Riassunto lezione precedente

• Esistenza di un potenziale di membrana per tutte le cellule:

• Differenza di potenziale tra l’interno (citoplasma) e l’esterno (liquido extracellulare) della cellula mantenuto a spese di energia metabolica: pompa Na+ / K+ o meccanismo di trasporto attivo a spese di ATP che deve essere poi ricaricato

La pompa del sodio e del potassio indica che il potenziale di membrana è mantenuto con spesa energetica - pompa

elettrogenica -

O-|

-O—P—O—P—O—P—OCH2

O||

O||

O||

O-|

O-|

NH2

C

C

CH

HC

N

N

N

NC

H

H

H

H

HO OH

ORuolo centrale svolto dalla

molecola di ATP: moneta di scambio

dei processi energetici

nell’organismo

Dove avviene la produzione di energia? L’ATP si ricostituisce attraverso meccanismi biochimici.

La spesa di energia costituisce il metabolismo della cellula e dell’organismo in toto.

Reazioni esoergoniche e reazioni endoergoniche: da ogni mole di ATP si

sviluppano 7KcalATP → ADP + Pi + 7Kcal

Da dove viene l’energia?

Da dove assumiamo energia? Dai legami chimici degli alimenti (calorie) Produciamo lavoro

meccanico (Joule)

1 Kcal = 4.18 Joule

È possibile da un punto di vista fisico? Trasformazione delle calorie in Joule (e viceversa!)

Il potenziale di membrana e il passaggio delle sostanze

attraverso la membrana di una qualsiasi cellula

N. B. scende ad onda quadra!!!!

Possiamo utilizzare l’Equazione di Nerst per calcolare il potenziale di Equilibrio dei vari ioni

ENa = 61 log 10/145 = + 68 mV

ECl = 61 log 4/103 = - 90 mV

Ek = 61 log 148 / 5 = - 80 mV

EK = RT/ZF ln (K+)e/(K+)i

(fisioterapisti)

supponendo che la membrana sia diversamente

permeabile alle diverse specie ioniche, si è giunti alla formulazione di una relazione che è un’evoluzione dell’ equazione di Nerst.

Si tratta dell’ EQUAZIONE DI GOLDMAN, la quale tiene conto anche del “fattore di permeabilità”:

PK+[K+]0+PNa+[Na+]0+PCl-[Cl-]i Em=61 log PK+[K+]i+PNa+[Na+]i+PCl-[Cl-]0

Il Cloro è invertito perché ha carica negativa! (fisioterapisti)

Tra l’interno e l’esterno di una cellula esiste una elettroneutralità sostanziale ovvero una minima differenze nella distribuzione delle cariche. È grazie alla efficienza della matrice lipidica nel separare le cariche che è possibile che un minimo numero di ioni induca una differenza di potenziale molto alta.

LA MATRICE LIPIDICA DELLA MEMBRANA SI COMPORTA COME UN CONDENSATORE

AD ALTA EFFICIENZA

(fisioterapisti)

RK+ RNa+ RCl-

Na+/K+

EK+ ENa+ ECl-

- - - -

+ + + +

Em

Circuito elettrico equivalente di una membrana reale

Per essere precisi bisogna aggiungere il Cl- e la Pompa Na+/K+

fisioterapisti)

Eccitabilità cellulare

Nel ‘700 si osservò che i muscoli di un preparato neuromuscolare di rana si contraevano mettendo a contatto del tessuto due metalli diversi in contatto tra loro; inizialmente si pensò che ciò fosse dovuto ad un fenomeno esterno. A partire dal XIX secolo, invece, è divenuto evidente che la produzione di elettricità è una proprietà intrinseca alla materia biologica. In altre parole, la membrana cellulare possiede proprietà elettriche.

A cosa servono i tessuti eccitabili?

Gli organismi più semplici non hanno bisogno del sistema nervoso: quando un apparato deve comunicare qualcosa immette nel liquido interstiziale una molecola,

che per diffusione giunge all'apparato-bersaglio dotato di recettori adatti.

