in

Polarizzazionedinamica

Specificità delle connessioni

Sinapsiinibitoria

Sinapsiaccitatorie

Ramific.dendrite

Soma Nucleo dendri

te Segmento iniziale

Terminazione sinaptica

Assone Nodo di Ranvier Segmento

Rivestito di mielina

Fessura sinaptica

Cellula nervosa tipo

Le funzioni del sistema nervoso, anche le più complesse,si fondano sulle proprietà funzionali dei neuroni.

L’attività specifica dei neuroni consiste nel generare,trasmettere ed elaborare informazioni.

L’informazione nervosa si basa sulla capacità deineuroni di generare correnti elettriche, in seguitoa modificazioni del potenziale di riposo cherisultano dall’apertura o chiusura di canali ionici.

I segnali elettrici generati sono di due tipi:

Potenziali graduati: possono essere modulati inampiezza, ma agiscono a breve distanza, perchésubiscono decremento man mano che si allontananodal punto dove sono stati generati.

Potenziale d’azione: fenomeno non graduabile inampiezza, ma modulabile in frequenza, che sipropaga a distanza senza decremento.

Pote

nzia

le d

i m

em

bra

na, m

V Differenza di potenziale di membrana (Vm)

Vm diminuisce

Depolarizzazione Ripolarizzazione Iperpolarizzazione

Vm aumenta

Potenziali graduati: modificazioni del potenziale di riposo determinatedall’apertura o chiusura di canali ionici indotte da uno stimolo(neurotrasmettitori sinaptici, stimoli sensoriali).DEPOLARIZZAZIONE: diminuzione della negatività intracellulareIPERPOLARIZZAZIONE: aumento della negatività intracellulareRIPOLARIZZAZIONE: recupero del potenziale di riposo

Tempo (ms)

Il potenziale d’azioneIl potenziale d’azione

E’ una modificazioni del potenziale di riposo di brevedurata, che si genera nelle cellule eccitabili in rispostaad uno stimolo capace di depolarizzare la membrana.

Richiede l’attivazione e l’inattivazione coordinata didiverse famiglie di canali ionici voltaggio-dipendenti.

E’ un fenomeno autorigenerativo in grado dipropagarsi lungo le fibre nervose senza attenuazione.

Una depolarizzazione oltre un valorecritico: soglia, fa insorgere ilpotenziale d’azione, caratterizzato dauna inversione della polarità dimembrana.Il potenziale d’azione ha duratadiversa nel tessuto nervoso (1-2 ms),muscolare (5-10 ms) e cardiaco (200-400 ms)

Depolarizzazione

Il potenziale d’azione è caratterizzato da: Fase di depolarizzazione: il potenziale di membrana divieneprogressivamente meno negativo e raggiunge valori positivi (piccocomplessivo 100-120 mV). Fase di ripolarizzazione, il potenziale torna al valore di riposo.Comprende una fase transitoria di iperpolarizzazione postuma, durantela quale il potenziale raggiunge valori più negativi del potenziale di riposo.

Iperpolarizzazione postuma

0

Il potenziale d’azione è per le suecaratteristiche un fenomeno tutto o nulla, cioèun fenomeno che “c’è o non c’è”, ma che,quando insorge, è sempre uguale a sé stesso enon può essere variato in ampiezza.

La variazione dell’informazione nervosa è quindiottenuta, non attraverso la modificazione diampiezza del potenziale d’azione, ma medianteuna modificazione della frequenza con cuiinsorgono i potenziali d’azione.

Esperimento di Hodgkin e Katz nell’assone gigante di calamaro che dimostra il ruolo dello ione Na+

extracellulare nella genesi del potenziale d’azione.

La riduzione della concentrazione del Na+

extracellulare determina riduzione dell’ampiezza e velocità di salita del potenziale d’azione.

Applicando la Legge di Ohm alle correnti ioniche: I = G . V

Quindi: INa = GNa . (Vm – ENa) e Ik = Gk . (Vm – Ek)

Vm = potenziale di riposo; ENa, EK = potenziali di equilibrio per Na+ e K+

Quando le correnti sono uguali e contrarie, il flusso ionico netto è 0.

