1° Modulo esame "Fondamenti anatomo-fisiologici dei processi psichici"

PRIMO MODULO

Lezione del

04.03.09

POTENZIALE di

AZIONE

Le cellule, non solo quelle nervose, hanno un potenziale di membrana Vm. La

membrana è PARZIALMENTE permeabile, alcune specie ioniche possono

attraversarla, i movimenti delle specie ioniche permeabili sono limitati dal fatto che

non vi è solo un gradiente di concentrazione, ma anche un gradiente elettrico dovuto

alla presenza di cariche che non possono muoversi.

La situazione di equilibrio per ogni specie ionica è calcolabile con un’equazione che

tiene conto dell’equilibrio elettrochimico (spinta data dalla differenza di

concentrazione e spinta data dalle differenze di potenziale elettrico).

DENTRO le cellule vi sono abbondanti ioni POTASSIO K+ , ioni Cloro Cl- e ioni

Sodio Na+ in concentrazioni minori e molecole negative di grosse dimensioni A-

assolutamente incapaci di attraversare la membrana.

Nei liquidi EXTRACELLULARI gli ioni più abbondanti sono invece il Sodio Na+ e il

Cloro Cl- (acqua di mare).

La membrana è abbastanza permeabile al K+ quindi si è verificato se il Vr delle cellule

nervose può essere approssimato con una permeabilità esclusiva agli ioni K+.

Date le concentrazioni di K+ intracellulare ed extracellulare, e data l’equazione di

Nernst, il Vm delle cellule nervose se l’unica specie ionica positiva fosse il potassio,

sarebbe di – 75 mV.

– 75 mV è il potenziale di EQUILIBRIO del Potassio, ovvero quel Vm per cui NON

c’è movimento netto di ioni Potassio perché questi si trovano in equilibrio tra la forza

che tenderebbe a farli USCIRE per gradiente di concentrazione e la forza elettrica che

tenderebbe a farli ENTRARE perché è uno ione positivo e l’interno della cellula è

negativo.

Il potenziale di equilibrio del Potassio NON è uguale al Potenziale di RIPOSO delle

cellule nervose.

POTENZIALE di MEMBRANA

Il potenziale di membrana delle cellule GLIALI è predicibile con l’equazione di

Nernst, il potenziale di riposo delle cellule nervose no. Serve l’equazione di Golmann

(Nernst PESATO con la permeabilità).

Il Vm è una media pesata dei contributi delle concentrazioni ioniche degli ioni

permeanti (interruz.)

Si esaminano dunque anche le altre specie ioniche permeabili ed applico l’equazione di

Nernst.

POTENZIALI di EQUILIBRIO

Potassio (K+) = - 75 mV

Sodio (Na+) = + 55 mV

Cloro (Cl-) = - 65 mV

L’unica specie che potrebbe essere davvero all’equilibrio è il Cloro.

Il potenziale di RIPOSO delle cellule nervose NON è un equilibrio STABILE, ma è un

equilibrio STAZIONARIO ovvero viene mantenuto quel valore di potenziale di riposo

ma la cellula deve comunque impiegare energia.

Il Sodio ha una forza molto forte che tende a farlo ENTRARE ma la membrana però è

poco permeabile al Sodio. La corrente sodio in entrata dovrebbe dunque essere uguale

e contraria alla corrente di Potassio in USCITA che al contrario ha una piccola forza

spingente, ma una grande permeabilità di membrana. Il cloro è all’equilibrio quindi

non c’è corrente netta.

Le correnti ioniche, farebbero cambiare le concentrazioni, esiste dunque un

meccanismo che CONTROBILANCIA i flussi ionici passivi.

SOGLIA per l’INNESCO del PdA

Soltanto le depolarizzazioni che superano il valore soglia INNESCANO il PdA.

