Potenziale d`Azione - Francesco Infarinato Francesco Infarinato

Università di Roma La Sapienza
Corso di Elaborazione di Dati e Segnali Biomedici
Facoltà di Ingegneria
Il potenziale di azione
Ingegneria Clinica
A.A. 2015-2016
Francesco Infarinato, PhD
Laboratorio di Bioingegneria della Riabilitazione
IRCCS San Raffaele Pisana
www.sanraffaele.it
[email protected]
I neuroni
Il neurone è l’unità fondamentale
del tessuto nervoso.
È coinvolto nella ricezione,
conduzione e trasmissione
dell’impulso nervoso. Questo è
possibile per le sue caratteristiche
di eccitabilità e conducibilità.
Il neurone è formato dal
corpo cellulare, che contiene
il nucleo e gli organuli, e da
prolungamenti.
Questi ultimi molto ramificati e
detti dendriti; l’assone è un
prolungamento lungo e sottile
dove all’estremità è provvisto di
bottoni sinaptici.
Cosa c’è dentro un neurone
Nucleo - Contiene il materiale genetico
(cromosomi) che conserva le informazioni
necessarie allo sviluppo della cellula ed alla
sintesi proteica, indispensabile per il
mantenimento e la sopravvivenza della
cellula. E' ricoperto da membrana.
Nucleolo - Produce i ribosomi, necessari per
la traslazione delle informazioni genetiche
nelle proteine.
Corpi di Nissl - Gruppi di ribosomi utilizzati
per la sintesi proteica.
Reticolo endoplasmico (RE) - Sistema di
vescicole utilizzate per trasportare materiale
nel citoplasma. Può essere dotato di
ribosomi (RE rugoso) o meno (RE liscio).
Quando vi sono i ribosomi, il RE è importante
per la sintesi proteica.
Apparato di Golgi - Struttura costituita da
membrane, importante per
l'immagazzinamento di peptidi e proteine
(compresi i neurotrasmettitori) in vescicole.
Microfilamenti/Neurotubuli - Sistemi di
trasporto all'interno del neurone, utilizzati
anche come supporto strutturale.
Mitocondri - Producono energia per
alimentare le attività della cellula.
La membrana cellulare nei neuroni
A rendere possibile il
passaggio di ‘informazioni’
fra un neurone e quelli a lui
prossimi, è la membrana
cellulare.
Questo confine fra interno
ed esterno di ogni neurone
è costituito da un doppio
strato di molecole lipidiche
(fosfolipidi) intervallate da
proteine di diverso genere.
Distribuzione di ioni
dentro e fuori i neuroni
Il fluido intracellulare
contiene principalmente
ioni di potassio carichi
positivamente, K+, che
possono attraversare la
membrana abbastanza
facilmente e Anioni
Organici (A-).
Nel fluido extracellulare
invece si trovano
soprattutto cationi di Sodio
(Na+) e anioni di Cloro (Cl-) che
hanno maggiore difficoltà ad
attraversare la membrana.
La forza di diffusione
La forza di diffusione, di tipo
chimica riguarda quegli stati
in cui esiste una libertà
di movimento delle
particelle.
Nel corso della diffusione le
particelle di soluto si
muovono dalla zona dove
sono più concentrate verso la
zona dove lo sono meno: lo
spostamento avviene
secondo gradiente.
Rappresentazione schematica del processo di
diffusione. Le particelle presenti in una
soluzione si diffondono dalla zona dove sono
più concentrate verso la zona dove la
concentrazione è minore, fino a ottenere una
concentrazione uniforme e raggiungere così lo
stato di equilibrio dinamico.
La pressione elettrostatica
La pressione elettrostatica,
di tipo elettrico, è la forza di
attrazione tra particelle
atomiche dotate di segno
opposto, oppure la forza di
repulsione tra particelle
atomiche dotate di segno
uguale.
Il potenziale di membrana
Il potenziale di membrana è
determinato dalla differente
concentrazione di ioni K+
(maggiori all’interno della cellula)
e di ioni Na (maggiori all’esterno
della cellula).
Questa differente concentrazione
determina una carica positiva
all’esterno della membrana e
negativa all’interno, con una
differenza pari a -70 mV.
in
out
Negatività
Potenziale di membrana a riposo
della membrana
a riposo: in una cellula nervosa o
muscolare a riposo il potenziale è
negativo all’interno della membrana
rispetto all’esterno (circa -70 mV)
Sbilanciamento di cariche
elettriche dai due lati della
membrana: tale negatività dipende
dalle proteine negative (anioni) del
citosol, troppo grandi per attraversare
la membrana, e dall’azione di pompe
ioniche che portano più Na+ e Ca++
fuori che K+ dentro la cellula
Permeabilità agli ioni
(conduttanza) della
membrana: a riposo, la
conduttanza al K+ e’ molto più alta di
quella al Na+, per questo non entra
Na+ a dispetto delle forze elettriche e
chimiche verso l’interno della cellula
Fig. 1.3 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998
Entrata
Potenziale di azione
del Na+ e
depolarizzazione: quando la
polarità negativa del potenziale di
membrana a riposo si riduce
(depolarizzazione) oltre circa -40 mV,
si aprono bruscamente i canali
potenziale-dipendenti del Na+
(aumento della conduttanza).
