Fisiologia - Parte A

1. Meccanismi di trasporto trans-membrana (diffusione semplice, canali ionici passivi, e controllati,

diffusone facilitata, trasporto attivo primario e secondario).

La membrana citoplasmatica è costituita da un doppio strato di fosfolipidi, che sono

impermeabili all’acqua; queste sono molecole composte da una “testa polare” idrofila (gruppo fosfato

polare,costituito da un atomo di fosforo e tre atomi di ossigeno) ,e da una coda idrofoba,non polare,costituita

da una lunga catena non polare formata da atomi di carbonio e atomi di idrogeno. I fosfolipidi si

distribuiscono in modo tale che le teste siano rivolte nei versanti extracellulare e intracellulare ,mentre le

code si dispongono all’interno del doppio strato lipidico rivolte le une verso le altre.

Grazie a questa configurazione, vengono, le sostanze polari (cioè elettricamente cariche) non possono

oltrepassare la membrana, mentre possono attraversarla le sostanze non polari, come ad esempio ossigeno e

anidride carbonica.

Esistono diversi tipi meccanismi di trasporto trans membrana: i due principali tipi di trasporto sono il

TRASPORTO PASSIVO (di cui fanno parte diffusione semplice,canali ionici passivi e diffusione facilitata)

e il TRASPORTO ATTIVO (che si distingue in trasporto attivo primario e secondario).

--‐ La diffusione semplice, si tratta di uno spostamento passivo di molecole che vanno da una zona ad alta

concentrazione, verso una a minor concentrazione, fin quando non viene raggiunto un equilibrio dinamico

(cioè si ha una situazione di equilibrio, in cui avvengono piccoli spostamenti). È detta anche diffusione

passiva, in quanto sfrutta soltanto l’energia cinetica delle particelle che vengono spostate.

--‐ Canali ionici passivi: i canali ionici sono proteine integrali di membrana, sono formati da diverse

subunità, le quali circoscrivono un canale che permette il passaggio selettivo di ioni. Questi canali sono detti

passivi poiché sono sempre aperti, il flusso ionico è determinato da una forza elettrochimica esistente nei due

versanti della membrana. La loro apertura influenza l’equilibrio chimico ed elettrico della cellula

determinando flussi di ioni che generano modificazioni rapide del suo potenziale transmembrana. Ogni

canale riesce ad essere specializzato per una singola specie ionica, e ad essere molto veloce. La selettività dei

canali non è sempre uguale e va distinta di volta in volta. I canali tramite questo meccanismo, rendono la

membrana permeabile, ma in modo selettivo.

--‐ Canali ionici controllati (Gated): Sono detti canali controllati poiché si tratta di canali specifici, che

possono essere aperti o chiusi, in quanto possiedono un meccanismo che ne regolano l’apertura a seguito di

precisi stimoli di natura elettrica. Questi canali sono classificati in base ai meccanismi che li controllano,

esistono dunque:

__ -Canali controllati chimicamentea Il canale viene aperto nel momento in cui una

sostanza specifica si lega, mentre si richiude nel momento in cui questa si slega. È un

procedimento che avviene all’esterno della membrana. (Una delle principali azioni dei neurotrasmettitori può

essere quella di aprire i canali ionici, e quindi cambiare la

permeabilità della membrana).

__ -Canali controllati per Fosforilazionea(Si tratta di un procedimento molto simile al precedente, che però

avviene all’interno della membrana). Le sostanza che si trovano all’interno della membrana si legano ed il

canale viene aperto, nel momento in cui queste si slegano, il canale viene richiuso.

__ -Canali controllati elettricamentea Rispondo alla variazione di polarizzazione della membrana. Una parte

del filamento proteico è carico positivamente, e quindi è

sensibile alle variazioni di voltaggio, per questo motivo è anche detto sensore di

voltaggio. Se all’esterno della cellula il campo elettrico è carico positivamente, il

sensore rimane all’esterno, se invece il campo elettrico all’esterno della cellula è carico negativamente, il

sensore fuoriesce. In generale il canale può passare da aperto a refrattario, a chiuso, ma è impossibile che da

refrattario (inattivo) possa tornare ad

essere aperto.

__ -Canali controllati meccanicamentea Si tratta di canali in cui una parte è

meccanicamente connessa. Sono abbastanza rari e li troviamo soprattutto nei recettori

tattili, nella sensibilità ai suoni e nella sensibilità ai movimenti della testa.

