Introduzione alla Neurofisiologia PDF

INTRODUZIONE ALLA NEUROFISIOLOGIA La prima parte della lezione introduce il problema centrale che il sistema nervoso centrale (SNC) deve risolvere. Il SNC umano, infatti, non è un'entità nata dal nulla, ma il risultato di un lungo processo evolutivo. Per comprendere appieno il corso di neurofisiolog...

INTRODUZIONE ALLA NEUROFISIOLOGIA La prima parte della lezione introduce il problema centrale che il sistema nervoso centrale (SNC) deve risolvere. Il SNC umano, infatti, non è un'entità nata dal nulla, ma il risultato di un lungo processo evolutivo. Per comprendere appieno il corso di neurofisiologia è necessario partire dai concetti fondamentali legati all'evoluzione del SNC. EVOLUZIONE DEL SISTEMA NERVOSO CENTRALE L'evoluzione del SNC mostra come i cervelli dei vertebrati, partendo dagli embrioni, condividano molte somiglianze iniziali. Tuttavia, durante lo sviluppo si osservano cambiamenti significativi: Sviluppo embrionale comune: gli embrioni di pesci ossei, cartilaginei, anfibi, rettili, uccelli e mammiferi inizialmente non mostrano grandi differenze. Variazioni nello sviluppo: 1. Cambiano le dimensioni complessive del cervello. 2. Si modificano le proporzioni tra le diverse parti del sistema nervoso. Queste trasformazioni permettono agli organismi di adattarsi a esigenze biologiche e comportamentali sempre più complesse. SVILUPPO DEL CERVELLETTO E DI ALTRE STRUTTURE Nel corso dell'evoluzione, alcune strutture del SNC si sviluppano in modo diverso a seconda della specie: 1. Cervelletto: Quasi assente nei ciclostomi e negli anfibi. Progressivamente più grande nei rettili, uccelli e pesci. Nei mammiferi diventa una struttura molto sviluppata, cruciale per il controllo di movimento e postura. 2. Bulbo olfattivo: Più prominente in alcuni mammiferi, legato alle capacità olfattive. 3. Telencefalo: È la porzione che si espande maggiormente nei mammiferi, consentendo lo sviluppo di funzioni cognitive superiori. DIFFERENZE TRA CERVELLO UMANO E CERVELLO MURINO Analizzando il cervello umano e confrontandolo con quello del topo (murino), emergono differenze sia di scala che di organizzazione: Dimensioni: il cervello umano è 64 volte più grande in volume rispetto a quello murino. Strutture: Le regioni neuroendocrine, come ipofisi ed epifisi, sono più sviluppate nei topi. Strutture come talamo, ponte, bulbo e mesencefalo si espandono in proporzione al volume totale del cervello. La corteccia cerebrale umana è estremamente più vasta rispetto a quella del topo, riflettendo l'aumento delle capacità cognitive. DIMENSIONI E COMPLESSITÀ DEI NEURONI La crescita del cervello umano non riguarda solo il volume totale, ma anche la complessità dei suoi costituenti principali, i neuroni: I neuroni umani tendono a essere: Più grandi rispetto a quelli di altre specie, come cani, gatti e topi. Più articolati, con strutture dendritiche complesse. Un esempio evidente è rappresentato dai neuroni di Purkinje, che possiedono un esteso albero dendritico, fondamentale per gestire un'enorme quantità di informazioni. RAPPORTO TRA PESO DEL CERVELLO E PESO CORPOREO Il peso del cervello non è di per sé un indicatore assoluto di intelligenza. È invece il rapporto tra il peso del cervello e il peso corporeo a fornire informazioni significative. Questo rapporto può essere calcolato utilizzando la formula: peso cervello / peso corporeo^0,69. Questa proporzione riflette un'importante relazione fisiologica: Il peso è proporzionale al volume corporeo. La radice cubica del volume è correlata a una lunghezza media caratteristica. La superficie corporea (volume alla ^2/3) è fondamentale per dissipare il calore e influisce sul metabolismo. L'uomo, tra gli animali, possiede un cervello altamente dispendioso dal punto di vista metabolico. RELAZIONE TRA PESO CORPOREO E PESO CEREBRALE Nei vertebrati, mettendo in relazione il peso corporeo e quello cerebrale, si ottiene una distribuzione dei dati che segue una linea retta statistica. Questa retta è descritta dalla formula: coefficiente × peso corporeo^0,69. La distanza di una specie dalla retta rappresenta il suo grado di encefalizzazione. I valori teorici di questo coefficiente sono vicini a 0,67, sebbene in alcune analisi si utilizzi 0,69. CONNETTIVITÀ NEURONALE E INTELLIGENZA Un'altra caratteristica fondamentale per valutare la complessità cerebrale è la connettività neurale: 1. Non è solo il volume del cervello a crescere, ma anche la percentuale occupata dai neuroni. 