Concentrazioni ioniche intra/extra cellulari
1
Membrana reale (muscolo striato): ∆Ψm=-90 mV
Gradiente di
concentrazione
K+
Gradiente
elettrico
Proteine
OUT
OUT
++
IN
IN
- -
Potenziale di membrana
2
1
Potenziale di equilibrio (elettrochimico)
- E’ il potenziale di membrana al quale i flussi di ingresso e di uscita (dovuti al
trasporto passivo dei gradienti di concentrazione ed elettrico dello ione) sono
uguali ed il flusso netto e’ nullo
eq
 Cout

RT
∆Ψeq =
ln eq 
N 0 Ze  Cin 
Equazione di Nernst
- Calcolando esplicitamente il coeff. RT/N0e (a temperatura ambiente) e passando dal
logaritmo naturale al logaritmo in base 10 si ha:
 C eq 

∆Ψeq = 0.058 log out
eq 
C
 in 
(catione monovalente come K+)
- Anche se la membrana e’ completamente permeabile allo ione, all’ equilibrio non si
ha parita’ di concentrazione tra in e out
- C’e’ corrispondenza biunivoca tra potenziale di equilibrio ∆Ψeq e rapporto di
concentrazioni in e out
3
Membrana reale (muscolo striato):
∆Ψm=-90 mV
Confrontiamo il pot. d’ equilibrio di alcuni ioni col potenziale di membrana
reale nel muscolo striato (potenziale di riposo):
Na +
eq
[ ]
[ ]
RT
Na + out
=
ln
= +66mV
N 0e
Na + in
Na+
∆Ψ
K+
∆ΨeqK + = −97 mV
Cl-
∆ΨeqCl − = −90mV
A-
Non si applica
Il potenziale di equilibrio di Nernst del Na+ e’ molto diverso dal
potenziale di membrana reale !!!
4
2
Potenziale di riposo della membrana
I fattori che determinano il potenziale di riposo della membrana sono:
- L’ impermeabilita’ agli anioni proteici carichi negativamente che
e’ all’ origine del potenziale elettrico di membrana
- La scarsa permeabilita’ agli ioni Na+ che e’ di ostacolo sia al
gradiente di concentrazione che a quello elettrico per questo ione
- Il trasporto attivo (contro gradiente elettrochimico) operato dalla
pompa Na+-K+ che mantiene il potenziale di membrana vicino a
quello di equilibrio elettrochimico degli ioni K+
5
Tessuti eccitabili: risposta della
membrana a stimoli esterni
• Risposte passive (capacita’ e conduttanza)
• Risposte attive (apertura/chiusura –gatingdi canali ionici) nelle cellule eccitabili
(nervose e muscolari)
6
3
Cellula nervosa (neurone)
7
Cellula nervosa (neurone)
Regione dendridica: Qui arrivano innumerevoli micro-stimoli chimici (afferenze)
cui sono sensibili i recettori del neurone, determinando localmente l’ ingresso o l’
uscita di ioni specifici, facendo quindi variare debolmente il potenziale di membrana
Soma: Qui di solito i micro-stimoli vengono integrati nello spazio e nel tempo e
producono uno stimolo (variazione del potenziale di membrana) che puo’ risultare
efficace oppure no, affinche’ il neurone risponda allo stimolo
Assone: produce la risposta allo stimolo, cioe’ una singola risposta (potenziale8d’
azione) per tutta la miriade di micro-stimoli che sono stati integrati al livello del soma
4
Risposte passive e attive della membrana
assonica: il potenziale d’ azione
- Per valori di stimolazione al di
sotto di un valore di soglia che
dipende dalle caratteristiche della
membrana (canali sodio) la
risposta della membrana e’
passiva
- Il pot d’ azione e’ un picco di
potenziale di membrana generato
nelle cellule eccitabili (neuroni,
cellule muscolari) da un impulso
di stimolazione superiore ad un
valore di soglia (risposta attiva,
legge del “tutto o nulla”)
- In certi casi per una stimolazione
uguale al valore di soglia, si ha
una eccitazione inefficace e non
propagata che viene chiamata
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“risposta locale”
Refrattarieta’ assoluta e relativa
- Durante il periodo di
refrattarieta’ assoluta, nessuno
stimolo e’ capace di indurre un
nuovo potenziale d’ azione
- Durante il periodo di
refrattarieta’ relativa, e’
necessaria una maggiore
intensita’ di stimolazione, e
viene prodotto un potenziale d’
azione di minore intensita’
10
5
Accomodazione
- In risposta ad uno stimolo subliminare la cui intensita’ decresce lentamente, il
potenziale di soglia aumenta (accomodazione)
- In risposta ad una stimolazione sovraliminare persistente, alcuni neuroni mostrano
una pronunciata accomodazione, generando uno o pochi potenziali d’ azione iniziali e
trasformando poi la risposta in risposta passiva. Nel complesso si parla di risposta
fasica
- Altri neuroni mostrano una scarsa accomodazione, continuando a rispondere con
scariche di pot d’ azione, eventualmente rallentate (risposta tonica)
accomodazione
11
Potenziale d’ azione
gating dei canali del Na+ e K+
12
6
Metodo del potenziale imposto ad un frammento di membrana
PATCH CLAMP
Registrazione a
cellula intera
Registrazioni a
singolo canale
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Misura correnti di canale singolo
