Fisiologia cellulare

STATO STAZIONARIO DI MEMBRANA (EQUAZIONE GHK)

Il potenziale di membrana e le concentrazioni degli ioni sono costanti nel tempo. I singoli ioni

non sono al loro equilibrio elettrochimico (eq. Nernst): vi sono flussi ionici (equilibrio dinamico)

e solo la corrente totale è nulla.

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Il potenziale di membrana dipende della permeabilità di tutti gli ioni.

MODELLO ELETTRICO DEI TRASPORTI DI MEMBRANA

Gradienti ionici (pompe) = batteria (Ek)

Canali ionici = conduttanze (gk)

Fosfolipidi = condensatore (Cm)

Schema rappresentativo ma non esatto per il posizionamento della batteria. I fosfolipidi sono

isolanti, infatti bloccano il passaggio degli ioni. Questo modifica le caratteristiche del sistema

e l’evoluzione temporale della carica (circuito RC).

LA MEMBRANA COME CIRCUITO RC

(guardo slide)

Impulso di corrente costante a t0. La corrente inizia a caricare il condensatore (corrente

capacitiva) che genera un potenziale. La corrente fluisce anche attraverso la resistenza

(corrente resistiva).

Quindi, a seguito di una corrente, il potenziale Vm non cambia istantaneamente ma impiega un

certo tempo. L’equazione che definisce, istante per istante, il valore di Vm durante l’arco di

tempo t in cui la membrana si carica.

MISURE ELETTROFISIOLOGICHE

In un circuito di membrana è possibile misurare direttamente due grandezze:

- Potenziale

- Corrente

La misura può essere dell’intera cellula o di un singolo canale. Misurando il loro andamento è

possibile ricavare le altre grandezze (capacità, resistenza, etc..)

MISURE ELETTROFISIOLOGICHE: IL CURRENT CLAMP

Utilizza una corrente nota (bloccata). Mediante microelettrodi viene iniettata la corrente in

una cellula. Siccome la corrente attraversa la membrana, si registra con un secondo elettrodo

il potenziale di membrana. È possibile ricavare l’impedenza, cioè la facilità con cui la

corrente passa in un circuito elettrico.

IL CONDENSATORE RALLENTA LA RISPOSTA

È possibile verificare la teoria del circuito RC. Utilizzando molteplici valori di corrente (rosso) si

può registrare il potenziale della cellula depolarizzata o iperpolarizzata (verde).

(simbolo) è importante per riuscire a sincronizzare i segnali della cellula.

COME VARIANO I POTENZIALI NELLO SPAZIO?

Alla base della trasmissione nervosa. Se la cellula è puntiforme le condizioni elettriche sono le

medesime in ogni suo punto. Se la cellula è allungata in una dimensione, non posso assumere

che le condizioni siano le stesse in tutta la cellula.

In questo caso, esistono ritardi o perdite di corrente all’interno della cellula. (immagine è

l’esempio di una canna dell’acqua con dei buchi).

LE CELLULE NERVOSE

Costituite da soma da cui partono numerose ramificazioni (dendriti) e un prolungamento

(assone). In base alla forma svolgono funzioni differenti.

PROPAGAZIONE DEI POTENZIALI-LA TEORIA DEL CAVO

Modello: la fibra nervosa è assimilabile ad un conduttore centrale (assoplasma) separato da

un conduttore esterno (fluido extracellulare) per mezzo di uno strato isolante (membrana)

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LA MEMBRANA E’ UN ISOLANTE IMPERFETTO

La Rm anche se elevata non è infinita, quindi una frazione della corrente che fluisce

nell’assoplasma esce attraverso la membrana. Pertanto, il potenziale registrato diminuisce, con

andamento esponenziale, col crescere della distanza dal punto della fibra in cui esso è stato

generato. Lambda= è la costante di spazio, corrisponde alla distanza a cui il segnale decade

fino al 37% del valore iniziale.