2. La connettività tra i neuroni è essenziale per le funzioni cognitive superiori. Esempi: Colibrì: possiede un cervello piccolo e con poche connessioni. Pappagalli e usignoli: hanno cervelli più complessi e capacità vocali superiori. Uomo: il cervello umano si distingue per una connettività eccezionale, essenziale per capacità come il linguaggio e il canto, rappresentate simbolicamente da figure come Pavarotti. INTRODUZIONE ALL’ECCITABILITÀ L’eccitabilità è definita come la capacità di un tessuto di rispondere a uno stimolo, che può essere di varia natura (es. chimica, pressione, temperatura). Tuttavia, non tutti gli stimoli sono percepiti dall’uomo: ad esempio, non siamo in grado di avvertire gli effetti delle radiazioni ionizzanti, motivo per cui non ci accorgiamo del loro impatto diretto sul nostro organismo. TIPI DI RISPOSTA AGLI STIMOLI Gli stimoli ricevuti dai tessuti eccitabili generano segnali elettrici, suddivisibili in due categorie principali: 1. Segnali graduati: L’intensità della variazione elettrica è proporzionale all’intensità dello stimolo. Questi segnali sono utili per una risposta locale o temporanea. 2. Segnali "tutto o nulla": Rappresentati dai potenziali d’azione. Sono risposte stereotipate che si verificano solo se lo stimolo supera una determinata soglia. In condizioni fisiologiche, il potenziale d’azione ha sempre la stessa ampiezza: o esiste, o non esiste. ELABORAZIONE DEL SEGNALE Le due categorie di segnali hanno ruoli specifici: Segnali graduati: utili per elaborare le informazioni ricevute. Segnali "tutto o nulla": permettono la comunicazione tra cellule eccitabili, come i neuroni, per  trasmettere informazioni interne o esterne. Questi segnali attivano risposte specifiche in tessuti effettori come muscoli e ghiandole. Ad esempio, l’attivazione muscolare avviene attraverso variazioni del potenziale di membrana, che sono alla base della contrazione. STRUMENTI LOGICI SECONDO BOOLE Per comprendere l’elaborazione dei segnali, George Boole ha identificato tre operazioni fondamentali per costruire sistemi di calcolo: 1. Somma: operazioni additive tra valori (es. A+B). 2. Negazione: operazione inversa (es. A + (-B)). 3. Confronto soglia: azioni condizionate (es. "se A > 0, allora fai X"). Questi principi possono essere tradotti in logica binaria come AND, NOT e IF/THEN. Ogni neurone è strutturato per eseguire fisicamente queste operazioni attraverso le sue diverse componenti cellulari. TRASMISSIONE DEL SEGNALE Oltre all’elaborazione, il sistema nervoso si occupa della trasmissione delle informazioni. Questo avviene attraverso diversi meccanismi di comunicazione cellulare: 1. Contatto diretto: es. gap junctions tra cellule adiacenti. 2. Segnali autocrini e paracrini: es. interazioni locali, come quelle delle cellule iuxtaglomerulari nel rene. 3. Comunicazione ormonale: trasporto di segnali attraverso il sangue. 4. Comunicazione nervosa: utilizzo di segnali elettrici per trasferire informazioni rapidamente. CARATTERISTICHE DELLA TRASMISSIONE NERVOSA Ogni modalità di comunicazione ha caratteristiche specifiche: Contatto diretto e segnali locali: limitati a brevi distanze e lenti. Comunicazione ormonale: lenta e generalizzata, data la diffusione nel torrente circolatorio. Comunicazione nervosa: unica per rapidità ed efficacia. È essenziale per controllare attività complesse, come la coordinazione della muscolatura fine (es. il movimento delle dita). TEORIA DELL’INFORMAZIONE SECONDO SHANNON E WEAVER Shannon e Weaver hanno analizzato la comunicazione come trasferimento di informazioni tra un emettitore e un ricevente. Gli elementi fondamentali sono: 1. Fonte d’informazione: genera un messaggio. 