‐

-- Diffusione Facilitata: si tratta un processo secondo il quale una sostanza si lega a una proteina, la quale

cambia conformazione facendo aprire il canale verso l’interno della cellula, così da far passare le molecole,

che possono slegarsi. Una volta slegatasi la sostanza in questione, la proteina potrà riprendere la sua

conformazione originale. Le proteine che hanno questo tipo di compito sono chiamate proteine carrier

(trasportatori). Il vantaggio di questo processo per diffusione facilitata è il passaggio di sostanze più

complesse, lo svantaggio è che si tratta di un processo abbastanza lento.

‐

-- Trasporto Attivo Primario: Si parla di Trasporto attivo primario nel momento in cui uno ione o una

molecola attraversa la membrana controgradiente di concentrazione, ossia procedendo da una zona a bassa

concentrazione verso una ad alta concentrazione, ciò comporta un consumo di ATP (La molecola di ATP si

lega e si divide in ADP+Pi, e viene trasportata controgradiente). Questo significa che la stessa molecola che

sta operando controgradiente di concentrazione, sta anche consumando ATP. Esistono diversi tipi di pompe,

tra cui la più importante è la Pompa Sodio- Potassio.

‐

-- Trasporto Attivo Secondario: è detto anche cotrasporto, e avviene quando vengono trasportati allo stesso

tempo due tipi di ioni. Uno di questi viene trasportato

controgradiente e l’altro secondo gradiente. Possiamo avere due diverse condizioni:

Simporto: entrambi gli ioni vanno nella stessa direzione.

Antiporto: i due ioni vanno in direzioni diverse.

*Anche la Pompa Sodio-Potassio potrebbe essere considerata un cotrasporto, visto che vengono trasportati

contemporaneamente due ioni, in realtà però sia il Sodio che il Potassio vengono trasportati controgradiente,

e la molecola consuma ATP, quindi si

ha un Trasporto Attivo Primario.

2. Potenziali cellulari (potenziale di membrana, potenziale d’azione)

Il potenziale di membrana: è una differenza di potenziale elettrico, tra l’interno e l’esterno della membrana

cellulare. Questa differenza è rilevata perché avviene uno sbilanciamento di cariche tra interno ed esterno

della cellula. L’interno ha un potenziale negativo rispetto all’esterno; si tratta di una separazione di cariche

elettriche, rappresentate dagli ioni, che si distribuiscono diversamente ai due lati della membrana. Questo

gradiente elettrico rappresenta una delle due forze motrici (l’altra è il gradiente di concentrazione) che guida

il passaggio di ioni attraverso la membrana: un potenziale negativo tende ad attirare verso l’interno della

cellula particelle cariche positivamente, e a respingere invece cariche negative.

Il passaggio di ioni da un lato all’altro della membrana avviene attraverso canali ionici che, a seconda del

tipo di regolazione, si distinguono in canali passivi (sempre aperti) e canali attivi (ad apertura controllata). La

presenza sulla membrana di canali passivi, genera un potenziale di riposo, ossia un potenziale di membrana

in assenza di cariche elettriche, che è sempre negativo. Questa differenza viene mantenuta quando il neurone

non genera impulsi, il potenziale di riposo di un tipico neurone corrisponde

mediamente a -65 mV. Quando si verifica un evento che determina l’apertura di canali attivi, possono

verificarsi due situazioni: 1) il lato interno della membrana diventa ancora più negativo, determinando

un’iperpolarizzazione. In tal caso la cellula diventa temporaneamente meno eccitabile; 2) il lato interno della

membrana diventa meno negativo, determinando una depolarizzazione: il potenziale di membrana può

invertire la polarità e diventare positivo (+20 mV). Quando la depolarizzazione supera un valore soglia, si

innesca un potenziale d’azione.

Si può arrivare anche ad un potenziale di equilibrio, nel momento in cui la differenza di potenziale elettrico

equilibra esattamente un gradiente di concentrazione ionica. Ogni ione ha il suo potenziale di equilibrio, cioè

il potenziale elettrico stabile che verrebbe raggiunto se la membrana fosse permeabile solo a quello ione.

Conoscendo la carica elettrica dello ione, e la differenza di concentrazione attraverso la membrana, è

possibile dedurre facilmente se l’interno della cellula sia positivo o negativo al potenziale di equilibrio. Il

valore esatto del potenziale di equilibrio in mV può essere calcolato attraverso l’equazione di Nernst, che

prende in considerazione la carica ionica, la temperatura ed il rapporto tra la concentrazione ionica esterna ed

interna. All’interno della cellula troviamo il potassio e le proteine (che non possono uscire), mentre

all’esterno si trovano il sodio (che non può entrare) e il cloro. Il potassio si muove liberamente, e se la

concentrazione è uguale, si ha la stessa probabilità che K+ entri o esca.

