Appunti di Manhal B. Saedi (AA 2010/11) NEUROFISIOLOGIA

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1 NEUROFISIOLOGIA

2 ATTENZIONE: Il materiale seguente consiste di sbobinature delle lezione di neurofisiologia, SOLO della parte fatta da parte della prof.ssa Grassi, e integrate con le immagini prese dalle diapositive. Il materiale non è fatto per sostituire il libro consigliato, bensì per un ausilio che vi possa essere d utile. Mi scuso in anticipo per gli errori di scrittura. Il materiale NON può essere venduto! Ma scaricatolo gratis da Buono studio, Manhal B. Saedi

3 OMEOSTASI E SISTEMI DI CONTROLLO La fisiologia umana si occupa delle caratteristiche del corpo umano, tutte le caratteristiche che consentono ad un individuo di analizzare l ambiente in cui vive, di muoversi, di pensare, di comunicare con l ambiente esterno, di riprodursi e naturalmente di svolgere tutte le funzioni che consentono la sopravvivenza; quindi queste sono funzioni che vedremmo, che a carico degli apparati e degli organi interni che sono finalizzati al mantenimento dello stato vitale di tutte le cellule dell organismo. Per capire questo, dobbiamo considerare che tutte le cellule dell organismo, indipendentemente dalla funzione che svolgono, hanno delle caratteristiche di base comuni che sono, in primo luogo la necessità che a queste cellule venga apportato ossigeno che è indispensabile per processi metabolici che sono alla base proprio per la sopravvivenza cellulare; La sopravvivenza cellulare significa poter svolgere una determinata funzione, e quindi significa sopravvivenza dell intero organo e dell apparato, di cui quelle cellule fanno parte. Quasi tutte le cellule, non tutte, si riproducono, e tutte comunque sono a contatto con il liquido extracellulare (LEC) e che rappresenta per l organismo l ambiente interno; quindi l ambiente interno dell organismo non è altro che il liquido che bagna le cellule e attraverso il quale le cellule possono ricevere e comunicare con altre strutture e soprattutto di cedere delle sostanze. Tutte le funzioni degli apparati,in realtà, sono finalizzate al mantenimento della costanza di questo mezzo interno; Per costanza si riferisce alle caratteristiche chimiche o fisiche, quindi contenuto di ioni, contenuto di ossigeno, ph, temperatura, e le varie condizioni chimiche o fisiche, che devono essere, in un certo ambito, mantenute equilibrate per permettere alle cellule la sopravvivenza. Vediamo nello schema a sinistra come, praticamente, noi rappresentiamo proprio l ambiente interno in comunicazione di tutti gli organi; quindi tutti gli organi sono in qualche modo al servizio di questo ambiente. Per esempio l apparato respiratorio ha la funzione di prelevare ossigeno dall esterno ed immettere nell aria che noi esperiamo l anidride carbonica che è un prodotto del catabolismo cellulare, ciò è lavora per il mantenimento dell ambiente interno. L apparato cardiocircolatorio ha la funzione di trasportare attraverso il sangue L O2 e le sostanze 1

4 nutritizie alle cellule, anch esso è finalizzato a mantenere la costanza del mezzo interno. Lo stesso vale per l apparato digerente e quello urinario. Quindi possiamo dire che la fisiologia studia i meccanismi che consentono il mantenimento dell OMEOSTASI, ciò è il mantenimento della costanza del mezzo interno. Quindi la fisiologia non studia soltanto come funzionano gli apparati, ma studia i meccanismi che consentono di regolare tutte le funzioni al fine di riportare tutto in condizioni di equilibrio. Un organismo in condizioni di ben essere, è un organismo in omeostasi, ciò è la sua omeostasi è perfettamente mantenuta; Se avvengono dei cambiamenti sia dell ambiente esterno sia cambiamenti nelle funzioni degli apparati, l organismo va in una situazione in cui l omeostasi viene persa, e quindi tenta di compensare, ciò è mette in opera dei meccanismi di compenso, che se riescono, fanno recuperare la condizione ottimale del mezzo interno e della condizione omeostatica e quindi la condizione fisiologica, e quindi l organismo è in salute, sta bene. Ma se la compensazione fallisce, allora è chiaro che l organismo, le cellule, i tessuti, e gli apparati vanno incontro delle alterazioni marcate che portano alle condizioni patologiche. 2

5 Ecco perché dobbiamo sapere la fisiologia per poter capire la malattia, perché la patologia non è altro che un alterazione di un meccanismo fisiologico. Tutte le funzioni devono essere controllate! Feedback negativo: Se io ho un parametro cho sto controllando, la variazione di questo parametro, attiva dei meccanismi di controllo del parametro stesso che lo modificano nella direzione opposta rispetto alla variazione. Per esempio, uno dei parametri omeostatici più importanti che l organismo controlla è la pressione arteriosa, che a sua volta può aumentare e può dimnuire perché ci sono delle variazioni nel sistema che gli porta a modificarsi, i meccanismi omeostatici a feedback negativo lavorano per portare la pressione al valore normale, quindi se la pressione è aumentata si attiveranno i meccanismi che la faranno scendere, e viceversa. Per fare ciò, alla base di tutte le regolazioni dell organismo, per mantenere in equilibrio omeostatico, è necessario un sistema di recettori che è praticamente un sistema di sensori, che sono in grado di misurare il parametro che deve essere controllato. Esiste poi un centro di integrazione, ciò è un centro che riceve queste informazioni, dove la misura del parametro che viene risentito da questo sensore, viene in qualche modo paragonata con un valore di riferimento. Torniamo all esempio che facevamo prima, se la Pa deve essere normalment come valore medio 100 mmhg, questo valore di riferimento viene settato in questi centri nervosi di integrazione; se il mio sensore che è capace di risentire questo valore valuta e percipisce che la pressione è scesa ad 80mmHg, manderà l informazione ai centri di integrazione, questa 80 mmhg viene paragonata con 100 mmhg (valore di riferimento) e segnala un errore, e quindi vengono attivati attraverso sistemi effettori dei meccanismi di compenso che sono capaci di riportare il valore nella norma. Il Guadagno Il grado di efficiente di un sistema di controllo (feedback) è stabilito dal cosidetto il guadagno del feedback negativo; se il parametro che io sto controllando si è scostato dal valore di riferimento, i meccanismi di compenso lo correggono e tendono a riportarlo al valore normale, quindi ci sarà un valore corretto (ciò è modificato). Esiste però un ERRORE che è la differenza tra il valore di riferimento ed il valore corretto, vuol dire che il sistema a feedback non è stato perfettamente efficiente, non ha corretto 3

6 completamente la variazione. Quindi il guadagno di un sistema a feedback viene indicato con il rapporto tra il valore di riferimento e l errore: G=VR/E. Questo vuol dire che minore è l errore maggiore sarà il guadagno del sistema; se l errore è zero, ciò è non c è errore allora il guadagno del sistema è un guadagno infinito, ciò è il sistema si è riuscito a riportare completamente la variabile nella norma. Esempio: Abbiamo una vaschetta con una soluzione in acqua che ha una determinata temperatura, immagginiamo che questa temperatura debba essere 30, invece per qualche motivo si è scesa a 25, quindi il sistema sente questa variazione di temperatura attraverso un recettore, un termometro, a sua volta è collegato attraverso un cavo alla centralina che praticamente è il centro di integrazione, la centralina legge il valore variato (25 ) e attiva, attraverso un cavo, un riscaldatore che è l effettore del sistema per riportare la temperatura al valore desidirato (di riferimento). Feedback positivo: Il feedback positivo è quello in cui la modificazione della variabile controllata va nella direzione della modificazione stessa, per spiegarci meglio se parliamo della pressione arteriosa come un esempio, se la pressione è scesa io faccio qualcosa per farla scendere di più, e se la pressione è salita, io faccio qualcosa per farla salire di più. Quindi il feedback positivo NON è assolutamente omeostatico! Perché porta ad amplificare la variazione che c è stata. Esso infatti, raramente lo vedremo funzionare nei controlli dell organismo, sono poschi i meccanismi che funzionano in questa maniera. Un esempio del feedback positivo può essere dimostrato nel meccanismo del parto, quando il bambino si incanala a livello della cervìce uterina, quindi spinge verso l uscita per così dire, stimola una serie di recettori che sono presenti nella parete in questa zona e questa stimolazione porta al rilascio di un ormone, ossitocina (neuroipofisi), che praticamente 4

7 causa contrazioni uterina che servono a spingere ulteriormente il bambino verso la cervìce uterina; quindi più la mamma spinge, più il bambino si incanala, più il bambino si incanala quindi più stimola,più stimola quindi più la mamma spinge. Un altro può essere il meccanismo della coagulazione del sangue in cui più piastrine si aggregano, più producono sostanze che aumentano l aggregazione piastrinica. Controllo Anticipatorio (Feedforward) È un tipo di controllo molto importante, che server ad evitare la correzione di variazione che diventano funzionali per l organismo. Esempio, sempre partendo dal discorso che abbiamo fatto prima, la pressione arteriosa; abbiamo detto che la pressione arteriosa deve essere controllata perchè è un parametro importantissimo. Se la Pa tende a calare io faccio qualcosa per portarla su, e se invece tende a salire io faccio qualcosa per portarla giù, questo è un feedback negativo; Ci sono però delle condizioni, per esempio quando io faccio un esercizio fisico, in cui è necessario che la pressione aumenti perché aumentare la pressione nel sangue significa poter spingere più sangue là dove serve, ciò è nei muscoli che stanno lavorando. Se adesso quando la mia pressione deve aumentare, per aumentare questo apporto di nutrienti al muscolo, io faccio partire un meccanismo a feedback negativo che me la abbassa io vado incontro ad una situazione pericolosa, perché levo la spinta al sangue. Esiste un comando che parte dalla corteccia motoria, addirittura! Quindi la corteccia, la parte del cervello che organizza quel movimento, mentre manda il suo comanda ai muscoli per fare un determinato movimento, manda un comando a quella centralina di integrazione e gli dice attenzione bene adesso il mio valore di riferimento non deve essere 100 mmhg ma deve essere 120 mmhg, quindi il feedback correggerà la Pa solo quando va sopra i 120 mmhg. Questo è un controllo a feedforward, ed il sistema nervoso lo mette in opera perché il SN sa già che quando io faccio un esercizio fisico per quella portata ho bisogno che il mio sistema cardio circolatorio risponda con un incremento della pressione. Meccanismi di comunicazione intercellulare Il funzionamento di un controllone omeostatico a prevede che i vari componenti comunichino tra di loro. E questa comunicazione tra i vari sistemi avviene 5

8 fondamentalmente attraverso comunicazioni tra cellula e cellula che possono avvenire attraverso divesi meccanismi. Il tipo di comunicazione che noi conosciamo, tra una cellula e l altra direttamente attraverso le giunzioni comunicanti, ciò è le cellule praticamente sono in contatto tra di loro, esistono dei veri e propri ponti citoplasmatici tra una cellula e l altra per cui ogni informazione che normalmente può essere un informazione di tipo chimico, può essre di tipo elettrico (in particolare nelle cellule nervose), viene trasmessa senza perdita di tempo da un elemento ad un altro. L altro tipo di comunicazione, è quella che avviene attraverso sostanze chimiche che può essere di tipo autocrino, o paracrino. - Autocrino: una sostanza chimica viene formata e rilasciata da una cellula e agisce sulla cellula stessa, grazie ad una interazione con il proprio recettore posto sulla membrana plasmitica, stimolando la cellula stessa a fare qualcosa. - Paracrino: la sostanza chimica prodotta dalla cellula in questione agisce su un altra cellula ma sta nella vicinanza della cellula che ha prodotto la sostanza Trasmessione nervosa, si basa sui neuroni che sono in grado di trasmettere un segnale, il potenziale di azione; questa cellula nervosa comunica con cellule bersaglio (altri neuroni, cellule muscolari, ecc..) attraverso una neurotrasmissione chimica; Esiste una sinapsi, che è una struttura che si forma tra la terminazione del neurone e l elemento opposto, viene rilasciato un neurotrasmettitore che interagisce con recettore della membrana di cellula bersaglio. Trasmissione ormonale, le cellule endocrine producono ormoni che viaggiano nel sangue (questa è una sua proprietà importante, la possibilità di viaggiazre nel sangue) e raggiungono un organo bersaglio dove deve essere necessariamente localizzato un recettore che riconosce l ormone perché questa cellula possa rispondere a questo comando. Trasmissione Neuro-Ormonale, in cui che produce l ormone è un neurone, e questo ormone ovviamente viaggia nel sangue e va ad agire sulla cellula bersaglio. Per esempio l ormone ADH (vasopressina) viene prodotto da neuroni dell ipotalamo, e viene rilasciato nella neuro-ipofisi attraverso un meccanismo che lo vede entrare direttamente nel sangue. I sistemi di informazioni che ci interessano che noi ritroviamo in opera nell organismo sono: - il sistema endocrino, che è caratterizzato da una trasmissione di tipo lento perché questa sostanza deve andare nel sangue ma è un tipo di informazione molto 6

9 importante perché ha largo spettro, ciò è può permettere il controllo di diverse organi bersaglio contemporaneamente. - trasmissione nervosa, molto rapida. Membrana Cellulare: Fatta da un doppio strato lipidico al quale sono ancorate diverse proteine che possono essere proteine integrali di membrana, estrinsiche (hanno legame meno forte con lo strato lipidico) Questi due tipi di protiene hanno funzioni diverse e sono importanti nel regolare dei meccanismo diversi. Fondamentalmente ogni cellula presenta da 10 a 50 tipi differenti di protiene, possono essere transmembrana (integrali), e sono classificati in famigla a seconda del numero dei segmenti transmembrana; Queste protiene sono importanti perchè caratterizzano sopratutto i canali ionici. Le proteine estrinsiche invece non attraversano l intero spessore della membrana, si legano debolmente con le protiene integrali di membrana, oppure con le regioni polari dei fosfolipidi. A questo tipo appartengono i cosidetti enzimi di membrana, o le proteine strutturali che àncorano il citoscheletro alla membrana. Abbiamo anche proteine che sono àncorate ai lipidi. Il funzionamento di queste protiene può essere regolato per esempio dalla fosforilazione delle protiene transmembrana (per esembio canali ionici) Classificazione delle protiene a seconda della funzione: * Traspotatori di membrana, sono le protiene carrier, che possono cambiare conformazione e servono a trasportare sostanze attraverso la membrana. Oppure proteine canali, che costituiscono i canali ionici, importantissimi nel genesì del potinziale di azione, questi canali possono essere sempre aperti, e possono essere canali a cancello, ciò è canali che si aprono in virtù di modificazioni che sono 7

10 rappresentate da modificazioni meccaniche di membrana (stimoli meccanici), canali che si aprono in virtù di variazione di potenziale di membrana, e canali che sono regolate da sostanze chimiche. * Protiene strutturali, costituenti di giunzioni (gap junction) o altre alla base del ancoraggio della membrana al citoscheletro. * Enzimi di membrana, intervengono nel metabolismo e nella trasduzione del segnale. * Recettori di membrana, che possono essere accoppiati ad altre protiene, per esempio protiene G, oppure recettori che possono essere implicati nell endocitosi mediata da recettore, oppure collegati con canali ionici. Trasporti attraverso la membrana: Esistono dei trasporti che non richiedono energia, se non un energia che dervia proprio dal movimento molecolare, e si riferisce proprio al meccanismo della diffusione, che può essere una diffusione semplice, in questo caso le molecole si spostano normalmente da un gradiente di concentrazione attraverso lo strato lipidico che può essere più o meno attraversato a seconda della permeabilità nei confronti di quella determinata sostanza. Esistono meccanismi di diffusione facilitata, in cui praticamente, deve essere presente un trasportatore, un carrier, che facilita il passaggio di una sostanza che seguirebbe comunque il suo gradiente di concentrazione, che però non riesce a passare direttamente lo strato lipidico della membrana. I meccanismi che richiedono energia, questa energia deriva dalla scissione dell ATP, sono i meccanismi di trasporto attivo primario, in cui c è proprio una energia derivante dalla scissione dell ATP che muove i trasportatori di membrana; e in questi meccanismi ATP dipendenti sono coinvolti anche processi più complessi come l endocitosi, l esocitosi e la fagocitosi che richedono delle vescicole che facciano passare la sostanza attraverso lo strato lipidico. Diffusione: È un processo che si basa fondamentalmente su una differenza di concentrazione, la sostanza si sposta da una regione a maggior concentrazione ad una regione a minor concentrazione. Se noi dobbiamo parlare di un meccanismo di diffusione attraverso la membrana, dobbiamo naturalmente prendere in considerazione diversi aspetti: - Dobbiamo considerare se questa sostanza può attraversare il doppio strato lipidico, quindi la solubilità di questa sostanza nei lipidi, le sostanze liposolubili non hanno bisogno di niente, riescono ad attraversare la membrana proprio perché si sciolgono, in senso che attraversano lo strato lipidico facilmente. Le sostanze idrosolubile, sono sostanze che non possono attraversare direttamente lo 8

11 strato lipidico, hanno bisogno nella membrana ci siano dei canali. - La velocità di diffusione dipende oltre alla solubilità nei lipidi, dalla dimensioni molecolari, maggiori sono le dimensioni più difficile sarà il loro passaggio attraverso la membrana. - Lo spessore della membrana influenza anch esso la velocità di diffusione. - Il gradiente di concentrazione, maggiore lo è più veloce è la diffusione, esso infatti crea la spina. - L area della membrana influenza la velocità di diffusione perché rappresente praticamente l area disponibile per dare il passaggio alle sostanze. Tutto ciò è messo in una equazione, la Legge di Fick: V= dove A è l area di superficie, C è il gradiente di concentrazione, d è lo spessore, e la D è la coefficienti di diffusione (α/, α- solubilità). Come si vedre dall equazione la velocità di diffusione è direttamente proporzionale alla estensione della superficie della membrana. E direttamente proporzionale al coefficiente di diffusione. Direttamente proporzionale al gradiente di concentrazione. Ed è inversamente proporzionalo allo spessore. Diffusione facilitata (Trasporto passivo): Molte sostanze che non riescono ad attraversare direttamente la membrana perché non sono liposolubili vengono trasportate attraverso la diffusione facilitata. Le sostanze vengono spinte ad entrare nelle cellule da un gradiente di concentrazione(nell esempio nella figura c è una concentrazione maggiore all esterno che all interno) però non sono assolutamente liposolubili perciò da soli non c è la fanno ad attraversare la membrana, hanno bisogno di un trasportatore, un carrier. Il trasportatore è una proteina di membrana che, sfruttando il gradiente di concentrazione della sostanze, favorisce il suò passaggio. Quindi, il carrier lega la sostanza, poi il carrier cambia la sua conformazione e l affinità del carrier per il substrato diminuisce e quindi la molecola viene rilasciata. Questo tipo di trasporto è proporzionale praticamente alla concentrazione, ciò è più concentrazione di sostanza c è, più sostanza viene trasportata, però tutti i carrier vanno incontro, ad un certo punto, ad una saturazione; se il trasportatore ha un numero di siti di attacco per la molecola X, quando quei siti sono completamente occupati il carrier è 9

12 saturo e non può trasportare una quantità maggiore di sostanza, questi tipi di trasporto vanno incontro ad un processo di saturazione. Se io ho una diffusione passiva per una sostanza che sia liposolubile, il flusso, ciò è la quantità di sostanza che passa nell unità di tempo, è direttamente proporzionale alla concentrazione del substrato, più aumenta la concentrazione, quindi più aumenta il gradiente di concentrazione, più aumenta la quantità di sostanza che passa. È un rapporto di tipo lineare (Vedi la curva di diffusione passiva). La cinetica è di primo ordine. Se invece il mio processo è legato all esistenza di protiene di trasporto, quindi carrier, che vanno incontro ad una saturazione, all aumentare della concentrazione del substrato, la quantità di sostanza trasportata nell unità di tempo che aumenta, mano mano che la concentrazione aumenta, va incontro ad una costanza (va incontro ad un plateau) perché il trasportatore è saturo. Un tipo di trasporto di questo genere, che va incontro ad una saturazione, va incontro a due tipi di cinetica, ciò è finschè la concentrazione è molto bassa, l andamento è lineare e quindi è una cinetica di prima ordine; man mano che la concentrazione aumenta ed il trasportatore va incontro ad una saturazione la cinetica diventa di ordine zero. Perché il trasporto non è più legato alla concentrazione ma è legato al numero di trasportatori che sono presenti. 10

13 Principali sistemi di trasporto facilitato Particolarmente sono importanti i trasportatori di glucosio, vengono indicati con GLUT, e sono espressi in tutte le cellule dell organismo; Normalmente sono espressi tipi diversi di trasportatori, abbiamo 12 tipi di trasportatori di glucosio che permettono flussop continuo di glucosio verso l interno della cellula, perché la concentrazione del glucosio all interno della cellula è mantenuta bassa dalla conintua trasformazione del glucosio in glicogeno, il che succede nella gran parte delle cellule. Quindi esiste un gradiente di concentrazione che spinge il glucosio ad entrare, però il glucosio non è una sostanza liposolubile e quindi bisogno di un trasportatore. Le cellule che assorbono attivamente il glucosio, come quelle dell intestino e dei reni, permettono anche il passaggio del glucosio dalla cellula al sangue. Trasporto attivo primario: È quello che avviene attraverso le cosidette pompe, e lavora accoppiato ad una reazione che fornisce energia, questa reazione normalmente è rappresentata dall idrolisi dell ATP. Il lavoro viene fatto contro gradiente di concentrazione, perciò consuma energia. Il trasportatore lega il substrato e cambia la sua conformazione perdendo quindi l affinità per il substrato che viene rilasciato poi verso l esterno 11

14 grazie alla scissione dell ATP, e la pompa trasporta contro gradiente la sostanza. I principali tipi pompe attivi sono: - Le pompe ATPasi che trasportano H + e K + attraverso la cellula, in questo caso i trasportatori spostano un certo numero di ioni (es. 4 ioni H + ). E questi sono importanti per il mantenimento del ph intracellulare. - Le pompe ATPasi per il Ca +2, essi tendono a mantenere il livello basso del calcio all interno delle cellule che deve essere intorno a 10-7 mm, non devono aumentare al di sopra di questo valore e quindi il mantenimento è assicurato da pompe che rimvuono continuamente il calcio. Esistono due tipi di pompe importanti: 1. La pompa Ca +2 presente a livello della membrana, detta Plasma Membrane Ca 2+ ATPase (PMCA), e serve a buttare fuori il calcio. 2. La pompa Ca +2 presente a livello del reticolo endoplasmatico (REL), detta Sarcoplasmatic-Endoplasmatic Reticulum Ca2+ ATPase (SERCA) e serve a riportare il calcio all interno del reticolo sarcoplasmatico (nel muscolo) tenendo bassa la concentrazione del calcio nel citoplasma. - Le pompe ATPasi Na + /K +, è una pompa indispensabile per mantenere le concentrazioni ioniche di sodio e di potassio corrette ai due lati della membrana ed è indispensabile per il mantenimento del potenziale di membrana. La pompa lega i 3Na+ nel lato interno della membrana, mentre sgancia i 2K+. Si ha un cambiamento conformazionale utilizzando l energia dalla scissione dell ATP, e l affinità per il Na+ si riduce ed il Na+ viene rilasciato all esterno, mentre l affinità per il K+ aumenta che si lega alla pompa, portando ad un cambiamento conformazionale,, a questo punto la pompa ritorna alla condizione di riposo sgancando il K+ all interno della cellula. Trasporto attivo secondario: È un trasporto in cui abbiamo una sostanza viene trasportata secondo il suo gradiente di concentrazione, e questo trasporta è accoppiato a quello di una sostanza che si muove contro il suo gradiente. Io sfrutto praticamente l energia che viene utilizzata per 12

15 spostare la sostanza che segue gradiente di concentrazione per fare muovere quella che deve andare contro. I più comuni trasportatori di questo tipo, normalmente, sfrutttano il gradiente del sodio creato dalla pompa Na+/K+. In questi trasporti, il Na+ si lega per primo, perché la concentrazione esterna è maggiore, questo legame induce un cambiamento di conformazione del trasportatore che aumenta l affinità per il substrato X, a questo punto il trasportatore cambia nuovamente la sua conformazione, orienta la sua apertua verso l interno,e, a questo punto, fa distaccare il Na+, contemporaneamente perde affinità per il substrato X. I cotrasporti possono essere di due tipi: - Simporto, due molecole trasportate nella stessa direzione; Simporto: molecole organiche: Na+/Glucosio, Na+/Aminoacido, Neurotrasportatori: captano contro gradiente i neurotrasmettitori di tipo aminico e aminoacidico: GAT (GABA), DAT (dopamina), NET (noradrenalina, amine), SERT(serotonina), di glicina, di colina, Na+/K+ dipendenti (glutammato e aspartato); Simporto ionico: Na+/Cl- (entrambi verso l interno), K+/Cl- (entrambi verso l esterno), Na+/K+/2Cl- (verso l interno) - Antiporto. Due molecole si spostano in direzioni opposte; scambiatore Na+/Ca2+, scambiatori Na+/H+ e Cl-/HCO3, neurotrasportatori vescicolari (dipendenti da ATPasi protoniche che pompano H+ verso l interno delle vescicole). 13

16 Canali Ionici Sono importanti per la genesi dei potenziali che caratterizzano la trasmissione a livello del sistema nervoso, quindi a livello dei neuroni. Per intenderci, le funzioni del sistema nervoso, tutte, dalle semplici alle più complesse, si fondano sulle proprietà funzionali dei neuroni, ciò è i neuroni sono le unità anatomofunzionale del sistema nervoso. L attività specifica dei neuroni consiste proprio nel generare, trasmettere ed elaborare informazioni; queste informazioni si basano fondamentalmente su correnti elettriche che vengono a generarsi a livello della membrana dei neuroni attraverso modificazioni del loro potenziale di membrana. Queste modificazioni che sono alla base della genesi di queste correnti si basano sul fatto che la membrana non è una barriera assolutamente penetrabile, ma divide un ambiente extracellulare da un ambiente intracellulare, con una composizione ionica diversa e può permettere il passaggio di questi ioni dall interno all esterno, e viceversa, attraverso i canali ionici. I canali ionici sono proteine integrali di membrana (trans membrana), e sono normalmente legate, sul versante esterno, gruppi di carboidrati. I canali ionici sono formati da diverse subunità proteiche che possono essere identiche tra di loro oppure essere diverse, e queste subunità circoscrivono un poro che mette in contatto l interno della cellula con l esterno, e permetter di far passare selettivamente gli ioni; ciò è esistono canali specifici per uno ione e molto raramente si possono trovare i canali che fanno passare in maniera indiscriminata diversi specie ionici. Ciò è, i canali specifici per il sodio fanno passare solo il sodio, anche se ci sono altre cariche,o, altre ioni positivi, come K +, Ca +2, e ci sono dei canali più aspecifici che possono far passare più tipi ionici. La natura di questi canali, proprio perché permettono il passaggio degli ioni dall esterno all interno, influenzano l equilibrio chimico e l equilibrio elettrico che ci sono ai diversi lati della membrana, determinando quindi dei flussi ionici, flussi di cariche, che si spostano, che possono di modificare il potenziale di membrana. Queste modificazioni sono molto importanti perché sono alla base della genesi di quel segnale che si deve trasmettere lungo le fibre nervose, come i segnali sinaptici, i segnali dei recettori sensoriali, ecc.. Esempio: Canale ionico per il Na +, il canale è formato da diverse subunità proteiche (subunità α e β) che attraversano la membrana da parte a parte, e che circoscrivono un poro, che è un poro acquoso, che permette il passaggio degli ioni Na + dall esterno all interno. Ognuna delle subunità è fatta da diverse sequenze aminoacidiche che attraversano la membrana, e sono organizzate in domini, formati da segmenti aminoacidici che sono tutti connessi con una sequenza ad α-elica. Appunti di Manhal B. Saedi (A.A 2010/11) 14

17 Ogni dominio, è unito ad un altro, attraverso delle anse, che sono estese, sia sul versante extracellulare sia sul versante intracellulare. Alcune parti di queste subunità sono estremamente importanti per determinare i caratteristiche dei canali. Per esempio la selettività per gli ioni. Gli ioni sono normalmente sono circondati da una corona di molecole di acqua, questo processo è la SOLVATAZIONE. La dimensione del queste corona d acqua, è proporzionale alla concentrazione della carica elettrica, quindi, uno ione con un raggio atomico piccolo, ha una concentrazione di carica e quindi subirà una maggiore solvatazione; per esempio, sia lo ione Na+ che lo ione K+ sono tutte due caricati positivamente, però hanno ognuno un raggio atomico diverso, dove il Na+ ha un raggio atomico minore del K+, per cui il Na+ sarà circondato da una corona d acqua maggiore rispetto a quella del K+. Questo fa sì che la dimensione, praticamente, della particella, che è rappresentata dallo ioni e l acqua, che deve entrare nel canale cambia. Quindi io ho una particella più grossa per il Na+ che per il K+. Per ciò il canale fa passare quella determinata particella e non l altra. Come passa questa particella? La selettività del canale dipende da uno specifico filtro molecolare, quindi nei domini c è una parte degli aminoacidi nella catena aminoacidica, in particolare la regione P, un ansa che connette i vari segmenti della subunità, che determina la selettività. Fa da filtro di selettività perché è in grado di stabilire un legame labile con lo ione; Lo ione entra nel canale e si va a legare al sito legante di una subunità, lascia dietro di sé le molecole d acqua (Fig. b pagina 2) che 15 Appunti di Manhal B. Saedi (A.A 2010/11)

18 quindi si staccano, quindi lo ione può passare all interno della membrana perché viene rilasciato dal legame labile. Gli ioni sono spinti ad entrare o ad uscire all esterno della cellula grazie ad una forza di natura elettrochimica. Ciò è il canale non fa passare lo ione se non ci fosse tali forze. Una differenza di carica elettrica, crea il gradiente elettrico (normalmente una negatività all interno ed una positività all esterno) e quindi la forza, che spinge lo ione verso una direzione o verso l altra, è una forza elettrica. Invece quando c è un gradiente di concentrazione, la forza è chimica. Se sono presenti queste forze, il fatto che lo ione entri o non entri, a questo punto, dipende se ci sono i canali che lo fanno passare. I canali che sono presenti nella membrana cellulare sono di due tipi: - Canali di tipo passivo, sono canali sempre aperti, il passaggio dello ione dipende soltanto dalla entità della forza di spinta sullo ione, se lo ione è molto spinto attraverserà il canale, se lo ione è poco spinto attraverserà il canale in maniera minore. Però questi canali hanno la possibilità di essere sempre transitabili, se esiste la differenza di gradiente elettrochimico, in qualsiasi situazione della membrana. Questi sono canali che sono responsabile della genesi del potenziale di membrana (Vm). - Canali ad accesso variabile, che sono canali che possono essere aperti o possono essere chiusi, ed esiste un meccanismo che ne regola l apertura, questi canali sono normalmente chiusi ai Vm, e sono aperti da stimoli meccanici (canali meccanico-dipendenti), da stimoli di tipo chimico (canali legame-dipendenti) oppure da variazioni di Vm (canali voltaggio-dipendenti). In questi canali abbiamo un sistema di chiusura e di apertura che regolato da questi situazioni diverse. * Alcuni canali sono regolati da fosforilazione-defosforilazione dei canali stessi, e ciò dipende da meccanismi biochimici intracellulare La direzione di un flusso chimico, dipende come dicevamo da un gradiente elettrochimico, quindi uno ione positivo è spinto all interno della cellula se all interno c è una negatività, uno ione negativo da dentro viene spinto ad uscire, quando all interno c è una negatività. Uno ione va dalla regione ad altra concentrazione a quella a bassa concentrazione. Queste due forze (elettrica e chimica) possono essere sinergiche e possono essere contrarie, ed in quest ultimo caso l effetto finale (la direzione dello spostamento dello ione) dipende da quale forza vince. Appunti di Manhal B. Saedi (A.A 2010/11) 16