2. Canale di trasmissione: trasporta il messaggio, ma è soggetto al rumore. 3. Ricevente: decodifica il messaggio. Un esempio pratico: Se devi trasmettere una barzelletta a qualcuno in un’altra stanza, devi adattare il messaggio al canale (es. voce). Il rumore (es. una lavatrice) può interferire, rendendo necessario un processo di decodifica per ricostruire correttamente l’informazione. L'IMPORTANZA DELL’ENTROPIA NELLA COMUNICAZIONE Shannon introduce il concetto di entropia come misura del contenuto informativo di un segnale: Un segnale con un alto livello di entropia (es. dati casuali) è meno comprimibile. Preservare l’informazione implica ridurre al minimo la perdita dovuta al rumore. Ad esempio, un’immagine compressa mantiene solo le informazioni essenziali per preservare il contenuto visivo, eliminando il superfluo. RIDUZIONE DEL RUMORE E RIDONDANZA Per proteggere l’informazione dal rumore, è necessario: 1. Ridurre la ridondanza: Eliminare le informazioni non essenziali per limitare le interferenze. 2. Introdurre controlli di ridondanza: Aggiungere elementi che garantiscano l’affidabilità della trasmissione, come il codice di controllo nel codice fiscale. Meccanismi assicurano che l’info trasmessa sia decodificabile anche in presenza di disturbi. TEORIA DELL’INFORMAZIONE SECONDO JAKOBSON Roman Jakobson, letterato e linguista, ha sviluppato una teoria della comunicazione parallela a quella di Shannon e Weaver, applicandola al linguaggio umano. Jakobson identifica gli stessi elementi fondamentali della comunicazione: Mittente: chi invia il messaggio. Messaggio: il contenuto dell’informazione. Destinatario: chi riceve e interpreta il messaggio. Codice: l’insieme di regole condivise che permette la comprensione (es. una lingua). Canale: la connessione fisica che permette la trasmissione del messaggio (es. onde sonore). L'IMPORTANZA DEL CONTESTO Jakobson aggiunge un elemento chiave non considerato da Shannon e Weaver: il contesto, che guida l’interpretazione del messaggio. Esempio: Il termine "potenziale" può indicare il potenziale elettrico in un’aula di fisica, mentre in un colloquio di lavoro si riferisce alle capacità di una persona. Anche nel sistema nervoso il contesto è cruciale: sensazioni diverse (tatto, vista, udito) vengono elaborate in aree cerebrali specifiche, garantendo la distinzione tra gli stimoli. RECEIVER-OPERATOR CURVE (ROC) Per affrontare l’ambiguità causata dal rumore, negli anni '50 è stato sviluppato un approccio noto come Receiver-Operator Curve (ROC), originariamente usato nei radar. Questo principio viene applicato anche in ambito medico, come nei test diagnostici (es. tampone COVID): Un test può risultare: Falso positivo: indica una malattia inesistente. Falso negativo: non rileva una malattia presente. La ROC aiuta a definire soglie di decisione per massimizzare la sensibilità e specificità del test. DISTRIBUZIONE DELLE VARIABILI E SOGLIA DI DECISIONE La scelta di una soglia per distinguere tra due condizioni (es. sano/diabetico) dipende dalla distribuzione delle variabili: 1. Variabili come la glicemia o l’altezza seguono distribuzioni a campana (gaussiane). 2. Nei test diagnostici: Una soglia troppo bassa aumenta i falsi positivi. Una soglia troppo alta aumenta i falsi negativi. Il punto ottimale è quello che minimizza l’errore complessivo, bilanciando sensibilità e specificità. COMPROMESSO TRA SENSIBILITÀ E SPECIFICITÀ  Sensibilità: capacità di identificare correttamente i malati (veri positivi). Specificità: capacità di escludere correttamente i sani (veri negativi). Aumentare la soglia riduce i falsi positivi ma diminuisce la sensibilità. L’obiettivo è trovare il miglior compromesso, rappresentato dal punto più distante dalla bisettrice della ROC, che