Elettrofisiologia Elettrofisiologia cellularecellulare

Proprietà delle membrane Proprietà delle membrane e meccanismi di trasportoe meccanismi di trasporto

Struttura e funzioni della Struttura e funzioni della membrana cellulare membrana cellulare

La membrana cellulare ha diverse La membrana cellulare ha diverse funzioni:funzioni:

racchiude la cellula e la delimita racchiude la cellula e la delimita definendone definendone i confinii confini

mantiene la separazione fra mantiene la separazione fra citosol e ambiente extracellularecitosol e ambiente extracellulare

media e seleziona il trasporto di media e seleziona il trasporto di determinate sostanze impedendo determinate sostanze impedendo ingresso e uscita di altreingresso e uscita di altre

Le membrane hanno struttura simile a Le membrane hanno struttura simile a

doppio strato con due costituenti doppio strato con due costituenti

principali che sono:principali che sono:

Proteine:Proteine: intriseche ed estrinseche intriseche ed estrinseche

Lipidi:Lipidi: i più abbondanti sono i i più abbondanti sono i fosfolipidi che sono molecole fosfolipidi che sono molecole anfipatiche con una porzione idrofilica anfipatiche con una porzione idrofilica (testa) ed una porzione idrofobica (testa) ed una porzione idrofobica (coda). (coda).

Altri lipidi abbondanti in membrana Altri lipidi abbondanti in membrana sono: glicolipidi e colesterolosono: glicolipidi e colesterolo

Struttura della membrana cellulare con fosfolipidi (in viola) e proteine intrinseche (in azzurro) ed estrinseche (in verde)

Struttura di un fosfolipide

La membrana cellulare è in grado di permettere il passaggio di sostanze in modo selettivo grazie a meccanismi di trasporto. Ricordiamo che il doppio strato lipidico costituisce una barriera al passaggio di tutte le molecole polari cariche, mentre permette il passaggio di piccole molecole polari prive di carica. Le sostanze idrofobiche passano invece bene il doppio strato senza causare

problemi (O2, CO2, N2).

Esistono meccanismi di trasporto che avvengono senza attraversamento della membrana cellulare come:

•Fagocitosi (materiale particolato; vedi macrofagi)

•Pinocitosi (molecole solubili; endocitosi costitutiva)

•Endocitosi (materiale inglobato in seguito ad interazione con recettori; per assunzione di ormoni, fattori di crescita)

•Esocitosi (verso l’esterno. Secrezione di neurotrasmettitori, zimogeni pancreatici etc.)

fagocitosi

endocitosi

pinocitosi

esocitosi

Esistono meccanismi di trasporto che prevedono attraversamento della membrana cellulare. Fra questi ricordiamo:

•Diffusione sempliceDiffusione semplice:: regolata dalla legge di Fick J=-DA dc/dx•Diffusione facilitataDiffusione facilitata (elevata specificità chimica delle proteine trasportatrici)•Trasporto attivoTrasporto attivo (primario e secondario)

Avviene lungo un gradiente di concentrazione e non richiede energia. È un processo che continua fino a quando esiste una differenza di concentrazione.

Un altro tipo di diffusione passiva è il trasporto facilitato. Esso avviene sempre lungo un gradiente di concentrazione, ma necessita di proteine carrier a cui le sostanze trasportate si legano.

La differenza principale è che, mentre la diffusione passiva continua fino a quando esiste un gradiente, il trasporto facilitato ha una saturazione che dipende dal numero di trasportatori utilizzato

Il trasporto attivo entra in gioco tutte le volte che le sostanze sono mosse contro un gradiente di concentrazione. Questo tipo di trasporto implica un dispendio energetico che viene fornito dal consumo di ATP. Per questo tipo di trasporto vale l’equazione di Michaelis- Menten:

V=Vmax · [S] / (Km + [S])

Un esempio tipico di trasporto attivo è la pompa Na-K ATPasi che sposta 3 ioni Na+ verso l’esterno e 2 ioni K+ verso l’interno contribuendo alla negatività della membrana cellulare (pompa elettrogenica). È fosforilata durante il suo ciclo di attività e quindi è indicata come ATPasi di tipo P. È inibita dall’ouabaina che compete per il sito del potassio.Risulta costituita da due subunità:Subunità α detta catalitica di circa 100 kDaSubunità β glicoproteica di circa 50kDa.

Caratteristiche generali Caratteristiche generali degli equilibri ionicidegli equilibri ionici

Na+ Na+

out in

Na+ Na+

out in

Solo gradiente chimico

Gradiente chimico e gradiente elettrico

+-

La grandezza che tiene conto di entrambi i gradienti è il potenziale di equilibrio elettrochimico definito come:

μ = μ0 + RTlnC + zFE

Dove:

μ0= potenziale elettrochimico standard

C= concentrazione dello ionez= valenza dello ioneF= costante di FaradayE= potenziale elettrico

Il flusso netto dello ione è diretto dalla zona a potenziale chimico maggiore alla zona a potenziale chimico minore. Quindi vale:

Δμx = μA (x) – μB (x)

XA XB

Quindi se:Δμ > 0 lo ione X si muove dal compartimento A a quello BΔμ < 0 lo ione X si muove dal compartimento B a quello AΔμ = 0 non c’è flusso netto dello ione X.