COME VARIANO I POTENZIALI NELLO SPAZIO?

La costante di spazio dipende anche dal diametro della fibra. Nelle cellule è dell’ordine di

qualche micron. Per garantire una propagazione dei segnali a grandi distanze, le cellule devono

avere dei meccanismi di compensazione per queste perdite di potenziale.

PROPAGAZIONE DEI POTENZIALI

Le caratteristiche della membrana cambiano la propagazione dei potenziali.

Se aumento Rm, i segnali arrivano più lontano ma diventano più lenti (guardo slide).

I segnali (elettrici) devono andare lontano ma velocemente.

SPOILER ALLERT!!!

Nei neuroni l’assone è un prolungamento specializzato per portare segnali elettrici. L’assone è

rivestito da una guaina mielinica, formata da cellule specializzate (cellule di Schwann,

oligodendrociti). La mielina è formata da più strati di membrana arrotolati.

Aumenta lo spessore dello strato isolante (cala drasticamente Cm). Riduce la permeabilità

ionica perché non ci sono canali ionici (aumenta Rm).

MISURE ELETTROFISIOLOGICHE: IL VOLTAGE CLAMP

La misura della corrente necessaria per mantenere costante il potenziale dà informazioni sulla

cellula. Imponendo un potenziale costante alla membrana si registra una prima corrente

capacitiva seguita da una resistiva.

Se voglio mantenere il potenziale a valori arbitrari devo misurare continuamente la risposta

cellulare e ho bisogno di un sistema che continui a modificare e riassestare le condizioni di Vm.

Gli amplificatori differenziali (triangolo verde) disponibili devono essere più rapidi dei

meccanismi cellulari, per contrastare le variazioni intrinseche del Vm e mantenere costante il

potenziale.

CELLULE DIVERSE HANNO CORRENTI DIVERSE!!!

La componente capacitiva è abbastanza simile in tutte le cellule.

La componente ionica (resistiva) della risposta elettrica varia da cellula a cellula (figura A e B9.

Questo ha fatto supporre che tali correnti fossero trasmesse da meccanismi diversi

(aperture/chiusure canali ionici).

Px non è costante nel tempo e è modulata da molti fattori. Px è determinata dal corredo di

canali ionici della cella: quindi cambiando il flusso di uno ione specifico è possibile cambiare la

sua corrente resistiva.

CONDUTTORE OHMICO: CURVE CORRENTE-VOLTAGGIO (I-V)

A) La corrente è linearmente dipendente dal potenziale.

B) Aggiungendo una batteria la relazione tra I e V non si modifica, ma la retta si

sposta rispetto all’origine.

CANALI VOLTAGGIO-DIPENDENTI

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I canali ionici di membrana non sono ohmici, ma sono voltaggio-dipendente. La conduttanza,

come la corrente, dipende dal potenziale. A un certo valore di V i canali si aprono e la

conduttanza cambia da g1 a g2.

Quando cambia la conduttanza cambia la pendenza della retta sul piano I-V.

La relazione I-V non è una retta.

Situazione reale, non ideale. La conduttanza di un canale ionico varia soltanto in una regione di

potenziale, solitamente seguendo una sigmoide.

Quando i canali sono tutti aperti, la corrente è ohmica. Solitamente i canali si aprono per

depolarizzazione (potenziale più positivo di Vm), tranne gli inward rectifiers.

Questo esempio riporta la corrente di tutta la cellula (immagine), non quella di uno specifico

ione.

MISURE ELETTROFISIOLOGICHE: IL PATCH CLAMP

Per misurare la corrente di un singolo e specifico ione. È possibile lo studio di cellule piccole e

delicate. Singolo elettrodo con punta abbastanza larga e liscia: si attacca alla membrana senza

romperla e isolando il singolo canale.

Basso rumore: possibili misure della corrente di un singolo canale. Possibile anche registrare

dall’intera cellula (whole-cell).

