•GENESI DEL POTENZIALE DI RIPOSO
DELLA MEMBRANA
•POTENZIALI ELETTROTONICI E LORO
PROPAGAZIONE
•GENESI DEL POTENZIALE D’AZIONE
•PROPAGAZIONE DEL POTENZIALE
D’AZIONE IN FIBRE NERVOSE AMIELINICHE
E MIELINICHE
POTENZIALE DI RIPOSO
DELLA MEMBRANA VR
•DIFFERENZA DI POTENZIALE ELETTRICO (O
VOLTAGGIO) CHE SI INSTAURA A CAVALLO
DELLA MEMBRANA PLASMATICA DI OGNI
CELLULA VIVENTE
• VR= Vi – Ve
(mV)
•ASSUME VALORI NEGATIVI
POTENZIALE DI RIPOSO
DELLA MEMBRANA VR
POTENZIALE DI RIPOSO
DELLA MEMBRANA VR
POTENZIALE DI RIPOSO
DELLA MEMBRANA VR
CAPACITA’ ELETTRICA DELLA MEMBRANA
•Il doppio strato lipidico e’ in un isolante elettrico
in grado di separare e accumulare ai suoi lati
cariche (ioni) di segno opposto
•La membrana cellulare quindi agisce come un
condensatore,
attuando
una
separazione
di
cariche: i cationi e gli anioni si distribuiscono ai
lati opposti della membrana e interagiscono
elettrostaticamente fra loro
•Le soluzioni intracellulare ed extracellulare sono
elettroneutre; elettroneutra è anche la regione
immediatamente adiacente la membrana
•La capacita’ si misura in farad (coulomb/volt);
CMEMBRANA ~ 1F/cm2
DIFFUSIONE PASSIVA NETTA ATTRAVERSO UNA
MEMBRANA DI IONI O MOLECOLE CARICHE
•GRADIENTE CHIMICO DERIVANTE DALLE
DIFFERENZE DI CONCENTRAZIONE AI DUE
LATI DELLA MEMBRANA
•DIFFERENZA DI POTENZIALE ELETTRICO
AI CAPI DELLA MEMBRANA
LA SOMMA DELLE DUE FORZE ORIGINA
IL GRADIENTE ELETTROCHIMICO
EQUILIBRIO ELETTROCHIMICO
POTENZIALE DI EQUILIBRIO DI UNO IONE
• DEFINITO
COME
LA
DIFFERENZA
DI
POTENZIALE ELETTRICO TRANSMEMBRANA Ei
CHE CONTROBILANCIA LA DIFFERENZA DI
CONCENTRAZIONE (POTENZIALE CHIMICO)
DELLO IONE i A CAVALLO DI UNA MEMBRANA
PERMEABILE ALLO IONE STESSO
•E’ UN POTENZIALE DI EQUILIBRIO: IL FLUSSO
NETTO DELLO IONE E’ NULLO
•STABILE NEL TEMPO
•DIPENDE DALLA TEMPERATURA
•PROPORZIONALE
AL
LOGARITMO
DEL
RAPPORTO DELLE CONCENTRAZIONI DELLO
IONE AI DUE LATI DELLA MEMBRANA
EQUAZIONE DI NERNST
R  T i2 
Ei 
ln
zi  F i1 
dove
Ei 
Potenziale di equilibrio dello ione i
R
Costante dei gas
T
Temperatura assoluta
zi 
Valenza dello ione
F
Costante di Faraday
i  
Concentrazione dello ione
[V]
EQUAZIONE DI NERNST

iout 
Ei  61  log
iin 
T  310 K
zi  1
[ mV]
Quanto variano le concentrazioni di potassio all’equilibrio?
Se
Volume dei compartimenti 1 cm3
Capacità specifica della membrana 1 F cm-2
Allora avremo circa
6 x1019 ioni potassio nel compartimento 1
6 x1018 ioni potassio nel compartimento 2
Possiamo calcolare la quantità di carica Q = C V
dividerla per costante di Faraday e moltiplicarla per il numero di
Avogadro ottenendo circa
3,7 10 11 ioni
ossia inferiore di 7 o 8 ordini di grandezza.