Da questo assunto si ricava la legge di Nernst valida per una qualunque specie ionica in equilibrio fra ambiente extra- ed ambiente intra-cellulare. In equilibrio vale Δμ = 0 e quindi se

μA = μB si ha:

RT ln XA / XB + zF (EA – EB) = 0

ΔE = RT / ZF Log (XB / XA)

Potenziale di Nernst per Potenziale di Nernst per NaNa++ e K e K++

Alla fine del 19esimo secolo si sapeva che il citoplasma cellulare è ricco di ioni K+ e che il Na+ è poco concentrato e che questa situazione è opposta nell’ambiente extracellulare. La prima assunzione fatta è stata quella di considerare la membrana permeabile al potassio, ma non al sodio e calcolare quindi il potenziale di riposo trans-membrana come un potenziale di Nernst per il potassio. In realtà la membrana è permeabile al Cl- tanto quanto al potassio e questi due ioni sono fra loro in equilibrio secondo un equilibrio di Donnan che afferma:

[K+]out · [Cl-]out = [K+]in· [Cl-]in

Ogni volta che due ioni possono attraversare la membrana cellulare, il prodotto delle loro concentrazioni extracellulari è uguale al prodotto delle concentrazioni intracellulari

Una differenza di carica elettrica fra interno ed esterno della superficie della membrana è detta potenziale elettrico.Tutte le cellule animali e vegetali sono caratterizzate da un potenziale di membrana di riposo (resting potential) che dipende dal movimento di tutti gli ioni permeabili attraverso la membrana cellulare. Il valore del potenziale di riposo è variabile fra cellula e cellula, ma approssima il potenziale di Nernst dello ione potassio. Vediamo perché.

Quando una o più specie ioniche si distribuiscono sui due lati della membrana cellulare, ciascuna tenderà a spostare il valore del potenziale al valore del suo potenziale di equilibrio elettrochimico.

Tanto più la membrana è permeabile ad una specie ionica, tanto maggiore sarà la forza che tale specie ionica eserciterà nello spostare il valore del potenziale.

In una membrana permeabile a più ioni il potenziale trans-membrana dipende da:

I. Carica elettrica di ciascuno ioneII.Permeabilità della membrana a

ciascuno ioneIII.Concentrazione interna ed esterna

della specie ionica

La formula che meglio descrive il potenziale di riposo di una membrana cellulare è l’equazione di Goldman che considera non soltanto le concentrazioni ioniche delle specie in gioco, ma anche la permeabilità della membrana.

Poiché variazioni delle concentrazioni di cloro non modificano in maniera significativa il potenziale di membrana, il fattore cloro può essere escluso dall’equazione di Goldman. L’equazione finale considera quindi soltanto le specie ioniche Na+ e K+.

In questo modo si ottiene un valore teorico che è molto simile al valore che può essere sperimentalmente misurato. Inoltre, essendo la permeabilità al sodio molto inferiore a quella del potassio (circa 1:100), il potenziale di riposo di un membrana cellulare è molto simile al potenziale di equilibrio elettrochimico per lo ione potassio.

Il fatto che, anche se in piccola percentuale, la membrana a riposo sia permeabile anche al

Na+, fa sì che il potenziale di riposo non sia

esattamente il potenziale di Nernst del potassio, ma sia un po’ meno negativo. Questo dipende dal fatto che il Na+ tende a spostare il potenziale verso il suo potenziale di equilibrio elettrochimico (potenziale di Nernst).Vresting=-70 / -80mV EK=-90mV

The membrane potential of a cell can be measured in millivolts (mV) with the use of a microelectrode and an oscilloscope.(a) Both recording (needle) and reference (block) electrodes are outside of the cell, and no electrical potential (0 mV) is recorded. (b) The recording electrode is inside the cell, the reference electrode is outside, and an electrical potential difference of about 85 mV is recorded, with the inside of the plasma membrane negative with respect to the outside of the plasma membrane.

Consideriamo adesso i fatti visti. Affinché il potenziale di riposo si mantenga dobbiamo mantenere le differenze di concentrazione fra le specie ioniche considerate fra ambiente intra- e extra-cellulare. Per fare questo dobbiamo quindi mantenere i gradienti di concentrazione controbilanciando il movimento passivo degli ioni Na+ verso l’interno della cellula e degli ioni K+ verso l’esterno della cellula. Questo è fatto dalla pompa Na-K ATPasi che mantiene i gradienti ionici spostando ioni sodio e ioni potassio con dispendio di energia. In questo modo il potenziale di riposo può essere mantenuto.

mV

ENa

+

+61mV

0mV

-90mV

-80mVEK+

Vresting

Risposte elettriche Risposte elettriche delle membrane delle membrane

cellularicellulari

Tutte le cellule viventi, animali e vegetali

sono caratterizzate da variazioni del

potenziale di riposo se opportunamente

stimolate. Esistono due tipi di risposta:Risposta elettrica passiva o potenziale Risposta elettrica passiva o potenziale

elettrotonicoelettrotonico: si produce TUTTE le volte

che si fa passare corrente attraverso una

membrana cellulare. Questo accade

perché la membrana cellulare è

caratterizzata da proprietà elettriche di

cui adesso parleremo e che sono:

capacità

resistenza

Risposta attiva o potenziale d’azione o Risposta attiva o potenziale d’azione o

spike:spike: è presente nelle cosiddette cellule

eccitabili, vale a dire neuroni, cellule

muscolari e cellule secretorie (ad esempio

le cromaffini del surrene). Utilizza

strutture particolari e cioè canali di

membrana e in particolare canali del Na+

e canali del K+. Questa risposta può

esserci o non esserci e vedremo quali sono

le condizioni.

N.B. La risposta elettrotonica

compare sempre, indipendentemente

dall’attivazione di canali

Potenziale Potenziale elettrotonicoelettrotonico

La membrana cellulare è formata da un

doppio strato lipidico in cui sono inserite

proteine che hanno la funzione di

trasportare materiale attraverso la

membrana. Il doppio strato lipidico, dal

punto di vista elettrico si comporta come

un condensatore, cioè ha la capacità di

separare le cariche sui due lati della

membrana. Le due piastre conduttrici

sono rappresentate dal mezzo

intracellulare e da quello extracellulare.