(patch clamp)
Canali del Na+
Canali del K+
corrente “inward”
corrente “outward”
(canali del K+ bloccati dal Cs+)
(canali del Na+ bloccati da tetrodotossina)
Canale singolo
Corrente di membrana
Canale singolo
Corrente di membrana
14
7
Trasporto di materiali nell’ assone (anterogrado/ retrogrado)
15
assone
PROPAGAZIONE DEL
POTENZIALE DI
MEMBRANA
Propagazione impulso
sotto soglia
(subliminare)
Propagazione impulso
sopra soglia
(sovraliminare):
potenziale d’ azione
16
8
PROPAGAZIONE DEL POTENZIALE D’ AZIONE
17
Neuroni e cellule gliali: la guaina mielinica
L’ astroglia ha varie
funzioni tra cui la
rimozione di detriti
cellulari ed il
mantenimento delle
conc. interstiziali di
pH e K+
- L’ oligodendroglia nel sistema nervoso
centrale forma la mielina: una guaina
lipidica a molti strati, “isolante” per l’
assone
- Lo stesso ruolo nel sistema nervoso
periferico e’ svolto dalle cellule di
Schwann (1 sola cellula per assone).18
9
Assoni mielinici
Conduzione saltatoria
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SINAPSI ELETTRICHE
- assone soma
- assone dendrite
- dendrite dendrite
- soma soma
Scambio di
-Ioni
- secondi messaggeri
- saccarosio
- oligopeptidi
- Flusso passivo di ioni in
seguito a pot. d’ azione
pre-sinaptico
(bidirezionale)
- Trasmissione rapida
- Sincronizzazione
attivita’ elettrica fra
popolazioni di cellule
20
10
SINAPSI CHIMICHE
- assone assone
- assone soma
- assone assone
- Trasduzione chimica del segnale presinaptico
(potenziale di azione)
- Flusso di informazione unidirezionale
- Integrazione spaziale e temporale dei
segnali presinaptici
vescicole sinaptiche
fessura
sinaptica
21
× 125000
Trasmissione sinaptica del potenziale d’ azione
- assone assone
- assone soma
- assone assone
1)
Arrivo segnale elettrico (pot. azione pre-sinaptico)
2)
Rilascio trasmettitore specifico
3)
Interazione con recettore specifico del neurone postsinaptico
4)
Trasduzione segnale mediante catena di eventi
successivi
depolarizzazione
polarizzazione
5)
CODICE di
TRASDUZIONE
eccitazione
inibizione
Integrazione spaziale e temporale
22
11
Rilascio del
neurotrasmettitore
- Ruolo importante dei
canali del Ca2+
voltaggio-dipendenti
- Ogni vescicola sinaptica
libera una quantita’ fissa
(quanto) di trasmettitore
- [Ca2+] intracellulare
determina il n. di
vescicole che si fondono
con la membrana (che
dipende quindi anche
dalla freq. dei potenziali
d’ azione)
23
Sommazione
temporale
SOMMAZIONE DI EPSP
(Excitatory Post-Synaptic Potential)
Sommazione spaziale
24
12
Neuropeptidi e Neurotrasmettitori a
basso peso molecolare
Possibile identificazione di un
neurotrasmettitore
1) La sostanza deve essere presente nel
neurone presinaptico…
2) … deve essere liberata per depolarizzazione
presinaptica in modo Ca2+ dipendente…
3) … e la cellula postsinaptica deve avere
recettori per la sostanza
Neurotrasmettitori
a basso peso molecolare (10)
Neuropeptidi (piu’ di 100)
Somatostatina
Vasopressina
Ossitocina
β-endorfina
Angiotensina
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Neurotrasmettitori e recettori:
il codice di trasduzione
Neurotrasmettitore
Recettore
Conduttanza
Potenziale post sinaptico
Glutammato
Cainato
>g(Na) g(K)
EPSP
Quisqualato
>g(Na) g(K)
EPSP
NMDA
>g(Ca)
EPSP
Nicotinico
>g(Na) g(K)
EPSP
Muscarinico M1
<g(K)
EPSP
IP3 e DAG
Muscarinico M2
>g(K)
IPSP
AMPc
5HT-1A,1B
>g(K)
IPSP
AMPc
5HT-1C,1D
>g(Cl)
IPSP
IP3
5HT-2
<g(K)
EPSP
IP3
5HT-3
>g(Na) g(K)
EPSP
GABA-A
>g(Cl)
IPSP
GABA-B
>g(K)
Acetilcolina
Serotonina
GABA
Dopamina
Noradrenalina
2ndo messaggero
IPSP
AMPc?
D-1
EPSP?
AMPc
D-2
IPSP
AMPc
IPSP(SNC)
Contrazione (SNP)
IP3,DAG
Alfa-1
>g(K)
Alfa-2
<g(Ca)
AMPc
Beta-1
Accelerazione cardiaca
AMPc
Beta-2
Rilasciamento (SNP)
AMPc
26
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acetilcolina (Ach) / recettore nicotinico
Presente nel SNC e SNP (trasm tra nervi e muscoli)
- il recettore nicotinico (canale attivato chimicamente
dall’ Ach) permette sia la fuoriuscita di K+ che l’
ingresso di Na’, predominante. Il neurone postsinaptico
si depolarizza
- il recettore non e’ sensibile al voltaggio. Dopo un certo
tempo la concentrazione di Ach diminuisce (Ach
Ch,
acetilcolinesterasi) ed il canale si richiude
- la Ch viene riassunta (ricaptazione) dal neurone
presinaptico e riciclata
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Partecipazione cellule gliali alla ricaptazione
•
Coppia neurotrasm/recettore: Glutammato / recettori
cainato, quisqualato e NMDA
•
Le cellule gliali riabbassano la concentrazione di
glutammato convertendolo in glutammina
28
14
Circuiti neurali
Esempio:
sistema sensoriale
29
15