La soglia esiste perché c’è un meccanismo automatico di controbilanciamento della

corrente del Sodio attivata dalla depolarizzazione che è la corrente Potassio passiva la

quale aumenta di ampiezza quando la membrana si depolarizza perché aumenta la

FEM.

Questo meccanismo automatico di controbilancio della corrente sodio, fa sì che non

tutte le correnti Sodio voltaggio dipendenti attivate sono in grado di innescare un ciclo

autorigenerativo. E’ necessario che la corrente sodio Vdip SUPERI il valore istantaneo

della corrente Potassio passiva.

Quindi, la depolarizzazione apre i canali Na+ vdip, ma soltanto per quelle

depolarizzazioni per cui la corrente Na+ vdp SUPERA la corrente K+ passiva

s’innesca il PdA.

SCHEMA

RIASSUNTIVO FASE

ASCENDENTE del

PdA

La fase ascendente del PdA è MOLTO RAPIDA e porta il Vm fino a valori superiori

ai + 40 mV perché quando si supera la soglia, s’innesca un CICLO

AUTORIGENERATIVO per cui la corrente sodio aumenta rapidamente.

Il valore raggiunto, + 40 mV dipende dal fatto che l’obiettivo di questa corrente

sarebbe far arrivare il Vm al potenziale di equilibrio del Sodio (+ 55 mV), non ci

arriva perché la corrente sodio si inattiva perché la conduttanza al Sodio vdip si

spegna da sola praticamente poche frazioni di millisecondo dopo essersi attivata.

RIPOLARIZZAZIONE RAPIDA

Una corrente Potassio vdip attivata anch’essa dalla depolarizzazione, ma più

tardivamente, che rimuove cariche positive dall’interno (il Potassio esce) e riporta il

Vm a valori vicini al potenziale di riposo.

IPERPOLARIZZAZIONE POSTUMA

La conduttanza Vdip del Potassio rimane attiva per tutto il tempo che la membrana

rimane depolarizzata, quindi la corrente Potassio continua a fluire e la conduttanza

al Potassio attraversa uno stadio in cui è transitoriamente più alta che a riposo (la

membrana è più negativa che a riposo - 75 mV circa).

RITORNO a POTENZIALE di RIPOSO

La corrente Potassio Vdip, una volta che il Vm è tornato a valori negativi si

CHIUDE (dipende dal voltaggio, dalla depolarizzazione)

PERIODO REFRATTARIO ASSOLUTO

Periodo durante il quale la membrana è totalmente incapace di generare un PdA perché

i canali Sodio Vdip si chiudono e entrano in stato di INATTIVABILITA’ (ridiventano

attivabili quando il Vm torna a riposo).

PERIODO REFRATTARIO RELATIVO

Dipende dal fatto che la conduttanza al Potassio è temporaneamente MAGGIORE che

a riposo e quindi per innescare un altro ciclo autorigenerativo, si deve aprire un

numero molto maggiore di canali Sodio Vdip (maggior depolarizzazione).

Lezione 5.3.09

I CANALI IONICI

La membrana è un DOPPIO STRATO LIPIDICO.

IONE K+ rivestito da un guscio di idratazione (composto da molecole

di

acqua)

Gli ioni, per attraversare la membrana dovrebbero liberarsi del GUSCIO di

IDRATAZIONE e per farlo avrebbe bisogno di energia. Quindi gli ioni NON passano

spontaneamente attraverso la membrana.

Un meccanismo è la POMPA Na+K+ è una delle forme di trasporto che richiede

energia perché lavora contro gradiente.

Esperimento

Depolarizzo la membrana di 1 mV (aggiungo un 10 cariche positive dentro e rimuovo

 10 cariche positive da fuori).

Iperpolarizzo la membrana di 1 mV (aggiungo 10 di cariche negative dentro e ne

 rimuovo 10 da fuori)

Dovrei trovare lo stesso numero di cariche dentro e fuori nei due casi.