Il dielettrico isolante è rappresentato dal

doppio strato lipidico.

Si definisce capacità la seguente

grandezza:

C= ε A / d

dove ε è la costante dielettrica del mezzo,

A è l’area della membrana e d è la

distanza fra le piastre cioè lo spessore

della membrana. Per le membrane

cellulari si preferisce parlare di capacità

specifica in modo da evitare il fattore

area. Questa si definisce come Cm= C /A da

cui si ottiene:

Cm= ε / d

Per le membrane cellulari dove A=25Å si

ha un valore di Cm=1μF/cm2

Nella membrana cellulare si trovano

anche proteine canale che permettono il

passaggio di ioni. Queste strutture sono

responsabili della seconda caratteristica

della membrana cellulare, cioè della

conduttanza (1/R). Questa grandezza è la

seconda componente del circuito elettrico

equivalente della membrana cellulare.

A questo punto dobbiamo includere

nell’equivalente elettrico della membrana

il potenziale di membrana. Questo esiste

sempre grazie alla ridistribuzione degli

ioni determinata dai gradienti elettrici e

chimici. A riposo questo potenziale è

detto resting potential e si rappresenta

come una batteria.

Sulla base di questo possiamo vedere

come risponde una membrana cellulare

opportunamente stimolata e perché la

risposta passiva compare sempre.

Il circuito equivalente deve tenere conto

di tutte le conduttanze ioniche presenti e

quindi di tutte le batterie dei diversi

sistemi ionici e del corrispondente

potenziale di inversione. Il risultato è il

seguente.

Ion Typical Internal Concentration (mM)

Typical External Concentration (mM)

Nernst Potential (mV)

Na+ 12 145 +67

K+ 155 4 -98

Ca2+ 10-4 1.5 +129

Cl- 4 120 -90

INSIDE

OUTSIDE

Quindi una membrana con queste

caratteristiche se viene stimolata in

modo opportuno, come per esempio da

un passaggio di corrente risponde con

una variazione del potenziale in modo

proporzionale al valore di resistenza e

capacità. Questa variazione di potenziale

prende il nome di potenziale

elettrotonico.

Quando la corrente è iniettata essa

comincia a fluire attraverso la capacità

che tende a caricarsi. La fase di crescita

del potenziale è data da: V= iR (1-e –t/τ)

dove τ=RC. Quando t=RC allora

Vt=63%V0.

RC si definisce

costante tempo

della membrana.

Quando sono

trascorse diverse

costanti tempo, il

potenziale

approssima un

asintoto e tutta la

corrente fluisce

attraverso la

resistenza (Ic=0

perché

Ic=dQ/dt=CdV/dt)

con un valore che

sarà proporzionale

alla legge di Ohm

V=IrR.

Le caratteristiche del potenziale

elettrotonico sono:È sempre presente, in tutti i tipi

cellulari se interviene uno stimolo sulla

membrana cellulareDipende dalle caratteristiche passive

della membrana cellulare, cioè resistenza

e capacitàNon coinvolge attività di canaliÈ proporzionale all’intensità dello

stimolo che lo genera, è cioè un segnale

di tipo analogicoDecade nel tempo e nello spazio con una

costante di spazio che dipende dalle

caratteristiche della fibra

Il potenziale decade nello spazio secondo

l’equazione:

Vx=V0 · e-x/λ

dove λ è detta costante di spazio della fibra

e fornisce informazioni su quanto si può

propagare a distanza il potenziale. Si ha

che:

λ=SQR (rm / (ri + re))

con re praticamente trascurabile rispetto a ri

e quindi:

λ=SQR (rm / ri )

La propagazione di un potenziale lungo una

fibra è maggiore se rm aumenta, mentre

diminuisce se aumenta ri. Vedremo

l’importanza di questo fatto per la

propagazione del potenziale d’azione.

Neuroni e Neuroni e

potenziale d’azionepotenziale d’azione

Prima di procedere alla descrizione del

potenziale d’azione facciamo

un’introduzione sui neuroni.

Il neurone è la cellula base del sistema

nervoso: si stima che nel sistema nervoso

ci siano circa 100 miliardi di neuroni!!

Un tipico neurone è costituito da parti

caratteristiche :

Soma o corpo cellulare:Soma o corpo cellulare: contiene il nucleo

all’interno del quale si trova il materiale

genetico.

Dendriti:Dendriti: presenti in grande numero,

rappresentano l’input del neurone. Si

ramificano dal corpo cellulare e ricevono

informazioni da altri neuroni.

Assone o neurite:Assone o neurite: si diparte dal soma. È

unico e rappresenta l’output della cellula.

Da qui si dipartono segnali elettro-chimici

per altri neuroni. Talvolta (come nei

motoneuroni) può essere molto lungo. I

neuriti più lunghi e che necessitano di

elevate velocità di connessione sono

ricoperti da mielina, uno strato isolante

che può portare la velocità di

propagazione del segnale fino a 120 m/s.

Terminale sinaptico:Terminale sinaptico: a questo livello il

segnale elettrico che si è propagato lungo

l’assone è convertito in segnale chimico

che veicola l’informazione al neurone

successivo.

Tra il terminale sinaptico di un neurone

e il dendrite del neurone successivo si

trova uno spazio molto ridotto che

prende il nome di spazio sinaptico di cui

parleremo facendo la sinapsi. Per ogni

neurone ci sono dalle 1.000 alle 10.000

sinapsi!

