Fisiologia cellulare - appunti

K

attraverso la membrana in funzione del V imposto. Si ammetta inizialmente che non esista un

m

gradiente di [K ] a cavallo della membrana. Si iniettino cariche negative (entranti) nella cellula

+

grazie all’amplificatore, che iperpolarizzano il V . Questo crea un gradiente elettrico che attrae il

m

K verso l’interno, generando una I entrante. Poi con un amplificatore si iniettano cariche positive

K

nella cellula, che depolarizzano il V . Questo crea un gradiente elettrico che spinge il K verso

m

l’esterno, generando una I uscente

K

Quindi in una situazione sperimentale in cui non esiste un gradiente chimico (E = 0mV) la

K

relazione corrente-voltaggio (I/V) viene descritta dalla relazione: I = g V

K K m

Caso simile alla realtà: esiste un gradiente chimico per il K a cavallo della membrana la I viene

+ → K

descritta dalla Legge di Ohm modificata. In particolare, si consideri una differenza di

concentrazioni [K ] >> [K] tale per cui esiste si ha E = -80mV. Si immagini di iniettare cariche

+ i o K

negative nella cellula in modo da iperpolarizzare la membrana e spostare il V = -80mV. Allora,

m

la I in base alla Legge di Ohm Modificata risulta: I = g (-80V – (-80V ) = 0pA

K K K m m)

È possibile capire se una corrente è depolarizzante, quindi eccitatoria o iperpolarizzante, quindi

inibitoria, a seconda del V .

m

La permeabilità di una membrana nei confronti di uno ione, per i quali esistono canali ionici

selettivi, può essere rappresentato dal punto di vista elettrico da un resistore di una certa

conduttanza collegato in serie con una batteria a rappresentarne il

gradiente di concentrazione dello ione stesso. Tuttavia, è noto che

sulla membrana plasmatica esistono più canali ionici in grado di far

fluire diversi ioni (Na , K , Cl ).

+ + -

La corrente I che fluisce all’interno di ogni maglia del circuito viene

descritta grazie alla Legge di Ohm modificata. In base alla Prima legge

di Kirchhoff, la corrente netta circolante è la somma algebrica delle

singole correnti ioniche.

Conduttanze variabili: prima erano conduttanze costanti, dovute alla presenza di canali ionici

sempre aperti (leakage), che variano in funzione del voltaggio (V ).

m

Tenendo conto che il potenziale di diffusione è caratterizzato dal fatto che in ogni istante, esiste

un equilibrio elettrico, tale per cui flusso ionico netto è nullo, + = 0, così si ottiene

un’equazione che consente di risalire al V della cellula in funzione delle conduttanze e dei

m

potenziali di equilibrio delle singole specie ioniche permeanti la membrana.

Equazione indipendente dalla permeabilità ionica, ma dipendente dalle conduttanze ioniche:

Circuito elettrico equivalente della Membrana

La membrana plasmatica è costituita da un doppio strato fosfolipidico

elettricamente isolante che separa due mezzi conduttori ossia le

soluzioni ioniche intra- ed extracellulari rende la membrana plasmatica

equiparabile ad un elemento circuitale elettrico ben specifico:

Il bilayer lipidico come un condensatore

Il bilayer lipidico è elettricamente equiparabile ad un condensatore piano, solitamente formato

da due piastre parallele, ciascuna con un'area (A) separate da una distanza (a) in cui si trova un

mezzo isolante (dielettrico) e che ha la proprietà di separare e accumulare una quantità di cariche

elettriche (Q) sulle piastre metalliche in funzione della differenza di potenziale (ΔV).

La capacità C [F] del condensatore è una misura della quantità di carica Q presente sulle piastre

in corrispondenza di una certa differenza di potenziale elettrico.

a) Dipende da caratteristiche geometriche e strutturali del condensatore. Sulla base

delle caratteristiche geometriche, un condensatore piano, la capacità C è descritta

dall’equazione con costante dielettrica relativa, che quantifica la

= ℇ ℇ

tendenza di un materiale a contrastare l’intensità del campo elettrico interno;

b) Il caricamento delle piastre del condensatore, conseguente all’applicazione di una

differenza di potenziale (ΔV) ai suoi capi induce una corrente capacitiva (I ), che

C

dipende dalle variazioni del voltaggio in funzione del tempo: =

Quindi, la I scorre solo quando esiste una variazione del potenziale(dV) tra le due piastre del

c

condensatore, mentre se non esiste una variazione del potenziale nel tempo allora I = 0.

c

Sia dato un circuito elettrico contenente un condensatore, grazie ad un generatore di tensione V 0

si applica una tensione V , che induce l’insorgenza di una corrente capacitiva I che carica il

c c

condensatore. Il passaggio della corrente capacitiva I è però transiente e limitata nel tempo alla

c

fase di caricamento del condensatore.

In particolare, la variazione nel tempo della corrente capacitiva I segue cinetiche di tipo mono-

c

−

esponenziali: Analogamente, il potenziale cresce esponenzialmente nel tempo

= ( ).

