Equilibri di membrana Sommario

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1 Sommario Equilibri ionici di membrana Equazione di Nernst e potenziale di membrana Equilibrio di Donnan Equazione di Goldman Hodgkin Katz Diversi tipi di curve caratteristiche tensione-corrente (Ohomiche, rettificanti, simmetriche) Canali ionici Tipi di canali ionici - pompe ioniche Struttura dei diversi tipi di canali-pompe Propagazione degli impulsi nervosi Schematizzazione circuitale Modello di Hodgkin e Huxley Alcuni tipi di potenziali di membrana

2 Comunicazione cellulare Gran parte della comunicazione cellulare avviene per mezzo di segnali chimici o elettrici che viaggiano attraverso le membrane (siano esse intra o inter-cellulari) L acqua e alcune molecole non polari (lipidi) possono (anche se non obbligatoriamente devono) passare attraverso la membrana senza mediatori Tuttavia il meccanismo alla base della comunicazione cellulare è la selettività delle membrane rispetto a certi tipi di molecole: le membrane, dipendentemente dal loro tipo e locazioni, sono selettivamente permeabili a certi tipi di molecole e non ad altri; la selettività può essere anche direzionale e variare nel tempo oltre che con la posizione e in risposta a determinati segnali I meccanismi che determinano la selettività sono molteplici Presenza di pori o canali passivi nella membrana di diverse dimensioni (selettività basata sulla dimensione o su altre prop fisico-chimiche) Presenza di canali attivi di membrana specifici per certi tipi di ioni che si aprono o si chiudono in risposta a stimoli chimici o meccanici o elettrostatici (selettività specifica) Presenza di pompe, specifici canali che, utilizzando energia chimica o di altro tipo, producono un flusso direzionale di specifiche molecole Meccanismi di internalizzazione specifici per certi tipi di molecole (fagocitosi, pinocitosi di vario tipo, internalizzazioni mediate da proteine)

3 Potenziali di membrana Prescindendo per il momento dal meccanismo particolare che genera la selettività, sugli equilibri delle molecole cariche (ioni) Essi sono particolarmente interessanti perché uno squilibrio di cariche genera un potenziale elettrostatico attraverso la membrana (potenziale di membrana), con delle importanti conseguenze Quasi tutte le cellule sono dotate di potenziali di membrana, anche se alcune di queste (neuroni) sono specializzate nel suo utilizzo

4 Compartimento 1 eg citosol - a b - Membrana semipermeabile (eg permeabile solo agli ioni +) Compartimento 2 eg extracellulare U el T S diff =0 z V = RT F ln cb c a Equazione di Nernst Supponiamo che la membrana che separa due compartimenti (eg citoplasma e matrice extracellulare) sia permeabile solo agli ioni positivi Questi potranno diffondere cercando di equilibrare la propria concentrazione, mentre gli ioni negativi rimarranno confinati in un solo compartimento (eg citoplasma) Si crea uno squilibrio di carica che genera una differenza di potenziale ΔV che si oppone ad ulteriori passaggi ionici; se il sistema è chiuso, la diminuzione di energia libera (sostanzialmente aumento di entropia dovuta alla diffusione degli ioni) serve a fare lavoro contro il campo elettrico c a >c b V b >V a L equazione di Nernst collega squilibri ionici con il potenziale che essi generano

5 E = V a V b = RT Fz ln cb c a R=costante dei gas 1.98 cal/mole K F=costante di Faraday 23.05kcal/mole RT/F (a temp ambiente) = Volt Se (b) è l ambiente extracellulare e (a) è il citoplasma, l equazione sopra definisce il potenziale di Nernst, un potenziale elettrostatico attraverso la membrana in condizioni di riposo, ovvero di equilibrio dinamico per lo ione considerato Il potenziale di Nernst viene generato da ogni singolo ione permeante; in prima approssimazione si considerano i potenziali di ciascun ione separato come se non interagissero, ma vedremo che non è cosí Esempio: per K + nelle cellule a riposo mediamente si ha [K + ] b ~4mM [K + ] a ~140mM E~-90mV Il potenziale è negativo quando tende a far rientrare gli ioni positivi nella cellula

6 Concentrazioni degli ioni (mm) Potenziale -95mV 70mV -90mV Valori del potenziale ottienuti con il software NERNST/GOLDMAN simulator

7 Misura del potenziale di membrana Il potenziale di membrana si misura con un circuito elettrico: un elettrodo metallico di Ag-AgCl immerso nella soluzione extracellulare collegato ad un microelettrodo inserito in una pipetta di vetro che viene inserito nella cellula La differenza di potenziale viene misurata spostando il microelettrodo da dentro a fuori la cellula; si verifica che non varia molto spostandosi dalla prossimità della membrana verso l interno o verso l esterno.