1 ione ogni 100 milioni si è spostato dal compartimento 1 al
compartimento 2 per realizzare la condizione di equilibrio
Se un canale è selettivo per uno ione i, il valore di potenziale di
membrana al quale la corrente ionica è nulla (potenziale d’inversione
della corrente) approssima il potenziale di equilibrio Ei
Concentrazioni dei principali ioni nel
muscolo scheletrico (mM)
LEC
LIC
Potenziale di
equilibrio
K+
4,5
160
-95 mV
Na+
144
7
+80 mV
Ca2+
1,3
H+
4 10-5 (pH 7,4)
10-4 (pH 7,0)
-24 mV
Cl-
114
7
-80 mV
HCO3-
28
10
-27 mV
10-7-10-8 M
+125 - +310 mV
GRADIENTE ELETTROCHIMICO
Se conosciamo le concentrazioni di uno ione ai lati di una membrana
e il valore di Vm possiamo calcolare il gradiente elettrochimico per
lo ione i :
( Vm – Ei )
Intensità e direzione della forza che spinge lo ione ad attraversare
la membrana
Vr = -65 mV
EK = -95 mV
Vr-EK= (-65-(-95))= +30 mV
Vr = -65 mV
ENa = +80 mV
Vr-ENa = (-65-(+80))= -145 mV
IL POTENZIALE DI RIPOSO VR NON E’ UN POTENZIALE DI
EQUILIBRIO
E’ IL POTENZIALE AL QUALE I FLUSSI IONICI TOTALI O LA
CORRENTE TOTALE CHE ATTRAVERSA LA MEMBRANA E’
NULLA
EQUAZIONE DI GOLDMAN-HODGKIN-KATZ
I tot  0
Per i principali ioni permeanti monovalenti:
I tot  I Na  I K  I Cl  0
RT PK K o  PNa Na o  PCl Cl i
VR 
ln
F
PK K i  PNa Na i  PCl Cl o
Pi  Coefficiente di permeabilità della specie ionica i
[cm/s]
RT PK K o  PNa Na o  PCl Cl i
VR 
ln
F
PK K i  PNa Na i  PCl Cl o
•Le concentrazioni ioniche risultano moltiplicate per i
rispettivi coefficienti di permeabilità Pi (che non figurano
nell’equazione di Nernst): la differenza di concentrazione
per ogni specie ionica ai due lati della membrana pesa sul
valore di VR in base al valore di Pi. In altri termini VM
assumerà un valore intermedio fra quello dei potenziali di
equilibrio delle diverse specie ioniche avvicinandosi al
potenziale di equilibrio dello ione con P maggiore
•Nel caso particolare di P diversa da zero per una sola
specie ionica VR coincide con il potenziale di equilibrio e
l’equazione di GHK si riduce all’equazione di Nernst
•V varia al variare di P
GENESI DI VR
Si possono distinguere processi di varia natura:
•Processi di diffusione secondo gradiente
elettrochimico di ioni, principalmente K+ e Na+,
via canali ionici e altri trasportatori
•Processo attivo che consiste nel trasporto
contro gradiente elettrochimico di K+ e Na+,
volto a creare e mantenere i gradienti chimici
VR in quanto potenziale di diffusione tenderebbe a
decadere nel tempo man mano che si dissipano i
gradienti ma questo fatto non si verifica grazie
all’attività della pompa Na+/ K+-ATP-asi
La pompa è elettrogenica: contribuisce anche
direttamente alla genesi di VR ( 3-4 mV)
PROPRIETA’ ELETTRICHE PASSIVE DELLA
MEMBRANA: POTENZIALI GRADUALI
(ELETTROTONICI) E LORO PROPAGAZIONE
Le sinapsi si formano tipicamente nei dendriti e nel soma; possono formarsi
sull’assone o sul terminale assonale.