−

durante il caricamento del condensatore: = (1 − )

() 0

Circuito elettrico equivalente della membrana completo

Tenendo conto delle sue caratteristiche strutturali,

la membrana plasmatica è correttamente

rappresentata come un circuito RC, costituito da un

resistore R dotato di conduttanza data dai i canali

ionici (componente resistiva), e un condensatore C

con una capacità data dal doppio strato

fosfolipidico (componente capacitiva).

La corrente I che fluisce è descrivibile con la legge

m

di Kirchhoff:

= + ( − )

Effetti: la presenza della componente capacitiva nel circuito RC introduce una tempo-dipendenza

della variazione del V , in quanto la corrente iniettata nel circuito RC fluisce prima nel ramo

m

capacitivo e poi in quello resistivo determinando il cambiamento di V .

m

−

Valore di V (t): con , ovvero il tempo necessario affinchè

= + ( − )(1 − ) =

m 0 0

l’aumento di V sia uguale al 63% di V – V

m f 0

Potenziale d’azione

Fino ad ora si è considerato il comportamento bioelettrico di cellule non eccitabili (eritrociti), nelle

quali qualsiasi variazione del V indotta da uno stimolo tende ad essere smorzata. Il V ritorna

m m

spontaneamente al valore di equilibrio o di riposo (V ) dopo che la perturbazione che l’ha

rest

prodotta viene meno.

Uno stimolo (corrente uscente/positiva la cellula) che cambia il V in direzione negativa si

• m

dice iperpolarizzante. La deflessione del V viene detta iperpolarizzazione;

m

Uno stimolo (corrente entrante/negativa la cellula) che cambia il V in direzione positiva si

• m

dice depolarizzante. La deflessione del V viene detta depolarizzazione.

m

NB: il ritorno da una depolarizzazione al V è definita ripolarizzazione del V .

rest m

Invece, nelle cellule eccitabili, se la membrana viene depolarizzata oltre un certo potenziale

(potenziale soglia) la cellula eccitabile genera un’ampia e transitoria escursione del suo V →

m

superata la soglia, la variazione del V si manifesta in tutta la sua ampiezza e durata indipendente

m

dalla persistenza dello stimolo scatenante: fenomeni Tutto o Nulla.

Questa escursione del V in risposta ad uno stimolo depolarizzante soprasoglia prende il nome

m

di potenziale d’azione.

Vantaggi del generare un fenomeno bioelettrico come iI potenziale d’azione, evento tutto-o-nulla

che si riproduce sempre uguale a stesso una volta evocato da uno stimolo soprasoglia:

a) Trasferire l’informazione lungo le reti neurali senza perdere parte di questa

informazione durante il trasferimento (natura digitale dell’informazione neurale);

b) Promuovere e modulare rapidamente importanti funzioni cellulari, come il

potenziale d’azione cardiaco accoppiato alla contrazione e al rilasciamento del

miocardio.

Caratteristiche generali del Potenziale d’Azione

Il PA è descrivibile come un’ampia e transitoria depolarizzazione del V ed è caratterizzato da una

m

serie di fasi sequenziali:

• Una fase iniziale di rapida depolarizzazione;

• Seguita da un’inversione di polarità (Overshoot);

• Seguita da una ripolarizzazione verso il V .

rest

La diversa durata del PA, in base al tipo di cellula, rispecchia anche la diversa funzione del PA nei

segnali elettrici.

1° Base o Piede

Il PA insorge solo quando il V raggiunge un valore soglia, depolarizzato rispetto al V , si tratta

m rest

della fase di depolarizzazione che porta il V alla soglia e viene indotta da due meccanismi:

m

1. Input Sperimentale durante l’esperimento, lo sperimentato può iniettare correnti

→

depolarizzanti nel neurone in grado di depolarizzarlo a soglia;

2. Input Sinaptico all’interno delle reti neurali la depolarizzazione del piede può insorgere

→

come effetto dei processi di trasmissione dell’informazione nervosa che hanno luogo a

livello delle sinapsi, cioè i punti di contatto tra neuroni differenti;

3. Input Endogeno, in alcune cellule, la corrente depolarizzante corrente è generata

automaticamente e ciclicamente dalla cellula stessa.

2° La soglia

La soglia è un valore preciso del V che, se superato, innesca il PA.

m

Una corrente depolarizzante sotto-liminare o sottosoglia è una corrente incapace di

• innescare un PA; che induce variazioni di V monoesponenziali, che si estinguono quando

m

lo stimolo viene meno;

Una corrente depolarizzante liminare o a soglia è una corrente in grado di portare il V alla

• m

soglia e indurre il PA;

Una corrente depolarizzante sovra-liminare o soprasoglia è uno stimolo eccedente quello

• richiesto per raggiungere la soglia, ma genera un PA identico a quello indotto da uno

stimolo liminare.

3° Fase di Depolarizzazione Rapida

Una volta raggiunta o superata la soglia, si innescano nella membrana meccanismi molecolari

auto-rigenerativi che inducono una depolarizzazione rapida. Questa prosegue in modo

indipendente dallo stimolo fino ad annullarne la polarità (0 mV) e ad invertirla (eccedenza).

L’eccedenza prosegue fino a un valore di picco, raggiunto il quale la traiettoria del PA si inverte.

4° Fase di Ripolarizzazione

La ripolarizzazione riporta il V verso il V da cui il PA era partito ed è la fase più diversificata nei

m rest

diversi tipi cellulari: nei