Un secondo passo nella scala evolutiva è costituito dall'immissione delle molecole-messaggero nel sistema circolatorio che raggiungeranno gli

organi bersaglio in tempi relativamente brevi(il sistema endocrino agisce in questo modo).

L' "ultimo ritrovato" in fatto di comunicazione tra diverse parti di un organismo è rappresentato dal sistema nervoso, che è ben più veloce dei precedenti. Per

mezzo del sistema nervoso l'organo che trasmette e l'organo che riceve le informazioni sono collegati tra loro dalle fibre nervose, percorse da impulsi

elettrici che raggiungono velocità anche superiori a 400 Km/h! Inoltre attraverso la sinapsi è possibile l’integrazione di più messaggi.

I tessuti eccitabili realizzano il sistema di comunicazione ed attuazione del nostro organismo permettendo il pensiero e il movimento.

Cellule-organi -apparati e sistemi di comunicazione

Eccitabilità cellulare

cellule eccitabili: nervose e muscolari

Due proprietà

inscindibili

eccitabilità

conduttività

modificazioni ambientali esterne e/o interne al nostro corpo

potenziali graduati:

modulabili in ampiezza

potenziali d’azione:

messaggio nervoso

Le proprietà viste finora sono proprie di tutte le cellule tutte le cellule

presentano un potenziale di membrana con negatività interna.

capacità di generare / propagare segnali elettrici

in risposta a stimoli

Il tessuto nervoso è formato da neuroni e CELLULE GLIALI

SOSTEGNO FISICO E BIOCHIMICOSOSTEGNO FISICO E BIOCHIMICO

nel SNC scarsa matricenel SNC scarsa matrice

SONO FONDAMENTALI PER IL SONO FONDAMENTALI PER IL

SOSTENTAMENTO DELLE CELLULE SOSTENTAMENTO DELLE CELLULE

NERVOSENERVOSE

Il tessuto nervoso

Le cellule del sistema nervoso:

neuroni: messaggio nervoso

cellule gliali (sostegno)

100 miliardi

900 miliardi

Il tessuto nervoso deve essere riccamente vascolarizzato per consentire un adeguato apporto di O2 (metabolismo aerobico)

La funzione dei NEURONILa funzione dei NEURONI

Trasportano segnali elettrici rapidamente a Trasportano segnali elettrici rapidamente a grande distanzagrande distanza

Prolungamenti (processi): da pochi mm Prolungamenti (processi): da pochi mm

a + di 1 ma + di 1 m

Trasduzione mediata da modificazione del potenziale di membrana in risposta ad un ‘evento trigger’

I segnali elettrici sono utilizzati dalla cellula per condurre informazioni rapidamente e a lunga distanza che spesso saranno “tradotte” in un luogo della cellula lontano dalla loro insorgenza.

La genesi e la conduzione di questi messaggi dipendono dalla variazione della differenza di potenziale esistente ai capi della plasma membrana. Queste variazioni dipendono dal flusso di correnti (IONICHE) attraverso la membrana stessa.

CLASSIFICAZIONE DEI CLASSIFICAZIONE DEI NEURONINEURONI

• PER STRUTTURA PER STRUTTURA

• PER FUNZIONEPER FUNZIONE

Modello:Modello:il neuroneil neurone

Il potenziale di membrana del

neurone

Classificazione anatomica e funzionale dei neuroniClassificazione anatomica e funzionale dei neuroni

PER FUNZIONEPER FUNZIONE

• SENSITIVI: afferenzeSENSITIVI: afferenze

• INTERNEURONI: interni al SNCINTERNEURONI: interni al SNC

• EFFERENTIEFFERENTI

• NERVINERVI– Motori Motori – Sensitivi Sensitivi – MistiMisti

Neurone e bersaglio

La caratteristica fondamentale del cervello è la presenza di connessioni

specifiche a breve e lunga distanza tra gli elementi che lo compongono

Il cervello è una fitta rete di comunicazione

200-250 milioni di fibre che connettono i due emisferi

Il corpo calloso

…milioni di fibre connettono aree con funzioni diverse

all’interno di ciascun emisfero…

Un esempio semplice di integrazione: il riflesso flessorio

stim. dolorosa -> trasmissione -> integrazione -> risposta che evita il danno

Anche un comportamento semplice può essere spiegato in termini di attività dei circuiti nervosi

