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Fisiologia cellulare

Appunti di Fisiologia cellulare che sono basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni del professor Buffo dell’università degli Studi di Torino - Unito, dell'Interfacoltà, del Corso di laurea in biotecnologie. Scarica il file in formato PDF!

Esame di Anatomia e fisiologia dei modelli animali docente Prof. A. Buffo

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IL SISTEMA NERVOSO

Si differenzia tra i diversi organismi per vari aspetti pur mantenendo gli stessi tipi cellulari e non cambiando

le reazioni chimiche. Ad esempio si nota un aumento del volume correlato alle dimensioni corporee (il

cervello della balena è più grande del nostro) in questo caso aumentano le dimensioni dei somata cellulari; ci

può essere un aumento della complessità strutturale per via di un numero maggiore e di più complesse

connessioni neuronali (sinapsi) e per l’aumento delle cellule gliali (astrociti); ogni specie sviluppa parti

specifiche del cervello a seconda delle proprie esigenze.

Il sistema è formato da neuroni e nevroglia (microglia, astrociti, oligodendrociti, cellule di schwann)

DERIVAZIONE EMBRIONALE ECTODERMICA:

ASTROCITI

Cellule staminali, si occupano della sinaptogenesi, modulano l’attività elettrica dei neuroni, ne sono i

regolatori omeostatici e metabolici, li difendono da stimoli nocivi, formano la barriera emato-encefalica (BBB)

e regolano il flusso ematico cerebrale.

BARRIERA EMATOENCEFALICA (BBB)

Filtro costituito da astrociti tra i capillari e il tessuto nervoso che ha il compito di: regolare il passaggio di

sostanze del sangue ai neuroni (es. ioni e glucosio), protezione (impedisce il passaggio di tossine, batteri).

E’ formata dalle cellule dei capillari sanguinei (endotelio), unite tra di loro da giunzioni serrate. La barriera pur

regolando il passaggio delle sostanze non rende il sistema nervoso centrale immunoprovilegiato. Gli astrociti

permettono il passaggio di sostanze grazie a proteine canale quali le acquaporine; molte proteine (ormoni,

citochine, farmaci) non passano la barriera, le cellule immunitarie passano in parte. Vi sono delle zone del

SNC in cui la BBB è modificata per consentire al cervello di monitorare la concentrazione degli ormoni nel

sangue (es. area postrema) o per liberare sostanze nel sangue (neuroipofisi).

OLIGODENDROCITI E CELLULE DI SCHWANN

Gli oligodendrociti costituiscono la maggiore popolazione proliferante nel tessuto nervoso adulto (compreso

l’uomo), si occupano della mielinizzazione nel SNC, ciò permette neuromodulazione (regolazione segnali

elettrici+ supporto trofico e metabolico agli assoni). Le cellule di schwann si occupano della mielinizzazione

nel SNP.

DERIVAZIONE EMBRIONALE MESODERMICA:

MICROGLIA

Macrofagi, rimuovono detriti che si formano durante il normale sviluppo del SN, sinaptogenesi, risposta

innata, fagocitano microbi e tessuto danneggiato. Può essere ramificata/non ramificata/ameboide/attivata e

non fagocitica/attiva e fagocitica.

IL NEURONE

Cellule estremamente polarizzate, hanno una struttura assimmetrica 3D mantenuta grazie al citoscheletro

(struttura filamentosa di microtubuli, microfilamenti e neurofilamenti). Il citoscheletro regola anche il trasporto

di sostanze attraverso il neurone, il processo è spesso mediato dalla chinesina che si attacca ai microtubuli e

permette il passaggio di vescicole. Vi sono due tipi di trasporto:

• trasporto assonico rapido (max 40 cm/giorno; range 200-

400mm/giorno) sia anterogrado che retrogrado; vengono utilizzate

proteine motore (chinesina) che muovono le vescicole lungo i

microtubuli.

• trasportp assonico lento/assoplasmatico (1-5mm/giorno) solo

anterogrado, non utilizza energia, è una sorta di trasporto passivo. E’

definito così poiché veicola l’assoplasma in una sola direzione, dal

3 corpo cellulare ai terminali assonici e interviene nella formazione di nuovo assoplasma negli assoni

in via di sviluppo o che si stanno rigenerando.

CORPO CELLULARE

Contiene il nucleo, il citoplasma con mitocondri (forniscono energia), ribosomi e apparato del Golgi (sintesi

proteica), lisosomi, piccole masse di RER chiamate corpi di Nissl (produzione proteine per rigenerazione

degli assoni).

DENDRITI

Da δενδρον (albero), caratterizzato da diversi processi neuronali, ha una funzione ricettiva (arrivano i segnali

in entrata).

ASSONE

Propaga gli impulsi, è una sorta di proiezione del corpo allungata e cilindrica, contiene microtubuli,

neurofibrille, mitocondri, non presenta RER e quindi non è capace di sintesi proteica. E’ la parte del neurone

che può andare incontro a mielinizzazione, processo che permette un isolamento del segmento dell’assone

dal punto di vista elettrico e un aumento della velocità di propagazione.

