Potenziale di membrana a riposo: fenomeni e integrazione nervosa

Potenziale di Membrana a Riposo

Separazione Differenziale

Anche se la concentrazione netta di ioni caricati positivamente e negativamente è simile nei fluidi intra e extracellulare, un eccesso di cationi caricati positivamente si accumula appena fuori dalla membrana cellulare, e un eccesso di anioni caricati negativamente si accumula all'interno a ridosso della membrana.

Questo fa sì che l'interno della cellula sia carico negativamente rispetto all'esterno.

sano

+ +

36 NEUROPHYSIOLOGY Il potenziale di membrana è presente nelle cellule non eccitabili e nelle cellule eccitabili non in attività (dove è chiamato potenziale di riposo)

A riposo, nelle cellule esiste una differenza di potenziale tra l'interno e l'esterno della membrana, che qualitativamente è il risultato dalla separazione differenziale di ioni (carichi), soprattutto Na+ e K+, ai due lati della membrana, e la diversa permeabilità della membrana a riposo per questi ioni che tendono a diffondere secondo gradiente di concentrazione.

Il valore assoluto = tra 30 e 100 mV (in genere 70 mV nelle cellule nervose dei mammiferi a riposo). Arbitrariamente il fluido extracellulare = 0 mV, quindi il potenziale di membrana a riposo è -70 mV (più cariche negative dentro che fuori!).

• I principali fenomeni che determinano il potenziale a riposo:

1. pompa sodio potassio
2. permeabilità differenziale della membrana alla diffusione degli ioni
3. presenza di anioni -caricati negativamente- "intrappolati" all'interno della cellula

Ioni e Equilibrio

K+ · maggior permeabilità di membrana ° tende ad uscire dalla cellula per garantire la concentrazione · tenderebbe a rimanere/entrare nella cellula per carica elettrica · Equilibrio: Ek= - 93 mV

CL- · tende ad entrare nella cellula per gara di ente di concentrazione ° tende ad uscire dalla cellula -rimanere fuori- per carica elettrica ° Equilibrio EcL= - 70 mV

Na+ · scarsissima permeabilità di membrana · tende ad entrare dalla cellula per gradiente di concentrazione o per carica elettrica · Equilibro: ENa=+59 mV

Perché -70 mV?

Organic anions 140 mM Ca2+ 0,000 07 mM Ca" I mM K 140 mM K+ 4 mM Na" 15 mM Na 145 mM Cr 7 mM Cl 120 mM Intracellular Extracellular

Ca++ · tende ad entrare nella cellula per gradiente di concentrazione o per carica elettrica · Equilibrio: ECa= +125 mV

Equazione di Goldman-Hdgkin-Katz

. R costante dei gas · T temperatura assoluta . F costante di Faraday · P permeabilità della membrana · [] concentrazione

L'equazione di Goldman -Hdgkin-Katz- dovrebbe tenere conto solo di sodio, potassio che è quello per cui la membrana ha permeabilità maggiore- e cloro.

Quindi se andiamo a risolvendo l'equazione per questi tre ioni si avrà il valore di -70 mV

Vm = RT . In Prl PK[K+]e + PNa [Na+ ]e + Pc][CI~]] ... PK[K+] +PNa [Na+]; +PcI[C] ]e ...Cellule eccitabili

Cellule Eccitabili e Segnali Elettrici

Tipi di Cellule Eccitabili

Alcune cellule endocrine NEURONI CELLULE MUSCOLARI

Possono andare in contro a variazioni transitorie dei loro potenziali di membrana in risposta ad eventi esterni

Struttura del Motoneurone

Corpo cellulare (soma o pirenoforo) Segmento iniziale dell'assone Nodo di Ranvier Cellula di Schwann

José: Monticolo assonico Nucleo Bottoni terminali Dendriti

Struttura di un motoneurone con assone mielinico

Queste fluttuazioni sono usate come segnali elettrici che permettono la comunicazione anche a lunga distanza, e per coordinare l'attività delle cellule

Componenti del Sistema Nervoso

Cellule del sistema nervoso · Neuroni (unità funzionali del Sistema Nervoso) · Cellule della Glia (neuroglia) [si pronuncia con la g dura]

in genere, un processo della cellula nervosa è chiamato: dendrite se conduce gli impulsi verso il corpo della cellula nervosa, assone se li conduce in allontanamento da essa.

