I TESSUTI ECCITABILI MUSCOLARE CARDIACO NERVOSO Testo di riferimento Casella-Taglietti

Il fisiologo, fisico ed anatomista Luigi Galvani (Bologna, 1737-1798), fu il primo scienziato ad ipotizzare l'esistenza di una relazione fra elettricità e vita, definita “elettricità intrinseca all'animale” che produce la contrazione dei muscoli. Attualmente l’eccitabilità dei tessuti biologici è definita come la proprietà specifica di alcuni tipi cellulari, sottoposti ad uno stimolo opportuno, di modificare le proprietà di membrana in modo da rispondere con la genesi di correnti elettriche che producono una variazione di potenziale in grado di propagarsi lungo la membrana cellulare e da una cellula all’altra attivo.

Alcuni concetti e definizioni Se la permeabilità cellulare ad uno ione aumenta o diminuisce, anche il potenziale di membrana cambia Quando il potenziale di membrana (Vm o Em) si sposta verso valori più positivi, si dice che la cellula si DEPOLARIZZA Il ritorno al potenziale di membrana (Vm o Em) si dice RIPOLARIZZAZIONE Quando il potenziale di membrana (Vm o Em) si sposta verso valori più negativi, si dice che la cellula si IPERPOLARIZZA

Cosa succede se cambia la permeabilità al K+? E se cambia quella al Na+? + + + + + + + + Vm = -70 mV Vm = -50 mV Vm = -70 mV Vm = -90 mV La membrana si DEPOLARIZZA La membrana si IPERPOLARIZZA

Un cambiamento di potenziale di membrana da negativo a positivo (es Un cambiamento di potenziale di membrana da negativo a positivo (es. da -70 a +10 mV) NON SIGNIFICA CHE I GRADIENTI DI CONCENTRAZIONE DEGLI IONI SI SONO INVERTITI! Per avere una significativa variazione di Vm è sufficiente lo spostamento di pochissimi ioni Ad esempio è suffiente lo spostamento di 1 ione K+ su 100000 per modificare Vm di 100 mV! Nonostante lo spostamento degli ioni provochi modifiche importanti sull’equilibrio elettrico della cellula, la loro entità è tale che le concentrazioni ioniche restano praticamente invariate

Tipo di canali ionici Canali regolati meccanicamente: si aprono in risposta a stimoli fisici come la pressione o lo stiramento Canali regolati dal voltaggio (voltaggio-dipendenti): si aprono in risposta a a variazioni di voltaggio Canali regolati chimicamente: si aprono in risposta a ad un messaggero chimico

Tecniche di studio Derivazione intracellulare Derivazione extracellulare Un nervo viene posto su due elettrodi. Se all’interno del nervo si sviluppa attività elettrica, la ddp di potenziale che si genera può essere misurata da un voltmetro collegato ai due elettrodi Un elettrodo è inserito nella cellula, mentre l’altro si trova nel bagno. Il voltmetro misura la differenza di potenziale fra interno ed esterno della cellula

Misura del potenziale di membrana Misura del potenziale di membrana. La differenza di potenziale transmembranario viene misurata mediante un voltmetro a cui sono collegati due elettrodi: uno viene inserito all’interno della cellula (E1) e l’altro nel mezzo in cui essa si trova (T), considerandolo di riferimento e quindi a 0 mV.

L’oscilloscopio

Interagiamo con la cellula…

All’aumentare dello stimolo iperpolarizzante, il potenziale di membrana diventa proporzionalmente più negativo e resta a quel valore negativo per tutta la durata dello stimolo

All’aumentare dello stimolo depolarizzante, il potenziale di membrana diventa proporzionalmente più positivo fino al valore SOGLIA. Sopra la soglia la membrana si depolarizza bruscamente e ampiamente per poi tornare al normale Vm anche se lo stimolo viene mantenuto. SOGLIA

Inoltre, se registro la risposta della cellula in altri punti lungo la fibra, oltre che nel punto di stimolo, osservo una depolarizzazione uguale a quella iniziale, come se la risposta allo stimolo «viaggiasse» lungo la fibra

Cerchiamo una spiegazione Epicco = +45 mV

E’ tutta colpa del Na+? Sotto l’effetto della depolarizzazione potrebbero aprirsi dei canali specifici per il Na+, che entrando, depolarizza le zone adiacenti di membrana rendendo attivi i canali Na+ vicini: così il meccanismo diventa autorigenerante

Prove sperimentali che il potenziale d’azione è sostenuto da una variazione di permeabilità al Na+ Se esponiamo un neurone a concentrazioni di Na+ via via minori nel mezzo esterno, il p.d’a. ha un rallentamento nell’insorgenza e una riduzione di ampiezza che si ripristinano portando la concentrazione di Na+ esterno ai valori fisiologici. Utilizzando Na+ radioattivo si è verificato che il Na* che entra durante il p.d’a. è la quantità sufficiente a provocare l’inversione di potenziale (overshoot) osservata. Proprio l’overshoot è segno che soltanto uno ione con Eeq positivo può generare il p.d’a.