Neurone dei gangli delle radici dorsali del midollo spinale

Sarà quindi la apertura o la chiusura dei canali a determinarela variazioni della permeabilità della membrana agli ioni equindi il passaggio di correnti in entrata o in uscita: queste correnti determineranno a loro volta variazioni della Vm In base ai flussi ionici che si determinano in seguito ad unostimolo, una cellula viene definita: a riposo, depolarizzata o iperpolarizzata

Eccitabilità cellulare: movimento di ioni attraverso canali

movimento degli ioni porta il potenziale di membrana a valori

più negativi: iperpolarizzazione (ingresso Cl-)

potenziale di membrana

meno negativo: depolarizzazioneingresso di ioni Na+

potenziale di membrana torna al valore di riposo

ripolarizzazione (uscita di ioni K+)

le parti fondamentali del neurone: i dendriti

nucleo

Dal grDal grecoeco déndron déndron = = 'albero''albero'

dendriti Più corti e ramificati nei

pressi del soma

Siete qui

L’assone

Camillo Golgi e Santiago Ramon y Cajal (premi Nobel 1906) al

microscopio ottico con il metodo dell’impregnazione argentica,

dimostrarono che anche il sistema nervoso è composto da singole

unità confermando la natura cellulare dell’organismo

Tutti i neuroni posseggono un numero

variabile di dendriti ma un solo assone

Origina da una protrusione del soma detta

cono di emergenza presenta un citoplasma

(assoplasma) contenente strutture

citoscheletriche altamente specializzate

Siete qui

Classificazione dei neuroni in base al numero di prolungamenti

retinaganglio vestibolaremucosa olfattiva

i più comunimolto rari

bipolari unipolari multipolari Cellule Purkinjie

Soma: neurone unità trofica

mielina

Elementi funzionali del neurone:

Distinguiamo 4 elementi con diversi ruoli funzionali:

dendriti

Dendriti porzione di ingresso

Zona trigger

Cono di emergenza elemento decisionale o trigger

assone

Assone conduzione del messaggio all’interno della cellula

Bottone sinaptico

Sinapsi elemento di uscita e di comunicazione con altre cellule

Depolarizzazione, ripolarizzazione iperpolarizzazione

Potenziale di membrana (Vm)

Tutti questi fenomeni costituiscono dei Potenziali graduati ossia si propagano con decremento secondo la legge di

Ohm: elettrotono. Potenziale d’azione: Codice binario

Variazioni del potenziale graduato a diverse distanze dal

punto di stimolazione

y = e (- t /τ) per t = τ sarà

y = 1/e = 37% del valore massimo

(fisioterapisti)

Il potenziale d’azione

STOPSTOPAttivazione chiusoInattivazione aperto

Ingresso Na+

Attivazione apertoInattivazione aperto

Ingresso Na+ okok

inattivazione

I canali per il Na+ regolano il movimento ionico mediante l’apertura e la chiusura di due cancelli: di attivazione (verso il liquido extracellulare) e inattivazione (verso il citoplasma).

attivazione

Nasce quando uno stimolo depolarizzante porta il potenziale intracellulare dalla condizione di riposo al valore soglia

Segnale utilizzato dal sistema nervoso per

ricevere, analizzare e trasmettere

informazioni.

tempo (ms)

soglia

mV

-55

-70

+20

Il potenziale d’azione: fasi descritte in base al comportamento dei

canali rapidi voltaggio dipendenti del sodio

Il potenziale d’azione: feedback positivo

Potenziale d’azione: fasi

Fase di riposo: la permeabilità di membrana agli ioni K+ è alta, i canali sono quasi tutti aperti in modo che gli ioni K+ possano diffondere fuori dalla cellula. La permeabilità di membrana al Na+ è bassa: il cancello di attivazione è chiuso e quello di inattivazione aperto e il Na+ non entra nella cellula.