8 + + a b -z -z -z z + - Compartimento 1 eg citosol RT F - ln [+]b [+] a = RT F + Compartimento 2 eg extracellulare [+] b [ ] b =[ ] a [+] a ln [ ]b [ ] a Equilibrio di Donnan Se ci sono due specie permeanti (un piccolo anione e un piccolo catione) e una specie non permeante (un grosso anione, ad es) considerando le equazioni di Nernst per ciascuna specie permeante e assumendo che siano tutte ugualmente permeanti e ad alta diffusività (nell equazione dell equilibrio prevale la parte diffusiva) si ha [+(-)] x = concentrazione dello ione + (-) nel compartimento x E rimane indeterminato. Per chiudere le equazioni, si assume l elettroneutralità dei due compartimenti, che globalmente è una buona approssimazione dal momento che le concentrazioni assolute sono circa mm, mentre quelle che producono potenziali di membrana sono microm

9 L assunzione di elettroneutralità nei due compartimenti implica che [+] b =[-] b =c b [+] a -[-] a -zc z =0 da cui E = RT F ln zc z 2c b + zcz 2c b 2 +1 La situazione tipica dell equilibrio di Donnan si forma a causa della presenza di grosse proteine cariche negativamente o di DNA nei pressi della membrana; l equilibrio viene stabilito dal passaggio piú o meno libero di ioni K + e Cl -

10 Potenziali di membrana tipici (~ mv) possono essere mantenuti, oltre che a causa della presenza di ioni non permeanti, anche attraverso il pompaggio attivo di ioni permeanti che continuamente vengono concentrati da specifici canali ionici attivi (pompe ioniche) di membrana La pompa sodiopotassio funziona ad ATP e pompa fuori dalla membrana il sodio e dentro il potassio Il sistema viene riequilibrato dal K che passa attraverso i canali ionici, e si crea un equilibrio dinamico e il conseguente potenziale di membrana

11 Potenziale a riposo dei neuroni Potential (mv) 50 Il potenziale all equilibrio dei neuroni segue la legge di Nerst in funzione della concentrazione di potassio per concentrazioni > 30mM A basse concentrazioni devia Il motivo è che entrano in gioco anche le interazioni con altri ioni (Na +, Cl - ) [K + ] (mm) In prima approssimazione si assume che tutti gli ioni permeanti obbediscano alla legge di Nernst separatamente, ovvero che siano tutti ugualmente permeanti; in questo caso le variazioni di concentrazione sono uguali e il potenziale è quello di Nernst Ma in generale le permeabilità dei diversi ioni sono diverse e quindi all equilibrio le concentrazioni dei diversi tipi di ioni saranno diverse

12 Equazione di Goldman Hodgkin Katz a k ab k ba b Il sistema in questo caso è in qualche modo analogo ad un sistema a due compartimenti con costanti cinetiche asimmetriche Per risolverlo bisogna calcolare le correnti ioniche nei due sensi ed uguagliarle, imponendo cosí l equilibrio dinamico Questa equazione si deriva dalla legge di continuità applicata ai flussi ionici J = densità di corrente combinata con la legge di Fick per la diffusione di particelle in un campo esterno

13 Il risultato di questa operazione è un equazione che generalizza quella di Nernst ad un sistema di piú ioni con diffusibilità o permeabilità diverse Permeabilità P=D/d d=spessore della membrana Se i due ioni sono ugualmente permeanti (uguali coefficienti di diffusione), l equazione restituisce quella di Nernst o Donnan con [c]= [Na + ]+[K + ]; se uno dei due ha permeabilità nulla, si riottiene l eqn di Nernst per l altro