CLASSIFICAZIONE NEURONALE

Il SN umano contiene più di 100 miliardi di neuroni di almeno 10.000 tipi diversi

I neuroni possono essere classificati dal punto di vista strutturale, funzionale, del neurotrasmettitore, in base

alla lunghezza assonale:

STRUTTURALE:

• multipolari: presentano numerosi dendriti e un singolo assone es. neuroni encefalo

• bipolari: un dendrite principale e un assone es. neuroni retina occhio

• unipolari: numerosi dendriti e un assone, hanno funzione di recettori sensoriali

FUNZIONALE:

• sensitivi/afferenti (unipolari) mandano impulsi verso SNC

• motori/efferenti mandano impulsi al di fuori SNC agli effettori

• interneuroni/neuroni associativi (multipolari)  processano informazioni in arrivo dai neuroni sensitivi

ed elaborano una risposta adeguata attivando motoneuroni appropriati, si trovano nel SNC

LUNGHEZZA ASSONALE:

• Neuroni di I tipo del Golgi o neuroni di proiezione: neuroni che possiedono lunghi assoni che si

estendono da una parte del cervello all’altra.

• Neuroni di II tipo del Golgi o neuroni a circuito locale: neuroni che possiedono assoni più corti che

non si estendono al di là dei dintorni del corpo cellulare. Lezione 2

LA MEMBRANA NEURONALE

Presenta doppiostrato fosfolipidico, caratterizzato da fosfolipidi anfipatici. Permette lo scambio di sostanze

mediante diversi tipi di trasporto.

TRASPORTO PASSIVO:

DIFFUSIONE SEMPLICE

Trasporto passivo tipico di gas respiratori come O , CO , N , di ormoni steroidei, lipidi e alcoli; in generale

2 2 2

dunque molecole non polari (neutre) e piccole, compresa H O. Si basa sulla diversa concentrazione dei

2

soluti, dall’energia cinetica delle particelle che acquisiscono con moti casuali(funzione della temperatura);

non richiede energia (unica energia usata è l’energia cinetica delle particelle); il flusso prosegue finché la

concentrazione non diventa uniforme, all’equilibrio pur rimanendo infatti le particelle in costante movimento

la risultante della quantità di moto diventa 0 e ciò impedisce un flusso di materia. I flussi per diffusione sono

molto efficaci in scala cellulare e non in più grandi come l’organismo poiché sono rapidi a breve distanza, ma

lenti a lunga. La diffusione può verificarsi in un sistema aperto oppure attraverso una barriera tra 2 diversi

4

sistemi es. membrana cellulare. E’ direttamente proprozionale alla superficie della membrana, alla differenza

di concentrazione; indirettamente proporzionale alla resistenza della membrana (vi sono infatti regioni

idrofobe e idrofile), allo spessore della membrana.

DIFFUSIONE FACILITATA

Può avvenire attraverso canali ionici oppure attraverso proteine-canale, nel primo

caso vi sono residui molecolari che selezionano quali ioni far passare e si tratta di

canali sempre aperti. Il secondo tipo è utilizzato da piccole molecole cariche e sfrutta

il cambio di conformazione del canale (modulazione allosterica) per poter trasportare

secondo gradiente le particelle. Questi canali son molto specifici per determinate

molecole e possono aprirsi e chiudersi per via di fosforilazioni/defosforilazioni, altri

stimoli chimici, stimoli meccanici (es. cellule muscolari), stimoli termici; vi sono

anche canali sempre aperti. E’ possibile raggiungere una situazione di saturazione.

TRASPORTO ATTIVO:

PRIMARIO

Trasporto contro gradiente di concentrazione, si utilizano pompe metaboliche come

+ + 2+ + + +

quella Na /K , Ca ,H /K , H ; utilizzo di ATP

SECONDARIO

Non si utilizza ATP, si sfrutta un trucco: un primo substrato viene spostato

progradiente, il secondo controgradiente sfruttando i cambi conformazionali delle proteine per via del legame

con dei ligandi. Es. trasporto secondario cotrasporto per simporto: Na/K/2Cl; Na/C6H12O6; Na/amminoacidi;

esempi di cotrasporto per antiporto: 3Na/Ca; Na/H;Cl/HCO3; H/K.

OSMOSI

Trasporto dal punto di vista del solvente, si utilizza una membrana semi-permeabile solo al solvente (H O),

2

quest’ultimo si muove seguendo il gradiente dei soluti, quasi come se ne fosse attratto.

Vengono utilizzati anche altri tipi di trasporto: pinocitosi ed eso/endocitosi. In generale un flusso di volume

(es. fiumi, sangue, aria nei polmoni): movimento di tutte le molecole insieme in un’unica direzione,

determinato dalla forza di gravità e pressione, consente il movimento di grandi quantità di sostanza per

lunghe distanze.

COME FUNZIONANO I NEURONI?

I neuroni ricevono, elaborano e inviano segnali, questi ultimi sono in gran parte segnali di natura elettrica.

A riposo si mantiene una distribuzione delle cariche [ le principali sono ioni (Na, K, Ca, Cl) e anioni proteici

-

es. A )] diversa tra l’esterno e l’interno della membrana, creando una distribuzione disomogenea. Ciò

+ - + 2+

provoca dunque un diverso potenziale di riposo: interno -55/-90 mV con K , A ; esterno 0 mV con Na , Ca ,

-

Cl .

COME SI CREANO DEI POTENZIALI?

