Generazione del potenziale d azione nervoso

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1 Il potenzile d zione Permeilità ionic e potenzile di memrn; Misurzione del segnle lung distnz nei neuroni; Crtteristiche del potenzile d zione; Inizio e propgzione del potenzile d zione; Generzione del potenzile d zione Modificzioni dell permeilità reltiv l sodio durnte il potenzile d zione Cnli del sodio voltggio-dipendenti sull memrn neuronle; Ripolrizzzione; Periodo refrttrio; Propgzione del potenzile d zione lungo l fir nervos Fttori che influiscono sull velocità di propgzione del potenzile d zione Crtteristiche molecolri del cnle del sodio sensiile l voltggio Crtteristiche molecolri del cnle del potssio sensiile l voltggio Potenzili d zione clcio-dipendenti

2 Finor ci simo occupti di fenomeni comuni tutte le cellule. Ogni cellul deve rggiungere l equilirio osmotico, present un distriuzione differenzile di ioni i cpi dell memrn e oedisce gli stessi principi elettrochimici per mntenere il potenzile ionico trnsmemrn. D or in poi considereremo un prticolre tipo di cellule, le cellule eccitili, cpci di modulre il potenzile di memrn in rispost gli stimoli mientli. Tli cellule sono in grdo di generre risposte elettriche ttive utilizzili come segnli. L esempio più noto di cellul eccitile è il neurone. I neuroni del sistem ricevono segnli, trsmettono e nlizzno l informzione e coordinno un zione pproprit di rispost. Uno dei segnli fondmentli per trsmettere l informzione è il potenzile d zione, segnle distnz trsmesso lungo gli ssoni dei neuroni sensitivi e motori. I neuroni sono cellule strutturlmente complesse, con lunghe estensioni firose specilizzte nel ricevere e trsmettere informzioni. Esistono diversi tipi di neurone, specilizzti in funzioni diverse e con strutture diverse tr loro. In generle sono schemtizzili come un corpo cellulre, o som, contenente il nucleo, che costituisce solo un piccol prte dell cellul (dimetro micron). Al som sono unite delle dirmzioni rmificte, dette dendriti, che si possono estendere per diversi millimetri. I dendriti sono specilizzti nel ricevere segnli d ltri neuroni e incnlrli nel som. Dl som si origin nche un ltr fir lung e sottile, dett ssone, specilizzt nel trsmettere l ttività d ltri neuroni o, nel cso dei motoneuroni, lle fire muscolri.

3 Fig.1 Fig.2

4 Finor imo considerto l permeilità come un crtteristic fiss dell memrn cellulre. Nelle cellule eccitili però l permeilità ionic può vrire. E proprio un umento trnsitorio e netto dell permeilità l sodio che è ll se dell crezione del potenzile d zione, ovvero del segnle se del sistem. Come si misurno i segnli nervosi? L misurzione del potenzile di memrn di un neurone si può effetture inserendo un microsond (dett sond intrcellulre) ll interno dell ssone e misurndo l tensione di quest sond rispetto d un punto di riferimento nell ECL. Il potenzile di memrn riposo di un neurone vle 70 mv. Succede però che in rispost determinti stimoli, dotti di certe crtteristiche, il potenzile di memrn vri improvvismente e in un determinto modo, ovvero, divent meno negtivo (depolrizzzione) e ritorn rpidmente l suo livello originle di polrizzzione. Questo è qunto può succedere per esempio nel sistem umno qundo viene stimolto il riflesso di estensione del ginocchio, evocto dllo stirmento improvviso del qudricipite dell cosci. Se lo stirmento del muscolo è sufficientemente forte, può provocre un serie di potenzili d zione, ciscuno con l stess form e l stess mpiezz.

