Cellula nervosa tipo. Polarizzazione dinamica. Specificità delle connessioni. Fessura sinaptica Terminazione sinaptica. dendri te Segmento iniziale

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1 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. Cellula nervosa tipo in Fessura sinaptica Terminazione sinaptica Ramific. dendrite Soma Nucleo dendri te Segmento iniziale Sinapsi inibitoria Assone Nodo di Ranvier Segmento Rivestito di mielina Sinapsi accitatorie Polarizzazione dinamica Specificità delle connessioni

2 L informazione nervosa si basa sulla capacità dei neuroni di generare correnti elettriche, in seguito a modificazioni del potenziale di riposo che risultano dall apertura o chiusura di canali ionici. I segnali elettrici generati sono di due tipi: Potenziali graduati: possono essere modulati in ampiezza, ma agiscono a breve distanza, perché subiscono decremento man mano che si allontanano dal punto dove sono stati generati. Potenziale d azione: fenomeno non graduabile in ampiezza, ma modulabile in frequenza, che si propaga a distanza senza decremento.

3 Potenziale di membrana, mv Potenziali graduati: modificazioni del potenziale di riposo determinate dall apertura o chiusura di canali ionici indotte da uno stimolo (neurotrasmettitori sinaptici, stimoli sensoriali). DEPOLARIZZAZIONE: diminuzione della negatività intracellulare IPERPOLARIZZAZIONE: aumento della negatività intracellulare RIPOLARIZZAZIONE: recupero del potenziale di riposo Differenza di potenziale di membrana (Vm) Vm diminuisce Vm aumenta Depolarizzazione Ripolarizzazione Iperpolarizzazione Tempo (ms)

4 Il potenziale d azione E una modificazioni del potenziale di riposo di breve durata, che si genera nelle cellule eccitabili in risposta ad uno stimolo capace di depolarizzare la membrana. Richiede l attivazione e l inattivazione coordinata di diverse famiglie di canali ionici voltaggio-dipendenti. E un fenomeno autorigenerativo in grado di propagarsi lungo le fibre nervose senza attenuazione.

5 Depolarizzazione Una depolarizzazione oltre un valore critico: soglia, fa insorgere il potenziale d azione, caratterizzato da una inversione della polarità di membrana. Il potenziale d azione ha durata diversa nel tessuto nervoso (1-2 ms), muscolare (5-10 ms) e cardiaco ( ms)

6 0 Iperpolarizzazione postuma Il potenziale d azione è caratterizzato da: Fase di depolarizzazione: il potenziale di membrana diviene progressivamente meno negativo e raggiunge valori positivi (picco complessivo mv). Fase di ripolarizzazione, il potenziale torna al valore di riposo. Comprende una fase transitoria di iperpolarizzazione postuma, durante la quale il potenziale raggiunge valori più negativi del potenziale di riposo.

7 Il potenziale d azione è per le sue caratteristiche un fenomeno tutto o nulla, cioè un fenomeno che c è o non c è, ma che, quando insorge, è sempre uguale a sé stesso e non può essere variato in ampiezza. La variazione dell informazione nervosa è quindi ottenuta, non attraverso la modificazione di ampiezza del potenziale d azione, ma mediante una modificazione della frequenza con cui insorgono i potenziali d azione.

8 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.

9 Applicando la Legge di Ohm alle correnti ioniche: I = G. V Quindi: I Na = G Na. (Vm E Na ) e I k = G k. (Vm E k ) Vm = potenziale di riposo; E Na, E K = potenziali di equilibrio per Na + e K + Quando le correnti sono uguali e contrarie, il flusso ionico netto è 0. G k. (Vm E k ) + G Na. (Vm E Na ) = 0 Vm = (G k /G k + G Na ). E k + (G Na /G k + G Na ). E Na In relazione al rapporto tra G Na e G K in un determinato momento, Vm assumerà un valore intermedio tra E k ed E Na. Se G k» G Na Vm si avvicina a E k (potenziale di riposo) Se G Na» G k Vm si avvicina a E Na (potenziale d azione)

10 Il potenziale d azione può essere spiegato con un aumento transitorio del rapporto tra le conduttanze a Na + e K +. Na + entra K + esce

11 Conduttanza ionica Potenziale di membrana (mv) Soglia Tempo (msec) Potenziale d azione Tempo (msec) 1) Potenziale di riposo. 2) Stimolo depolarizzante. 3) Depolarizzazione soglia. Aumenta G Na (apertura canali voltaggiodipendenti) ingresso Na +. Inizia, lentamente, anche aumento G K (apertura canali voltaggiodipendenti). 4) Entrata rapida Na + inversione polarità. 5) Inattivazione canali Na + ed ulteriore aumento G K. 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.