19 I canali ionici ad accesso variabile, indipendentemente da come sia determinato questo accesso (se siano voltaggio-dipendenti..ecc..), possano trovarsi in tre diversi stati funzionali, uno stato aperto, che significa che il canale è transitabile, può essere attraversato dagli ioni, uno stato chiuso, che significa che il canale non può far passare lo ione perché è chiuso, ed uno stato inattivato (stato refrattario), significa che il canale non è in uno stato di chiusura ma è in uno stato che comunque impedisce il passaggio degli ioni. Quando un canale ionico viene attivato, non determina un flusso ionico continuo, ma i canali vanno incontra ad una ripetizione di sequenze di apertura -> inattivazione -> chiusura -> apertura I tracciati nella figura sopra riportato rappresentano la registrazione di correnti ioniche attraverso canali ionici, e si può osservare che le aperture dei canali sono a impulsi successivi, flussi intermittenti. L inattivazione è un processo che impedisce allo ione di attraversare il canale, anche se perdura lo stimolo specifico che ha determinato l apertura del canale stesso. Il canale è sottoposta ancora allo stimolo che lo ha aperto, lui però va incontro a questa sorta di incapacità di far passare lo ione. Questo prevede che un canale per potersi aprire debba prima ripassare nel lo stato di chiusura e poi passa di nuovo aprirsi; In altri termini: lo stimolo che lo ha aperto all inizio, può essere efficace a riaprirlo solo se il canale torna nello stato chiuso. La inattivazione è un processo che momentaneamente impedisce l utilizzo di quel canale. Appunti di Manhal B. Saedi (A.A 2010/11) 17

20 Qui nella figura vediamo diverse possibilità di refrattarietà del canale: - nel primo caso in alto abbiamo i canali voltaggio-dipendenti, se la modificazione di voltaggio persiste, vanno incontro ad inattivazione. Come si vede dalla figura, la struttura del canale è diversa nello stato di chiusura che quello refrattario. Ciò è avviene un cambiamento conformazionale che mette il canale in una condizione di refrattarietà ma non quella di chiusura. Per riaprirlo devo passare per lo stato refrattario (inattivazione) e per chiusura e quindi riaprirlo. - nel secondo caso, abbiamo un canale che ha una refrattarietà dipendente dallo ione stesso (nel primo caso abbiamo detto che la refrattarietà dipende dal perdurare della variazione del voltaggio), lo ione che viene trasportato attraverso questo canale (quando il canale si apre), è lo ione stesso che va in qualche modo (legandosi al canale) a mettere il canale in uno stato di refrattarietà. - nel terzo caso, abbiamo una inattivazione dipende dalla de fosforilazione del canale, ciò è il canale si apri perché è fosforilato, e si inattiva quando è defosforilato. Il canale può passare dallo stato aperto allo stato chiuso, dallo stato chiuso allo stato aperto, dallo stato aperto allo stato refrattario, ma dopo la refrattarietà non può tornare ad aprirsi e deve per forza ripassare per la condizione di chiusura. Questo è molto importante perché fa sì che si perde tempo perché i canali possono essere riutilizzabili e questo molto importante per determinare la sequenza temporanea. Tornando alla figura nella pagina precedente.. Quella registrazione di correnti che abbiamo visto prima, quindi quella registrazione di pulsi di correnti o di variazioni del voltaggio attraverso la membrana provocata dallo spostamento di questi ioni, vengono effettuate con la tecnica del patch-clamp, attraverso un singolo canale di membrana, e quindi anche analizzare le correnti che fluiscono attraverso l intera membrana. Come si fa? Si possono utilizzare di microelettrodi, che vengono collegati ad un apparecchio che registra la variazione del voltaggio (voltimetro) o la variazione di correnti (amperòmetro); questa tecnica viene applicata, ovviamente, su neuroni mantenuti in laboratorio, neuroni vitali ( ciò è cellule vive) in coltura messi in un liquido che assomiglia molto al liquido cerebro-spinale, e questi neuroni vengono a risultare vivi, quindi, io posso stimolare un afferenza, registrare da un neurone, e fare Appunti di Manhal B. Saedi (A.A 2010/11) 18

21 quello che voglio per capire come funzionano questi neuroni. Questo microelettrodo viene spinto sulla membrana fino a creare una situazione in cui la membrana, attraverso una suzione, viene succhiata all interno della punta della micropipetta e questo pezzo di membrana che rimane dentro la micropipetta conterrà uno o più canali ionici attraverso i quali io posso registrare le correnti che li attraversano. Probabilità di apertura (PO): Per un canale ionico noi possiamo valutare la probabilità di apertura, che è valutabile analizzando il rapporto che c è tra il tempo trascorso dal canale dello stato aperto (somma della durata dei singoli implosi), ed il tempo totale di osservazione. Per esempio se il tempo di osservazione è un minuto, quanto tempo il canale sta aperto? Il rapporto mi dà la probabilità di apertura (PO). Una PO=1 significa che il tempo di apertura è uguale al tempo di osservazione come se il canale fosse sempre aperto, in realtà questa è una situazione che non si verifica mai, perché i canali si aprono ad impulsi; una PO=0 significa che il canale è sempre chiuso. La PO normalmente è compresa tra 0 e 1 (0<PO<1). Tempo medio di apertura e di chiusura: - Durata media degli impulsi di corrente (singole aperture del canale) che si succedono nel tempo. - Durata media degli intervalli tra due aperture successive Permettono di sapere se ad un determinato valore di PO corrispondono molte aperture di breve durata o poche aperture di lunga durata. CONDUTTANZA Con conduttanza noi ci riferiamo alla capacità da far passare ioni, quindi cariche elettriche, in presenza di una forza di spinta elettrochimica; quindi lo ioni è spinto dalla forza elettrochimica, a sua volta passa per un canale che presenta una determinata conduttanza. La conduttanza, in fisica, è l inverso della resistenza, indicata con la lettera g (g= ). La conduttanza si misura in Siemens(1S=1/Ohm). I canali ionici hanno una conduttanza che normalmente si valuta nell ordine di picosiemens (1pS = S). Legge di Ohm: La differenza di potenziale V che si può creare tra un punto e l altro (tra l interno e l esterno della membrana) è direttamente proporzionale alla intensità della corrente che attraversa questa membrana, e questa corrente che passa incontra una resistenza ( V=i*R); La resistenza rappresentata da quanto questo conduttore è disponibile o meno di far passare la corrente. Nel caso della membrana: la forza di spinta che determina la V è il gradiente elettrochimico, e la corrente che passa deve attraversare una membrana che offre una Appunti di Manhal B. Saedi (A.A 2010/11) 19

22 determinata resistenza al passaggio di questa corrente. Mettendo in relazione la conduttanza: la corrente che attraversa la membrana è proporzionale a V e alla conduttanza della membrana (i=g* V). La conduttanza della membrana sarà rappresentata da chi? Stiamo parlando di canali ionici, i canali ionici determinano la conduttanza della membrana, più canali ci sono più corrente può attraversare la membrana, ciò è più conduttanza la membrana avrà nei confronti di quello ione. La conduttanza totale (G i ) della membrana non è altro che la conduttanza del singolo canale (g i ) moltiplicato per il numero dei canali (N i ): G i =g i *N i. I canali ionici si possono comportare in due modi completamente diversi: - canali ionici ohmici, ciò è seguono perfettamente la legge di Ohm, vuol dire che per questi canali, più aumenta la V più aumenta la corrente (i), e questo aumento è assolutamente lineare. (linea rossa). - canali ionici rettificanti, che sono canali che non seguono perfettamente la legge di Ohm, ma possono avere una conduttanza che cambia con il variare del voltaggio, fanno passare una corrente maggiore per un certo voltaggio, e poi man mano che questo voltaggio aumenta la corrente tende a ridursi (curva blu). Canali Voltaggio Dipendenti: Canali che sono normalmente chiusi al Vm e si attivano in seguito a variazione di potenziale. Questi canali sono altamente selettivi per una data specie ionica, e sono caratterizzati da una soglia di attivazione, ciò è si aprono quando il valore del voltaggio raggiunge una determinata quantità (ciò è il voltaggio si deve variare fino ad un determinato valore perché si possa aprire). L apertura di questi canali dipende dalla presenza di un sensore del voltaggio (sempre di aminoacidi cariche) che è in grado cambiare la conformazione del canale quando cambia il potenziale. Abbiamo parlato della regione P che rappresenta il filtro di selettività. Vediamo il segmento S4 delle varie subunità è un segmento carico (gli aminoacidi sono carichi positivamente); un altro punto importante è l ansa tra il dominio S3 ed il dominio S4 perché rappresenta il cancello del canali, ciò è essa è la parte del canale che lo mette in condizione di inattivazione. Una variazione del voltaggio cosa fa? la depolarizzazione (ciò è quando il Vm diventa con una minore negatività all interno) determina uno spostamento del segmento S4 verso 20 Appunti di Manhal B. Saedi (A.A 2010/11)

23 l esterno, e questo spostamento viene trasmetto alla regione P e questo permette che il canale si apre e lo ione entra. L inattivazione del canale avviene mediante un ripiegamento dell ansa che abbiamo visto prima (tra S3 ed S4), per cui il canale viene inattivato, ciò è questo ripiegamento occlude il poro del canale dal versante interno. Ricapitolando: ci sono tre punti specifici in questi canali voltaggio dipendenti, sensore del voltaggio fatto da una sequenza di aminoacidi,si spostano trascinando l ansa P che si lega allo ione e lo conduce all interno del canale. L ansa tra il dominio S3 ed S4, ad un certo punto man mano che il voltaggio va avanti si lo ripiega e va a creare un tappo determinando la chiusura dall interno al canale. Il canale per essere riutilizzato, deve fenire quella variazione del voltaggio e tutto si deve riportare alla condizione di partenza. Attenzione! Non esiste un canale al sodio unico ed un canale al potassio unico, ciò è possono esistere varie sottoforme di questi canali (per il potassio ci sono 12 sottotipi). E ciò determina caratteristiche diverse della funzionalità, sono sempre voltaggio dipendenti, ma possono essere più o meno rapidi, si inattivano più o meno rapidamente, diversa sensibilità al voltaggio. Proprietà funzionali - Canali ad alta soglia di attivazione (HVA) Si attivano per forti depolarizzazioni (- 20 mv) e si inattivano lentamente. Comprendono due famiglie (Cav1 e Cav2) divise in quattro classi farmacologiche: canali L, N, P/Q e R, presenti in cellule nervose,muscolari, cardiache ed endocrine. - Canali a bassa soglia di attivazione (LVA) Si attivano a potenziali più vicini al potenziale di riposo (- 65 mv, - 50 mv) e si inattivano rapidamente. Sono i canali T appartenenti alla famiglia Cav3, presenti nelle cellule nervose, cardiache ed endocrine. Appunti di Manhal B. Saedi (A.A 2010/11) 21

24 Potenziale di membrana Il potenziale di membrana è la differenza di potenziale che esiste tra l interno e l esterno delle cellule. Nello schema vediamo una cellula posta in una vaschetta con soluzione fisiologica, un sistema di registrazione di voltaggio (voltimetro), un elettrodo che attraversa la membrana cellulare ed un elettrodo che è nel bagnetto esterno. Finché gli elettrodi sono nello stesso compartimento, non c è differenza di cariche, quindi lo strumento non registra niente; ma quando un elettrodo attraversa la membrana si registra una ddp, che si viene a creare perché la membrana separa cariche di segni opposti. Le cariche positive e negative all interno di un compartimento intracellulare o nel compartimento extracellulare sono tutte mescolate e diffuse, in qualche modo così equilibrano; ma a livello della membrana, a cavallo di essa (si tratta di uno spessore molto piccolo) la distribuzione di cariche è diverso: verso il lato interno della membrana si accumulano le cariche negative, e verso il lato esterno della membrana si accumulano le cariche positive., e ciò genera la ddp che abbiamo. Questo Vm che valore ha? In tanto all interno negativo, nella cellula del mammifero ha un valore che è intorno a -65mv e -70mv, e può variare leggermente da cellula a cellula. Il Vm esiste in tutte le cellule, il Vm però nelle cellule come le cellule epiteliali, di sangue, può avere un significato relativo, diventa particolarmente importante nelle cellule cosiddette eccitabili, ciò è le cellule nervose e le cellule muscolari, perché in queste cellule una modificazione di questo potenziale è alla base della nascita del segnale nervoso. La modificazione più importante, che noi conosciamo, che è alla base del segnale nervoso è il potenziale di azione. Da che cosa dipende il Vm? Il fatto di fatto che esiste una ddp tra i due lati della membrana, chiaramente, segnala che c è distribuzione di cariche diverse che sono separate dalla membrana plasmatica, ma questa non è una barriera non attraversabile in assoluto, è una barriera attraversata dagli ioni attraverso i canali ionici. Pertanto, noi separiamo un compartimento intracellulare ed uno extracellulare che hanno una composizione diversa: è più concentrato all interno lo ioni K +, egli anioni proteici (proteine cariche negativamente). All esterno invece abbiamo un elevata concentrazione di Na + e di Cl -. Quindi abbiamo cariche positive e negative all esterno, e cariche positive e negative all esterno, come è possibile, se io ho un insieme 22

25 di cariche positive e negative sia all interno che all esterno, avere questa ddp? Modello per spiegarne l esistenza del potenziale di membrana Immaginiamo di avere una membrana semipermeabile allo ione K + che separa però i due compatimenti che hanno una composizione ionica diversa. Nello schema abbiamo un liquido extracellula (LEC) che contiene cloro e sodio, un liquido intracellulare che contiene potassio e anioni proteici, ed una membrana che ha i canali passivi per il potassio. Se la situazione di partenza è questa (non c è ddp tra interno ed esterno), abbiamo il potassio che è spinto ad uscire dalla cellula dal gradiente di concentrazione. Se questa uscita degli ioni de K + non è bilanciata da nessuno ione negativo che va dietro al potassio (gli unici ioni negativi sono quelli proteici al quali membrana è assolutamente impermeabile), man mano il potassio esce si viene a creare una positività all esterno ed una negatività all interno. Man mano che questa si crea, si capiterà che si viene a generare una forza elettrica diretta in senso contrario alla forza chimica che tende a non fare uscire il potassio dalla cellula. E la corrente si ferma quando si è creata una negatività tale da non fare più spostare il potassio. Il potassio non è uscito tutto dalla cellula, il potassio in realtà è ancora spinto da un gradiente chimico, ma è trattenuto da un gradiente elettrico che è esattamente uguale e contrario al gradiente chimico. Quando ci fermiamo a questa situazione registriamo una ddp che prende il nome di potenziale di equilibrio per il potassio, si è creata una ddp che alla quale il K + non si muove perché la sua tendenza di uscire (forza chimica) è controbilanciata dalla tendenza di non uscire (forza elettrica). Equazione di Nernst: Ci definisce un potenziale di equilibrio di uno ione: E= ln[ ] [ ] (grassi ha detto che a lei non interessa questa..) Dove: E = potenziale di equilibrio dello ione R = costante dei gas perfetti T = temperatura assoluta (gradi Kelvin, -273 C) F = Costante di Faraday (numero di Coulomb/mole di carica) z = valenza dello ione con il suo segno [X]i = concentrazione interna dello ione [X]e = concentrazione esterna dello ione Alla temperatura di 25C il rapporto RT/F è 25mV, e il fattore di conversione del logaritmo naturale in logaritmo decimale 2.3: E = [ ] [ ] 23

26 I valori riportati nella tebella sono applicati su equazione di Nernst, quando la membrana (nel Calamaro) è semipermeabile ad uno degli ioni riportati. può essere il potenziale di riposo di una cellula nervosa diventa il potenziale di membrana se la membrana è solamente permeabile al potassio. Se noi andiamo a misurare il potenziale di riposo di un neurone troviamo che il potenziale oscilla tra -60 e -70mv, quindi le cose non sono proprio così come previste dall equazione di Nernst. Ciò perché la membrana NON è permeabile solo al potassio ma è permeabile anche ad un altro ione quale Na + ; Na + però attraversa la membrana utilizzando canali passivi ha una possibilità di passare molto inferiore rispetto al K +, quindi i canali per il Na + sono meno permeabili al sodio. Infatti la membrana è poco permeabile al Na + e molto permeabile al K +. Se io faccio entrare un pochino di sodio, dal gradiente di concentrazione ma anche dalla negatività interna, nonostante la forte forza di spinta (elettrica e chimica nella stessa direzione) entra poco Na + perché la permeabilità è bassa. Questo poco Na + che entra abbassa la negatività interna e la allontana dal potenziale di equilibrio di potassio, perché entrano delle cariche positive. Se la negatività interna diminuisce, la forza elettrica che teneva fermo il potassio non è più perfettamente uguale e contraria alla forza chimica, c è una piccola differenza tra la forza chimica e la forza elettrica per cui una piccola spinta al potassio ad uscire rimarrà. La spinta è bassa in realtà, ma la permeabilità è elevatissima! ATTENZIONE: Ma se io a lungo butto fuori il K + e porto all interno il Na +, dopo un certo tempo nella mia cellula ho scompaginato tutto! Non posso più dire che la concentrazione di K + all interno è maggiore e quella del Na + è maggiore all esterno. Quindi bisogna inserire un altra cosa qui dentro che mi permetta di ristabilire continuamente quei gradienti di concentrazioni che sono alla base del meccanismo che appena abbiamo spiegato. E questa cosa è ovviamente la pompa Na + /K + ATPasi, continuamente butta fuori 3 ioni di Na + e riporta dentro 2K +, facendo sì che quei gradienti di concentrazioni che noi dobbiamo considerare per capire che queste spinte degli ioni a muoversi vengono mantenute. Se tale pompa viene bloccata (per es. da uabaina) il Vm si azzera, perché le concentrazioni spallano e ad un certo punto non ho più queste forze. La pompa Na+/K+ non può essere considerata elettroneutra, quindi anche il funzionamento della pompa contribuisce un pochino a creare la negatività interna, perché butta fuori 3Na+ mente fa entrare 2 K+. Ed essa contribuisce ad un valore di -4 mv a quel Vm. 24

27 Equazione di Goldman Un modo per spiegare esattamente da cosa dipende il Vm, che non può dipendere da un solo ione, ma dipende da diversi ioni (sodio e potassio); il Vm dovremmo spiegare bene, non con l equazione di Nernst, ma con l equazione di Goldman che è una modificazione dell equazione di Nernst : Abbiamo sempre R, T,F ed il logaritmo, però a questo punto noi prendiamo in considerazione il rapporto tra le permeabilità della membrana nei confronti degli ioni e le concentrazioni esterne ed interne degli ioni. Quindi abbiamo un potenziale di membrana che è più vicino al potenziale del equilibrio di potassio perché la membrana ha una permeabilità maggiore nei confronti del potassio; dobbiamo considerare anche lo ione cloro perché la membrana è permeabile anche nei confronti dello ione Cl-, ma considerate che nei neurone con un Vm di -70mv il Cl- è un equilibrio, diciamo che è l unico ione che si può trovare veramente al suo potenziale di equilibrio è lo ione Cl-. Quindi come vediamo, questa equazione mette in evidenza come il contributo di ciascuno ione alla genesi del Vm dipende dalla concentrazione dello ione ai due lati della membrana e dalla permeabilità della membrana a quella specie ionica. Potenziale di azione: Abbiamo detto che questo Vm può modificarsi (il potenziale di membrana nelle cellule eccitabili prende il nome di potenziale di riposo) e l informazione nervosa si basa proprio sulla capacità dei neuroni di generare dei segnali che sono delle modificazioni di potenziale di riposo che dipendono dalla diversa apertura dei canali ionici e quindi dipendono dalle correnti ionici. I segnali elettrici che si possono generare sono di due tipi: - Potenziali graduati: sono delle modificazione dei potenziali di riposo che graduabili in ampiezza, ciò è li posso fare più grandi o più piccole, che hanno una caratteristica molto importante, essi si esauriscono nello spazio, ciò è se io mi allontano dal punto dove si sono generati, li posso ancora registrare, ma li registro in ampiezza progressivamente minore. Ciò è sono segnali che tendono a muoversi ed a spostarsi lungo le membrane con decremento. - Potenziale d azione: è un fenomeno non graduabile, vuol dire che quando c è, è sempre uguale a sé stesso, tanto vero viene definito un segnale tutto o nulla, o c è o non c è. Ha una grandissima capacità di propagarsi senza decremento a distanza. Quindi è quel segnale che genera un neurone e che viaggia per distanze molto lunghe. Immaginate un neurone, una cellula piramidale della corteccia motoria che manda il segnale al midollo spinale, e questo potenziale di azione generato là su cammina ed arriva fino al midollo spinale attivando un altro neurone che sta lì. 25

28 Noi possiamo avere dei cambiamenti di potenziale di membrana in senso di spostamenti verso valori meno negativi fino Vm=-70mv, e può diventare meno negativo all interno ed in questo caso si parla di depolarizzazione; se questo potenziale di membrana sia modificato, torna al suo valore di riposo, si parla di ripolarizzazione; se invece noi abbiamo spostamenti in senso negativo (ciò è aumenta la negatività) si parla di iperpolarizzazione, anche in questo caso il ritorno al riposo sarà chiamato ripolarizzazione. Il potenziale di azione (pda) in tanto è una modificazione del potenziale di riposo di breve durata, si genera nelle cellule eccitabili (solo cell. muscolari e nervose), e si genera normalmente in risposta ad uno stimolo che è capace di depolarizzare la membrana, ciò è il pda nasce perché la membrana viene depolarizzata; richiede questo segnale l attivazione e l inattivazione, in sequenza nel tempo (quindi coordinate), di canali ionici voltaggio-dipendenti. È un fenomeno auto-rigenerativo, nel senso che è in grado di propagarsi lungo le fibre nervose senza attenuazione proprio perché si rigenera continuamente. Nella figura a sx, vediamo una depolarizzazione normale della membrana, una potenziale di riposo che diventa meno negativo, dopodiché torna a riposo. Se questa depolarizzazione della membrana raggiunge un valore soglia scatta il potenziale di azione; questo è il pda, una rapida variazione del Vm che porta addirittura la membrana ad invertire la sua polarità, all interno diventa transitoriamente positivo, dopodiché il potenziale normalmente ricupera il suo valore di riposo, e poi addirittura per un certo periodo di tempo va sotto il valore di riposo (una leggera iperpolarizzazione) per poi tornarci, quest ultima è una iperpolarizzazione pòstuma. Il pda può avere durate diverse in cellule diverse; nelle cell. nervose dura circa 1-2ms quindi è molto impulsivo, si chiama anche impulso nervoso; il pda può durare di più nelle cell. muscolari intorno a 5-10ms, e le cell. che hanno pda più lunghi sono le cell. muscolari cardiache, in cui vedremo che il pda può raggiungere anche ms di durata. NB: questo potenziale di azione nasce soltanto se c è una depolarizzazione pre-esistente della membrana che deve raggiungere un valore soglia, se questa depolarizzazione non 26

29 raggiunge il valore soglia, essa si esaurisce e non succede assolutamente nulla, però questi sono segnali quando raggiungono la soglia che sono generati a livello di sinapsi, a livello di recettori sensoriali, e che sono importanti potenziali graduati per dare il via al pda. NB: siamo lontani dal potenziale di equilibrio del K+, ci avviciniamo quando la membrana viene iperpolarizzata ma siamo anche lontani (durante depolarizzazione) dal potenziale di equilibrio del Na+; la membrana diventa più permeabile allo ione sodio in questa fase di depolarizzazione, una volta arrivato al valore soglia determina l apertura di canali di Na+ voltaggio dipendenti. Quali possono essere questa modificazione? Chiaramente, se la membrana a riposo è negativa all interno, ed abbiamo visto che a potenziale di riposo esiste un flusso di ioni attraverso la membrana che è uguale e contrario (attraverso canali passivi), quindi un equilibrio dinamico che però non porta ad un alterazione dell equilibrio di cariche, altrimenti non staremo fermi a -70mv. Quindi c è un flusso di ioni di sodio in ingresso controbilanciato da un flusso di ioni di potassio in uscita. E ciò perché, come abbiamo detto, la forza elettrochimica nei confronti del sodio è molto elevata ma la permeabilità nella membrana è bassa. Mentre nei confronti di potassio noi abbiamo una forza di spinta bassa (perché siamo molto vicini al potenziale di equilibrio per il potassio) ma la permeabilità della membrana è elevata. Quindi, se la membrana improvvisamente riesce ad invertire la sua polarità significa che improvvisamente entreranno all interno delle cariche positive, perché per diventare positiva non possiamo non spiegarcelo così, a meno che non andiamo a pensare di uscita di cariche negative (proteine non sono in grado di uscire!), quindi dobbiamo pensare perché improvvisamente la membrana diventi permeabile a cariche positive, dopodiché raggiunto il picco si recupera il valore di riposo perché la cellula è nuovamente perde cariche positive (la membrana è attraversata da ioni positivi). Per quello che riguarda le sue caratteristiche: - il pda è definito un fenomeno tutto o nulla, ciò è un fenomeno che o c è o non c è ; abbiamo visto che solo se il Vm riesce a raggiungere un valore di depolarizzazione specifico, valore di soglia, insorge il pda. Se insorge il pda è perché noi abbiamo raggiunto questo valore critico, se noi non raggiungiamo questo valore, il pda non nasce. - Il pda è una fenomeno che sempre uguale a sé stesso, ciò è se io posso far nascere in un neurone un milione di pda, tutti quanti sono sempre fatti nello stesso modo, ciò è sono sempre caratterizzate dalla fase di depolarizzazione che raggiunge quel picco massimo, dalla fase di ripolarizzazione, e dalla iperpolarizzazione; ogni neurone avrà il suo pda caratteristico che non può essere modificato in ampiezza. Ciò è importante, perché vedremmo che il sistema nervoso mette informazioni relative a situazioni che possono essere diverse (uno stimolo più intenso o meno intenso, un comando motorio più intenso o meno intenso), non attraverso la modificazione d ampiezza del pda ma attraverso la modificazione di frequenza, ciò è noi nel sistema nervoso 27

30 utilizziamo un codice di frequenza, quando io voglio dire qualcosa di più, il mio neurone non trasmette un pda più grande di prima, ma trasmette un numero maggiore di pda. BASI IONICHE DEL POTENZIALE DI AZIONE Il pda è stato registrato per la prima volta da 2 grossi studiosi di neurofisiologia Hodgkin e Katz, questi hanno fondato, hanno lanciato, la loro teoria che spiegava la base ionica del pda, ciò è secondo la loro teoria il pda è associato a correnti di Na+ e di K+ attraverso la membrana, che si realizzano in momenti diversi e che sono fortemente dipendenti da resistenza di canali di conduttanze ioniche che possono essere attivate indipendentemente. Oggi noi sappiamo bene che il pda dipende proprio da questo, ma loro arrivarono a questa deduzione e postularono con l esistenza di canali ionici, guardate, ben 20 anni prima che le correnti di canale fossero misurate, come abbiamo visto, con la tecnica del patch-clamp, che permette di registrare corrente di canale, Hodgkin e Katz avevano postulato l esistenza di correnti di canali ionici 20 anni prima che questi correnti fossero registrati, 30 anni prima ancora che venisse fotografato il movimento di particelle che permettono l apertura del canale; e addirittura 50 anni prima dell analisi strutturale dei canali ionici. Quindi semplicemente con l intuizione questi signori hanno postulato l esistenza di canali ionici, che oggi conosciamo molto bene, e della loro dipendenza dal voltaggio. Uno di quelli esperimenti che ha dimostrato l importanza dello ione sodio nella nascita del pda, quindi ha cominciato a far pensare che quella corrente che porta al pda fosse una corrente di sodio, è questo: un assone gigante del calamare è utilizzato per studiare questi fenomeni, un esperimento in cui veniva progressivamente ridotta la [Na+] nell ambiente extracellulare, naturalmente questo assone veniva, in qualche modo, stimolato, ciò è cercava di depolarizzare la membrana per far nascere il pda, e, come vediamo da questi grafici, se la [Na+] extracellulare è ridotta noi abbiamo una progressiva riduzione sia dell ampiezza che della velocità di salita del pda. Se, per esempio, abbiamo una [Na+] di 33% abbiamo un pda molto più basso e diventa molto più lento (curva 2 in alto). Con una concentrazione abbassata solo di 50% le cose stanno un po diverse. Questo mostra che il Na+ extracellulare è fondamentale per l insorgenza del pda. Hodgkin e Katz sono arrivati a capire che questo pda dipendeva da correnti ioniche diverse attraverso un semplicissimo ragionamento fisico-matematico; noi abbiamo visto che se applichiamo la legge di Ohm, possiamo dire che la corrente che attraversa la 28

31 membrana dipende dalla conduttanza (g) della membrana ed il voltaggio (v); il voltaggio nel nostro caso rappresenta il Vm che permette lo spostamento attraverso la membrana. Se noi consideriamo la corrente di Na+, essa dipenderà da una conduttanza della membrana al Na+ per un v che non è altro che la differenza tra il potenziale di membrana (Vm) ed il potenziale di equilibrio del Na+. Ciò è lo ione si sposta soltanto se esista una forza elettrochimica. Se lo ione si trova al suo potenziale di equilibrio esso non si sposta più. Quindi la forza di spinta può dipendere soltanto dalla differenza fra il potenziale di membrana (Vm) che c è ad un certo momento ed il potenziale di equilibrio del Na+. Partendo da questo presupposto Hodgkin e Katz dissero: se io immagino che le correnti sono uguali e contrarie (il che si verifica al potenziale di riposi) il flusso netto degli ioni attraverso è uguale a 0, perché flusso ionico in entrata è uguale al flusso ionico in uscita. Applicando la Legge di Ohm alle correnti ioniche: I = G. V Quindi: I Na = G Na. (Vm E Na ) e I k = G k. (Vm E k ) Detto ciò io posso scrivere: I k + I Na = 0 se i due flussi sono uguali e contrarie, e quindi: G k. (Vm E k ) + G Na. (Vm E Na ) = 0 Da questa eguaglianza si ricava la formula del Vm: In relazione al rapporto tra la g Na e la g K, in un determinato momento, il potenziale di membrana assumerà valori che possono essere intermedi tra il potenziale di equilibrio del K+ e quello del Na+: quando noi ci troviamo in una situazione in cui la g K è maggiore di g Na (a riposo), si noi sviluppiamo quella equazione il Vm diventa più vicino al potenziale di equilibrio del K+. Se si verifica una situazione in cui la g Na supera g K il Vm si deve spostare, inevitabilmente, verso il valore del potenziale di equilibrio del Na+. Partendo da una situazione di riposo in cui abbiamo un Vm vicino al potenziale di equilibrio del K+, il pda, raggiungendo valori positivi, non può essere che il risultato dell aumento della g Na cioè la g Na deve diventare superiore alla g K, in quel caso il Na+ entra, sposta il Vm verso valori positivi ed a quel punto siamo vicini al valore di potenziale di equilibrio del Na+. 29

