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2 - Il funzionamento neurofisiologico: impulso nervoso - Coggle Diagram
2 - Il funzionamento neurofisiologico: impulso nervoso
Introduzione all'impulso nervoso
Comunicazione neuronale
I neuroni comunicano tramite messaggi di tipo elettrico
Questi messaggi dipendono da rapide variazioni della differenza di potenziale ai capi della membrana
La differenza di potenziale è legata alla concentrazione di ioni (positivi o negativi) ai lati della membrana
Canali ionici
Macromolecole proteiche che attraversano la membrana da parte a parte
Hanno una faccia esterna e una interna, quindi collegano i due ambienti
Senza canali ionici nessuno ione potrebbe entrare nella glia o nel neurone
Es. canale voltaggio-dipendente per il Na+ → si apre solo con stimolo elettrico
Struttura: singolo lungo peptide con 4 sequenze uguali che formano un cilindretto
A riposo il cilindretto è chiuso; lo stimolo elettrico fa scivolare le sub-unità, aprendo un poro
Misurazione del potenziale di membrana (Vm)
Si misura con un microelettrodo inserito nel citoplasma
Tubicino di vetro con punta di 0,5 micron, riempito di soluzione elettroconduttrice
Collegato a un voltmetro che misura la differenza di potenziale tra interno ed esterno
Risultato: l'interno del neurone è elettricamente negativo rispetto all'esterno
Potenziale di riposo
Differenza di potenziale costante quando il neurone non genera impulsi
Dipende dalle diverse concentrazioni ioniche sui due lati della membrana
K+ più concentrato all'interno
Na+ e Ca2+ più concentrati all'esterno
Equazione di Nernst → calcola il potenziale di equilibrio di uno ione (Eion)
Eion = 2,303 × (RT/nF) × log([ion]e/[ion]i)
R = costante dei gas, T = temperatura assoluta, n = elettroni trasferiti, F = costante di Faraday
Valori di equilibrio: K+ = −80 mV, Na+ = +62 mV, Ca2+ = +123 mV, Cl− = −65 mV
Membrana cellulare
Doppio strato lipidico: estremità idrofile verso l'acqua, idrofobe verso l'interno
Proteine pompa → spostano ioni contro gradiente di concentrazione
Proteine canale → vie selettive per diffusione di ioni specifici
Il doppio strato lipidico blocca le molecole cariche, che passano solo tramite canali ionici
Potenziale di riposo: definizione
Separazione di cariche opposte ai capi della membrana plasmatica
Eccesso di cariche positive sulla faccia esterna
Eccesso di cariche negative sulla faccia interna
Valore a riposo: circa −60/−70 mV
Il potenziale di membrana delle cellule gliali
Selettività della membrana gliale
La selettività per le singole specie ioniche dipende dalla proporzione di canali ionici aperti
La membrana gliale è permeabile quasi esclusivamente al K+
Quindi il potenziale di riposo della glia si avvicina al potenziale di equilibrio del K+ (circa −75 mV)
La massima parte dei canali passivi a riposo è permeabile solo agli ioni K+
Distribuzione ionica nelle cellule gliali
All'interno: elevate concentrazioni di K+ e anioni organici caricati negativamente
All'esterno: elevate concentrazioni di Na+ e Cl−
Come si stabilisce il potenziale di membrana nella glia
K+ è molto concentrato all'interno e la membrana è permeabile ad esso
Quindi il K+ tende a diffondere fuori dalla cellula seguendo il gradiente di concentrazione
Conseguenza: eccesso di cariche positive all'esterno (lieve eccesso di K+)
E eccesso di cariche negative all'interno (prevalenza di anioni per il deficit di K+)
Le cariche opposte si attraggono e si raccolgono sulle due facce della membrana
Processo autolimitante della diffusione del K+
La fuoriuscita di K+ crea una differenza di potenziale (positiva fuori, negativa dentro)
Più K+ esce, più aumenta la differenza di potenziale ai capi della membrana
Poiché il K+ è caricato positivamente, la differenza di potenziale si oppone a ulteriore efflusso
Due forze agiscono sugli ioni
Forza motrice chimica → dipende dal gradiente di concentrazione ai capi della membrana
Forza motrice elettrica → dipende dalla differenza di potenziale sulle due facce
Potenziale di equilibrio del potassio (Ek)
Si raggiunge quando le forze elettriche che spingono K+ dentro eguagliano le forze chimiche che lo spingono fuori
Flusso netto di K+ = zero
Nella glia, Ek determina il potenziale di riposo, che si aggira sui −75 mV
La glia è il caso più semplice perché la membrana è permeabile a un solo ione
Potenziale di membrana nelle cellule nervose
Differenza rispetto alla glia
Nella glia il potenziale di riposo dipende solo dal K+ (membrana permeabile solo ad esso)
Il neurone ha canali ionici selettivi per 4 specie ioniche: K+, Na+, Ca2+, Cl−
Il potenziale di riposo del neurone implica la combinazione di queste quattro specie
Cl− ha ruolo marginale, regolato da una pompa specifica
Ca2+ entra in azione solo alla fine del ciclo del potenziale d'azione
Solo gli anioni organici grandi (A−), come proteine e aminoacidi, sono impermeabili alla membrana
Effetto dell'aggiunta di canali per il Na+
Due forze spingono Na+ dentro la cellula
Gradiente di concentrazione → Na+ è più concentrato all'esterno
Forza elettrica → il potenziale negativo interno attrae le cariche positive
L'ingresso di Na+ depolarizza lievemente la cellula, ma il potenziale non si avvicina al Eion del Na+ (+55 mV)
