Fisiologia Cellulare Potenziale Azione

Eccitabilità cellulare Le proprietà viste finora sono proprie di tutte le cellule tutte le cellule presentano un potenziale di membrana con negatività interna.

cellule eccitabili: nervose e muscolari Due proprietà inscindibil i

eccitabilità conduttività

potenziali graduati: modulabili in ampiezza potenziali d’azione: messaggio nervoso

capacità di generare / propagare segnali elettrici in risposta a stimoli

modificazioni ambientali esterne e/o interne al nostro corpo

A cosa servono i tessuti eccitabili?

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

Eccitabilità cellulare: movimento di ioni attraverso canali

potenziale di membrana meno negativo:

depolarizzazione ingresso di ioni Na+

potenziale di membrana torna al valore di riposo

ripolarizzazione (uscita di ioni K+)

movimento degli ioni porta il potenziale di membrana a valori più negativi: iperpolarizzazione (ingresso Cl-)

Il tessuto nervoso Le cellule del sistema nervoso:

cellule gliali (sostegno)

neuroni: messaggio nervoso

le parti fondamentali del neurone: i dendriti Siete qui

Dal greco déndron = 'albero' dendriti Più corti e ramificati nei pressi del soma

nucleo

L’assone 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

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

Classificazione dei neuroni in base al numero di prolungamenti bipolari

retina ganglio vestibolare mucosa olfattiva

unipolari

multipolari

molto rari

i più comuni

Cellule Purkinjie

Elementi funzionali del neurone: dendriti Soma: neurone unità trofica Zona trigger assone mielina

Bottone sinaptico

Distinguiamo 4 elementi con diversi ruoli funzionali: Dendriti

porzione di ingresso

Cono di emergenza

elemento decisionale o trigger

Assone

conduzione del messaggio all’interno della cellula

Sinapsi

elemento di uscita e di comunicazione con altre cellule

Depolarizzazione, ripolarizzazione iperpolarizzazione

Potenziali graduati 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

Segnale utilizzato dal sistema nervoso per ricevere, analizzare e trasmettere informazioni. Nasce quando uno stimolo depolarizzante porta il potenziale intracellulare dalla condizione di riposo al valore soglia

mV

Il potenziale d’azione

+20

soglia

-55 -70

tempo (ms)

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

Attivazione chiuso Inattivazione aperto

Ingresso Na+

STOP

Attivazione aperto Inattivazione aperto

Ingresso Na+

ok

inattivazione

Il potenziale d’azione fasi

Il potenziale d’azione: feedback positivo

mV

Potenziale d’azione: fasi +20

overshoot

0

Na+ -55 -70

K+ soglia tempo (ms)

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 canali per il Na+ si aprono: la polarità della cellula si inverte (overshoot) fino a +20 mV. 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 causa

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. Classificazione degli stimoli Sottoliminari Liminari Sopraliminari (adattamento)

Conseguenza:

soglia

può verificarsi ‘tutto’ cioè sempre nello stesso modo o non verificarsi per nulla

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

mV

Potenziale d’azione proprietà: 2) refrattarietà Refrattarietà assoluta +20

-55 -70

assoluta

barriere di attivazione canali Na+ chiuse:

relativa

No potenziale d’azione per qualsiasi stimolo. relativa

ms

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+:

Conseguenza:

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

Limita la frequenza di scarica della cellula!

Effetti della stimolazione Elettrodi interni alla fibra

Elettrodi esterni alla fibra ATTIVAZIONE

+

BLOCCO

Catodo

Anodo

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

++++++++++++++

MEMBRANA CITOPLASMA

Correnti locali elettrotoniche

IPERPOLARIZZAZIONE

ESTERNO

-

+

DEPOLARIZZAZIONE

graduabili in ampiezza si propagano con decremento

Raggiunto il valore soglia nasce il potenziale d’azione risposta in frequenza si propaga senza decremento (fenomeno rigenerativo attivo a spese di energia della cellula)

Risposta locale STIMOLAZIONE

0 tempo (msec)

depolarizzazione

RISPOSTA

-90mV

iperpolarizzazione

Costante di spazio punto di stimolazione

profilo di decremento del fenomeno elettronico

costante di spazio

mm

Distanza dal punto di stimolazione (mm) alla quale il segnale elettrotonico ha un’ampiezza pari al 37% della sua ampiezza massima.

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

La conduzione del potenziale d’azione 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

ripetersi del processo sequenziale di depolarizzazione e ripolarizzazione

ORTODROMICO

ciò che si propaga è la modificazione della permeabilità della membrana, che porta la cellula a soglia

nascita in rapida successione di tanti potenziali d’azione, identici tra loro

Conduzione del potenziale d’azione

Conduzione puntuale del potenziale d’azione

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

Parametri fisici che determinano la velocità di conduzione diametro assone presenza mielina

C=Q/V

C = Qt / RQ

V = RI = RQ / t

RC = τ

membrana cellulare: condensatore (superficie isolante che separa due mezzi conduttori) la cui CAPACITA’ carica e scarica richiede un certo tempo τ = RESISTENZA RC parametri che determinano la velocità di conduzione C = Q /V :numero di cariche che devono muoversi per depolarizzare la membrana Q

C

τ

Velocità di propagazione

Resistenza: determina la rapidità con cui si verifica il flusso Rin Rm

Rm * Rin

Rm • Rin • Cm = τ Maggiore τ più lenta è la conduzione elettrotonica

Velocità propagazione elettrotonica

Costante di spazio e costante di tempo determinano le proprietà della conduzione elettrotonica o conduzione a cavo

Effetto del calibro della fibra sulla velocità di conduzione velocità di conduzione aumenta se: costante di tempo τ minore costante di spazio λ maggiore

Aα

Aβ

Aδ

C

Fibra

12-22

5-13

1-5

0.2-1.2

Diametro (µ m)

70-120

30-70

12-30

0.2-2

Velocità (m/s)

motorie

tatto

dolore

Dolore SNA

Funzioni

non sufficiente a ridurre drasticamente la capacità di membrana

MIE LIN A

fibre mielinizzate

cellula di Schwann

Nodo di Ranvier Nucleo cellula di Schwann assone

La Mielina riduce la capacità di membrana

v (m/s) Fibre mieliniche

velocità di conduzione compatibili con i tempi di riflesso

Fibre amieliniche

Diametro (µ m)

La conduzione saltatoria A t =t1

B t = t2

C t = t3

A

t = t1

Per la presenza della guaina mielinica il potenziale d’azione nasce solo in corrispondenza dei nodi di Ranvier

La mielina:

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

☺Aumenta molto la resistenza di membrana per cui l B

t = t2

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.

C

t = t3

☺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.

Conduzione saltatoria e localizzazione dei canali