Il trasferimento di cariche secondo gradiente è poco efficiente poiché nelle cellula sono presenti anche altre

molecole, per di più la quantità di cariche che può passare per un processo neuronale è piccola, essendo

questi lunghi e stretti. La diffusione semplice sarebbe dunque troppo lenta e ostacolata da altre particelle, vi

sono anche problemi causati dalla membrana neuronale stessa: le cariche possono anche fuoriuscire come

se la cellula presentasse dei “buchi” e ciò ne evidenzia il limitato potere isolante; la capacità della membrana

è ridotta infatti alcune cariche possono accumularsi e ostacolare il flusso delle altre. Possiamo dunque

concludere che il trasporto passivo ha una bassa efficacia. Si ricorre ad altri metodi come la creazione di

potenziale tra le due facce della membrana.

I potenziali vengono generati tenendo conto di diversi fattori: permeabilità selettiva, gradienti di

concentrazione, gradienti elettrici, equilibri elettrochimici.

Il potenziale di membrana è anche potenziale di diffusione, infatti le concentrazioni di Na e K si mantengono

costanti grazie alla pompe metaboliche come la sodio/potassio leggermente elettrogenica. (Na si lega alla

pompa, questo provoca l’idrolisi dell’ATP, ADP si lega a un gruppo fosfato e vi è il rilascio nel Na all’esterno,

la defosforilazione dell’ADP provoca un cambio di conformazione della proteina canale che permette il

legame con K che sarà trasportato all’interno). A ogni ciclo della pompa sodio/potassio entrano nella cellula 2

ioni K ed escono 3 ioni Na, se non esistesse questo gradiente creato dalla pompa, non potrebbero essere

generate cariche ci troveremmo davanti alla situazione di un neurone morto. All’equilibrio il gradiente di

concentrazione è uguale e opposto al gradiente elettrico. Esistono anche pompe per il Ca (viene portato

all’esterno) e per il Cl.

Riassumendo:

5 • La differente concentrazione di ioni tra interno ed esterno del neurone produce una differente

distribuzione di cariche elettriche (positive e negative) tra esterno e interno

• La presenza di cariche positive e negative separate produce una differenza di potenziale misurata in

Volt; questo potenziale elttrico della membrana neuronale a risposo è detto potenziale di membrana

a risposo

COME SI DEFINISCE IL VALORE DEL POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO E PERCHE’?

Abbiamo detto che all’equilibrio il gradiente di concentrazione è uguale e opposto al gradiente elettrico.

Grazie a all’equazione di Nerst è possibile calcolare il valore di potenziale a cui un determinato ione è in

equilibrio. Si nota che a riposo pK= 30pNa ovvero a riposo c’è un numero maggiore di canali aperti per il

potassio che per il sodio (30:1). Di conseguenza il potenziale di risposo è più vicino al potenziale di equilibrio

del potassio (-90mV) che a quello del sodio (+55 mV); otteniamo dunque un valore medio di potenziale di

riposo della membrana pari a -70 mV.

RIASSUMENDO:

• I neuroni impiegano segnali elettici

• Questi segnali sono resi possibili dall’esistenza di una differenza di cariche elettriche (ioni) tra

interno ed esterno della membrana

• Questa differente distribuzione degli ioni è mantenuta da pompe metaboliche

• La differenza di cariche determina il potenziale di membrana

• A riposo il neurone è più permeabile a K che a Na. Pertanto V (potenziale membrana neuronale) è

m

più vicino al V di equilibrio del potassio (-90 mV), ma essendo presente anche il Na, otteniamo un

valore medio di -70 mV. Lezione 3

POTENZIALI LOCALI E POTENZIALI D’ AZIONE

I neuroni ricevono stimoli che si classificano in base alla qualità (meccanico, chimico, termico…), polarità

(depolarizzazione, iperpolarizzazione), intensità, durata. Gli stimoli si traducono in potenziali locali che

genereranno potenziali d’azione.

POTANZIALI LOCALI

Variazioni del potenziale di membrana in seguito a stimoli che arrivano al neurone, le informazioni in arrivo

sono integrate e si crea una risposta finale sotto forma di potenziale d’azione, prodotto a livello del monticolo

assonico.

Quando un neurone sente uno stimolo si crea un potenziale locale o graduato, una deviazione dal potenziale

di membrana che la rende più polarizzata (interno più negativo) oppure meno polarizzata (interno meno

negativo), nel primo caso si parla di potenziale iperpolarizzante, nel secondo di potenziale depolarizante. Il

potenziale si genera quando uno stimolo causa l’apertura di canali proteici attivati da forze meccaniche o da

ligando. I canali meccanico-dipendenti possono essere presenti nei dendriti dei neuroni sensitivi, mentre i

ligando-dipendenti sono numerosi nei dendriti e nei cropi cellulari di interneuroni e motoneuroni.

Depolarizzazione: potenziale diventa più positivo entrano ioni positivi Na+, Ca2+ e fuoriescono ioni negativi

Cl-; iperpolarizzazione il potenziale diventa più negativo entrata ioni negativi Cl- e uscita ioni positivi K.

I potenziali son anche chiamati graduati poiché variano in ampiezza a seconda della forza che li stimola.

L’ampiezza dipende da quanti canali vengono aperti o chiusi e in base a quanto tempo rimangono aperti.

L’apertura/chiusura altera il flusso di specifici ioni attraverso la membrana, dando origine a un flusso di

corrente definita localizzata perché a partire dalla regione d’origine dello stimolo si diffonde alle regioni

adiacenti della membrana e si estingue gradualmente (conduzione passiva o elettrotonica o decrementale),

le cariche sono invece perse attraverso i canali passivi. Questa conduzione dell’elettricità è detta conduzione

decrementale per via della dispersione causata dalla resistenza della membrane e da quella interna (altre

particelle presenti fanno da ostacolo).

