3. Fisiologia Cellulare Potenziale

transmembranario, potenziale d’azione

Prof. Carlo Capelli Fisiologia

Laurea in Scienze delle attività motorie e sportive

Università di Verona

Obiettivi • Genesi e mantenimento del potenziale di membrana a

riposo • Potenziale di equilibrio ed equazione di Nernst • Equazione di Goldman e PMR del neurone • Potenziale di azione: descrizione delle fasi e

determinanti fisico-chimici • Andamento delle conduttanze del sodio e del potassio

nel corso del PA • Periodi refrattari • Propagazione del PA nelle fibre amieliniche e

mieliniche

Potenziale di Membrana di Riposo

•  Alla base del PMR sta la separazione di ioni e di macromolecole cariche da parte delle MP che provoca uno squilibrio ionico tra LEC e LIC

•  E’ stabile

Potenziale di Membrana di Riposo

•  Gli ioni organici (proteine) sono trattenuti all’interno delle cellule •  A cavallo della membrana cellulare gli ioni NON sono presenti ad uguale

concentrazione (in uno strato sottilissimo), anche se in ciascun compartimento la somma delle cariche negative e di quelle negative è uguale a 0: elettroneutralità

Nascita del PMR •  K+ più concentrato nel LIC: gradiente

chimico che favorisce la diffusione nel LEC (MP abbastanza permeabile a K+)

•  Gli anioni macromolecolari rimangono nel LIC

•  Cariche negative in eccesso si concentrano sulla superficie interna della MP attirando cationi, ovvero K+ (attirano anche Na+, ma MP impermeabile a Na+)

•  Il gradiente chimico è quindi bilanciato dalla forza elettrica

•  Quando i due diventano uguali (potenziale elettrochimico si annulla), cessa la diffusione netta di K+ e si raggiunge il potenziale di equilibrio (Eion) per K+

Equazione di Nernst Eion = (-RT/Fz) ln ([O]/[I]) EK+ = -90 mV

µ = µo + R T l C + z F E

µ0. Potenziale elettrochimico della sostanza in condizioni di riferimento (1M , 0 °C, E = 0)

R: costante universale dei gas

T: temperatura assoluta in gradi K

lnC: logaritmo naturale della concentrazione C

Z: numero di cariche dello ione

F: numero di Faraday

E: potenziale elettrico

Il potenziale elettrochimico

µ è espresso in unità di energia per mole

Rappresenta l’energia potenziale posseduta da una mole di ioni ed è il risultato della concentrazione e del potenziale vigenti

Il flusso di ioni va dal sito in cui µ è più alto a quello in cui µ è più basso

Differenza di potenziale elettrochimico dello ione x a cavallo della membrana.

∆ µ = µ A(x) - µ B(x)

Il significato del potenziale elettrochimico

µA(x) = µoA(x) + RTln[x]A + zFEA

µB(x) = µoB(x) + RTln [x]B + zFEB

Δµ (x) = µA(x) - µB(x) = RTln [x]A/[x]B + zF (EA - EB)

Δµ (x) = 0 = µA(x) - µ B(x) = RTln [x]A/[x]B + zF (EA - EB)

Potenziale elettrochimico e condizioni di equilibrio

(EA - EB) = - RT/ zF ln [x]A/[x]B = RT/ zF ln [x]B/[x]A

EQUAZIONE di NERNST E’ valida solo per gli ioni all’equilibrio

• Quantifica la differenza di potenziale elettrico (EA - EB) richiesta per produrre una forza elettrostatica (zF (EA - EB)) uguale ed opposta a quella chimica (RTln ([x]A/[x]B)) che tende a far diffondere x da A a B

Risoluzione per condizione di equilibrio: l’Equazione di Nernst

Cl - extracellulare = 120 mM Cl - intracellulare = 3.5 mM

Pot equilibrio = -89 mV

•  Cl - é in equilibrio EC: non tende a diffondere

•  La membrana è permeabile a Cl-

Na + extracellulare = 120 mM Na + intracellulare = 9.2 mM

Pot equilibrio = +67 mV

•  Na+ non é in equilibrio EC: tende a diffondere

•  La membrana è poco permeabile a Na+

K + extracellulare = 2.5 mM K + intracellulare = 140 mM

Pot equilibrio = -105 mV

•  K+ non é in equilibrio EC di poco: tende a diffondere meno del sodio

•  La membrana é abbastanza permeabile a K+

•  Poichè PMR è diverso da EK+, K+ tende a diffondere

Potenziale di riposo della membrana neuronale e potenziali di equililbrio

•  La pompa sodio potassio ATP-asi dipendente mantiene le differenze di concentrazione di Na+ e K+ ai due lati della membrana allo scopo di mantenerli lontano dal loro equilibrio EC

•  E’ una pompa elettrogenica

Ruolo della pompa Na+/K+

Equazione di Goldman

•  Benchè il PRM sia molto vicino a EK+, e la pompa Na+/K+ mantenga il gradiente di concentrazione per la diffusione di K+, l’effettivo valore del potenziale è determinato dalle concentrazioni extra ed intracellulari di tutti gli ioni nelle immediate vicinanze della MP

•  Per gli ioni potassio, sodio e cloro questa relazione è espressa dall’equazione di Goldman

•  Di fatto è la somma delle equazioni di Nernst delle tre speci ioniche pesate per le rispettive conduttanze P