14 Potential (mv) 50 La curva sperimentale del potenziale si fitta molto bene con questa equazione e da come raporto tra le permeabilità di Na e K il valore D K /D Na = [K + ] (mm) Ulteriori miglioramenti possono derivare aggiungendo l effetto della permeabilità finita degli ioni Cl-, ma il grosso dell effetto è contenuto in questa equazione introducendo solo lo ione Na

15 La forma piú generale dell equazione è e l assunzione piú pesante che si fa nel derivarla è che ciascun flusso ionico sia indipendente dagli altri, cosa che può non essere vera, se, ad esempio, due ioni diversi passano attraverso gli stessi canali ionici Nel caso (usuale) in cui gli ioni dominanti sono Na, K e Cl si ha Potential (mv) [K + ] (mm) Variando la permeabilità di Cl le curve cambiano pendenza

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17 Canali ionici, canali di membrana I canali di membrana (di cui i canali ionici sono una sottoclasse) sono una vasta famiglia di proteine trans-membrana con il compito di facilitare il passaggio di certe molecole (ioni, acqua e altre molecole specifiche) attraverso la membrana La forma piú semplice di canale è quello passivo, che sta sempre in conformazione aperta e seleziona il passaggio della molecola solo in base alle dimensioni, alla carica o alla polarità I canali passivi creano una semipermeabilità della membrana a specifiche molecole Se queste sono ioni, la loro presenza crea un potenziale di membrana secondo l equilibrio di Nernst

18 Canali attivi Poi cisono i canali attivi, che normalmente sono chiusi e non permettono il passaggio, ma vengono attivati da stimoli chimico-fisici di vario tipo

19 Pompe ioniche Le pompe sono particolari tipi di canali selettivi e attivati chimicamente che in piú hanno la capacità di andare contro il gradiente di concentrazione Nel processo è necessaria energia che viene fornita generalmente da una molecola di ATP, oppure da altre sorgenti chimiche o di altro tipo

20 I canali sono proteine trans-membrana con strutture molto varie membrana Due diverse tipologie strutturali di canali passivi: di tipo beta foglietto e di tipo helix bundle

21 I canali attivi (meccano sensibili, voltaggio sensibili o chimico-sensibili) hanno generalmente strutture piú complesse perché devono avere siti riconoscitori o siti sensori, domini che si aprono e chiudono in risposta allo stimolo etc

22 Anche le pompe ioniche di solito hanno strutture complesse Pompa ionica Pompa protonica attivata dalla luce (Rodopsina batterica)

23 Per le pompe ioniche l equazione di Goldman Hodgkin Katz va modificata aggiungendo la corrente ionica dovuta alla pompa stessa In alcuni casi la corrente prodotta dalla pompa può essere dominante rispetto all accumulo degli ioni dovuto ad altre cause, e determinare essa da sola il potenziale di membrana Ad esempio, nei mitocondri il potenziale di membrana è molto piú negativo che nella maggioranza delle cellule ( mv) ed è quasi interamente prodotto da pompe ioniche Questo valore molto negativo di E è il modo del mitocondrio di accumulare energia Allo stesso modo gli alobatteri che contengono la rodopsina batterica trasformano energia solare e accumulano energia elettrochimica interna

24 Scambi ionici Esistono delle proteine che utilizzano i gradienti ionici creati da canali e pompe per trasportare in maniera correlata altri ioni Ad esempio certi scambiatori che agiscono nelle membrane neuronali usano i gradienti di Na+ creati dalle pompe sodio/potassio scambiando Ca++ con Na+ per estrudere Ca dalla cellula Se lo scambio è tra ioni dello stesso tipo, generalmente la densità di carica non varia, e quindi nemmeno il potenziale di membrana Diverso è il discorso se a scambiarsi sono ioni positivi e negativi: in generale il processo di scambio ionico tra due compartimenti cellulari a e b si scrive Le variazioni di energia libera dovute al gradiente ed elettrostatica sono Da cui si trova che il potenziale di membrana è la media pesata con le stechiometrie relative dei potenziali di membrana delle due specie, che generalizza la legge di Nernst al caso di ioni permeanti che si spostano in maniera correlata