Perché ci sono molti più canali passivi per K+ che per Na+
Meccanismo di equilibrio tra K+ e Na+
La depolarizzazione causata dal Na+ allontana il potenziale dall'equilibrio del K+
Questo squilibrio genera una fuoriuscita netta di K+ che controbilancia l'ingresso di Na+
Più il potenziale si depolarizza, più aumenta la forza elettromotrice che spinge K+ fuori
Si stabilisce un nuovo valore di riposo (circa −60 mV) dove efflusso K+ = ingresso Na+
Leggermente più positivo di Ek (−75 mV), lontanissimo da ENa (+55 mV)
Il flusso di Na+ è modesto nonostante forze chimiche ed elettriche notevoli
Perché i canali passivi per Na+ sono pochi → bassa conduttanza per Na+
Condizione di stato stazionario
Per un potenziale di riposo stabile, la separazione di cariche deve restare costante
Ingresso di cariche positive deve essere bilanciato da efflusso di cariche positive
I flussi passivi di K+ e Na+ si bilanciano, ma a lungo andare dissiperebbero i gradienti ionici
Pompa sodio-potassio (Na+-K+)
Impedisce la dissipazione dei gradienti ionici
Estrude Na+ dalla cellula e introduce K+, contro il loro gradiente elettrochimico
Richiede energia dall'idrolisi dell'ATP
Proteina integrale di membrana con siti catalitici per Na+, K+ e ATP
Siti Na+ e ATP sulla faccia intracellulare; siti K+ sulla faccia extracellulare
Rapporto: 3 Na+ fuori per ogni 2 K+ dentro, per ogni molecola di ATP idrolizzata
Flusso ineguale → corrente ionica uscente netta → pompa elettrogenica
Iperpolarizza lievemente la membrana rispetto alla sola diffusione passiva
Ciclo conformazionale della pompa
Aperta verso l'esterno: bassa affinità Na+ (si staccano), alta affinità K+ (si legano)
Con ATP: si apre verso l'interno, perde affinità per K+, acquisisce affinità per Na+
Legame Na+ e perdita K+ riportano la pompa alla conformazione originale
Dati quantitativi
Velocità massima: 200 Na+ ↔ 130 K+ al secondo
Consumano circa il 70% dell'energia della cellula nervosa
Un neurone ha circa 1 milione di pompe → capacità di 200 milioni Na+/secondo
In diverse patologie psichiatriche il mantenimento del potenziale di riposo è compromesso
Depolarizzazione e iperpolarizzazione
Depolarizzazione → riduzione della separazione di cariche ai lati della membrana
La negatività interna diminuisce, il potenziale si avvicina a zero
Se raggiunge il valore soglia (circa −50 mV) → si genera il potenziale d'azione
Iperpolarizzazione → aumento della separazione di cariche
L'interno diventa più negativo del potenziale di riposo (es. −90 mV)
Messaggi eccitatori e inibitori
Eccitatori → depolarizzano il neurone, tendono a far raggiungere la soglia
Inibitori → iperpolarizzano il neurone, impediscono la risposta
La depolarizzazione non sempre genera un potenziale d'azione, perché potrebbe non raggiungere la soglia
Il potenziale d'azione
Definizione
Segnale nervoso che viaggia lungo l'assone
Si genera quando la depolarizzazione raggiunge il valore soglia (circa −50 mV)
Regolato dalla legge del "tutto o nulla" → non esiste potenziale d'azione sotto la soglia
Il potenziale passa dal riposo al picco massimo, poi torna al riposo
Meccanismo di attivazione (ciclo di Hodgkin)
Potenziale di riposo del neurone (−70/−75 mV) è vicino al potenziale di equilibrio del K+ (−80/−85 mV)
Un impulso elettrico arriva dal neurone presinaptico al postsinaptico
Se l'impulso raggiunge il valore critico → apertura dei canali voltaggio-dipendenti per il Na+
Fase ascendente (retroazione positiva rapida)
Na+ entra copiosamente nel neurone → l'interno diventa meno negativo ("più positivo")
Il Na+ tenderebbe a portare il potenziale al proprio equilibrio (+55 mV)
Ma questo non avviene per l'apertura dei canali voltaggio-dipendenti per il K+
Fase discendente (retroazione negativa lenta)
I canali del Na+ si chiudono
Si aprono i canali voltaggio-dipendenti del K+ → uscita massiccia di K+
Si somma alla fuoriuscita dai canali passivi del K+
Il neurone tende a tornare alla condizione di riposo
Iperpolarizzazione post-potenziale
L'uscita di K+ è talmente forte che il neurone non torna subito al riposo
Scende a una negatività maggiore del riposo (iperpolarizzazione)
Ritorno al riposo → la membrana torna a −70 mV
Tutto il ciclo avviene nell'arco di millisecondi
Sequenza riassuntiva
A riposo: canali voltaggio-dipendenti chiusi, potenziale = −70 mV
Stimolo apre alcuni canali Na+ → se si raggiunge −50 mV, si genera il potenziale d'azione
Si aprono altri canali Na+, canali K+ ancora chiusi → interno più positivo
Canali Na+ si chiudono, canali K+ si aprono → K+ fluisce fuori → potenziale diminuisce
Canali K+ si chiudono → breve caduta sotto il potenziale di riposo (iperpolarizzazione)
Membrana torna al potenziale di riposo (−70 mV)
Periodo refrattario
Dopo un potenziale d'azione il neurone non può generarne subito un altro
I canali voltaggio-dipendenti sono in stato di inattivazione
Periodo refrattario assoluto
Il neurone non può assolutamente generare un nuovo impulso
Si trova in stato di iperpolarizzazione
Periodo refrattario relativo
Un nuovo potenziale è possibile solo con depolarizzazione maggiore della soglia precedente
Serve un segnale molto forte