equilibri ionici e potenziali elettrici Prof. Davide Cervia - Fisiologia Fisiologia della cellula: eccitabilità

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1 equilibri ionici e potenziali elettrici 1

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4 differenza di potenziale di membrana a riposo i valori di Vm registrati comunemente variano da -40 a -90 mv E = Vm/d d: spessore della membrana il potenziale di membrana è una fonte di energia potenziale fondamentale 4

5 genesi di potenziali elettrochimici trans-membrana 5

6 differenza di potenziale che si genera tra interno ed esterno della cellula: potenziale di equilibrio (ad es. del K + = Ek) quando non ci sono movimenti netti, lo ione ha raggiunto l equilibrio elettrochimico: Vm = Ek se il potenziale di membrana non è uguale al potenziale di equilibrio si genera una forza elettromotrice: f.e.m. = Vm-Ek 6

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8 equazioni di Nernst, Goldman e potenziali di membrana a riposo una membrana separa due concentrazioni diverse dello stesso ione (X); la membrana è permeabile solo a quello ione; l equazione di Nernst calcola il potenziale elettrico dello ione X all equilibrio (Ex): Ex = (RT/zF) * ln[x]e/[x]i R: costante dei gas (8,315 joule/kelvin*moli) T: temperatura assoluta in gradi Kelvin z: valenza dello ione F: costante di Faraday (96500 coulomb/moli) [X] e-i : concentrazione extracellulare ed intracellulare dello ione semplificando: il rapporto RT/zF per un catione monovalente a 20 C = 25,2 mv logaritmi naturali in decimali (ln x = 2,303 log x) Ex = 58 mv * log [X]e/[X]i è positivo se il catione è più concentrato sul lato extracellulare e viceversa se X è un anione z è negativo, e succederà l opposto per gli ioni divalenti il fattore di moltiplicazione è 29 mv 8

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10 ENa = 58 mv * log [Na + ]e/[na + ]i = 58 mv * log145/12 = +63 mv EK = 58 mv * log [K + ]e/[k + ]i = 58 mv * log4/140 = -90 mv ECa = 29 mv * log [Ca 2+ ]e/[ca 2+ ]i = 29 mv * log1,5/0,0001 = +121 mv ECl = -58 mv * log [Cl - ]e/[cl - ]i = -58 mv * log117/4 = -85 mv 10

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12 nel caso di molti neuroni e cellule eccitabili l equazione di Nernst predice un potenziale di membrana di -90 mv (come se fossero permeabili solo al K + ), in realtà quello effettivo è di -60/-70 mv il valore del potenziale di membrana a riposo dipende non solo dalla concentrazione degli ioni a cavallo della membrana ma anche dalla permeabilità della membrana alle specie ioniche equazione di Goldman (o Goldman-Hodgkin-Katz) calcola la Vm di una cellula di mammifero a 20 C: Vm = 58 mv * log (Pk[K + ]e + PNa[Na + ]e + PCl[Cl - ]i / Pk[K+]i + PNa[Na + ]i + PCl[Cl - ]e) P: permeabilità se la P di Na + e Cl - ad es. è nulla, l equazione di Nernst è un caso particolare dell equazione di Goldman: Vm = 58 mv * log (Pk[K + ]e / Pk[K + ]i) 12

13 calcoliamo il potenziale a riposo di una cellula con permeabilità trascurabile al Cl - e con una permeabilità al Na + cento volte più piccola di quella del K + (PNa/PK = 0,01): Vm = 58 mv * log ((PNa/Pk)*[Na+]e + [K + ]e / ((PNa/Pk)*[Na + ]i + [K + ]i) quindi Vm = 58 mv * log (0,01* ) / (0,01* ) = -82 mv segnali elettrici generati da variazioni di conduttanza forme d onda di potenziali di membrana variabili nel tempo generano segnali di comunicazione tra cellule eccitabili condizioni essenziali: esistenza di gradienti stabili di concentrazione ionica possibilità di aprire e chiudere canali ionici per variare la permeabilità (o conduttanza) 13

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16 proprietà elettriche passive di membrana risposta lineare 16