32 Se noi andiamo a considerare le fasi di sviluppo del pda, ed andiamo a vedere contemporaneamente come si modificano le conduttanze della membrana nei confronti di dei due ioni (g Na e g K ), vediamo che durante la fase di salita il pda supera lo zero, nell esempio arriva e +20mv, contemporaneamente abbiamo una improvviso e molto rapido e consistente incremento della g Na che poi altrettanto rapidamente tende a diminuire, e successivamente, nella fase di ripolarizzazione, osserviamo invece un aumento più lento e più ridotto della g K. Nella figura a destra, vediamo il raggiungimento della soglia permette un incremento della g Na, il Na+ entra e porta la membrana ad invertire la sua polarità fino a valori positivi, non si raggiunge il potenziale di equilibrio del sodio (+55mv) perché in realtà questa g Na ad un certo punto diminuisce, e questo è legato al comportamento del canale Na+ che si apre in seguito al voltaggio, fa entrare il Na+, ma poi progressivamente va incontro ad un processo di inattivazione., per cui la conduttanza improvvisamente diminuisce. Contemporaneamente, aumenta la g K che riporta il Vm al valore di riposo. Quindi la rapida depolarizzazione è il risultato di un rapido e progressivo incremento della corrente Na+, per un fenomeno auto-rigenerativo, ciò è più Na+ entra, più la membrana si depolarizza, più la membrana si depolarizza più sodio entra fino a raggiungere un massimo. L andamento di questi correnti si è potuto studiare bene utilizzando una tecnica che è detta Tecnica Del Blocco Del Voltaggio. abbiamo detto che man mano che il Na+ entra, e quindi carice positive vanno dentro, il Vm progressivamente si sposta verso valori sempre meno negativi; bloccare il voltaggio significa che io, con un sistema particolare, posso mantenere il Vm al voltaggio che voglio io, per esempio da -70 lo sposto a -50 e lo tengo sempre, posso studiare l andamento della corrente che attraversa la membrana a quel determinato Vm. In questo modo io posso vedere, passo per passo, come si comporta questa corrente al modificarsi del Vm. Questi esperimenti permettono di capire cosa succede attraverso la membrana quando il voltaggio si modifica. In questo esperimento specifico il Vm a riposo in questo neurone è -65mv, viene spostato a -9mv dal mio strumento. Guardiamo che cosa succede nel tempo durante il 30

33 mantenimento del potenziale a questo valore. Abbiamo 3 curve, in giallo, in verde ed in rosso; abbiamo una corrente entrante, all inizio, che successivamente viene seguita da una corrente uscente. Attraverso la membrana si verifica istantaneamente una corrente che entra e successivamente una corrente che esce. Per capire chi è responsabile di queste correnti, si sono fatte delle prove di sostituzione ionica, nel caso specifico, lo ione Na+ è stato sostituito con una molecola molto grossa, come la colina, che non può attraversare la membrana, vediamo la curva verde, se io abbasso la [Na+] extracellulare al 10% (sostituisco il 90% con colina); la sostituzione serve per mantenere l osmolarità, e per mantenere una costanza del mezzo esterno. Come cambia la situazione? sparisce completamente la corrente entrante, e rimane soltanto la corrente uscente. Vuol dire che la corrente entrante è determinata dallo ione Na+. Se io faccio la sottrazione della corrente totale (in giallo) e la corrente che ho registrato quando ho sostituito il sodio (in verde), ho un idea della corrente totale di sodio; ho tolto alla corrente totale la corrente uscente che è rimasta in questa condizione sperimentale e quindi vedo l andamento della corrente entrante. Ciò è, c è una doppia corrente, molto rapida entrante, poi più lenta uscente. La corrente entrante dipende dal sodio, se io levo il sodio vedo solo la corrente uscente; se tolgo dalla totale la uscente avrò l andamento della entrante. Chi sono questi due correnti? Sodio, sicuro. Il potassio l abbiamo detto. Però, ancora rispetto alla condizione iniziale in cui le cose non erano chiare, bisogna fare qualcosa di più per essere sicuri che si trattasse di questi correnti. E questo qualcosa di più è stato fatto utilizzando dei bloccanti selettivi, delle tossine, che sono in grado di bloccare selettivamente i canali voltaggio dipendenti per il Na+ e per il K+. Abbiamo una tossina, tetraetil-ammonio, che si lega specificamente al canale voltaggio-dipendente per il K+ e lo blocca, cosicché non è possibile più far passare il K+. Un altra tossina, tetradotossina (o tetrodotossina), ricavata dal pesce palla, e blocca il canale voltaggio-dipendente del Na+. Con questi due veleni bloccanti specifici, sempre con la tecnica del blocco del voltaggio, è stato possibile studiare punto a punto che cosa succede nella membrana, modificando il voltaggio, per quello che riguarda la corrente di Na+ e di K+. Nella figura (prossima pagina) sono rappresentate le g K e g Na ; Abbiamo bloccato il canale di K+ e stiamo analizzando come cambia la g se io imprimo alla membrana un voltaggio desiderato. Se sono a valori meno negative rispetto al potenziale di riposo, ma ancora abbastanza consistenti, la g Na è piccolo; man mano che la membrana diventa sempre meno negative, si ha una corrente che incrementa enormemente,e questo incremento è 31

34 del canale per il Na+. soprattutto caratterizzato da una rapida salita seguita da una più lenta discesa. Questo esprime il comportamento della rapida attivazione e della lenta inattivazione del canali Na+. Se io faccio la stessa cosa per il K+, ciò è vado a bloccare i canali Na+, e sposto la membrana agli stessi valori di potenziale e vado a vedere che cosa succede per la corrente attraverso la membrana: la g K è molto più lenta, quindi si attiva molto più lentamente e rimane attiva per molto più tempo, quindi la inattivazione dei canali, come la attivazione dei canali al K+ è molto più lenta rispetto al comportamento Tenendo in testa questi concetti, torniamo un attimo a capire che cosa succede quando nasce un pda. Se io applico alla membrana uno stimolo (segnale elettrico), che cambia in qualche modo la permeabilità della membrana, depolarizza la membrana. La depolarizzazione della membrana, sempre, determina che man mano che io mi sposto verso valori meno negativi aumenta la g Na, cominciano ad aprirsi canali voltaggiodipendenti per il Na+, l apertura di questi canali non è un meccanismo a scatto, ciò è i canali del Na+ non hanno tutti esattamente lo stesso valore di soglia di potenziale al quale un canale si apre, per cui c è una apertura progressiva di un numero sempre maggiore di canali Na+ man mano che la membrana si depolarizza. Questo ingresso di Na+, che consegue a questa depolarizzazione sposta il potenziale a valori meno negativi e quindi facilita l uscita del K+ (perché più concentrato all interno che l esterno e non è più trattenuto dalla negatività interna). Di fatto, finché non viene raggiunto una valore specifico di soglia per la nascita del pda noi abbiamo nella membrana delle depolarizzazioni graduali, che vedono una depolarizzazione seguita dal ritorno al riposo, un segnale di questo tipo, nasce e finisce qui, perché? Perché è entrato un po di Na+, mente entra il Na+ aumenta l uscita del K+ e quest ultimo riporta giù la membrana. Se io incremento l ampiezza di questa depolarizzazione, arriverò ad un punto, valore di soglia, a livello del quale, la corrente uscente di K+ è uguale alla corrente entrante di Na+. Quindi la soglia è un momento molto pericoloso, un momento di grande instabilità, perché basta che prevalga un K+ di più -> la membrana torna a riposo. E basta che prevalga un Na+ di più -> la membrana scatta e dà origine al pda. Quindi, la soglia è una depolarizzazione della membrana, nella quale abbiamo 50% di probabilità che un pda nasca, ed un 50% di probabilità che non nasca. E quando uno stimolo supera di pochissimo il valore soglia, c è la probabilità di 100% che il pda nasca, perché a quel livello prevale nettamente la depolarizzazione che fa aprire in maniera espulsiva tutti canali voltaggio-dipendente per il Na+. 32

35 Ricapitolando (sequenza degli eventi): Io ho un potenziale di riposo, ho uno stimolo depolarizzante, e la membrana viene depolarizzata, se la depolarizzazione supera il valore soglia si ha una apertura molto estesa di canali voltaggio-dipendenti per il Na+, questo ultimo entra rapidamente dentro la cellula e determina il raggiungimento del picco del pda intorno a +20 a +35 mv, perché i canali per il Na+ si inattivano, e nonostante ci sia ancora la forza di spinta al Na+ il canale progressivamente si chiude (diminuzione di g Na ), contemporaneamente però, sta aumentando la g K (non la g K a riposo!) si aprono dei veri e propri canali in più voltaggio-dipendenti per il K+, che quindi fanno uscire il K+ dalla cellula, e questo, in qualche modo, all inizio frena quella corrente che sta esaurendo, ma poi determina il ritorno della membrana al valore di riposo. ATTENZIONE! Come vediamo nell ultima parte nella figura (fase 7 e 8), il canale al K+ che si è attivato, non riesce a chiudersi, quindi non riesce la conduttanza a terminare esattamente quando si è raggiunto il potenziale di riposo, e quindi abbiamo questa discesa (fase 7 e 8) a leggeri valori di iperpolarizzazione che sono dovuti al fatto che questi canali non si chiudono esattamente quando si è raggiunto il valore di riposo ma continua, ma poi progressivamente questo canale al K+ si chiude definitivamente ed il potenziale di riposo viene recuperato. Le pompe Na+/K+ alla fine del pda ristabiliranno le concentrazioni. Il canale di sodio, ha un Gate di attivazione che si apre man mano che la membrana si depolarizza, ed un Gate di inattivazione che è un cancello interno che chiude il canale dall interno quando il Vm è ad un livello di depolarizzazione che sta crescendo. In condizione di riposo questo canale è chiuso, come la membrana viene depolarizzata, si raggiunge la soglia del apertura del Gate, il canale si apre, e lo ione può entrare. Man mano che la depolarizzazione va avanti, per virtù del mantenimento del voltaggio modificato, il Gate interno (h) si chiude (inattivazione). Ma man mano che la membrana 33

36 torna al potenziale di riposo il canale si rimette in una condizione di chiusura, e quindi potrà essere nuovamente aperto (invece non può passare dallo stato inattivato a quello aperto), si chiude il cancello esterno (m) e si apre quello interno (h). Questo comportamento del canale al Na+, il fatto di avere una attivazione ed una inattivazione, giustifica una caratteristica molto importante del pda che è il periodo refrattario assoluto. È un periodo entro il quale non è possibile applicare nessun tipo di stimolo alla membrana di nessuna intensità, che la membrana non è un grado di dare origine ad un altro potenziale di azione, ciò è la membrana è completamente in eccitabile. Il motivo di questo è proprio quello che abbiamo detto, che il canale al sodio viene aperto, poi passa alla condizione di inattivazione, cosicché il canale al sodio può ritornare alla condizione di partenza solo quando la membrana è vicina al potenziale di riposo, è chiaro che io non posso riaprire il canale al sodio. Quindi non posso sommare un altro pda al primo. Il periodo refrattario è divisibile in due tipi: - Periodo refrattario assoluto, in cui non si può generare un alto pda (come già detto) - Periodo refrattario relativo, in cui posso avere un secondo pda ravvicinato al primo solo se applico uno stimolo di intensità maggiore; tutto dipende dal comportamento del canale al sodio finché il canale al sodio non è tornato in una condizione che può essere aperto io non posso generare un pda. Di fatto, proprio perché esiste il periodo refrattario, e quindi proprio il canale di sodio si comporta in quella maniera, io posso dire che il pda è un elemento isolato che non può sommarsi con altri pda. E ciò permette di: 1. Impedire che i pda che sono nate in un punto e che devono viaggiare in una certa direzione (immaginate una fibra nervosa che deve condurre dal neurone verso la sinapsi), torni indietro, perché tornando indietro troverebbe la refrattarietà della membrana; (conduzione antidromica) 2. Limitare la frequenza di scarica di un neurone, ciò è la frequenza con cui il neurone genera il pda. Io non potrò ridurre l intervallo tra un pda e l altro al di sotto di un certo valore perché cado nel periodo refrattario assoluto del pda precedente. Il pda normalmente nasce a livello della zona di innesco, la zona che è corrispondente al monticolo assonico (la parte dove si genera l assone dal soma), li sono localizzati canali 34

37 voltaggio dipendenti; i segnali sinaptici invece nascono a livello dendritico, a livello del soma. I segnali sinaptici sono segnali graduati che, però, servono a determinare, a livello della zona di innesco, una depolarizzazione che raggiunga la soglia per far scartare il pda. Nella figura si vede come sperimentalmente è possibile determinare una modificazione del Vm e quindi sperimentalmente come è possibile studiare le caratteristiche di queste risposte di membrana. Abbiamo detto che attraverso la membrana possiamo avere delle correnti entranti ed uscenti, possiamo avere modificazioni del potenziale che sono delle iperpolarizzazioni, e delle depolarizzazioni. Come è possibile ottenere questo sperimentalmente? Nella figura è schematizzato un neurone, ed un stimolatore (uno strumento che è in grado di generare correnti), dalla parte opposta vediamo invece uno strumento che è in grado di registrare le modificazioni che si generano nel neurone in seguito alla applicazione di correnti. Io posso usare uno stimolatore, in cui un elettrodo collegato al polo negativo ed un elettrodo che è collegato al polo positivo. Se io faccio passare corrente in questo sistema, le correnti che sono rappresentate fondamentalmente in sistemi biologici da cariche positive che si spostano (non parliamo di elettroni nel caso dei sistemi biologici ma spostamenti di cariche, particolarmente le cariche positive), noi avremo che le cariche positive tendono ad attraversare la membrana, ad entrare, e chiudono il circuito attratte dalla negatività dell elettrodo negativo, quindi, progressivamente, all interno della membrana, vengono sottratte cariche positive, si genera all interno della membrana un accumulo di cariche negative che sposta il potenziale verso valori più negativi. In altri termini io ho ottenuto così una iperpolarizzazione della membrana, praticamente mettendo 35

38 all interno del neurone elettrodo connesso con il polo negativo ed all esterno l elettrodo connesso con l elettrodo positivo, in questo modo io sottraggo cariche positive alla membrana. Se io, invece, voglio depolarizzare la membrana faccio esattamente il contrario, metto all interno del neurone l elettrodo collegato con il polo positivo ed all esterno l elettrodo positivo. In questo caso le cariche entrano nella membrana, usciranno poi, chiudendo il circuito, e vengono continuamente riportate all interno, e quindi all interno io ho un accumulo delle cariche positive, ciò è una depolarizzazione. In conseguenza della applicazione di una corrente entrante o di una corrente uscente (quest ultima determina la depolarizzazione), l andamento, non è assolutamente preposto dalle variazioni di Vm; se guardiamo il Vm, esso sale lentamente al valore massimo che è imposto dall applicazione di questa corrente, e poi altrettanto lentamente scende; Quindi la membrana ha delle caratteristiche fisiche che in qualche modo distolgono, cambiano, gli andamenti temporali dei segnali che vengono applicati. Cosa sono queste caratteristiche? La genesi di questi segnali e queste modificazione dipende da: - Canali ionici, in particolar modo canali ionici passivi (quindi la membrana dal punto di vista fisico può essere considerata come una resistenza, e presenta una conduttanza) - Gradienti elettrochimici (forze di spinta sugli ioni), in particolare la differenza tra il reale potenziale di membrana ed il potenziale di equilibrio dello ione. - Il comportarsi della membrana come una CAPACITÀ; la capacità in fisica è una caratteristica tipica dei condensatori che sono capaci di accumulare cariche di segno opposto. Quindi ci sono delle proprietà passive della membrana dei neuroni che sono importanti per spiegarci l andamento di questi segnali, di queste modificazioni di Vm che abbiamo a livello neuronale che come vediamo rappresentate nella figura, non sono pda ma sono potenziali graduati che sono importanti per determinare la genesi del pda se sono depolarizzate. Queste proprietà passive sono: - Resistenza della membrana a riposo; come già detto, la membrana a riposo può essere rappresentata come una conduttanza, ha una resistenza nei confronti degli ioni. - Capacità della membrana - Resistenza assiale intracellulare dell assone e del dendrite; se noi consideriamo un neurone, fatto da un corpo cellulare, da dendriti, e da un assone, dobbiamo considerare un altro parametro importante, che è la resistenza offerta dall assone o dai dendriti nei confronti dello scorrimento di correnti lungo il conduttore (assone o dendrite). Perché questi correnti di ioni non è che nascono e muoiono in un punto, ma si possono propagare lungo l assone od il dendrite, e propagandosi incontrano una resistenza. 36

39 Queste proprietà determinano l ampiezza, l andamento temporale delle variazioni di potenziale che sono causate da correnti che attraversano la membrana. Tutto ciò può essere semplificato utilizzando un circuito di membrana equivalente, in cui appunto consideriamo la membrana come un circuito nel quale è presente una capacità (Cm), ed una resistenza (R). In un circuito di questo genere, le modificazioni di voltaggio, conseguente ad una applicazione di una corrente, sono con un certo andamento, con una certa ampiezza, perché esistono queste due proprietà Ricordiamo un attimo la conduttanza: Esprime la capacità di far passare cariche elettriche (ioni) in presenza di un potenziale elettrochimico. La conduttanza è il reciproco della resistenza (g = 1/R). Basta far passare delle cariche (ci riferiamo a canali passivi). La forza elettromotrice che spinge uno ione ad attraversare la membrana è data dalla differenza fra il potenziale di membrana (Vm) ed il potenziale di equilibrio dello ione (Ei). Naturalmente, quanta corrente passa dipende da quanta conduttanza la membrana ha nei confronti di quello ione. La conduttanza totale della membrana dipende dal numero dei canali che ci sono, e dalla conduttanza del singolo canale. (Gi = gi. Ni) La legge di Ohm ci dice che le variazioni di voltaggio che noi possiamo imprimere in una membrana in virtù applicazione di una certa corrente ionica sono direttamente proporzionali a alla resistenza che la membrana offre al passaggio di quella corrente. ( V=I*R) Per un neurone ideale che abbia una forma sferica (senza complicare la vita con le forme stellate ecc..) la resistenza di membrana da una resistenza specifica, che è propria delle caratteristiche della membrana, e dalle dimensioni del neurone. Se considero il neurone con forma sferica, la superficie di membrana quindi (dimensioni del neurone), è 4πr 2 ; più la sfera è grande, più superficie ho, più canali ionici ho, e quindi meno resistenza ho! Quando io depolarizzo un neurone, quindi applico una corrente X che abbia un andamento tale per depolarizzare il neurone, questa corrente a parità di stimolo è capace di determinare una modificazione del voltaggio, quindi una risposta elettrica maggiore nelle cellule piccole rispetto alle cellule grandi. In altri termini, se guardiamo la legge di Ohm e guardiamo V=I*R, più la resistenza di membrana è grande, più a parità di corrente io riesco a modificare il voltaggio; Allora il neurone piccolo, che ha una piccola superficie, avrà un numeri basso di canali ionici, e quindi avrà una bassa conduttanza e quindi avrà una grande resistenza; questo vuol dire che io quando studierò fenomeni centrali, riuscirò ad attivare più facilmente, ciò è con stimoli con minor intensità, i neuroni di piccoli dimensioni rispetto a neuroni di grandi dimensioni, ciò è portare il voltaggio a cambiare in maniera tale, per esempio, da raggiungere la soglia per la genesi del pda. In 37

40 altri termini: A parità di stimolo, la modificazione di voltaggio (quindi la risposta elettrica) sarà maggiore nelle cellule piccole rispetto a quelle più grandi. Es: se la soglia per far nascere il pda di un neurone e spostare la membrana da -70mv a -40mv, questo salto di potenziale in un neurone piccolo lo raggiungo per una piccola corrente, per un neurone grande ho bisogno di maggiore corrente. Questa piccola corrente e questa maggiore corrente equivale alla forza ed ala potenza dell attivazione sinaptica su quel determinato neurone. L ampiezza del segnale dipende dalla resistenza. Posso applicare una corrente (uno stimolo) che ha un andamento del tutto rettangolare (stimoli rettangolari), ciò è la corrente passa dura per un certo tempo, cessa, le modificazioni di potenziale seguono un andamento temporale completamente diverse. Il potenziale non va al massimo istantaneamente, ma ci va lentamente. Chi è quel che determina questa lentezza? Questa variazione di potenziale, che viene a raggiungere il massimo (il massimo sarà impresso dalla corrente applicata e dal valore delle resistenza, la resistenza mi dice quanto ampia sarà questa modificazione a parità di corrente), l andamento temporale dipende dalla capacità di membrana, perché? La capacità elettrica di membrana nasce proprio dal fatto che la membrana separa cariche di segno opposto, fuori abbiamo negativo, dentro abbiamo positivo, e si comporta come un condensatore. Ci sono due conduttori (armature) che sono separate da un isolante; L isolante è la membrana, il LEC in vicinanza della membrana contiene cariche positive rappresenta l armatura caricata positivamente, la parte interna è caricata negativamente. L entità della capacità in fisica viene misurata in Farad, è legata alla possibilità di accumulare cariche. Una certa carica può essere accumulata sulla superfici del condensatore, quindi il voltaggio che esiste ai due lati, ciò è la differenza di potenziale che esiste tra i due lati del condensatore, dipenderà dalla quantità di carica che il condensatore separa. In altri termini, il mio Vm dipende dalla capacità della membrana di separare le cariche di segno opposto. La capacità è direttamente proporzionale alla superficie del condensatore, e nel nostro caso dipende dalla estensione della membrana; maggiore è la superficie maggiore sarà la quantità di carica che per un dato voltaggio è presente sulle armature del condensatore. La capacità dipende anche dal mezzo isolante del condensatore (nel nostro caso è la membrana). La distanza tra i due punti in cui le cariche di segno opposto che sarebbe lo 38

41 spessore della membrana, nei tessuti biologici è abbastanza costante di 4 nm, da cui può dipendere la capacità di separare le cariche. La capacità specifica per unità di superficie di tutte le membrana biologiche ha un valore di circa 1F/cm 2. La capacità della membrana ci serve a capire che per variare il potenziale ai capi del condensatore bisogna aggiungere cariche. Ciò è se io voglio depolarizzare la membrana devo fare sì che l interno sia meno negativo, quindi dobbiamo fare in modo che le cariche negative che stanno all interno vengano sostituite da cariche positive; ciò corrisponde ad accumulare o togliere ioni a cavallo della membrana, e quindi la variazione di cariche attraverso la membrana, richiede tempo e rallenta la risposta. Il valore di capacità di membrana in un neurone ideale di una sfera dipende dalle dimensioni del neurone. Maggiore la dimensione del neurone maggiore è la capacità di membrana. Se la capacità di membrana è maggiore, cosa vuol dire? Vuol dire che io ho bisogno di più tempo per cambiare la disposizione delle cariche e variare il voltaggio di membrana. Quindi a parità di corrente applicata che è in grado di modificarne il voltaggio di un certo valore che è imposto dalla resistenza di membrana, il tempo impiegato per raggiungere quel valore sarà maggiore perché io ho bisogno di più tempo per modificare il voltaggio ai capi della membrana. Equivalente Elettrico della membrana: Quando applico una corrente a livello della membrana allo scopo di variare il voltaggio di membrana (depolarizzarla od iperpolarizzarla) e questa corrente che è una corrente di ioni che deve attraversare la membrana attraverso una resistenza deve fare anche i conti con la capacità, ciò è, è possibile spingere gli ioni fuori o dentro la membrana nel momento in cui le cariche ai capi del mio condensatore di membrana (capacità di membrana) sono state in qualche modo modificate. Quindi se io applico una corrente di cariche positive di intensità 1, perché voglio che questa intensità 1 mi porti alle variazioni di voltaggio di 10mv, questa corrente deve andare prima a modificare lo stato, ciò è l interno meno negativo, dopodiché potrà attraversare la membrana e modificare il voltaggio ai capi della membrana. Quindi io raggiungerò il mio 10 mv di variazione non istantaneamente come se non avessi condensatore, ma più lentamente, perché nel tempo la corrente che passa attraverso i canali passivi ha bisogno di tempo, ciò è diventa totale quando è cambiata la quantità di cariche ai capi del condensatore. Una esistenza e una conduttanza nella membrana possono essere immaginate poste in parallelo, come schematizzato nella figura. Se noi applichiamo una corrente (con un elettrodo come abbiamo visto, oppure da un segnale sinaptico ecc..), questa corrente che attraversa la membrana (segue l applicazione di uno stimolo) se trova di fronte a due possibilità: può uscire attraverso la resistenza, ciò è le cariche possono uscire attraverso la membrana perché essa presenta canali. Oppure può 39

42 andare a caricare il condensatore, ciò è le cariche io applico, vanno a modificare lo stato di carica del condensatore. Se io ho iniettato delle cariche positive, esse andranno a caricare il condensatore, in senso andranno ad annullare progressivamente la negatività interna della membrana. Di fatto, queste due cose succedono contemporaneamente all interno di un neurone, o un sistema eccitabile che abbia una membrana che si comporta così. La corrente di membrana è divisibile, una corrente ionica che è dovuta a flusso di ione che attraversa i canali ionici (la resistenza), e una corrente capacitiva che va a caricare il condensatore, ciò è va a variare la carica di capacità della membrana; quindi insieme, questi componenti della corrente, sono componenti della corrente di membrana che noi applichiamo. Di fatto quando noi applichiamo questa corrente, all inizio tutta la corrente che attraversa la membrana, va a caricare il condensatore ( va a variare la carica interna ed esterna della membrana) annullando la negatività interna della membrana. Man mano che il condensatore si sta caricando, varia il voltaggio di membrana, perché io faccio l interno progressivamente meno negativo. A questo punto, man mano che il voltaggio si modifica, cambia la forza di spinta nei confronti degli ioni, per esempio il K+ che tende ad uscire di più, quindi si viene a creare una corrente progressivamente crescente che attraversa la membrana. Quando il condensatore è tutto carico, ciò è quando la differenza di potenziale è imposta dalla modificazione delle cariche del condensatore, la corrente se continua ad essere applicata passerà tutta attraverso la resistenza, seguendo la legge di Ohm: avrò la variazione di voltaggio finale che deve essere imposta da quello stimolo applicato. Nel momento in cui io sospendo questa applicazione di corrente sospendo lo stimolo il potenziale non può tornare istantaneamente a riposo, perché cesseranno le correnti attraverso la resistenza, ma avrò momentaneamente delle cariche che hanno caricato il condensatore e devono essere dissipate. Quindi avrò un ritorno a riposo che subirà un ritardo rispetto alla cessazione immediata dell applicazione dello stimolo. Lo stimolo che viene applicato è uno stimolo rettangolare, ciò è io applico una corrente che ha una certa intensità. Se io avessi nella membrana solo delle proprietà resistive (a) avrei una variazione del voltaggio che è, praticamente, sovrapponibile all applicazione, ciò è averi una variazione del voltaggio istantanea. Perché appena applico la corrente, essa può attraversare la membrana e varia il voltaggio e quindi avrei la risposta del potenziale di membrana esattamente istantanea come l applicazione della corrente. Se invece la membrana avesse solo le proprietà capacitive (b) e se non ci fosse la 40

43 resistenza (ciò è se non ci fossero i canali ionici) avrebbe un andamento crescente, lento, progressivo e non si fermerebbe mai il voltaggio, perché io continuerei a carica il condensatore, e questo caricare il condensatore senza dare la possibilità a queste cariche di riuscire dalla membrana porterebbe ad una progressiva ma continua crescita del potenziale. Se mettiamo insieme queste 2 caratteristiche, ciò è un andamento (a) dato dalla resistenza ed un andamento (b) dato dalla capacità viene fuori l andamento tipico delle variazioni del potenziale (c). Esiste un modo per descrivere questo andamento, un modo matematico: -La fase crescente della variazione del potenziale può essere descritta da una equazione: Vm(t) = Im. Rin (1-e -t/τ ) -La fase della discesa è descritta da: Vm(t) = Im. Rin. e -t/τ L importante è la τ (Tau) che rappresenta il costante di tempo. Esso descrive l andamento temporale di questi fenomeni, essa è il tempo necessario perché il potenziale di membrana aumenti o diminuisca fino a raggiungere il 63% del suo valore finale. Ciò è il tempo necessario per raggiungere in fase di sale il 63% del massimo, in fase di discesa da perdere il 63% del valore da cui siamo partiti. Questo tempo dipende dal valore della resistenza di membrana e dal valore della capacità di membrana. (τ=r in.c in ). In molte cellule nervose questo valore è intorno a 10 µs. In una cellula nervosa, le risposte a correnti, a stimoli che siano sottosoglia, quindi non parliamo di pda, parliamo di tutto quello che precede il pda, dipendono dalla: - Resistenza della membrana (Rm) che determina il valore di voltaggio che si raggiunge quando lo stimolo viene applicato per un certo tempo. - Capacità di membrana (Cm), che rallenta il raggiungimento di questo valore di potenziale ed ha un significato nel rallentare il ritorno al valore di riposo. Queste proprietà passive (Rm, Cm) che descrivono bene l andamento temporale dei fenomeni, devono essere considerate quando vogliamo pensare ad una modificazione di potenziale che si propaghi nello spazio. I segnali formatosi, hanno la possibilità di propagarsi, ciò è in qualche modo (il neurone non è fatto da un corpo cellulare che noi abbiamo pensato come una sfera ma è fatto anche da dendriti ed assoni), i dendriti e gli assoni sono equivalenti a cavi conduttori che possono portare questi segnali a distanza; Quindi noi dobbiamo porci 2 problemi qua, capire che tipo di modificazione nello spazio può avere un segnale sotto soglia, di cui abbiamo parlato fino adesso, che tipo di modificazione, se c è l ha, deve avere un pda. 41

44 A differenza del pda, che viaggia indisturbato a lunghe distanze, i segnali sotto soglia subiscono un decremento man mano che si allontano dal punto dove si sono stati generati. Nella figura, l applicazione dello stimolo rettangolare, in un punto, vediamo le registrazioni di variazione di potenziale, osserviamo che man mano che si allontana dal punto di applicazione, abbiamo sempre un segnale che però va progressivamente diminuendo in ampiezza, finché arriveremo ad un certo punto in cui non registriamo ddp. Quindi questo è un segnale che si propaga con decremento e viene chiamato segnale elettrotonico. La conduzione di correnti che tendono a decrementare viene detta conduzione elettrotonica. Che cosa determina questa progressiva riduzione man mano che ci allontaniamo? - La resistenza di membrana - La resistenza dell assoplasma, quindi la resistenza del mezzo che riempie il maio cavo conduttore. Se io prendo una lunga fibra (non un pezzo di membrana) saranno tanti circuiti elettrici di questo tipo disposti in parallelo. L assoplasma che è all interno del mio conduttore rappresenta, dal punto di vista elettrico, una resistenza assiale (lungo l asse del conduttore) che deve essere attraversata quando la corrente si sposta in direzione, via via, più lontana dal punto dove stata generata. Il diametro di questo cavo (a) è molto piccolo rispetto alla lunghezza, sia dei dendriti che gli assoni, e rappresenta un parametro importante per determinare il valore della resistenza assiale e per determinare il valore della resistenza di membrana; in particolare, la resistenza assiale (r a ) è dipendente: - da una resistenza specifica (ρ) determinata dalla proprietà del mezzo conduttore. - dall area della sezione trasversa del conduttore. Maggiore il raggio del conduttore minore sarà la resistenza che una corrente deve attraversa. 42