Il potassio spinto da un gradiente di concentrazione, tende ad uscire, ma all’esterno trova gli ioni Na+ che ne

ostacolano la fuoriuscita.

Il potenziale di membrana è il responsabile di numerosi processi che riguardano il

trasporto di ioni. Per le cellule eccitabili, inoltre, ha un ruolo chiave nel generare segnali lettrici che si

trasmettono sia nello stesso neurone che fra un neurone e l’altro ed è alla base dell’attività del sistema

nervoso. Il segnale elettrico infatti è rappresentato da una variazione velocissima e transitoria del potenziale

di membrana, denominata potenziale d’azione, che si trasmette poi lungo la membrana.

Sappiamo che la membrana è diversamente permeabile allo ione Sodio (Na+) e allo ione Potassio (K+),

molto permeabile al potassio e poco al sodio. Dunque risulta evidente che il potenziale di membrana

neuronale dipende dalle concentrazioni ioniche sui due lati della membrana. Il potassio (K+) è più

concentrato all’interno, mentre Sodio (Na+) e Calcio (Ca2+) sono maggiormente concentrati all’esterno. I

gradienti di concentrazione ionica sono indotti dall’azione di pompe ioniche presenti nella membrana

neuronale. Per la neurofisiologia cellulare sono particolarmente importanti due tipi di pompe: la pompa sodio

potassio e la pompa del calcio. La pompa sodio-potassio è un enzima che idrolizza ATP in presenza di Na+

all’interno della cellula. L’energia chimica liberata da questa reazione mette in funzione la pompa, che

scambia gli Na+ interni con i K+ esterni.

L’azione di questa pompa assicura che i K+ siano concentrati all’interno del neurone e che gli Na+ siano

concentrati all’esterno. È importante sottolineare che questa pompa spinge gli ioni contro il loro gradiente di

concentrazione. Questo lavoro richiede l’impiego di energia metabolica. La pompa del calcio è anch’essa un

enzima, che trasporta attivamente Ca2+ fuori dal citoplasma attraverso la membrana cellulare. Grazie a

questo meccanismo la concentrazione di Ca2+ all’interno della cellula è ridotta ad un livello bassissimo.

Il potenziale d’azione: è una modifica del potenziale di riposo, di breve durata, che si

genera nelle cellule eccitabili in risposta ad uno stimolo capace di depolarizzare la

membrana. La depolarizzazione della cellula durante il potenziale d’azione è causata

dall’entrata di ioni sodio attraverso la membrana, la ripolarizzazione è causata dall’uscita degli ioni potassio.

Una depolarizzazione oltre il valore di soglia (nel frattempo sullo sfondo sta lavorando la pompa sodio-

potassio, che mantiene i gradienti di concentrazione ionica, i quali durante il potenziale d’azione guidano gli

ioni sodio e potassio attraverso i loro canali.

), fa insorgere il potenziale d’azione, caratterizzato dall’inversione della polarità di membrana. (Il potenziale

d’azione ha una durata diversa a seconda del tipo di tessuto in cui si trova).

Il potenziale d’azione è caratterizzato da:

-Fase di Depolarizzazione: il potenziale di membrana diviene progressivamente meno

negativo fino a raggiungere valori positivi.

-Fase di Ripolarizzazione: il potenziale torna ad un valore di riposo. Comprende una fase

di iperpolarizzazione, durante la quale il potenziale raggiunge valori più negativi del

potenziale di riposo.

Grazie a queste caratteristiche il potenziale d’azione è considerato un fenomeno “tutto o nulla”, nel senso che

c’è o non c’è, e quando insorge viene mantenuto sempre uguale a se stesso, non può cambiare in ampiezza.

La variazione dell’informazione nervosa dunque non dipende da un cambiamento dell’ampiezza del

potenziale d’azione ma da un cambiamento della frequenza con cui esso insorge.

Come funziona il potenziale d’azione nella realtà?

Quando la membrana viene depolarizzata fino al livello di soglia, si verifica un aumento di conduttanza per

gli ioni sodio. Questo permette agli Na+ di entrare e quindi avviene la depolarizzazione del neurone.

