Corso integrato di scienze morfofunzionali. Fisiologia. Mariarosaria Santillo

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Mariana Colonna
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1 Corso integrato di scienze morfofunzionali Fisiologia Mariarosaria Santillo

2 Libro di testo Fisiologia Umana - Fondamenti di AA Edi-ermes, 2018 Altri testi consigliati Scotto P., Mondola P., Fisiologia, Poletto Editore Stanfield C.L., Fisiologia, IV Edizione EdiSES

3 Divisione afferente Divisione efferente

5 Potenziale di membrana ed eccitabilità cellulare

6 La membrana cellulare è sede di separazione di cariche elettriche Principio di elettroneutralità +,- uguali Membrana plasmatica +,- uguali Faccia extracellulare -70mV Faccia citoplasmatica

7 Potenziali di membrana in vari tipi cellulari Cellula Potenziale di membrana (mv) Assone gigante di calamaro -70 Fibra muscolare di rana -90 Globulo rosso umano -10 Neurone di gatto -80 Uovo di riccio di mare -40

9 Canali ionici

10 Profilo di idrofilia di due canali per il K+

11 Proprietà dei canali ionici Lasciano passare gli ioni secondo i loro gradienti elettrochimici Sono dotati di selettività: riconoscono e selezionano le diverse specie ioniche Possono essere dotati di un meccanismo di gating: alcuni canali ionici si aprono e si chiudono in risposta a segnali specifici che possono essere di natura elettrica, meccanica o chimica

concentrazione a cavallo della membrana La forza di natura

12 Gli ioni sono sottoposti sia a forze di natura chimica che elettrica La forza di natura chimica è il gradiente di concentrazione a cavallo della membrana La forza di natura elettrica è la differenza di potenziale a cavallo della membrana

13 Le forze che determinano il movimento di ioni attraverso la membrana sono: 1. Le differenze di concentrazione tra interno ed esterno della cellula (gradiente chimico) 2. La differenza di potenziale elettrico tra i due lati della membrana (gradiente elettrico) La somma di queste due forze viene chiamata gradiente elettrochimico.

Il passaggio ionico attraverso i canali richiede un legame ad alta affinità con i siti della regione del filtro Filtro di selettività E il punto

Ione Raggio anidro (Å) Raggio idrato (Å) Na + 0.98 2.91 K + 1.33 1.88 Cl - 1.80 1.

14 Il passaggio ionico attraverso i canali richiede un legame ad alta affinità con i siti della regione del filtro Filtro di selettività E il punto più stretto del poro canale, la cui parete è caratterizzata da una sequenza aminoacidica, con elevata affinità per una determinata specie ionica. Ione Raggio anidro (Å) Raggio idrato (Å) Na K Cl Il filtro di selettività deve adattarsi al diametro dello ione anidro: se è più grande, la disidratazione non è completa e lo ione non passa. Ovviamente lo ione non passa nemmeno se il filtro è più piccolo

16 Diversi stati funzionali dei canali ionici voltaggio-dipendenti

17 Nav

18 Cav

19 Kv

20 Il potenziale di membrana origina: 1. Dall ineguale distribuzione ionica degli ioni inorganici tra il mezzo intra- ed extracellulare (Na +, K + e Cl - ) 2. Dalla dotazione di canali ionici che determinano la permeabilità selettiva della membrana

21 Distribuzione dei principali ioni ai capi della membrana cellulare Ione Citoplasma Liquido extracellulare Potenziale di Nernst* (mm) (mm) (mv) K Na Cl A Potenziale di membrana al quale non vi è alcun flusso netto di un determinato ione attraverso la membrana

22 Alla base del potenziale di membrana vi è il concetto di potenziale di equilibrio di uno ione Potenziale di equilibrio Un potenziale di equilibrio si verifica sempre quando: Uno ione è distribuito in concentrazioni diverse ai due lati di una membrana (gradiente di concentrazione) La membrana è permeabile solo a quello ione (permeabilità selettiva)

23 Il potenziale di membrana al quale si raggiunge l equilibrio elettrochimico dello ione è detto potenziale di equilibrio dello ione

24 Il potenziale di equilibrio può essere calcolato dall equazione di Nernst Ei RT zf [ C] ln [ C ] 1 2 R, costante dei gas = J/mol K T, temperatura assoluta ( K) F, costante di faraday (96,500 Coulomb)

25 L equazione di Nernst descrive il valore del potenziale di membrana al quale uno ione si trova all equilibrio elettrochimico L equazione di Nernst descrive correttamente il potenziale di membrana solo se la membrana è permeabile ad un solo ione

26 Ipotesi iniziale della genesi del potenziale di membrana 1902 Bernstein Potenziale di equilibrio del K +

GENESI DI UN POTENZIALE DI DIFFUSIONE Si genera quando la membrana è permeabile in misura diversa alle varie specie ioniche Diversa permeabilità al Na e al K: la membrana è più permeabile