45 Ma il raggio incide anche sul valore della resistenza di membrana (r m ), se prendo un conduttore, cavo, la membrana è l avvolgimento esterno, quindi è la superficie laterale di questo cilindro. Quindi il valore della resistenza di membrana in questo cavo dipenderà, oltre che dalla resistenza specifica di un unità di area di membrana(r m ), dipenda dalla superficie laterale del cilindro, è inversamente proporzionale alla superficie laterale del cilindro. r a = ρ/πa 2 r m = R m /2πa 2 Queste 2 proprietà (r a ed r m ) ci dicono che quando io applico una corrente in un determinato punto, questa corrente si trova di fronte a due possibilità, 1. Una corrente che può andare ad attraversare la membrana, quindi uscire (attraversa la resistenza di membrana) 2. Una corrente che può proseguire in avanti (attraversa la resistenza assiale). Se la resistenza assiale è bassa rispetto alla resistenza di membrana, la corrente applicata tenderà a proseguire in avanti. Viceversa, se la resistenza di membrana è bassa rispetto a quella assiale, la corrente tende ad uscire. Quindi l entità della corrente che prosegue in avanti e la corrente che determinerà la variazione del potenziale (uscente) dipende da quanta resistenza la corrente incontra. Nello schema vediamo le frecce che vanno via via diminuendo di intensità. Questo vuol dire che all inizio ci troviamo di fronte ad una membrana che ha fatto uscire una grossa quota di corrente. Quindi quella che prosegue avanti sarà decrementata, sempre sarà minore la corrente che arriva nelle porzioni più lontane dal punto dove è stata iniettata. Però questo decremento dipende dal valore di resistenza di membrana e quello della resistenza assiale. Se io vado a misurare la variazione del potenziale troverò una variazione di potenziale che dipende da quanta corrente è riuscita ad arrivare a quella posizione dove viene effettuata la misurazione. La relazione tra la resistenza di membrana e la resistenza assiale è importantissima per dirmi a che distanza vanno questi segnali. Nella curva sopra, il punto 0 è il punto in cui applico la corrente, in corrispondenza di esso avrò una variazione di potenziale massima (100%) raggiunge il massimo con un ritardo temporale. Man mano che mi allontano (Distanza X) vediamo che la corrente decrementa e quindi la variazione di potenziale sarà minore. Questa discesa è descritta da 43

46 un equazione ( a sinistra della curva); λ (lambda) rappresenta la costante di spazio, che viene definita come la distanza a cui il voltaggio di membrana cade al 63% del suo valore iniziale. Questo andamento può essere diverso a seconda dei cavi diversi che abbiano resistenze di membrana e resistenza assiali diverse. Un assone con un grande diametro che ha una resistenza assiale molto bassa, sarà caratterizzato da un decremento nello spazio molto minore rispetto ad un assone con diametro più piccolo. Nel assone grande i potenziali che si attenuano fino ad azzerarsi, si attenuano fino ad azzerarsi molto più lontano da dove sono stati generati. Diametro λ perché il rapporto r m /r a è direttamente correlato al raggio. In genere, λ varia da 1 mm (assoni) a µm (dendriti). Questi andamenti ci spiegano molto bene come noi dobbiamo immaginare la propagazione del pda lungo un assone. Abbiamo detto che il pda nervoso si propaga a grandi distanze, e soprattutto si propaga senza decremento, ciò è io registro un potenziale di azione, a millimetri dal punto in cui è stato generato, sempre della stessa ampiezza. Quindi a differenza di potenziali elettrotonici, segnali graduabili, il pda non cambia in ampiezza. Se applichiamo uno stimolo che è capace di spostare il voltaggio di membrana fino a superare la soglia, insorge il pda, io mi metto a distanza, e registro un pda che è sempre uguale a sé stesso. Da cosa dipende la conduzione del pda? In realtà, il pda è un fenomeno nasce, considerato singolarmente, e muore nel punto dove è stato generato, ma è in grado di dare origine a delle correnti elettrotoniche che propagandosi nella aree vicine determinano l insorgenza di un nuovo pda. Quindi, quando penso ad un pda, nato in un punto, che viaggia lungo una fibra nervosa, non devo pensare allo stesso potenziale, perché esso nasce e muore nel punto dove stato generato, ma perché esiste un pda è possibile farne nascere un altro nelle zone vicine. Questo si verifica proprio con il meccanismo rappresentato nella figura: 44

47 Quando nasce un potenziale di azione (nel punto 2), si inverte la polarità della membrana (l interno diventa positivo e l esterno diventa negativo), le zone vicine sono zone a riposo (hanno l interno negativo e l esterno positivo), nel momento in cui si è generata questa variazione di potenziale si crea una differenza di cariche tra questi due punti (depolarizzata e a riposo) e quindi si generano le correnti che si spostano e possono determinare (esattamente come fa la corrente che viene applicata con un elettrodo dall esterno) una variazione di potenziale nella zona vicina, che se raggiunge la soglia (e la raggiunge sempre perché queste è associate al pda sono correnti che normalmente sono in grado di modificare il voltaggio di almeno 4 volte della soglia, è un fattore di sicurezza molto importante) insorge un nuovo pda. Questo processo va avanti in maniera indisturbato fino ad arrivare al terminale della fibra nervosa. Le correnti quindi che determinano la nascita del pda in zone vicine sono correnti elettroniche; vuol dire che se io impedissi nella zona vicina al pda di nascere, bloccando con bloccanti selettivi dei canali Na+/K+, questa corrente si propagherebbe con un decremento per una certa distanza fino ad esaurirsi. Nella zona di innesco entra il Na+, cambia il Vm e quel punto si inverte, le cariche positive si spostano dal punto dove si è modificato il potenziale verso le zone ancora a riposo determinando la modificazione nei punti vicini, la depolarizzazione che è capace di dare origine al pda, questo fenomeno in realtà da punto di vista teorico, può avvenire nelle due direzioni, sia a dx a sx del punto dove è nato il pda, mentre la conduzione nervosa è uni direzionale perché in realtà, le correnti che, tornando dietro (rispetto a dove nato il pda) tendessero a generare un secondo pda non c è la fanno perché esiste il periodo refrattario assoluto e relativo del pda precedente. Quindi se il pda nasce in un punto, potrebbe propagarsi nelle due direzioni, ma troverà una membrana ineccitabile dove era il pda precedente. 45

48 Velocità di propagazione del pda: La velocità di propagazione di un pda in una fibra nervosa dipende dalla capacità delle correnti elettrotoniche di andare il più lontano possibile. Perché se io ho una corrente elettrotonica che viaggia a distanza maggiore rispetto, ad un'altra situazione, dal punto in cui è stata generata io posso far nasce il pda più lontano dal primo; Quindi ho percorso nell unità di tempo uno spazio maggiore e raggiungo la fine della mia fibra con una velocità maggiore. Quindi la costante di spazio (λ) è importante perché incide sulla propagazione delle correnti elettrotoniche che lo generano. La capacità di membrana incide sulla velocità di propagazione perché quelle cariche che devono andare a cambiare il potenziale devono prima caricare il condensatore. Abbiamo detto che la variazione del voltaggio avviene con un certo ritardo perché deve caricare il condensatore. Quindi queste correnti elettrotoniche che si propagano e devono variare il voltaggio e far nascere il pda perdono un certo tempo caricando il condensatore. Anche la resistenza assiale cambia la velocità di propagazione, perché il diametro varia la resistenza, quindi varia la possibilità di mandare più velocemente la corrente a distanza dal punto di origine. La velocità con cui la depolarizzazione si propaga durante la conduzione del pda è inversamente proporzionale alla resistenza assiale ed alla capacità di membrana (V=1/r a. C m ). Sappiamo che il pda si propagano in fibre nervose che sono amieliniche e quelle mieliniche. Se considero una fibra amielinica, il diametro è molto importante, maggiore è il suo diametro maggiore sarà la velocità di conduzione. Le nostre fibre nervose conducono ad una velocità molto elevata m/sec, questo era impossibile da immaginare in fibre che debbono rispondere a queste necessità di velocità di conduzione con piccolo diametro. Una fibra amielinica che conduca a 120 m/sec deve avere un diametro gigantissimo, ciò viene risolto dalla mielina, perché consente di mantenere il diametro limitato e di aumentare la costante di spazio. 46

49 Mielinizzazione La mielina è interrotta a livello dei nodi di Ranvièr, questo è estremamente importante, perché se noi avessimo una mielina continua la conduzione verrebbe assolutamente mancata. Il motivo di questo è il fatto che la mielinizzazione della fibra nervosa equivale ad aumentare di ben 100 volte lo spesso della membrana che avvolge un assone. Aumentare lo spessore di una membrana significa:1. Per quello che riguarda la capacità della membrana (C m ), la diminuisce, perché se noi consideriamo la mielina come un insieme di membrane avvolte, quindi il condensatore di membrana si viene a trovare con uno spessore di isolante molto maggiore rispetto ad una condizione di non mielinizzazione, e come abbiamo visto, la capacità di membrana, un condensatore è inversamente proporzionale allo spessore dell isolante. 2. Aumenta la resistenza di membrana (r m ), perché siccome ci sono tanti avvolgimenti di membrana, io mi vengo a ritrovare delle resistenze in serie, e quindi la resistenza totale è molto elevata. Quindi nemmeno un filo di corrente riesce a sfugire, quindi la mielina è un isolante, perché la corrente generata in un punto può andare indisturbata lungo l assone senza perdite lungo il tratto mielinico, perché la resistenza di membrana è elevatissima. Se per avere un secondo pda, io devo avere la variazione di voltaggio in un altro punto della membrana e questa variazione di voltaggio deve conseguire ad un attraversamento della membrana da parte della corrente, io devo avere in qualche punto un assenza di mielina, altrimenti la conduzione non potrebbe avvenire. Ciò è dato dal nodo di Ranvièr, che è un punto in cui la membrana torna ad essere assolutamente normale, quindi in cui è possibile che gli ioni attraversino la membrana, in cui è possibile che insorga un altro pda. Il nodo di Ranvièr è anche il punto in cui la concentrazione di canali voltaggio dipendenti Na+ e K+ è elevatissima. Di conseguenza, abbiamo una costante di spazio molto elevata. Le correnti non possono uscire nei tratti internodali, possono soltanto variare il voltaggio nelle zone dove non è presente la mielina. Portando ad una conduzione del pda saltatoria. Cioè il pda salta da un nodo ad un altro, non è che salta, sono le correnti elettrotoniche rapidamente vanno a depolarizzare la zona del nodo, nasce il secondo pda, 47

50 da lì rapidamente si va al nodo successivo. E questo porta ad un aumento enorme della velocità di conduzione a parità di diametro della fibra. Se io blocco la possibilità di far nasce il pda in un nodo di Ranvièr, bloccando selettivamente i canali ionici voltaggio dipendenti, le correnti elettrotoniche che arriveranno al primo nodo troveranno, in qualche modo, di uscire, ma non possono determinare la nascita del pda, quindi proseguono in avanti al nodo successivo. Nelle fibre mieliniche posso bloccare ben 2 nodi di Ranvièr successivi, al 3 nodo di Ranvièr la corrente generata dal un nodo a monte del blocco è ancora in grado di spostare il potenziale fino alla soglia per l insorgenza di un nuovo potenziale. (abbiamo detto che quando nasce il pda la corrente generata è di un intensità di 4 volte superiore a quella necessaria oltre che non ho perdita per strada tra un nodo ed un altro). Quando usiamo gli anestetici locali (per impulsi di fibre sensitive) è molto importante sapere la quantità di anestetico da iniettare ed il tipo delle fibre se sono mileniche od amieliniche: per bloccare la conduzione di una fibra mielinica io devo usare una una bella dosa perché dobbiamo bloccare almeno 3 nodi per evitare che possa nascere un pda. Nella fibra amielinica io devo usare una quantità minore perché ha una costante di spazio molto bassa, quindi blocco poco tratto e così sono sicuro che non fare condurre pda. Oltre ad incrementare la velocità di conduzione, i nodi di Ranvièr anche hanno un significato energetico perché le pompe Na+/K+ che devono essere attivate per riportare le concentrazioni ioniche al valore normale, in questo caso possono essere concentrate soltanto a livello del nodo di Ranvièr. La velocità di propagazione dipende anche dal numero di nodi che il potenziale deve saltare. Il numero di nodi cambia in relazione al diametro della fibra, normalmente le fibre con un diametro maggiore, hanno numero di nodi minore, e quindi la velocità è maggiore non soltanto perché ho un diametro maggiore, ma anche perché ho un numero minore di Ranvièr. Nella fibra di diametro minore avrò una minore velocità perché il diametro minore, sappiamo come incide sulla costante di spazio, ma anche un numero maggiore di nodi. Normalmente si utilizza a scopo pratico questa formula, che le fibre di tipo A che sono normalmente le fibre che conducono a velocità di conduzione maggiore, hanno maggiore diametro, si dice che la velocità che la velocità circa 6 volte il diametro. V(m/sec)=6d(µm). La velocità di conduzione viene diminuita in caso delle degenerazioni della mielina (Sclerosi multipla), si ha una netta riduzione della velocità di conduzione fino ad azzerare questa conduzione e anche una modificazione del tipo del tipo di segnale che viene trasmesso, e mi riferisco alla frequenza con cui viene trasmesso il pda. 48

51 Negli esami di tipo neurologico, per verificare per esempio la presenza di neuropatie periferiche, in genere faccio delle indagini che guardano la stimolazione di questi nervi, dall esterno, e la registrazione del pda, per capire se il nervo conduce in maniera corretta. In genere questi esami vengono fatte appunto ponendo degli elettrodi sulla superficie corporea di una zona, e vengono registrati poi dei potenziali sempre dall esterno che naturalmente sono la sommatoria degli eventi che interessano le fibre nervose che io sto stimolando, quindi noi registriamo non i potenziali di azione singoli, ma registriamo potenziali di azione composti, che sono la somma dei singoli pda. Quando devo applicare uno stimolo per fare questi indagini mi devo preoccupare di 3 parametri fondamentali 1. La polarità dello stimolo che applico: quando si fanno delle stimolazioni, immaginate che vengono applicati degli elettrodi collegati con generatore di corrente,quando vado a chiudere il circuito faccio passare corrente in questo circuito, le cariche positive si allontanano dall elettrodo positivo, attraversano la membrana, si allontanano da questa zona perché qui c è una positività, quindi tendono ad essere attratte dall elettrodo negativo. Per chiudere il circuito in questo modo. Al càtodo (polo neg.) la membrana si depolarizza perchè qui si accumulano cariche positive, all ànodo (polo pos.) la membrana si iperpolarizza perché le cariche positive si allontanano oltre che vengono attratte cariche negative. Se io faccio una polarizzazione di questo tipo, devo immaginare il mio pda nascerà al catodo quando io faccio passare corrente; quando interrompo la corrente, la zona di membrana iperpolarizzata (dove era posto l anodo) torna bruscamente al potenziale di riposo. Questo spostamento dal leggero stato di iperpolarizzazione al riposo, dopo un periodo in cui la membrana è stata iperpolarizzata, può generare una variazione di potenziale che viene interpretata con una depolarizzazione perché di fatto per un certo tempo si era stabilizzata lì ad un nuovo potenziale di riposo, e quindi posso avere un pda. Quindi, quando applico la corrente, io ho una nascita del pda sotto il catodo alla chiusura del circuito, poi una sotto l anodo che all apertura del circuito. Tra l altro la nascita del pda all ànodo può essere favorita dal che l inattivazione dei canali ionici al Na+ che è depolarizzazione dipendente, ma se noi iperpolarizziamo le membrane, la inattivazione tende a diventare ancora minore. Vuol dire che un canale al sodio a riposo è apribile, non è inattivato, ma ha una maggiore possibilità di essere inattivato rispetto alla condizione di iperpolarizazzione. Un canale in iperpolarizzazione, aumentando bruscamente il potenziale si apre. 49

52 2. Intensità, è necessaria perché io possa raggiungere la soglia. 3. Durata, Il pda insorge quando raggiungiamo una certa soglia di depolarizzazione, ma è importante anche la durata dello stimolo. Io potrei avere uno stimoli di una certa intensità e di una durata molto lunga. Oppure potrei aver una durata minore ed intensità maggiore, ottenendo lo stesso risultato, ma devo fare conti con il fatto che sia la riduzione della durata che la riduzione dell intensità mi possono creare dei problemi: io posso ridurre l intensità ed aumentare la durata dello stimolo ma arrivo ad un punto in cui anche una durata infinita non riesco a fare niente perché l intensità della corrente è troppo bassa per modificare il potenziale. Dall altra parte posso aumentare la densità e ridurre la durata ma anche qui arrivo ad un punto in cui non c è l intensità che tenga perché se la durata è troppo breve io non riesco a depolarizzare la membrana. In questo caso specifico io non ho proprio il tempo necessario per caricare il condensatore di membrana, e quindi io non riesco a modificare il voltaggio. Quindi c è una relazione tra l intensità e la durata di uno stimolo di questo tipo. Stimoli che hanno intensità e durate diverse, quindi se io aumento l intensità mi posso permettere di ridurre la durata, se io abbasso l intensità devo aumentare la durata dello stimolo, arrivo però a dei livelli di intensità che tendono all infinito per una durata minima dello stimolo. E se la durata tende all infinito io ho un intensità minima. Reobase: L intensità minima che è in grado di generare una risposta (pda) che corrisponde ad una durata piuttosto lunga. Cronassia: La durata di uno stimolo che abbia l intensità uguale al doppio della Reobase. 50

53 Classificazione delle fibre nervose: È una classificazione in base al diametro ed in base alla velocità di conduzione 51

54 La Trasmissione Sinaptica I neuroni comunicano tra di loro o con gli effettori attraverso la sinapsi che è un elemento che permette il passaggio di un informazione da un neurone all altro neurone, o dal neurone all effettore (es. motoneurone che manda il comando alla fibra muscolare). La trasmissione sinaptica fondamentalmente può essere di 2 tipi: - Sinapsi Elettrica, in cui abbiamo una continuità tra l elemento presinaptico e quello postsinaptico, che sono direttamente connesse dalle cosiddette gap junction, attraverso le quale si può avere uno rapido passaggio delle correnti senza nessuna perdita di tempo, in altri termini, il pda che si propaga fino ad arrivare al terminale presinaptico, e le correnti (soprattutto le protoniche) ad esso associate si propagano all elemento postsinaptico esattamente come fa normalmente in una fibra nervosa. Cioè anche se c è una separazione anatomica l elemento si comporta come se fosse uno. È chiaro che la sinapsi elettrica permette una trasmissione molto rapida del segnale, permette una trasmissione in molti casi può essere bidirezionale. (cioè dal primo elemento al secondo, o dal secondo al primo). - Sinapsi chimica, è fatta da un elemento distanziato rispetto all elemento postsinaptico da uno spazio,detto vallo sinaptico, con dimensioni che oscillano tra nm, e quindi uno spazio in cui è presente il liquido extracellulare che non consente il passaggio diretto della corrente dall elemento presinaptico a quello postsinaptico, perché come questa corrente tende ad uscire, lo fa, trova un liquido extracellulare che è un elemento a bassissima resistenza che shunta via le correnti e non permette quindi il raggiungimento all elemento postsinaptico. In altri termini, una trasmissione elettrica nella sinapsi chimica è impossibile, perché quel po di ricorrente che riesce ad arrivare nell elemento postsinaptico è talmente bassa da non riuscire, assolutamente,a variare il potenziale di membrana. La sinapsi chimica prevede un mediatore che consenta di far in modo che il mio segnale presinaptico possa essere trasmesso all elemento postsinaptico e questo mediatore è il neurotrasmettitore. Sono unidirezionali e permettono l amplificazione del segnale. È chiaro che in un sistema di questo tipo noi chiediamo più tempo (ritardo da 0.3 ms a 51

55 qualche ms), perché abbiamo bisogno di un processo che porti alla liberazione del neurotrasmettitore, abbiamo bisogno perché questo neurotrasmettitore interagisca con dei recettori postsinaptici che riconosce, ed abbiamo bisogno che il recettore postsinaptico modifichi la permeabilità della membrana postsinaptica. Perché la natura ha scelto di farci più sinapsi chimiche che non quello elettriche? Il problema sta nel fatto che la sinapsi elettrica è una sinapsi fissa, è una sinapsi non regolabile, il segnale che passa, passa qua, punto, il segnale che passa dall altra parte non può essere regolato in ampiezza o in andamento temporale, quindi leva la possibilità che invece ha il sistema nervoso di modulare le risposte sinaptiche in funzione di necessità. E leva un altra possibilità molto importante, una sinapsi elettrica, è una sinapsi solo eccitatoria, cioè, una sinapsi che trasmette il suo segnale di là, e di là mi porta soltanto ad una depolarizzazione e quindi alla nascita del pda e quindi all attivazione dell elemento postsinaptico. Ma noi sappiamo che il sistema nervoso ha bisogno non solo di eccitazioni, ma ha bisogno anche di inibizione, l esistenza delle inibizioni nel sistema nervoso è assolutamente importante! L inibizione si può ottenere soltanto se c è un neurotrasmettitore che quando arriva alla membrana postsinaptica invece di determinare una depolarizzazione della membrana postsinaptica si ha una iperpolarizzazione, e questo in una sinapsi elettrica non si può ottenere. Ricapitolando: la sinapsi elettrica dipende da una continuità citoplasmatica tra pre- e postsinapsi; è costituita dai canali gap junctions. La trasmissione è virtualmente istantanea perché dipende da una trasmissione di correnti; e può essere unidirezionale o bidirezionale. Vengono utilizzate quando noi abbiamo bisogno di sincronizzare le risposte, quindi abbiamo bisogno che i neuroni in qualche modo comunichino rapidamente e che in qualche modo siano attivati tutti insieme. Le sinapsi elettriche sono molto pochi nel sistema nervoso. 52

56 Nella trasmissione sinaptica dobbiamo prendere in considerazione due processi: un processo di trasmissione del segnale, cioè quel processo che permette la liberazione del neurotrasmettitore dall elemento presinaptico è un processo strettamente associato alla propagazione del pda fino all elemento presinaptico, ed è associato all ingresso della membrana presinaptica degli ioni di calcio. Il secondo processo che dobbiamo considerare è un processo recettivo, cioè che cosa succede quando il neurotrasmettitore interagisce con i recettori che sono posti sulla membrana postsinaptica e quindi dobbiamo vedere quelle che sono le basi dell insorgenza dei segnali sinaptici. I segnali sinaptici, non sono pda ma sono fenomeni graduabili, locali, con tutte le caratteristiche dei fenomeni che si propagano elettronicamente (di cui abbiamo parlato). SINAPSI CHIMICA Per quanto riguarda il primo processo, il pda si propaga lungo l assone e quando arriva in prossimità del terminale determina una depolarizzazione di quest ultimo che induce l apertura dei canali voltaggio dipendenti per il Ca++, i quali si aprono facendo entrare il Ca++ che permette la liberazione dei neurotrasmettitore attraverso l esocitosi delle vescicole che contengono il neurotrasmettitore. Se abbiamo una mancanza del Ca++ nel LEC la trasmissione sinaptica è ridotta e può diventare assente. Il neurotrasmettitore, una volta rilasciato, interagisce con i recettori della membrana postsinaptica e deve essere poi rimosso ed inattivato rapidamente dal vallo sinaptico per dare uno STOP per concludere l evento d eccitazione. Il legame neurotrasmettitore-recettore nella sinapsi chimica può determinare delle depolarizzazioni della membrana postsinaptica, queste depolarizzazioni vengono normalmente indicate con EPSP (Excitatory Post Synaptic Potential) e quando questo legame determina l insorgenza di un segnale di questo tipo aumentiamo la probabilità che l elemento postsinaptico raggiunga la soglia per l innesco del pda. Se i potenziali postsinaptici hanno un ampiezza sufficiente per il raggiungimento della soglia l elemento postsinaptico risponderà con un pda. Le sinapsi chimiche, come già detto, possono essere anche inibitorie, quindi l interazione del neurotrasmettitore con il recettore in questo caso provoca una iperpolarizzazione della membrana postsinaptica,detta IPSP (Inhibitory Postsynaptic Potential), che questa volta allontana l elemento postsinaptico dalla soglia per la nascita del pda, rende l elemento postsinaptico più difficoltoso il raggiungimento della soglia e quindi la nascita del pda. Le differenze tra i segnali postsinaptici, eccitatori soprattutto, ed il pda, sono che gli EPSP non portano mai all inversione della polarità della membrana, cioè sono depolarizzazioni 53

57 della membrana con un andamento temporale molto diverso dal pda che però non rovesciano la polarità; i pda, invece, hanno inversione della polarità di membrana con una rapidissima durata mediati dall apertura dei canali selettivi voltaggio dipendenti per il Na+ e K+, nel caso del segnale postsinaptico, invece, questa depolarizzazione è il risultato dell apertura di canali che sono associati al recettore, quindi quelle conduttanze legandodipendenti sono molto spesso non specifiche, cioè gli ioni si muovono in maniera non selettiva. Gli EPSP sono dei fenomeni graduabili in ampiezza, quindi maggiore è la quantità del neurotrasmettitore rilasciato maggiore sarà l ampiezza, ecco qui il concetto di MODULABILITÀ delle risposte sinaptiche, io posso determinare un evento più forte o meno forte a seconda di quello che voglio trasmettere in base alla quantità di neurotrasmettitore che rilascio. TIPI DI RECETTORI - Recettori Ionotropici: sono dei recettori canale, cioè recettori associati ad un canale ionico, che si apre quando il neurotrasmettitore interagisce con il recettore. - Recettori Metabotropici: sono recettori che sono accoppiati a sistemi che attivano secondi messaggeri, i quali porteranno poi all apertura di un canale ionico, oppure anche la loro chiusura! Nei recettori ionotropici la risposta sarà più rapida perché gli stessi recettori sono accoppiati ai canali ionici, mentre nel caso dei recettori metabotropici la risposta sarà più lenta perché abbiamo bisgno dell attivazione dei secondi messaggeri. L effetto postsinaptico che noi otteniamo, l avere una depolarizzazione od una iperpolarizzazione, non dipende assolutamente dal neurotrasmettitore rilasciato, ma dipenda dall interazione del neurotrasmettitore ha con il recettore postsinaptico. Lo stesso neurotrasmettitore può interagire con ricettori di tipo diverso, ed a seconda del recettore con cui agisce può avere effetti eccitatori od effetti inibitori. In caso classico è l Ach, è un neurotrasmettitore eccitatorio, per esempio nelle sinapsi neuromuscolari dove interagisce con un recettore ionotropico che determina un effetto eccitatorio. La stessa Ach nel SNA PARASIMPATICO interagisce con altro tipo di recettore determinando un effetto inibitorio. SINAPSINEUROMUSCOLARE: È la sinapsi più studiata. Si forma tra le terminazioni dell assone del motoneurone e di fibre muscolari (nella figura vediamo come l assone si sfiocca ed ognuna di queste terminazioni prende contatto con una singola fibra 54

58 muscolare) quindi il rapporto sinaptico tra ramificazione dell assone e fibra muscolare. In questa sinapsi la membrana presinaptica e postsinaptica sono separate da un vallo che ha dimensioni maggiori rispetto a quello che troviamo nei sinapsi centrali (100nm). Il neurotrasmettitore è contenuto in vescicole localizzate a livello terminale e l elemento postsinaptico rappresenta invaginazioni che aumentano la superficie di contatto tra il neurotrasmettitore ed il recettore. I recettori sono concentrati in queste invaginazioni, questa è la cosiddetta PLACCA MOTRICE, e qui avviene l interazione Ach-recettore. Pensate che l Ach quando viene liberata va ad attivare i recettori che sono in numero elevatissimo (circa 10 4 recettori per µm 2 ). Ricapitolando l attivazione nella sinapsi neuromuscolare: Il potenziale di placca, dovuto all apertura dei canali ionici associati ai recettori dell Ach, è una depolarizzazione postsinaptica. Il potenziale di placca non è il pda, è un fenomeno con un andamento temporale diverso dal pda, più lenta salita e più lenta discesa, che non inverte la polarità della membrana e si propaga con decremento; A che cosa serve? Serve, propagandosi, a determinare la depolarizzazione delle zone immediatamente vicine alla placca dove sono localizzati canali voltaggio dipendenti per il sodio e dove è possibile l insorgenza del pda. Quindi la sinapsi neuromuscolare serve a trasmettere l informazione dal motoneurone alla fibra muscolare. Molto rapidamente, si assiste poi ad una riduzione della quantità dell Ach presente nel vallo sinaptico, ovviamente l attivazione dell elemento postsinaptico si deve interrompere, e questo, per l Ach, viene per un fenomeno di idrolisi dell Ach da parte di un enzima che è localizzato sulla membrana postsinaptica che è l aceticolina esterasi che scinde l acetilcolina ed i prodotti (acetato e colina) vengono ricaptati in parte dal terminale e vengono riutilizzati per sintetizzare nuove Ach. 55

59 Il recettore dell Ach, ionotropico, formato da diverse subunità che chiudono un por, che è il canale. Il recettore è una glicoproteina di membrana formato da 5 subunità: 2 alfa, 1 beta, 1 gamma, 1 delta; e le due subunità alfa sono quelle che legano l Ach. Quindi due molecole di Ach devono legarsi sulle 2 subunità alfa per aprire il canale. Questo canale ionico è un canale che ha una NON selettività nei confronti degli ioni, fa passare, però, fondamentalmente CATIONI, ed è impermeabile agli anioni, ed i cationi che passano sono Na+ e K+. Quindi una volta sono aperti questi canali, gli ioni sodio e potassio possono passare e solo se c è una forza di spinta elettrochimica. Quindi bisogna fare conti con il potenziale di membrana per capire, io ho questo valore di Vm, apro i canali ionici, qual è lo ione (nonostante che la membrana ora è permeabile a tutte e due) che passa di più? IL SODIO! Ma man mano che il sodio entra e che l interno diventa meno negativo, aumenta la forza di spinta sul potassio e quindi questo segnale sale e poi scende, non potrà mai invertire la polarità perché non riesce ad arrivare neanche allo zero. α-bungarotossina blocca questi recettori ricavata da un serpente. Ci sono anche degli antagonisti che sono competitivi con l Ach, es: α tossine del curaro, utilizzato come un farmaco(durante un intervento chirurgico si dà al paziente per evitare si muovi). L attivazione di questi canali porta alla creazione di correnti che sono le correnti di tipiche di canali ioniche. Il tempo di apertura può variare da un recettore ad un altro, e quindi nella membrana postsinaptica in realtà abbiamo una corrente che è il risultato della somma delle correnti generate dall apertura di questi canali darà origine alla corrente sinaptica responsabile di quella salita depolarizzante. [somma di tutte le tracce rappresentate nella figura (6 canali di Ach)]. Il numero dei canali aperti dipende da: - numero di Ach disponibile. (di solito il numero dei canali aperti in seguito all azione di una quantità di Ach liberata dal terminale presinaptico, è di 200,000 canali.) il rapporto che esiste tra motoneurone e firba è 1:1. 56