5 Crtteristiche del potenzile d zione: I potenzili d zione sono evocti dll depolrizzzione, ovvero lo stimolo esterno h come immedito effetto quello di depolrizzre l memrn (rendere l interno dell cellul un pò meno negtivo rispetto ll esterno). 1) Per evocre il potenzile d zione, l depolrizzzione deve superre un vlore di sogli, dell ordine di mv. Cioè, dto il potenzile riposo di 70 mv, per generre il potenzile d zione, il potenzile di memrn deve slire mv 2) L mpiezz del potenzile d zione è indipendente dll grndezz dello stimolo, ovvero se lo stimolo è stnz grnde d superre l sogli, il potenzile viene evocto con mpiezz e form costnte 3) L propgzione del potenzile d zione lungo il neurone vviene senz ttenuzioni, m velocità molto minore dell velocità di propgzione elettric lungo i fili metllici. L velocità di conduzione del potenzile d zione nelle fire nervose è di circ m/s (m sono stte osservte velocità fino 100 m/s) 4) Al picco del potenzile d zione si verific un inversione di polrità del potenzile di memrn, ovvero l interno divent più positivo dell esterno (potenzile postumo ripolrizznte). 5) Al termine del potenzile d zione, l ssone si trov in uno stto di refrttrietà ssolut, ovvero è ssolutmente incpce di generre un ltro potenzile d zione.

6 Quest ultim crtteristic pone un limite in frequenz l potenzile d zione. Poichè il periodo di refrttrietà è generlmente di circ 1 ms, ne consegue che non è possiile per un neurone generre più di 1000 potenzili d zione l secondo. Per cpire le rgioni delle crtteristiche ppen esposte del potenzile d zione, esminimo lcuni esperimenti che sono stti ftti sui neuroni. Ponendo due sonde intrcellulri in due punti diversi dell fir, e, posti 10 cm di distnz tr loro, si possono fre lcune interessnti osservzioni. Se iperpolrizzimo l memrn nel punto, ovvero se lo ponimo d un potenzile più negtivo di quello di equilirio iniettndo criche negtive in eccesso, nel punto non viene registrt lcun vrizione del potenzile di memrn (qulunque si l quntità di criche iniettte). Questo ftto ci dice che evidentemente l eccesso di criche negtive iniettte dl microelettrodo si esurisce ttrversndo l memrn nelle immedite vicinnze del punto, senz rrivre. In questo cso dunque, l memrn plsmtic non si comport fftto come un uon isolnte, come si er detto ll inizio. Dunque l memrn semr vere un resistenz minore di qunto non si quell del mezzo interno l neurone (ltrimenti l eccesso di criche negtive si propghereero lungo l ssone). D ciò si deduce che l memrn non è un isolnte molto efficiente e nel contempo che l ICL interno ll memrn non è un conduttore molto efficiente. Cos succede se si iniettno criche positive ll interno dell memrn? Dipende!

7 Se si iniett un piccol quntità di criche positive, l memrn si depolrizz (ovvero l interno diviene meno negtivo che ll equilirio), m ncor un volt l effetto non rggiunge il punto. Qundo l iniezione di criche cess, l eccesso di criche positive fuoriesce dll fir e il potenzile torn l suo vlore. Però umentndo l quntità di criche positive, ument l depolrizzzione e qundo quest super un vlore di sogli si gener un potenzile d zione. Qundo questo succede,nel punto si registr un copi del potenzile d zione generto in, ritrdto però di un cert quntità di tempo. Pertnto il potenzile d zione viene evocto d un depolrizzzione (1), quest deve essere superiore d un sogli (2), il potenzile d zione si propg senz ttenuzioni (3). M come si spiegno questi ftti? Occorre considerre I fttori che determinno il vlore del potenzile di memrn: d un lto il potenzile di equilirio delle vrie specie ioniche (intermedio tr E K e E N ), dll ltro le permeilità degli ioni. Dll equzione di Goldmn è fcile rendersi conto di cos può succedere se d esempio l permeilità l sodio ument improvvismente. Vedimo che è proprio un umento trnsitorio dell permeilità l sodio l evento responsile dell vrizione del potenzile di memrn e dell generzione del potenzile d zione. Il pssggio degli ioni ttrverso l memrn è regolto di pori trns-memrn. Un umento dell permeilità implic un umento del numero di cnli disponiili l pssggio. In condizioni di riposo, grn prte dei cnli del sodio sono chiusi. Essi si prono in corrispondenz dell depolrizzzione dell memrn, sono perciò voltggio-dipendenti.