L’entrata brusca di Na+ riduce
ulteriormente la negatività, fino a
valori positivi del potenziale di
membrana (ripolarizzazione)
Uscita
del K+ ed
iperpolarizzazione: la brusca
apertura dei canali potenzialedipendenti del K+ determina la rapida
uscita del K+ (toglie positività
all’interno della cellula) e valori di
elevata negatività di membrana
(iperpolarizzazione). L’apertura di
canali potenziale-dipendenti del Ca++
(entra Ca++) ripristina il potenziale a
riposo
Fig. 1.5 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998
Neurone o muscolo
scheletrico
Conduzione del potenziale d’azione
Propagazione
del
potenziale d’azione. A: nel
segmento iniziale dell’assone del
neurone il potenziale d’azione è
associato all’entrata di Na+ e alla
conseguente depolarizzazione (fino a
polarità positiva). Nei segmenti vicini
si osserva il potenziale negativo a
riposo. B: Forze elettrochimiche
spingono le cariche positive interne
verso il segmento vicino inattivo. C:
L’arrivo delle cariche positive
depolarizza il sito vicino oltre la
soglia, causa l’apertura dei canali
potenziale-dipendenti del Na+
rigenerando il potenziale d’azione
Tipi di propagazione: la
propagazione del potenziale d’azione
e’ punto per punto (A) nell’assone
privo di mielina e (B) per salti in
corrispondenza dei nodi demielinizzati nell’assone mielinizzato
Fig. 1-14 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998
Fig. 1.6 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998
Sinapsi elettrica
Nella sinapsi elettrica, due
cellule stimolabili sono tra
loro connesse mediante una
giunzione comunicante.
Le giunzioni comunicanti
consentono la
comunicazione tra cellule
per passaggio diretto di
correnti da una cellula
all’altra, quindi non si
verificano ritardi sinaptici.
Le sinapsi elettriche
consentono la conduzione
in entrambe le direzioni.
Sinapsi chimica
Sinapsi chimica: separa la
membrana pre- e post-sinaptica. Il
messaggero neuro-trasmettitore
(aminoacido, peptide) attraversa la
sinapsi. Si può modulare la
trasmissione al momento di sintesi,
invio, ricezione e degradazione del
neuro-trasmettitore
Le fasi della trasmissione
sinaptica: arrivo del potenziale
d’azione (bottone pre-sinaptico),
apertura di canali potenziale-dipendenti
del Ca++, entrata di Ca++, migrazione
di vescicole di neurotrasmettitore verso
la membrana pre-sinaptica, esocitosi
del neuro-trasmettitore nella sinapsi,
ricezione del neurotrasmettitore
“ligando” (membrana post-sinaptica),
apertura/chiusura di canalali ligandodipendenti con effetti sul flusso ionico
transmembranario e sul potenziale
post-sinaptico, degradazione e
ricaptazione del neurotrasmettitore
Fig. 7.2 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003
Sinapsi inibitorie ed eccitatorie
Sinapsi
eccitatorie veloci e
potenziale post-sinaptico
eccitatorio: il neurotrasmettitore
“ligando” fa aumentare la
concentrazione di cariche positive
(K+, Na+, Ca++) all’interno della
membrana post-sinaptica con effetto
gradualmente depolarizzante
“eccitatorio” sul potenziale postsinaptico (es. più entrata di Na+ che
uscita di K+)
Sinapsi inibitorie veloci e
potenziale post-sinaptico
inibitorio: il neurotrasmettitore
“ligando” fa aumentare la
concentrazione di cariche negative
(es. entrata di Cl-, uscita di K+)
all’interno della membrana postsinaptica con effetto gradualmente
iper-polarizzante “inibitorio” sul
potenziale post-sinaptico (es. uscita di
K+)
Fig. 7.4 di Germann-Stanfield, Fisiologia
umana, EdiSES, 2003
Fig. 7.5 di Germann-Stanfield,
Fisiologia umana, EdiSES, 2003
Propagazione del potenziale
d’azione sulla fibra muscolare
•
Il potenziale d’azione nel
motoneurone fa aprire i canali di
Ca++ proprio nel bottone presinaptico, l’entrata di calcio fa
rilasciare l’acetilcolina nella
fessura sinaptica
Potenziale d’azione
nel motoneurone
Ach
•
•
L’acetilcolina fa aprire i canali di
potassio (K+), sodio (Na+) e calcio
(Ca++) sulla membrana
postsinaptica della fibra muscolare
Ca++
Na+
L’entrata dei cationi fa
depolarizzare la membrana fino
ad innescare un potenziale
d’azione che, dopo alcuni processi
fisiologici, induce la contrazione
del muscolo.
Potenziale d’azione
nella fibra muscolare
Contrazione
La giunzione
neuromuscolare
• Per poter compiere un
movimento è necessario
che un impulso nervoso
passi da un neurone ad
una fibra neuromuscolare.
• La giunzione
neuromuscolare è la
sinapsi che connette un
motoneurone e una
membrana di fibra
muscolare.
Assone del
motoneurone
Giunzione
neuromuscolare
Fibra
Muscolare
Struttura di un muscolo
• Ogni muscolo
scheletrico è formato
da fasce di fibre
muscolari e tessuto
connettivo.
• Ciascuna fibra è
formata da una serie
di filamenti chiamati
miofibrille.
Miofibrille
Fibra
Muscolare
Struttura di una miofibrilla
Sarcomero
• La miofibrilla è
suddivisa in unità
dette sarcomeri,
caratterizzata da
filamenti proteici
spessi (miosina) o
sottili (actina).
Actina
filamento sottile
Miosina
filamento spesso
Struttura di una miofibrilla
Contrazione muscolare
• Durante la contrazione
muscolare non si ha
nessun fenomeno di
“accorciamento”, ma si
nota la sovrapposizione
dei filamenti di miosina
su quelli di actina, e un
conseguente
avvicinamento delle
proteine di actina fra di
loro.
Actina
Miosina