Riassunto esame Fisiologia del Sistema Nervoso, prof. Cambria, libro consigliato Principi di Neuroscienze, Kandel

L’INSORGENZA DEL POTENZIALE D’AZIONE È DOVUTA A FLUSSI IONICI CHE ATTRAVERSANO CANALI VOLTAGGIO‐DIPENDENTI

EsperimenD sull’assone di calamaro dimostrarono come la conduSanza della membrana aumenta notevolmente nel corso di un potenziale d’azione:

si dimostrò quindi che il potenziale d’azione è dovuto a una modificazione dei flussi ionici

Hodgkin dimostrò poi che la depolarizzazione che dà origine al potenziale d’azione determina un aumento transitorio della permeabilità della

membrana verso Na+ (difaU, allontanando lo ione dai liquidi extracellulari, si riduce l’ampiezza del potenziale) che sovrasterebbe l’elevata

permeabilità che la membrana ha, a riposo, verso K+; la fase discendente è dovuta invece a un aumento della permeabilità verso K+

LE CORRENTI DI SODIO E DI POTASSIO CHE PASSANO ATTRAVERSO I CANALI VOLTAGGIO‐DIPENDENTI VENGONO MISURATE CON LA TECNICA DI

BLOCCO DEL VOLTAGGIO

La tecnica di blocco del voltaggio perme?e il mantenimento di un potenziale di membrana stabile e pari a un valore desiderato; senza questa

tecnica, il potenziale non può rimanere stabile, per via dell’accoppiamento (feed‐back posiDvo) fra potenziale di membrana e condu?anza dei canali

Na+ e K+ (→ depolarizzazione → apertura canali Na+ v‐d → ulteriore depolarizzazione → ulteriore apertura …)

• la tecnica consiste nell’inieSare nell’assone una corrente uguale ed opposta a quella che scorre a?raverso i canali v‐d; l’enDtà della

corrente che deve venir erogata per mantenere il potenziale costante è la misura della corrente che passa per la membrana. Inie?ando

una corrente uguale ed opposta, non ci sono variazioni del potenziale, e quindi impedisce l’apertura di altri canali.

• l’apparato è provvisto di un generatore di corrente, che impone alla membrana un potenziale scelto dallo sperimentatore; la corrente

causa quindi una depolarizzazione della membrana, che apre i canali v‐d. Il flusso di ioni a?raverso quesD canali farebbe variare il

potenziale, se non fosse che il meccanismo di feedback (negaDvo) dell’apparato (dovuto ad altri ele?rodi) genera una corrente uguale

ed opposta a quella dovuta all’apertura dei canali, di modo che il circuito di blocco di voltaggio impedisce automaDcamente che la

corrente ionica possa far variare il potenziale di membrana dal valore imposto

• per ogni valore di potenziale imposto, la condu?anza dei canali v‐d è misurata tramite l’analisi del valore della corrente uguale ed

opposta che bisogna generare

• inoltre, la tecnica perme?e di separare la corrente di membrana nelle sue componenD ioniche e capaciGve

• se V non varia, anche Q resta costante (V = Q / C) e non si ha flusso di corrente capaciGva (I = ΔQ / Δt); la corrente capaciDva è

presente solo quando è in corso una variazione di V: il flusso di corrente sarà presente solo all’inizio e alla fine della variazione

a gradino di V, e sarà presente in maniera istantanea

• durante il gradino, si ha corrente ionica; una volta o?enuta, si può calcolare la dipendenza dal tempo e dal voltaggio delle

variazioni di conduSanza, determinate dall’apertura e chiusura dei canali Na+ e K+

Hodgkin e Huxley uDlizzarono questa tecnica per misurare le modificazioni della conduSanza di membrana verso Na+ e K+ in risposta a variazioni

sistemaDche del potenziale di membrana

• dapprima imposero piccole depolarizzazioni (10 mV): inizialmente si ha una breve corrente uscente capaciGva, seguita da una corrente

ionica uscente di intensità minore, che persiste per tu?a la durata dell’impulso depolarizzante; interrompendo l’impulso depolarizzante,

si osserva una breve corrente entrante capaciGva, quindi la corrente di membrana torna a zero