Una sinapsi neurone-neurone può essere:

Asso-assonica

Asso-somatica

Asso-dendritica

Passiamo ora a vedere il Passiamo ora a vedere il potenziale d’azionepotenziale d’azione

Cenni storici del potenziale Cenni storici del potenziale d’azioned’azione

19021902 Overton scopre che NaOverton scopre che Na++ è importante è importante per la genesi di APper la genesi di AP

19391939 Cole e Curtis e Hodgkin e Huxley Cole e Curtis e Hodgkin e Huxley scoprono che AP si manifesta con scoprono che AP si manifesta con un’inversione della polarità della membrana e un’inversione della polarità della membrana e non si porta semplicemente a 0mVnon si porta semplicemente a 0mV

19491949 Hodgkin e Huxley scoprono che Hodgkin e Huxley scoprono che alterazioni di [Naalterazioni di [Na++]]extracell extracell influenzano l’ampiezza influenzano l’ampiezza dello spikedello spike

19521952 Hodgkin e Huxley propongono Hodgkin e Huxley propongono l’ipotesi del sodio.l’ipotesi del sodio.

Abbiamo detto che il potenziale d’azione

è un tipo di risposta elettrica che si

manifesta solo nelle cellule cosiddette

eccitabili: neuroni, fibrocellule e cellule

secretorie.

Tradizionalmente la trattazione del

potenziale d’azione è fatta su potenziali

neuronali, anche se concettualmente i

meccanismi sono simili se non identici

anche negli altri tipi cellulari.

Condizione necessaria e

sufficiente affinché un

potenziale d’azione possa

innescarsi è che la

depolarizzazione della

membrana cellulare,

opportunamente stimolata,

raggiunga un livello di

potenziale soglia (threshold)

Le caratteristiche più salienti del

potenziale d’azione sono:Una forma particolare (spike) che

presenta un’inversione transitoria

della polarità della membrana

(OVERSHOOT)Propagazione senza decremento per

l’intera lunghezza della fibraRuolo attivo dei canali di membrana

del Na+ e del K+ dipendenti dal

potenzialeSegnale modulato in frequenza:

l’intensità dello stimolo è codificata in

base al numero di spikes per unità di

tempo

Che cosa si intende per canali dipendenti

dal potenziale?

Abbiamo già detto che i canali ionici non

sono altro che proteine trans-membrana

aventi la funzione di veicolare attraverso

la membrana cellulare ioni carichi. Questi

canali possono essere grossolanamente

suddivisi in:Canali dipendenti dal potenziale

(come quelli implicati nel potenziale

d’azione e molti canali Ca2+)Canali ligando-dipendenti: canali che

sono attivati dal legame di una

molecola ad un recettore (ad esempio il

recettore-canale di tipo nicotinico,

recettore GABAA)

Canali attivati meccanicamente: sono

canali attivati da stimoli meccanici di

distensione o stiramento (ad esempio il

canale del Na+ del corpuscolo del

Pacini o i canali del K+ delle cellule

cigliate).

+60

Il potenziale d’azione

+60

1.Depolarizzazione elettrotonica

2.Raggiungimento della soglia e avvio

del ciclo di Hodgkin

3.Fase depolarizzante rapida ascendente

e overshoot

4.Picco

5.Ripolarizzzione

6.Iperpolarizzazione

7.Resting potential

1.

Per quanto riguarda la depolarizzazione

elettrotonica, questa non è altro che una

comune risposta passiva che si

manifesta per le proprietà passive della

membrana. Se questa depolarizzazione

non è sufficiente per arrivare alla soglia,

la risposta della membrana si esaurisce

in un potenziale elettrotonico.

2.-3.

Il ciclo di Hodgkin è un esempio di feed-

back positivo nella fase ascendente dello

spike: l’aumento della conduttanza al

sodio determina un’ulteriore

depolarizzazione che aumenta

maggiormente la conduttanza.

Dipendenza della conduttanza gNa+ dal potenziale di membrana

4.

Il raggiungimento del valore di picco dell’

AP è determinato da due fattori:

I.Raggiungimento del potenziale di

Nernst per lo ione Na+ (circa +65mV).

Vicino a questo valore la forza

elettromotrice sullo ione diminuisce

(f.e.m.=Vm – ENa+) e quindi la corrente

tende a zero perché

INa+=gNa+ · f.e.m.

e se la corrente si azzera significa che

cessa il flusso ionico e quindi il potenziale

non varia più.

I.Inoltre, in maniera ritardata rispetto

ai canali del Na+, si attivano i canali del

K+ di tipo ritardato-rettificante. Al

valore del picco la f.e.m. sullo ione

potassio è massima e vale:

f.e.m. K+= Vm – EK+ = +65mV – (-

90mV)=+155mV

Lo ione potassio ha quindi un gradiente

elettrico e chimico molto favorevole per

uscire dalla cellula.

N.B. Osservare lo sfasamento tra corrente del Na+ e corrente del K+

5. – 6. La fase di ripolarizzazione è dovuta

all’apertura dei canali del potassio e al

flusso di ioni K+ dall’interno all’esterno

della cellula lungo il gradiente

elettrochimico.

L’uscita di potassio dalla cellula tende a

continuare fino al raggiungimento del

potenziale di Nernst per lo ione K+.

Questo significa che il potassio “tira” il

potenziale di membrana a valori più

negativi del valore di resting e da questo

fatto dipende l’iperpolarizzazione

postuma della fase 6. che può

pesantemente condizionare l’eccitabilità

di una cellula (caso tipico è la

modulazione colinergica sulle cellule

pacemaker cardiache).

