Fenomeni elettrici che interessano la cellula

Transcript

1 Fenomeni elettrici che interessano la cellula In quasi tutte le cellule dell organism o si generano potenziali elettrici a livello della m em brana cellulare Alcune cellule, come quelle nervose e muscolari sono inoltre in grado di generare impulsi elettrochimici a livello delle loro membrane e di utilizzarli per trasm ettere segnali In altri tipi di cellule, come le cellule ghiandolari, i macrofagi e le cellule ciliate, le variazioni del potenziale di m em brana sono importanti per il controllo di m olte funzioni cellulari

2 Concentrazioni ioniche approssim ative in cellule muscolari di m ammifero e nel liquido interstiziale (m Eq/l) LIQUIDO INTRACELLULARE LIQ UIDO EXTRACELLULARE CATIONI Na K Altri 5 ANIONI Cl HCO A- 155 Altri 7 H , ph 6,9 7,4

3 Il potenziale di m em brana Patch-clam p E dovuto a: 1) com posizione ionica differente fra l esterno e l interno 2) membrana tra i due com parti selettivam ente perm eabile ai singoli ioni

4 Come nasce il potenziale di m em brana? Immaginiamo CELLULA LIQUIDO EXTRACELLULARE K + A - K + A - K + A - All interno accum ulo di cariche - dovuto alla presenza di A - A ll esterno accum ulo di cariche + dovute all uscita di K + per gradiente di concentrazione;

5 Si crea così un GRADIENTE ELETTRICO (INTERNO -; ESTERNO +) che si oppone all uscita di K* Esiste un POTENZIALE DI EQ UILIBRIO E K per il quale il gradiente elettrico fa equilibrio al gradiente chimico. A questo valore di potenziale il flusso di K + che esce dalle cellule uguaglia quello che entra. Il potenziale di equilibrio si ricava con la Equazione di Nernst E k = RT/zF ln [Kest]/[Kint] In una cellula nervosa: E k = -90 mv Ma il potenziale di m em brana è pari a -70 mv ALTRI IONI SONO COINVOLTI K + TENDE AD USCIRE PER RAGGIUNGERE IL SUO POTENZIALE DI EQ UILIBRIO

6 L equazione di Nernst indica la differenza di potenziale che deve essere fornita al sistem a per mantenere la differenza di concentrazione di un ione fra i 2 comparti. E= RT/zF. ln. Ce/Ci dove: E= potenziale di equilibrio (in mv) R= costante dei gas T= temperatura assoluta z= valenza dello ione F= costante di Faraday Ce/Ci= conc. esterna/conc. interna E= 61 log Ce/Ci

7 Il flusso di uno ione attraverso la membrana dipende dal suo gradiente elettrochim ico. Gradiente elettrochim ico: grad. di concentrazione + grad. elettrico Quando i due gradienti si com pensano, il flusso netto diventa = 0 Potenziale di equilibrio elettrochim ico= potenziale di m em brana al quale si realizza l equilibrio per un determ inato ione.

8 La pompa sodio-potassio

9 Equazione di Goldman-Hodgkin-Katz membrana permeabile a vari ioni E segno di carica di ogni specie ionica permeabilità della membrana (P) per ogni specie ionica conc. delle singole specie ioniche all int. e all est.

10 Equazione di Goldm an-h odgkin-katz Considerazioni: 1)Na +, K +, Cl - sono gli ioni m aggiorm ente coinvolti nella genesi dei potenziali di m em brana: il loro gradiente di concentrazione concorre a determ inare il voltaggio 2) Carica ionica : se uno ione positivo si m uove verso l esterno (per gradiente di concentrazione) si crea elettronegatività all interno (gli anioni proteici carichi negativam ente non possono uscire)

11 3)l im portanza che i diversi ioni hanno nel determ inare il voltaggio è proporzionale alla permeabilità della membrana per ciascuno di essi Numero di idratazione Na + 4 K + 2,5 Na+ ha quindi un diametro maggiore e passa con maggiore difficoltà (i canali passivi sodio-potassio sono 100 volte più perm eabili al potassio)

12 MEMBRANA=CONDENSATORE Le cariche positive e negative rimangono perfettamente in equilibrio tranne che a ridosso della m em brana cellulare. altrim enti si generebbero forti potenziali elettrici il m antenim ento del potenziale necessita il trasferim ento di un numero piccolissimo di ioni (1/ / ). Basta creare la coppia di dipoli a cavallo della membrana per cambiare il potenziale devono muoversi pochissim i ioni

13 Eccitabilità m odificazione transitoria delle proprietà della membrana (permeabilità ionica e potenziale transmembranario) in seguito ad uno stimolo. E un fenomeno molto rilevante nelle cellule e nelle fibre nervose, ma anche nelle cellule muscolari.