Consideriamo alcune variabili fisiche che potrebbero servirci:

• Intensità di corrente (I) si misura in ampere

• Conduttanza elettica (g): si misura la facilità con cui uno ione può attraversare la membrana

cellulare, misura in sieemens (S)

6 • Inverso conduttanza è la resistenza (R) : misura la difficoltà con cui uno ione può attraversare la

membrana cellulare, misura in ohm

• Prima legge Ohm: I= V/R

Riassumendo:

1. I potenziali locali sono passivi, condotti per pochi mm. Decrementano con la distanza, hanno

ampiezza variabile e sono sommabili (vedi dopo)

2. L’ampiezza della corrente diminuisce con l’aumentare della distanza dal punto di insorgenza

La membrana vicino al monticolo assonico (zona trigger o cono d’emergenza dell’assone) necessita di un

valore soglia per poter scatenare il potenziale d’azione, è infatti molto improbabile che una depolarizzazione

a livello del monticolo sia scatenata da un debole stimolo che arriva al dendrite, poiché seppur questo

stimolo potrebbe non esser debolissimo, abbiamo sempre una conduzione decrementale. Un singolo

potenziale però può diventare più forte e di maggiore durata sommandosi ad altri. Se si sommano due

potenziali con stessa ampiezza depolarizzanti si otterrà un potenziale più depolarizzante, lo stesso vale per

l’iperpolarizzazione, se invece due potenziali hanno ampiezza uguale ma sono opposti si annulleranno a

vicenda. E’ possibile bloccare la formazione del potenziale d’azione utilizzando iperpolarizzazioni da parte di

altri neuroni contemporaneamente a depolarizzazioni a livello dei dendriti, oppure con un meccanismo in

extremis caratterizzato da iperpolarizzazioni vicino alla zona trigger, questo secondo metodo è più efficace

che il primo.

Ricapitolando:

In genere un qualsiasi impulso arriva al livello dei dendriti o del soma, questo si espande verso tutte le

direzioni lungo la superficie della direzione. L’impulso si espande non come potenziale d’azione ma come

potenziale locale sotto forma di corrente sottosoglia, questa sarebbe destinata a esaurirsi poiché vi è

dispersione, si espande sempre con minore energia fino alla zona trigger del neurone. Questa zona è detta

zona grilletto poiché se si supera una certa soglia si aprono i canali del sodio voltaggio-dipendenti e si crea

un potenziale d’azione. Nella zona trigger spesso giungono diversi potenziali locali che sono sommati

algebricamente, un solo potenziale non sarebbe spesso in grado di provocare un potenziale d’azione.

POTENZIALE D’AZIONE

Un potenziale d’azione è una rapida sequenza di eventi che fa diminuire e poi invertire il potenziale di

membrana, riportandolo infine allo stato di riposo. E’ caratterizzato da due fasi principali: una

depolarizzazione e una ripolarizzazione. Durante la fase di depolarizzazione, il potenziale di membrana

diventa meno negativo, raggiunge lo zero e infine diventa positivo; nella fase di ripolarizzazione, il potenziale

di membrana viene portato a -70 mV. Successivamente può seguire una fase di iperpolarizzazione postuma,

durante la quale il potenziale diventa temporaneamente più negativo del potenziale di riposo. In un

potenziale d’azione intervengono due tipi di canali voltaggio-dipendenti. I primi ad aprirsi sono i Na voltaggio

dipendenti, che permettono al sodio di entrare nella cellula, causando depolarizzazione. In seguito si aprono

i K voltaggio-dipendenti, che mediano la fuoriuscita degli ioni potassio dando origine a ripolarizzazione.

L’iperpolarizzazione postuma si verifica quando i canali K voltaggio-dipendenti restano aperti anche dopo la

fine della fase di ripolarizzazione.

COME FUNZIONANO I CANALI VOLTAGGIO-DIPENDENTI?

I canali sono addensati a livello dei nodi di Ranvier, nella membrana plasmatica e nei terminali assonici.

Sono attivati da stimoli di natura elettrica e sono altamente specifici per un determinato ione. Entrambi i

canali sono attivati da stimoli elettici di natura depolarizzante.

• CANALI SODIO: ogni canale sodio ha due porte, una porta di attivazione e una di inattivazione;

quando il canale si trova nello stato di riposo, la porta di inattivazione è aperta, ma quella di

attivazione chiusa, di conseguenza il sodio non può entrare nella cellula. Al potenziale soglia i canali

vengono attivati, in questo stato entrambe le porte sono aperte e il sodio entra, man mano che entra

sodio la membrana di depolarizza e si aprono ancora più canali (esempio feedback positivo). Se lo

stimolo è sottosoglia aprirà pochissimi canali sodio e questi non riusciranno a depolarizzare la cellula

abbastanza da aprire tutti i canali, se invece raggiunge la soglia aprirà un numero maggiore di

canali e vi saranno maggiori probabilità di depolarizzare la membrana e aprire tutti i canali. I canali

sodio possono avere tre stati: chiuso, aperto, inattivato; si aprono e si chiudono velocemente, ma

non si aprono tutti in una volta. I canali presentano lo stato di inattivazione per evitare un ciclo di

retroazione positiva che causerebbe una polarizzazione ciclica (il sodio continuerebbe a entrare e a

causare polarizzazione infinita e continuerebbe ad aprire altri canali sodio). Al potenziale della

membrana di risposo, il cancello di attivazione chiude il canale, con lo stimolo si apre il cancello ed

entra il sodio, si chiude poi il cancello di inattivazione e cessa l’entrata dello ione, durante la

7 ripolarizzazione i due cancelli tornano alle loro posizioni originarie. Nota bene: il cancello di

inattivazione è utilizzato solo per inattivare il canale, negli altri momenti il cancello rimane sempre

aperto.