7.Infine la pompa Na-K ATPasi entra in

gioco per riportare le concentrazioni di

sodio e di potassio ai loro valori corretti,

anche se va detto che durante il

potenziale d’azione la quantità di ioni che

si muove è di gran lunga inferiore al bulk

che determina la concentrazione.

Quindi la risposta

attiva evocata da

uno stimolo

depolarizzante

comporta:Una

componente

rapida inward di

ioni Na+

Una

componente

ritardata e

rettificante

dovuta all’uscita

di ioni K+

Quindi il potenziale d’azione si Quindi il potenziale d’azione si

instaura perché i flussi di Nainstaura perché i flussi di Na++ e e

KK++ cambiano la carica sulla cambiano la carica sulla

membrana cellulare e non perché membrana cellulare e non perché

cambiano le concentrazioni cambiano le concentrazioni

ioniche del citoplasma.ioniche del citoplasma.

Periodo Periodo refrattario refrattario assoluto e assoluto e relativorelativoComportamento dei canali Comportamento dei canali

del sodiodel sodio

PRA ca 1ms

PRR ca 2ms

Propagazione del potenziale Propagazione del potenziale d’azioned’azione

Nei neuroni il potenziale d’azione origina

in una zona particolare detta monticolo

assonico che corrisponde al punto di

emergenza del neurite dal soma cellulare.

In questa zona, non a caso, si trova

un’elevatissima percentuale di canali Na+.

Il meccanismo di propagazione dell’AP si

avvale della capacità di invertire la

polarità della membrana in zone

adiacenti all’AP, generando nuovi AP.

Il potenziale d’azione si propaga per

circuiti locali. L’overshoot determina

un’inversione della polarità della

membrana che genera flussi locali di

corrente di intensità sufficiente da

depolarizzare a soglia le zone limitrofe.

La direzione di propagazione, benché

teoricamente possa avvenire nelle due

direzioni, avviene solo verso valle del

neurite, perché la zona a monte si trova

nello stato refrattario e quindi non è

eccitabile.

Propagazione per

circuiti locali di

corrente

La frequenza massima raggiungibile è

limitata dalla durata del periodo

refrattario assoluto (circa 1ms) a circa

1000 impulsi al secondo per le grosse

fibre nervose.

Conduzione Conduzione saltatoriasaltatoria

Abbiamo visto che la propagazione di un

segnale lungo una fibra è strettamente

influenzato da rm (resistenza specifica di

membrana) e da rin (resistenza

longitudinale interna). La distanza a cui un

potenziale si propaga dipende dalla

costante spazio definita come:

λ=SQR (rm / rin )

Esistono quindi due modi per aumentare la

costante spazio:Aumentare il diametro della fibra secondo

il seguente criterio

r=ρ l/S

e quindi diminuire rin per aumento della

sezione

Creare un miglior isolamento elettrico

della fibra aumentando rm e quindi

diminuire le correnti di “fuga”

La prima situazione è quella che si verifica

per esempio nell’assone gigante di

calamaro che ha un diametro di circa

1mm. Il secondo caso è quello delle fibre

mieliniche. Questo è un avvolgimento di

materiale lipidico, e quindi da un punto di

vista elettrico isolante, che forma 100 o

più strati sul neurite, con interruzioni

ogni 1-2mm note con il nome di nodi di

Ranvier.

L’avvolgimento è determinato da oligodendrociti nel SNC e dalle cellule di Schwann nel SNP.

L’avvolgimento di questi strati fa sì che

la resistenza equivalente sia Rtotale=rm1+

rm2 + rm3 +…..+ rmn e quindi risulti molto

aumentata facendo aumentare λ. Dal

punto di vista capacitivo la capacità

totale diminuisce perché si ha, per

capacità in serie, 1/Cm=Σi 1/Ci.

Essendo C=Q/V vale che la membrana si

carica meglio per una diminuzione della

capacità.

Il potenziale d’azione si propaga da un

nodo di Ranvier all’altro per conduzione

saltatoria.

I circuiti locali si chiudono da un nodo

all’altro, dove la corrente può fluire tra

interno ed esterno e dove la

concentrazione dei canali del sodio è

molto elevata.

La membrana internodale non è in grado

di generare potenziali d’azione. Il

potenziale salta quindi per punti discreti

aumentando moltissimo la velocità di

conduzione delle fibre che può arrivare a

120m/s

La trasmissione sinaptica

L’encefalo umano contiene circa 100

miliardi di neuroni, ciascuno capace di

influenzare molte altre cellule. Pertanto è

necessario un meccanismo dotato di

grande efficienza per rendere possibile la

comunicazione fra questo numero enorme

di elementi. Questa comunicazione è resa

possibile dalle sinapsi, i contatti

funzionali fra i neuroni.

La prima distinzione fondamentale è fra

Sinapsi elettriche: flusso passivo di

corrente elettrica fra un neurone e l’altro

Sinapsi chimiche: comunicazione

possibile grazie alla secrezione di

neurotrasmettitori

Si definisce elemento pre-

sinaptico l’elemento cellulare a

monte della sinapsi e che riceve

un segnale da trasmettere.

Si definisce elemento post-

sinaptico l’elemento cellulare a

valle della sinapsi che riceve

l’informazione

Sono in minoranza rispetto alle sinapsi

chimiche, ma presenti ovunque,

specialmente dove sia necessario

sincronizzare l’attività di un gruppo di

cellule in maniera rapida ed efficiente. Le

due membrane sono molto vicine fra loro

unite da una giunzione comunicante (gap

junction). Queste strutture sono

costituite da canali esattamente allineati

fra loro sulle due membrane (pre- e post-

sinaptica) che formano un poro di

diametro molto maggiore del poro dei

canali ionici visti per il potenziale

d’azione

Questi pori consentono il passaggio anche

di molecole di relative grosse dimensioni

come ATP e alcuni secondi messaggeri.