8 Qundo si depolrizz l memrn, si ttivno i cnli del sodio, entrno gli ioni sodio e l interno dell cellul divent ncor meno negtivo cos che su volt provoc un umento dell permeilità. Questo processo feedck positivo continu fino che il potenzile di memrn non rggiunge un vlore vicino l potenzile di equilirio del Sodio, E N, vlore per cui il flusso di ioni sodio termin. Perchè questo fenomeno risente di un effetto sogli? Per cpirlo occorre ricordre che ll inizio del fenomeno, l permeilità l sodio è comunque minore di quell l potssio, per cui se l depolrizzzione non rggiunge un certo vlore, il flusso di ioni potssio verso l esterno riesce contrstre l ingresso degli ioni sodio e prevenire un ulteriore depolrizzzione. Affinchè si produc il potenzile d zione, occorre che si insturi l produzione di un corrente nett entrnte che d il vi l feedck positivo. Uno dei fttori in grdo di influenzre il vlore del potenzile di sogli di un neurone è l densità di cnli del sodio dipendenti dll tensione. Se l densità è elevt, l pertur di un frzione nche piccol di cnli produce un corrente entrnte nche per depolrizzzioni reltivmente sse. Spesso l densità dei cnli del sodio è elevt proprio nel punto in cui l ssone si diprte dl corpo cellulre. Dopo il picco, il potenzile ritorn l suo vlore inizile: perchè? Per due rgioni: 1) Perchè l umento di p N è trnsitorio; 2) perchè c è un umento ritrdto, voltggio-dipendente di p K.. L struttur di un cnle del Sodio è in reltà piuttosto complict e const di 2 meccnismi.

9 L protein di memrn che costituisce il cnle h un prticolre conformzione per cui sono due le prti dell protein che contriuiscono l meccnismo di pertur/chiusur del cnle. E un pò come se il cnle fosse un corridoio chiuso d due porte: perchè lo ione pssi devono essere perte entrme. Entrme le vie di ccesso rispondono ll depolrizzzione m con velocità differenti e in senso opposto per cui risultno entrme perte solo per un tempo molto reve e un si chiude mentre l ltr si pre. Questo spieg perchè l permeilità l sodio prim ument e poi diminuisce nche se l depolrizzzione si mntiene. Il fenomeno dell diminuzione ritrdt dell permeilità l sodio è detto inttivzione del cnle del sodio. Nelle memrne delle cellule eccitili si trovno nche cnli del potssio voltggio-dipendenti. I cnli del potssio voltggiodipendenti rispondono ll depolrizzzione prendosi m comincino d prirsi qundo l permeilità l potssio ritorn i vlori normli. Inoltre hnno un configurzione più semplice in cui l ccesso l corridoio proteico viene regolto d un sol port. L ripolrizzzione è perciò il risultto di due eventi, l diminuzione di p N e l umento di p K. L delucidzione dei meccnismi ll se del potenzile d zione è il risultto di un serie di esperimenti condotti d A.L. Hodgkin e A.F. Huxley dell Cmridge University (entrmi Premi Noel nel 1963)

10 Fig. 3 Meccnismo di funzionmento del cnle del sodio Fig 4 Meccnismo di funzionmento dei cnli del sodio e del potssio durnte il potenzile d zione