CONFIGURAZIONI DI PATCH CLAMP

È possibile utilizzare il patch clamp per misurare le risposte delle cellule in situ e in vivo, cioè

nell’animale vivo. Gli esperimenti fatti con patch multipli servono a capire le connessioni

circuitali nel sistema nervoso o in altri sistemi.

I CANALI SI APRONO E CHIUDONO “A SCATTO”

L’ipotesi iniziale che era che i singoli canali si comportassero come la media dei canali

(sigmoide). In realtà, i canali non sono mai tutti aperti o chiusi nello stesso istante ma hanno

una probabilità di apertura e chiusura (a scatto).

Canali Na+ e K+ sono alla base del potenziale d’azione.

PERCHE’ LA REGOLAZIONE DEL POTENZIALE DI MEMBRANA E’ COSI’ DIFFICILE?

Essenzialmente a causa della trasmissione dei segnali elettrici (potenziali). I segnali elettrici

vengono generati e trasmessi da particolari cellule, dette eccitabili.

Tali cellule eccitabili esprimono dei canali voltaggio-dipendenti, essenzialmente per Na e K, in

alcuni casi anche per Ca. Le più importanti cellule eccitabili sono i neuroni.

PROPAGAZIONE DEI POTENZIALI

Anche con la guaina mielinica, la costante di spazio nei neuroni è di pochi mm (distanza

massima di pochi cm).

Come viene trasmesso uno stimolo nell’organismo? Come si propagano i segnali elettrici lungo

i nervi?

I segnali devono essere propagati in tempi brevi senza essere dissipati. I neuroni devono

attuare particolari meccanismi di trasmissione.

LA TERMINOLOGIA ELETTROFISIOLOGICA

- Depolarizzazione: variazione del potenziale di membrana verso valori positivi (o meno

negativi)

- Ripolarizzazione: ritorno del potenziale verso il valore di riposo

- Iperpolarizzazione: variazione del potenziale di membrana verso valori più negativi di Vm

- Overshoot (eccedenza): superamento del valore 0 mV verso valori positivi

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- Attivazione e deattivazione: rispettivamente, aumento o diminuzione di una corrente

dipendente dal voltaggio

- Inattivazione: passaggio di canali ionici verso un particolare stato che non lascia passare

corrente, ma che è diverso dallo stato chiuso

- Deinattivazione: ritorno allo stato inattivato allo stato chiuso, da cui i canali possono di

nuovo riaprirsi in seguito a una depolarizzazione.

LEZIONE 8 – POTENZIALI D’AZIONE

30/05/2024

CAP.5

IL POTENZIALE D’AZIONE (PDA)

Segnale elettrico generato dalle cellule eccitabili, ossia:

- I neuroni

- Le cellule muscolari scheletriche

- Le cellule muscolari cardiache

(Altre cellule, es. muscolo liscio, alcune ghiandole..)

Il potenziale d’azione è caratteristico di ogni cellula. Il potenziale d’azione non cambia lungo

tutta la cellula.

CARATTERISTICHE DEL POTENZIALE D’AZIONE (PDA): LEGGE DEL TUTTO-O-NULLA

È un processo, non un valore come il Vm

1. È innescato da depolarizzazioni della membrana al di sopra di una soglia (circa 40 mV)

- Per stimoli sotto soglia, la cellula si depolarizza leggermente ma senza innescare il

potenziale d’azione

- Per stimoli sopra soglia, tutti i potenziali d’azione generati saranno uguali, e indipendenti dal

valore dello stimolo

2. Il decorso del pda è stereotipato

3. Mostra refrattarietà durante stimolazione ripetitiva

4. Si propaga in modo non decrementale (propagazione attiva)

Il pda è caratterizzato da una rapidissima depolarizzazione di membrana (circa da -70 mV a

+30 mV), molto rapidamente arriva ad un valore massimo di picco e decade fino a

iperpolarizzare la cellula, ritornando al Vm normale (pda ne