L’aumento di conduttanza è molto breve, e questo spiega la breve durata del potenziale d’azione. Il processo

di reintegrazione del potenziale di membrana negativo viene integrato da un aumento di conduttanza per il

K+, che permette al Potassio di lasciare velocemente il neurone depolarizzato.

Per verificare tale teoria basta misurare la conduttanza della membrana per il sodio e per il potassio durante il

potenziale d’azione. Per effettuare tale misurazione fu introdotto un dispositivo di blocco per il voltaggio.

Questa tecnica permise di fissare il potenziale di membrana di un assone rispetto a qualunque valore

prescelto. Misurando le correnti che fluivano attraverso la membrana, gli scienziati furono in grado di

stabilire quali cambiamenti avvenissero nella conduttanza della membrana rispetto a differenti potenziali di

membrana.

Caratteristiche del potenziale d’azione

• Soglia. Il potenziale di membrana raggiunge il livello di soglia e i canali voltaggio

dipendenti selettivi per il sodio si aprono. Così, la permeabilità ionica della membrana favorisce il sodio

rispetto al potassio.

• Fase crescente. Quando l’interno della membrana è caratterizzato da un potenziale

elettrico negativo, vi è una considerevole forza che agisce sugli ioni Na+. Tali ioni entrano improvvisamente

nella cellula attraverso i canali per il sodio causando una rapida depolarizzazione della membrana.

• Potenziale a punta. Poiché la permeabilità relativa alla membrana favorisce notevolmente il passaggio del

sodio, il potenziale di membrana si sposta ad un valore vicino a ENa che è superiore a 0 mV.

• Fase decrescente. L’attività dei due tipi di canale contribuisce al verificarsi della fase decrescente. Per

prima cosa i canali selettivi per il sodio si inattivano. In secondo luogo i canali per il potassio si aprono.

Quando la membrana è fortemente depolarizzata si verifica una significativa forza sugli ioni K+, per cui

questi ioni escono dalla cellula attraverso i canali aperti e il potenziale di membrana diventa nuovamente

negativo.

• Iperpolarizzazione. I canali voltaggio-dipendenti selettivi per il potassio si aggiungono alla restante

permeabilità al potassio della membrana. Poiché la permeabilità al sodio è bassa, il potenziale di membrana

si sposta verso Ek, causando un’iperpolarizzazione relativa a potenziale di membrana a riposo fino a che i

canali per il potassio si chiudono di nuovo.

• Periodo refrattario assoluto. I canali per il sodio si disattivano quando la membrana diventa fortemente

depolarizzata. Essi non possono venire attivati nuovamente e non si può verificare un altro potenziale

d’azione fino a che il potenziale di membrana non diventa sufficientemente negativo da attivare i canali.

• Periodo refrattario relativo. Il potenziale di membrana rimane iperpolarizzato fino a che i canali per il

potassio si chiudono. Di conseguenza, è necessaria una maggiore corrente depolarizzante per portare il

potenziale di membrana a livello di soglia.

*Soglia: depolarizzazione minima che la membrana deve raggiungere perché possa insorgere un potenziale

d’azione.

3. Modello elettrico del neurone (resistenza e capacità di membrana, costantedi tempo, costante di

spazio, conduzione assonale, conduzione saltatoria)

Il modello elettrico della membrana è strutturato secondo diversi elementi, tra i più importanti troviamo la

Resistenza di Membrana e la Capacità di Membrana. Per quanto riguarda il neurone, le tre resistenze più

importanti sono la resistenza al Sodio, al Potassio e al Cloro. Tutti questi ioni passano, anche se in maniera

diversa, attraverso la membrana.

Il potassio può passare molto facilmente rispetto al sodio e al cloro che passano con maggiori difficoltà.

Quindi troveremo una minor resistenza per il Potassio, ed un’alta resistenza per il Sodio ed il Cloro. La

facilità o difficoltà con cui si sposta una corrente ionica è data dal numero di canali ionici che ci sono per una

determinata specie ionica. Ade esempio il Sodio passa difficilmente poiché ci sono pochi canali, mentre i

canali per il Potassio sono più numerosi. Più canali ci sono sulla membrana, e più ioni passano, in questo

caso si ha una bassa resistenza. Se i canali sono pochi, passeranno meno ioni, e in tal caso si avrà una

resistenza alta. DEF. Quindi possiamo dire che la resistenza di membrana è un ostacolo al passaggio degli

ioni, e che quindi lavora quando c’è una situazione dinamica, ovvero quando c’è corrente.[Se prendo due

neuroni (uno di superficie maggiore rispetto all’altro) e ipotizzo che in entrambi ci sia l