11 Andmento temporle tipico del potenzile d zione e dei flussi di ioni sodio e potssio ttrverso l memrn

12 Il periodo di refrttrietà del neurone rispetto ll generzione di nuovi potenzili d zione si può spiegre osservndo gli ultimi due fotogrmmi dell figur 4. In esso si not che qundo si chiude l port inferiore del cnle del Sodio, nche se l port superiore si ripre, gli ioni Sodio non possono entrre e perciò non c è depolrizzzione che poss essere in grdo di evocre un nuovo potenzile d zione. Soltnto qundo si riprono le porte superiori il neurone ritorn in grdo di produrre un nuovo potenzile d zione Come si spieg l propgzione del potenzile d zione lungo il neurone? Anche quest rispost è ricvile dllo schem di pertur/chiusur dei cnli visto precedentemente. Un volt prodotto il potenzile d zione in un punto, l forte depolrizzzione indott nelle regioni circostnti produce l pertur dei cnli del sodio, producendo così un depolrizzzione rigenertiv che si trsmette vi vi nelle regioni dicenti. Così si giustific il ftto che il potenzile d zione si trsmett invrito in form ed mpiezz lungo l fir nervos. Esso può essere interpretto come un ond depolrizznte che si utopropg lungo l line nervos. Ogni segmento successivo di memrn risponde ll depolrizzzione del segmento precedente. Ovvimente ciò ccde entro un cert distnz dl punto in cui si gener il potenzile d zione primrio. Inftti l depolrizzzione prodott dll ingresso di ioni sodio durnte il potenzile d zione diminuisce con l distnz dl punto in cui esso si origin, cus dell perdit grdule di ioni sodio dovut correnti depolrizznti ttrverso l memrn.

13 Perciò il potenzile decresce grdulmente con l distnz e soltnto quelle regioni comprese entro distnze per cui il potenzile st sopr l livello di sogli possono loro volt generre un potenzile. Rest un unico punto d spiegre: il flusso di correnti depolrizznte interno ll ssone è simmetrico, però il potenzile d zione si propg in un sol direzione: questo vviene perché l regione che è stt ppen ttrverst dl potenzile d zione entr nel periodo refrttrio e perciò non è in grdo di rispondere ll depolrizzzione origint di punti successivi. Pertnto il potenzile d zione scorre in un sol direzione, potendo rigenerrsi solo in zone non ncor ttrverste d esso. L velocità di propgzione del potenzile d zione è compres solitmente tr 0.1 e 100 m/s. Cos influisce sull velocità del potenzile d zione? Dl rgionmento precedente, si può dedurre che mggiore è l estensione dell regione di ssone in cui il potenzile è sopr sogli, e più veloce può viggire il segnle, in qunto c è un mggiore rigenerzione del segnle. D ltr prte l corrente che scorre ll interno dell ssone in un dto punto può seguire due percorsi diversi: o prosegue ll interno dell fir oppure esce ttrversndo l memrn. D un punto di vist elettrico queste due possiilità possono essere schemtizzte con due resistenze. L corrente pss dove l resistenz è minore, perciò per mplire l regione in grdo di rigenerre il potenzile è opportuno che il flusso di corrente depolrizznte resti il più possiile ll interno dell ssone ovvero non esc ttrverso l memrn.

