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Neuroni piramidali del SNC che stanno crescendo su una matrice di glia/fibroblasti Attività elettrica dei neuroni.

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Presentazione sul tema: "Neuroni piramidali del SNC che stanno crescendo su una matrice di glia/fibroblasti Attività elettrica dei neuroni."— Transcript della presentazione:

1 Neuroni piramidali del SNC che stanno crescendo su una matrice di glia/fibroblasti Attività elettrica dei neuroni

2 Nel potenziale dazione si distinguono due fasi: -fase di DEPOLARIZZAZIONE -fase di RIPOLARIZZAZIONE tempo

3 Basi ioniche del potenziale dazione conduttanze e correnti di Na voltaggio-dipendenti conduttanze e correnti di K voltaggio-dipendenti

4 Qual è il ruolo dei canali del Na + nella genesi del potenziale dazione? 1. Osservazione di Hodgkin e Huxley (1939): – al picco di un potenziale dazione il potenziale di membrana diventa transitoriamente positivo allinterno – overshoot. 2. Ipotesi: è coinvolto il Na – lentrata di Na attraverso la membrana continuerà fino al raggiungimento del potenziale di equilibrio del Na (E Na ). E Na = 58 log ([Na] o / [Na] i ) = 58 log (460/50) = 59 mV 50% [Na] o -> E Na = 38 mV 33% [Na] o -> E Na = 28 nV 3. Esperimento di Hodgkin e Katz (1949): riducendo [Na] o riduzione dellovershoot PK : PNa : PCl Al potenziale di riposo 1.0: 0.04: 0.45 Al picco del PA 1.0 : 20 : 0.45 Conclusione: Il potenziale dazione è il risultato di un grande e transitorio aumento nella permeabilità al Na della membrana.

5 Che dire della fase di caduta del potenziale dazione? - I canali del Na semplicemente si chiudono (inattivazione) Ma se la causa fosse solo questa, la ripolarizzazione sarebbe più lenta di quanto osservato sperimentalmente Il potenziale di membrana ritorna verso E K Il potenziale di membrana iperpolarizza (diventa più negativo del potenziale di riposo) per un certo tempo - Si verifica un successivo grosso aumento della permeabilità della membrana al K dovuto allapertura di canali del K voltaggio-dipendenti.

6 Ipotesi: Le conduttanze del Na e K sono voltaggio-dipendenti - La probabilità che i canali si aprano aumenta con la depolarizzazione. Leffetto della conduttanza al Na - rigenerativo. Il processo -si autoalimenta -feedback positivo La depolarizzazione aumenta la conduttanza al K con un certo ritardo. -autolimitante -feedback negativo Per spiegare lampiezza e landamento temporale del potenziale dazione Aumento di gNa Depolarizz. Corrente di Na entrante Aumento di gK Depolarizz. Corrente di K uscente Ripolarizz.

7 Ipotesi di Hodgkin e Katz: La depolarizzazione della cellula al di sopra del valore di soglia causa un breve aumento della permeabilità della membrana agli ioni Na. In che maniera la permeabilità di membrana (conduttanza) agli ioni Na varia con il potenziale di membrana? Esperimento: Occorrerebbe misurare lampiezza della corrente di Na + (I Na ) che fluisce attraverso la membrana a diversi livelli del potenziale di membrana (V m ) g Na = I Na / (V m – E Na ) Cè un problema: La corrente fluisce attraverso la membrana il potenziale di membrana cambia la conduttanza della membrana si modifica sia al variare del potenziale di membrana che nel tempo Cioè, esiste forte interdipendenza del PM e del gating dei canali del Na (e del K) sia il PM che la conduttanza dei canali cambiano costantemente. Per risolvere questo problema, K. Cole sviluppò la tecnica del voltage-clamp. depolarizzazione Canali Na aprono I Na entra.