• CANALI POTASSIO: permettono fuoriuscita K, si aprono e si chiudono lentamente, presentano due

stati: chiuso e aperto

POTENZIALE D’AZIONE E CANALI VOLTAGGIO-DIPENDENTI NEL

DETTAGLIO

• PRIMA FASE: Il potenziale d’azione viene innescato nella membrana

di un assone solo quando la depolarizzazione raggiunge un valore

soglia denominato potenziale soglia di circa -55 mV nella maggior

parte dei neuroni. Se lo stimolo è sottosoglia, il potenziale d’azione

non si genera; se lo stimolo è soprasoglia si formano numerosi

potenziali con stessa ampiezza di un potenziale generato da uno

stimolo soglia, infatti l’ampiezza non dipende dall’intensità dello

stimolo, ma quanto quest’ultimo è maggiore tanto sarà la frequenza

dei potenziali generati. Per il potenziale d’azione vale il principio del

“tutto o nulla” ovvero o si raggiunge un valore soglia adeguato o

niente, non ci sono vie di mezzo.

• FASE DI DEPOLARIZZAZIONE: raggiunto il valore soglia si aprono i canali Na voltaggio-dipendenti,

entrano nella cellula ioni di sodia, spostando il potenziale di membrana da -50 mV a +30 mV. A 30

mV si aprono i canali per il potassio, in canali del sodio si inattivano e termina l’entrata dello ione

nella cellula.

• FASE DI RIPOLARIZZAZIONE: si aprono i canali K, ioni potassio escono dalla cellula, riportando il

potenziale di membrana a -70 mV. Durante la fase discendete i canali del sodio passano dallo stato

inattivato allo stato chiuso.

• IPERPOLARIZZAZIONE: I canali K rimangono aperti facendo così uscire una quota addizionale di

K, la membrana raggiunge -90 mV

• FASE FINALE: entra del sodio senza l’ausilio di canali regolati (quindi no pompe Na/K poiché sono

energicamente troppo dispendiose) riportando la cellula al potenziale di riposo

RIASSUMENDO:

• I canali per il sodio e per il potassio coinvolti nel PA sono attivati una depolarizzazione

• Stimoli depolarizzanti facilitano il raggiungimento della soglia per il PA, mentre stimoli

iperpolarizzanti lo rendono più difficile

• Per innescare il PA è necessario uno stimolo elettrico intenso: soglia a circa -67 mV

• Una volta innescato il PA ha sempre ampiezza massima (tutti i canali Na sono aperti)

• L’ampiezza va da circa -70 mV a 30 mV e ha valore di circa 100 mV

• Vale il principio del “tutto o nulla”

• L’ampiezza è sempre uguale e non cambia con la distanza, uno stimolo soprasoglia non ne cambia

l’ampiezza es. tessere del domino dopo una certa forza una tessera cade trascinando anche le altre,

una forza più forte non avrebbe effetti diversi le tessere cadrebbero allo stesso modo

• Non si sommano i potenziali d’azione, ma possono essere tradotti in un codice di frequenza, stimoli

più intensi creano più potenziali d’azioni e quindi una maggiore frequenza

PERIODO REFRATTARIO

Il periodo di tempo successivo a un PA durante il quale la cellula eccitabile non è in grado di generare un

altro potenziale d’azione in risposta a un normale stimolo soglia, è detto periodo refrattario. Durante il

periodo refrattario assoluto, nemmeno uno stimolo molto forte può innescare un nuovo PA, questo periodo

coincide con l’inattivazione dei canali sodio che per potersi riaprire devono prima tornare allo stato di riposo

(durata periodo circa 50-100 ms). Il periodo di refrettario relativo è il periodo in cui si può innescare un

secondo PA ma solo con uno stimolo soprasoglia, coincide con la fase in cui i canali K sono ancora aperti

dopo che i canali Na sono passati allo stato chiuso (a riposo). Lezione 4

8

PROPAGAZIONE DEL POTENZIALE D’AZIONE

(ELETTROFISIOLOGIA ATTIVA)

Il potenziale d’azione si propaga in modo unidirezionale, ciò è

garantito dal periodo refrattario assoluto: ogni regione di membrana

che ha appena generato un impulso di trova nel periodo refrattario e

non può generare nuovo PA, quindi il potenziale non può che

propagarsi verso la periferia.

In generale la conduzione del PA è diversa dal potenziale locale

poiché non è decrementale ma dipende da un feedback positivo.

Quando i canali Na si aprono, vi è una depolarizzazione della

membrana che apre altri canali sodio, creando un flusso di cariche

che scorre nelle zone adiacenti. La zona trigger si trova in periodo

refrattario e ciò impedisce che il PA torni indietro, i canali K si aprono,

mentre i cancelli d inattivazione dei Na sono chiusi, l’uscita di K dal

citoplasma ripolarizza a membrana. Nella porzione distale

dell’assone il flusso di cariche (corrente) provoca depolarizzazione di

nuovi segmenti di membrana e ripartirà così il ciclo descritto prima.