indica una decisione totalmente casuale. SUPERAMENTO DELLE LIMITAZIONI NELLA TRASMISSIONE Quando le distribuzioni di due condizioni (es. sano/diabetico) si sovrappongono completamente, il test diventa inefficace. Per migliorare la discriminazione: Si cercano nuovi strumenti diagnostici con maggiore capacità di separare le distribuzioni. Nel sistema nervoso, la trasmissione passa da segnali ambigui a segnali binari (es. il potenziale d’azione: 1 o 0). VARIAZIONI ANALOGICHE E DIGITALI Alcune variabili corporee, come la pressione arteriosa, necessitano di una rappresentazione analogica per descrivere le variazioni nel tempo (es. 80-120 mmHg durante il ciclo cardiaco). Nel sistema nervoso: 1. La modulazione del segnale avviene tramite la frequenza dei potenziali d’azione. 2. Le pause tra i potenziali trasmettono informazioni continue, che vengono integrate a livello sinaptico. MODULAZIONE DI FREQUENZA (FM) La modulazione di frequenza (FM) è utilizzata per codificare informazioni senza alterare l’ampiezza del segnale, riducendo l’effetto del rumore. Esempio: Nei monitor ECG, il tracciato elettrocardiografico modula una sinusoide ad alta frequenza. Questo principio consente la trasmissione chiara anche in condizioni di disturbo. UTILIZZO DELLA MODULAZIONE DI FREQUENZA La FM viene impiegata nel sistema nervoso per trasmettere segnali a lunga distanza: 1. Il nervo vago trasmette informazioni dai visceri al sistema nervoso centrale. 2. I potenziali d’azione, modulati in frequenza, vengono integrati nel nucleo del tratto solitario e nel nucleo motorio dorsale del vago. TRASMISSIONE DEL SEGNALE NEI NEURONI Nel nostro corpo, il passaggio dell'informazione avviene alternando segnali di tipo analogico e digitale. I segnali analogici possono assumere qualunque valore continuo, appartenendo al dominio dei numeri reali, mentre i segnali digitali sono discreti e appartengono al dominio binario, con valori che si limitano a 0 o 1. RECETTORI SENSORIALI E TRASDUZIONE DEL SEGNALE Un esempio pratico di trasduzione avviene nei recettori del tatto, che sono costituiti da neuroni con dendriti ramificati. Quando tocchiamo un oggetto e la cute si deforma, questi recettori si attivano aprendo canali ionici sulla membrana cellulare. Gli ioni entrano nei dendriti attraverso le strutture peri- recettoriali, che agiscono come filtri. Alcuni recettori, chiamati a rapido adattamento, rispondono solo nel momento in cui la pressione inizia o termina, enfatizzando le variazioni rapide nello stimolo. ZONA TRIGGER E GENERAZIONE DEL POTENZIALE D'AZIONE Quando la deformazione raggiunge la zona trigger, situata all’inizio dell’assone, si verifica una variazione di tensione. Se questa tensione supera una certa soglia, si genera un potenziale d’azione, un segnale digitale che viaggia lungo l’assone per portare l’informazione ad altre aree. RELAZIONE TRA STIMOLO E POTENZIALE GENERATORE Nei neuroni sensoriali, il segnale raccolto dai dendriti si sposta verso la zona trigger attraverso una serie di potenziali locali. La relazione tra stimolo e risposta è chiara: Stimolo più intenso → maggiore ampiezza del potenziale generatore. Maggiore ampiezza del potenziale generatore → più alta la frequenza dei potenziali d’azione. È importante ricordare che i corpi cellulari dei neuroni sensoriali, situati nei gangli delle radici dorsali, non partecipano alla trasmissione del segnale ma servono a mantenere la salute e il trofismo cellulare. DIFFERENZA TRA TRASDURRE E TRADURRE Due concetti chiave del sistema nervoso sono: Trasdurre: trasformare una forma di energia in un’altra. Ad esempio, nei recettori del tatto, la pressione viene convertita in una variazione di potenziale di membrana. Tradurre: cambiare il codice mantenendo lo stesso significato, come tradurre una parola da una lingua a un’altra senza modificare il concetto. TRASFORMAZIONI NEL SISTEMA NERVOSO Il sistema nervoso trasforma continuamente gli stimoli: 1. Trasduzione: converte stimoli come luce, suoni o pressione in potenziali di membrana. 