25 Curve caratteristiche (tensione-corrente) Integrando in dx l equazione di Goldman Hodgkin Katz nell assunzione che il campo elettrostatico sia circa costante attraverso la membrana (processo senza barriera), si ottiene che descrive la corrente in funzione del potenziale di membrana per uno specifico ione le cui densità nei due comparti cellulari sono c a e c b Se le c a =c b si recupera la legge di Ohm, altrimenti si hanno delle correzioni che possono essere anche notevoli Per I=0 l equazione restituisce il potenziale di membrana in funzione delle concentrazioni (Nernst); viceversa per potenziali diversi da zero, note le concentrazioni I da una stima delle permeabilità c a <c b c a =c b c a >c b La capacità rettificante dipende dalle concentrazioni: la corrente ha piú facilità a fluire verso la concentrazione piú bassa

26 Abbandonando l assunzione di campo costante attraverso la membrana, si può comunque calcolare la curva caratteristica assumendo una barriera per il passaggio degli ioni e una cinetica del primo ordine con costanti proporzionali all altezza della barriera Allora la curva tensione corrente assume una forma piuttosto diversa Le due curve assumono lo stesso valore per I=0 (pot di Nernst), ma hanno andamenti diversi, anche se entrambi con caratteristica raddrizzante La caratteristica precisa dipende dal tipo di canale attraversato per passare: alcuni impongono una barriera, altri no I ΔV

27 Si noti che la curva caratteristica tensione-corrente del caso con barriera è indipendente dall altezza della barriera, e la sua forma deriva solo dall aver assunto che la barriera venga superata con cinetica del primo ordine Questo porta all apparente paradosso che le due curve NON vanno continuamente l una nell altra man mano che la barriera va a zero, come dovrebbe essere Questo è dovuto al fatto che per barriere basse nessuna delle due approssimazioni fatte nel derivare le curve è valida I ΔV

28 Per piú ioni a diversa valenza le correnti si sommano e in generale diventa difficile risolvere l equazione nel potenziale per I=0 Considerando però un singolo catione divalente (Ca 2+ ) e diversi ioni monovalenti si ricava per I=0 Permeabilità del Ca Permeabilità degli ioni monovalenti Questa è una situazione tipica perché di solito gli equilibri di membrana sono determinati da Na, K e Ca

29 Potenziali di superficie In tutto ciò non abbiamo ancora considerato il fatto che la membrana stessa è carica Questo genera un potenziale intrinseco intorno alla membrana (equazione di PB adattata alle membrane) che altera la distribuzione degli ioni Tutte le formule possono essere aggiustate includendo questo effetto in questa maniera: la distribuzione delle cariche altera la concentrazione degli ioni in prossimità della membrana secondo la relazione potenziale elettrostatico dovuto alle cariche di membrana calcolato sulla superficie concentrazione media concentrazione alla membrana Tutte le formule vanno riscritte tenuto conto della sostituzione c 0 c

30 Tornando al caso di attraversamento della membrana con barriera Canali selettivi e assumendo per seplicità c a =c b I ΔV La caratteristica tensione corrente viene spesso usata per identificare la presenza di barriere nei canali ionici e quindi il tipo di canale Questa curva è tipica dei canali selettivi per dimensione/carica/polarità conduttanza ΔV

31 Canali intrinsecamente rettificanti Alcuni canali hanno un comportamento asimmetrico (rettificante) anche se la concentrazione è simmetrica Questo comportamento viene esemplificato aggiungendo un parametro δ che restituisce l equazione precedente quando assume il valore 1/2 Il comportamento rettificante può essere dovuto ad asimmetrie intrinseche del canale (barriera non centrata), ma è il comportamento tipico dei canali con apertura voltaggio-dipendente o di quelli con gating chimico in cui l apertura viene bloccata dall accumulo di certi ligandi ionici da un lato della membrana I ΔV

32 Quindi in conclusione l analisi della caratteristica tensione-corrente da un idea del tipo di canale ionico che in prevalenza determina quel particolare flusso di corrente Canali passivi I Canali selettivi con barriera simmetrica I ΔV ΔV Canali attivi con asimmetrie di vario genere (strutturali, o dovute a selettività chimica o elettrica o meccanica) I ΔV