Caratteristiche del potenziale d’azione Le fasi: Depolarizzazione: inizia con lo stimolo e porta rapidissimamente (circa 1 ms) la membrana a valori di potenziale positivi (overshoot) Ripolarizzazione: inizia al picco (spike) del potenziale d’azione e riporta la membrana ai valori di potenziale di riposo passando per una fase di iperpolarizzazione. La soglia: il p.d.a. parte solo se si supera un valore definito soglia (depolarizzazione di circa 15 mV rispetto a Vm), al di sopra del quale inizia l’influsso del Na+

Legge del tutto o nulla: una volta superata la soglia, l’ampiezza del p.d.a. è indipendente dall’intensità dello stimolo che lo evoca. Al di sotto della soglia non si osserva alcun p.d.a. (nulla); al di sopra, la risposta della cellula è sempre massimale (tutto). Refrattarietà: Per un breve periodo successivo allo stimolo, la cellula non è in grado di rispondere ad un secondo stimolo. Questo periodo è definito refrattarietà. Essa è distinta in: Refrattarietà assoluta: nessuno stimolo, per quanto intenso, è in grado di evocare un altro p.d.a. Refrattarietà relativa: la cellula si attiva solo con uno stimolo più intenso del precedente, cioè la soglia si innalza.

Il modello di Hodgkin e Huxley

Il modello del canale Na+ 1.il canale Na+ è controllato da tre “gates” m ed una gate h che si trovino in corrispondenza di sedi specifiche della membrana 2.Le particelle m si aprono con la depolarizzazione, mentre le h si chiudono

Il modello del canale K+ HH hanno supposto che: 1. il canale K+ sia controllato da quattro particelle (gates) dette n che si trovano in corrispondenza di sedi specifiche della membrana 2. La depolarizzazione fa aprire le particelle ed il K+ può uscire

1) Come fa il canale Na ad aprirsi se la depolarizzazione apre le particelle m e chiude la particella h? Le particelle m sono più veloci ad aprirsi di quanto non siano le h a chiudersi, quindi per un breve tempo il canale risulta aperto 2) Come fa la membrana a depolarizzarzi se sia il canale Na che il canale K si aprono con la depolarizzazione? I canali Na sono più veloci dei canali K, quindi prima il sodio entra e la membrana si depolarizza, poi il potassio esce e la membrana si ripolarizza

Il ciclo di Hodgkin e Huxley A riposo i canali sono chiusi ma disponibili all’apertura (particella h aperta) La depolarizzazione dello stimolo apre i canali per il Na+ che, entrando, depolarizza ulteriormente la membrana Il canale K+ si apre dopo perché ha una cinetica più lenta Alcuni canali Na+ iniziano a chiudersi, il K+ (più lento) determina l’iperpolarizzazione postuma Durante l’iperpolarizzazione la particella h tende ad aprirsi, intanto il canale K+ si chiude e si ritorna nella situazione 1. * * * * * *

Il ciclo di Hodgkin e Huxley

Prove della validità del modello : Il modello è valido perché: Spiega tutti gli eventi che avvengono durate il p.d’a. La soglia: è l’ampiezza minima di depolarizzazione imposta con lo stimolo per avere una corrente entrante (INa) sufficiente per autoalimentarsi in modo rigenerativo. La legge del tutto o nulla: appena si raggiunge la soglia per l’apertura dei canali Na+, la corrente che si genera è in grado di sostenere il p.d.a in modo spontaneo ed indipendente dallo stimolo iniziale. Predice i fenomeni che lo accompagnano La refrattarietà: è legata all’inattivazione del canale Na. Poiché l’inattivazione può essere rimossa solo dopo che la membrana si è ripolarizzata, finchè questo non avviene, esso rimane chiuso (refrattarietà assoluta). I canali Na impiegano un po’ di tempo a tornare tutti riattivabili e in questa fase occorre uno stimolo più intenso per evocare la risposta attiva (refrattarietà relativa)

Spiega la sua propagazione Grazie all’ingresso del Na nel punto di stimolo per il p.d.a., si generano delle correnti elettrotoniche che depolarizzano le aree di membrana adiacenti a quella dove è nato il p.d.a. La depolarizzazione così indotta porta a soglia i canali Na vicini che producono un p.d.a. che a sua volta induce correnti elettrotoniche che si propagano alle zone adiacenti e così via. La propagazione è unidirezionale, perché, pur fluendo le correnti elettrotoniche in entrambe le direzioni della fibra, quelle che vanno in senso anterogrado incontrano una zona che si trova nello stato di refrattarietà e non è quindi eccitabile.

Come è veramente il canale E’ una molecola grande (1800-4000 Aa) La probabilità di apertura e chiusura è controllata dal SENSORE DEL VOLTAGGIO Quando è aperto forma un PORO ACQUOSO Il FILTRO SELETTIVO definisce la selettività ionica Può avere una PARTICELLA DI INATTIVAZIONE

Il canale K+

Il canale Na+

Le altre correnti che contribuiscono al P. d’A.