14 A tle scopo si possono pplicre due strtegie: 1) Aumentre l resistenz elettric dell memrn l pssggio di corrente; 2) diminuire l resistenz del percorso interno ll ssone. In ntur entrme le soluzioni sono stte dottte. Negli inverterti, l resistenz longitudinle intern dell ssone è stt diminuit umentndo il dimetro dell ssone, in modo d offrire più superficie l pssggio di corrente. Sono stte identificte ssoni con un dimetro che rggiunge il millimetro e si è verificto che questi ssoni sono le fire nervose più lt velocità (per lo meno nel mondo degli inverterti, esempio tipico l ssone gignte del clmro). Anche nel mondo dei Verterti si osserv un grnde vriilità dimensionle degli ssoni, il cui dimetro vri tr 1 e 50 micron. In ogni cso restno en l di sotto delle dimensioni degli ssoni gignti degli Inverterti. Ciò h dimostrto che nel cso dei verterti l strtegi seguit è stt l second: gli ssoni dei verterti inftti sono ricoperti d diversi strti di memrn cellulre isolnte. Questi strti sono prodotti d un tipo prticolre di cellule, dette cellule glili, che sono cellule di sostegno (non neuronli) del sistem. L guin isolnte che ricopre l ssone è dett mielin e l su mncnz (dovut d lcune mlttie) produce grvissime conseguenze sul funzionmento del sistem. Se però l ssone fosse intermente ricoperto di mielin non sree possiile lo scmio ionico tr l interno e l esterno dell ssone. Perciò l guin mielinic è interrott periodicmente lungo l ssone, in punti detti nodi di Rnvier, in cui vviene l rigenerzione del segnle. Questo tipo di conduzione viene detto conduzione slttori e ument notevolmente l velocità di conduzione di un ssone di piccolo dimetro.

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16 L guin mielinic influenz nche l cpcità di memrn, diminuendol. Perciò, occorre meno cric per ottenere un determinto livello di depolrizzzione (V = Q/C). Inoltre, in presenz di un cpcità occorre nche tenere conto dell costnte di tempo del sistem che diminuisce per effetto dell mielin, ovvero il sistem si cric e scric più velocemente grzie ll mielin. Crtteristiche molecolri del cnle del sodio Il cnle del sodio è un protein molto grnde, contenente più di 2000 minocidi, l cui struttur tridimensionle è stt definitivmente chirit. E complessivmente formt d 4 domini spzili che si ripetono simmetricmente, ciscuno dei quli contiene 6 sottodomini. I quttro domini principli si ggregno in mnier circolre per formre il poro del cnle. Il rivestimento del poro determin le crtteristiche di permeilità del cnle e ne stilisce l selettività gli ioni sodio. Con moderne tecniche di iologi molecolre, è stto possiile cpire quli prti dell protein sono responsili delle sue crtteristiche. Osservndone l conformzione spzile si è visto che le zone che stnno ll interno del poro sono l S5 e l S6, risultndo così responsili delle crtteristiche di permeilità e selettività.

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18 L sensiilità l potenzile è stt ttriuit l segmento S4. Quest ipotesi è stt verifict grzie ll possiilità di costruire dei cnli del sodio rtificili modificndo il DNA che codific per quest protein in modo tle d sostituire il segmento S4 con un segmento cric neutr. A seguito dell sostituzione, l protein è risultt molto meno voltggio-dipendente. L sequenz del DNA di codific è disponiile per molte ltre proteine che svolgono l funzione di cnle ionico ttivto dl potenzile. Si è osservto che tutti questi cnli possiedono delle sequenze di minocidi molto simili, specie nel segmento S4 che semr essere per tutti i cnli il responsile dell sensiilità l potenzile. Perciò i cnli ionici semrno essere un unic fmigli di proteine codificte d geni correlti e derivti, proilmente, nel corso dell evoluzione, d unico gene ncestrle che codificv un unico tipo di cnle ionico. Potenzili d zione clcio-dipendenti Ci sono lcuni orgnismi (es. Prmecium, Oeli) in cui l fse scendente del potenzile d zione è dovut ll ingresso di ioni Clcio (C2+) nziché di ioni sodio. L depolrizzzione provoc l pertur dei cnli del clcio, consentendo l ingresso di questi ioni crichi positivmente, che su volt produce un ulteriore depolrizzzione e pre ltri cnli del clcio. I cnli del clcio sono presenti nell mggior prte dei neuroni e in lcuni csi (cellule crdiche) contriuiscono in mnier significtiv l potenzile d zione.

