FISIOLOGIA Generale e Oculare File # 3
POTENZIALE ELETTRICO DELLE MEMBRANE CELLULARI Ogni membrana cellulare ha un caratteristico potenziale elettrico che va da -10 mv sino a -100 mv; per esempio: cellule adipose -40 mv; cellule tiroidee -50 mv; cellule nervose -70 mv; cellule muscolari scheletriche -90 mv eccetera Tutti i potenziali elettrici delle membrane cellulari sono dovuti, in generale, alla permeazione di alcuni ioni attraverso di essa La separazione delle cariche elettriche (la differenza di potenziale) avviene a cavallo della membrana. Nei fluidi intra ed extracellulari vale il Principio della elettroneutralità: nei compartimenti biologici la concentrazione globale dei cationi deve assere uguale a quella degli anioni
La PERMEAZIONE degli ioni attraverso le membrane cellulari Poiché le molecole d acqua sono dipoli, attorno a anioni e cationi si formano mantelli acquosi di spessore dipendente dalla densità di carica elettrica sulla superficie ionica A parità di carica elettrica lo ione più piccolo ha densità di carica maggiore e attira su di sé più molecole d acqua, col risultato di divenire, da idratato, lo ione a maggior raggio Tenendo conto che i mantelli acquosi si spostano con lo ione, il coefficiente di diffusione in ambiente libero è inversamente proporzionale al raggio dello ione idratato; Lo ione anidro più piccolo (Na + ) è il più grande da idratato ed è anche il meno mobile in ambiente libero acquoso ioni anidri e idratati + > + = - Na + K + Cl -
Le forze agenti su uno ione che attraversa la membrana plasmatica Supponiamo che lo ione considerato sia il potassio La tendenza dello ione a muoversi secondo il gradiente di concentrazione è: RT ln [K + ] A [K + ] B La tendenza dello ione a muoversi secondo gradiente elettrico è: zf(e A -E B ) z = valenza, n di cariche dello ione; F = costante di Faraday R = costante dei gas; T = temperatura assoluta Il potenziale elettrochimico dello ione è: [K µ= + ] RTln A zf(e A -E B ) [K + + ] B (ovvero la forza netta esercitata sullo ione)
Equilibrio elettrochimico ed equazione di Nernst nella sua formulazione è ipotizzata la condizione di equilibrio, per cui l equazione di Nernst è valida solo nel caso di ioni che si trovino nello stato di equilibrio Quando le due forze sono uguali: [K + ] RTln A [K + ] = zf(e A -E B ) B il potenziale elettrochimico è nullo: µ= RTln [K + ] A + zf(e A -E B ) = 0 [K + ] B cioé E A -E B = RT zf ln [K + ] A [K + ] B calcolando le costanti e trasformando ln in log si ottiene: E ione = 61 mv z log [ione] extracellulare [ione] intracellulare
Esempi di potenziale di equilibrio Un potenziale di equilibrio si genera quando la membrana è impermeabile ad almeno una delle specie ioniche presenti e permeabile ad almeno un altra, che sia in concentrazione ineguale ai lati della membrana membrana permeabile solo al K+ I membrana permeabile solo al Na+ Esempio di membrana permeabile al potassio (possiede canali per il K + K + tende a passare -in quantità infinitesimaliattraverso la membrana, operando separazione di cariche che creano un potenziale elettrico di equilibrio (di Nernst) per il K + KCl 0.1 M + + KCl 0.01 M II A _ + + + B E A -E B = -61 mv III E ione = 61 mv z log [ione] A [ione] B
Forze elettriche, chimiche ed elettrochimiche che agiscono sugli ioni (per esempio, il K + ) che attraversano la membrana plasmatica cellulare. Considerate le effettive concentrazioni intra ed extracellulari del K +, il suo potenziale di equilibrio vale -94 mv Il pot. di membrana è uguale al pot. di equilibrio: lo ione è in equilibrio elettrochimico Se il potenziale di membrana Vm fosse più negativo (per es. -100 mv, sul K + agirebbe una forza elettrochimica che lo spingerebbe ad entrare in cellula Se il potenziale di membrana Vm fosse più positivo (per es. -70 mv, sul K + agirebbe una forza elettrochimica che lo spingerebbe ad uscire dalla cellula