33 Classificazione dei canali Canali passivi: porine Struttura: beta-barrel; I beta sheet hanno aminoacidi alternati idrofilici-idrofobici che guardano rispettivamente all interno e all esterno del poro A volte organizzata in multimeri A volte dotata di palpebre che controllano parzialmente l apertura Trasportano piccole molecole (ioni, zuccheri, amminoacidi) Acquaporine: specifiche porine per l acqua, regolano la pressione osmotica A differenza delle altre porine hanno struttura alfa-bundle, organizzata in tetrameri

34 Canali attivi Ligando-sensibili: apertura-chiusura regolata dalla presenza di specifiche sostanze il recettore nicotinico dell acetilcolina nachr è un canale ionico per Na+ e K+ delle sinapsi neuroniche attivato dall acetilcolina, ma sensibile anche alla nicotina Siti di legame extracellular membrane Quando l acetilcolina lega una avviene una cytoplams serie di transizioni strutturali che aprono il poro (~0.6nm) permettendo il passaggio degli ioni e modificando il potenziale di membrana; questo evento attiva anche altri canali voltaggio-sensibili; la nicotina è un agonista e interferisce/regola il processo

35 Voltaggio-sensibili: apertura-chiusura regolata dalle variazioni del potenziale di membrana Ce ne sono specifici per Ca,K e Na e anche per protoni Dominio sensibile al voltaggio Il meccanismo di apertura-chiusura non è del tutto chiarito, ma coinvolge variazioni strutturali del dominio sensibile al voltaggio (polarizzato) per effetto del potenziale I canali ionici vengono normalmente attivati (aperti) dalla depolarizzazione della membrana, ma alcuni specifici vengono aperti dalla iper-polarizzazione Alcuni di questi canali reagiscono non al valore assoluto del potenziale di membrana, ma alle sue variazioni

36 Meccano-sensibili: apertura-chiusura regolata da variazioni nella tensione meccanica della membrana Hanno ruoli fondamentali nella regolazione dell osmosi (e quindi anche nel regolare la sensazione di sete), regolazione della pressione cardiovascolare, nel sistema di regolazione delle sensazioni tattili, nel sistema di mantenimento dell equilibrio, trasduzione di segnali meccanici in segnali elettrici I meccanismi di regolazione non sono del tutto chiariti, ma in generale i canali reagiscono direttamente allo stress di membrana aprendosi per stiramento e chiudendosi per pressione

37 Sensibili alla luce: apertura-chiusura regolata da assorbimento di fotoni Sono della famiglia delle opsine, come la rodopsina batterica, che però non è un semplice canale, ma una pompa protonica attivata dalla luce (cioè produce trasporto attivo, contro il gradiente di concentrazione) Rodopsine-canali: una famiglia di proteine la cui strutture non è stata cristallizzata ma che presumibilmente è simile a quella delle rodopsine normali o batteriche Funzionano come le rodopsine: hanno un retinale che assorbe il fotone e che, come nelle rodopsine batteriche, apre il canale; ma in questo caso lo ione che passa è Na+ e il trasporto è passivo (con il gradiente di concentrazione) Dopo poco il canale si chiude ed è necessario un nuovo stimolo luminoso Sono coinvolte nel ristabilire equilibri spostati nei neuroni ottici a causa di esposizione prolungata alla luce, ad esempio

38 Classificazione alternativa dei canali I canali possono essere poi classificati a seconda dello ione che fanno passare Ad esempio i canali del potassio possono essere di vario tipo Attivati chimicamente dal Calcio: si aprono per in presenza di Ca++ Rettificanti: fanno passare corrente di potassio preferenzialmente verso l interno della cellula (tramite barriere asimmetriche o altri meccanismi) A doppio poro: costitutivamente aperti, lasciano passare il calcio con permeabilità molto alta Voltaggio dipendenti: lasciano passare il calcio in risposta a determinati voltaggi di membrana In pratica il potassio possiede tutte le tipologie strutturali/funzionali di canali descritti (incluse le pompe) Lo stesso vale (quasi) per il sodio, e anche se in misura minore per il cloro e per il calcio La regolazione delle concentrazioni e dei flussi di questi quattro ioni (in particolare K) deve avere un qualche ruolo fisiologico fondamentale