28 GENESI DI UN POTENZIALE DI DIFFUSIONE Si genera quando la membrana è permeabile in misura diversa alle varie specie ioniche Diversa permeabilità al Na e al K: la membrana è più permeabile al K Il suo raggiungimento comporta: Equilibrio elettrico ma squilibrio chimico Flusso netto non nullo delle varie specie ioniche Un potenziale di diffusione non si mantiene indefinitivamente

29 Confronto tra potenziale d equilibrio e di diffusione Potenziale di equilibrio: La specie ionica diffusibile è all equilibrio elettrochimico (vale l equazione di Nernst) Il potenziale di membrana coincide con il potenziale di equilibrio della specie ionica diffusibile (V m =E i ) Il potenziale di equilibrio si mantiene indefinitamente Potenziale di diffusione: Le specie ioniche diffusibili non sono all equilibrio elettrochimico (non vale l equazione di Nernst) Il potenziale di membrana non coincide con il potenziale di equilibrio di alcuna delle specie ioniche diffusibili (V m E i ) Il potenziale di diffusione non si mantiene indefinitamente

30 Preparazione di assone gigante di calamaro

31 Equazione di Goldman (o GHK) Vm= RT ln P K [K + ]e + P Na [Na + ]e + P Cl [Cl - ]i F P K [ K + ]i + P Na [ Na + ]i + P Cl [Cl - ]e P K : P Na : P Cl = 1 : 0,04 : 0,45 Quando una membrana è permeabile a diversi ioni il potenziale di diffusione che ne deriva dipende da tre fattori: 1. Il segno delle cariche di ogni specie ionica 2. La permeabilità della membrana (P) per ogni specie ionica 3. La concentrazione delle rispettive specie ioniche all interno (i) ed all esterno (e) della cellula Tanto più la membrana è permeabile ad una specie ionica, tanto maggiore sarà la forza che tale specie ionica eserciterà nello spostare il valore del potenziale.

32 I neuroni comunicano grazie a variazioni del potenziale di membrana a riposo di due tipi: Potenziali graduati Potenziale d azione In entrambi i casi le variazioni di potenziale sono dovute all apertura di canali ionici ad accesso regolato

33 Proprietà dei potenziali graduati Il potenziale d azione

34 Potenziali d azione di diverse cellule eccitabili

35 Lo stimolo soglia

36 Periodo refrattario Durante ed immediatamente dopo un potenziale d azione la membrana è meno eccitabile che a riposo. Questo periodo di ridotta eccitabilità è detto periodo refrattario

37 Fasi temporali del potenziale d azione Raggiungimento della soglia e avvio del ciclo di Hodgkin Fase depolarizzante rapida ascendente e overshoot (inversione temporanea della polarità di membrana) (fase 1) Ripolarizzazione (fase 2) Iperpolarizzazione postuma (fase 3) Ritorno al potenziale di riposo

38 ciclo di Hodgkin

39 Il raggiungimento del valore di picco del Potenziale d Azione è determinato da diversi fattori: - L avvicinamento del potenziale di membrana al valore del potenziale di Nernst per lo ione Na + (circa +65mV). Vicino a questo valore la forza elettromotrice sullo ione diminuisce e quindi la corrente tende a zero - Con la depolarizzazione si ha l inattivazione dei canali per il Na+ - In maniera ritardata rispetto ai canali del Na +, si attivano i canali del K + voltaggio-dipendenti. Al valore di potenziale del picco il gradiente elettrochimico del K+ è molto elevato (+30 (-90) =+120mV ) Lo ione potassio ha quindi un gradiente elettrico e chimico molto favorevole per uscire dalla cellula.

40 Modello di funzionamento dei canali del sodio voltaggio-dipendenti

41 La fase di ripolarizzazione è dovuta all apertura dei canali del potassio e al flusso di ioni K + dall interno all esterno della cellula lungo il gradiente elettrochimico. In questa fase la fuoriuscita di K+ non è accompagnata dall ingresso di Na+ in quanto i canali per il Na+ sono inattivi.

42 L uscita di potassio dalla cellula tende a continuare fino al raggiungimento del potenziale di Nernst per lo ione K +. Questo significa che il potassio tira il potenziale di membrana a valori più negativi del valore di riposo e da questo dipende l iperpolarizzazione postuma che può pesantemente condizionare l eccitabilità di una cellula. Infine, il ritorno al potenziale di riposo si ottiene grazie al ritorno ai valori di riposo della permeabilità della membrana al Na + e al K +

44 Ciclo dei canali voltaggio-dipendenti del sodio e del potassio nel corso del potenziale d azione

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