Gli ioni fluiscono dal neurone pre-

sinaptico al neurone post-sinaptico

veicolando corrente.

Questa struttura implica diverse

conseguenze che differenziano

profondamente la sinapsi elettrica dalla

sinapsi chimica. Una sinapsi elettrica:

•È bidirezionaleÈ bidirezionale: il flusso ionico può

avvenire nelle due direzioni

•Non mostra ritardo sinapticoNon mostra ritardo sinaptico:: è un flusso

ionico estremamente veloce

•Mostra continuità citoplasmaticaMostra continuità citoplasmatica fra i

due elementi

•Distanza fra elemento pre- e post-Distanza fra elemento pre- e post-

sinaptico di 3.5nmsinaptico di 3.5nm contro i 30-50 nm della

sinapsi chimica.

La gap junction è

formata da una

struttura detta

connessone

costituita da 6 sub-

unità dette

connessine che

delimitano un poro

attraverso cui

passano gli ioni.

Le sinapsi elettriche sono diffuse in tutti

i tessuti in cui si ha bisogno di ottenere

un’azione sincrona con trasmissione

rapida dell’informazione. Questo avviene

per esempio a livello del miocardio, dove

si ha bisogno di una contrazione

muscolare contemporanea di tutte le

fibrocellule atriali e ventricolari. Avviene

in alcune aree del SNC (ipotalamo per il

controllo della secrezione ormonale), a

livello di epatociti, fibrocellule lisce

dell’intestino, cellule epiteliali del

cristallino.

Nelle sinapsi chimiche l’elemento pre- e

post-sinaptico sono separati fra loro da

uno spazio di circa 50nm detto spazio

sinaptico (synaptic cleft). Da un punto di

vista microscopico le sinapsi chimiche

sono caratterizzate da vescicole

sinaptiche nella terminazione pre-

sinaptica. Queste vescicole contengono il

trasmettitore chimico diverso a seconda

della sinapsi considerata.

La sinapsi chimica più studiata è la

giunzione neuro-muscolare.

La trasmissione sinaptica in una sinapsi

chimica segue una complessa catena di

eventi che si innesca quando un

potenziale d’azione invade la

terminazione del neurone pre-sinaptico.

Vediamo qual’è la sequenza di eventi.

Elementi di una giunzione neuromuscolare

Il potenziale d’azione causa una variazione Il potenziale d’azione causa una variazione del potenziale della membrana pre-sinaptica del potenziale della membrana pre-sinaptica in senso depolarizzante determinando in senso depolarizzante determinando l’apertura di canali del calcio dipendenti dal l’apertura di canali del calcio dipendenti dal potenziale.potenziale.

Questo, a seguito del fortissimo gradiente Questo, a seguito del fortissimo gradiente chimico esistente (2mM all’esterno e circa 10chimico esistente (2mM all’esterno e circa 10 --

77M all’interno), determina un rapido influsso M all’interno), determina un rapido influsso di ioni Cadi ioni Ca2+2+ all’interno del terminale pre- all’interno del terminale pre-sinaptico.sinaptico.

L’aumento del calcio innesca esocitosi delle L’aumento del calcio innesca esocitosi delle vescicole contenenti il neurotrasmettitorevescicole contenenti il neurotrasmettitore

Le molecole di neurotrasmettitore diffondono Le molecole di neurotrasmettitore diffondono nello spazio sinaptico e si legano a specifici nello spazio sinaptico e si legano a specifici recettori presenti sulla membrana post-recettori presenti sulla membrana post-sinaptica.sinaptica.

Il legame del neurotrasmettitore al suo Il legame del neurotrasmettitore al suo recettore determina una risposta recettore determina una risposta elettrica da parte dell’elemento post-elettrica da parte dell’elemento post-sinaptico. Nel caso della giunzione sinaptico. Nel caso della giunzione neuromuscolare si verificano neuromuscolare si verificano depolarizzazioni che prendono il nome depolarizzazioni che prendono il nome di potenziali di placca (EPP). In genere di potenziali di placca (EPP). In genere in questo tipo di sinapsi la in questo tipo di sinapsi la depolarizzazione indotta è sufficiente depolarizzazione indotta è sufficiente ad arrivare a soglia e determinare ad arrivare a soglia e determinare l’instaurarsi di un potenziale d’azione a l’instaurarsi di un potenziale d’azione a livello muscolare con conseguente livello muscolare con conseguente contrazione della fibra muscolare.contrazione della fibra muscolare.

Pre

Post

Nella giunzione neuromuscolare sono stati

fatti gli studi principali per la

comprensione del funzionamento delle

sinapsi chimiche. Una delle scoperte più

interessanti è stata che la membrana

muscolare mostra piccole modificazioni

del potenziale di membrana (circa 0.4mV)

anche in assenza della stimolazione del

motoneurone pre-sinaptico. Questi

fenomeni spontanei vanno sotto il nome di

potenziali di placca in miniatura (MEPP).

Da un’analisi statistica risulta che ogni

EPP deriva dalla somma di più MEPPs.

Quindi un singolo MEPP corrisponde al

rilascio di una singola vescicola

contenente neurotrasmettitore dal

terminale pre-sinaptico. Un EPP deriva

dall’aumentata probabilità di questo

evento e quindi dalla somma di più

MEPPs. Tale aumentata probabilità deriva

dalla stimolazione elettrica del terminale

pre-sinaptico che induce un rilascio Ca2+-

mediato delle vescicole.