39 Intracellulare Situazione della cellula a riposo extracellulare Mantenute da: Pompa sodio-potassio: alimentata da ATP e attivata quando le concentrazioni si sbilanciano, estrude 3 ioni sodio e include 2 ioni potassio ad ogni passaggio Pompa del calcio: alimentata da ATP e attivata quando la concentrazione intracellulare aumenta, estrude 2 ioni calcio ad ogni passaggio Canali sodio, potassio calcio e cloro, anche accoppiati, di vario genere, principalmente passivi e voltaggio dipendenti, a permeabilità diverse Generalmente il K+ è lo ione piú permeante, che quindi determina in prima approssimazione il potenziale di membrana (~60-90mV). Gli altri ioni poco permeanti e i trasporti attivi servono a mantenere grandienti di concetrazione di K e quindi anche loro contribuiscono al potenziale di membrana a riposo

40 Propagazione dei segnali nervosi Ma cosa succede se questi equilibri vengono turbati? Se un qualche segnale esterno modifica la permeabilità degli ioni? Si genera un cambiamento della polarizzazione della membrana (depolarizza ione o iperpolarizzazione della membrana) che in certe particolari situazioni può propagare Se le cellule in cui questi segnali si generano hanno anche forme specifiche (propaggini lunghe), si tratta di una vera e propria propagazione analoga alla propagazione di un onda acustica lungo un filo Solo che il segnale non è una deformazione meccanica ma la depolarizzazione, e il filo è l assone di una cellula neuronale, costituzionalmente ideato a questo scopo Nella generazione del segnale nervoso concorrono complicati meccanismi che cambiano in maniera concertata le permeabilità ai vari ioni, modificando cosí il potenziale di membrana

41 Nel capire quello che succede può venire in aiuto una schematizzazione della membrana come circuito elettrico V rest = E è il potenziale di membrana (a riposo, se il circuito è isolato e se non ci sono stimoli esterni) g=conduttanze (prop alle permeabilità) V i =potenziali di membrana relativi ai singoli ioni g i =mobilità

42 Se la cellula (neurone) mantiene il potenziale di membrana intorno al valore di riposo (~ mv), niente succede L impulso nervoso viene iniziato da una depolarizzazione che deve superare un certo valore: normalmente il potenziale di membrana deve andare sopra i mV, ovvero depolarizzarsi di circa 50 mv Questo scatena una serie di eventi, che però sono diversi a seconda che ci si trovi in una parte attiva o passiva della membrana: alcune parti della membrana non possiedono pompe ioniche e possono rispondere solo passivamente Gli assoni invece sono deputati alla trasmissione e sono attivi

43 Risposte passive In prima approssimazione, trascuriamo il potenziale di membrana prodotto dagli squilibri ionici, e schematiziamo l assone come un insieme di circuiti legati l uno all altro da elementi resistivi R 0 è di solito vicino a zero

44 In condizioni stazionarie la capacità non entra in gioco e in questo tipo di circuito, un potenziale V 0 localizzato in un certo punto viene dissipato con la distanza da esso per il passaggio di corrente attraverso la membrana e tra elementi successivi L impulso dissipa in maniera inversamene proporzionale a λ= R m /R i = rρ m /2ρ I

45 Sempre nello stesso tipo di circuito, ma se il segnale dipende dal tempo, entra in gioco anche l elemento capacitivo legato alla membrana e l equazione va riscritta come che ha soluzione λ= R m /R i τ= R m /C m che descrive come un potenziale V 0 acceso a t=0 raggiunge la sua condizione di equilibrio

46 Soluzioni dell equazione Per diversi t/τ Per diversi x/λ

47 Se l impulso acceso a t=0 non è una tensione ma una corrente 2I 0 l equazione diventa

48 In una situazione realistica, gli impulsi corrispondono ad iniezioni improvvise di corrente, ma di durata finita (~ms) In questa condizione la forma qualitativa della risposta passiva in voltaggio, nel caso di depolarizzazione o iperpolarizzazione è

49 Nel grafico precedente, la lunghezza dell impulso =2ms non è scelta a caso Per valori sensati della resistività e della capacità di membrana, valori sensati di τ per un assone sono ~5ms Tutti gli impulsi di durata inferiore a questa costante di tempo in risposta passiva sono intralciati dall inerzia elettrica del sistema Comunque è possibile stimare la velocità della propagazione passiva come v=λ/τ Siccome λ cresce come la radice del diametro dell assone e τ è indipendente, ne risulta che la velocità cresce con la radice delle dimensioni laterali delle fibre nervose, quindi, ove possibile avere fibre larghe aiuta la conduzione dei segnali La valutazione di v fornisce valori intorno a 0.5 m/sec, mentre la misura sperimentale della propagazione da valori circa 50 volte superiori Il motivo è che fin qui si è trascurato l effetto del trasporto attivo degli ioni attraverso la membrana