1) Depolarizzazione: ingresso di Na+ Lo stimolo a soglia apre il cancello di attivazione dei canali per il Na+.Mentre la cellula si depolarizza, un numero sempre maggiore di canaliper il Na+ si aprono: la polarità della cellula si inverte (overshoot) fino a +20 mV.

soglia

mV

-55

-70

+20

Na+ K+

overshoot

0

tempo (ms)

2) Ripolarizzazione: uscita di K+

Il cancello di attivazione si chiude e l’ingresso di Na+ cessa, mentre i più lenti canali del K+ raggiungono il picco di permeabilità.

Potenziale d’azione proprietà: 1) tutto o nulla

può verificarsi ‘tutto’ cioè sempre nello

stesso modo o non verificarsi per nulla

Classificazione degli stimoli

Sottoliminari

Liminari

Sopraliminari (adattamento)

soglia

se lo stimolo è in grado di depolarizzare la cellula fino a questo valore, il potenziale d’azione nasce e nasce ‘tutto’, altrimenti il potenziale d’azione non nasce per nulla.

causa

Co

ns

egu

en

za:

codice del SNC NON in ampiezza, MA in frequenza: stimoli più intensi fanno raggiungere la soglia in un tempo più breve, dando luogo ad un numero maggiore di potenziali d’azione nell’unità di tempo.

Potenziale d’azione: Conduttanze e periodi refrattari

conseguenze

Potenziale d’azione proprietà: 2) refrattarietà

Le barriere dei canali del Na+, sono ritornate nella posizione di partenza, ma poichè i canali del K+ si chiudono più lentamente, la corrente di Na+ in ingresso è bilanciata da quella in uscita di K+:

Quando i canali del K+ si chiudono, il potenziale di membrana ritorna al valore di riposo e uno stimolo, di intensità uguale al precedente, può far nascere un nuovo potenziale d’azione

Conseguenza:Limita la frequenza di scarica della cellula!

ms

barriere di attivazione canali Na+ chiuse:

assoluta

relativa

+20

No potenziale d’azione per qualsiasi stimolo. -55

-70

Refrattarietàassoluta

mV

relativa

Effetti della stimolazione

Correnti locali elettrotoniche

graduabili in ampiezza

si propagano con decremento

risposta in frequenzasi propaga senza decremento (fenomeno rigenerativo attivo a spese di energia della cellula)

Raggiunto il valore soglia

nasce il potenziale d’azione

Elettrodi esterni alla fibra

Catodo+++++++------------

Anodo++++++++++++++

ATTIVAZIONE BLOCCO

ESTERNO

MEMBRANA

CITOPLASMA

Elettrodi interni alla fibra

IPERPOLARIZZAZIONE

+

-

DEPOLARIZZAZIONE

-

+

(fisioterapisti)

Risposta locale

STIMOLAZIONE

tempo (msec)

0

RISPOSTA

depolarizzazione

iperpolarizzazione

-90mV

mm

Costante di spazio

Distanza dal punto di stimolazione

(mm) alla quale il segnale

elettrotonico ha un’ampiezza pari al

37% della sua ampiezza massima.

profilo di decremento delfenomeno elettronico

costante di spazio

punto di stimolazione

(fisioterapisti)

Il potenziale d’azione viene condotto elettrotonicamente fino alla zona trigger del neurone

La conduzione del potenziale d’azione: si propaga sempre identico a se stesso ossia senza decremento

Il p d’az, che origina dalla zona trigger del neurone, si propaga lungo l’assone, elemento di conduzione del messaggio della cellula nervosa. Il meccanismo generale è comune alla fibra muscolare striata e alla fibra nervosa amielinica.