Gk . (Vm – Ek) + GNa . (Vm – ENa) = 0

Vm = (Gk/Gk + GNa) . Ek + (GNa/Gk + GNa) . ENa

In relazione al rapporto traGNa e GK in un determinatomomento, Vm assumerà unvalore intermedio tra Ek edENa.

Se Gk » GNa Vm si avvicina a Ek (potenziale di riposo)

Se GNa » Gk Vm si avvicina a ENa (potenziale d’azione)

Il potenziale d’azione può essere spiegato con un aumentotransitorio del rapporto tra le conduttanze a Na+ e K+.

Na+

entraK+

esce

Soglia

Tempo (msec)

Pote

nzia

le d

i m

em

bra

na (

mV

)

Tempo (msec)Con

dut

tanz

a io

nica Potenziale

d’azione

1) Potenziale di riposo.2) Stimolo depolarizzante.3) Depolarizzazione soglia.

Aumenta GNa (apertura canali voltaggio-dipendenti) ingresso Na+. Inizia, lentamente, anche aumento GK

(apertura canali voltaggio-dipendenti).

4) Entrata rapida Na+

inversione polarità.5) Inattivazione canali Na+

ed ulteriore aumento GK.6) Uscita di K+

ripolarizzazione.7) Il perdurare dell’apertura

dei canali K+ è responsabile della iperpolarizzazione postuma.

8) I canali K+ si chiudono.9) La conduttanza di

membrana ed il potenziale di membrana tornano al valore di riposo.

Soglia: depolarizzazione minima che la membrana deve raggiungere per far nascere un potenziale d’azione.

L’aumento di permeabilità al Na+ è tale da fare entrare nella cellula una quantità di Na+ superiore alla quantità di ioni K+ che escono.K+ non è più in grado di bilanciare gli effetti dell’entrata del Na+, ha luogo il processo autorigenerativo per il Na+.

A livello della soglia:

La tecnica del voltage-clamp permette di fissare il Vm. L’apertura dei canali Na+ non può indurre ulteriore depolarizzazione, permettendo di studiare le correnti di membrana senza il pda.

Le correnti ioniche individuali possono essere isolate grazie ad esperimenti di sostituzione ionica e valutate in condizione di voltage-clamp.Traccia verde: sostituzione ione Na+ con Colina. La corrente entrante scompareTraccia gialla: corrente totaleTraccia rossa: risultante gialla-verde = corrente entrante transiente di Na+.

Maggiore è lo stimolo depolarizzante, maggiore e più veloce è la variazione diconduttanza (fino ad un massimo).

GNa aumenta e diminuisce rapidamente (rapida attivazione-inattivazionecanali)

Gk cresce lentamente e rimane elevata per il tempo di stimolazione (lentaattivazione-inattivazione canali).

Gate di attivazione: si apre rapidamente in seguito alla depolarizzazione

Gate di inattivazione: si chiude più lentamente in seguito alla depolarizzazione

StatiStati funzionalifunzionali didi unun canalecanale alal NaNa++ secondosecondo ilil modellomodello HH--HH

m = probabilità che un gate di attivazione sianella configurazione aperta.Per m 1 (V vicino a 0) la probabilità è elevata.Per m 0 (V vicino a Vm) la probabilità è bassa.h = probabilità che il gate di inattivazione sianella configurazione aperta.Per h 1 (V vicino a Vm) la probabilità èelevata.Per h 0 (V vicino a 0) la probabilità è bassa.

Canali del Na+:

• Particelle di gating (S4) una per ognuno dei 4 domini.

• Regioni P che formano il poro del canale

• L’ansa tra i domini III e IV è il cancello di inattivazione del canale, elo inattiva rapidamente mediante un ripiegamento che occlude il porodal versante interno.

