Appunti Psicolobiologia 1

MOVIMENTO DEGLI IONI:

• Anche se il canale è aperto, non deve essere necessariamente attraversato.

• C’è bisogno di forze esterne che permettono agli ioni di attraversare il canale, che sono la

diffusione e l’elettricità.

1. LA DIFFUSIONE

E’ il passaggio continuo e dinamico degli ioni da regioni ad alta

concentrazione a regioni a bassa concentrazione, dipendente dalla

temperatura.

Questa differenza di concentrazione è detto gradiente di

concentrazione.

Questo passaggio termina quando si raggiunge un equilibrio su

entrambi i lati della membrana permeabile.

Quindi gli ioni si muovono quando:

a) La membrana ha dei canali che la rendono permeabile

b) Esiste un gradiente di concentrazione attraverso la membrana

2. L’ELETTRICITA’

Gli ioni sono particelle cariche, quindi il passaggio di ioni (di cariche) attraverso la membrana

produce un campo elettrico.

Cariche simili si respingono e cariche opposte si attraggono.

Corrente elettrica: è espressa in Ampere (A) e indica la quantità di cariche che si muovono. Le

cariche positive si muovono verso il catodo (polo negativo) e quelle negative verso l’anodo (polo

positivo).

La corrente è detta negativa quando dal catodo va all’anodo ed è detta positiva quando va

dall’anodo al catodo.

Fattori che determinano la quantità di corrente elettrica:

1. Potenziale elettrico o voltaggio (volt-V): forza esercitata su una particella; in questo caso è

data dalla differenza di carica tra anodo e catodo, che quindi crea un flusso di corrente.

2. Conduttanza elettrica: (simbolo g, espressa in Siemens) facilità con cui una carica può

migrare da un polo all’altro polo. Essa dipende dal numero di ioni che portano cariche

elettriche e dalla facilità con cui esse possono viaggiare.

Resistenza elettrica: (simbolo R, espressa in Ohm) difficoltà con cui

può migrare una carica elettrica. La resistenza è l’inverso della

conduttanza elettrica: R=1/g

La legge di Ohm mette in relazione la quantità di corrente elettrica

che scorre, la conduttanza elettrica e il potenziale elettrico o

voltaggio:

I= gV

Se g= 0, I=0, anche se V>0

Se V=0, I=0, anche se g>0

Ioni elettricamente carichi posti in soluzione sui due lati di una

membrana possono attraversarla solo se sono presenti i canali

proteici, altamente selettivi.

Il movimento degli ioni attraverso il proprio canale dipende dal

gradiente di concentrazione e dalla differenza di potenziale

elettrico attraverso la membrana. POTENZIALE DI MEMBRANA

La membrana cellulare ha un potenziale elettrico, detto potenziale di membrana (Vm), che

corrisponde al voltaggio presente attraverso la membrana neuronale, ovvero alle concentrazioni

ioniche sui lati della membrana.

Come si può misurare il potenziale di membrana?

Immergendo un microelettrodo nel citosol.

Microelettrodo: tubicino di vetro con punta molto sottile,

riempito con soluzione elettroconduttrice, collegato al

voltmetro con un filo.

Voltimetro: strumento che consente di misurare la differenza

di potenziale elettrico tra la punta del microelettrodo e filo

esterno.

Il risultato è che la carica elettrica non è uniforme ai lati della

membrana, in particolare l’interno è più negativo dall’esterno.

POTENZIALE DI EQUILIBRIO

Significativi cambiamenti del potenziale di membrana sono causati da minuscoli cambiamenti di

concentrazione ionica.

La differenza netta di carica elettrica si presenta in corrispondenza della

sua superficie interna e di quella esterna della membrana. (capacità

elettrica di addensare cariche elettriche ai lati della membrana).

Il doppio strato fosfolipidico è molto sottile, quindi gli ioni presenti su un

lato della membrana interagiscono elettrostaticamente con gli ioni

presenti sull’altro lato.

La quantità di ioni che si dirigono attraverso la membrana è

proporzionale alla differenza tra il potenziale di membrana e il

potenziale di equilibrio (Vm- Eion).

Questa differenza è chiamata forza di conduzione ionica.

Il movimento di ioni k+ si ha fino a quando il potenziale elettrico di

membrana è differente dal potenziale di equilibrio.

Se la differenza di concentrazione per un dato ione attraverso la membrana è noto,

si può calcolare il potenziale di equilibrio per quello ione.

Es. Na+ più concentrato all’esterno della cellula

Canali selettivi consentono a Na+ di entrare nella cellula.

L’aumento di positività netta rispinge fuori gli ioni Na+

Potenziale di equilibrio positivo all’interno della cellula

Ciascuno ione ha il suo potenziale di equilibrio (Ek, Ecl, Eca)

Se conosciamo la carica elettrica dello ione e la differenza di concentrazione

attraverso la membrana, possiamo dedurre la carica dell’interno della cellula al

potenziale di equilibrio.

Equazione di NERNST: Nernst stabilisce un valore esatto del potenziale di equilibrio

(Vm) considerando la carica ionica, la temperatura, rapporto concentrazione ionica

interna/esterna.

Quindi il potenziale di equilibrio è dato dal bilanciamento di due fattori:

1. La diffusione: spinge gli ioni secondo il proprio gradiente di concentrazione

2. La corrente elettrica: tendenza degli ioni ad essere attratti da cariche diverse e respinti da

cariche uguali.

