a3 fisiologia della cellula eccitabilitã

equilibri ionici e potenziali elettrici
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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
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genesi di potenziali elettrochimici trans-membrana
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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
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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
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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 [Ca2+]e/[Ca2+]i =
29 mV * log1,5/0,0001 = +121 mV
ECl = -58 mV * log [Cl-]e/[Cl-]i =
-58 mV * log117/4 = -85 mV
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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)
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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*145 + 4 ) / (0,01*12 + 140) = -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)
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proprietà elettriche passive di membrana
risposta lineare
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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/cm2
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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 10000 Ωcm2 e con Cm uguale a 1μF/cm2, 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
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risposta attiva: potenziali d’azione
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esperimenti di Alain Hodgkin e Andrew Huxley: basi ioniche ed eventi molecolari
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risposta sottosoglia
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risposta soprasoglia
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1) Potenziale di soglia (tra -40 e -30 mV)
2) Na+ extracellulare
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3) Conduttanza
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4) Ipotesi del Na+
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5) Periodo refrattario
frequenza
f= 1/tr
tr: periodo refrattario totale
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canali voltaggio-dipendenti
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canali del Na+
10 geni per
altrettanti canali
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neurotossine per i canali voltaggio-dipendenti
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canali del Ca2+
10 geni per altrettanti canali
attivazione veloce voltaggio-dipendente
inattivazione veloce o lenta, controllata anche dalla concentrazione di Ca2+
HVA (-40/-20 mV) di tipo L (4 sottotipi), N, P/Q, R
LVA (-60/-50 mV) di tipo T (3 sottotipi)
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la subunità principale α1 è composta da circa 2500 a.a.
S5 e S6 formano il filtro di selettività
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tipo L: α1S, α1C, α1D, α1F
marcata inattivazione Ca2+-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
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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
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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 [Ca2+]i
SK, a bassa conduttanza
BK, ad alta conduttanza
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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
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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
Ca2+ 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
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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
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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
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le cellule gliali (neuroglia) sono più numerose dei neuroni (50:1)
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mediamente circa 25 avvolgimenti (50 strati di membrana)
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potenziali graduati ed impulsi tutto-o-niente (treni di PA)
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propagazione elettrotonica
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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
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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
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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
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la propagazione è unidirezionale senza decadimento e
perdura per tutta la lunghezza dell’assone
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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
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conduzione saltatoria
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in condizioni patologiche la guaina mielinica può andare incontro a degenerazione
causando problemi nella conduzione dell’impulso
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