Funzioni della Glia

1. supporto
2. nutrimento
3. protezione -da corpi estranei in caso di lesioni-
4. barriera emato-encefalica
5. isolamento elettrico
6. velocità di conduzione
7. regolazione omeostasi del liquido interstiziale
8. gli astrociti intervengono nella membrana e nell'apprendimento

Stati Elettrici della Membrana

Potenziale di Membrana e Polarizzazione

Potenziale di membrana diverso da 0

Polarizzazione Ovvero la separazione di cariche tra due lati della membrana plasmatica

Ripolarizzazione Ritorno della membrana allo stato di riposo dopo un evento di depolarizzazione

Depolarizzazione Membrane potential (mV) Depolarization Repolarization Hyperpolarization Resting potential Time (msec)

Questi cambiamenti sono determinati da variazioni di flussi ionici attraverso le membrane.

Iperpolarizzazione V

Variazione del potenziale che rende la membrana meno negativa riposerò al potenziale a riposo

Upward deflection = Decrease in potential Downward deflection = Increase in potential

Variazione del potenziale che rende la membrana più polarizzata/negativa dentro rispetto al pertinenziale a riposo

In particolare, si ha ipo/depolarizzazione se flusso netto di cationi dal LEC al LIC, iper/ripolarizzazione se flusso netto di cationi da LIC a LECI segnali nervosi sono delle varie azioni del potenziale di membrana temporanee e localizzate, provocare da aperture o chiusure del canali ionici

Segnali Nervosi e Canali Ionici

Evento di Stimolazione

EVENTO DI STIMOLAZIONE 1 · Stimolo sensoriale · Variazione del campo elettrico in prossimità di un canale . Interazione di messaggero chimico con recettore · Variazione di potenziale spontanea

Variazioni di Permeabilità della Membrana

VARIAZIONI DI PERMEABILITA' DELLA MEMBRANA Non per canali passivi (leak), ma per canali ad apertura regolata (hanno pieghe mobili della loro struttura proteica che possono essere aperte o chiuse, in risposta a fattori esterni)

VARIAZIONE DEI FLUSSI IONICI (FLUSSO IONICO NETTO)

Potenziali Graduati e d'Azione

POTENZIALI GRADUATI SEGNALE ELETTRICO POTENZIALI D'AZIONE

Possono essere : 1 potenziali graduali, ovvero la variabilità del potenziale è proporzionale all'intensità dello stimolo -e.g/EPSP/IPSP 2 potenziale di tutto/nulla e.g./ potenziale d'azione-

Il potenziale generatore è la variazione del potenziale di membrana di una cellula eccitabile che può -se fa raggiungere alla membrana il valore soglia- "generare" il potenziale d'azione

Si propaga in modo decrescente

• Potenziali graduati

Potenziale di membrana (mv) - Tempo (ms) Stimolo x Stimolo più intenso x

L'ampiezza è proporzionale allo stimolo che ha generato Quindi maggiore sarà l'intensità dello stimolo > più numerosi i canali che si aprono > maggiori saranno gli ioni che passano la membrana in corrispondenza del punto di origine

Potenziali post-sinaptici Potenziali di recettore Potenziali di placea Potenziali pacemaker

La dura sta è proporzionale all'evento generante

Le cariche elettriche portate da ioni- fluiscono passivamente tra l'area attiva e le adiacenti regioni a riposo sia sul lato esterno che sul lato interno della membrana-

Variazioni localizzate del potenziale di membrana che possono assumere ampiezza variabili

Potenziale d'Azione

Caratteristiche del Potenziale d'Azione

Breve/ampia/rapida variazione del potenziale di membrana Vi è un inverdimento così che l'interno della cellula eccitabile diventi transitoriamente più positivo dell'esterno Coinvolge una zona limitata della membrana, ma: 1 si propaga in modo decremento le -rigenerante- 2 è un fenomeno tutto o nulla, non proporzionale allo stimolo