17 la resistenza Rm è la componente resistiva associata al trasporto degli ioni Vm = Rm*Ir (legge di Ohm) Ir: intensità di corrente la capacità Cm è la componente capacitativa associata alle proprietà dielettriche del doppio strato (separa le cariche opposte) Cm = ε0*ε/d ε0: costante dielettrica nel vuoto d: spessore dello strato generalmente Cm = 1 μf/cm 2 17

18 ritardo nella risposta Vm (qualche ms): dovuto al tempo necessario perché il condensatore si carichi delocalizzando cariche opposte sui lati della membrana il ritardo è proporzionale al valore di Rm e Cm costante di tempo: τ = Rm*Cm tempo che Vm impiega a raggiungere il 63% della sua ampiezza massima per valori di Rm da 10 a Ωcm 2 e con Cm uguale a 1μF/cm 2, le costanti di tempo delle cellule eccitabili variano da 10 μs a 10 ms le proprietà passive associate a Rm e Cm condizionano gli andamenti temporali delle risposte elettriche delle cellule permettono di ottenere veloci variazioni positive o negative di potenziale di membrana in presenza di flussi di corrente ionica attraverso il doppio strato fosfolipidico 18

19 risposta attiva: potenziali d azione 19

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21 esperimenti di Alain Hodgkin e Andrew Huxley: basi ioniche ed eventi molecolari 21

22 risposta sottosoglia 22

23 risposta soprasoglia 23

24 1) Potenziale di soglia (tra -40 e -30 mv) 2) Na + extracellulare 24

25 3) Conduttanza 25

26 4) Ipotesi del Na + 26

27 5) Periodo refrattario frequenza f= 1/tr tr: periodo refrattario totale 27

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30 canali voltaggio-dipendenti 30

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32 canali del Na+ 10 geni per altrettanti canali 32

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36 neurotossine per i canali voltaggio-dipendenti 36

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39 canali del Ca geni per altrettanti canali attivazione veloce voltaggio-dipendente inattivazione veloce o lenta, controllata anche dalla concentrazione di Ca 2+ HVA (-40/-20 mv) di tipo L (4 sottotipi), N, P/Q, R LVA (-60/-50 mv) di tipo T (3 sottotipi) 39

40 la subunità principale α1 è composta da circa 2500 a.a. S5 e S6 formano il filtro di selettività 40

41 tipo L: α1s, α1c, α1d, α1f marcata inattivazione Ca 2+ -dipendente sensibili alle DHP (calcio-antagonisti) α1s, nel reticolo sarcoplasmatico dei muscoli scheletrici, β-cellule, midollare del surrene α1c, fase di plateau del PA ventricolare, β-cellule, midollare del surrene α1d, autoritmicità delle cellule pacemaker cardiache del seno α1f, controlla l ampiezza dei potenziali delle cellule amacrine e bipolari retiniche tipo N: α1b espressi nelle terminazioni dei neuroni simpatici postgangliari, nelle terminazioni presinaptiche di molti neuroni centrali bloccati dalla ω-conotossina GVIA tipo P: α1a espressi nelle terminazioni presinaptiche di molti neuroni centrali e motoneuroni bloccati dalla ω-agatossina IVA tipo Q: molto simili ai P 41

42 canali del K + canali K + aperti in una cellula eccitabile: fissano il potenziale di riposo accorciano i PA veloci terminano i periodi di attività intensa influenzano gli intervalli tra PA (treni) abbassano l efficacia di segnali eccitatori la subunità principale α non è in grado di formare singolarmente un canale funzionante il canale è formato da combinazioni omomeriche o eteromeriche di 2-4 α 42

43 esistono moltissimi tipi di canali K + (80 geni) si possono classificare dal punto di vista della funzione e del gate di attivazione canali K + voltaggio-dipendenti (Kv) attivati da depolarizzazione, inducono iperpolarizzazione tramite fuoriuscita di K + 9 tipi (Kv1-Kv9) delayed rectifier del calamaro gigante, attivazione lenta e debole inattivazione tipo A (KA), attivazione ed inattivazione veloci canali K + calcio-dipendenti (KCa) espressi in neuroni, muscoli e cellule secretorie ripolarizzano la membrana debolmente attivati da depolarizzazione, favoriti da aumenti della [Ca 2+ ]i SK, a bassa conduttanza BK, ad alta conduttanza 43