60 La corrente associata al PP dipende da: Numero canali della placca motrice Probabilità che un canale sia aperto Conduttanza di ogni canale aperto Forza elettromotrice che agisce sugli ioni Il potenziale di placca ha un valore nettamente superiore alla soglia e quindi fa nascere sempre il pda nella fibra muscolare. La propagazione è una propagazione nelle zone vicine. Normalmente, essendoci questa grossa ampiezza del PP, per studiarlo da solo bisogna fare qualche cosa che impedisca la nascita del pda. Se utilizzando i curari che riducono il numero dei recettori di Ach disponibili in maniera da generare un segnale postsinaptico sottsoglia che quindi può essere studiato in tutte le sue caratteristiche. Nella figura si può vedere come è stato dimostrato il fatto che un canale ionico associato ad un recettore che è permeabile contemporaneamente al sodio e potassio, generi durante l attivazione al potenziale di riposo una corrente che è una corrente prevalentemente di sodio. All inizio non si sapeva questa roba. Come lo potevano capire? Utilizzavano la tecnica del blocco del voltaggio che permette di bloccare sperimentalmente il potenziale di membrana al valore desiderato, e cosi guardo che andamento hanno le correnti di placca che nascono in seguito all attivazione dei recettori. Nella prima figura, blocco il potenziale ad un valore molto negativo, -210 mv, attivo i recettori per l Ach, è chiaro che io avrò una corrente postsinaptica entrante molto elevata perché il Na+ sarò spinto ad entrare da un gradiente elettrochimico fortissimo. Se riduco il potenziale a -70mv, la corrente di ingresso di sodio è minore, ed è più attenuata da una corrente di uscita di potassio generando una corrente postsinaptica di minore ampiezza. Arriviamo ad un potenziale di 0mv, in cui non registriamo assolutamente NIENTE. Lo 0mv 57

61 è il potenziale al quale le correnti di Na+ in ingresso e le correnti di K+ in uscita sono esattamente uguali e contrarie. Se vado ad un potenziale, invece, più positivo, +50mv, è chiaro che prevale una corrente di K+ in uscita dalla cellula spinta da forte gradiente mente la corrente di Na+ in ingresso sarà molto poca perché siamo vicine al potenziale di equilibrio del Na+ e quindi il segnale sinaptico che registro è invertito. Il fatto di aver un potenziale di inversione (è quel valore di potenziale di membrana al quale io non registro nessun segnale sinaptico), 0mv, ci crea un pochino di problemi perché se gli ioni coinvolti sono Na+ e K+, e la permeabilità di questo canale recettore Na + -K + fosse identica io dovrei aspettare che il livello di azzeramento, potenziale di inversione, avesse un valore uguale alla media matematica tra il potenziale di equilibrio del K+ e quello del Na+, cioè il K+ ha un potenziale di equilibro, intorno ai -95mv, quello del Na+ è di +55mv; facendo la media matematica ottengo -20mv, in teoria quando sono al -20mv la corrente Na+ e K+ dovrebbero essere uguali e contrari e quindi non avrei assolutamente niente. In realtà io ho un potenziale di inversione a 0mv, quindi questo dimostra che la conduttanza di questo recettore canale (dell Ach) è leggermente superiore nei confronti del Na+ rispetto al K+, cioè mi sposto un pochino di più vero il potenziale di equilibrio del Na+; è stato calcolato che la conduttanza circa 1.8 volte maggiore per il Na+ rispetto al K+. Quindi è chiaro che a parità di forza di spinta entra un pochino più facilmente il Na+ rispetto a quanto esca il K+. La figura dimostra: quando io sono al potenziale di riposo, intorno a -90mv, ed attivo i recettori per l Ach, avrò una prevalenza di corrente in ingresso di Na+ ed una corrente di K+ più bassa che naturalmente tende a riportare il potenziale verso i valori di riposo man mano che la membrana si depolarizza. La corrente netta attraverso la membrana è una corrente entrante. Se io sposto il potenziale a valori meno negativi, diminuisce l intensità della corrente di Na+, perché la forza di spinta per il Na+ è minore, aumenta la corrente in uscita di K+, quindi io ho una corrente netta minore che mi dà un potenziale di membrana di ampiezza minore. Quando sono al 0mv le due correnti sono uguali e contrarie, non c è corrente netta attraverso la membrana. Se inverto il potenziale, se vado a valori positivi, il mio segnale si inverte, diventa un segnale negativo che progressivamente aumenta di ampiezza perché a questo punto chi prevale è la corrente in uscita, quando siamo ad un potenziale dell equilibrio del Na+ solo il K+ che esce. 58

62 LIBERAZIONE DEL NEUROTRASMETTITORE La liberazione dei neurotrasmettitori dipende fondamentalmente dagli ioni Ca++, i canali ionici Ca++ voltaggio-dipendenti presenti nella membrana presinaptica si aprono in seguito a depolarizzazione del terminale presinaptico. Il flusso di Ca++ è dispensabile perché il neurotrasmettitore venga rilasciato. Nella figura vediamo una prova di controllo: abbiamo un pda nell elemento presinaptico, ed un potenziale di membrana a cui segue il pda nell elemento postsinaptico. Se noi utilizziamo dei CHELANTI del Ca++ cioè delle sostanze che legano il Ca++ e quindi lo inibiscono che il entri nel terminale quando i canali vengono attivati: vediamo che non abbiamo nessun problema sull elemento presinaptico perché non è Ca++-dipendente ma è Na+-dipendente, ma abbiamo problema a livello postsinaptico, il segnale sinaptico si riduce assolutamente di ampiezza, un minimo storico, che è il risultato di una liberazione casuale non è assolutamente depolarizzazione-dipendente del neurotrasmettitore. Perché ogni tanto queste vescicole, perché esiste un agitazione termica dei terminali interagiscono con la membrana presinaptica, possono rompersi e liberare il neurotrasmettitore in una quantità assolutamente minima. Il fatto che esistano delle liberazioni casuali dell Ach ha portato a scoprire la natura di questa liberazione, detta LIBERAZIONE QUANTALE, vuol dire che l Ach viene liberata in pacchetti unitari che sono costituiti sempre da un numero fisso di molecole Ach; Come è stato possibile ad arrivare a capire questo? Nella figura vediamo riportate le registrazioni di questi segnali postsinaptici casuali, che hanno un ampiezza molto molto bassa (0.5mv) e vengono chiamati potenziali di placca in miniatura (MEPP). Questi MEPP possono modificarsi in ampiezza se noi andiamo ad utilizzare un bloccante dell Acetilcolina Esterasi (bloccante detto Eserina), facendo sì che quella poca Ach che viene liberata spontaneamente, duri di più la sua azione sui recettori (perché non viene inattivata), questo porta ad una crescita dell ampiezza del potenziale in miniatura, ma come vediamo non aumenta la loro frequenza. Questo tipo di analisi, modificazioni di ampiezza e non frequenza ha permesso di arrivare alla conclusione che il rilascio del neurotrasmettitore avviene in quanti, cioè in pacchetti di molecole fisse, e quindi quando noi aumentiamo la possibilità di liberare il neurotrasmettitore attraverso il pda, noi non facciamo altro che aumentare il numero dei pacchetti che vengono rilasciati, ma l ampiezza di segnali 59

63 risultante non potrà che non essere il multiplo esatto di una unità che è rappresentata dal quanto, cioè da quello che mi dà il minimo di ampiezza di pda postsinaptico. Se noi andiamo a far nascere MEPP di diverse ampiezze, vediamo perché lavoriamo modulando la quantità del neurotrasmettitore che viene rilasciato, noi andiamo a vedere (b) che la distribuzione (questa distribuzione vuol dire quante volte io avrò MEPP con una certa ampiezza) ci fa vedere dei picchi che riguardano la possibilità di avere MEPP di ampiezza che è esattamente 0.4mv, 0.8mv, 1.2mv, 1.6mv, 2mv: è il multiplo esatto dell ampiezza del minimo che noi possiamo avere, che è intorno a mv. Quindi noi, aumentando la quota di Ach rilasciata, possiamo avere dei segnali postsinaptici che necessariamente hanno un ampiezza che è sempre il multiplo esatto dell unità. Il che vuol dire che se io ho avuto fuori una vescicola contenente Ach con un certo numero di Ach, queste determineranno una certa ampiezza, e se butto fuori due vescicole di Ach, quindi mi daranno un ampiezza che è il doppio della precedente, se butto 3 avrò il triplo.. ecc.. Quindi questa analisi ha permesso di dedurre questo tipo meccanismo: una liberazione QUANTALE, ogni quanto di Ach è costituito da 5000 molecole di Ach e quindi ogni vescicola che viene rilasciata di quelle spontanee che sono responsabili dei piccoli potenziali di miniatura mi porta all ampiezza minima che è il risultato dell attivazione da parte delle 5000 molecole di Ach. Quando noi abbiamo la condizione basale normale, la [Ca++] normale, l arrivo di un pda alla terminazione sinaptica spinge alla liberazione di circa 150 quanti (150 pacchetti) e produce quindi una risposta di grande ampiezza. In assenza del pda noi invece abbiamo un ritmo di liberazione basso, ed è spontaneo e casuale, si approssima ad 1 quanto/sec. E quando gli ioni Ca++ entrano nella terminazione sinaptica durante il pda, aumentano di circa 100,000 volte la frequenza della liberazione quantale, cioè questo quanto che avviene una volta al secondo avendo liberazione di circa 150 quanti/msec. Di fatto le vescicole sinaptiche sono gli organelli che contengono i quanti di Ach. Le vescicole quindi sono l unità mini di liberazione del neurotrasmettitore, se si rompre una vescicole (esocitosi) sarà un numero fisso di molecole che viene rilasciato. Le vescicole che sono contenute nel terminale postsinaptico si con la superficie interna della membrana presinaptica a livello di punti specifici di rilascio che si chiamano zone attive, e la liberazione della vescicola è un fenomeno tutto o nulla, vuol dire che una 60

64 volta che la vescicola si è attaccata a questi siti attivi ed è stato attivato il meccanismo di liberazione non si torna indietro, cioè tutto quello che c è all interno della vescicola viene liberato. E la probabilità di liberazione dipende dalla quantità di Ca++ che entra nel terminale durante il pda. L esocitosi della vescicola avviene attraverso la formazione transitoria di un poro che si crea tra la membrana vescicolare e la membrana presinaptica; in seguito ad una fusione, una rottura, si ha la creazione di un vero e proprio poro che determina la fuoruscita per esocitosi del neurotrasmettitore. STADI DI LIBERAZIONE DELLE VESCICOLE Ci sono delle vescicole sinaptiche che normalmente sono trattenute in un pool, quindi sono raccolte in una sorta di deposito pronte per la futura liberazione, e questo pool è costituito da un legame fra le vescicole ed il citoscheletro del terminale attraverso delle proteine, dette sinapsine. Il secondo momento che interessa questo fenomeno è il direzionamento delle vescicole verso le zone attive ed in questo intervengono 2 proteine G: una proteina Rab3 sulla membrana vescicolare, ed una sulla membrana plasmatica che è la Rim. Quindi la Rim riconosce la Rab3 e questa vescicola viene indirezzata verso la zona che ci interessa. Il passaggio successivo è l ancoraggio delle vescicole alle zone attive, un meccanismo che viene chiamato Docking, e viene la vescicola predisposta alla fusione con la membrana presinaptica, il meccanismo della predisposizione si chiama Priming; Questi 2 processi (Docking e Priming) sono portati avanti da un complesso di proteine il cosiddetto SNAR, che è costituito da proteine vescicolari, in particolare la sinaptobrevina, e proteine nella membrana presinaptica che sono la sintaxina e la snap-25. Dopo, il successivo passaggio riguarda la fusione con la membrana presinaptica è l esocitosi. Quest ultimo processo è molto importante dipende da una proteina sinaptotagmina, che quando non è legata al Ca++ inibisce questa creazione del poro di fusione, quando invece si al lega il Ca++, permette la fusione e quindi la liberazione. Dopodiché, le vescicole devono essere recuperare, si devono riformare e quindi le vescicole devono essere riempite di neurotrasmettitore. 61

65 Le vescicole sono legate ai filamenti di actina del citoscheletro attraverso la sinapsina, la sinapsina normalmente attacca alle vescicole in una forma non fosforilata, la fosforilazione della sinapsina che avviene in seguito ad una attivazione di proteina chinasi calmoduline, Ca++ dipendenti ( dipende quindi dallo stesso ingresso di Ca++ nella membrana presinaptica), fa sì che le vescicole vengano rilasciate. Poi si ha l indirizzamento alle zone attive che si realizza attraverso una interazione della Rab3 (presente sulla membrana vescicolare) con un complesso Rim (presente sulla membrana presinaptica) facendo sì che la vescicola portata verso la zona attiva che ci interessa. Poi abbiamo il Docking, le proteine delle vescicole e della membrana interagiscono ed assicurano il corretto posizionamento 62

66 delle vescicole in vicinanza dei canali Ca++. Poi avviene il Priming, cioè la preparazione alla liberazione, le SNAR portano la membrana vescicolare e quelle presinaptica in strettissimo contatto, avviene una fusione con un meccanismo che si chiama Zipping, perché avviene proprio come la chiusura di cuna cerniera. Dopodiché, la fusione avviene perché la sinaptotagmina, che normalmente inibisce la fusione, si lega al Ca++ ed interagisce con i fosfolipidi di membrana e determina la fusione. A questo punto dopo la fusione, il complesso delle proteine SNAR viene separato dalla membrana; questa separazione richiede l intervento dell ATP, ed in questo modo noi stacchiamo la membrana della vescicola dalla membrana presinaptica. A questo punto le vescicole staccate vendono riciclate in qualche modo. È importante capire questo meccanismo di riciclo perché normalmente la natura cerca di non perdere niente, quindi la stessa membrana della vescicola viene riutilizzata per formare altre vescicole. Quindi che cosa succede? Questo riciclo avviene attraverso 2 meccanismi: - un meccanismo che si chiama Kiss & Run (Bacia e Corri) che avviene per le vescicole che hanno liberato il loro contenuto attraverso il poro di fusione ma non hanno avuto un collasso a livello della membrana, cioè in altri termini, la vescicola è rimasta integra, ha liberato il neurotrasmettitore ma non è collassata con la membrana presinaptica. E in questo caso noi abbiamo la membrana della vescicola pronta, quindi basta chiudere il poro, staccarla ed eccola pronta nuovamente. - nell altro caso, invece, quando le vescicole siano collassate, la membrana si è attaccata e quindi può far parte della membrana presinaptica; in questo caso, l intervento delle proteine dette adattine, viene recuperata la componente specifica della membrana vescicolare e si deve fare in modo che questa vescicola riprenda la rigidità per farla riprendere la sua forma vescicolare. Quindi questi rivestimento che rende rigida la membrana della vescicola permette che rimanga sferica è a carico della clatrina. La clatrina poi permette che la vescicola venga staccata dalla membrana, quindi si tratta di una endocitosi. Le vescicole quando si sono ricostituite vengono riempite di neurotrasmettitori dopodichè possono rimanere nel pool di vescicole ed una parte, invece, viene trasportata nel pool di riserva. Che fine fa il neurotrasmettitore quando viene liberato? - Essere ricaptato nel terminale presinaptico ed essere o rimmagazzinato nelle vescicole sinaptiche (soprattutto per i neurotrasmettitori aminoacidici), ad opera di un trasportatore vescicolare (scambiatore ATP-dipendente H+/neurotrasmettitore) o metabolizzato - Essere ricaptato dalle cellule gliali - Essere metabolizzato a livello extraneuronale (può essere anche ri-sintetizzato) - Diffondere nelle zone extrasinaptiche 63

67 NEUROTRASMETTITORI E RECETTORI SINAPTICI Neurotrasmettitore: una sostanza che deve essere assolutamente liberata da una cellula nervosa, dalla membrana presinaptica e deve agire sull elemento postsinaptico perché lì esistono dei recettori specifici per il neurotrasmettitore. Una cosa particolare che succede in alcuni sinapsi che il neurotrasmettitore può attivare dei recettori che sono, invece, posti sulla membrana presinaptica stessa e questi recettori prendono il nome di AUTORECETTORI. Normalmente questi sistemi sono coinvolti nel controllo, nella modulazione della liberazione del neurotrasmettitore stesso. Ci sono recettori che inibisco o facilitano la liberazione del neurotrasmettitore stesso; in molti sinapsi, sia eccitatori che inibitori, esiste questo recettore di controllo: controllo autorecettoriale. I neurotrasmettitori sono divisibili in 2 ampi categorie: - Neurotrasmettitori a molecola piccola, che sono i classici (cioè di cui sentiamo nominare di più). - Peptidi neuroattivi, molecole grosse che hanno la funzione di neurotrasmettitore. Neurotrasmettitori classici: Ach, Monoamine (in particolare la Dopamina, Adrenalina, Noradrenalina, Istamina, Serotonina), Aminoaidi (GABA, Glicina, Glutammato), ATP. Neuropeptidi: Sono note almeno 50, di cui: oppioidi, ormoni neuroipofisari, tachichinine, secretine, insuline, somatostatine, gastrine, sostanza P. Sintesi Di Neurotrasmettitori A Molecole Piccola: La sintesi avviene, nella maggior parte dei casi, direttamente nel terminale, e chi arriva al terminale sono soltanto gli enzimi che permettono questa sintesi. Quindi noi abbiamo un neurone che sintetizza gli enzimi nel corpo cellulare, li trasporta lungo l assone verso il terminale, gli enzimi permettono qui la sintesi del neurotrasmettitore che viene immagazzinato nelle vescicole; Le vescicole sono normalmente piccole, ed hanno le pompe protoniche (scambiatori) che sono molto importanti per trasportare il neurotrasmettitore al loro interno. Sintesi Di Neurotrasmettitori A Molecole Piccola: La sintesi inizia nel corpo cellulare, è una sintesi del precursore del neurotrasmettitore e degli enzimi, le vescicole che vengono trasportate (con un trasporto vescicolare) lungo l assone con i cosiddetti proprio binari che sono formati da microtubuli negli assoni e nel 64

68 terminale viene completata la loro sintesi, cioè i prepeptidi vengono trasformati in peptidi definitivi. Nel caso delle vescicole questo neurotrasmettitore sono ovviamente più grosse perché devono contenere molecole più grosse. È possibile che una terminazione assonale contenga tutte due tipi di vescicole? Quindi è possibile avere una trasmissione contemporanea di peptidi e di neurotrasmettitori piccoli classici? In questo caso quando ciò succede noi parliamo di COTRASMETTITORI, cioè sinapsi che possono contemporaneamente liberare un neurotrasmettitore classico ed un peptide, naturalmente la funzione del peptide è una funzione di attivazione molto più lenta dell elemento postsinaptico, quindi in genere questi peptidi hanno più che altro un ruolo neuro-modulatorio su quella che è l azione rapida del neurotrasmettitore classico, quindi per esempio noi abbiamo Ach come neurotrasmettitore ed un neuropeptide, l azione dell Ach viene in qualche modo modulata dall azione del neuropeptide. Dopo il rilascio, il neurotrasmettitore deve essere rapidamente rimosso dalla fessura sinaptica. Ciò avviene attraverso tre meccanismi: 1) Diffusione fuori dalla fessura sinaptica: Tutti i mediatori 2) Degradazione enzimatica: Peptidi. 3) Ricaptazione nel terminale presinaptico: Neurotrasmettitori a molecola piccola. I recettori postsinaptici possono essere ionotropici e metabotropici e quindi in particolare il funzionamento del recettore ionotropico è associato all apertura del canale ionico che è normalmente non è selettivo per gli ioni, può far passare 2 ioni contemporaneamente. Nel caso di recettore metabotropico la combinazione fondamentalmente con proteine G ma anche altri sistemi porta a delle modificazioni della permeabilità di un canale ionico. Acetilcolina: È neurotrasmettitore dei motoneuroni per tutte le sinapsi neuromuscolari, sono Achdipendenti. È però anche il neurotrasmettitore dei neuroni pregangliari del SNA, dei neuroni postgangliari del parasimpatico. E si trova anche come neurotrasmettitore nei neuroni di alcune zone del SNC dove svolge un ruolo molto importante nei processi cognitivi, per esempio il morbo Alzeimer, è una malattia che porta alla perdita dei processi cognitivi, della memoria ecc è legata ad una alterazione della trasmissione di sistemi colinergici centrali. Il termine colinergico può essere utilizzato quando parliamo del neurotrasmettitore Ach. I recettori per Ach sono di 2 tipi: - Ionotropici, nella sinapsi neuromuscolare, vengono anche chiamati recettori Nicotinici. Detto nicotinico perché è attivato anche dalla nicotina. - Metabotropici, vengono detti Muscarinici, perché vengono attivati anche dalla Muscarina (una sostanza che deriva da un fungo). Si ha quindi, al legame con Ach, l attivazione di secondi messaggeri che porteranno poi all apertura o alla chiusura di canali ionici; ecco perché l interazione dell Ach con un recettori muscarinico può dare origine ad fenomeni inibitori, mentre con recettore nicotinico noi abbiamo soltanto eccitazione. 65

69 GABA E Glicina: Sono i 2 principali neurotrasmettitori inibitori del SNC e del SNP (Perché la glicina è particolarmente concentrata nel midollo spinale, negli interneuroni inibitori nel MS). [Non possiamo chiamare un neurotrasmettitore eccitatorio o inibitorio perché questo dipende dall interazione del recettore, perché questo ci porta a dire che tutti i recettori, che sono tanti, per il GABA, e tutti i recettori per la glicina sono comunque recettori che quando sono attivati portano a iperpolarizzazione, ecco perché li chiamo neurotrasmetitori inibitori.] Ci sono 3 tipi di recettori per il GABA: - GABA A, sono recettori di tipo ionotropico, formato da subunità alfa, beta e 2 gamma. È un canale al Cl-. - GABA B, sono recettori di tipo metabotropici. - GABA C,sono recettori ionotropici, presenti nella rètina. Questi recettori non sono solo bersaglio del GABA, ma hanno siti attivi per altre sostanze in particolare le benzodiazepine (sono il principio attivo di farmaci) che attivano i recettori GABA A, quindi possono attivare tutti i meccanismi di inibizione che il GABA può avere. Ci sono anche siti attivi per altre sostanze, es: neurosteroidi (sostanze endogene che possono modulare l attività di questi recettori). Recettori della glicina: Recettori alfa-1: Sono fondamentalmente di tipo ionotropico, sono dei canali al Cl-. Il cloro che è più concentrato all esterno entra nella cellula iperpolarizzandola. Sia i recettori per il GABA che quelli per la glicina possono avere una funzione eccitatoria durante lo sviluppo postnatale. Questo nasce dal fatto che il cloro, che è normalmente nell adulto è più concentrato all esterno, in quella fase dello sviluppo, ha una maggiore concentrazione all interno delle cellule. Quindi se io apro una conduttanza per il Cl-, le cariche negative tendono ad uscire, perché il gradiente chimico li spinge ad uscire, quindi la membrana tende a depolarizzarsi invece che iperpolarizzarsi. Questo ha un significato importante nella fase di formazione delle sinapsi, quindi lo sviluppo dei circuiti neuronali. Glutammato: È il principale neurotrasmettitore eccitatorio del SNC, si trova praticamente dappertutto, e lavora sia con recettori ionotropici che metabotropici, che sono tanti e piuttosto complessi. Recettori ionotropici: - Recettori NMDA, si chiamano così perché sono attivati da N-dimetilmetil-aspartato. E sono permeabili al Ca++. Sono recettori che un meccanismo di chiusura che dipende dallo ione Mg++ (cioè bloccati da Mg++) e sono chiusi al potenziale di riposo. Quindi questi sono recettori che inter-agiscono con il glutammato ma si possono aprire soltanto se contemporaneamente c è stata una variazione della membrana, hanno bisogno che il glutammato interagisca con un altro recettore e modifichi il Vm e a questo punto il recettore NMDA può aprirsi. Questo recettore è molto importante (proprio perché da il passaggio al Ca++) per regolare e dare il via a dei meccanismi di modificazione dell efficacia sinaptica che sono alla base della PLASTICITA SINAPTICA, cioè la 66

70 possibilità di rendere una sinapsi più o meno efficiente nel tempo, cioè modificarla funzionalmente nel tempo. - Recettori non-nmda, e sono di 2 tipi: AMPA E Kainato. Sono classici recettori canale che quando si aprono fanno passare il Na+ e fanno passare il K+ e sono responsabile quindi di quella depolarizzazione postsinaptica, che eventualmente se ci sono, aprirà il canale NMDA. Recettori metabotropici: Sono tanti e sono di diversi classi e la loro divisione dipende dall accoppiamento con secondi messaggeri. Una volta liberato, il glutammato viene ricaptato dai neuroni e dalle cellule gliali, attraverso trasportatori specifici. L eccesso di glutammato (ad esempio in caso di ischemia) può portare a morte cellulare attraverso un meccanismo eccitotossico. 67

71 Neurotrasmettitori Amine: Catecolamine: la più importante è la noradrenalina che è presente SNA simpatico. A livello centrale si trova sopratutto nel locus coeruleus (nucleo nel tronco encefalo che ha una diffusione molto ampia nei contorti della corteccia, del cervelletto ed anche del midollo spinale, quindi è una area ad ampia diffusione). I recettori delle catecolamine sono soltanto metabotropici e sono di due tipi: alfa e beta. Serotonina (5-HT, 5-idrossitriptamina): è presente particolarmente nei nuclei del rafe (tronco del encefalo), quest ultimi hanno proiezioni su diversi nuclei sia cerebrali che midollari. È importante perché è coinvolta in funzioni connettive molto complesse ed anche nel ritmo sonno-veglia. Per esempio, esso, è il neurotrasmettitore implicato nelle forme depressive, quando uno ha depressione, c è l ha perché ha una alterazione di sistemi di natura serotoninergica. Ha 7 tipi di sotto-gruppi recettoriali: 1 di tipo ionotropico, 6 di tipo metabotropico. Dopamina: è particolarmente presente nella sostanza nera (substanzia nigra nel mesencefalo) e anche nell ipotalamo (nucleo arcuato); la via nigrostriale è alterata nel morbo di Parkinson, in cui una alterazione della trasmissione di dopamina può essere responsabile di questa pato-logia. Ci sono recettori di tipo metabotropico che sono divisi in 2 classi: D1 (D1 e D5) e D2 (D2, D3 e D4). Istamina: presente in particolar modo nel nucleo tuberomammillare del ipotalamo posteriore che proietta molto diffusamente anche lui al SNC implicata nella regolazione dello stato di vigilanza (quando prendiamo farmaci anti-istaminici ci viene il sonno) e nel controllo neuroendocrino. I suoi recettori sono di tipo metabotropico, che possono avere una localizzazione postsinaptica (H1 e H2 eccitatori) o presinaptica (H3). ATP: è utilizzato come neurotrasmettitore nel SNC ed in alcuni parti del periferico. È importante soprattutto nella trasmissione del dolore a livello delle terminazioni dolorifiche. Recettori ionotropici P2X 1-7 di 7 tipi, e sono dei canali ionici permeabili al Ca++. Questi recettori possono anche trovarsi a livello presinaptico dove controllano il rilascio di alcuni neuro-trasmettitori (non come auto-recettori). RECETTORI METABOTROPICI I recettori metabotropici possono essere accoppiati a proteine G: alfa e beta-adrenergici, i recettori muscarinici per l Ach, il recettore GABA B, i recettori metabotropici per il glutammato. Abbiamo anche recettori metabotropici associati a tirosina-chinasi: recettori neuro-ormonali (neuro peptidi). I recettori metabotropici possono essere localizzati a livello presinaptico modificando la liberazione del neurotrasmettitore, quindi l ampiezza del segnale presinaptico. Possono essere a livello postsinaptico, anche qui modificando lo stato di apertura o chiusura di un canale ionico o addirittura di un recettore ionotropico, e in questo caso quello che otteniamo è la modificazione dell ampiezza e la durata dei segnali possinaptici. 68

72 MECCANISMO D AZIONE: I secondi messaggeri che possono essere attivati attraverso le proteine G: 1. sistema del adenilato ciclasi (es. recettori beta-adrenergici) attivano adenilato ciclasi. 2. Sistema che attivano la fosfolipasi C, formano DAG e IP3, che possono modificare l azione di altri enzimi come proteinchinasi, può controllare la liberazione di ioni ecc...ecc 3. Sistema che lavorano attraverso la fosfolipasi A2 con formazione di acido arachidonico e gli enzimi ad esso associati. I secondi messaggeri che sono attivati attraverso queste vie, fondamentalmente ci possono portare o all apertura di canali ionici o alla loro chiusura. Per esempio l acido arachidonico può determinare la chiusura di canali K+. Messaggeri Retrogradi: Esiste a livello neuronale di formare i cosiddetti messaggeri retrogradi, l attivazione di recettori postsinaptici, soprattutto quelli metabotropici, può portare alla sintesi di sostanze che sono capaci di retrodiffondere, si formano nell elemento postsinaptico e possono diffondere nell elemento presinaptico e possono andare a modulare la funzione di questi elementi. Tra questi elementi retrogradi: i messaggeri gassosi come il NO (monossido di azoto/ Ossido Nitrico), CO, o prodotti di metabolizzazione del acido arachidonico che arrivano fino alla formazione di una sostanza che è il PAF (il PAD potenzia la liberazione del neurotrasmettitore glutammato) a livello delle sinapsi centrali. 69

73 SINAPSI NEUROMUSCOLARI e CENTRALI: Tutte le sinapsi neuromuscolari del nostro corpo utilizzano un solo neurotrasmettitore che è Ach, come abbiamo visto è un neurotrasmettitore eccitatorio che quando interagisce con il recettore (ionotropici) determina una depolarizzazione che noi abbiamo chiamato potenziale di placca. A livello delle sinapsi centrali, noi possiamo riscontrare diversi neurotrasmettitori, che possono avere un effetto eccitatorio od inibitorio. A livello neuromuscolare esiste un rapporto di 1:1 tra il pda presinaptico e quello postsinaptico, cioè il potenziale di placca ha sempre un ampiezza sempre sufficiente a generare il pda nella fibra muscolare, abbiamo visto che i canali ionici voltaggio-dipendenti sono localizzati in prossimità della placca, e quindi la depolarizzazione che insorge in seguito all interazione Ach-recettore è in grado di portare la membrana, vicino alla placca dove ci sono questi canali, fino alla soglia per la nascita del pda. C è sempre un rapporto 1:1 (non c è perdita di pda). Ciò non esiste a livello della sinapsi centrale, perché il potenziale postsinaptico eccitatorio che nasce nella sinapsi centrale ha un ampiezza inferiore ad 1mv, e, come vedremo, per fare confronti di un problema di percorrenza, di decrementi delle correnti nello spazio, perché la localizzazione della sinapsi a livello centrale è in genere molto distante dal punto dove insorge il pda. Quindi a livello centrale sono necessari fenomeni di sommazione spaziale, e sommazione temporale e sommazione di eventi sinaptici che consentano il raggiungimento della soglia nel punto dove deve nascere il pda. I neurotrasmettitori centrali ricevono una quantità enorme di contatti sinaptici che sono di nature eccitatorie e di nature inibitorie, localizzate prevalentemente a livello dendritico e a livello somatico, e il pda può nascere per una questione di una esistenza punto di concentraizione maggiore di canali Na+ e K+ a livello della cosiddetta Zone Trigger (punto di emergenza dell assone). È importante che questi segnali sinaptici, che insorgono nelle zone lontane dal punto di nascita del pda, si sommi perché sia possibile qui avere una depolarizzazione a soglia per l innesco del pda. Questa situazione dell esistenza di questo n di sinapsi nasce dal fatto che a livello del SNC noi troviamo una situazione di questo tipo: la convergenza, cioè un neurone che riceve informazioni da altri neurone (un neurone su cui convergono gli assoni di tanti neuroni), e divergenza, cioè un neurone che manda le terminazioni assonali a prendere contatto con neuroni diversi. Il neurone a proprio una grande capacità di integrare questi segnali sinaptici, e vedremo che la risposta che ne esce nasce proprio dal peso che possono avere le sinapsi eccitatorie e le sinapsi inibitorie; Quindi noi possiamo avere un uscita modulabile perché abbiamo sinapsi che possono essere confrontate nella loro efficacia. TIPI DI SINAPSI CENTRALI Esistono delle sinapsi dette asso-somatiche, in cui la terminazione di un neurone afferente a questo neurone fa sinapsi sul soma (corpo cellulare). Ci sono le sinapsi assodendritiche, in cui la terminazione nervosa di un neurone fa sinapsi con i dendriti di questo neurone ricevente. E ci sono le sinapsi cosiddetti asso-assoniche, localizzate proprio a livello della terminazione assonale di un neurone. È chiaro che a seconda della localizza- 70