 Invece noto che quando depolarizzo di 1 mV registro una corrente che mi dice che in

 realtà ho mosso più di 10 cariche.

Quindi si è pensato che ci fossero delle molecole proteiche della membrana che nel

 momento della depolarizzazione cambiano conformazione e comportano il movimento

di Amminoacidi carichi nell’ interno della membrana.

Le altre correnti ioniche, per esempio quelle del PdA passano da MOLECOLE

specializzate per il passaggio degli ioni che posso dividere in due grandi categorie:

1) Le pompe

2) I canali ionici

Le pompe trasportano a spese dell’energia metabolica perché trasportano contro

gradiente

I canali ionici sono delle PORTE: se sono aperti gli ioni passano secondo la loro FEM,

se sono chiusi gli ioni non passano

I canali sono catene proteine integrali disposte nello spazio in modo da formare al loro

interno un PORO acquoso (di misura minuscola, inferiore al nanometro) che mette in

comunicazione il compartimento intracellulare con quello extracellulare

(transmembraniche). Quindi gli ioni, per poter passare da uno spazio così ristretto, si

devono liberare del guscio di idratazione e l’energia per fare questa operazione è molto

alta.

L’energia per liberarsi dal guscio di idratazione è data dal fatto che lo ione sodio che

passa nella parte stretta del canale sostituisce brevemente la molecola di ACQUA (che

si lega al Sodio con la parte negativa che è l’Ossigeno) con un residuo negativo di un

amminoacido della parete del canale, passa e si ripiglia la molecola di acqua.

Il Potassio non lo può fare perché le sue dimensioni non gli permettono di interagire

con gli amminoacidi carichi della parete del poro.

C’è un limite al numero massimo di ioni/sec. che possono passare da un canale. Se

ciascuno ione si ferma per un milionesimo di secondo (per togliersi il guscio), più di un

milione al secondo non riescono a passare.

SELETTIVITA’

I canali sono selettivi per le diverse specie ioniche.

 MOLTO SELETTIVI: alcuni canali fanno passare una sola specie ionica (es i canali Sodio

fanno passare solo gli ioni Sodio.).

 POCO SELETTIVI: alcuni canali hanno una selettività più ridotta ovvero lasciano

passare solo ioni positivi o solo ioni negativi.

La composizione amminoacidica nella parte più stretta del canale interno determina la

selettività. Se la composizione amminoacidica è negativa legherà ioni positivi, se è

positiva legherà ioni negativi (es. sarà un canale Cloro).

PASSIVI / DIPENDENTI

PASSIVI

I canali passivi sono SEMPRE APERTI (comunque selettivo). Gli ioni passano da

questi canali seguendo la propria FEM.

Sono alla base del POTENZIALE DI RIPOSO (- 65mV): perché i canali passivi aperti

a riposo sono in grande maggioranza permeabili al POTASSIO. La corrente Potassio a

Riposo è elevata perché ci sono tanti canali ionici permeabili al Potassio aperti e la

corrente a riposo per il Sodio è bassa perché ci sono pochi canali permeabili al Sodio,

ma siccome la FEM è forte, anche da quei pochi che ci sono il Sodio tende a entrare.

DIPENDENTI

Sono canali tipicamente CHIUSI che si aprono in risposta a:

Voltaggio.) Il cambiamento del Potenziale di Membrana (Es. canali Na Vdip e canali

 K+ Vdip del PdA). Presenti in tutti i neuroni ove si generi un PdA)

Meccanici) Deformando la membrana, il canale viene “tirato” e si apre. Sono presenti

 nei neuroni tattili che innervano la cute. Sono permeabili al Sodio. Il Sodio entra e

depolarizza, se soprasoglia, s’innesca il PdA e io avverto il contatto.

Ligando) legame di una molecola specifica (in genere un neurotrasmettitore). Sono

 coinvolti nella trasmissione sinaptica.

