Il potenziale d’azione
SEQUENZA DI EVENTI PER
GIUNGERE A Vm
• Pompa NA/K crea un gradiente di concentrazione (NA verso
l’esterno, K+ verso l’interno)
• Gli ioni tendono a muoversi per diffusione secondo il gradiente di
concentrazione (cioè NA+ verso l’interno, K+ verso l’esterno)
• Si crea l’accumulo di cariche positive all’esterno della membrana, e
di cariche negative all’interno, cioè il Vm
• Visto che gk >> gNa esce più K+ di quanto non entri Na+ il Vm (-65)
sarà più vicino a quello per il K+
Ciascun ione contribuisce a Vm
Vm = -65mV
Perché si chiama differenza di potenziale?
Il potenziale di membrana a riposo (Vm)
Al potenziale di riposo i vari ioni si muovono
attraverso i canali passivi sotto la spinta del
gradiente di concentrazione e del potenziale di
membrana, oltre a passare la membrana grazie alla
pompa Na/K.
A riposo c’è un equilibrio tra cariche in entrata e
cariche in uscita, ma la membrana è carica di
energia potenziale
Come si genera un segnale nervoso all’arrivo di uno stimolo?
L’arrivo di un segnale può far aprire un canale di membrana
Regolazione della permeabilità dei canali
-
NA+ +
Stimolo!
ENTRA NA+ PER GRADIENTE
ELETTRICO E DI CONCENTRAZIONE
L’entrata di sodio DEPOLARIZZA il neurone (potenziale generatore)
(cioè l’interno diventa meno negativo)
Queste correnti tendono a scorrere lungo la membrana, tipicamente dei
dendriti, esaurendosi dopo un breve tratto. Per questo si chiamano
correnti locali. Anche la depolarizzazione della membrana, indotta da
queste correnti, si esaurisce rapidamente.
corrente-stimolo
L’integrazione sinaptica
Costante di spazio
• I dendriti hanno
membrana passiva,
cioé senza canali ionici
voltaggio-dipendenti
(ma alcuni li hanno. Per es.
le cellule piramidali della
corteccia cerebrale.)
• Il segnale elettrico, PPSE,
si esaurisce gradualmente
• λ = costante di spazio
dipende dalla resistenza
interna del citoplasma e da
quella della membrana
dendritica al flusso di
correnti ioniche
Recettori neurotrasmettitore-dipendenti
Neurotrasmettitore eccitatorio:
Es. Glutammato (il piú diffuso nel SNC)
PPSE
Se l’apertura dei canali provoca ingresso netto di una corrente
positiva, si crea un Potenziale Post-Sinaptico Eccitatorio
(PPSE depolarizzante)
Neurotrasmettitore inibitorio:
Es. GABA, Glicina
PPSI
Se l’apertura dei canali provoca ingresso di una corrente
negativa, si crea un Potenziale Post-Sinaptico Inibitorio
(PPSI iperpolarizzante)
Stimolo
La variazione di potenziale
dovuta alle correnti locali
tende ad esaurirsi
lungo la membrana
Ma esistono punti
della membrana
specializzati, dove
sono concentrati
canali al NA+
voltaggiodipendenti
Qui origina il
Potenziale d’Azione (PdA)
Il potenziale d’azione inizia e si estende
nella parte di membrana con un’alta concentrazione
di canali voltaggio-dipendenti. Questa varia a seconda delle cellule:
- cono di emergenza (o di integrazione) nei neuroni piramidali;
- zona di inizio dello spike nel terminale periferico di n. sensoriali.
cono di integrazione
Se il potenziale generato dalla corrente-stimolo (potenziale generatore)
supera un determinato valore detto soglia,
I CANALI AL NA+ VOLTAGGIO-DIPENDENTI CAMBIANO
CONFORMAZIONE E SI APRONO
QUESTI SI APRONO ISTANTANEAMENTE E TUTTI INSIEME
E PROVOCANO UN’ENTRATA DI NA+ IN MASSA
(DEPOLARIZZAZIONE)
Il potenziale raggiunge un
valore positivo elevato a
causa dell’ingresso di NA+
(DEPOLARIZZAZIONE)
A QUESTO PUNTO SI
APRONO ANCHE CANALI
AL K+ VOLTAGGIODIPENDENTI
ANCHE QUESTI SI
APRONO
ISTANTANEAMENTE E
TUTTI INSIEME E
PROVOCANO UN’USCITA
DI K+ IN MASSA
(RIPOLARIZZAZIONE)
Questo è il Potenziale d’Azione (PdA)
1) stereotipato
2) tutto-o-nulla
3) senza decremento
Queste tre caratteristiche sono
peculiari del PdA e lo distinguono
Dai potenziali generati da correnti locali
1) Di ampiezza variabile
2) Di forma e durata variabile
3) Ad esaurimento (passive)
Stimolo
Il PdA
percorre sempre
tutta la lunghezza
dell’assone
PdA
A ciascuna fase del PdA
corrisponde una precisa
corrente ionica
Attraverso
un canale selettivo
voltaggio-dipendente
Durante PdA si aprono canali voltaggio-dipendenti
A riposo c’è
equilibrio ionico
Alla depolarizzazione:
canali NA+ voltaggiodipendenti:
entra NA+ (gradiente
elettrico e di conc.)