10.000 sinapsi
150.000
sinapsi
•Le tracce del potenziale di membrana
mostrano che sono necessari alcuni
millisecondi perché si instauri e decada la
polarizzazione
della
membrana
con
l’applicazione
e
la
rimozione
della
corrente.
•La diminuzione della velocità di salita e di
caduta del potenziale indica la presenza di
una capacità elettrica tra il citoplasma e il
mezzo esterno.
SEGNALI ELETTRICI PASSIVI NELLE
MEMBRANE CELLULARI
•L’INIEZIONE IN CELLULA DI UN IMPULSO DI
CORRENTE RETTANGOLARE DI PICCOLA AMPIEZZA
PRODUCE UNA VARIAZIONE DI VM ESPONENZIALE
CHE DIPENDE DA R E DA C
•LA RELAZIONE I-V ALLO STATO STAZIONARIO E’
LINEARE (LEGGE DI OHM)
•SE LA MEMBRANA FOSSE RAPPRESENTATA DALLA
SOLA COMPONENTE RESISTIVA ALL’INIEZIONE DI
UN
IMPULSO
DI
CORRENTE
RETTANGOLARE
DOVREBBE
CORRISPONDERE
UNA
VM
RETTANGOLARE E ISTANTANEA
•VM NON E’ ISTANTANEA PERCHE’ RALLENTATA
DALLA CAPACITA’ DELLA MEMBRANA
VM (t )  I m R(1  e
dove
  R C
costante di tempo
t /
)
SEGNALI ELETTRICI GENERATI NEI NEURONI
POTENZIALI GRADUALI
•SONO SEGNALI LOCALI: PERCORRONO BREVI DISTANZE DAL
PUNTO DI ORIGINE
•SONO DEPOLARIZZAZIONI O IPERPOLARIZZAZIONI
•AMPIEZZA PROPORZIONALE ALL’INTENSITA’ DELLO STIMOLO
CHE LI GENERA
•SI VERIFICANO TIPICAMENTE NEI DENDRITI E NEL SOMA DI
UN NEURONE
•NEL SNC E IN NEURONI EFFERENTI SI GENERANO QUANDO
SEGNALI CHIMICI PROVENIENTI DA ALTRI NEURONI APRONO
CANALI IONICI REGOLATI CHIMICAMENTE
•SI PROPAGANO
DIREZIONI
CON
DECREMENTO
LUNGO
TUTTE
LE
PROPAGAZIONE ELETTROTONICA
•
IL
POTENZIALE
GRADUALE
(ELETTROTONICO) SI PROPAGA LUNGO
TUTTE LE DIREZIONI MA LA SUA AMPIEZZA
DIMINUISCE
ESPONENZIALMENTE
IN
FUNZIONE DELLA DISTANZA PERCORSA
DAL
PUNTO
DI
INIEZIONE
DELLA
CORRENTE CHE LO HA GENERATO
a) Dispersione della corrente attraverso la
membrana plasmatica dovuta alla presenza
di canali ionici aperti che lasciano uscire
cariche positive nel mezzo extracellulare
b) Resistenza del citoplasma al flusso di
corrente
Vx  V0e
V0 
x/
Variazione del potenziale nel punto x=0
Vx  Variazione del potenziale alla distanza x


Costante di spazio
Rm
Rl
R m  Resistenza di un’unità di lunghezza della membrana assonale
Rl  Somma delle resistenze longitudinali interna ed esterna
 a
a = raggio dell’assone
SEGNALI ELETTRICI GENERATI NEI NEURONI
POTENZIALI GRADUALI O POTENZIALI LENTI
•SONO INTEGRATI NELLA ZONA TRIGGER
NEURONE
DOVE
POSSONO
GENERARE
POTENZIALE D’AZIONE
DEL
UN
•SONO POTENZIALI GRADUALI I POTENZIALI POSTSINAPTICI ECCITATORI (EPSP) E I POTENZIALI POSTSINAPTICI INIBITORI (IPSP)
SEGNALI ELETTRICI GENERATI NEI NEURONI
POTENZIALI D’AZIONE
•SEGNALI
ELETTRICI
RAPIDI
E
TRANSITORI
CHE
PROPAGANO VELOCEMENTE SENZA PERDERE INTENSITA’
SI
•SONO DEPOLARIZZAZIONI DI BREVE DURATA DI CIRCA 100
mV DI AMPIEZZA
•SI VERIFICANO NELLA ZONA TRIGGER DEL NEURONE IN
RISPOSTA AD UN VALORE CRITICO DI DEPOLARIZZAZIONE DEL
POTENZIALE DI MEMBRANA DETTO VALORE SOGLIA
•SONO FENOMENI “TUTTO O NULLA”
CANALI IONICI
GENESI DEL POTENZIALE
D’AZIONE
RIPOLARIZZATO
RIPOLARIZZATO
1.