Fosforilazione)

 CINETICHE di ATTIVAZIONE

Le caratteristiche dei canali ionici determinano le caratteristiche della corrente ionica

che li attraversa.

Es. la corrente Na+ Vdip è transiente perché i canali ionici Na+ Vdip si aprono

rapidamente e altrettanto rapidamente si chiudono. La corrente Potassio è ritardata e

persistente perché i canali ionici K+ Vdip si aprono lentamente e rimangono aperti per

tutto il tempo della depolarizzazione.

RESISTENZA

Il canale ionico si comporta come una resistenza, fa passare corrente che è spinta dalla

FEM.

La corrente I = f.e.m. (differenza tra il Vm e il VE della specie ionica che attraversa il

canale ) x la conduttanza del canale. Il canale di suo NON trasporta, SCEGLIE CHI

FAR PASSARE.

Gli ioni viaggiano spinti dalla propria

FEM. CANALE Na+ Vdip durante un

PdA

Riposo, - 60 mV, non c’è corrente che attraversa la membrana, il canale è chiuso.

 La membrana si depolarizza

 Il canale Na+ Vdip si apre brevemente

 Passa la corrente Sodio Vdip

 S’innesca l’INATTIVAZIONE e il canale si chiude

 La corrente smette di passare

 Il canale a questo punto ha la porzione Vdip ancora aperta, ma il canale non fa

 passare corrente perché è chiuso nella parte NON Vdip. (PERIODO REFRATTARIO ->

CHIUSO e INATTIVABILE)

Il Vm ritorna a riposo grazie alla corrente Potassio.

 Il cancello di INATTIVAZIONE si apre e la porta Vdip si CHIUDE (il canale è CHIUSO e

 ATTIVABILE)

– 50 mV < SOGLIA < – 35 mV

La soglia dipende dal bilancio fra la corrente dipendente dal voltaggio del Sodio e la

corrente potassio passiva, più canali Vdipendenti per il Sodio ho in un tratto di

membrana più è probabile che in quel tratto, una depolarizzazione inneschi il ciclo

autorigenerativo.

Quindi la soglia dipende strettamente dalla DENSITA’ dei canali Na+ Vdip.

Detti canali sono particolarmente densi nel MONTICOLO ASSONICO

(compartimento d’integrazione). Quindi, al monticolo assonico, la soglia d’innesco per

il PdA è la più bassa all’interno di un neurone. E’ sufficiente la depolarizzazione di

ampiezza minima per innescare un PdA al monticolo assonico.

POTENZIALE DI INVERSIONE

Quando il potenziale di membrana è uguale al potenziale di equilibrio dello ione, anche

se il canale è aperto non passa corrente.

Se la curva descrive una retta significa che la corrente è proporzionale alla FEM. Ciò

significa anche che la conduttanza di quel canale NON dipende dal potenziale di

membrana.

Nel punto in cui la retta interseca l’ascissa corrisponde al Potenziale di membrana per

cui la corrente che passa dal canale è 0.

Se il potenziale è più positivo del potenziale di inversione la corrente è diretta verso

l’ESTERNO; se il potenziale è più negativo del potenziale di inversione la corrente è

diretta verso l’INTERNO.

Quindi questo potenziale corrisponde al punto di INVERSIONE della direzione della

corrente.

Corrente con potenziale d’inversione 0 mV non corrisponde al potenziale di equilibrio

di nessuna specie ionica nota, pertanto si può affermare che il canale dove passa questa

corrente è permeabile a più di uno ione.

A riposo, la corrente Sodio che passa dal canale Sodio vdip è 0.