• la corrente ionica costante è de?a corrente di fondo Ii, ovvero la corrente che passa a?raverso i canali passivi, la cui

condu?anza è de?a conduSanza di fondo gi

• effe?uando depolarizzazioni di enGtà maggiore, le correnD hanno intensità maggiore; inoltre, il tracciato è più complesso: dopo la

corrente uscente capaciDva e l’inizio della corrente ionica di fondo, si osserva un’ampia corrente entrante di breve durata, seguita da

una corrente uscente che raggiunge un plateau mantenuto finchè è presente l’impulso depolarizzante

• evidentemente, la depolarizzazione apre in successione due Dpi di canali aMvi differenD (uno a corrente entrante e uno a

corrente uscente)

• per separare le due correnD e determinare il loro proprio andamento temporale, modificarono la composizione degli ioni in soluzione

• sosDtuendo Na+ con colina, si elimina la corrente entrante

• più recentemente sono state introdo?e la tetrodotossina TTX, che blocca il canale v‐d Na+, e il tetraeGlammonio TEA, che

blocca il canale v‐d K+

LE CONDUTTANZE VOLTAGGIO‐DIPENDENTI DEL SODIO E DEL POTASSIO SI POSSONO CALCOLARE A PARTIRE DALLE RISPETTIVE CORRENTI

Per la legge di Ohm, I = g (Vm ‐ E) [intensità = conduLanza x forza motrice eleLrochimica]; è quindi possibile calcolare la conduSanza da

quest’equazione: g = I / (Vm ‐ E); questo calcolo va fa?o separatamente per ogni ione, del quale bisogna considerare l’intensità e il potenziale di

equilibrio. Per conoscere il potenziale di equilibrio sono necessarie la concentrazione intracellulare ed extracellulare, ma si può anche determinare

sperimentalmente, trovando il valore di Vm al quale la corrente inverte la propria polarità (cioè quel valore di potenziale necessario per pareggiare la

forza chimica, e superato il quale la forza ele?rica, opposta a quella chimica, prevale, facendo cambiare così direzione al flusso ne?o); in tal caso, il

potenziale di equilibrio prende il nome di potenziale di inversione; una volta calcolata l’ampiezza delle conduSanze, è possibile verificare anche il

loro andamento temporale

La misura delle condu?anze di Na+ e K+ mostra che tra i canali esistono due analogie e due differenze:

• analogie funzionali:

• entrambe le popolazioni di quesD canali si aprono in risposta a impulsi depolarizzanG a gradino del potenziale di membrana

• man mano che la depolarizzazione aumenta, anche la probabilità e la frequenza di apertura di entrambi i Dpi di canali aumenta

• differenze:

• i canali K+ e Na+ v‐d differiscono per la velocità di apertura ( i canali Na+ v‐d sono più veloci)

1

• differiscono inoltre per le loro risposte verso le depolarizzazioni protraSe nel tempo (i canali Na+ tendono a chiudersi: mentre i

canali Na+ vano incontro a inaMvazione, i canali K+ rimangono aperG per tu?a la durata della depolarizzazione)

• i canali Na+ possiedono 3 staD diversi, corrispondenD a 3 diverse conformazioni: in ordine, possono essere allo stato di

riposo (chiusi), aMvato (aperD), inaMvato (chiuso); l’inaUvazione scompare con la ripolarizzazione della membrana

fino al suo potenziale di riposo negaDvo

• il tempo di apertura e di riaUvazione dipende dalla cineDca delle reazioni che controllano l’accesso ai canali Na+:

perchè il canale sia aperto, devono essere aperte entrambe le sue porte, quella di aMvazione (chiusa al potenziale di

riposo) e quella di inaMvazione (aperta al potenziale di riposo; si chiude lentamente in risposta a una

depolarizzazione) → il canale è in grado di condurre ioni soltanto per un breve periodo, nel corso di una

depolarizzazione, quando entrambe le porte sono aperte

È POSSIBILE RICOSTRUIRE IL POTENZIALE D’AZIONE CONOSCENDO LE PROPRIETÀ DEI CANALI DEL SODIO E DEL POTASSIO

Secondo il modello di Hodgkin e Huxley, in potenziale d’azione comporta la seguente successione di evenD