8 Sempre aperti extracell. Voltaggio-dipendenti: rispondono a variazioni di V m intracell. Alcuni tipi di canali Ionici sono sempre aperti, altri no! Il loro comportamento è ohmico: la relazione I/V è lineare g=costante Il loro comportamento non è ohmico: la relazione I/V non è lineare perché g non è costante [g=f(V m )]

9 Il modello di H&H della gate assume una reazione cinetica del 1 o ordine tra gli stati aperto e chiuso della particella di gating C O Quindi, la probabilità della particella di trovarsi nello stato aperto può essere descritta da: (1-P o ) PoPo Trattandosi di una cinetica del 1 o ordine, sarà: Modello del gating secondo H&H

10 Risolvendo lequazione differenziale del 1 o ordine e applicando la condizione al contorno, si ottiene: Allo stato stazionario (equilibrio) sarà: quindi, Se p particelle di gating indipendenti sono coinvolte nel gating del canale, allora il canale seguirà il seguente andamento temporale: P o (t) Prob. Di Attivaz. Tempo [P o (t)] p 1 /( )= rappresenta la costante di tempo dellattivazione ed è un indice della velocità di attivazione della particella di gating.

11 (mV) Tempo (ms) Corrente ionica (nA) Tempo (ms) La tecnica del voltage-clamp consiste nel bloccare il potenziale di membrana ad un valore costante nel tempo e nel registrare le correnti ioniche transmembranarie generate a tale potenziale di membrana Potenziale di riposo (V r ) Potenziale di membrana finale (V m ) costante (potenziale di comando) Corrente transmembranaria generata dal passaggio di V m da –70 mV a +20 mV Vantaggi del voltage-clamp: In genere, nel caso di canali voltaggio-dipendenti, g m = f(V,t) ma, 1.V m è bloccato ad un valore costante g m = f(t) soltanto e può essere dedotto dallandamento della corrente ionica I i 2.E possibile separare I i da I c. Infatti c m è caricata istantaneamente

12 Voltaggio (mV) Tempo (ms) Corrente ionica (nA) Tempo (ms) I Na +I K + TTX (I K )+ TEA (I Na ) Separazione farmacologica delle correnti I K e I Na

13 Corrente K + (nA) Tempo (ms) Voltaggio (mV) Tempo (ms) I(K + ) max (nA) Voltaggio (mV) Conduttanza (μS) Voltaggio (mV) I K =g K (V-E K ) g K = I K /(V-E K ) E K =-80 mV Voltaggio-dipendenza dei canali K v

14 Canali voltaggio-indipendenti Il potenziale di riposo di una cellula è determinato dalla presenza di due canali permeabili rispettivamente ai cationi A + e B + attraverso i quali passano le correnti ioniche I A e I B indicate in tabella. Dopo aver disegnato i rispettivi grafici I/V, determinare: 1) le conduttanze g A e g B ; 2) se i due canali sono voltaggio-dipendenti o -indipendenti; 3) il potenziale di equilibrio dei due ioni A e B; 4) il potenziale di riposo V r della cellula.

15 g 1A =-1650/[-120-(-90)]=55 S g 1B =-1320/[-20-(+40)]=22 S V r =(E A g A +E B g B )/(g A +g B )=-52.9mV E A =-90mV E B =+40mV EAEA EBEB

16 Quesito del giorno Un ricercatore, in seguito ad esperimenti condotti in voltage- clamp ha ricavato che la corrente di K + (I K ) dipende dal potenziale di membrana (V) secondo la seguente relazione: (pA) 1) Calcolare i valori di I K nellintervallo di potenziali tra –80 e +80 mV ad intervalli di 10 mV e metterli in grafico in funzione di V; 2) Dai valori di I K ricavati, e sapendo che E K = -85 mV, calcolare i valori corrispondenti di g K e metterli in grafico in funzione di V; 3) A quale valore di V sara aperta la meta dei canali?

