DEL POTENZIALE DI MEMBRANA

È un potenziale elettrochimico che si origina per

distribuzione asimmetrica degli ioni e permeabilità

selettiva della membrana. È quindi il risultato di tutti

i processi chimico-fisici che avvengono ai lati della

membrana e che determinano una concentrazione

ionica di stato stazionario, generata da flussi

attivi o passivi che distribuiscono gli ioni in modo

disuguale. ECCITABILITÀ

Un segnale elettrico è un movimento di cariche elettriche

attraverso la membrana ed è generato dall’apertura o chiusura

dei canali ionici a cancello. I gradienti di concentrazione non

sono invertiti, l’inversione avviene solo vicino al canale e non su

tutta la membrana, le concentrazioni degli ioni rimangono

invariate.

Il cambiamento del potenziale di membrana a riposo è distinto in:

potenziale graduato (elettrotonico): segnale ad entità

• variabile che si estende per piccole distanze e si smorza lungo

la cellula, rappresenta la risposta passiva della cellula;

Potenziale d’azione: ampia depolarizzazione di entità

• costante che viaggia per lunghe distanze senza perdere

d’intensità, rappresenta la risposta attiva della cellula.

Potenziale graduato

La loro ampiezza è direttamente proporzionale alla forza

dell’evento che li ha scatenati, si verificano nei dendriti, nel

soma ma raramente nell’assone, il flusso di corrente locale è

costante e scatena vari tipi di stimoli.

Le cellule eccitabili prendono parte del sistema scheletrico,

liscio, cardiaco, muscolare e neuronale: nel momento in cui

arriva uno stimolo al soma del bottone sinaptico si induce

l’apertura dei canali per il sodio voltaggio dipendenti, mano a

mano che lo stimolo arriva all’assone tende a dissiparsi per

l’aumento della resistenza del citoplasma che si oppone al

passaggio di corrente. Se lo stimolo è abbastanza forte da

superare la zona trigger (-55 mV), si aprono i canali per il

sodio voltaggio dipendenti a doppio cancello che

depolarizzano la membrana e innescano il potenziale

d’azione; quest’ultimo si propaga fino alle sinapsi che

liberano un neurotrasmettitore. La risposta attiva è di tipo

o TUTTO o NULLA, una volta innescata non si può bloccare.

Tipi di stimoli

213 Gli stimoli possono essere:

1. Subliminari: non raggiungono il valore soglia;

2. Liminari: raggiunge il valore soglia innescando il potenziale

1 d’azione;

3. Sopraliminari: innesca il potenziale d’azione che non si

modifica.

La soglia trigger si trova intorno ai -55 mV, una volta superata

da uno stimolo liminare o sopraliminare insorge il potenziale

d’azione. L’ampiezza del potenziale è indipendente dall’intensità

dello stimolo, anche se fortissimo l’ampiezza rimane la stessa

però può cambiare la frequenza degli stimoli che provocano il

rilascio di un maggior numero di neurotrasmettitori.

Fasi del potenziale

1. Depolarizzazione: inversione del potenziale di

membrana dovuto all’entrata del sodio, da

negativo a positivo;

2. Ripolarizzazione: il potenziale di membrana

torna al potenziale di riposo o oltre con

l’iperpolarizzazione.

Come mai i canali del sodio che si aprono per

depolarizzazione si chiudono prima di raggiungere

l’equilibrio elettrochimico a 60 mv?

I canali del sodio sono voltaggio dipendenti a

doppio cancello, significa che i due cancelli

rispondono in modo diverso alle variazioni del

potenziale. Inizialmente il cancello è chiuso, a -55

mV si apre e il 2° è già aperto permettendo

l’entrata di sodio, quando arriva a +30 mV si chiude

il 2° cancello inattivando il canale. Refrattarietà

È il periodo di tempo in cui la cellula eccitabile

non risponde ad uno stimolo efficace a seguito

di un primo stimolo, è divisa in:

assoluta: un secondo stimolo non forma un

• potenziale d’azione e corrisponde al tempo

di inattivazione dei canali del sodio a doppio

cancello;

Relativa: un secondo stimolo, che deve

• essere maggiore perché la soglia è più alta,

provoca un potenziale d’azione di ampiezza

minore rispetto al primo, comincia con

l’uscita del potassio e dura finchè il

potenziale d’azione non torna a riposo.

Potenziale postumo

Rappresenta la fase di iperpolarizzazione dovuta alla lenta chiusura dei canali del potassio, si

verifica solo nel neurone e non nella cellula muscolare. È l’unico esempio di risposta o tutto o nulla in

fisiologia.

CONCETTO DI ACCOMODAZIONE

Fenomeno che consiste in un aumento progressivo della soglia quando la cellula è sottoposta ad uno

stimolo subliminare continuo. La cellula non lo legge più come una variazione del potenziale d’azione ma

come un cambiamento del potenziale a riposo, innalzando la soglia e richiedendo uno stimolo

superiore. Vale sia per stimoli chimichi che per stimoli elettrici. Il modello di eccitabilità di Hodgkin e

Huxley ha validità generale per tutti i tipi di neuroni, vari tipi di neuroni hanno un diverso livello di

eccitabilità dovuto dai differenti canali voltaggio dipendenti e può essere diverso anche da una zona

all’altra dello stesso neurone.

Aumento della velocità del potenziale d’azione

Nel sistema nervoso per aumentare la velocità di

trasmissione del potenziale d’azione, è stato aumentato il

diametro dell’assone, che oppone minore resistenza al

passaggio di corrente, ed è stato ricoperto di mielina. La

guaina mielinica permette così una conduzione di tipo

saltatorio. Gli assoni corti non hanno guaina mielinica

perché percorrono piccole distanze, mentre quelli lunghi la

presentano per amplificare il segnale.

Nelle patologie demielinizzanti il segnale non si propaga in

modo saltatorio ma si disperde strada facendo.

METODI PER STUDIARE IL POTENZIALE D’AZIONE

voltage clamp: misura le variazioni del potenziale di membrana e il flusso di corrente all’apertura e

• alla chiusura dei canali ionici;

Patch-clamp: studia le correnti generate da un singolo canale e la loro regolazione da parte di ioni

• o molecole.

Comunicazione cellula-ambiente

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La comunicazione cellulare avviene mediante giunzioni cellulari specializzate che sono in contatto fra

di loro e permettono la trasmissione del segnale, prendono il nome di sinapsi.

Le sinapsi immunologiche si instaurano in cellule non eccitabili elettricamente mentre le sinapsi

interneuroniche, citoneurali o neuromuscolari si instaurano in cellule eccitabili elettricamente.

TIPI DI SINAPSI NEURONALI

Le sinapsi sono distinte in elettriche o chimiche, a loro

volta divise in dirette o indirette (mediate da secondi

messaggeri). Entrambe sono formate da un elemento

pre-sinaptico, uno spazio intersinaptico (o vallo) e un

elemento post-sinaptico ma, nel caso della sinapsi

chimica il vallo è più largo rispetto a quelle elettriche.

L’impulso nervoso fluisce sempre in modo

unidirezionale, dall