Equilibrio di Gibbs-Donnan (presenza di ioni permeabili e di uno impermeabile) Le proteine non sono soltanto molecole grandi, osmoticamente attive, ma anche, al ph fisiologico, anioni Per questa ragione le proteine (ioni non-permeanti) influenzano la distribuzione di altri ioni e contribuiscono a mantenere l equilibrio elettrochimico definito di Gibbs-Donnan Situazione iniziale 50 ml 50 ml 50 K + 50 K + 50 Cl - 50 Pr - 100 Osmoli 100 Osmoli Situazione finale 33 K + 67 K+ 33 Cl - ACQUA 17 Cl - 50 Pr - 33 ml 67 ml Situazione intermedia 33 K + 67 K+ 33 Cl - IONI 17 Cl - 50 Pr - 66 Osmoli 134 Osmoli A causa dell aumentata concentrazione ionica, l acqua si muove da un ambiente all altro si muovono ioni ANALOGIE con la CELLULA: Poichè nel comparto cellulare vi sono le proteine, la concentrazione di K+ interna sarà maggiore di quella del Cl- interno, e di conseguenza quella di Cl- esterno è maggiore di quella del K+. K + e Cl - sono molto più permeabili di Na + Poichè nelle condizioni descritte da questo esempio K + e Cl - possono permeare, il potenziale elettrico sulla membrana dovrà bilanciare simultaneamente entrambe le concentrazioni. Cioè dovrà essere: E A -E B = RT zf ln [K + ] A [K + ] B = RT zf ln [Cl - ] B [Cl - ] A e quindi: [K + ] A [K + ] B Cioè, in presenza di proteine, ai due lati della membrana il prodotto degli ioni diffusibili è uguale [K + ] A [Cl - ] A =[K + ] B [Cl - ] B e si assiste a un movimento d acqua che si porta nell ambiente con le proteine = [Cl - ] B [Cl - ] A
il Potenziale di Diffusione membrana permeabile in misura diversa a più ioni inegualmente concentrati ai suoi lati gli ioni Cl - e Na + sono spinti da uguale gradiente di concentrazione ad entrare in membrana ma procedono, nel suo spessore, a velocità diverse, creando separazione di cariche e quindi un potenziale di diffusione tra i due versanti + + - > = Na + K + Cl - Ioni anidri e idratati
La mobilità elettroforetica ( u ) per gli ioni più importanti è: + + - > = Na + K + Cl - Ioni anidri e idratati 5,20. 10-4 7,61. 10-4 7,92. 10-4 (cm 2. sec -1. volt -1 ) il potenziale di diffusione creato da una coppia di ioni (+ e -) si calcola con l equazione di Henderson E = u + - u -. RT u + + u - zf ln C ± (1) C ± (2) Se si hanno più di due specie ioniche l eq. di Henderson non è più applicabile e si applica l eq. di Goldman (detta anche di Hodgkin e Katz -1943) prendendo in considerazione le permeabilità della membrana agli ioni E = RT zf ln PK[K+ ] (fuori) + PK[K + ] (dentro) + PNa[Na + ] (fuori) + PCl[Cl - ] (dentro) PNa[Na + ] (dentro) + PCl[Cl - ] (fuori)
Potenziale di riposo della membrana le cellule presentano una differenza di potenziale stazionaria nel tempo, e hanno concentrazioni ioniche stabilmente diverse da quelle esterne Più è permeabile la membrana ad un particolare ione maggiore è la forza con cui quello ione tende a portare il potenziale di membrana verso il proprio potenziale d equilibrio il potenziale di membrana è stabile solo se l ingresso di ioni (principalmente il Na + ) è esattamente controbilanciato dall uscita di ioni (principalmente il K + ). Dal punto di vista elettrico vuol dire che: K + Na + K + ik + ik+ ina + + ina+ = 0 Na + Più la membrana è permeabile ad uno ione maggiore è la conduttanza di membrana G a quello ione per la legge di Ohm: i = E/R ed essendo R = 1/G i = E. G
La conduttanza della membrana è una misura della facilità con cui una corrente ionica può attraversarla Le differenze esistenti tra Permeabilità e Conduttanza permeabilità elevata in presenza di pochi ioni = debole corrente ionica = G modesta K + K + K + Permeabilità elevata in presenza di molti ioni = elevata corrente ionica = G alta K + K + K + K + K + K +