Canali Voltaggio-Dipendenti del Sodio

POTENZIALI D'AZIONE CANALI COINVOLTI _1 Canale voltaggio-dipendente del sodio (Na+)

Va Liquido extracellulare Na Na Membrana plasmatica Porta di inattivazione Liquido intracellulare Rapida apertura innescata Lenta chiusura innescata al potenziale al potenziale soglia soglia Chiuso ma in grado di aprirsi Aperto (attivato) Chiuso e non in grado di aprirsi Al potenziale di riposo (-70 mV) (a) Dall'apice al potenziale di potenziale (da -50 mV a +30 mV) riposo (da +30 mV a -70 mV) (c) (b)

Modifiche della proteina dipendenti dal potenziale, ma con velocità diverse, così il canale rimane aperto solo brevemente anche se la membrana rimane depolarizzata.

Fasi del Potenziale d'Azione

POTENZIALI D'AZIONE Depolarizzazione Potenziale d'azione Ripolarizzazione 20 Potenziale di membrana (mV) Fase 1 Fase 2 Iperpolarizzazione postuma Soglia -55 Potenziale di riposo -70 Fase 3 Tempo (msec) 5 (a) Le tre fasi di un potenziale d'azione

Il potenziale d'azione è una oscillazione elettrica composta da tre fasi. Dipende da canali ionici voltaggio dipendenti

Canali Voltaggio-Dipendenti del Potassio

POTENZIALI D'AZIONE CANALI COINVOLTI_2 Canali K shaker Canale voltaggio-dipendente del potassio (K+)

Liquido extracellulare Membrana plasmatica Liquido intracellulare K+ Apertura tardiva innescata al potenziale soglia Chiuso Aperto Al potenziale soglia; apertura ritardata innescata alla soglia; rimane chiuso fino all'apice del potenziale (da -70 mV a +30 mV) (d) Dall'apice del potenziale fino a tutta l'iperpolarizzazione postuma (da +30 mV a -80 mV) (e)

1 rapida apertura della porta di attivazione dei canali voltaggio dipendenti del Na+ -veloce-

Valore soglia Iniziano i cambiamenti conformazioni delle proteine casa le che portano a:

2 lenta chiusura della porta di inattivazione dei canali voltaggio dipendenti del Na+ -0.5 mesc di differenza-

3 lenta apertura dei canali voltaggio dipendenti del K+ -come 2- - i leak channels sono sempre rimasti aperti-

+ Iniziano assieme ma per arrivare al completamento ci mettono tempi differenti

Porta di attivazione Dalla soglia all'apice del

Valore Soglia e Canali Sodio

Meccanismi di Apertura dei Canali

POTENZIALI D'AZIONE IL VALORE SOGLIA I meccanismi di apertura finemente calibrati dei vari canali Na+ voltaggio dipendenti sono attivati da variazioni di voltaggio leggermente differenti.

Struttura del Canale Sodio Voltaggio-Dipendente

CANALE DEL SODIO VOLTAGGIO-DIPENDENTE DI De 03 D4 b TTX Hương -a - 000 (Approximately 2.000 mg Voltage-gated Sodium channel structure, Meister and Kearney (2005) Journal of Clinical Investigation

In risposta ad uno stimolo la membrana comincia a depolarizzarsi => le porte di attivazione di alcuni dei suoi canali Na+ voltaggio dipendenti si aprono, aprendo il canale. Na+ entra => ulteriore depolarizzazione => altri canali Na+ voltaggio dipendenti si aprono => ulteriore depolarizzazione ... effetto a catena

Raggiungimento della soglia: si sono aperti abbastanza canali da innescare il ciclo di «feedback» positivo che porta rapidamente all'apertura di tutti i canali rimasti. Aumento esplosivo (600x) della permeabilità di membrana al Na+

In genere, nelle porzioni di membrana dove si verificano potenziali graduati, non ci sono abbastanza canali Na+ voltaggio dipendenti per dare luogo ad un potenziale di azione, ma il potenziale graduato può diffondere in porzioni adiacenti della membrana (ricche di questi canali) dove può innescare il potenziale d'azione.