Fisiologia Generale - Segnale elettrico (parte 2/5)

Appunti di Fisiologia Generale

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La cellula depolarizza velocemente, raggiunge un

picco di potenziale d'azione di +30/+40 mV, poi

torna a potenziali negativi minori del normale fino a

tornare in condizioni normali

La risposta rigenerativa, se comincia, continua fino

al completamento della risposta.

Picco positivo: overshoot, poi ripolarizza

Picco negativo: iperpolarizzazione postuma

Refrattarietà

: lo stimolo durante la ripolarizzazione e l’iperpolarizzazione postuma non varia il profilo

del potenziale d’azione in atto.

Non si può innescare un secondo potenziale d’azione sovrapposto rispetto al primo

La refrattarietà può essere:

● assoluta: durante la caduta del potenziale d’azione è impossibile variarne la forma

stereotipata (anche dando stimoli)

● relativa: viene dopo la refrattarietà assoluta, si ha una risposta allo stimolo abortiva, molto

minore rispetto a quella prevista. Questa ha una durata maggiore.

La differenza tra refrattarietà assoluta e relativa dipende dall’inattivazione dei canali Na

voltaggio-dipendente. L’inattivazione avviene a -20mV → assoluta

Durante la caduta del potenziale d’azione sono aperti molti

+

canali K ed è difficile che la cellula risponda agli stimoli

Appunti di Fisiologia Generale

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La refrattarietà è molto importante perchè determina qual è la frequenza massima della scarica

(risposta) per unità di tempo ovvero quanto rapidamente si possono produrre potenziali d’azione.

I primi studi sul potenziale d’azione furono eseguiti sugli assoni giganti del calamaro gigante

utilizzando elettrodi di metallo. I successivi studi utilizzarono pipette appoggiate sulla superficie

cellulare,questo metodo (detto patch-clamp

) permette di controllare il potenziale di membrana

Si pensava che il potenziale d’azione si formasse a potenziale=0 ma notarono che diventava anche

positivo perciò ipotizzarono che ci fosse una componente dipendente da uno ione con potenziale

d’equilibrio positivo: E = +60 mV

Na +

→ Il potenziale d’azione è dipendente dal Na +

esperimento 1: Stimolazione dell’assone a diverse concentrazioni esterne di Na :

1° potenziale d’azione

→

normale

2° potenziale

→

diminuito

+

Diminuendo la concentrazione di Na extracellulare, si

+

diminuisce anche il potenziale di equilibrio del Na e quindi si

abbassa il potenziale d’azione +

Il picco del potenziale d’azione è collegato al potenziale di equilibrio del Na perchè i canali di Na sono

più aperti rispetto ad altri canali. +

Esperimento 2: sostituzione del Na extracellulare per lo studio del potenziale.

+ +

La cellula ripolarizza perchè i canali di Na si inattivano e si aprono i canali del K che esce portando il

potenziale a valori negativi. Portando la cellula ai valori soglia si aprono i canali per il Na e si aumenta

la conduttanza (i canali ionici sono stimolati dal potenziale di membrana: canali voltaggio-dipendenti).

+

La conduttanza poi diminuisce velocemente, i canali si chiudono, aumenta la conduttanza per il K (si

ha un maggior tempo di latenza perchè sono canali più lenti) e la cellula ripolarizza.

+

Finchè non si sono chiusi tutti i canali K si ha un potenziale minore rispetto al potenziale di riposo.

Due fenomeni determinano il potenziale d’azione:

+ +

1. apertura dei canali Na , entrano gli ioni Na e la

cellula depolarizza + +

2. apertura dei canali K , escono gli ioni K e la

cellula ripolarizza Appunti di Fisiologia Generale

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+ +

Per misurare le correnti di Na e K bisogna stimolare la cellula iniettando una corrente. La corrente

cellulare ha due componenti: corrente capacitiva e corrente resistiva (interessa a noi)

Non è possibile isolare le correnti che passano nei canali ionici perché è sempre presente la corrente

di membrana. Devo ricavarla.

I = I + I I = V /R I = C V

m C R R m m R m m

Nel condensatore, considero le cariche totali Q Q=C V

m m

Ricavo la corrente Capacitiva da cui

La corrente di membrana sarà:

Posso eliminare la corrente capacitiva (I ) mantenendo il potenziale costante.

C

Metodo del blocco del potenziale (Voltage-clamp)

Utilizza un sistema elettronico a controllo a feedback per mantenere il potenziale di membrana ad un

valore prestabilito.

Si cambia bruscamente il potenziale a -40mV, se passa la corrente c’è un flusso uguale e contrario

che attraversa la membrana (e il potenziale è mantenuto costante)

Rimane solo la I che passa attraverso i canali ionici.

R

A -70 mV → I=0 il potenziale è a riposo

A -40 mV → le cariche + sono attratte ed entrano nella cellula, il potenziale diventa positivo e

si inverte il segno. Le cariche positive escono

Si aprono i canali K+ (lentamente) e il potenziale torna a valori negativi fino a -70mV (i

canali si chiudono)

Il potenziale d’azione è dovuto a correnti diverse attivate dal potenziale di membrana:

I = C (V -E )

Na Na m Na

I = C (V - E )

K K m K Le conduttanze dipendono dal tempo e dal

potenziale di membrana, il potenziale infatti

interferisce con la struttura del canale interagendo

con i residui carichi positivamente sensibili al

cambiamento del potenziale che induce un cambio di

conformazione.

Ciclo di Hodgkin

Circuito rigenerativo a feedback positivo responsabile della fase ascendente del potenziale d’azione.

+

Durante la depolarizzazione, subito sopra al valore di soglia, alcuni canali di Na si aprono

+

permettendo l’ingresso di più ioni Na e facilitando la depolarizzazione. Appunti di Fisiologia Generale

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+ +

A circa -40mV i canali di Na aperti sono molti di più: la corrente entrante del Na aumenta e la cellula

+

depolarizza fino a che tutti i canali del Na sono aperti, ottenendo così la corrente massima.

Questo processo si autoalimenta, è una retroazione positiva veloce che porta la cellula vicino al

+

potenziale di equilibrio del Na +

Depolarizzazione della membrana → aumento della permeabilità del Na → aumento della corrente →

depolarizzazione della membrana Dopo un certo tempo la depolarizzazione porta

all’inattivazione

Tipiche relazioni corrente-potenziale

Corrente del potassio: I = G (V -E )

K K m K

La conduttanza G non è costante perciò nelle cellule la concentrazione dello ione varia secondo la

K

conduttanza.

I = i N dove i è la corrente per ogni canale e N è il numero dei canali totali

K

La corrente totale è data dalla corrente singola per ogni canale presente

Il dato canale può essere più o meno aperto secondo condizioni probabilistiche (la probabilità massima

è 90%, mai 100%!)

I= i N : probabilità che il canale sia aperto