Ricapitolando: il potenziale di membrana é di diffusione, descritto dall'equazione di Goldman (1943): da cui si vede che il valore del potenziale di membrana (Em) è vicino al potenziale di Nernst dello ione che ha maggiore permeabilità (lo ione K + ); nella cellula muscolare, ad esempio, i coefficienti di permeabilità relative di Na + e Cl - rispetto a quella del K + posta uguale a 1 sono: PK = 1; PNa = 0.013; PCl = 2 Poiché P K > P Na il K + tende ad uscire dalla cellula più rapidamente di quanto il Na + tende ad entrare creando un disaccoppiamento di cariche a cavallo della membrana e conseguente creazione della d. di p. elettrica Em; Tale Em accellera il flusso di Na + e frena quello di K + ; il flusso netto dei 2 ioni diventa uguale e si mantiene l elettroneutralità nelle due soluzioni N.B. Nonostante la notevole permeabilità del Cl -, il suo contributo nella creazione di Em è, in molti tipi di cellule, trascurabile
Ruolo della Na + /K + ATPasi nel potenziale di membrana Le cellule sono almeno 40 volte più permeabili al K + rispetto al Na + In quanto una piccola quota di Na + riesce ad entrare, la d.d.p. è più positiva del pot. di equilibrio del K + di circa -90 mv + + K + Na + - - Perchè l attività della Na + /K + ATPasi mantiene COSTANTI nel tempo il Potenziale e le concentrazioni ioniche 1) espellendo Na + entrato passivamente e ricaptando K +, mantiene costanti nel tempo le loro differenze di concentrazioni e di conseguenza indirettamente il pot. di membrana + + K + Na + La Na + /K + ATPasi - - 3Na + 2K + Come mai il potenziale di membrana, essendo di diffusione, nel tempo non si annulla a seguito del riequilibrio delle concentrazioni ioniche cellulari interne ed esterne? 2) La stechiometria 3:2 rende la pompa elettrogenica e quindi essa stessa generare un potenziale elettrico che si addiziona a quello di diffusione del K+
Altro ruolo della Na + /K + ATPasi All interno della cellula vi sono anioni osmoticamente attivi piuttosto impermeabili, tipo proteinati e nucleotidi. La tendenza a realizzare un equilibrio di Gibbs-Donnan porterebbe a una disparità di pressione osmotica tra l interno e l esterno della cellula (la distribuzione di K + e Cl -, circa in equilibrio attraverso la membrana plasmatica, è influenzata dalla presenza degli anioni non diffusibili) Lo squilibrio osmotico causerebbe l ingresso d acqua e lo scoppio della cellula Perché una cellula non subisce un rigonfiamento e infine non si rompe? Una spiegazione è che la cellula pompa attivamente Na + esternamente, riducendo la pressione osmotica nel citoplasma e incrementando quella del liquido extracellulare Cellula in Stato Stazionario
Le PROPRIETà ELETTRICHE PASSIVE della MEMBRANA cellulare Tutte le cellule presentano una d.d.p. (Vm) sulla membrana plasmatica il doppio strato lipidico, impermeabile agli ioni, mantiene separate le cariche elettriche. Esso conferisce alla membrana la proprietà della capacità C I canali ionici provvedono un passaggio per il quale gli ioni inorganici trasportano le cariche attraverso la membrana. Questi canali conferiscono la proprietà della conduttanza G L equivalente elettrico della membrana cellulare il più semplice circuito elettrico equivalente di una membrana cellulare che presenta una capacità e una resistenza di membrana Esterno della cellula C ++++ ++++ R strato lipidico - - - - - - - - strato lipidico canali Interno della cellula
L equivalente elettrico della membrana cellulare di una cellula eccitabile (neuroni/fibre muscolari) Circuito elettrico equivalente con conduttanze del Na + e del K +. Le conduttanze per altri ioni sono sommate insieme come 1/g T. Le pile di concentrazione E Na e E K sono in serie alle rispettive G e con polarità opposte extracellulare Cm 1 g T 1 1 g Na g K - + E Na + - E K Vm intracellulare Alcune cellule (eccitabili) hanno la capacità di variare in modo significativo le conduttanze del Na + e del K +