14 Il neurone Term inali Nodo di Ranvier Dendriti Cellule di Schwann Soma Assone Guaina m ielinica

15 La mielina

16

17

18

19 Il potenziale d azione nelle cellule nervose I segnali nervosi si trasm ettono mediante il potenziale d azione rapida variazione del potenziale di m em brana. Inizia con una rapidissim a variazione del potenziale di m em brana che passa dal norm ale valore negativo ad un valore positivo; term ina con una variazione quasi altrettanto rapida che ripristina il potenziale negativo. Il potenziale d azione si propaga lungo la fibra nervosa fino alla sua estremità, conducendo così il segnale nervoso. Canale Na+ Canale K+ Pompa Na+/K+

20 Curva intensità-durata Intensità (V) Durata (msec) 1= REOBASE è la minima intensità di stim olo efficace 2= 2 volte la reobase 3= CRONASSIA è il tem po necessario perché uno stimolo pari a 2 volte la reobase sia efficace

21 Risposta tutto o nulla Lo stimolo deve essere sufficientemente intenso da ridurre il potenziale di m em brana ad un valore critico detto potenziale soglia Ogni stim olo uguale o superiore a questo è in grado di evocare un potenziale di azione di ampiezza costante: l assone quindi o risponde ad uno stimolo con un potenziale d azione o non risponde affatto Oltre alla intensità dello stimolo è importante anche la sua durata

22 Il potenziale d azione mv msec 1 potenziale di riposo 2 depolarizzazione 3 potenziale soglia FEED BACK POSITIVO 4 entrata Na + rapida depolarizzazione 5 spike 6 uscita K + fase di ripolarizzazione 7 fase di iperpolarizzazione e chiusura dei canali K azione della pompa Na + / K + e ripristino equilibrio ionico

23 Canali del sodio e del potassio voltaggio dipendenti Na + K +

24 Periodo refrattario N on si può generare un potenziale d azione finchè una fibra è depolarizzata per effetto di un precedente potenziale d azione. Ciò è dovuto all inattivazione dei canali del Na + che si verifica subito dopo l inizio del potenziale d azione: nessuno stimolo è in grado di aprire le porte di inattivazione. Le porte si aprono quando il potenziale di membrana torna vicino al potenziale di riposo. mv msec A periodo refrattario assoluto B periodo refrattario relativo

25 Registrazione del potenziale d azione

26 Accomodazione della membrana Se il potenziale di m em brana aumenta molto lentamente (molti msec invece di una frazione di m sec), le porte lente di inattivazione dei canali di Na + hanno il tem po di chiudersi mentre si stanno aprendo le porte di attivazione Si può generare un potenziale d azione solo se viene raggiunto un voltaggio soglia più alto; a volte non si genera nemmeno ACCOMODAZIONE DELLA MEMBRANA ALLO STIMOLO

27 Voltage clamp Nobel a Hodgkin e Huxley In alternativa si pratica il blocco chim ico TETRODOTOSSINA blocca canali di Na + K + TETRAETILAMMONIO blocca canali di

28 Il potenziale d azione A ndam ento della conduttanza

29 Ruolo della pompa Na+/K+ ATPasi

30 Ruolo di altri ioni nel potenziale d azione Ioni calcio volte più concentrato Pompa del calcio Canali voltaggio dipendenti sono molto più lenti m olto numerosi nel m uscolo cardiaco e liscio dove mancano quelli rapidi del Na+ il pot.d azione si genera per attivazione dei canali lenti

31 Ioni calcio La concentrazione extracellulare di Ca ++ influenza il valore del voltaggio a cui vengono attivati i canali del Na +. In caso di deficit la fibra diventa altamente eccitabile; se la concentrazione scende al 50% si possono avere scariche spontanee fino ad arrivare ad un quadro di tetania. Il Ca ++ agirebbe legandosi alla superficie e- sterna della molecola della proteina canale del Na + facendo aumentare il livello del voltaggio richiesto per l apertura della porta. Un aumento del Ca ++ extracellulare agisce com e stabilizzante riducendo l eccitabilità della membrana Anche alcuni anestetici locali (procaina, tetracaina) agiscono direttamente sulle porte dei canali del Na+ riducendo l eccitabilità della membrana

32 Il plateau Nel cuore canali rapidi di Na + canali lenti di Ca ++

33 Ritmicità Si possono osservare scariche ripetitive di potenziali d azione autoindotti Esem pi: battito cardiaco peristalsi intestinale regolazione ritm ica respiro E dovuta ad una soglia di eccitabiltà più bassa (pot. di m em brana meno negativo e permeabilità maggiore a Na + e Ca ++ ).