L’incremento dell’energia termica aumenta la diffusione e, di conseguenza, accresce le differenze

di potenziale d’equilibrio.

Le pompe ioniche presenti nella membrana neuronale sono due:

1. La pompa sodio-potassio: enzima che usa l’energia dell’idrolisi dell’ATP per far spostare il

sodio e il potassio.

Questa pompa richiede molta energia perché gli ioni sono spinti contro il loro gradiente di

concentrazione: circa il 70% di ATP usato nel cervello.

Il potassio è in concentrazione maggiore all’interno, mentre il sodio ha una concentrazione maggiore

all’esterno. Questa pompa quindi sposta il k+ verso l’interno e Na+ verso l’esterno.

2. La pompa del calcio: enzima che trasporta attivamente Ca2+ all’esterno della cellula.

Per ridurre il calcio ci sono anche altri meccanismi, come delle proteine che legano il calcio e lo

trasportano all’esterno della cellula, oppure è assorbito dai mitocondri o il RE.

EQUAZIONE DI GOLDMAN

Il potenziale di membrana a riposo (di -65 mV) può essere calcolata con un’equazione proposta da

Goldman.

L’equazione serve quindi a quantificare la permeabilità ionica della membrana a riposo, in

particolare si è visto che la permeabilità della membrana è alta nei confronti di k+ e bassa verso Na+.

Il risultato dell’equazione quindi è -65 mV.

IMPORTANZA DEI CANALI:

Per comprendere l’importanza del giusto funzionamento dei canali per il potassio sono stati fatti

una serie di esperimenti:

Esperimento sulle drosofile: si è visto che un difetto nei canali per il potassio causavano una

mutazione.

I canali per il potassio sono costituiti da 4 subunità diverse, ma egualmente selettive per il k+,

disposte insieme a formare un poro.

Un ripiegamento interno del poro, crea una sorta di filtro, che conferisce selettività al canale solo

per il potassio.

Scoperta fatta da MacKinnon e Miller: la tossina del veleno di uno scorpione blocca i canali per il

potassio legandosi ad un sito nel poro del canale, avvelenando la vittima.

Inoltre sono stati anche in grado di sequenziare gli amminoacidi e il filtro di selettività dei canali; e

svelarono la struttura tridimensionale dei canali per il potassio.

C’è anche un nesso causale tra le mutazioni di specifici canali per il calcio e i disturbi neurologici

ereditari.

PERCHE’ E’ IMPORTANTE REGOLARE LA CONCENTRAZIONE ESTERNA DI POTASSIO?

• E’ importante regolare la concentrazione esterna di potassio perché il potenziale di

membrana dipende da questa concentrazione.

La membrana cellulare è molto permeabile al potassio, quindi è sensibile ai suoi cambiamenti di

concentrazione extracellulare.

Un incremento del potassio nel liquido extracellulare depolarizza i neuroni.

La depolarizzazione è il cambiamento del potenziale di membrana da -65 mV a meno negativo.

• Gli astrociti assorbono il potassio quando la sua concentrazione aumenta e questo

meccanismo è detto tampone spaziale per il potassio.

• La barriera ematoencefalica limita il movimento di k+ nel fluido extracellulare.

IL POTENZIALE D’AZIONE

E’ un cambiamento molto rapido del potenziale a riposo. Poiché la membrana a riposo è carica

all’interno negativamente rispetto l’esterno, il potenziale d’azione rende positivo l’interno rispetto

l’esterno.

La frequenza e la distribuzione dei potenziali d’azione sono dei codici usati per trasferire le

informazioni.

L’ampiezza e la durata sono costanti durante la propagazione, cioè restano uguali lungo l’assone

fino al bottone terminale.

Lo strumento che consente la registrazione del cambiamento di voltaggio nel tempo (che appunto

è molto rapido) è l’oscilloscopio.

Il potenziale d’azione si presenta come delle onde sull’oscilloscopio, che possiamo distinguere in 4

fasi (durata complessiva di 2ms):

1. Fase ascendente: (salita nel grafico) rapida depolarizzazione della membrana fino a Vm= 40

mV

2. Potenziale a punta (overshoot): corrisponde al picco di 40 mV

3. Fase discendente: ripolarizzazione della membrana

4. Iperpolarizzazione (undershoot): fase in cui il potenziale di membrana sarà più negativo del

potenziale di membrana a riposo

Immaginiamo che una puntina entri nel piede, accade che i neuroni hanno delle fibre nervose che

sono messe in tensione, a causa del dolore, e si aprono i canali permeabili al sodio, quindi c’è una

depolarizzazione della membrana.

La depolarizzazione diventa un potenziale generatore, cioè genera un potenziale d’azione quando

raggiunge un valore critico detto soglia.

Quindi se la depolarizzazione non raggiunge la soglia non genera il potenziale d’azione.

La depolarizzazione può essere prodotta da qualsiasi stimolo esterno che sia visivo, uditivo etc.

Es. lo stiramento muscolare.

Il potenziale d’azione è detto tutto o nulla, perché o è generato e mantiene sempre la stessa

ampiezza o non è generato affatto: se il potenziale di membrana supera il livello soglia genera il

potenziale d’azione, altrimenti non lo genera.

In corrispondenza del picco il potenziale di membrana cambia di segno: l’interno della cellula

diventa positivo.

GENERAZIONE DI POTENZIALI MULTIPLI:

La corrente continua che arriva e depolarizza la membrana gene