Er = RTF ln

PK K+⎡

⎣

⎢⎢⎢⎢

⎤

⎦

⎥⎥⎥⎥O

+PNa Na+⎡

⎣

⎢⎢⎢⎢

⎤

⎦

⎥⎥⎥⎥O

+PCl Cl−⎡

⎣

⎢⎢⎢⎢

⎤

⎦

⎥⎥⎥⎥I

PK K+⎡

⎣

⎢⎢⎢⎢

⎤

⎦

⎥⎥⎥⎥I

+PNa Na+⎡

⎣

⎢⎢⎢⎢

⎤

⎦

⎥⎥⎥⎥I

+PCl Cl−⎡

⎣

⎢⎢⎢⎢

⎤

⎦

⎥⎥⎥⎥O

Il potenziale d’azione • Depolarizzazione il PM diventa meno negativo (da -70 a -50) • Overshoot il PM supera lo zero elettrico •  Iperpolarizzazione il PM diventa più negativo (da -70 a -90) • Ripolarizzazione il PM torna a PMR ( a -70 mV)

•  I canali per il sodio hanno due cancelli uno di attivazione e uno di inattivazione. L’azione è simultanea e controllata dal voltaggio.

•  Quelli di inattivazione sono però più lenti … il flusso di cariche positive si arresta prima che il sodio raggiunga il suo potenziale elettro chimico (+67 mV)

•  Il processo induce un rapido, ma transitorio aumento della conduttanza per aumento della permeabilità di membrana per il sodio

Genesi del potenziale d’azione: canali voltaggio dipendenti per il sodio

Genesi del potenziale d’azione: canali voltaggio dipendenti per il sodio

•  I canali per il sodio si aprono quando il potenziale di membrana diventa meno negativo. L’entrata di particelle positive riduce ulteriormente la negatività sul lato citoplasmatico e altri canali si aprono (effetto a cascata).

•  Il PA è una risposta massimale tutto-o-nulla: una volta raggiunto il potenziale di soglia, il PA si autogenera ed evolve spontaneamente.

•  Ci sono anche canali lenti per il potassio voltaggio dipendenti. Quando diminuisce la negatività sul lato citoplasmatico anche questi si aprono: il potassio tende a uscire e a ripristinare il PMR.

Genesi del potenziale d’azione: canali voltaggio dipendenti per il potassio

Fasi del potenziale di azione •  Il PM prima tende al potenziale

di riposo del sodio (+ 67 mV) e poi al potenziale di riposo del potassio (-105 mV) ….senza raggiungere nessuno dei due

•  Nella fase di depolarizzazione rapida, l’uscita del potassio contribuisce a determinare la fine della depolarizzazione e ad iniziare la ripolarizzazione

•  In alcuni neuroni, durante la ripolarizzazione il potassio che esce è più di quanto richiesto: iperpolarizzazione di membrana

Conduttanze del Na+ e del K+ durante il potenziale di azione

•  Periodo refrattario assoluto: Nessuno stimolo, per quanto intenso, riesce ad eccitare il nervo Una frazione consistente dei canali per il sodio è inattivata. Non possono riaprirsi fino a che la membrana non si ripolarizza. La conduttanza al potassio è ancora elevata

•  Periodo refrattario relativo: Solo stimoli più forti del normale riescono ad eccitare il nervo; Alcuni canali per il sodio sono ancora inattivati. La conduttanza al potassio è ancora elevata

Periodi refrattari

•  Potenziali d’azione diversi (per durata e forma) in diversi tipi di cellule eccitabili indicano che le membrane cellulari contengono canali ionici diversi

•  Tutte le cellule hanno il PMR. Solo quelle eccitabili possono variare il PM in base ad uno stimolo adeguato

Il PA nei diversi tessuti eccitabili

Propagazione di PA-fibre amieliniche

•  Impulso nervoso: onda di depolarizzazione che corre lungo l’assone

•  Zona del PA iniziale: punto di scarico in cui ioni Na+ fluiscono verso l’interno

•  Ioni Na+ sono richiamati da zone adiacenti (sorgente) della membrana e la corrente assume un andamento circolare

•  L’accumulo di cariche positive lungo l’assone dalla parte interna della membrana nelle zone sorgenti può raggiungere i potenziale di soglia ed innescare il PA

•  Ripetendosi questo meccanismo, tratti successivi dell’assone possono depolarizzarsi e l’impulso si trasmette.

•  La velocità di conduzione nelle fibre amieleniche è proporzionale al diametro delle fibre

Propagazione di PA-fibre mieliniche

•  Mielina: sostanza lipidica che conduce male la corrente ionica per cui i tratti di assone rivestiti da mielina sono isolati elettricamente dal LEC e non permettono il passaggio degli ioni coinvolti nella genesi del PA

•  I segmenti ricoperti da mielina non si depolarizzano

Propagazione di PA-fibre mieliniche •  Le zone sprovviste di mielina

(nodi di Ranvier) posseggono un gran numero di canali per il Na+ e possono depolarizzarsi

•  L’impulso è condotto lungo l’assone da un nodo all’altro

•  Conduzione saltatoria •  Velocità di propagazione della

depolarizzazione molto più elevata rispetto a quanto osservato nelle fibre amieleniche

Classificazione delle fibre nervose

•  Fibre del gruppo A •  Fibre mieliniche nervi periferici •  5- 120 m/s •  Alfa: 80 – 120 m/s •  Beta: 35-80 m/s •  Delta: 5-30 m/s

•  Fibre del gruppo B •  Fibre mieliniche del sistema nervoso autonomo •  < 50 m/s

•  Fibre del gruppo C •  Fibre amieliniche a lenta conduzione •  < 2 m/s

Bibliografia

• Fisiologia dell’Uomo, autori vari, Edi.Ermes, Milano •  Capitolo : Neurofisiologia generale (Capitoli 1.3, 1.4, 1.5)

• Fisiologia Generale ed Umana, Rhoades-Pflanzer •  Capitolo 7: Organizzazione generale del sistema nervoso