• una depolarizzazione della membrana determina l’apertura dei canali v‐d Na+ (aumento gNa) con comparsa di una corrente entrante di

Na+; parte quindi un processo rigeneraGvo (entrata Na+ → depolarizzazione → apertura canali Na+ …) che spinge il potenziale di

membrana verso E

NA

• la depolarizzazione limita la durata del potenziale d’azione:

• provoca la graduale inaMvazione dei canali Na+ (riduzione gNa)

• determina, con qualche ritardo, l’apertura dei canali K+ v‐d

• compare quindi la branca discendente del potenziale d’azione, dovuta alla corrente uscente di K+ che ripolarizza la membrana

• dopo la ripolarizzazione, compare un’iperpolarizzazione transitoria de?a potenziale postumo (dovuto al fa?o che i canali K+, che si

sono aperD in ritardo, si chiudono qualche tempuscolo dopo che Vm è tornato al proprio valore di riposo, trascinando così il potenziale

verso E )

K

• il potenziale è poi seguito da un periodo di refraSarietà, suddiviso in due fasi disDnte:

• il periodo di refra?arietà assoluta, che segue immediatamente il potenziale d’azione, durante il quale è impossibile provocare

l’eccitamento della cellula

• il periodo di refra?arietà relaGva, durante il quale è possibile far insorgere un potenziale d’azione, ma solo applicando sDmoli di

intensità maggiore di quelli normalmente richiesD per raggiungere la soglia

• quesD periodi di refra?arietà sono dovuD all’inaMvazione dei canali Na+ e all’aumentato numero di canali K+ aperG: se un

impulso è troppo vicino al precedente, non può generare un potenziale perchè i canali Na+ saranno ancora inaUvaD

• il potenziale d’azione è un evento tuSo‐o‐nulla: una volta raggiunto il valore soglia di potenziale, non può non parDre il potenziale

d’azione; se una depolarizzazione è so?o soglia, aumenta la corrente entrante Ina, ma aumentano anche le correnD uscenD I (apre

K

infaU i canali K v‐d) e I (varia la FEM degli ioni passanD per i canali passivi). La depolarizzazione può conDnuare a crescere grazie alla

I

grande sensibilità al voltaggio e alla rapida cineGca di aMvazione dei canali Na+ v‐d. Il valore soglia è quel valore per il quale la

corrente ionica neSa cambia senso diventando entrante, ovvero la corrente Na+ supera le correnD uscenD; da questo valore in poi il

potenziale è obbligato a parDre per via del suo caraSere rigeneraGvo (apertura di nuovi canali Na+ v‐d)

LA PRESENZA DI CANALI VOLTAGGIO‐DIPENDENTI CON PROPRIETÀ DIVERSE AUMENTA L’EFFICACIA CON CUI I NEURONI TRASMETTONO

MESSAGGI

IL SISTEMA NERVOSO È IN GRADO DI ESPRIMERE UNA RICCA GAMMA DI CANALI IONICI VOLTAGGIO‐DIPENDENTI

MolD neuroni posseggono canali Ca2+ volt‐dip che si aprono in risposta alla depolarizzazione della membrana (grande forza ele?rochimica

entrante); alcuni neuroni possiedono anche canali Cl‐ volt‐dip

Esistono poi canali si Gpo h, permeabili ai caDoni monovalenD e aUvaD lentamente da una iperpolarizzazione: determina la comparsa di una

corrente