POTENZIALE DI MEMBRANA
A RIPOSO
2.
INIZIO DELLA FASE DI
DEPOLARIZZAZIONE (VOC
DEL Na+ e K+ SI APRONO)
3.
SOGLIA
4.
CICLO DI HODGKIN A
RETROAZIONE POSITIVA:
TUTTI I CANALI DEL Na SI
APRONO
5.
INATTIVAZIONE DI VOC DEL
Na +
6.
MASSIMA ATTIVAZIONE DI
VOC DEL K +
7.
VOC DEL K+ ANCORA APERTI
8.
VOC DEL K+ SI CHIUDONO E
Na + ENTRA IN CELLULA
9.
SI RISTABILISCE VR
CICLO DI HODGKIN
PERIODO REFRATTARIO
ASSOLUTO E RELATIVO
PROPAGAZIONE DEL
POTENZIALE D’AZIONE
PROPAGAZIONE SALTATORIA
STRUTTURA E FUNZIONE DEI
CANALI IONICI VOLTAGGIO
DIPENDENTI
Filtro di selettività situato lungo la parete interna del canale: caratterizzato dalla presenza di un
sito specifico che lega blandamente gli ioni sodio.
Secondo questo modello, uno ione sodio, quando attraversa il poro, si lega reversibilmente ad un
sito attivo. La carica positiva dello ione viene stabilizzata nel sito di legame dal residuo idrofilo
di un aminoacido caricato negativamente che costituisce una delle pareti del canale e da una
molecola di acqua che viene attratta dal residuo di un secondo aminoacido posto sulla parete
opposta del poro.
Secondo il modello, gli ioni potassio che hanno dimensioni maggiori, non sono in grado di
attraversare la zona del filtro, in quanto le interazioni elettrostatiche con le cariche negative del
filtro stesso non li stabilizzano in maniera efficace
L’apertura dei canali voltaggio-dipendenti comporta una ridistribuzione di cariche all’interno del
segmento S4.
Modello della regione S4 per il canale del sodio: gli R rappresentano i residui di arginina carichi
positivamente.
A riposo ogni carica positiva netta della struttura ad -elica è stabilizzata da una carica negativa
presente nelle regioni vicine della molecola. Quando la cellula viene depolarizzata, la variazione
dela campo elettrico determina uno spostamento delle cariche positive verso l’estremità esterna
della membrana (gating currents), con un andamento elicoidale a passo di vite. Il movimento si
arresta quando le cariche in S4 incontrano altre cariche negative fisse di strutture elicoidali
adiacenti. Il riallineamento delle cariche stabilizza la nuova conformazione del canale.
Canale del sodio voltaggio-dipendente
Subunità 
Canale del calcio voltaggio-dipendente
Subunità 
Canale del potassio voltaggio-dipendente
Subunità 
•Almeno 40 membri divisi in 12 sottofamiglie