2. Codifica: traduce i potenziali generatori in una frequenza di potenziali d’azione, che rappresentano l’informazione in modo simbolico. TRASMISSIONE DEL SEGNALE E RITORNO ALL'ANALOGICO La trasduzione e la trasmissione seguono un percorso preciso: 1. A livello recettoriale, la pressione analogica viene trasformata in un potenziale generatore. 2. Nella zona trigger, il potenziale generatore modula la frequenza dei potenziali d’azione. 3. Nelle sinapsi, i potenziali d’azione rilasciano neurotrasmettitori: Più potenziali d’azione → maggiore rilascio di sostanze → ritorno al comportamento analogico. L'IMPORTANZA DELLA MIELINA La mielina riveste un ruolo fondamentale: Isola gli assoni, garantendo la velocità di trasmissione del segnale. Mantiene costante l’ampiezza dei potenziali d’azione, che altrimenti potrebbero disperdersi lungo il tragitto. SINAPSI ECCITATORIE E INIBITORIE Le sinapsi chimiche, che trasmettono il segnale in modo unidirezionale, si dividono in due categorie: 1. Sinapsi eccitatorie (EPS): il rilascio del neurotrasmettitore provoca l’ingresso di cariche positive, generando un potenziale postsinaptico eccitatorio. 2. Sinapsi inibitorie (IPSP): il neurotrasmettitore rilasciato causa l’uscita di cariche positive, iperpolarizzando la membrana e rendendo il neurone meno eccitabile. IL RIFLESSO PATELLARE Il riflesso patellare è un classico esempio di risposta nervosa semplice e rapida: 1. La percussione del tendine patellare causa lo stiramento del quadricipite. 2. I fusi neuromuscolari rilevano lo stiramento e generano un potenziale d’azione. 3. Il segnale viaggia lungo il neurone sensoriale fino al midollo spinale, dove entra attraverso le radici dorsali. 4. A livello del midollo, il segnale raggiunge un motoneurone in un contatto monosinaptico. 5. Il motoneurone invia un potenziale d’azione al muscolo, provocandone la contrazione. MODULAZIONE DEL RIFLESSO PATELLARE Il riflesso patellare può essere modulato da input discendenti: Inibizione: contrarre i muscoli posteriori della coscia può ridurre il riflesso, attivando interneuroni che inibiscono il quadricipite. Potenziamento: un’intenzione di estendere il ginocchio può aumentare il riflesso, attivando direttamente il motoneurone del quadricipite. BOOLE: SOMMA, SOGLIA E NEGAZIONE NEI NEURONI I principi logici di Boole trovano applicazione nel funzionamento neuronale: 1. Soglia: il potenziale d’azione viene generato solo se il segnale supera una determinata soglia. 2. Somma: le sinapsi eccitatorie e inibitorie sommano i loro effetti sul potenziale postsinaptico. 3. Negazione: le sinapsi inibitorie riducono l’eccitabilità del neurone. Le sinapsi rappresentano il luogo in cui il sistema nervoso integra segnali digitali (potenziali d’azione) per generare risposte analogiche, modulando la forza e l’intensità delle risposte cellulari. POTENZIALE DI MEMBRANA Il potenziale di membrana rappresenta una caratteristica fondamentale delle cellule. La sua misurazione si ottiene inserendo un microelettrodo all'interno della cellula, collegato a un riferimento esterno. Questo sistema permette di confrontare il potenziale elettrico intracellulare con quello extracellulare. L'osservazione principale è che il potenziale a riposo delle cellule è negativo e stabile, con valori che variano in base al tipo di cellula e alla specie. È importante non confondere il potenziale a riposo con il potenziale di equilibrio, poiché i due concetti descrivono fenomeni distinti. ESEMPI DI POTENZIALE DI MEMBRANA IN DIVERSE CELLULE Un classico esempio sperimentale è rappresentato dall’assone gigante del calamaro, utilizzato per studiare i potenziali d’azione grazie alla sua struttura: Assone gigante: ha un diametro fino a 1 mm e può raggiungere lunghezze di alcuni centimetri. Potenziale a riposo: circa -60 mV. Non possiede mielina, ma compensa con le dimensioni, che aumentano la velocità di conduzione. Altri esempi includono il muscolo