74 zione queste sinapsi possono avere funzioni regolatorie diverse, in particolare vediamo che le sinapsi asso-dendritiche, sono dette anche sinapsi di tipo I, sono generalmente eccitatorie caratterizzate fondamentalmente dalla presenza di vescicole sinaptiche sferiche piuttosto piccole che contengono i cosiddetti neurotrasmettitori classici. La fessura sinaptica a livello del dendrite è abbastanza larga, c è un ispessimento particolare della zona postsinaptica che è la zona recettiva (cioè dove il neurotrasmettitore troverà la massima concentrazione dei suoi recettori. Le sinapsi di tipo II sono le sinapsi assosomatiche, e dal punto di vista funzionale sono generalmente inibitorie; Troviamo una eccitazione localizzata fondamentalmente a livello dei dendriti, spine o percorso dendritico, mentre le sinapsi inibitorie sono nella maggior parte localizzate a livello somatiche,e vedremo che questa localizzazione ha un aspetto funzionale molto importante rispetto alla sinapsi eccitatoria. Le sinapsi asso-assoniche sono sinapsi molto importanti perché sono utilizzate per controllare in maniera inibitoria o in maniera facilitatoria il rilascio del neurotrasmettitore del neurone che riceve il contatto sinaptico, in altri termini questo neurone rilascia un neurotrasmettitore su un altro neurone, il suo terminale è controllato dalla sinapsi assoassonica che lo può facilitare (cioè quando arriva questo secondo neurotrasmettitore può aumentare il rilascio del neurotrasmettitore dal neurone) o lo può, invece, inibire. Quindi è un meccanismo moltro importante per controllare in maniera molto selettiva una via afferente, perché io in quel modo posso controllare esattamente il rilascio del neurotrasmettitore da quella terminazione. MECCANISMI POSTSINAPTICI: Il segnale postsinaptico eccitatorio (EPSP) che insorge, per azione del neurotrasmettitore con recettori che normalmente recettori di tipo ionotropico ma possono essere anche metabotropici, porta ad una depolarizzazione nella maggior parte dei casi, soprattutto quando si parla di recettori ionotropici perché il recettore canale si comporta in maniera molto simile al recettore canale del Ach, quindi fa passare in maniera in maniera non specifica ioni Na+ e ioni K+, che in virtù del gradiente elettrochimico si spostano attraverso la membrana in maniera diversa; il gradiente elettrochimico fa sì, al potenziale di riposo, che prevalga l ingresso degli ioni di Na+, quindi la membrana si depolarizza, man mano che la membrana si depolarizza comincia ad aumentare l uscita del K+ che riporta il potenziale verso il valore di risposo. Quindi questi sono tipici segnali locali che non portano mai ad una inversione della polarità, non sono pda ma sono graduabili, e si propagano con decremento. Il segnale inibitorio (IPSP), cioè l iperpolarizzazione postsinaptica è dovuta all apertura di 71

75 recettore ionotropico, oppure all azione di un recettore metabotropico, che naturalmente fanno sì che attraverso la membrana si spostino ioni che portano prevalentemente all iperpolarizzazione, per esempio i recettori per il GABA sono recettori canale che fanno entrare Cl-, quindi entrano cariche negative dall esterno, ci sono poi recettori metabotropici che invece modificano lo stato di apertura dei canali al K+ e quindi permettendo una maggiore uscita del K+ che tendono ad iperpolarizzare la membrana. Quindi questo dipende molto dal tipo di recettore tra il neurotrasmettitore ed il suo recettore, di fatto, comunque indipendentemente da quello che può essere il comportamento del recettore noi abbiamo in un caso depolarizzazione in un altro caso iperpolarizzazione, ricordando anche che l andamento temporale (la modificazione nel tempo) di questo potenziale può essere più rapido o più lento, e questo dipende dalle caratteristiche del recettore con cui il neurotrasmettitore interagisce. 72

76 Nel caso del potenziale postsinaptico eccitatorio che insorge in virtù dell apertura di canali permeabili al Na+ e K+ noi avremo anche in questo caso un potenziale d equilibrio del EPSP cioè un potenziale di inversione a livello del quale le correnti del Na+ (in ingresso) e di K+ (in uscita) si equilibrano e quindi non si registra niente, al di sotto di questo valore avvicinandosi al potenziale di riposo il segnale è eccitatorio e la sua ampiezza incrementa man mano io vado a valori negativi, viceversa se vado a valori positivi il potenziale diventa un potenziale negativo perché prevale la fuoriuscita del K+ rispetto al Na+. Possono esse-re, ovviamente, diversi valori di potenziale di riposo (potenziale di riposo di una membrana neuronale è meno negativo (-65mv) del potenziale a riposo di una fibra muscolare (-90mv). Qui vediamo come si comporta una corrente che attraversa un canale, ioni negativi (Cl-). Anche qui vediamo che arriveremo ad un punto il potenziale si azzera, perché si azzera la corrente di Cl-, esattamente il potenziale di equilibrio di Cl- è molto vicino al potenziale di riposo, siamo intorno a -70mv, quindi basta scendere a valori leggermente più negativi rispetto al potenziale di riposo e la corrente si azzera, si inverte a negatività maggiore, ovviamente si inverte il gradiente per il Cl-; se invece andiamo a potenziali meno negativi la corrente aumenta enormemente, è una corrente di Cl- che deter-mina l iperpolarizzazione della membrana. 73

77 INTEGRAZIONE SINAPTICA L integrazione sinaptica nasce dalla necessità di confrontare diversi segnali sinaptici contemporaneamente, perché i segnali che nascono a livello di una sinapsi che sia localizzata lontano dalla zona in cui è possibile far insorgere il pda, dà l origine a correnti che si propagano con decremento e,quindi, molto difficile, a meno che la sinapsi non sia proprio piazzata in vicinanza del punto di emergenza dell assone, abbiamo visto che le sinapsi eccitatorie sono principalmente a livello dendritico, e quindi molto difficile che un singolo segnale sinaptico riesca, una volta che sia propagato, sia incrementato a raggiungere questo punto con un intensità ancora a soglia per la nascita del pda. Il decremento è molto importante, perché la soglia per l insorgenza del pda a livello dendritico è molto elevata, e questo dipende dal fatto che nel soma e nei dendriti non esistono quasi per niente, o c è una concentrazione molto bassa di canali voltaggio-dipendenti Na+ e K+. Quindi bisogna raggiungere il punto distante da dove insorto un segnale sinaptico, esattamente il cono di emergenza dell assone dove la soglia è molto più bassa, e quindi dove è possibile che una corrente che sia decrementata se ha una certa ampiezza raggiunga il valore soglia per la nascita del pda. Nella figura vediamo il potenziale soglia intorno a -35mv, è un livello abbastanza poco negativo, cioè la depolarizzazione è piuttosto elevata, a livello dendritico la soglia rimane elevata per tutti i dendriti ed il soma, quando andiamo a livello del assone la soglia si abbassa enormeme-nte. Avere una soglia bassa è legato fondamentalmente al fatto che abbiamo tanti canali voltaggio-dipendenti per il Na+ e quindi a questo livello basta un piccolo salto di potenziale, cioè basta in questo caso un salto da -65mv (potenziale di riposo) a questo valore per raggiungere la soglia per l insorgenza del pda. L ampiezza di un potenziale sinaptico nato in un punto va decrementando progressivamente fino ad arrivare al cono di emergenza, questo è un processo nato dal fatto che i segnali sinaptici sono segnali graduabili che viaggiano con 74

78 decremento, quindi se un segnale riesce ad un valore superiore alla soglia -> il pda nasce. Se il segnale e le correnti che arrivano qui depolarizzano fino ad un valore sotto la soglia il pda non nasce. Perciò una sola sinapsi non c è la fa mai ad arrivare la giù con un intensità tale da raggiungere la soglia quindi è necessario che più sinapsi vengono attivati contemporaneamente, o che una stessa sinapsi venga attivata sequenzialmente nel tempo in maniera da generare correnti di ampiezza maggiore. Naturalmente la costante di spazio λ, lo spazio entro il quale un segnale viene decrementato di un certo valore, è molto importante in un neurone da considerare, a livello dendritico ed a livello somatico; maggiore sarà la costante di spazio, maggiore sarà lo spazio che può essere percorso da una determinata corrente prima che decrementi al di sotto del valore soglia; minore è la costante di spazio, il decremento lo vediamo in uno spazio inferiore, cioè perdiamo questo segnale molto prima della distanza che dobbiamo percorrere. Quindi, a motivo del fatto che le sinapsi sono concentrate sul dendrite e sul soma e che il pda si genera nel cono d emergenza dell assone, noi abbiamo che una sinapsi eccitatoria che genera, a livello delle sinapsi centrali, potenziali postsinaptici che hanno ampiezze intorno mv non c è la fanno propagandosi, proprio perché arrivano decrementati, a fare raggiungere la soglia del pda che richiede più o meno un ampiezza di circa 10mv; dobbiamo saltare da circa -65 a -55 mv per poter generare il pda. Ciò ci fa capire perché è importante avere dei fenomini sommazione sinaptiche. SOMMAZIONE SINAPTICA: Si divide in 2 tipi: Sommazione Spaziale: Riguarda la possibilità di sommare le correnti associate ad EPSP che nascono in sinapsi eccitatorie che sono attivate contemporaneamente in punti diversi del neurone. Nella figura a sx: abbiamo un neurone, una sinapsi A ed una sinapsi B; la sinapsi A da sola genererebbe un segnale che non c è la fa, per questione di decremento, a raggiungere la soglia, la stessa cosa per la sinapsi B. Se io le attivo insieme le due correnti, propagandosi, si sommano (la corrente sinaptica di A e quella di B) - mentre si propagano si incontrano dalla strada per cosi dire in maniera molto meno scientifica - e danno origine ad un segnale di ampiezza sufficiente, nonostante i decrementi, a raggiungere la soglia. Questo è un esempio, ma le sinapsi possono essere di più 10, 20 o ancora di più le cui correnti si sommano. È evidente che la facilitazione di una sommazione spaziale ed il fatto di averla o di non averla, e di averla in maniera più ottimale o meno ottimale, dipende dalla costante di spazio di questi neuroni. Se la costante di spazio è breve, io devo immaginare che, per esempio, il segnale sinaptico che è nato in A vada veramente a livelli di ampiezza molto bassi quando arriva ad un certo punto (a breve distanza dal punto di insorgenza). La stessa cosa per B. Quindi per poter sommare queste due sinapsi in un contesto di costante di spazio breve, devo metterle molto più vicine. Se la costante di spazio è, invece, lunga, cioè la mia corrente generata da A è ancora piuttosto elevata ad una certa distanza, io posso permettere di avere le due sinapsi sommabili più distante nello spazio. 75

79 Quindi una sommazione spaziale che avviene con maggiore efficienza, perché ovviamente se c è l ho più lontane posso attivare grazie alla lunga costante di spazio, al contrario di ciò che cade riguardando il caso in cui ho una costante di spazio breve. È evidente che su questo tipo di sommazione interviene anche un problema relativo alla costante di tempo della membrana (τ), perché un segnale che non solo si propaga con un decremento, un segnale se ha un suo tempo di salita e di discesa, ha un τ più corto o più lungo, condiziona molto la possibilità che i segnali sinaptici se sommino nello spazio, perché tutte le volte, come abbiamo visto, si propaga ha bisogno di ricaricare il condensatore a valle della membrana, quindi la costante di tempo ci descrivi la durata del segnale che si sta propagando, che quindi se è maggiore ha più probabilità di potersi sommare con un altro segnale che si sta arrivando contemporaneamente. Sommazione Temporale: Si intende la possibilità di sommare eventi sinaptici che si generano nella stessa sinapsi, che, però, si generano in sequenza nel tempo. Nella figura vediamo una sinapsi che viene attivata ripetutamente, cioè nel neurone che i pda si ripetono in una frequenza elevata. È possibile sommare nel tempo gli eventi sinaptici perché il segnale postsinaptico ha una durata che è molto superiore al pda che l ha generato; il pda nel neuroni è un evento impulsivo, dura 1-2 msec, i potenziali sinaptici sono più lunghi del pda. Il che significa che si io mando un secondo pda ravvicinato al prima nella fibra afferente, assolutamente tranquillo di non cadere nel periodo refrattario assoluto del precedente, la sinapsi darà origine ad un secondo evento che nasce quando il primo non è ancora finito. Cioè praticamente il neurotrasmettitore rilasciato dal primo evento elettrico insorge un pda, per le caratteristiche della membrana, questo potenziale non è ancora terminato quando arriva il secondo pda nella membrana presinaptica e di nuovo il neurotrasmettitore viene rilasciato immediatamente in successione al primo. Il secondo evento può insorgere quando il primo non è finito, e questo genera un segnale postsinaptico di un ampiezza crescente che può ovviamente permettere, nonostante i decrementi, di raggiungere la soglia a livello del cono d emergenza. È chiaro che, anche in questo caso, la costante di spazio ha sempre la sua importanza perché un segnale si propagherà con un decremento che dipende dalla costante di spazio. Però quello che è molto importante è la costante di tempo, perché se io ho una costante di tempo breve, quindi ho un segnale che sale rapidamente e scende rapidamente, per poter avere sommazione io devo avere una frequenza di una fibra afferente che deve essere elevata, cioè il secondo pda ed il 3 ed il 4 devono essere molto ravvicinati, se no, rischio di far insorgere il pda quando il pda postsinaptico già è finito e quindi di non avere sommazione. Se la τ è maggiore, quindi il segnale sale lentamente, ma soprattutto scende lentamente, io posso mi permettere delle frequenze della fibra afferente minori, perché siamo sicuri di riuscire comunque a fare insorgere il 2 pda postsinaptica quando ancora il primo non è finito. Le caratteristiche del neurone postsinaptico che incidono sul valore 76

80 della costante di spazio e τ, caratterizzano anche le proprietà delle fibre afferenti che io devo fare sul neuroni per poter avere i fenomeni di sommazione. Integrazione: Abbiamo detto che le sinapsi che bombardano il neurone possono essere sinapsi eccitatorie o inibitorie. Che cosa succede se più vie afferenti a quel neurone attivate contemporaneamente sono vie eccitatorie ed inibitorie? È evidente che il neurone fa una vera e propria integrazione sinaptica, direi una vera e propria somma algebrica di queste correnti, per cui, per esempio, posso avere contemporaneamente afferenze eccitatorie che vengono attivate con afferenze inibitorie,che questi ultimi, normalmente, danno una iperpolarizzazione ed il segnale verrà attenuato, quindi la sinapsi inibitoria fa sì che l ampiezza del pda venga ridotta. La localizzazione della sinapsi inibitoria è estremamente importante, sono localizzate generalmente sul soma; il soma deve attraversato dalle correnti che sono generate dai potenziali sinaptici eccitatori dendritici. Immaginiamo di attivare 20, 30 sinapsi eccitatori sui dendriti, queste correnti che si sommano devono passare per il soma, quindi piazzare nel soma una sinapsi inibitoria è fondamentale, perché noi lì siamo in grado di attenuare punto shock eccitatorio che sta arrivando al neurone. Quel neurone deve ridurre la sua attività, noi dobbiamo far in modo che gli eventi eccitatori che stanno arrivando vengano attenuati; se io avessi una sinapsi inibitoria sul dendrite sarebbe riuscito ad attenuare soltanto l eccitazione di una sinapsi; in questo modo io tolgo tutto allontano il neurone dalla soglia, se il neurone deve generare il pda. Gli eventi sinaptici che si sommano possono essere tanti, che cosa generano a livello di un assone quando sono molto al di sopra della soglia? Sappiamo che il pda non è graduabile in ampiezza, cioè io posso dare un potenzialone, quindi do più potenziali nel tempo, quindi il neurone risponde all ampiezza dell evento sinaptico, e quindi anche alla risultante di questa sommatoria eccitazione/inibizione con una frequenza di scarica diversa. Un segnale piccolo che appena raggiunto la soglia ci darà un solo pda, difficilissimo che in un neurone si generi un pda solo, perché è il codice, è il modo in cui il segnale viene portato alle stazioni centrali o alle stazioni periferiche, l informazione viene trasmessa in codice di frequenza. Se io ho un neurone, mando più pda nel tempo al mio effettore che sarà un altro neurone o sarà una fibra muscolare, la mia informazione viene rinforzata. Se io faccio scaricare quel neurone con meno frequenza, quello che riceverà l informazione deve fare di meno. Se in un neurone che sia dotato di una scarica spontanea (neurone pacemaker), e su questo neurone arrivano contatti inibitori vediamo che la IPSP compagina completamente il pattern si scarica di questo neurone. Un neurone che scarica così, sta dicendo al suo effettore una cosa completamente diversa. Anche cambiare il pattern (la modalità di scarica di questi pda) significa modificare l informazione che io sto trasmettendo. Immaginiamo tutta una attivazione di una sinapsi eccitatoria, un complesso di sinapsi che ha generato un pda molto elevato (sommazione di vari eventi) quindi questo si propaga fino al cono d emergenza ed ha una intensità superiore alla soglia ed una durata che è superiore alla durata del singolo pda, quindi questo segnale è un grado di generare più pda. Un incremento di questo potenziale sinaptico, molto superiore al precedente, 77

81 determina la genesi di un numero maggiore di pda nel tempo. Quindi noi prolunghiamo la insorgenza di questa scarica di pda, aumentiamo la frequenza della scarica del pda in virtù della ampiezza e della durata delle depolarizzazioni che arrivano al cono d emergenza. Ma tutto ciò significa a livello terminale minore liberazione di neurotrasmettitore, maggiore liberazione del neurotrasmettitore e quindi trasmissione di informazioni maggiore o minore a seconda del caso. SINAPSI ASSO-ASSONICHE Possono determinare un controllo presinaptico, perché la sinapsi asso-assonica arriva a controllare la liberazione del neurotrasmettitore su una terminale afferente di un altro neurone, e quindi, in questo modo, è possibile in una maniera più selettiva andare a controllare un input specifico. Qual è la grossa differenza tra un segnale postsinaptico presente presenta un inibizione postsinaptica, ed un inibizione presinaptica? L inibizione postsinaptica inibisce il neurone e quindi attenua i segnali eccitatori indipendentemente da dove si arrivano. Al neurone arriva la via A, la via B, la via C..eccitatori, io gli mando una inibizione postsinaptica ed attenuo tutto quello. Quando io vado a fare una inibizione presinaptica, attenuo l informazione che si sta arrivando SPECIFICAMENTE da quella via, se questa via è una via eccitatoria e vado a ridurre il neurotrasmettitore che viene rilasciato, io vado ad inibire selettivamente questa via. Contemporaneamente il neurone riceve altre segnali sinaptici, quei segnali passano indisturbati. La stessa cosa per una modulazione in senso facilitatorio, cioè io vado a facilitare specificatamente quella sinapsi, quindi i 2 fenomeni che noi possiamo avere sono l inibizione presinaptica, in cui il segnale che sta arrivando viene attenuato e ammettiamo che sia solo quello ad eccitare il neurone -> il neurone postsinaptico non è più in grado di generare il pda. Ma questo schema è molto semplificato perché noi abbiamo quel neurone bombardato da tante altre sinapsi. 78

82 Normalmente questi fenomeni sono il risultato di una regolazione di dell ingresso del Ca++ attraverso la membrana. Il Ca++ è indispensabile per la liberazione del neurotrasmettitore, e l apertura dei canali voltaggio-dipendenti per il Ca++ che sono localizzati su terminali presinaptici è un apertura che dipende dalla depolarizzazione del terminale, normalmente nel terminale si propagano delle correnti associate al pda, sono correnti piuttosto intense, quindi capaci di generare una variazione di voltaggio che apre bene quantità di canali al Ca++ che sono responsabile della liberazione del neurotrasmettitore. Nella inibizione presinaptica, un neurone inibitorio porta all attenuazione della depolarizzazione, quindi si attenua la corrente di Ca++ che entra nel terminale presinaptico, viene rilasciata una quantità minore di neurotrasmettitore (nel caso in cui l inibizione si ha a livello della membrana presinaptica) ed il segnale postsinaptico è di minore ampiezza (si dice è inibito, cioè la sua ampiezza si è diminuita rispetto alla situazione di controllo). Nella eccitazione succede proprio il contrario, un neurone eccitatorio, andiamo a depolarizzare un terminale che è già depolarizzato, la corrente di Ca++ si prolunga nel tempo, e genera un segnale postsinaptico di maggior ampiezza, quindi facilitata rispetto alla situazione di controllo. PLASTICITA SINAPTICA: la grassi ha detto che la facciamo dopo se c è tempo, se no la studiamo da soli! 79

83 IL MUSCOLO: Sappiamo bene che la funzione del tessuto muscolare è la contrazione, che serve a sviluppare una forza che è utilizzata nella maggior parte dei casi per spostare un peso, un carico. Quindi il muscolo sviluppa forza e si accorcia per compiere un lavoro esterno. Sappiamo che esistono vari tipi di tessuto muscolare: scheletrico, liscio, ed il muscolo cardiaco. Saranno diverse da punto di vista strutturale, e hanno funzioni diverse. L attività muscolare in generale è essenziale per moltissime funzioni, quindi non soltanto quelli che noi conosciamo come camminare, mantenimento della postura, movimento; è importante anche per funzioni come la fonazione, e controllo di funzioni di organi interni, circolazione del sangue, respirazione, digestione ecc l energia fornita per questa attività muscolare deriva normalmente dalla scissione dell ATP. Il muscolo striato in muscolo scheletrico e muscolo cardiaco, il muscolo scheletrico è quello che compone tutta la muscolatura nel nostro corpo, del soma, all esterno. È attivato da fibre nervose motorie, quindi la sua attività è possibile soltanto se c è un innervazione motoria, il neurone a questa funzione sono i MOTONEURONI, e può dare origine a movimenti di tipo volontario, perché i motoneuroni che sono localizzati nella corna anteriore del MS sono sotto il controllo delle strutture corticali, può dare origine anche a movimenti involontari come i riflessi, cioè movimenti che sono attivati da uno stimolo esterno e che possono essere controllati dalla volontà. il muscolo cardiaco invece è involontario, è un muscolo che è dotato da una attività automatica, cioè in grado di autoeccitarsi. Il muscolo liscio è involontario, sotto il controllo del SNA (simpatico e parasimpatico) e la maggior parte degli atti motori di questo tipo sono controllati per via riflessa ma dal sistema nervoso autonomo. IL MUSCOLO SCHELETRICO Nella fibra muscolare che compone il muscolo scheletrico esiste la miofibrilla, che è l unità strutturale che è responsabile della contrazione. Quindi in una fibra ci sono tante miofi-brille. Nelle miofibrille abbiamo le bande chiare e quelle scure che nasce dall esistenza di miofilamenti, che sono filamenti sottili di actina, e spessi di miosina, che si intersecano in una maniera ben precisa a compone quella che è l unità anatomofunzionale del muscolo che è il SARCOMERO. Il sarcomero è quella unità funzionale che va dalla linea Z all altra linea Z; tra una linea Z e l altra troviamo filamenti di actina giustapposti in alcuni punti con filamenti più spessi di miosina, e alcune zone dove non sono presenti filamenti di actina ma solo di miosina. Abbiamo la banda A, che nasce dalla sovrapposizione di miofilamenti di actina e di miosina (bande scure). La banda I (chiara) sono filamenti di actina. La banda M, è il risultato della presenza di solo miosina. E la stria H abbiamo le miosine che si agganciano gli uni agli altri. 80

84 Se noi facciamo una sezione a vari livelli dei sarcomeri, abbiamo nella banda i una disposizione di filamenti sottili, ha una struttura geometrica di un esagono, sono tutti filamenti di actina. Nella parte del sarcomero dove è presente solo filamento spesso in particolare nella zona H dove i filamenti spessi si agganciano gli uni agli altri. Nella banda A, gli esagoni hanno al centro un filamento spesso, questo già ci rende conto in questa sezione di quella che potrà essere una possibile interazione tra il filamento spesso e sottile. Il filamento sottile è formato fondamentalmente da una doppia elica di actina filamentosa (Actina F) che è composta da actina globulare (Actina- G). A livello delle porzioni globulari della actina sono presenti i siti attivi con cui l actina potrà reagire con la miosina. I siti attivi dell actina sono normalmente bloccati, c è un ingombro sterico, che è determinato da due proteine regolatrici che sono la tropomiosina e la troponina; la possibilità che una subunità della troponina interagisca con il Ca++, permette che queste due proteine regolatrici cambiano la loro conformazione rendendo disponibile il sito attivo della troponina. La troponina T si lega con la tropomiosina, la troponinca C è la subunità globulare che lega il Ca++, la troponina I, inibisce l attività ATPasca della miosina. Filamento spesso di miosina è composto da tante molecole di miosina (250 x filamento), ha una forma a marza da golf. Ha una testa che andrà ad interagire con le actine e con l ATP, qui si genererà quella energia necessaria per una contrazione. Abbiamo il punto di flessione, molto importante per permettere lo scivolamento dei filamenti. Poi abbiamo la coda. Le code sono tutte poste code contro code nella zona centrale, cioè c è un polarità. Sono disposte ad un avvolgimento spirale. Le teste di miosina sporgono verso i filamenti sottili che stanno intorno al filamento di miosina. La miosina è divisibile in una meromiosina leggera (la coda) ed una meromiosina pesante (collo e testa). La testa ha un sito per l actine, e nella parte centrale ha un legame per ATP. il sito del legame per ATP contiene una attività ATPasica, genera energia che permetterà di formare il legame con l actina e poi successivo scorrimento dei filamenti. Il collo ha due subinità, catena leggera essenziale e la catena leggera 81

85 regolatrice. Che sono due parti che regolano il movimento di questa testa. Le corone (teste miosina) si ripetono regolarmente ruotate di 60 ogni 14.3 nm. La posizione di S1 si ripete ogni 42.9 nm. Le teste rappresentano anche quelle che vengono chiamate Cross-Bridge, cioè quelle che permettono l aggancio del filamento di miosina con l actina, i ponti trasversi che consentono appunto che queste due unità quando interagiscano cambiano poi la loro posizione determinando la contrazione e l accorciamento del sarcomero e quindi di tutta la fibra muscolare. Vediamo che la testa è in vicinanza di un punto del filamento sottile dove è localizzato il sito attivo. TITINA: proteina costituisce con filamento che aggancia il filamento spesso alla linea Z, è composta da una parte più elastica (IG), e da una parte più rigida che conferisce stabilità al filamento quando c è l accorciamento e quindi la contrazione. La parte elastica è molto interessante, perché immaginate di distendere (stirare) il sarcomero, questo filamento, e soprattutto la sua componente elastica, sviluppa una tensione elastica che sarà responsabile della tensione passiva che il muscolo sviluppa quando lo allunghiamo, il muscolo è fatto da elementi contrattili, ma è fatto anche da elementi elastici in serie, che assolutamente noi dobbiamo considerare, perché qualsiasi modificazione di lunghezza della fibra muscolare deve fare conti con l allungamento di questi elementi elastici, che quindi possono generare una tensione elastica, questa non è altro che una forza che si oppone alla forza distendente, si tratta la tensione passiva. Nebulina: è una proteina associata al filamento sottile, si lega alla linea Z, anche lei ha il significato di dare stabilità a questi filamenti quando si cambia la lunghezza del sarcomero. COSA AVVIENE A LIVELLO MOLECOLARE DURANTE LA CONTRAZIONE? Quando avviene l interazione tra miosina e actina si verifica esattamente questo: la testa della miosina può agganciarsi all actina, perché il sito attivo dell actina è stato liberato (questo si verifica quando il Ca++ si lega alla troponina C), una volta che la testa si è agganciata, avviene un movimento particolare della testa (detto colpo di frusta), la testa agganciata, molto rapidamente, cambia la sua conformazione, soprattutto cambia l angolo con cui è piegata rispetto alla coda (figure pagina precedente), ed in questo movimento determina lo spostamento dei filamenti di actina. Così le linee Z si avvicinano, non c è assolutamente cambiamento di lunghezza di filamenti di actina e di miosina, ma c è semplicemente uno scorrimento degli uni sugli altri. 82

86 Questo movimento si ripete più volte, cioè una testa si aggancia, si piega, si stacca, e si va ad agganciare al sito vicino che si è spostato rispetto alla posizione originaria, e quindi tutti questi piccoli movimenti (aggancio, ripiegamento, stacco) portano ad uno scivolamento progressivo, un accorciamento del sarcomero (dovuto all avvicinamento delle linee Z). che comunque tende a distendere la titina, modificare la lunghezza della parte elastica della titina, tutto questo si trasmette (perché in una fibra muscolare i sarcomeri in serie sono tanti ) fino alla fine della fibra muscolare, là dove c è un altro elemento elastico che è il tendine, e naturalmente se è data possibilità a questo tendine di muoversi, il muscolo può accorciarsi in toto. Quindi, piccoli movimenti e accorciamenti del sarcomero diventano sviluppo di forza che può diventare accorciamento di tutto il muscolo, naturalmente se le estremità del muscolo possono essere in qualche modo mosse, cioè per esempio posso muovere l arto superiore accorciando il bicipite perché il mio tendine può in qualche modo esercitare sul segmento osseo la forza che il muscolo sta sviluppando e sposta il segmento osseo. Ma se io sulla mano metto un peso che assolutamente non riesco a sollevare, il mio muscolo si sta contraendo ugualmente, quindi i sarcomeri si accorciano ma la forza esercitata sull estremità del muscolo non riesce a spostare il carico, quindi il muscolo non si accorcia (lo vedremo nella parte di meccanica). Lo sviluppo di forza dipende da come questi filamenti sono in condizioni giustapposizione e quindi quale è la lunghezza iniziale a cui si trova il sarcomero quando avviene questa contrazione. Che cosa è che determina la possibilità che la testa della miosina si comporti in questo modo? Questo dipende sicuramente dal Ca++, perché si lega alla troponina C, consente di liberare il sito attivo e quindi l interazione miosina-actina (La troponina legata al Ca2+ sposta la tropomiosina più profondamente nel solco del doppio filamento di actina). Ma dipende anche dal ciclo del idrolisi dell ATP; L ATP è molto importante perché viene utilizzato per energizzare la testa della miosina. La testa della miosina, abbiamo visto che ha un sito di interazione per l ATP, quindi quando è presente una molecola di ATP, una molecola di ATP viene scissa in ADP e Pi e la testa viene energizzata, cioè una testa pronta, nel momento in cui avverrà l attacco, a generare questo movimento a colpo di frusta che permette lo spostamento. Quindi la cosa interessante qua, è che l ATP non è importante per determinare l attacco della testa della miosina all actina, è importante per energizzare la testa della miosina, cioè renderla particolarmente disponibile per l attacco, e soprattutto per il movimento che avverrà successivamente, nella figura vediamo la troponina non si è ancora legata al Ca++, il sito attivo della actina non è ancora liberato, la testa comunque ha già scisso l ATP ed è pronta per fare quello che dovrà fare; nel momento in cui il Ca++ va a legarsi alla troponina C cambia la sua conformazione per cui viene spostato l ingombro, ed il sito attivo si è liberato e la testa si aggancia, è già pronta (energizzata), tutta l energia che è presente nella testa consente il piegamento e quindi lo scivolamento dei filamenti gli uni sugli altri. Il successivo stacco 83