-------------------- +++++++++++

++++++++++++ ------------------

ANTIDROMICO ORTODROMICO

ripetersi del processo sequenziale di

depolarizzazione e ripolarizzazione

nascita in rapida successione di tanti potenziali d’azione, identici tra lorociò che si propaga è la

modificazione della permeabilità della membrana, che porta la cellula a soglia

Conduzione del potenziale d’azione:

la zona eccitata porta a soglia la zona a riposo:

raggiunta la soglia parte il potenziale d’azione legge del

tutto o nulla

Conduzione puntuale del potenziale d’azione.

Conseguenza: la velocità è troppo bassa per evocare ad

esempio il riflesso di allontanamento da una fonte

nociva

Analogo elettrico della fibra nervosa: la volocità di conduzione dipende dalla resistenza elettrica del citoplasma

(Rin) e da quella di membrana. L’analogo elettrico della membrana è un condensatore

La velocità di conduzione

dipende da due parametri:

resistenza e capacità di membrana

(fisioterapisti)

Parametri fisici che determinano la velocità di conduzione

C = Q / V

V = RI = RQ / tC = Qt / RQ RC = τ

membrana cellulare: condensatore (superficie isolante che separa due mezzi conduttori) la cui carica e scarica richiede un certo tempo τ = RC

C = Q /V :numero di cariche che devono muoversi per depolarizzare la membrana

Q C Velocità di propagazioneτ

Velocità propagazione elettrotonica

Maggiore τ più lenta è la conduzione elettrotonica

Resistenza: determina la rapidità con cui si verifica il flusso

Rin

Rm

Rm * Rin

τ Cm Rin Rm =••

Costante di spazio e costante di tempo determinano le proprietà

della conduzione elettrotonica o conduzione a cavo

CAPACITA’

RESISTENZAparametri che determinano la velocità di conduzione

diametro assone presenza mielina

(fisioterapisti)

Effetto del calibro della fibra sulla velocità di conduzione

Aα Aβ Aδ C Fibra

12-22 5-13 1-5 0.2-1.2Diametro

(µm)

70-120 30-70 12-30 0.2-2Velocità

(m/s)

motorie tatto doloreDolore SNA

Funzioni

velocità di conduzione aumenta se:

costante di tempo τ minore costante di spazio λ maggiore

non sufficiente a ridurre

drasticamente la capacità di membrana

MIELINA

Fibre amieliniche

Fibre mieliniche (v fino a 120 m/s)

La Mielinariduce la capacità di membrana

velocità di conduzione compatibili con i tempi di riflesso: RICORDA: tutte le fibre sensitive o

motorie sono 1) di GROSSO CALIBRO e 2) MIELINIZZATE Diametro (µm)

v (m/s)

assone

Nucleo cellula di Schwann

cellula di Schwann

Nodo di Ranvier

fibre mielinizzate: necessità di introdurre un isolante: la mielina che però deve anche interrompersi (nodi di ranvier)

La conduzione saltatoria

☺Riduce la capacità di membrana ossia la quantità di carica da spostare

t =t1

t = t3

t = t2

A

B

C

t = t1

t = t2

t = t3

A

B

C

Per la presenza della guaina mielinica il

potenziale d’azione nasce solo in

corrispondenza dei nodi di Ranvier

La mielina:

☺Le fibre mieliniche sono metabolicamente più efficienti perché il lavoro di pompa è confinato ai nodi di Ranvier dove sono concentrati i canali del Na+ voltaggio dipendenti.

☺Aumenta molto la resistenza di membrana per cui l aumenta cioè l’ampiezza del segnale si riduce più lentamente con la distanza ossia grazie all’isolamento elettrico della guaina viene persa una quantità minore di segnale.

Conduzione saltatoria e localizzazione dei canali per lo più a livello dei nodi di Ranvier

importanza di questo fattore ai fini della rigenerazione del nervo

• In seguito a lesione, il nervo va incontro a degenerazione a monte e a valle del punto dell’insulto.

• Se il nervo rigenera, una volta rigenerato, la sua velocità di conduzione risulta diminuita

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