50 Potenziale d azione Certe parti della membrana possono rispondere attivamente ai segnali Se la depolarizzazione supera una certa soglia entrano in gioco i meccanismi attivi Il sistema non è piú schematizzabile solo con capacità e resistenza, ma bisogna tenere conto anche dei potenziali creati dagli squilibri di concentrazioni Si attiva il potenziale di azione e la risposta non è piú quella semplice esponenziale descritta dalle equazioni precedenti

51 Il potenziale d azione venne studiato da Hodgkin e Huxley con la tecnica del voltage clamp, che consiste nel collegare la cellula ad un circuito esterno che mantiene il potenziale di membrana ad un valore fissato tramite l iniezione di una corrente di feedback

52 Tramite la tecnica del voltage clamp è possibile osservare che La depolarizzazione aumenta la conduttanza di Na e in minor misura quella del K (nel circuito le resistenze sono indicate come variabili) Questa condizione può essere invertita ripolarizzando la membrana Però l aumento della conduttanza di Na causa un flusso di ioni Na dentro la membrana e quindi aumenta la depolarizzazione, causando un feedback positivo che è all origine del potenziale di azione; quindi la depolarizzazione aumenta e non diminuisce la corrente attraverso la membrana

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54 Chiaramente, la risposta del sistema dipende da come le conduttanze variano in funzione del potenziale di membrana Questo venne misurato per la prima volta da H e H Diversi valori di voltaggio

55 Dagli esperimenti di voltage clump H e H ottennero delle equazioni empiriche per le conduttanze

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57 Assumendo una dispersione lineare derivante dal fatto che l impulso non varia la sua forma spostandosi, si ha che permette di risolvere numericamente l equazione per V(x,t) nota v v venne stimata da H e H risolvendo le equazioni per diversi valori di v Essi trovarono

58 Parametri che compaiono nell equazione

59 La soluzione delle equazioni con i parametri forniti da H e H da i seguenti risultati Considerando ad es come stimolo l iniezione di corrente si possono avere 4 situazioni 1. Stimolo iper-polarizzante debole o 2. Forte: il sistema risponde passivamente, smorzando lo stimolo 3. Stimolo depolarizzane debole (sotto soglia) il sistema risponde passivamente come sopra 4. Stimolo depolarizzante sopra soglia, il sistema risponde attivamente amplificando lo stimolo che si propaga

60 Questi comportamenti sono ben descritti dall equazione di H e H, e in ultima analisi sono dovuti alle variazioni concertate di permeabilità al sodio e al potassio In pratica all inizio dello stimolo la permeabilità del sodio aumenta per effetto dell aumento del potenziale; se si innesca il giusto feedback positivo, il potenziale va sopra soglia Nella seconda fase la permeabilità al sodio diminuisce ma aumenta quella al potassio il potenziale si ristabilisce verso il valore di riposo anche grazie all azione continua delle pompe sodio-potassio

61 Piú in dettaglio: 1. Stimolo e salita. In questa fase, a causa di uno stimolo esterno, la concentrazione interna del Na aumenta e la membrana si depolarizza. Se il segnale è sotto soglia il flusso opposto di K mantiene il potenziale relativamente basso; se la soglia viene superata i canali per Na si aprono e si innesca il feedback positivo che aumenta la permeabilità del sodio e la salita aumenta fino a che tutti i canali Na sono aperti 2. Picco e discesa. Il potenziale è V~V Na molto alto causa la chiusura dei canali di Na e l apertura di quelli di K. I due effetti correlati portano ad una discesa brusca del potenziale e ad una iperpolarizzazione V~V K 3 Recupero. I canali del potassio vengono richiusi e si recuperano le permeabilità normali dei due ioni. Il potenziale ritorna al valore normale La fase 1. è un periodo refrattario assoluto, mentre nelle fasi 2 e 3 impulsi successivi possono essere generati ma con soglia piú alta