Questa conduzione è chiamata conduzione continua o rigenerativa.

I neuroni non sono dei buoni conduttori (resistenza interna+

resistenza membrana) e il PA è molto costoso energeticamente per

le cellule. Come è possibile aumentare la velocità di conduzione? E’

necessario diminuire la resistenza interna aumentando il diametro

(ad esempio gli invertebrati hanno assoni lunghi e poco sottili, ma ciò grava

sulla massa; vedremo come gli assoni mielinici conducono i PA con stessa

velocità dei grandi assoni amielinici); cosa si può fare con la resistenza

della membrana?

Si risolve il tutto con una guaina isolante che aumenta la resistenza e la

velocità di propagazione, la guaina è creata dagli oligodendrociti nel SNC

che si occupano del rivestimento mielinico di più neuroni e dalle cellule di

schwann nel SNP che si occupano di un neurone alla volta. Un assone

amielinico ovviamente non presenta guaine, un assone mielinico presenta

sì delle guaine ma alternate a delle interruzioni chiamate nodi di Ranvier,

da questa caratteristica conformazione del neurone deriva la conduzione

saltatoria; il PA si propaga più velocemente negli assoni mielinici.

La conduzione è caratterizzata da una irregolare disposizione dei canali voltaggio dipendenti, infatti la

maggior parte è accumulata nell’assolemma dei nodi di Ranvier, la corrente fluisce a livello dei nodi

attraverso il liquido extracellulare che circonda la guaina e il citosol. A livello del primo nodo il potenziale

genera nel citosol e nel liquido extracellulare corrente che depolarizza la membrana fino al valore soglia

facendo aprire i canali del secondo nodo, il potenziale d’azione generatosi a livello del secondo nodo dà

origine a una corrente ionica che permette l’apertura dei canali di un terzo nodo e così via. Il flusso di

corrente solo a livello dei nodi di Ranvier ha due conseguenze:

• Il potenziale sembra saltare da un nodo all’altro, salta infatti gli assomlemmi mielinizzati

• Vi è un utilizzo minore di ATP per le pompe Na/K poiché solo membrane dei nodi sono

depolarizzate/polarizzate, ed essendo questa comunque piccole porzioni si verificano minime

fuoriuscite di K e afflussi di Na

• La velocità è fino a 150 m/s è maggiore rispestto a una conduzione continua in un assone amielinico

La velocità di conduzione (V) del potenziale d’azione dipende dalla resistenza interna (Ri) e dalla resistenza

di membrana (Rm):

costante di spazio: λ= Rm/Ri, questo valore indica la velocità di conduzione in un assone, questa aumenta

con aumentare Rm (guaina mielinica) e con il diminuire Ri (diametro).

In un adulto vi sono meno guaine mieliniche e quindi meno nodi, in un bambino si nota un numero maggiore

di guaine la velocità di propagazione è maggiore nel bambino

Nota bene: Sclerosi multipla  patologia che causa progressiva distruzione guaine mieliniche che si

deteriorano in regioni multiple presentando delle “sclerosi” (placche/cicatrici indurite)

TOSSINE

9

Vi sono alcune tossine che alterano i canali per il sodio o per il potassio voltaggio-dipendenti. Es. anestetici

locali come lidocaina che bloccano i canali, bloccando la conduzione nervosa

NORMOCALEMIA, IPERCALEMIA, IPOCALEMIA (DIVERSE CONCENTRAZIONI DEGLI IONI K)

• Normocalemia: K plasmatico a livelli normali, se il potenziale graduato è sottosoglia non si avrà PA,

se è soprasoglia si avrà PA

• Ipercalemia: aumento concentrazione plasmatica K, e quindi la membrana è più vicina al valore

soglia, anche con uno stimolo normalmente sottosoglia potrebbe generarsi un PA

• Ipocalemia: diminuzione plasmatica di K, anche uno stimolo normalmente soprasoglia potrebbe non

generare un PA

LE SINAPSI Lezioni 5-5b

Vi sono diversi tipi di sinapsi:

• Asso-dendrica (tra un assone e dendrite)

• Asso-somatica (tra un assone e un soma)

• Asso-assonica, particolari assoni portano segnali iperpolarizanti

Tutte le sinapsi son caratterizzate da un elemento presinaptico (assone) e uno postsinaptico (dendriti, corpo

cellulare, assone, ghiandole, fibre muscolari)

Possiamo distinguere tra sinapsi chimiche ed elettriche:

• Elettriche: vi è la giustapposizione tra le membrane sinaptiche dei due neuroni e I due citoplasmi

attraverso determinate giunzioni cellulari [gap junctions, in questo caso di forma tubulare e chiamate

connessine (6 connessine formano un connessone), hanno anche funzione di sincronizzare l’attività

di più neuroni] attraverso cui passano ioni che portano la corrente dal neurone presinaptico al

postsinaptico trasferimento di corrente diretto, le connessine non sono selezionatrici, lasciano

passare tutte le molecole piccole senza filtrarle in base alla loro carica. Questo tipo di sinapsi non

mantiene perciò l’unidirezionalità poiché la comunicazione è mediata da giunzioni non selettive in

base alla carica ionica, ma solo permissive al passaggio di corrente.