+ + + +

- - - - + + + +

- -- -

+ + + +

- - - -

A riposochiuso

Aperto

Inattivato

Depolarizzazione

Apertura

rapida

Lento

Ext

ExtExt

Int

Int

Int

Na+

Lento

Canale chiusoCanale chiusoIl canale non è permeabile allo ione

gate attivazione

gate inattivazione

tempo

Canale chiuso. Al potenziale di riposo, i gates di attivazione delcanale sono chiusi mentre quello di inattivazione è aperto.

tempo

Quando la membrana è depolarizzata fino al valoresoglia, i gates di attivazione si aprono ed il canalediventa permeabile allo ione

IlIl canalecanale sisi apreapre

tempo

Quando il canale è aperto Na+ entra nella cellula

Il Na+ entrando nella cellula determina la rapida salita delpotenziale d’azione

CanaleCanale apertoaperto

Il gate di inattivazione si chiude, Na+ non può più entrare nella cellula

tempo

Con l’incremento della depolarizzazione, il gate di inattivazionesi chiude e nonostante i gates di attivazione siano aperti, ilcanale non è permeabile. L’ingresso di Na+ si arresta.

Canale inattivatoCanale inattivato

Durante la ripolarizzazione, causata dall’uscita di K+, il canale riacquista la sua conformazione di partenza

tempo

Durante la ripolarizzazione, il gate di inattivazione si apre e igates di attivazione si chiudono. Il canale torna nellaconformazione iniziale.

Canale riattivatoCanale riattivato

Durante la fase di depolarizzazione e gran parte della ripolarizzazione,la cellula eccitabile non può essere nuovamente attivata, si dicepertanto che si trova in periodo refrattario assoluto. La refrattarietàè legata all’impossibilità di far entrare nella cellula ulteriore Na+, acausa dell’inattivazione dei canali al Na+.

Tempo (msec)

Po

ten

zia

le d

i m

em

bra

na (

mV

)

Potenziale

d’azione

Periodo

refrattario

assoluto

Periodo refrattarioPeriodo refrattario

PeriodoPeriodo refrattariorefrattario sisi dividedivide inin::

PeriodoPeriodo refrattariorefrattario assolutoassoluto (PRA)(PRA):: NessunNessun potenzialepotenziale d’azioned’azione puòpuòessereessere generato,generato, indipendentementeindipendentemente dallodallo stimolostimolo applicatoapplicato

PeriodoPeriodo refrattariorefrattario relativorelativo (PRR)(PRR):: SiSi puòpuò generaregenerare unun secondosecondopotenzialepotenziale d’azioned’azione solosolo applicandoapplicando stimolistimoli concon intensitàintensità superioresuperiore aaquellaquella cheche haha generatogenerato ilil potenzialepotenziale precedenteprecedente.. IlIl PRRPRR èè tantotanto piùpiùlungolungo quantoquanto piùpiù èè presentepresente lala iperpolarizzazioneiperpolarizzazione postumapostuma..

Funzioni del periodo refrattario:Funzioni del periodo refrattario:

ImpedireImpedire ilil riverberoriverbero deidei segnalisegnali cheche devonodevonoessereessere propagatipropagati inin unauna solasola direzionedirezione(antidromica)(antidromica) senzasenza poterpoter tornaretornare indietroindietro

LimitareLimitare lala frequenzafrequenza didi scaricascarica didi ununneuroneneurone

Come conseguenza dei periodi refrattari:

Il potenziale d’azione è un evento isolatoche non può sommarsi con altri potenzialid’azione.

La frequenza con cui un neurone puògenerare potenziali d’azione è limitata.

Le caratteristiche della frequenza di scarica sonomolto variabili da un neurone all’altro in quantociascun neurone possiede un diverso corredo dicanali ionici voltaggio-dipendenti.

Il potenziale d’azione viene generato in una zona specifica del neurone, detta zona trigger.

I potenziali, a monte di questa zona, si propagano secondo il modello della conduzione assonale passiva (con decremento).

• Dendriti: canali per K+, Ca2+ e a volte Na+

• Zona d’innesco: alta densità di canali per Na+

• Assone mielinico: elevata densità di canali per Na+

e K+, a livello dei nodi di Ranvier

• Terminazioni: canali per Ca2+

Le varie regioni del neurone sono provviste di Le varie regioni del neurone sono provviste di differenti tipi di canali voltaggiodifferenti tipi di canali voltaggio--dipendentidipendenti