44 canali K + KCNQ ed ERG lentissima cinetica di attivazione, lunghe depolarizzazioni KCNQ mutati: epilessia, sindrome del Q/T lungo (allungamento della depolarizzazione ventricolare) ERG (famiglia di canali eag - responsabili del battito continuo delle ali di Drosophila esposta a etere) inattivati durante le depolarizzazioni sistoliche e attivati durante le ripolarizzazioni ventricolari, mutazioni causano aritmie o sindromi da Q/T lungo 44

45 canali K + inward rectifier (Kir) mantengono stabile il potenziale di riposo sostenuta corrente uscente di K + voltaggio-dipendenza invertita rispetto ai canali Kv (che sono outward rectifier ): si chiudono con le depolarizzazioni e si aprono con le iperpolarizzazioni importanti ad es. per mantenere il plateau sostenuto del PA ventricolare, grazie all assenza di correnti uscenti di K + durante la depolarizzazione (canali Kir chiusi e canali Ca 2+ di tipo L aperti) canali K + Ach-dipendenti (Kach o GIRK1) sono inward rectifier sono regolati da proteine G importanti nelle cellule pacemaker del nodo del seno 45

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47 canali K + ATP-dipendenti (KATP) sono inward rectifier tetramerici (4 α a 2 segmenti di transmembrana) associati a 4 subunità ausiliarie SUR (recettori per le sulfaniluree) aperti quando l ATP intracellulare è basso, si chiudono con ATP 1 mm iperpolarizzano le cellule a bassa energia metabolica proteggendole da una pericolosa iperattività determinanti anche per il rilascio di insulina dalle cellule β pancreatiche 47

48 propagazione e trasmissione di segnali nervosi il PA è il più importante segnale di trasmissione che utilizza 1) la componente periferica per inviare informazioni (afferenti) al sistema nervoso centrale 2) il sistema nervoso per interpretare ed elaborare le informazioni e per inviare segnali (efferenti) alla componente effettrice neurone = unità funzionale del sistema nervoso 48

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50 le cellule gliali (neuroglia) sono più numerose dei neuroni (50:1) 50

51 mediamente circa 25 avvolgimenti (50 strati di membrana) 51

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53 potenziali graduati ed impulsi tutto-o-niente (treni di PA) 53

54 propagazione elettrotonica 54

55 decadimento elettrotonico Vx = V0 * e -x/λ Vx: potenziale alla distanza x V0: corrente massima di ingresso λ: costante di spazio la distanza a cui il potenziale Vx = V0/e cioè quando Vx è diminuito del 63%, ovvero Vx = 0,37 V0 λ determina quanto lontano può arrivare un potenziale graduato lungo la fibra 55

56 λ = RADQ (Rm/Ri) Rm: resistenza di membrana Ri: resistenza interna della fibra se la λ di una fibra amielinica è 1 mm quella di una fibra mielinica di pari diametro è 7 mm λ è direttamente proporzionale alla RADQ del diametro 56

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58 nei neuroni a circuito locale o non-eccitabili (che in genere sono anassonici, bipolari, abbastanza corti) i segnali si propagano sotto forma di potenziali graduati che decadono elettrotonicamente in ampiezza ma sono sufficienti a raggiungere la terminazione sinaptica per gli altri neuroni con assoni lunghi anche decine di centimetri e per le fibre muscolari scheletriche la trasmissione avviene per le proprietà rigenerative del PA che si propaga lungo la fibra senza alterare la sua forma e l ampiezza 58

59 la propagazione è unidirezionale senza decadimento e perdura per tutta la lunghezza dell assone 59

60 la velocità di propagazione v si può semplicemente considerare in funzione di λ, che è proporzionale al diametro: v è direttamente proporzionale alla RADQ del diametro 60

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62 conduzione saltatoria 62

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66 in condizioni patologiche la guaina mielinica può andare incontro a degenerazione causando problemi nella conduzione dell impulso 66