Elettricità cellulare

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1 a.a. 2005/2006 Laurea Specialistica in Fisica Corso di Fisica Medica 1 Elettricità cellulare 30/3/2006

2 Sistemi biologici Essenzialmente costituiti da acqua (solvente) e da differenti soluti (molti dei quali in forma ionica) La presenza delle soluzioni elettrolitiche e l instaurarsi di d.d.p. tra le membrane cellulari sono la causa di fenomeni biolelettrici stazionari (potenziale di membrana) transienti (potenziale d azione) Quando due soluzioni elettrolitiche separate da una membrana sono a potenziale V 1 V 2 tra le pareti della membrana agisce un campo E con flusso di corrente J = j N A Z e

3 Potenziale chimico Una mole di soluzione di concentrazione C a temperatura T ha potenziale chimico μ = R T ln C + μ 0 per uno ione di valenza Z si avrà potenziale V μ = R T ln C + Z N 0 e V + μ 0 La condizione di equilibrio tra soluzioni diverse separate da membrane cellulari permeabili μ 1 = μ 2 R T ln C 1 + Z N 0 e V 1 =R T lnc 2 + Z N 0 e V 2 Z N 0 e (V 1 -V 2 ) = R T ln(c 2 / C 1 )

4 Equazione di Nerst V 1 -V 2 = (R T / N A e Z) ln(c 2 / C 1 ) se V 1 =V 2 C 1 = C 2 legge di Flick per la diffusione libera se V 1 >V 2 C 2 > C 1 per Z > 0 C 2 < C 1 per Z < 0 e viceversa se V 2 > V 1 L equilibrio è possibile solo se la diffusione è causata dal gradiente di concentrazione ha verso opposto al flusso del soluto prodotto dal campo E diretto da V maggiore e V minore

5 Miscugli di ioni Se una soluzione contiene ioni diversi per ciascuno dei quali la membrana è permeabile ad esempio Cl, Na +, K +, CO 3 H, Ca ++ la relazione di Nerst è valida singolarmente per ogni tipo di ione, a seconda delle concentrazioni {Na + } 2 /{Na + } 1 = {Cl } 1 /{Cl } 2 = [{Ca ++ } 2 /{Ca ++ } 1 ] 1/2 Ogni coppia di ioni obbedisce alla condizione di equilibrio di Donnan-Gibbs {Cl } 2 {Na + } 2 = {Cl } 1 {Na + } 1 La situazione deve essere riesaminata se vi è impermeabilità anche a un solo tipo di ione

6 La sinapsi La sinapsi è la struttura nella quale i segnali sono trasferiti da un neurone ad un altro Nella sua parte distale Neurone presinaptico l assone si ramifica e prende contatto con una o più cellule (solitamente alcune migliaia) Fessura sinaptica il segnale trasmesso con il potenziale d azione dal neurone pre-sinaptico Neurone post sinaptico va ad influire sul potenziale di membrana del neurone post-sinaptico

7 Classificazione sinapsi L effetto sul neurone post-sinaptico può essere sia una depolarizzazione (sinapsi eccitatoria) che una iperpolarizzazione (sinapsi inibitoria) Sinapsi elettriche Sinapsi chimiche Dirette (o ionotropiche) Neuromodulatorie Eccitatorie Eccitatorie Inibitorie Giunzione neuro-muscolare Indirette (metabotropiche) Eccitatorie Inibitorie

8 Differenze sinapsi chimica sinapsi elettrica nm 9.5 nm depolarizzazione iperpolarizzazione ms < 1 ms

9 Sinapsi elettriche Si incontra molto di rado nel Sistema Nervoso onda di depolarizzazione del potenziale d azione passa da una cellula all altra attraverso una struttura specializzata (giunzione comunicante) membrane pre e post sinaptiche ravvicinate Presenza di strutture specializzate, i connessoni veri e propri ponti citoplasmatici Il canale è molto più ampio che nei canali ionici e lascia passare tutti i tipi di ioni e anche piccole molecole organiche

10 Giunzione comunicante Non è una struttura tipica dei neuroni canale formato da pori intarcellulari 3.5 nm 20 nm si trova in molti tessuti e serve a mettere in comunicazione il citoplasma di più cellule dello stesso tessuto (tessuto epatico, epiteliale, ecc)

11 Caratteristiche Le sinapsi elettriche: sono solo eccitatorie normalmente sono bidirezionali un potenziale d azione nel neurone pre-sinaptico scatena invariabilmente un potenziale d azione nel neurone post-sinaptico non permettono l integrazione di più segnali sinaptici (problema dell Altzheimer) Sono utilizzate quando: serve rapidità nella trasmissione del segnale è richiesta la sincronizzazione di più cellule

12 Utilizzo Quando serve rapidità nella trasmissione del segnale nei circuiti che presiedono ai sistemi di fuga dei pesci e dei molluschi nel sistema visivo dei vertebrati Quando è richiesta la sincronizzazione nella attività di più cellule nel muscolo cardiaco nel quale le fibre devono contrarsi in sintonia

13 Sinapsi chimiche Neurone pre-sinaptico rilascia un messaggero chimico (neurotrasmettitore) che attraversa la fessura sinaptica Neurotrasmettitore e va ad agire su proteine specializzate della membrana post-sinaptica potenziale post-sinaptico modificandone la permeabilità agli ioni e creando un cambiamento del potenziale del neurone (PPS)

14 Funzionamento segnale recettore membrana specializzata del neurone post-sinaptico