Ripolarizzazione: si aprono
canali voltaggio dip. Al K+:
esce K+ (gradiente
elettrico e di conc.)
Poi ancora riposo
Stato del canale voltaggio-dipendente per il NA
chiuso
attivo (chiuso)
aperto disattivato dalla
porzione globulare
Periodo refrattario assoluto:
inattivazione canali al NA
Periodo refrattario relativo:
persistente apertura canali al K
Canali per il K+ voltaggio-dipendenti
• Si aprono con un certo ritardo rispetto a
quelli per il Na+, quindi la ripolarizzazione
inizia con un certo ritardo dando modo alla
cellula di depolarizzarsi
• Ne esistono vari tipi. Il piú noto ha una
struttura simile al canale per il Na+
voltaggio-dipendente
L’assone gigante di calamaro
In 1936, J. Z. Young discovered that the squid Loligo contains some enormous
nerve cells -- including an axon up to 1 mm in diameter and 10 cm long -- and
suggested that such cells might be "very suitable material" for learning how the
nervous system works.
In the late 1940's, British
scientists
Alan Hodgkin and Andrew
Huxley at the University of
Cambridge used this giant cell
to investigate how electrical
impulses (action potentials)
are transmitted rapidly over
long distances.
Hodgkin & Huxley
Premio Nobel 1963
Il blocco del voltaggio (voltage clamp)
1) Blocco del voltaggio fino ad un certo potenziale
2) Misurazione della corrente a quel determinato potenziale
Hodgkin & Huxley
Voltage clamp a 0 mV
Soluzione senza K+
o senza NA+
Attribuzione delle varie
Parti della curva della
corrente ad un flusso di Na+
o K+
Apertura in sequenza dei canali voltaggio-dipendenti
Con la tecnica del patch clamp si isola un pezzetto di
membrana con un singolo canale e si può studiare la
corrente ionica che lo attraversa a vari voltaggi
Uso di inattivatori specifici
Tetraetilammonio (TEA): blocca K+
Tetrodotoxina (TTX): blocca Na+
pesce palla giapponese
PdA e blocco
Dei canali con tossine
Fase iniziale PdA= corrente al Na+
Fase finale PdA = corrente al K+
Blocco dei canali del Na+
con TTX = solo corrente al K+
Blocco dei canali del K+
con TEA = solo corrente al Na+
Anestetici locali
La cocaina e il suo derivato sintetico
lidocaina si legano ad un sito
specifico del canale per il Na+
voltaggio-dipendente e lo bloccano
E’ un esempio di antagonista reversibile
Come fa il PdA a scorrere lungo tutto l’assone?
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Il Pda
• Si trasmette da un punto della membrana al
successivo. La depolarizzazione di un punto
della membrana provoca l’apertura dei
canali voltaggio-dipendenti del punto
successivo
• Si auto-mantiene fino per tutta la lunghezza
della membrana
Velocità di conduzione
• Come in un cavo elettrico, dipende dal
diametro del cavo e dal suo isolamento
• Per aumentarla si può aumentare il diametro
della fibra (c’è un limite!) o migliorare
l’isolamento
Nei vertebrati compare la MIELINA
Conduzione saltatoria
Malattie demielinizzanti
• Sclerosi multipla: attacca la mielina nel
SNC
• Sindrome di Guillain-Barré: attacca la
mielina del sistema nervoso periferico
Frequenza di scarica
Immettendo corrente positiva si ottiene una
SERIE DI PICCHI (PdA)
Il linguaggio dei neuroni
Codice di frequenza = all’aumentare della corrente
depolarizzante (intensità dello stimolo) aumenta la frequenza
Neuroni diversi hanno
comportamenti elettrici diversi
Cellula stellata:
frequenza costante
Cellula piramidale:
alta freq. iniziale,
poi adattamento
Altri (piramidali):
burst di scariche