Vi sono anche dei pregi:

1. la loro velocità garantita dalla continuità del citoplasma

2. le sinapsi elettriche posso sincronizzare (coordinare) la propria attività, ad esempio ciò

permette la contrazione cardiaca

Il passaggio avviene sulla base di processi di diffusione semplice l’intensità della corrente

diminuisce a causa della natura di cattivo conduttore del neurone (dispersione ed attenuazione della

carica), ciò fa sì che lo stimolo che crea il potenziale locale nel neurone postsinaptico non sempre

sia abbastanza forte. Le giunzioni comunicanti sono comuni nella muscolatura liscia viscerale, nel

muscolo cardiaco e nell’embrione in sviluppo.

• Chimiche: hanno meccanismi molto più complicati, non vi è giunzione tra le due membrane, si crea

una fessura sinaptica di circa 20-50 nm e il segnale presinaptico viene trasformato da elettrico a

chimico, viene infine rilasciata una sostanza chiamata neurotrasmettitore. Meccanismo della sinapsi

chimica:

1. Un impulso nervoso (PA) arriva al bottone sinaptico di un assone presinaptico

2. La membrana è depolarizzata, si aprono i canali voltaggio-dipendenti del Ca2+ e poiché la

concentrazione di questi ioni è più concentrata nel liquido extracellulare, il calcio per

diffusione semplice fluisce all’interno della cellula

3. L’aumento della concentrazione di calcio all’interno della cellula permette un’esocitosi

regolata, le vescicole di neurotrasmettitore si staccano dal citoscheletro si fondono con la

membrana plasmatica e saranno rilasciate nella fessura sinaptica

4. Le molecole di neurotrasmettitore diffondo fino ai recettori sulla membrana postsinaptica

5. Il legame tra neurotrasmettitori e recettori causa l’apertura dei canali ligando-dipendenti e

permette a determinati ioni di fluire attraverso la membrana

6. Quando gli ioni passano attraverso i canali il voltaggio della membrana determina il

potenziale post sinaptico

10 Il meccanismo non è molto veloce (circa 0,5 ms) ma ci sono diversi vantaggi che rendono più

favorevole l’utilizzo di questo macchinario, ad esempio il passaggio è unidirezionale poiché solo i

bottoni sinaptici del neurone presinaptico possono rilasciare neurotrasmettitori e i recettori si trovano

solo sulla membrana del postsinaptico il processo inverso non può avvenire.

Un potenziale postsinaptico può essere eccitatorio o

inibitorio, rispettivamente se il potenziale postsinaptico è

depolarizzato e iperpolarizzato.

I recettori presenti sulla membrana post-sinaptica

sono classificati a seconda che il sito di legame del neurotrasmettitore e il canale ionico siano componenti

della stessa proteina o meno. Vi sono due tipi di recettori:

• Ionotropi: recettore che comprende un sito di legame per il neurotrasmettitore e un canale ionico che

sono componenti della stessa proteina. Il recettore è ligando- dipendente cioè in assenza del legame

con il neurotrasmettitore il canale del recettore è chiuso. Risposta rapida. Il neurotrasmettitore si

lega al recettore e determina l’apertura del canale ionico: gli ioni escono/entrano dal/nel neurone

postsinaptico, il neurotrasmettitore rimane legato all’esterno del recettore e NON entra nel neurone.

Vi sono diversi tipi di recettori ionotropi a seconda dei diversi ioni che devono far passare.

• Metabotropi: recettore che comprende un sito di legame ma non possiede un canale ionico come

parte della struttura, induce modificazioni del metabolismo cellulare. Tuttavia un recettore

metabotropo è accoppiato attraverso una proteina di membrana (proteina G) a un canale ionico

posto in un altro punto della membrana. Quando il neurotrasmettitore si lega a un recettore di questo

tipo la proteina G può agire direttamente facendo aprire o chiudere il canale ionico, oppure può

attivare una seconda molecola (secondo messaggero) come cAMP, cGMP, IP3 che reagiscono

attivando una serie di reazioni a catena che aprono o chiudono il canale. Le reazioni a cascata

possono presentare diversi libelli e possono influenzare numerosi canali. Risposta in generale più

lenta. Tra gli effetti che può causare un secondo messaggero vi sono: variazione del potenziale di

membrana, espressione genica, induzione enzimatica.

azione IONOTROPA METABOTROPA

mediatore neurotrasmettitore Neurotrasmettitore/secondo

messaggero

latenza breve lunga

durata breve lunga

effetto locale a distanza

amplificazione NO SI’

Riassumendo:

• Sinapsi elettriche:

1. Stretto contatto dei terminali sinaptici

2. Passaggio diretto di ioni

3. Rapide

4. Bidirezionali

5. Passaggio di metaboliti di piccole dimensioni

6. Intervertebrati e vertebrati

• Sinapsi chimiche:

1. Terminali sinaptici separati

2. Messaggero chimico (neurotrasmettitore)

3. Più lente

4. vertebrati

11

Vi sono diverse cellule bersaglio: cellule secernenti e non, altri neuroni, tessuti muscolari, organi. Il

potenziale corre lungo l’assone fisso ad arrivare alla sua terminazione, a causa dello spazio sinaptico, il PA

non può passare dall’elemento presinaptico a quello postsinaptico è necessario un mediatore chimico

(neurotrasmettitore) che si passa da un neurone all’altro.