Classificazione anatomica e funzionale dei neuroni I neuroni sono le CELLULE ECCITABILI del sistema nervoso. Sono costituiti da un corpo cellulare (è presente il nucleo), dai dendriti e dall assone
L assone del neurone possiede canali ionici (canali voltaggio-dipendenti) di tipo differente da quelli presenti sul corpo cellulare e sui dendriti (canali stimolo-dipendenti) I canali stimolo-dipendenti presenti sui dendriti e sul corpo cellulare sono attivati dalle Sinapsi e sono responsabili dei Potenziali Post-sinaptici graduati. Questi potenziali post-sinaptici, se sufficientemente forti, possono causare i Potenziali d Azione degli assoni I canali voltaggiodipendenti presenti nell assone sono responsabili del Potenziale d Azione, cioè dell impulso elettrico generato dalle cellule nervose
il canale voltaggio-dipendente per il sodio è, assieme a quello per il potassio, responsabile dei potenziali d azione. Mentre il canale del potassio possiede un solo cancello (GATE) che consente l apertura e la chiusura del canale, quello del sodio presenta due cancelli Il cancello sensibile al voltaggio e al tempo (gate m) è interno alla membrana e ai volori di potenziale elettrico di riposo è chiuso e quindi anche il canale è CHIUSO Quando avviene una depolarizzazione della membrana il gate si apre APRENDO il canale La funzione Timer del gate permette al cancello di restare aperto solo per un millisecondo Un secondo cancello di inattivazione (gate h) posto sul lato citoplasmatico, chiudendosi INATTIVA il canale (Meccanismo di inattivazione del canale) Chiuso e inattivato Aperto e attivato
L attivazione delle sinapsi genera correnti ioniche che provocano i Potenziali Post-sinaptici graduati. Le correnti ioniche raggiungono il monticolo assonico (inizio dell assone dove si può generare il potenziale d azione) e se risultano subliminali (cioè che non fanno raggiungere un determinato valore di potenziale di membrana definito potenziale soglia ) producono soltanto risposte passive (possono essere depolarizzanti oppure iperpolarizzanti) Risposte passive
il Potenziale d Azione Una stimolazione sopraliminare del monticolo assonico (superiore al potenziale soglia dell assone) induce nell assone una risposta attiva chiamata potenziale d azione
Ruolo dei canali del Na + e del K + nella genesi del potenziale d azione Schematizzazione del ciclo di Hodgkin è la relazione circolare tra il potenziale di membrana e le conduttanze al Na + e al K + m= cancello di attivazione; h = cancello di inattivazione riposo depolarizzazione ripolarizzazione undershoot
Potenziale d azione con relative variazioni di conduttanza al Na + e al K + Periodo Refrattario Assoluto Periodo Refrattario Relativo i periodi refrattari: Assoluto - nessuno stimolo, per quanto intenso, può scatenare un altro potenziale d azione. Relativo - uno stimolo è in grado di scatenare un altro potenziale ma solo se è più forte del normale
CONDUZIONE del Potenziale d AZIONE: esso si propaga, inalterato, lungo l assone Meccanismo della propagazione ELETTROTONICA della depolarizzazione
Un assone o una fibra muscolare possono essere considerati come un cavo elettrico La membrana plasmatica funge da isolante (imperfetto) e il citoplasma da conduttore La mielinizzazione aumenta la resistenza della membrana incrementando il rapporto R m /R in e quindi la costante di spazio Perciò un pot. d azione viene condotto con minimo decremento e a grande velocità da un nodo di Ranvier all altro Maggiore è il rapporto R m /R in minore la perdita di corrente attraverso la membrana e maggiore è la distanza a cui il pot. d azione può essere trasmesso elettrotonicamente. Il rapporto R m /R in determina la costante di spazio λ = R m /R in R m i R in