Si dice quindi che a livello sinaptico il

rilascio di neurotrasmettitore è di tipo

quantico, cioè avviene per pacchetti

discreti di neurotrasmettitore.

Distribuzione dei MEPPs

Distribuzione quantica delle ampiezze degli EPPs

Nei motoneuroni che, a livello di

giunzione neuromuscolare, utilizzano

acetilcolina (ACh) come

neurotrasmettitore, le vescicole

contengono una concentrazione di ACh

di circa 100mM che corrisponde a circa

10.000 molecole di neurotrasmettitore

per vescicola.

Abbiamo detto che il rilascio di vescicole

è Ca2+-dipendente e dipende da un

aumento del calcio citoplasmatico

dovuto all’ingresso degli ioni attraverso

canali del cacio dipendenti dal

potenziale.

Nel processo di esocitosi delle vescicole

sono coinvolte numerose proteine fra cui

la sinaptotagmina che funziona come

sensore per l’aumento del calcio

intracellulare e innesca quindi il

meccanismo di fusione delle vescicole.

NeurotrasmettitoriNeurotrasmettitori

Il ciclo di attività di tutti i Il ciclo di attività di tutti i neurotrasmettitori è simile.neurotrasmettitori è simile.

Sono sintetizzati e immagazzinati nelle Sono sintetizzati e immagazzinati nelle vescicole della cellula pre-sinapticavescicole della cellula pre-sinaptica

Sono liberati in seguito ad esocitosi Sono liberati in seguito ad esocitosi delle vescicole ed interagiscono con delle vescicole ed interagiscono con recettori specifici di una o più cellule recettori specifici di una o più cellule post-sinaptichepost-sinaptiche

Sono rapidamente rimossi o degradati Sono rapidamente rimossi o degradati nello spazio sinaptico.nello spazio sinaptico.

I neurotrasmettitori sono in genere

suddivisibili in due grandi categorie:

•Piccole molecole:Piccole molecole: in genere mediano

reazioni rapide (Ach, NE, Glutammato,

GABA, Gly, Dopamina, etc..)

•Neuropeptidi:Neuropeptidi: tendono a modulare

funzioni cerebrali più lente e continue (L-

ENK, M-ENK, sostanza P, neurotensina,

etc…)

Entrambi si legano comunque a recettori

e tendono a modificare le proprietà

elettriche dell’elemento post-sinaptico.

In base a quali criteri si identifica un In base a quali criteri si identifica un neurotrasmettitore?neurotrasmettitore?

La sostanza deve essere presente nel La sostanza deve essere presente nel neurone pre-sinaptico (e anche tutti neurone pre-sinaptico (e anche tutti gli enzimi per produrla)gli enzimi per produrla)

Il rilascio della sostanza deve Il rilascio della sostanza deve avvenire in risposta ad una avvenire in risposta ad una depolarizzazione pre-sinaptica che depolarizzazione pre-sinaptica che deve essere Cadeve essere Ca2+2+-dipendente-dipendente

La membrana dell’elemento post-La membrana dell’elemento post-sinaptico deve portare i recettori per sinaptico deve portare i recettori per quella sostanza.quella sostanza.

Sostanza presente

Evento Ca2+-dipendente

Recettori presenti

Attualmente sono noti numerosissimi

neurotrasmettitori e fra questi anche

alcuni ormoni che possono in alcuni

distretti cerebrali avere una funzione in

sinapsi (ad esempio ossitocina e

vasopressina).

Inoltre si sa che i neuroni possono

liberare anche più di un tipo di

neurotrasmettitore: si parla di co-

trasmettitori.

Vediamo qualcosa , in modo schematico,

sulla sintesi dei neurotrasmettitori.

I neurotrasmettitori a piccole molecole

sono sintetizzati nelle terminazioni pre-

sinaptiche. Gli enzimi necessari sono

trasportati con trasporto assonico lento

ad una velocità di 0.5-5mm/die. Le

molecole precursore utilizzate sono

trasportate da proteine trasportatrici.

I neurotrasmettitori peptidici sono

prodotti per trascrizione genica sotto

forma di precursori che subiscono

modificazioni nel REG e poi nel Golgi. Le

vescicole sono poi trasportate alla

terminazione lungo l’assone con trasporto

assonico rapido (fino a 400mm/die) lungo

i microubuli.

Dopo che il trasmettitore ha svolto la sua

azione legandosi al suo recettore

specifico, deve essere rapidamente

rimosso per estinguere l’effetto.

Questo può avvenire per retro-trasporto

all’interno del terminale pre-sinaptico

(NE) o per degradazione ad opera di

enzimi specifici (ACh) o per la

combinazine di entrambi i processi.

Vediamo un esempio.

Diffusione al di fuori dello spazio sinaptico

Degradazione enzimatica

Re-uptake

Recettori dei Recettori dei neurotrasmettitorineurotrasmettitori

I neurotrasmettitori generano I neurotrasmettitori generano

risposte elettriche negli elementi risposte elettriche negli elementi

post-sinaptici legandosi a proteine post-sinaptici legandosi a proteine

di membrana dette recettori. Questi, di membrana dette recettori. Questi,

a loro volta determinano in modo a loro volta determinano in modo

diretto o indiretto apertura o diretto o indiretto apertura o

chiusura di canali ionici della chiusura di canali ionici della

membrana post-sinaptica. Il tipo di membrana post-sinaptica. Il tipo di

canale determinerà se l’effetto del canale determinerà se l’effetto del

trasmettitore è eccitatorio oppure trasmettitore è eccitatorio oppure

inibitorio.inibitorio.