87 della testa della miosina per potersi poi riattaccare ad un altro sito vicino dipende dall ATP, quindi noi abbiamo un ATP che viene scisso precedentemente all attacco per energizzare la testa, quando il sito dell actina è libero e la testa si attacca e siccome già carica di energia si sposta e cambia la sua conformazione spostando il filamento a questo punto quando la testa è ripiegata, per poter fare un altro attacco si deve staccare ed attaccarsi di nuovo. Questo distacco dipende dall arrivo di un altra molecola di ATP, essa determina quindi il distacco, poi la testa viene energizzata e va ad attaccarsi nuovamente all actina. - Stadio I: testa rilasciata, già energizzata, ADP legata alla miosina, non può succedere niente perché il sito attivo è già bloccato. - Stadio II: arriva il Ca++, si lega alla subunità C della troponina -> si libera il sito attivo -> interazione actina-miosina. - Stadio III: movimento a colpo di frusta power stroke che permette il ripiegamento rapido della testa e quindi lo slittamento del filamento di actina rispetto a quello di miosina. - Stadio IV: ancora il sito agganciato, quindi qui stiamo in una situazione in cui il complesso actomiosinico ha consumato tutta l energia, ha liberato anche l ADP, e questa condizione qua, il distacco è reso possibile soltanto se lega nuovamente l ATP. questo stadio in cui abbiamo una testa attaccata ed abbiamo necessità di ATP per staccare la testa si chiama anche stato di rigor, perché si chiamo stato di rigor? Un soggetto quando muore viene a trovarsi poco dopo la morte in una posizione che si chiama punto di rigor 84

88 mortis, in cui tutta la muscolatura è assolutamente rigida, se una persona morta che stava messa un una certa posizione, quando noi la troviamo morta in questa posizione, per staccare/piegargli per esempio il braccio dobbiamo praticamente quasi romperglielo! Che cosa è successo? Quando il soggetto muore, chiaramente, la prima cosa che sparisce sono i processi energetici, quindi la produzione di ATP, e quindi si verifica che tutte le teste della miosina attaccate alla actina (tutta la muscolatura, anche quella posturale) rimangono agganciate, non possono staccarsi quindi la rigidità del muscolo nasce dal fatto non abbiamo permesso il rilasciamento muscolare perché non abbiamo permesso il distacco della miosina dall actina. - Stadio V: attacco dell ATP ed il rilascio della miosina dall actina. Questo ciclo si ripete finché continua ad esserci il Ca++ perché tiene il sito attivo libero. Quindi ci sono due punti limite, uno dato dall ATP, e l altro dal Ca++. NB: l ATP E NECESSARIO PER IL DISTACCO E NON PER LA FORMAZIONE DEL LEGAME CON L ACTINA. PERCHE IN REALTA E GIA SCISSO QUANDO AVVIENE IL LEGAME ACINTA-MIOSINA. ACCOPPIAMENTO ELETTRO-MECCANICO: Che cosa deve succedere perché avvenga la contrazione muscolare? Il muscolo scheletrico non può assolutamente contrarsi se non è innervato. Se abbiamo una lesione di fibre motorie il muscolo verrà paralizzato. Quindi il muscolo deve ricevere questo segnale dalle fibre nervose motorie che è il pda, la trasmissione che avviene a livello della sinapsi muscolare permette la nascita di un pda a livello della fibra muscolare poi il pda qui dà il via alla contrazione. Allora che cosa succede tra il pda è l inizio della contrazione. Succede qualche cosa che determina un forte incremento della concentrazione degli ioni di Ca++ all interno del sarcoplasma. Normalmente, quando il muscolo è rilasciato (a riposo) la concentrazione di Ca++ nel sarcoplasma è molto bassa (siamo sotto 0.1 µm), quindi una concentrazione troppo bassa per cui il Ca++ non riesce nemmeno ad avvicinarsi alla troponina. Il Ca++ invece è concentrato nel RS (Reticolo Sarcoplasmatico) che è un reticolo sarcoplasmatico particolare, ci sono quelli tubuli longitudinali e le cisterne terminali, all interno di queste cisterne è concentrato il Ca++, si trova sia in forma libera che in forma legata e che comunque non può essere rilasciato finché non arriva il pda. Quindi il pda che insorge nella fibra muscolare server a determinare un rilascio del Ca++ dal reticolo sarcoplasmatico. Ca++ -> troponina C -> contrazione. Quindi la contrazione muscolare insorge con un certo ritardo rispetto al pda, 85

89 questo tempo si chiama tempo di latenza, e questo tempo è impiegato proprio nei meccanismi di accoppiamento elettro-meccanico. È fondamentale la presenza di una struttura particolare di una fibra muscolare che è il sistema di tubuli T. Gli anatomici descrivono la cosiddetta triade che è rappresentata dalle cisterne terminali e da questo tubulo a T, però questo ultimo non è una struttura citoplasmatica; il tubulo T non è altro che una invaginazione della membrana che avvolge la fibra muscolare, la membrana si invagina all interno creando questa canale che percorre in stretta vicinanza delle cisterne terminali del RS. A che cosa server il tubulo T? Allora, se è vero che il pda serve per liberare il Ca++ dal RS, quindi io dovrei pensare che la liberazione del Ca++ dal RS dipenda da una depolarizzazione della membrana del RS aprendo i canali per il Ca++ e diffonde nel sarcoplasma grazie al gradiente chimico. Però il problema qui qual è? Che il pda nato in vicinanza della sinapsi neuromuscolare può propagarsi attraverso la membrana della fibra muscolare, ma il RS sta dentro, ed è difficile che una corrente possa attraversare, in questo senso, la membrana ed invadere il sarcoplasma. Quindi per far arrivare una depolarizzazione a livello del RS io devo creare una via di conduzione per questo pda. Il tubulo T, che è una invaginazione, quindi è pieno di LEC, quindi il pda nato sulla membrana, viaggia lungo il tubulo T, e quindi arriva in vicinanza alla membrana del RS. Quindi il tubulo T server a depolarizzare la membrana del RS che a sua volta dà il via alla liberazioni del Ca++. Come ciò avviene? Nella figura, vediamo la sinapsi neuromuscolare, rilascia Ach -> potenziale di placca ecc..ecc..-> pda. Il pda viaggia lungo la membrana del tubulo T e arriva a depolarizzare questa membrana, in vicinanza alla cisterna terminale. L accoppiamento tra membrana del RS ed il tubulo T, avviene attraverso 2 recettori importanti. Un recettore che risente la variazione del voltaggio, quindi risente la depolarizzazione del tubulo T è il recettore della DIIDROPIRIDINA, a sua volta è accoppiato meccanicamente ad un canale per il Ca++, recettore della RIANODINA (RyR) che è nella membrana del RS. Quando il recettore di DIIDROPIRIDINA viene attivato per depolarizzazione della membrana del tubulo T, si verifica una modificazione della proteina di attacco di legame al canale al Ca++ (RyR), il canale viene aperto ed il Ca++ per gradiente di concentrazione passa all esterno. Questo Ca++ è quindi un Ca++ liberato in virtù del pda. Se il pda finisce, la liberazione del Ca++ 86

90 cessa, e progressiva-mente il Ca++ del RS viene ripompato nel RS contro il suo gradiente grazie ad una pompa Ca++ ATP dipendente. Man mano che viene riportato il Ca++ nelle cisterne, si abbassa la concentrazione del Ca++ nel sarcoplasma, ecco che la troponina rilascia il Ca++, e quindi si rimette in una situazione di riboccare il sito dell actina; quindi la contrazione cessa perché le teste non si possono reagire ed il muscolo si rilascia. Ma se faccio nascere in questa fibra muscolare una successione di pda, perché mando attraverso la fibra motrice (motoneurone), ho una uscita di Ca++ se ne somma immediatamente un altra, e se ne somma immediatamente un altra fino ad arrivare a generare una quantità tale che può incrementare la durata, ma anche incrementare la forza della contrazione che si sta generando, perché praticamente questi ponti continuano a crearsi e staccarsi e questo muscolo continua a generare forza. La forza generata da un muscolo, la forza contrattile, dipende proprio dal numero di attacchi e distacchi che si verificano nell unità di tempo, più Ca++ io ho, più attacchi e distacchi posso fare. Quindi avrò delle contrazioni che sono molto forti. Quindi come vediamo c è una latenza tra l insorgenza del pda, il picco di Ca++ che ovviamente deve essere rilasciato dal RS e lo sviluppo di forza muscolare, e quindi il tempo che noi chiamiamo la latenza tra la nascita del pda e l inizio della contrazione è dovuto proprio ai meccanismi di accoppiamento, e quindi meccanismi legati soprattutto alla liberazione ed alla sua interazione con la troponina C. Quindi, la contrazione muscolare che consegue la nascita di un pda viene chiamata scossa semplice, ed ha una caratteristica molto importante: non solo insorge quando il pda, praticamente, è finito, ma un altra caratteristica molto importante è che la durata dell evento meccanico è molto superiore alla durata del pda. Il pda muscolare dura 2-10msec, la contrazione muscolare (scossa semplice) dura msec, e questo ultimo dipende dal tipo della fibra muscolare, quando questo evento nasce. Perché è importante sottolineare questo aspetto della durata? Perché noi possiamo avere, quando parliamo di contrazione muscolare, diversi tipi di risposta del muscolo. Una quella nella figura a sx: pda che susseguono con una frequenza molto bassa, cioè l intervallo tra l uno e l altro è elevato, e quindi nel muscolo si hanno delle contrazioni semplici (scosse semplici) che susseguono con la stessa frequenza. Ma proprio perché il pda dura molto meno dell evento contrattile, noi possiamo 87

91 avere nel muscolo scheletrico un fenomeno che è estremamente importante per poter modulare, per poter regolare la forza di contrazione muscolare, che è la sommazione degli eventi contrattili. Nella figura, vediamo che i 2 pda sono nati con una frequenza superiore a quello che abbiamo visto prima, e sono più ravvicinati nel tempo, il che permette alla seconda contrazione, cioè alla scossa generata dal secondo pda, di insorgere quando la prima non è ancora terminata. Quindi la tensione sviluppata in questo caso sia molto maggiore, perché abbiamo sommato 2 eventi. La sommazione è possibile perché noi non interferiamo con il periodo refrattario assoluto, perché i pda sono già finiti quando l evento meccanico si sta sviluppando. Questo ci consente di aumentare la frequenza del pda fino ad un limite che è determinato dal periodo refrattario. Vuol dire che io posso avere 2 tipi di sommazione conseguenti ad una elevata sequenza di insorgenza di pda, che prendono il nome tetano incompleto e tetano completo. Questa parola tètano, cioè la contrazione tetànica, è il risultato della sommazione di eventi meccanici (Attenzione! da non confondere con la malattia tetano!). Noi possiamo avere 2 tipi di sommazione: - Tentano incompleto (non fuso): Sommazioni che avvengono quando il secondo evento contrattile si somma in fase di rilasciamento; di fatto, noi possiamo distinguere le singole contrazioni, fino ad arrivare ad un massimo in cui noi abbiamo il massimo di tensione che questo muscolo può sviluppare, che è il risultato della somma delle singole tensioni. - Tetano completo: Nella figura, vediamo incrementata la frequenza del pda (come abbiamo detto questo è possibile finché non andiamo ad interferire con il periodo refrattario assoluto), e vediamo che non è più riconoscibile il singolo evento. Viene fuori una contrazione molto forte, una tensione massima molto superiore alla tensione della singola scossa che praticamente dal punto di vista temporale ha una durata maggiore e che è il risultato della somma dei singoli evento in fasi di contrazione. Cioè si sommano mentre che si stanno sviluppando le tensioni. Il tetano incompleto, detto anche non fuso perché gli eventi singoli sono ancora riconoscibile che è dovuto delle scosse in fase di rilasciamento. Tetano completo, detto anche tetano fuso o liscio (detto così perché non si riconoscono più i singoli eventi), che invece dipende dalla sommazione in fase di contrazione. Se noi andiamo a paragonare la 88

92 tensione sviluppata da tutti questi fenomeni contrattili che possono avvenire, vediamo bene come la tensione sia nettamente superiore. Questo ci dice che possiamo regolare la forza di contrazione del muscolo determinando contrazioni semplici, determinando titani incompleti e determinando tetani completi. Il massimo che lo possiamo ottenere lo otteniamo quando il tetano è completo. Da cosa dipende questo incremento della forza che noi abbiamo quando si sommano le contrazioni?! Uno dei motivi è il fatto che io sommo il Ca++ che viene rilasciato durante il singolo evento, cioè il Ca++ che viene rilasciato dal RS in conseguenza del primo pda non aveva il tempo a far entrare tutto il Ca++ nel RS, ovviamente siamo nell inizio della fase di rilasciamento, che ne arriva dell altro. Quindi questo continuo incremento arrivo del Ca++ nel sarcoplasma fa sì che il numero dell interazioni actina-miosina che si vengono a creare aumenti nel tempo, e questo comporta un aumento di forza. Un altro aspetto, è che quando il muscolo si contrae, e quindi la contrazione viene seguita da un accorciamento del sarcomero, un accorciamento che può comportare il reale accorciamento del muscolo (se il muscolo si può accorciare), o diventa semplicemente uno sviluppo di tensione senza accorciamento se il muscolo non può accorciarsi. Di fatto, quando il sarcomero si accorcia, la forza esercitata da questo scivolamento si va a scaricare sugli elementi elastici (il tendine), quindi noi abbiamo sempre un allungamento del tendine che nella prima contrazione consuma una parte dell energia sviluppata dal muscolo, cioè una parte di tale energia viene spesa per mettere in tensione questo elemento elastico, la successiva contrazione non ha più bisogno di fare questo, perché l elemento elastico è già in tensione, e quindi tutta la sua forza è espressa come forza contrattile, ecco perché non solo c è nell incremento della tensione, quando noi abbiamo tetano un incremento del Ca++ che è sicuramente importante, ma c è anche questo elemento meccanico, il fatto che le contrazioni successive non devono stirare l elemento elastico, che viene già messo in tensione all inizio, quindi svilupperanno (tiriamo fuori) la loro tensione al massimo. La possibilità di avere un tetano completo o un tetano incompleto dipende dalla frequenza dell insorgenza del pda. Ma poiché il muscolo scheletrico da solo non riesce a fare assolutamente niente da punto di vista né elettrico né meccanico, e dipende dal motoneurone, che lo va ad innervare, è evidente che questa modificazione della frequenza del pda dovrà interessare il motoneurone. Se io attraverso l input afferente a questo motoneurone, input provenienti dalla corteccia, o input provenienti da elementi sensoriali periferici (risposte motorie riflesse), faccio sì che gli eventi di sommazione sinaptica spaziale e temporale incrementano la frequenza di scarica del motoneurone, farò sì che le fibre muscolari innervate da questo motoneurone entrino in contrazione tetanica, completa o incompleta, in dipendenza dalla frequenza che il 89

93 motoneurone genera. Quindi, modificare la frequenza del motoneurone attraverso input afferenti significa modificare la forza di contrazione del muscolo. Ruolo dell ATP: L ATP fondamentalmente svolge 3 ruoli, a livello della contrazione muscolare, 1. è importante perché si realizzi il distacco della testa di miosina dall actina, se l ATP non è presente, vede il rigor mortis (filamenti rimangono attaccati). 2. L altro punto importante è la necessità che ci sia ATP perché la testa della miosina sia energizzata, cioè sia in grado di interagire con l actina (abbiamo visto che questo processo avviene ancora prima che la testa della miosina sia attaccata all actina). 3. Un altro punto importante è il trasporto del Ca++ nel RS, il rilasciamento muscolare e la conseguenza del rientro del Ca++ nel RS che dipende dall ATP (Pompa Ca++ ATPascia). Qual è il problema? Noi nel muscolo abbiamo una concentrazione di ATP intorno a 3-5mM, che è sufficiente per una contrazione tetanica per 2 secondi! Ma noi sappiamo che la nostra muscolatura non si contrae per soli 2 secondi, ma tanto di più (minuti ed ore) abbiamo fibre muscolari che sono contratti continuamente. Quindi la possibilità di incrementare la durata della contrazione dipende dalla continua riformazione dell ATP, che avviene attraverso 3 processi fondamentali: 1- Fosfocreatina: è presente nel muscolo, ed attraverso la foscreatina chinasi, la fosfocreatina reagisce con l ADP riformando ATP e creatina. Questa è un reazione che può avvenire molto rapidamente nel muscolo, è, quindi, il primo rifornitore del ATP man mano che la contrazione va avanti. 2- Glicolisi anaerobica: porta alla formazione del piruvato e del lattato che dal punto di vista energetico è poco efficiente, perché noi abbiamo per una molecola di glucosio sole 2 molecole di ATP. Ma anche questo è primo fonte che può permettere di continuare la contrazione. (Consumo la fosfocreatina, poi la glicolisi). 3- Glicolisi aerobica: il piruvato viene prima trasformato in Acetil-CoA (piruvato deidrogenasi) e poi questo ultimo segue il ciclo di Krebs, portando alla formazione di 36 molecole di ATP. A questo processo serve l ossigeno, esso è una scorta nel muscolo perché è presente la mioglobina. In caso di aumento di attività muscolare, esaurimento dell O2 legato alla mioglobina, la glicolisi diventa anaerobica, perciò il muscolo ha bisogno di maggiore flusso sanguigno, ecco perché noi ci possiamo permetter di fare esercizio fisica che perdura fino a raggiungere alla fatica muscolare. Sono molto importanti anche gli acidi grassi -> beta-ossidazione -> Acetil-CoA -> Ciclo di Krebs - > ATP. 90

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95 MECCANICA MUSCOLARE - Tensione Muscolare: ci riferiamo praticamente alla forza che il muscolo esercita su una sezione trasversa (quando si contrae), misurata in N/m 2. - Carico: è la forza esercitata dall esterno del muscolo, normalmente data dal peso che deve essere spostato dal muscolo. Esistono 2 tipi di contrazioni: Contrazione Isometrica: una contrazione in cui il carico è attaccato al muscolo, il muscolo si contrae e sviluppa una tensione, ma questa tensione non è sufficiente a vincere il carico, cioè a vincere la forza che questo carico sta esercitando sul muscolo. In altre parole, il muscolo non sposta il carico, il muscolo non si accorcia e non fa un lavoro esterno. Ma non possono dire che il muscolo non si stia contraendo, anzi, si contrae al massimo, cerca di fare la sua massima tensione possibile, ma non riesce e spostare il carico. Si chiama isometrica perché non varia la lunghezza ma comunque sviluppa tensione. Se per esempio voglio sollevare una valigia, non riesco a sollevarla perché il suo peso è superiore alla forza muscolare che il mio muscolo può esercitare. Contrazione Isotonica: è una contrazione in cui il muscolo può sollevare il peso, e quindi il muscolo si accorcia, cioè il muscolo è in grado di sviluppare una tensione capace di vincere il carico e quindi sposta il carico accorciandosi. La contrazione in questo caso si chiama isotonica perché qui chi rimane costante è la tensione! cioè il muscolo si contrae, sviluppa una tensione che arriva al livello sufficiente a vincere il carico, a quel punto la tensione non aumenta più, il muscolo cambia la sua lunghezza, si accorcia, accorciandosi sposta il carico. Le nostre contrazioni muscolari sono, normalmente, sempre fatte da 2 fasi: nella figura, ho nel mano una pallina che la voglio spostare. È evidente che se questa pallina esercita una forza sul mio muscolo (peso) è superiore alla tensione massima che il muscolo può sviluppare io non riuscirò a fare questo movimento, ed il mio muscolo sarà in totale contrazione isometrica, perché arriva al massimo che si può fare ma questo massimo non è sufficiente. Ma se la pallina è spostabile, cioè ha un peso inferiore al precedente, è evidente che quando il muscolo comincia a contrarsi, non ha dentro di sé subito la tensione necessaria a vincere il carico, quindi, una 92

96 prima fase della mia contrazione, anche quando c è movimento, è sempre fatta da una fase isometrica, io inizialmente mi contraggo, la tensione va aumentando finché raggiungo la tensione sufficiente a vincere il carico, e quindi a questo punto la mia contrazione diventa una contrazione isotonica. Io sposto il carico e muovo quindi il mio peso. Se io avessi un movimento, una contrazione a carico ZERO (che non esiste, se non sperimentalmente, perché anche se non c è niente in mano l articolazione ha comunque il suo peso) è chiaro che come inizia la contrazione inizia subito la contrazione isotonica. In caso di una contrazione isometrica, io devo attaccare il muscolo a 2 punti fissi, quindi praticamente non è possibile spostare niente, vado a stimolare il muscolo, faccio nascere un pda e vado a studiare la forza che il muscolo sviluppa, nel caso invece della contrazione isotonica, il muscolo è attaccato ad un peso, per cui stimolando il muscolo io vado a vedere nel muscolo che cosa succede e soprattutto vedere che tipo di tensione sviluppata e che lunghezza si ottiene. Immaginiamo di avere questo muscolo che ha attaccato un carico di 40Kg, questo muscolo sviluppa al massimo una tensione di 30 Kg, che cosa succederà a questo muscolo? La tensione salirà fino al massimo possibile la forza richiesta per spostare il carico è di 40 Kg quindi il muscolo rimane in contrazione sviluppando una tensione, dopodiché la pressione ritorna al suo valore iniziale, ma non c è stata una variazione di lunghezza. Quindi questa è una contrazione isometrica pura. Se invece il mio carico, (lo stesso muscolo di prima che sviluppa una tensione massima di 30 Kg). Se a questo muscolo io attacco 20 Kg, c è la fa, inizialmente sviluppa tensione non è grado di determinare un accorciamento, fino a raggiungere il valore necessario a vincere il carico, dopodiché la tensione rimane costante (ecco il concetto isotonico), ma varia la lunghezza, si 93

97 raggiungerà una determinata lunghezza, dopodiché quando il muscolo si rilascia ricade la tensione ed il muscolo riacquisisce la lunghezza iniziale. Con lo studio della contrazione isometrica noi possiamo individuare quale è la massima tensione che un muscolo è capace di sviluppare, se io mi metto a studiare subito una contrazione isotonica è chiaro che il muscolo sviluppa una tensione fino a raggiungere il valore del carico e lo sposta, quindi io lo devo mettere in una situazione in cui il carico non è spostabile per capire quale è la tensione massima che un muscolo dentro di sé è in grado di sviluppare, cioè quale è la capacità del muscolo. Questa forza isometrica dipende dal numero di interazioni di actina e di miosina, che si formano nell area della sezione trasversa, e bisogna ricordare altri aspetti importanti, tutte le interazioni actina-miosina sviluppano la stessa forza, quindi la forza sviluppata da una fibra muscolare, è la somma della forza sviluppata da tutte le interazioni che avvengono tra le miofibrille che sono disposte in parallelo all interno di una fibra muscolare. In una fibra muscolare noi abbiamo dei sarcomeri che sono disposti in serie, ma ogni sarcomero quando si contrae (quindi quando sviluppa forza) non agisce sui capi muscolari, ma agisce sul sarcomero che gli sta vicino; se io comincio ad accorciare e sviluppo una certa forza (l accorciamento esiste anche quando la contrazione è isometrica), e la scarico (la forza) sul sarcomero vicino, il quale fa la stessa cosa (scarica al sarcomero vicino) quindi, praticamente, chi scarica questa forza sul tendine per determinare poi quello che potrà essere l accorciamento del muscolo è l ultimo sarcomero, che però ha ricevuto la stessa tensione dei sarcomeri vicini, questo ci porta a dire che se io aumento la lunghezza di una fibra muscolare non cambio assolutamente niente dal punto di vista sviluppo della forza. Se io immagino una ipotetica miofibrilla formata da 1000 sarcomeri in serie, che abbiano una lunghezza di 2.5 mm, ognuno di questi sviluppa 5 µg di forza, la fibra svilupperà ai suoi estremi 5 µg di forza. Se io aggiungo dei sarcomeri, se invece di 1000 abbiamo 2000, quindi abbiamo una lunghezza di 5 mm, la forza sviluppata sarà sempre 5 µg. Perché ogni sarcomero lo scarica sul vicino e quindi alla fine sono 5 µg. Invece per aumentare la forza, devo aumentare il numero delle miofibrille disposte in parallelo, perché in quel caso la forza si esercita su una sezione maggiore. E quindi è maggiore la tensione sviluppata. Quindi se a quella miofibrilla io aggiungo 1000 sarcomeri in parallelo la forza sviluppata non sarà 5 µg ma sarà 10 µg agli estremi indipendentemente dalla lunghezza io svilupperò questa forza. Per esempio, quando noi vogliamo incrementare ipertrofia muscolare, che avviene quando uno fa lavorare molto il muscolo, quindi per incrementare una forza, non vedo l allungamento delle fibre muscolari, ma vedo un aggiunta di miofibrille in parallelo. Il numero di interazioni che avvengono in una sezione trasversa, dipendono dalla disposizione in parallelo, dipendono quindi dal diametro della fibra (maggiore il diametro, maggio il numero di miofibrille, maggiore il numero dei sarcomeri disposti in parallelo) dipende dalla lunghezza dei sarcomeri, che non è la lunghezza di una fibra muscolare, cioè dipende dal fatto che questa fibra può essere più o meno allungata rispetto alla sua lunghezza anatomica. La lunghezza diversa del sarcomero, incide moltissimo sulla possibilità dell interazione dei filamenti di actina e di miosina. Perché questi filamenti sono giustapposti (cioè la miosina guarda l actina, e la guarda in una maniera che è ottimale per poter avere il numero massimo di interazioni se la lunghezza del sarcomero è in un certo 94

98 range. Ma non la vede più in maniera ottimale se stiro questo sarcomero, o lo metto in una posizione di accorciamento troppo accentuato, perché anche in questo caso arrivo ad un livello di sovrapposizione minore, con i filamenti di miosina che toccano le linee Z per cui non è possibile avere lo scivolamento che è fondamentale perché si sviluppi la forza. La quantità di Ca++ che si lega alla troponina è essenziale per determinare il numero di siti di interazioni che si possono creare. La quantità di Ca++ rende la macchina contrattile più efficace perché permette che questi attacchi e stacchi avvengono più velocemente, è un concetto che è conosciuto anche come concetto di CONTRATTILITA, cioè la capacità di rendere il sistema più efficiente, quindi permettere che nell unità di tempo si creano più attacchi e distacchi. È importante anche il tipo di miosina. Esistono delle miosine che dal punto di vista dello sviluppo di energia, quindi della loro capacità di interagire con le actina più rapide, e delle miosine che sono più lente. Se il numero dei ponti che si creano e si screano nell unità di tempo è il motivo dello sviluppo della mia forza, è chiaro che se io ho una miosina più lenta che permette più di attaccarsi ad interagire con l ATP a fare il processo della energizzazione..nell unità di tempo ho meno attacchi e distacchi e quindi più forza. RELAZIONE LUNGHEZZA TENSIONE La tensione sviluppata da un muscolo, quando il muscolo si contrae, dipende dalla lunghezza iniziale a cui si trova la fibra muscolare quando inizia la contrazione. Non è la lunghezza anatomica del sarcomero della fibra, ma parliamo di una fibra più stirata e meno stirata; e può essere stirata o meno stirata in dipendenza che il muscolo non è composto soltanto da elementi contrattili ma anche elementi elastici. Questa relazione tra la lunghezza e la tensione è molto importante proprio perché il muscolo è fatto anche da elementi elastici, noi dobbiamo considerare una tensione, sviluppata da un muscolo, divisibile in 2 tipi: tensione passiva, e tensione attiva. La tensione passiva è la tensione che il muscolo sviluppa quando non si sta contraendo, e che dipende dal fatto che esistono degli elementi elastici, che sono disposti sia in serie che in parallelo con i sarcomeri. Questi elementi elastici rispondono semplicemente alla legge di Hooke, che dice che se io allungo un elemento elastico, questo sviluppa una tensione, che non è altro che una forza che tende ad opporsi all allungamento. Il tessuto elastico che è il tessuto connettivo del tendine e la titina. La tensione attiva, è la tensione che il sarcomero sviluppa quando c è la contrazione, quindi è una contrazione che dipende dagli elementi contrattili (actina-miosina). Quando vado a considerare un muscolo nella sua fase totale di sviluppo di tensione durante la contrazione devo considerare che la tensione totale sarà la somma della tensione passiva e della tensione attiva. Cioè se un muscolo prima di contrarsi, proprio perché è posto ad una determinata lunghezza, si crea una tensione passiva che andrà a sommarsi alla tensione attiva che viene sviluppata quando il muscolo si contrae attivamente, e quindi io devo prendere in considerazione un totale di tensione. 95

99 Nella figura abbiamo un modello a 3 elementi: un elemento contrattile (sarcomeri) ed un elemento elastico disposto in parallelo (filamenti di titina e le nebulina in minore misura) ed un elemento elastico disposto in serie (tendine). È chiaro che quando allungo il muscolo, accorcio il muscolo passivamente, devo fare i conti con questi elementi elastici. Quando il muscolo viene a contrarsi attivamente la tensione sviluppata deve sommarsi alla tensione passiva generata dagli elementi elastici. COME SI MODIFICANO QUESTE TENSIONI AL VARIARE DELLA LUNGHEZZA? La relazione di questa lunghezza (cioè la lunghezza a cui io metto il muscolo prima di contrarsi) e la tensione che il muscolo sviluppa in fase passiva ed in fase attive, ed il totale, mi permette di costruire quelle che noi chiamiamo le curve lunghezza-tensione che ci danno un idea ben precisa di come stanno le cose, come si sviluppano queste tensioni alle lunghezze diverse. Mentre la tensione passiva tende ad aumentare progressivamente man mano che il muscolo viene allungato, quindi se io mi metto a lunghezze maggiori partendo da una lunghezza di base al di sotto del quale invece la tensione non può essere sviluppata. La tensione passiva aumenta con un andamento esponenziale (linea blu) man mano che aumenta la lunghezza. Se io, invece, vado a considerare la tensione attiva (nella figura giù le onde rappresentano l eventi contrattile), vediamo che la tensione attiva cresce aumentando la lunghezza della fibra muscolare fino ad un certo punto, dopodiché comincia a decrescere, cioè a differenza della tensione passiva, che cresce sempre all aumentare della lunghezza, la tensione attiva cresce, raggiunge un valore massimo dopodiché allungando ancora cade progressivamente fino a zero. Quindi noi abbiamo una lunghezza ottimale alla quale il muscolo sviluppa la massima tensione attiva, e quindi la tensione totale è la massima possible. A lunghezza inferiori, noi abbiamo 96