62 Già nel 52 H e H dedussero quindi la presenza nella membrana di canali voltaggio-sensibili per potassio e sodio Questi canali furono poi trovati e solo di recente il loro meccanismo di apertura -chiusura è stato chiarito: Questi canali possiedono delle eliche orientate ad un certo angolo all interno della membrana Le eliche possiedono un dipolo elettrico permanente dovuto all orientazione dei legami ad idrogeno Quindi in presenza di campo elettrico e sue variazioni tendono ad orientarsi con piú o meno forza, modificando il lume di apertura del canale

63 La forma/ampiezza dei potenziali di azione è indipendente dallo stimolo che li ha generati, a patto che sia sopra soglia (segnale di tipo tutto-nulla) Invece la forma dipende dalla distribuzione e tipo dei canali di membrana, oltre che dalla temperatura ed altri fattori ambientali, quindi è caratteristica del tipo di neurone Nei neuroni il Ca e il Cl sono marginalmente coinvolti nella generazione degli impulsi nervosi, ma possono essere attivamente coinvolti nella generazione degli impulsi in certi tipi di cellule eccitabili, come quelle cardiache o in certi tipi di cellule vegetali

64 Ma come vengono iniziati i potenziali di azione e gli impulsi nervosi? In vari modi, a seconda del tipo di segnale, ma in ogni caso coinvolgono la trasformazione di un segnale esterno in una variazione di concentrazione di Na Ad esempio, nel caso degli impulsi luminosi, la retina ha specifiche cellule, coni e bastoncelli, deputate alla ricezione degli impulsi luminosi

65 Questo provoca l iperpolarizzazione della membrana delle cellule fotosensibili (che sono esse stesse cellule nervose) L iperpolarizzazione non produce essa stessa un impulso ma trasferisce il segnale chimicamente al neurone appartenente al nervo ottico, dove poi si genererà il vero segnale con un meccanismo simile a quello con cui il segnale viene passato da un neurone all altro

66 Nei neuroni sensori la variazione di concentrazione di Na e conseguente variazione del potenziale di membrana viene generata da uno stimolo meccanico, che apre canali del Na meccano sensibili

67 Oppure il segnale può venire trasmesso da un altro neurone adiacente Schema del neurone Dendride Soma Nodo di Ranvier Terminale dell assone Assone Nucleo mielina Cellula di Schwann Lungo l assone il segnale si trasmette come abbiamo visto, ma ci sono zone isolanti (rivestimenti di mielina) che ne rallentano e regolano la velocità Ma come passano gli impulsi da un neurone all altro?

68 I neuroni fanno contatto chimico in specifiche giunzioni chiamate sinapsi Quando il segnale elettrico arriva al terminale dell assone lo iperpolarizza Questo attiva canali sensibili al voltaggio per il Ca e induce il rilascio di neurotrasmettitori (e.g. l acetilcolina) da parte di speciali vescicole I neurotrasmettitori migrano verso la spina dendritica dall altra parte della sinapsi e attivano altri canali ionici per il sodio, depolarizzando la membrana del dendride Questo non basta ad iniziare un nuovo segnale, ma basta affinché il segnale si propaghi passivalmente fino verso certe zone del neurone dove gli impulsi provenienti da diversi dendridi si organizzano e generano un nuovo potenziale d azione, che si propagherà lungo l assone

69 Potenziale d azione delle cellule cardiache Il potenziale d azione delle cellule cardiache non ha bisogno di stimoli esterni, ma si genera da solo e ha un ritmo regolare, anche se questo ritmo può venire alterato da condizioni ambientali e presenza di certe molecole A differenza dai potenziali d azione dei neuroni, al suo mantenimento concorrono il Ca e il K

70 Potenziale d azione delle piante Il potenziale d azione nelle piante, alghe e funghi è dovuto a Na e Cl, invece che a Na e K Siccome il Cl è uno ione negativo, gli spostamenti concertati di Na e Cl sono nella stessa direzione e provocano uno squilibrio osmotico (= tendenza a mantenere costante la concentrazione totale fuori e dentro) Per questo motivo si pensa che l origine ancestrale dell eccitabilità cellulare sia collegata all equilibrio osmotico e che solo successivamente si sia evoluta la funzione di segnalazione