I recettori si dividono in due classi

principali:

Recettori a gating diretto: sono recettori

che, oltre a portare il sito di legame per il

trasmettitore sono anche canali. Ad

esempio i recettore colinergico nicotinico,

il recettore GABAergico A, il recettore

NMDA per il glutammato, recettore AMPA-

kainato, recettore serotoninergico 5-HT3.

Recettori a gating indiretto: sono

accoppiati ad un canale attraverso un G-

proteina ed eventualmente un sistema di

secondi messaggeri. Ad esempio i recettori

α- e β-adrenergici, i recettori colinergici

muscarinici (M1-M5), GABAB e i recettori

per tutti i neuropeptidi.

Recettore a gating diretto: recettore nicotinico

Recettore a gating indiretto: recettore muscarinico M2

La risposta elettrica dell’elemento post-sinaptico in seguito a rilascio di neurotrasmettitore è stato studiato ancora una volta sulla giunzione neuromuscolare, che risulta essere particolarmente accessibile a misure elettrofisiologiche. ACh rilasciata nello spazio sinaptico si lega al recettore nicotinico e in particolare alle due sub-unità α determinando l’attivazione di un canale cationico che permette l’ingresso di Na+ e Ca2+ e l’uscita di K+. La risultante corrente prende il nome di corrente di placca e determina a sua volta una variazione del potenziale in senso depolarizzante (eccitatorio) di membrana noto con il nome di EPP.

Spazio sinaptico

Muscolo

Risulta formato da 5 sub-unità:2 sub-unità α: presentano il sito di legame per ACh e per neurotossine1 sub-unità β1 sub-unità γ (ε nel feto): insieme alle α e δforma il sito per ACh1 sub-unità δ

I recettori nicotinici di una giunzione

neuromuscolare sono circa 107/108 con

una densità di 20000/µm2, clusterizzati

intorno alla zona di contatto sinaptico.

Il potenziale di inversione del recettore

nicotinico, cioè quel valore di potenziale a

cui la corrente netta attraverso il canale è

zero, vale circa -10mV. Questo, attraverso

considerazioni di vario tipo, porta a

stabilire che le correnti che passano

attraverso il recettore-canale siano:

•Una corrente al Na+ in ingresso

•Una corrente al K+ in uscita

Questo significa in effetti che più o meno

vale:

VEPP = (ENa+ + EK+)/2 = (+60mV – 90mV)/2

= -17mV

Quindi, questo significa che ogni volta che

2 molecole di ACh si legano alle sub-unità

α del recettore nicotinico sulla membrana

muscolare, inizia a passare una corrente

mista Na-K attraverso il canale del

recettore. Questa corrente di placca

determina una depolarizzazione locale

(EPP) della membrana e questo flusso di

corrente continua in senso depolarizzante

fino a quando il potenziale di membrana

approssima i -17mV, cioè il potenziale di

inversione dell’EPP.

Rivediamo la sequenza completa degli eventi

Quando più EPPs si sommano fra loro, il

livello di depolarizzazione è sufficiente ad

attivare il ciclo di Hodgkin dei canali del

Na+ e quindi ad evocare il potenziale

d’azione per dare inizio alla contrazione

muscolare.

Sinapsi Sinapsi eccitatorie e eccitatorie e

sinapsi inibitoriesinapsi inibitorie

I potenziali post-sinaptici modificano la

probabilità che si produca un potenziale

d’azione nella cellula post-sinaptica.

Se la probabilità di uno spike

aumenta si parla di potenziali post-

sinaptici eccitatori EPSP (vedi

placca motrice).

Se la probabilità di uno spike

diminuisce si parla di potenziali

post-sinaptici inibitori IPSP (vedi

sinapsi GABAergiche).

Quello che distingue fondamentalmente

un EPSP da un IPSP è il valore del

potenziale di inversione rispetto al

potenziale soglia necessario per evocare

uno spike.

In una sinapsi eccitatoria il potenziale

post-sinaptico sposta il potenziale di

membrana verso il valore soglia, mentre

in una sinapsi di tipo inibitorio il

potenziale post-sinaptico sposta il valore

della membrana lontano dal valore soglia,

talvolta addirittura iperpolarizzando la

membrana. Le sinapsi inibitorie più

diffuse sono le sinapsi GABAergiche (PNS)

e glicinergiche (CNS) che attivano una

conduttanza al Cl-.

EPSP

Si può parlare di inibizione

pre-sinapticapre-sinaptica: l’azione inibitoria è sul

neurone pre-sinaptico, cioè modula

l’azione eccitatoria dell’elemento pre-

sinaptico.

post-sinapticapost-sinaptica: l’azione inibitoria è

sull’elemento post-sinaptico,

riducendone l’eccitabilità

azione inibitoria

Pre-

Pre-

Post-

Pre-

Pre-

Post-

Inhibitory synapse

Inibizione pre-sinaptica

Inibizione post-sinaptica

Sommazione dei potenziali Sommazione dei potenziali sinapticisinaptici

In generale, soprattutto a livello di CNS,

ogni neurone riceve in input il segnale

proveniente da decine a migliaia di

sinapsi. La cellula post-sinaptica è in

grado di integrare tutti questi segnali

grazie a fenomeni che vanno sotto il nome

di sommazione spaziale e sommazione

temporale.

Sommazione spaziale= è la somma

dell’effetto di input sinaptici multipli in

punti diversi del soma e dei dendriti

della cellula. Due stimoli eccitatori

sotto-soglia possono, se sommati, dare

una depolarizzazione che arriva a soglia.

Sommazione temporale= è l’accumulo di

deplarizzazioni successive dovute

all’attività ripetitiva. Ciascun potenziale

si somma al precedente sulla fase di

discesa.