100 una tensione totale minore, perché è minore ovviamente la tensiona passiva e quella attiva, ma a lunghezze maggiori abbiamo ancora una tensione totale ancora minore perché sì che è cresciuta la tensiona passiva ma è calata la tensione attiva. Quella tensione che il muscolo ha al suo interno prima che inizi la contrazione e che dipende dalla lunghezza che si trova la chiamiamo PRECARICO. Il muscolo è precaricato, cioè ha una tensione di partenza nel suo interno sulla quale si inscriverà la tensione attiva che viene sviluppata quando il muscolo si contrae. Come vediamo dal grafico sopra, esistono delle lunghezze ottimali a cui la tensione attiva è massima, e rimane costante per queste lunghezze, sotto il quale la tensione passiva è diminuita, e per valori superiore la passiva è aumentata ma la attiva crolla fino allo zero. Perché la tensione attiva si comporta così? Percchè il suo comportamento dipende dalla lunghezza del sarcomero, ed dipende quindi dalla possibilità di interazione di filamenti di actina e di miosina. Nella figura noi vediamo come per lunghezza del sarcomero che siano intorno ai 2-2,2 µm, noi abbiamo la possibilità di sviluppare la massima tensione attiva, e questo perché le teste delle miosine sono in possibilità di interazione, la migliore possibile, con le actine. Sono giustapposti, c è uno spazio disponibile per lo scorrimento adeguato alla possibilità a questi attacchi e stacchi avvengano correttamente. Se noi andiamo a lunghezze inferiori, vediamo che esiste la giustapposizione dei filamenti, ma esiste anche una sovrapposizione di miosina-actina che non permette lo scivolamento corretto. A lunghezze molto ridotte non abbiamo uno scivolamento, quindi la tensione che si sviluppa è ZERO. Ma se andiamo a lunghezze maggiori tiriamo progressivamente i filamenti di actina rispetto a quelli di miosina e la tensione cade fino ad una lunghezza in cui sarà ZERO. La relazione L-T non è importante soltanto per dirci quale è la tensione totale (e massima) che un muscolo può sviluppare, ma ci permette anche di capire quale è l intetià di accorciamento del muscolo. Quando una contrazione avvien contro un carico, cioè lo scopo di questa contrazione è lo spostamento del carico, la prima fase è una fase 97

101 isometrica, perché il muscolo si contrae, deve sviluppare una tensione che sia sufficiente a vincere il carico, dopodichè ho l accorciamento. Nel grafico vediamo l andamento della fase di sviluppo della tensione isometrica (attiva). Partiamo da una lunghezza L0, come vediamo è una lunghezza buona a cui il muscolo è capace di sviluppare la massima tensione. Immaginiamo di dover spostare un carico che ha un valore P2, ed ho un carico che ha un vaolore P. il carico minore, cioè esecita una forza minore, come verrà spostato? Partendo da L0, si ha una contrazione isometrica (frecia verde), come vediamo sale la tensione ma non varia la lunghezza, raggiunto il valore uguale a P2, il muscolo comincia ad accorciarsi. Accorciarsi significa ridurre la sua lunghezza, man mano che io riduco la lunghezza la tensione massima sviluppabile (quindi non quella che abbiamo raggiunto prima, ma quella che il muscolo sarebbe capace di generare al massimo) tende a diminuire. Se devo spostare un carico maggiore mi devo spostare più in alto (vedi seconda frecia verde). Durante l accorciamento, se io vado a controllare punto a punto questa tensione massima, la tensione massima cala, cioè la tensione massima che il muscolo è in grado a sviluppare va progressivamente diminuita. Il muscolo in accorciamento raggiunge la lunghezza alla quale la massima tensione sviluppata è uguale al carico, l accorciamento cessa. Andiamo a vediare il caso del peso P (maggiore del precedente): devo sviluppare inizialmente una tensione maggiore, il muscolo comincia ad accorciarsi solo quando arriva alla tensione necessaria, man mano che si accorcia, la tensione massima sviluppabile cala, quando io arrivo alla lunghezza alla quale la tensione massima è uguale al carico, l accorciamento si ferma. Come vediamo, l accorciamento è molto maggiore con un carico inferiore rispetto a quanto è con il carico maggiore. Cominciamo ad aumentare il carico, vediamo che ò accorciamento si riduce sempre di più fino ad arrivare alla contrazione isometrica pura, cioè il carico è uguale alla tensione massima sviluppabile alla quale io non avrò un accorciamento: l accorciamento è ZERO. Quindi, l accorciamento inizia dopo aver raggiunto una tensione che è in grado di vincere il carico (fase isometrica), durante l accorciamente (fase isotonica) la tensione massima scende progressivamente e quando si raggiunge la lunghezza alla quale la massima tensione sviluppabile è uguale al carico l accorciamento cessa. A parità di lunghezza iniziale, l intità dell accorciamento diminuisce con l aumentare del carco. 98

102 Come si può valutare l efficienza di una attività isotonica? L efficienza la valuto considerando la velocità dell accorciamento. Nella figura a sx, riportata la tensione attiva che il muscolo sviluppa in fase attiva, la tensione che il muscolo deve raggiungere durante la fase di contrazione aumenta all aumentare del carico. Quando il muscolo ha raggiunta quella determinata tensione, si ha l accorciamento; cioè la tensione rimane costante ed il muscolo si accorcia, l accorciamento lo possiamo valutare valutando la velocità con cui si ha lo spostamento nel tempo. Vediamo nella figura (a sx) che ognuna di queste rette ci presenta la velocità ad una pendenza diversa, V1 corrisponde ad un accorciamento contro un carico P1, vediamo qui la velocità molto minore rispetto a quella che noi abbiamo P2 (carico minore). Accorciamento maggiore a carico minore significa ovviamente: velocità maggiore. A sx: abbiamo l andamento della curva di tensione nel tempo quando devo spostare un carico P. La tensione sale fino al valore di P, poi rimane costante, e quando poi la contrazione finisce c è il rilasciamento, la tensione scende al valore di partenza. Durante questa costanza di tensione noi abbiamo l accorciamente (l altra curva). Vediamo come l accorciamento si sviluppa nel tempo, la velocità dell accorciamento è costante all inizio e poi, man mano che ci avviciniamo alle lunghezze a cui la tensione massima raggiunge il valore del carico, la velocità tende a ridursi. RELAZIONE FORZA-VELOCITA (CONTRAZIONE ISOTONICA) È una relazione che ci permette di comprendere il comportamento della contrazione isotonica, soprattutto a carichi diversi. La velocità di accorciamento delle fibre muscolari dipende dalla velocità con la quale avviene il ciclo di interazioni actina-miosina. Dipende quindi da 3 fattori: - Carico applicato: è chiaro che se io applico un carico maggiore, la velocità è minore, perché la velocità con cui il ponte ruota è minore se il carico aumenta, a parità di attività ATPasica. Il carico normalmente viene ripartito per il numero dei ponti che sono attivi. Più ponti saranno attivi, meno sarà il carico per ciascun ponte, quindi la velocità che un ponte potrà avere sarà maggiore. - Velocità di attività ATPasica miosinica: abbiamo quelle lente e rapide (le vedremo più in là). 99

103 - Massima forza isometrica sviluppata: maggoire è la forza sviluppata (numero di ponti che si formano) -> maggiore è la velocità di accorciamento, a parità del carico applicato (minore è il carico applicato su ogni ponte). Grafico forza-velocità: vediamo che quando il carico è zero, la velocità è massima (condizione teorica perché il carico zero non esiste, mi si avvicina ad esso), la velocità va diminuendo all aumentare del carico fino ad arrivare al valore del carico che è praticamente uguale alla tensione massima sviluppabile, ed il carico non può essere spostato, per cui la velocità è zero. Se noi andiamo a caricare il muscolo con un carico maggiore della forza che il muscolo può sviluppare, vediamo che addirittura andiamo incontro ad una velocità negativa! Questa velocità negativa rappresenta il fatto che in realtà con quei carichi il muscolo viene allungato. Si ha allungamento del muscolo fino ad una valore, che è in genere il doppio del valore del carico massimo supportabile, in cui si ha il cosidetto cedimento del muscolo, l apparato contrattile del muscolo cede proprio nel senso esso non riesce neanche ad avere la possibilità di interazione perché i sarcomeri sono compleatamente allungati, e poi si arriva alla rottura delle fibre muscolari. La curva iperbolica (figura b), viene descritta dalla equazione che si utilizza per descrivere la relazione forza-velocità che è l equazione di Hill, che mette appunto il P (cioè la forza) e V( la velocità) dove la a e b sono la distanza degli asintoti dell iperbole dagli assi della curva F-V: K= (P + a) * (V + b). Quando parliamo di velocità-forza, noi possiamo dare un concetto che è importante per la fisiologia del muscolo: la potenza. Cioè la relazione forza-velocità, esprime anche la possibilità del muscolo di sviluppare una potanza. Quando si parla di potenza muscolare ci si riferisce alla potenza in fisica che è il prodotto tra la P e la V (Forza * Velocità). Nell andamento della potenza (curva blu, fig. a) vediamo che quando il carico è zero, o quando il carico è il massimo possibile, praticamente la potenza è zero. Cioè il muscolo non sviluppa potenza se non è caricato o se è caricato al massimo della sua capacità di sviluppo di tensione. Esiste invece una potenza massima che il muscolo può sviluppare, che noi vediamo a velocità ottimale (circa un terzo della velocità massima) ed a carico 100

104 ottimale (circa un terzo della tensione massima sviluppabile). Es: Se noi ci mettiamo in una condizione in cui facciamo accorciare il muscolo a una velocità che è un terzo circa della velocità massima, e questo corrisponde più o meno allo spostamento di un carico che circa un terzo della tensione max sviluppabile, noi abbiamo la max potenza. Cioè il muscolo con questi parametri è più efficiente. Le fibre muscolari che compongono un muscolo non sono tutte uguali. E vengono divise in 2 grandi categorie: Fibre rapide, e fibre lente. Nel grafico vediamo uno sviluppo di tensione nel tempo, di fibre rapide (rosso e blu) di rapidità diversa, e delle fibre lente. Quindi la prima cosa che salta l occhio è che la fase di contrazione è molto lenta nel secondo caso, cioè si raggiunge alla tensione massima molto più lentamente rispetto al primo caso. Ma questa raggiunta alla tensione massima più lentamente o più rapidamente incide anche sulla fase del rilasciamento. Se un sistema nervoso vuola una contrazione tetanica da un muscolo fatto prevalentemente da fibre rapide, si deve permettere delle frequenze di pda che sono diverse da quelle utilizzate per avere il tetano nelle fibre lente. Se io voglio sommare la seconda scossa alla prima in una fibra lenta noi dobbiamo avere frequenze minori. Queste fibre, in realtà, prevedono un gruppo intermedio di fibre cosidette intermedie, si chiama via di mezzo tra le rapide e le lente. La classificazione delle fibre muscolari: 101

105 Resistenza alla fatica (affaticabilità): la possibilità di mantenere una tensione nel tempo, per esempio, se queste fibre vanno in una contrazione tetanica, per quanto tempo risceono a mantenere questa tensione? Cioè se io continuo a stimolare una fibra muscolare producendo un tetano, alcune fibre possono mantenere questa situazione per poco tempo e dopodichè il muscolo è costretto a rilasciarsi, si affatica. Se la tensione è più mantenuta nel tempo a lungo, la fibra muscolare puo resistere alla fatica. Questo da che cosa dipenderà? Dipende dalle caratteristiche biochimiche di queste fibre, queste sono delle fibre che possono contrarsi soltanto in dipendenza di un metabolismo glicolitico non ossidativo; e poi ci sono fibre che invece possono fare conti con una contrazione di tipo ossidativo, perché hanno la mioglobina. Quindi fibre più resistenti alla fatica sono fibre che hanno un metabolismo ossidativo. E naturalmente questo metabbolismo ossidativo utilizza O2, e quindi richiede mioglobina (giustifica il colore rosso), le fibre bianche non hanno mioglobina (mioglobina cromoprotein da il colore rosso) non utilizzano O2, sono fatte così. Abbiamo questi tipi perché abbiamo bisogno di richiedere al muscolo grandi e diverse prestazioni, abbiamo bisogno di muscoli che abbiano fibre rapide, che devono fare movimenti assolutamente veloci; abbiamo bisogno di muscoli che invece facciano contrazioni prolungate nel tempo, e quindi fibre che si affaticano di meno. Quindi abbiamo queste diverse fibre perché diverse sono le caratteristiche dell atto motorio Le fibre rapide vengono utilizzate nei movimenti di tipo fascio, cioè che durano poco; a differenza invece delle fibre muscolari di tipo lento, che hanno la loro contrazione non solo più lenta ma dura per più tempo, ed hanno una grossa resistenza alla fatica, cioè riescono a mantenere la contrazione, soprattutto perché hanno un metabolismo ossidativo, e quindi le vedremo impegnati in movimenti, compiti, in muscoli che lavorano per mantenere le contrazioni nel tempo (contrazioni toniche). Il SNC che, ovviamente, deve poter organizzare e permettere movimenti di tipo diverso, richiede ai muscoli di produrre contrazioni con velocità diverse, con diversi livelli di forza, per periodi, più o meno, prolungati di tempo. Se io voglio un tipo di attività motoria fasica, per esempio un salto, respitto al caminare per un lungo tempo (attività di tipo tonica), il sistema nervoso deve poter avere a disposizione unità contrattili che rispondo a questa esigenza. I comandi motori, che siano di natura volontaria e che siano di natura riflessa, devono convergere sul motoneurone. I motoneuroni-α, localizzati a livello della corna anteriore del midolli spinale, che vengono chiamati (secondo Sherrington) la via finale comune, cioè tutto quello che è la mia programmazione dell atto motorio genera dei comandi che devono confluire su chi eseguirà questo comando, che è α-motoneurone, che riceve il risultato che queste integrazioni che avvengono nel SNC. Gli α-motoneuroni di un muscolo, sono tutti localizzati insieme a costituire i cosidetti nuclei motori. Se noi andiamo ad esaminare il numero dei motoneuroni che vanno ad innervare un muscolo, ed il numero 102

106 delle fibre muscolari che compongono il muscolo, vediamo che c è una enorme differenza! Il numero dei motoneuroni è sempre inferiore al numero delle fibre muscolari che compongono il muscolo. Abbiamo questa differenza perché un motoneurone può ottenere sotto-controllo un gruppetto di fibre muscolari, costituendo quella unità fondamentale del movimento, che noi conosciamo come unità motoria. Unità motoria: è costituita dal motoneurone e dalle fibre muscolari che vengono innervate da questo motoneurone. Cioè, il motoneurone ha un suo assone, l assone a livello terminale si sfiocca in un numero diverso di terminazioni, dove ognuna di queste terminazioni va ad innvervare una singola fibra muscolare. Il motoneurone attraverso queste ramificazioni del suo assone, può comandare un numero diverso di fibre muscolari. Tutte le fibre muscolari che cositituiscono una unità motoria sono dello stesso tipo. Quindi noi avremo motoneuroni che innveravno fibre di tipo A, motoneuroni che innervano fibre di tipo II B, e motoneuroni che innervano fibre I B. le caratteristiche funzionali delle fibre muscolari innervate da un motoneurone sono identiche. Quando un motoneurone genera un pda, questo pda che si propaga lungo l assone e lungo le terminazioni vanno (ognuno dei pda delle terminazioni) ad attivare contemporaneamente tutte le fibre muscolari che sono innervato da questo motoneurone. Ecco perché noi parliamo di unità motoria e parliamo di unità fondamentale del movimento, perché se parte un comando (pda a diversa frequenza) tutte le fibre innervate da quel motoneurone entreranno in contrazione. Le unità motorie non sono tutte uguali, ci si riferisce al rapporto di innervazione, cioè quante fibre muscolare innerva un motoneurone? Questo rapporto cambia in maniera tale che noi possiamo difenire unità motorie piccole, cioè quelle che hanno poce fibre muscolari innervate dal singolo motoneurone, ed unità motorie grandi, in cui il numero delle fibre muscolari innervate dal motoneurone è molto elevato. Questa differenza non deriva dalla grandezza del muscolo, ma dipende dal tipo di movimento che quel muscolo deve fare! Un unità motoria piccola permette al comando centrale (al sistema affrente che va a determinare o modulare il movimento) di graduare in maniera molto fine il movimento che deve essere compiuto; ecco perché noi troviamo unità motorie piccole, per esempio, nei muscoli della mano, i muscoli flessori ed estensori delle dita, che sono muscoli piccoli, ma ho unità motorie piccole e numero maggiore di motoneuroni che controllano il muscolo. Quindi io posso centralmente mettere in attività 1,2,3 un numero progressivo di motoneuroni determinando, quindi, contrazioni di un numero progressivo di fibre muscolare. Questo poter crescere in maniere molto graduata della forza muscolare, mi permette di compiere un movimento più fine. Una mano fa tante cose, può avere bisogno di contrazioni molto forti perché devo ottenere in mano un oggetto pesante; per poter fare un movimento fine perché devo ottenere in mano una cosa molto delicata. C è un attività modulatoria infinita delle mani. Tutti questi movimenti, come potrebbero essere fatti in maniera così dettagliata se noi non avessemo un orchestra, che sono i motoneuroni, formata da tanti elementi, per cui il direttore del comando che arriva può dire okey entra 103

107 in attività tu, entra in attività tu..ecc..tu comandi un piccolo gruppetto di fibre, e puoi, quindi, fare tutti tipi di graduazioni di movimenti. Un muscolo grossolano (termine poco scentifico) che deve semplicemente compiere un compito, il quadrocipite, per esempio, cosa ha bisogno di controllo fine del movimento? Molto poco, ma ha bisogno di poter sviluppare forza in maniera molto consistente, quindi ha bisogno, se mai, di poco motoneuroni che innervano più fibre. Abbiamo nella figura un nucleo motore (costituito da 3 motoneuroni in realtà molto di più!), ognuno dei suoi motoneuroni controlla un certo numero di fibre muscolari, nella figura ogni colore rappresenta una unità motoria, è importante osservare che le fibre muscolari che fanno parte di unità motoria in un muscolo sono mescolate con le fibre muscolari che fanno parte di altre unità motorie, cioè non sono impacchettati per ogni unità motoria. Sono tutte mescolate, e questo molto importante, per far sì che quando poche unità motoria sono in attività, la forza muscolare si eserciti su tutta la massa del muscolo, cioè si vada a distribuire su tutta la massa. Se no, io avrei soltanto contrazione che interessa una parte del muscolo e tutto il resto riname rilasciato. Quindi io distribuisco meglio la forza in tutto il l ambito muscolare. SUDDIVISIONE DELLE UNITA MOTORIE DA PUNTO DI VISTA FUNZIONALE È chiaro che se tutte le fibre muscolari che costituiscono una unità motoria sono di un certo tipo, e le fibre sono siddivili in tipo I, II A, e II B, noi possiamo suddividere le unità motorie in sottotipi. Cioè ci sarà un motoneurone che va ad innervare fibre di tipo I, e quindi nell insieme questa unità motoria avrà delle caratteristiche funzionali che, fondamentalmente, dipendono dalle caratteristiche funzionali delle fibre che la costituiscono ma che vedremo hanno anche caratteristiche che definiscono il funzionamento di quel motoneurone. In altri termini, il motoneurone, che va ad innervare certe fibre muscolari che costituiscono un certo tipo di unità motoria, ha delle caratteristiche funzionali che possono essere diverse da quello che va ad innervare le fibre di un altor tipo. Le unità motorie dal punto di vista funzionale sono divisi in: - unità motoria S (slow): sono costituite da fibre muscolari tipo I. - unità motoria FF (fast - fatigable): sono costituite da fibre muscolari di tipo II B. - unità motoria FR (fast twitch, fatigue resistant): sono costituite dalle fibre tipo IIA. 104

108 Nella figura sopra vediamo la differenza delle intensità delle scosse (fibre I, IIA, IIB). Vediamo anche il grado di sviluppo di forza massima. Vediamo anche che cosa succe in un tetano incompleto, il raggiungimento della tensione massima è minore nelle unità di tipo S rispetto alle FR e quelle FF. E vediamo anche la resistenza alla fatica, essa si valuta in questo modo: si applica una stimolazione ad alta frequenza, generando un tetano, e questa stimolazione viene continuata nel tempo; vediamo la registrazione nei primi 6 minuti, poi la registrazione viene cessae sa va registrare 60 minuti dopo, la stimolazione sta coninuando, vediamo che la tensione, sviluppata durante il tetano, non è assolutamente caduta nelle fibre I; Quindi questa è una unità che riesce a mantere contrazioni prolungate senza affaticarsi. Vediamo una affaticabilità che è minore di quella che vediamo nella unità di tipo FR, in cui dopo 60 minuti vediamo che la tensione è crollata. Nelle rapide, dopo 2 minuti di una contrazione prolungata, la tensione è caduta e quasi si azzera. In un muscolo, le fibre muscolari e le unità motorie di che tipo sono? È evidente che ci sono muscoli molto rapidi, per esempio i muscoli estrinci dell occhio. Ci sono invece muscoli che, prevalentemente lenti, che avranno una prevalenza di unità motorie di tipo lento (S). però normalmente in un muscolo, noi troviamo una rappresentazione di tutte le unità motorie. E in un muscolo, le unità motorie lente sono più numerose (non prendendo in considerazione i casi estremi, cioè muscoli molto rapidi e lenti), e molto meno numerosi sono quelli di tipo FF. Esiste una correlazione ben precisa tra le proprietà intrinseche dei motoneuroni e le varie classi che unità motorie. In particolare le unità di tipo FF, sono innervate da motoneuroni grandi, che hanno assoni di grande diametro, e quindi velocità di conduzione elevate, ed in genere in queste unità motorie troviamo un numero elevato di firbe 105

109 muscolari. Quindi le unità motorie cosidetti grandi, sono, molto più probabilmente, unità di tipo FF. Le unità motorie di tipo S, sono formate da motoneuroni piccoli, con soma più piccolo e con assone di diametro minore rispetto a quelli precedenti, e quindi con una velocità di conduzione minore. Ed il numero delle fibre muscolari delle unità motorie, confrontando con quella dell altro tipo, è minore. Le unità motorie FR sono caratterizzate da motoneuroni con caratteristiche intermedie. Esiste un ordine di reclutamento ben preciso delle unità motorie quando noi compiamo un movimento. Ricapitolando il concetto, tutti i motoneuroni sono disposti nel nucleo motore, il comando arriva o dalle strutture superiori o dalle affrenze periferiche, a seconda del movimento se sia volontario o riflesso, questi motoneuroni delle unità motorie che entrano in attività in un certo movimento, non entrano in attività tutti inseme, ma entrano in attività con una sequenza ben precisa. Che è una sequenza sempre fissa, che va sotto il nome: il principio della dimension. Quindi, entrano in attività prima le unità di tipo S, poi le unità di tipo FR, e poi le unità di tipo FF. La stessa cosa noi la troviamo quando il movimento cessa. Quindi non cessano di funzionare tutte insieme le unità motorie, ma semetteranno di funzionare prima le FF, poi le FR e poi le S. Questo ha un significato funzionale ben preciso, perché in questo modo noi reclutiamo con un ordine l unità motorie, con un ordine chè direttamente proporzionale alla forza generata ed alla velocità con cui avviene la contrazione, ed è inversamente proporzionale alla resistenza ed alla fatica. Cioè io progressivamente io faccio reclutare prima unità motorie che sviluppano poca forza, poi la forza aumenta man mano che faccio entrare altre unità fino ad arrivare a quelle più rapide e che sviluppano forza maggiore. E vediamo anche che quelle reclutate per prime saranno le ultime a cessare. In questo principio della dimensione ci deve essere un concetto relativo alla dimensione del motoneurone, un neurone piccolo ha una resistenza di membrana elevata rispetto ad un neurone più grane, è chiaro se ho meno superficie di membrana, ho meno canali ionici passivi, e se ho una maggiore superficie ho più canali ionici passivi. L abbiamo fatto nella prima parte (proprietà passive), abbiamo detto che se io applico una corrente, cioè faccio arrivare un input afferente delle stesse intensità su un neurone piccolo e su un neurone grande, l eccitabilità è maggiore nel neurone piccolo, cioè il neurone piccolo entra in attività prima di quello grande. Ciò vuol dire che il neurone grande per essere reclutato, ha bisgno di più arrivi sinaptici, e di più sommazioni sinaptici. Se il motoneurone picco è quello che fa parte dell unità S e quello grande fa parte dell unità FF, il motoneurone che sarà attivato primo è quello piccolo, quindi di tipo S. 106

110 Attraverso l intensità dello stimolo afferente al nucleo motore, io posso reclutare in maniera diversa le unità motorie che costituiscono quel gruppo muscolare. In altri termini, io posso aumentare la forza di contrazione che un muscolo sviluppa reclutando un numero maggiore di unità motorie. Io posso avere la necessità che questo muscolo sviluppi una forza limitata, bassa, e posso avere la necessità che questo muscolo sviluppi una forza massima possibile. Come posso regolare ciò? La regolo facendo entrare in attività un numero maggiore o minore di unità motorie. Quindi nel numero minore delle attività motorie che quindi diventa un numero maggiore, e devo immaginare questo principio della dimionsione, cioè chiamerò prima S, FR, poi FF. Però io aumento il numero dei motoneuroni che sono attivi, e questo si verifica proprio perché sa ha il fenomeno di sommazione sinaptica a livello dei singoli motoneuroni che consentono ai motoneuroni di raggiungere progressivamente la soglia per la scarica. Quindi aumentando l intensità delle fibre afferenti io possono fare reclutare un numero maggiore di motoneuroni, sviluppando sempre maggiore forza di contrazione, raggiungendo il massimo quando tutti i motoneuroni sono attivi. Ma nel caso in cui queste unità motorie siano tutte attive, è possibile aumentare ulteriormente la forza di contrazione di un muscolo? Sì, è possibile regolando la frequenza di scarica di questi motoneuroni; quando il motoneurone è già attivo, fa contrarre le fibre muscolari che sta innervando, noi sappiamo che le fibre muscolari possono contrarsi partendo da una scossa semplice fino ad arrivare a tetani completi, il che dipende dalla frequenza con cui il motoneurone genera il pda. Ma la frequenza di scarica di un motoneurone da che cosa dipende? Dipende dalla forza degli input sinaptici, perché più è la sommazione sinaptica, maggiore sarà la frequenza di scarica del motoneurone. I motoneuroni non generano mai un singolo pda, quindi la contrazione muscolare non va mai a generare una singola scossa; la scossa semplice è in realtà una cosa che esiste in laboratorio, se noi andiamo a considerare la modalità di scarica di un motoneurone, esso sempre ha una frequenza di pda, quindi le nostre contrazioni sono, normalmente, tetani incompleti, che possono diventare completi, incrementando la frequenza di scarica del motoneurone. Nel concetto della modulazione della foza, prima di tutto noi dobbiamo considerare la possibilità di incrementare la forza muscolare aumentando il n delle unità motorie che sono attive. Per esempio, nel grafico a sx, vediamo un motoneurone che innerva una sola fibra muscolare (situazione molto poco probabile) e vediamo le unità motorie X ed Y che innervano un certo n di fibre muscolari: quando vado ad attivare una singola fibra vedo che la tensione sviluppata è molto bassa. Quando vado ad attivare una unità motoria X che innerva 5 fibre (ricordiamo che tutte le fibre sono mescolate) ho uno sviluppo di tensione maggiore; l unità Y che innerva 7 fibre muscolari porta allo sviluppo di ancora più tensione. 107

111 Nel grafico è riportato lo sviluppo di forza di un muscolo (il gastrocnemio mediale del gatto) in varie situazioni comportamentali, in relazione alla percentuale delle unità motoria che via via sono state reclutate. Quando c è una attività motoria lenta abbiamo una forza muscolare molto bassa e le unità motorie attive sono poche, incrementando il numero di attività motorie che noi facciamo entrare in attività in questo muscolo (S, FR,FF), noi passiamo a un reclutamento di fibre veloci e resistenti alla fatica (FR), e questo lo abbiamo quando il gatto inizia a correre. Ed invece quando l animale comincia a galoppare si ha il reclutamento di unità motorie che sono a grande sviluppo di tensione e soprattutto con grande veloctà di contrazione. Nei compiti motori che richiedono un aumento lento della forza in cui abbiamo un reclutamento di unità motorie graduale, vediamo che progressivamente, man mano che incrementa il livello di forza, aumenta anche la frequenza di scarica della unità motorie. Cioè noi partiamo da frequenze, in genere, sono intorno agli 8 Hz (8 impulsi/sec) andando poi ad incrementare progressivamente. Vediamo come quando aumenta il numero delle unità motorie attive, la popolazione si sposti più a destra, perché stiamo sviluppando più forza, e quindi l andamento di sviluppo della frequenza sia più o meno simile. Noi andiamo da frequenze sempre basse poi andiamo a raggiungere ad un massimo che è quello che la unità motoria può generare. (sappiamo che un neurone ha un limite che è determinato dalla impossibilità di generare un secondo pda senza rischiare nel cadere nel periodo refrattario assoluto del precedente). La frequenza di scarica dei α-motoneuroni è tale da generare dei tetani incompleti. La cosa importante da considerare, è che quando le unità motorie sono attive, la loro attività è sempre asincrona, cioè non sono attive contemporaneamente nello stesso tempo, ma si alternano nella loro attività, e sopratutto la contrazione ed il rilasciamento delle diverse unità motorie durante il tetano incompleto, avviene in maniera asincrona rispetto all unità vicina o all unità che sta contemporaneamente scaricando. Questo consente di avere un movimento continuo; Se noi avessimo delle unità motorie che hanno tutte il loro tetano 108

112 incompleto contemporaneamente noi avvremo delle contrazioni così: si contrae e si rilascia si contrae e si rilascia..invece la contrazione è lisca, non perché c è una contrazione tetanica fusa liscia, ma perché mentre unità è in fase di rilasciamento, un altra è in fase di contrazione, il che fa sì che il movimento diventi un movimento continuo. Dall altra parte, questo consente anche di mantenere una forza di contrazione costante nel tempo e riduce la fatica delle fibre delle singole unità, cioè se io faccio lavorare in maniera asincrona non simultanea, posso, per esempio se io voglio fare entrare in attività una FF, la FF, la faccio entrare in attività poi la faccio sospendere, in maniera tale da evitare l affaticamento delle fibre che sono meno resistenti alla fatica. 109

113 Divergenza e Convergenza: Vediamo nelle figure due circuiti: divergente e convergente. Divergenza: un neurone va ad innervare contemporaneamente un certo numero di neuroni, quindi tiene sottocontrollo un certo numero di neuroni. I quali, ognuno di questi diverge su altri neuroni. Convergenza: Lo stesso neurone riceve afferenze (assoni) da neuroni diversi. L esistenza di questo tipo di organizzazione, soprattutto la convergenza, ci spiega 2 fenomeni molto importanti: Facilitazione, e, Occlusione. - Facilitazione: Immaginiamo di considerare un gruppo di neuroni che sono, per esempio, presente in un unico nucleo motore, che ricevono afferenze da una via nervosa A, e riceve contemporaneamente la via afferente B. noi ci troviamo qui in una situazione (in questo schema) in cui due neuroni che sono sottocontrollo di solo A,e due sono sottocontrollo di B. mentre il neurone n 4 riceve afferenza dalla vi A e dalla via B. Immagginiamo di stimolare la via A, cioè la via A è attivata se ci sono pda, la sua attivazio fa arrivare alla soglia di scarica il neurone 2 ed il neurone 3, mentre attiva sottosoglia il neurone 4, cioè qui arrivano dei segnali sinaptici che però non sono sufficientemente intensi da generare la risposta pda in quel neurone; Però quel neurone 4 noi lo dobbiamo immaginare facente parte di una cosidetta frangia subliminale, cioè sono neuroni sul livello di eccitazione che però non è sufficiente a generare il pda. In questa condizione le fibre muscolari innervate 110