12 Soglia: depolarizzazione minima che la membrana deve raggiungere per far nascere un potenziale d azione. A livello della soglia: 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 +.

13 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 scompare Traccia gialla: corrente totale Traccia rossa: risultante gialla-verde = corrente entrante transiente di Na +.

14 Maggiore è lo stimolo depolarizzante, maggiore e più veloce è la variazione di conduttanza (fino ad un massimo). G Na aumenta e diminuisce rapidamente (rapida attivazione-inattivazione canali) G k cresce lentamente e rimane elevata per il tempo di stimolazione (lenta attivazione-inattivazione canali).

15 Stati funzionali di un canale al Na + secondo il modello H-H Gate di attivazione: si apre rapidamente in seguito alla depolarizzazione Gate di inattivazione: si chiude più lentamente in seguito alla depolarizzazione m = probabilità che un gate di attivazione sia nella 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 sia nella configurazione aperta. Per h 1 (V vicino a Vm) la probabilità è elevata. Per h 0 (V vicino a 0) la probabilità è bassa.

16 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, e lo inattiva rapidamente mediante un ripiegamento che occlude il poro dal versante interno.

17 Ext A riposo chiuso Aperto Na + Ext Depolarizzazione Int Apertura rapida Int Lento Inattivato Ext Int Lento

18 Canale chiuso Il canale non è permeabile allo ione gate attivazione gate inattivazione tempo Canale chiuso. Al potenziale di riposo, i gates di attivazione del canale sono chiusi mentre quello di inattivazione è aperto.

19 Il canale si apre tempo Quando la membrana è depolarizzata fino al valore soglia, i gates di attivazione si aprono ed il canale diventa permeabile allo ione

20 Canale aperto Quando il canale è aperto Na + entra nella cellula tempo Il Na + entrando nella cellula determina la rapida salita del potenziale d azione

21 Canale inattivato Il gate di inattivazione si chiude, Na + non può più entrare nella cellula tempo Con l incremento della depolarizzazione, il gate di inattivazione si chiude e nonostante i gates di attivazione siano aperti, il canale non è permeabile. L ingresso di Na + si arresta.

22 Canale riattivato 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 i gates di attivazione si chiudono. Il canale torna nella conformazione iniziale.

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24 Potenziale di membrana ( mv) Periodo refrattario assoluto Potenziale d azione Tempo (msec) Durante la fase di depolarizzazione e gran parte della ripolarizzazione, la cellula eccitabile non può essere nuovamente attivata, si dice pertanto che si trova in periodo refrattario assoluto. La refrattarietà è legata all impossibilità di far entrare nella cellula ulteriore Na +, a causa dell inattivazione dei canali al Na +.

25 Periodo refrattario Periodo refrattario si divide in: Periodo refrattario assoluto (PRA): Nessun potenziale d azione può essere generato, indipendentemente dallo stimolo applicato Periodo refrattario relativo (PRR): Si può generare un secondo potenziale d azione solo applicando stimoli con intensità superiore a quella che ha generato il potenziale precedente. Il PRR è tanto più lungo quanto più è presente la iperpolarizzazione postuma.

26 Funzioni del periodo refrattario: Impedire il riverbero dei segnali che devono essere propagati in una sola direzione (antidromica) senza poter tornare indietro Limitare neurone la frequenza di scarica di un

27 Come conseguenza dei periodi refrattari: Il potenziale d azione è un evento isolato che non può sommarsi con altri potenziali d azione. La frequenza con cui un neurone può generare potenziali d azione è limitata.

28 Le caratteristiche della frequenza di scarica sono molto variabili da un neurone all altro in quanto ciascun neurone possiede un diverso corredo di canali ionici voltaggio-dipendenti.

29 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).

30 Le varie regioni del neurone sono provviste di differenti tipi di canali voltaggio-dipendenti Dendriti: canali per K +, Ca 2+ 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 Ca 2+