 A potenziali più negativi a maggior ragione è sempre 0

 Se la membrana si depolarizza un pochino es da – 65 mV va a - 55 mV, un po’ di

 canali Na+ Vdip si aprono e la corrente Na+ Vdip comincia ad essere apprezzabile

Si supera la soglia e s’innesca il ciclo autorigenerativo, aumenta tantissimo il numero

 di canali Na+ Vdip aperti e quindi la corrente aumenta

Man mano che si depolarizza però la FEM diminuisce perché il potenziale di membrana

 si avvicina al potenziale di inversione (potenziale di Equilibrio del Na+)

Ci sarà un momento in cui l’elevata conduttanza data dall’apertura di tanti canali Na+

 Vdip è controbilanciata dalla FEM. Dopo prevale la riduzione della FEM

Più la membrana depolarizza, più la corrente Na+ diminuisce, finché arriva a 0

 (potenziale d’inversione)

Se la membrana diventa ancora più positiva il Sodio ESCE (si

 inverte la FEM) UBICAZIONE DEI CANALI

Alcuni canali sono espressi in TUTTI i compartimenti, sono i canali che esprimono il

 Pot di

riposo (es. Canali k+passivi)

Alcuni canali sono presenti in tutti i neuroni, ma NON in tutti i compartimenti: (es i

 canali Na+ Vdip perché generano PdA), nell’albero dendritico potrebbero non esserci.

Alcuni canali sono specifici di QUASI tutti neuroni, ma si esprimono in maniera

 diseguale nei compartimenti (es i canali Ca2- Vdip per la trasmissione sinaptica)

Alcuni canali sono presenti solo in neuroni specifici, li caratterizzano (es. i canali a

 controllo meccanico sono solo nei recettori tattili)

Canali Calcio a BASSA SOGLIA chiusi e inattivi espressi nel talamo (emette una salva ?

 di PdA).

Canale Potassio Calcio Dipendente (l’iperpolarizzazione postuma dura 6 SECONDI)

 LEZIONE DEL 9/3 – CONDUZIONE DEL POTENZIALE DI AZIONE.

Ripasso dei canali ionici CI non ubiquitari – la cui espressione caratterizza il tipo

cellulare:

- CI a controllo meccanico – espressi dai meccanocettori,

trasformano un S meccanico in un segnale elettrico;

- CI K calcio dipendenti – hanno la caratteristica di ADATTARE:

consentono al neurone di non rispondere a stimoli prolungati. Se blocco l’ingresso

di calcio, i CI K calcio dipendenti non si aprono, il neurone risponderà per tutto il

tempo che lo stimolo è presente.

È lo stesso neurone: in alcune condizioni esso ADATTA, in altre no.

v. anche i neuroni dell’ippocampo – dopo 200 msec non rispondono più, e noi

dimentichiamo quanto detto, ma se dico: “ve li metto nel compito!” essi si riattivano…

questa caratteristica conferisce flessibilità al neurone – poco o molto responsivi in

funzione ad es. della attenzione o della motivazione.

L’adattamento serve a non rispondere a stimoli prolungati e costanti nel tempo.

- CI calcio a bassa soglia – caratterizzano i neuroni che devono poter

transire da uno stato come quello di SONNO/VEGLIA

VEGLIA – rispondono in maniera fedele per cui ogni stimolo in entrata sarà codificato

in modo appropriato:

SONNO – i neuroni oscilleranno, la frequenza di scarica varierà nel tempo e non

trasmetteranno info relative al mondo esterno.

NB. qui non è un cambio di attenzione (v. sopra) ma di livello di coscienza legato alla

presenza di particolari CI.

CONDUZIONE DEL POTENZIALE DI AZIONE LUNGO L’ASSONE

Per comprendere i meccanismi alla base della propagazione del pdA occorre

considerare cosa succede se si verifica una depolarizzazione in un punto lungo

l’assone.

In quel punto il potenziale intracellulare è più positivo rispetto ai tratti di membrana

adiacenti. Le cariche positive intracellulari quindi diffondono all’interno dell’assone

dal punto in cui è avvenuta la depolarizzazione verso i punti vicini dove prevale la

carica negativa.

Questa diffusione intra-assonale porterà il potenziale intracel