Fisiologia Parte 4.pda

5. Il potenziale d’azione Testi consultati D’Angelo D’A l P Peres: Fi Fisiologia, i l i molecole, l l cellule ll l e sistemi, i t i Edi Edi-Ermes E Aidley: The physiology of excitable cells, Cambridge Univ. Press Nicholls: From Neuron to Brain, Sinauer

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Meccanismo ionico del Potenziale d’azione L’ampiezza del potenziale d’azione dipende da [Na+]o

Modello elettrico della membrana: effetto dell’aumento di gNa

Ipotesi di Hodgkin sulla dipendenza di gNa e gK da Vm

Dopo una serie di potenziali d’azione i flussi di Na+in e di K+out risultano aumentati di un’entità ∼2*10-12 moli/cm2 per impulso.

(reazione positiva)

37 (reazione negativa)

La dipendenza delle conduttanze da Vm può essere misurata registrando la corrente quando Vm è portato e mantenuto a valori diversi da un circuito elettronico esterno (tecnica del Voltage clamp).

Vm di riposo = -65 mV

La relazione I:Vm iniziale ha un potenziale di inversione Vinv (= 52 mV) = ENa 38

Identificando le componenti del Na e del K nella corrente registrata in voltage clamp si determina la dipendenza di gNa e gk dal tempo e da Vm gNa = INa/(Vm-ENa) gK = IK/(Vm-EK) Vinv per la corrente iniziale varia con [Na]o, permettendo di isolare IK e INa a vari valori di Vm a: [Na]o normale b: [Na]o basso

Relazione tra il flusso di K39 e corrente in uscita

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Conoscendo la dipendenza delle conduttanze dal tempo e dal potenziale si può calcolare il potenziale d’azione

Modello di Hodgkin-Huxley:

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Step condizionanti di depolarizzazione e Iperpolarizzazione rivelano il meccanismo dell’inattivazione della gNa

Distribuzione lungo la fibra del potenziale e delle correnti

L’azione dei farmaci sulle correnti in voltage clamp mostra la specificità dei canali

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Il potenziale d’azione: rappresentazione dell’andamento temporale delle variazioni di permeabilità al Na+ e al K+ in relazione alle fasi del potenziale d’azione

attivazione della gNa

attivazione della gK inattivazione della gNa

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Tre processi distinti presiedono alle variazioni di permeabilità 1 ms

La tecnica del “patch clamp” permette di registrare l’attività di singoli canali ionici e rivela che la conduttanza dipende dallo stato aperto-chiuso di canali ionici selettivi Vm dipendenti. L’esempio mostra il comportamento del canale del Na In seguito ad uno step di Vm da –90 a –50 mV con Vr = -60 mV, Ena = 40 mV.

Ip = 1.5 pA T = 0.7 ms

g(channel) = ip/(v /( m- ENa) = 1 1.5pA/90mV 5 A/90 V = 17 pS S ϕ(channel) = ip* N/F = 107 ioni/s ϕT = 107 ioni/s * (0.7*10-3)s = 7000 ioni 43

Registrazioni di singolo canale con la tecnica del patch clamp: confronto tra il canale del Na e del K

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Effetto delle cariche fisse di superficie e degli ioni bivalenti sull’eccitabilità

Separazione della corrente di accesso dalla corrente capacitiva

Modello strutturale del canale Na

Integrando I nel tempo si ha: q ∼15 nC/cm2 = 15*10-17 C/μm2; dato e = 1.6*10-19C si ha: q = 1000 e/μm μ 2;; densità dei canali (valutata con TTX triziata) = 300 canali/ μm2, Da cui si deduce il movimento di 3 cariche per canale.

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Potenziali d’azione spontanei:

(2) Tessuto pace-maker nel cuore

(1) Neuroni di Aplisia: potenziali al Ca++ e canale K+ Ca-dipendente

vero e falso pace-maker cuore di topo

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Gap junction: I connessoni costituiscono dei pori (d = 2 nm) che permettono passaggio di corrente e molecole con PM < 1kD

Accoppiamento elettrico in cellule piramidali in fettina di cervello di ratto

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Il potenziale d’azione cardiaco: (1) durata in relazione alla risposta meccanica (2) registrazioni intracellulari in relazione a ecg (3) Fasi del P.d.A.e conduttanze coinvolte (gK, gK1, gNa, gCa, gf)

(3) definizione delle fasi

(1)

(2)

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Natura del potenziale pace-maker Ipotesi della gK ritardata, suggerita da aumento di Rm In fase 4

•Gf è una conduttanza ai cationi aumentata dalla iperpolarizzazione; Vinv ~0 •Rm in fase 4 aumenta per la riduzione di gK1 •Simulazione con il modello di DiFrancesco e Noble

Controllo simpatico e parasimpatico

NA (recettori β-adrenergici): aumenta cAMP intracellulare che facilita direttamente i canali If e, attraverso la fosforilazione, i canali ICa 49 Ach (recettori muscarinici): (1) aumenta gK, (2) riduce cAMP e quindi inibisce i canali V-dipendenti If e ICa