Terminale sinaptico: elementi del citoscheletro associati a vescicole, il meccanismo che permette l’esocitosi

regolata è un’elevazione della concentrazione del calcio 2+ , per via del potenziale di azione che apre canali

del calcio voltaggio-dipendenti che si aprono in seguito a una depolarizzazione, il calcio va ad agire sui

meccanismi molecolari che favoriscono l’esocitosi. La sinapsi tra neuroni può avvenire o a livello della

membrana dei dendriti o a livello di piccoli processi chiamati spine (Le spine dendritiche scoperte da Cajal

sono piccole protrusioni dei dendriti, di morfologia varia, che ricevono segnali ECCITATORI sensibili al

glutamato. La densità delle spine dendritiche di un neurone è correlata al numero di connessioni con le

terminazioni assoniche afferenti e può essere considerata come una misura della complessità delle sue

funzioni. Le spine son continuamente formate, riformate, modificate in base a nuove informazioni; studiarne

la forma oltre che al loro numero dà molte informazioni sugli aspetti dinamici della comunicazione nei

circuiti.). Le sinapsi inibitorie invece avvengono sulle membrane.

Ciascuna vescicola contiene un quanto (alcune migliaia) di neurotrasmettitore, occasionalmente si creano

senza potenziale d’azione, e alla fusione con la membrana post-sinaptica corrisponde un riutilizzo delle

vescicole. Non appena il neutrasmettitore è esocitato son messe in moto reazioni per rimuoverlo dalla

fessura. Gli astrociti avvolgono le sinapsi e contribuiscono a togliere di mezzo il neurotrasmettire che sarà

convogliato anche verso il sangue

SINAPSI NEURO-MUSCOLARE

I neuroni che stimolano la contrazione di un muscolo scheletrico son chiamati motoneuroni somatici, una

fibra muscolare si contrae in risposta a uno o più potenziali d’azione che si propagano lungo il sarcolemma e

il sistema dei tubuli T. I PA insorgono a livello della giunzione neuromuscolare (GNM), la sinapsi tra il

neurone e il muscolo. A livello della GNM la terminazione del motoneurone, chiamata assone terminale, si

ramifica in numerosi bottoni sinaptici, nel citosol di ognuno di questi ultimi sono disperse centinaia di

vescicole sinaptiche. Le vescicole contengono al loro interno migliaia di molecole di acetilcolina (ACh), il

neurotrasmettitore rilasciato a livello della GNM. La zona di membrana sul lato opposto del bottone si chiama

placca motrice e costituisce la componente muscolare, a livelo di questa si trovano 30-40 milioni di recettori

colinergici, proteine di membrana che si legano in modo specifico a ACh. Vediamo il tutto nel dettaglio:

• RILASCIO DI ACETILCOLINA: l’arrivo di un impulso nervoso a livello del bottone sinaptico,

causa l’esocitosi di numerose vescicole. Durante l’esocitosi, la vescicola si fonde con la

membrana plasmatica del motoneurone, liberando ACh nella fessura sinaptica. L’ACh diffonce

attraverso la fessura tra il motoneurone e la placca

• ATTIVAZIONE RECETTORI PER ACh: Il legame di due molecole di ACh a un recettore sulla

placca motrice determina l’apertura di un canale ionico nel recettori che permette il flusso

attraverso la membrana di piccoli cationi tra cui Na+.

• GENESI DEL POTENZIALE D’AZIONE NEL MUSCOLO: L’affluso di Na+ rende elettricamente

più positivo il lato interno della fibra muscolare. Questo cambiamento del potenziale fa insorgere

un PA nel muscolo che si propaga dal suo sarcolemma ai tubuli T. Questo fa dì che il reticolo

sarcoplasmatico rilasci le proprie riserve di Ca2+ nel sarcoplasma e di conseguenza la fibra

muscolare si contrae.

• TERMINAZIONE ATTIVITA’ ACh: L’effetto del legame dell’ ACh dura poco, poiché la molecola è

rapidamente degradata da un enzima chiamato acetilcolinesterasi (AChE), questo si trova nella

matrice extracellulare della fessura sinaptica, attaccato a fibre di collagene. L’AChE degrada

ACh in acetile e colina, prodotti che non possono attivare il recettore di ACh. La colina viene

ritrasporta nel terminale assonico e utilizzata per sintetizzare altra ACh.

L’esocitosi è mediata da alcune proteine facenti parte del gruppo delle “snare”: le v-snare si trovano sulla

vescicola; le t-snare si trovano su parte citoplasmatica della membrana, “t” sta per target, le proteine

indicano dove la vescicola dovrà fondersi; entrambe le proteine presentano domini elicoidali e si legano

formando un fascio di eliche e fondono con la membrana rilasciando le sostanze. (Il rilascio non avviene

sempre ad esempio esocitosi dopo endocitosi fenomeno “kiss and run”, quest’ultimo processo richiede molta

energia). La tossina botulinica prodotta dal batterio Clostridium botulinum, blocca l’esocitosi delle vesciole

sinaptiche, di conseguenza l’ACh non viene rilasciata e non ha luogo la contrazione muscolare, anche

piccole quantità possono causare la morte es. il respiro si arresta causa paralisi polmonare.

Endocitosi mediata da clatrina (durata 1 minuto): L'endocitosi consiste nel trasporto di molecole di varia

natura dall'esterno all'interno della cellula. La fase iniziale consiste nel riconoscimento da parte della cellula

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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in biotecnologie (Facoltà di Agraria, di Farmacia, di Medicina e Chirurgia, di Medicina Veterinaria e di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali)
SSD:
Università: Torino - Unito
A.A.: 2016-2017

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Arminkouch_ di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Anatomia e fisiologia dei modelli animali e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Torino - Unito o del prof Buffo Annalisa.

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