19 L depolrizzzione prodott dll entrt del clcio è spesso più lent e più prolungt di quell prodott dgli ioni sodio. Perciò l form del potenzile d zione present un rpido umento ll inizio seguito d un fse plteu prodott dgli ioni clcio. L ingresso degli ioni clcio è però importnte nche per ltre conseguenze: inftti l umento del clcio ll interno dell cellul scten ltri eventi come il rilscio di certe molecole dette neurotrsmettitori che sono fondmentli (come vedremo revemente in seguito) per l ttivzione dell comuniczione tr neuroni dicenti.

20 Modello di Hodgkin e Huxley Prtendo dll equzione generle dell corrente: dv I tot = Cm + gk ( V EK ) + gn( V EN) + I dt In cui, ll equilirio: EK + ( gn / gk ) EN Vm = 1+ ( gn / gk ) Introducimo il ftto che le conduttnze di memrne possno essere funzione dell tensione. Allor modellimo l conduttnz come il prodotto dell mssim conduttnz possiile (corrispondente tutti i cnli perti) per l frzione di cnli perti e considerimo l dinmic di pertur dei cnli: g g N K = g = g N K 1 1 d = α dt d = α dt 0 = g + β + β K (1 ) ( V m (1 ) E K ) + g N ( V m p E N )

21 Modello di Hodgkin e Huxley All equilirio: ) (1 0 ) (1 0 + = + = + = + = + = + = β α β α β β α β α β β α β α Per revit considerimo solo il Sodio e introducimo il ftto che il suo meccnismo di pertur e regolto d un tensione di sogli. 1 1 )/ ( + = kt V V q th e Vth e il potenzile di sogli. Percio se V<Vth, e minore di ½, se V=Vth =½, se V>Vth >½

22 Modello di Hodgkin e Huxley A questo punto, se V super il vlore di sogli, divent rpidmente molto grnde e il sistem v fuori equilirio. Non vle piu l relzione: 0 = g ( V E ) + g ( V E ) EK + ( gn / gk ) EN Vm = 1+ ( gn / gk ) e il potenzile si spost verso EN. A quel punto il flusso di ioni sodio si locc e l memrn torn l suo vlore di equilirio ttrverso un meccnismo di uscit di ioni potssio, ritrdto rispetto ll ingresso degli ioni sodio. Hodgkin e Huxley hnno modellto il fenomeno, completndo l equzione generle con lcuni termini ggiuntivi (necessri per fre il fitting dei dti sperimentli) I ext K = C m m dv dt K + g N m N 3 m h( V E N N ) + g K m 4 ( V E K ) + gl ( V E Quest nuov espressione tiene conto dei meccnismi di pertur/chiusur dei cnli, su cui non pprofondimo ulteriormente l )

23 Modello di Hodgkin e Huxley L equzione precedente puo essere trsformt in un equzione di propgzione r 2Rv 2 d V dv 3 4 = C ( ) ( ) ( 2 2 m + gn m h V EN + gkm V EK + gl V El dt dt Dove r e il rggio dell ssone (modellto come un cilindro), R e l resistenz specific intern ll ssone, v l velocit di propgzione del potenzile d zione. Il potenzile d zione oedisce inoltre ll seguente legge, secondo cui l ndmento del vlore del potenzile nel tempo in ogni punto e pri ll ndmento del potenzile rispetto ll posizione in ogni istnte: d 2 dx V 2 = v 1 2 d 2 dt V 2 Nel complesso un neurone e un oggetto che gisce producendo sempre l stess form d ond in rispost d ogni stimolo che si stnz grnde d indurre nel potenzile dell memrn cellulre il supermento di un cert sogli. )

24 Modello di Hodgkin e Huxley Pertnto, interpretndo l propgzione del potenzile d zione tr neuroni in termini di comuniczione di un informzione, e evidente che il contenuto informtivo del segnle non puo essere nell form del segnle stesso m nell su frequenz.