I vari tipi di cellule gliali del sistema nervoso centrale e periferico
Formazione ed origine delle guaine mieliniche
Conduzione saltatoria: in una fibra mielinica, l impulso salta da un nodo di Ranvier all altro VELOCITà di CONDUZIONE di fibre mielinizzate e non mielinizzate Gli assoni mielinizzati hanno velocità di conduzione più elevate di assoni non mielinizzati con diametro 100 volte maggiore
La comunicazione tra cellule nervose: le SINAPSI Le sinapsi possono essere di due tipi: elettriche e chimiche
La Sinapsi Elettrica è costituita da gap junction La gap junction è fatta da 6 proteine dette connessine assemblate in un canale transmembrana (detto connessone) che interconnette il citoplasma di cellule adiacenti. Questi canali permettono lo scambio di ioni consentendo così l accoppiamento elettrico delle cellule Le 6 connessine che costituiscono un connessone sono leggermente inclinate e possono cambiare il diametro del poro da loro formato; ph acido, fosforilazione e potenziale di membrana modulano le gap junctions - # 2
La Sinapsi Elettrica è costituita da gap junction I connessoni formano canali che congiungono i citoplasma di cellule adiacenti; nel loro interno si scambiano ioni Cellule a riposo, la sinapsi elettrica è silente Nella sinapsi elettrica il pot. d azione della cellula presinaptica genera un flusso di correnti ioniche a circuito locale attraverso la gap junction Se l ampiezza delle correnti è tale da rendere il pot. di membrana della cellula postsinaptica pari o superiore al valore soglia insorgerà un pot. d azione 1 2 3
la Sinapsi chimica
Ca ++ ACh
Sinapsi neuro-neuronali La comunicazione tra cellule nervose: tipologie di sinapsi possono essere presenti sui dendriti (sinapsi asso-dendritiche) possono essere presenti su un altro assone (sinapsi asso-assoniche) possono essere presenti sul corpo cellulare (sinapsi asso-somatiche)
Neurotrasmettitori Acetilcolina Peptidi Amine aromatiche o Biogene Dopamina Adrenalina Noradrenalina Serotonina ATP/ Adenosina Aminoacidi Glicina Ac. Aspartico Ac. Glutammico Ac. gamma-amminobutirrico
Gli effetti intracellulari, post-sinaptici, dei neurotrasmettitori RECETTORI IONOTROPICI O Recettori-canale Canale Ionico RECETTORI METABOTROPICI o a 7TM accoppiati a proteine G Il canale si apre Apre/Chiude Canali ionici Trasduzione intracellulare Entra Na + oppure entra Ca 2+ Esce K + Oppure entra Cl - Esce K + Oppure entra Cl - Entra Na + /Ca 2+ Specifiche risposte intracellulari Eccitazione (EPSP) Inibizione (IPSP) Eccitazione (EPSP)
RECETTORI IONOTROPICI per i neurotrasmettitori (Recettori-canale)
RECETTORI METABOTROPICI per i neurotrasmettitori (a 7TM accoppiati a proteine G
Uno stimolo sinaptico eccitatorio crea una depolarizzazione della membrana che spostandosi sulla superficie della cellula si riduce di intensità. Lo stimolo sinaptico eccitatorio quando raggiunge il primo punto eccitabile è ormai di piccola intensità (sotto soglia) e non riesce a generare un pot. d azione Lo stimolo sinaptico eccitatorio quando raggiunge il primo punto eccitabile è sufficientemente intenso (sopra soglia) e genera un pot. d azione
Sommazione ( algebrica ) spaziale di potenziali postsinaptici generati simultaneamente
Sommazione temporale di due EPSP generati dalla stessa sinapsi di norma, l EPSP cambia solo di poco il pot. di membrana del monticolo assonico. Se stimoli multipli sommandosi depolarizzano la membrana del monticolo assonico fino al valore soglia si produce un pot. d azione.
INIBIZIONE PRESINAPTICA E POSTSINAPTICA
Una particolare sinapsi: la giunzione neuromuscolare (o placca motrice) mette in comunicazione chimica il neurone con la cellula muscolare ECCITAZIONE DELLA FIBRA MUSCOLARE pot. d azione della fibra nervosa motoria EPSP pot. d az. propagato nella fibra muscolare