17 I K = 4.6 · [1-1/(1+EXP((V+10/9))] · (V+85) (pA) E K = -85 mV

18 Voltaggio (mV) Tempo (ms) I(Na) (nA) Tempo (ms) I(Na) (nA) Tempo (ms) I(Na) picco (nA) Voltaggio (mV) Voltaggio (mV) Conduttanza (μS) I Na =g Na (V-E Na ) g Na = I Na /(V- E Na ) E Na =+50 mV Voltaggio-dipendenza dei canali Na

19 Separazione della fase di attivazione della corrente di Na dallinattivazione La pronasi rimuove linattivazione C o r r e n t e ( n A ) tempo (ms) V o l t a g g i o ( m V ) tempo (ms) C o r r e n t e d i N a ( n A ) Voltaggio (mV)

20 La corrente attraverso il canale dipende da 1.Permeabilità del canale: conduttanza le conduttanze del Na e K sono voltaggio-dipendenti 2.Driving force – dovuta al potenziale elettrico attraverso la membrana e al gradiente di concentrazione degli ioni. Lampiezza della corrente di K aumenta con la depolarizzazione. Lampiezza della corrente di Na aumenta e poi diminuisce con la depolarizzazione. Perchè?Depolarizzazione: I K = g K (V m –E K )I Na = g Na (V m –E Na )

21 Come risalire dai valori di conduttanza allo stato stazionario alla probabilità di trovare una singola gate del canale aperta Grafico della conduttanza g(V) allo stato stazionario Nel caso di un canale inattivante, esso è stato ottenuto rimuovendo linattivazione C o n d u t t a n z a ( S ) Voltaggio (mV) P r o b. c a n a l e a p e r t o Ipotesi: lattivazione del canale è regolata da x gates n uguali e indipendenti. Allora, se n è la probabilità di avere la singola gate n aperta allo stato stazionario, la probabilità P o di trovare il canale aperto allo stato stazionario (in assenza di inattivazione) sarà: Probabilità composta: n·n·n…. (x volte) Quindi, dai valori di P o si può risalire ai valori di n : G max

22 Quesito del giorno Un ricercatore, in seguito ad esperimenti condotti in voltage- clamp e utilizzando la tossina di scorpione per bloccare linattivazione, ha ricavato che la conduttanza del canale del Na + (g Na ) dipende dal potenziale di membrana (V) secondo la seguente relazione: (nS) 1) Calcolare i valori di g Na nellintervallo di potenziali tra – 80 e +80 mV ad intervalli di 10 mV e metterli in grafico in funzione di V; a quale valore di g Na sarà aperta la metà dei canali? 2) Dai valori di g Na ricavati, e sapendo che E Na = +55 mV, calcolare i valori corrispondenti di I Na e metterli in grafico in funzione di V.

23 g Na =5.6(1-1/[1+EXP((V+30)/6)]) (nS) E Na =+55 mV

24 V m ( m V ) Tempo (ms) Studio dellinattivazione allo stato stazionario I N a ( n A ) Tempo (ms) mV Se si ipotizza che il processo di inattivazione sia regolato da ununica gate (h), i valori in grafico sono proporzionali alla probabilità di trovare tale gate aperta allo stato stazionario C o r r e n t e d i N a ( n A ) Potenziale di condiz. (mV) P r o b a b i l i t à g a t e h a p e r t a

25 Conduttanza g V m (mV) Confronto della voltaggio-dipendenza di g K e g Na

26 Nota: A parità di conduttanza, è la driving force che determina l'andamento della relazione I/V Corrente (pA) Voltaggio (mV) E A =+55mV E B =-80mV

27 HHsim: Graphical Hodgkin-Huxley Simulator

28 Esercizio Usando il programma di simulazione H&H, progettare un esperimento di voltage-clamp per determinare: (a)Il potenziale di inversione della corrente del Na (b)Il potenziale di inversione della corrente del potassio

29 +348 nA (-60 mV) +60 nA (-70 mV) -216 nA (-80 mV) EKEK Calcolo del potenziale di inversione (equilibrio) della corrente di K + CO E K < -60 E K < -70 E K > -80


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