di mammifero e il neurone di mammifero, entrambi con potenziali a riposo simili ma adattati alle loro funzioni specifiche. CELLULE ECCITABILI E POTENZIALE A RIPOSO Tutte le cellule presentano un potenziale a riposo, ma solo alcune, come i neuroni, i muscoli e le ghiandole, sono considerate cellule eccitabili. Queste possono rispondere a stimoli esterni con variazioni del potenziale di membrana, culminando nella generazione di potenziali d’azione. DIFFERENZA DI LIVELLO ENERGETICO E FLUSSI DI MATERIA Il potenziale negativo all’interno della cellula si spiega con la differenza di livello energetico tra compartimenti. Questa differenza energetica induce movimenti di materia o energia: Analogamente a come il calore passa da una tazza calda a un tavolo freddo, cariche e molecole si spostano per raggiungere l'equilibrio energetico. GRADIENTI DI CONCENTRAZIONE E OSMOSI I gradienti di concentrazione sono alla base della diffusione e dell’osmosi: Se due compartimenti sono separati da una membrana permeabile all'acqua: L'acqua si muove da un compartimento con minore concentrazione di soluto a uno con maggiore concentrazione di soluto. Questo movimento è chiamato osmosi e rappresenta la diffusione dell'acqua secondo il suo gradiente chimico. GRADIENTE CHIMICO ED ELETTRICO Due tipi di gradienti influenzano il comportamento delle molecole: 1. Gradiente chimico: dipende dalla differenza di concentrazione tra due compartimenti. La formula che lo descrive è RT ln(x), dove x rappresenta la frazione molare. 2. Gradiente elettrico: legato alla distribuzione delle cariche. Le cariche positive si muovono verso regioni con cariche negative e viceversa, bilanciando il potenziale elettrico. DIFFUSIONE DEI SOLUTI La diffusione è un processo che riequilibra le concentrazioni tra due compartimenti: Le particelle si muovono da una zona con concentrazione maggiore a una con concentrazione minore. Nei liquidi intra- ed extracellulari: Pressione osmotica: circa 300 milliosmoli per litro. Temperatura: stabile a 37°C. Differenze significative di potenziale elettrico e composizione chimica. DIFFERENZE DI COMPOSIZIONE TRA LIQUIDO EXTRA- E INTRACELLULARE 1. Liquido extracellulare: Ricco di sodio (150 mOsm), cloro (120 mOsm) e bicarbonato (24/25 mOsm). 2. Liquido intracellulare: Potassio come principale catione. Anioni costituiti da fosfati (PO4--) e proteine. DIFFUSIONE DI SODIO E POTASSIO Le differenze di concentrazione tra liquido intra- ed extracellulare causano: Il potassio (K⁺) tende a uscire dalla cellula.  Il sodio (Na⁺) tende a entrare nella cellula. Questi movimenti sono principalmente guidati dall’agitazione termica e dalla temperatura. L'ENERGIA TERMICA E IL MOVIMENTO DELLE PARTICELLE L'energia termica influenza il movimento molecolare: Molecole più piccole, come l'acqua, si muovono più velocemente rispetto a molecole più grandi, come il glucosio. La diffusione continua finché non si raggiunge un equilibrio dinamico, in cui i flussi tra i due compartimenti sono uguali. PRIMA LEGGE DI FICK La diffusione è regolata dalla prima legge di Fick, che descrive il flusso di soluto in base a: 1. Area della membrana (A) e spessore (L): flussi più rapidi con membrane sottili e ampie. 2. Differenza di concentrazione tra i due compartimenti (C1 - C2). 3. Coefficiente di permeabilità: dipende dalla natura del soluto (lipofilo o meno) e dal peso molecolare. Il flusso netto di particelle è proporzionale alla differenza di concentrazione ed è espresso dalla formula: Flusso = coefficiente di permeabilità × (C1 - C2). POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO Le cellule presentano un potenziale di membrana negativo rispetto all'esterno che, a riposo, rimane costante. Questo è dovuto alla differenza di energia tra due compartimenti, che può portare a fenomeni di scambio o diffusione (es. temperatura, concentrazione, pressione idraulica, potenziale elettrico). Caratteristiche principali degli ambienti cellulari: Simili per temperatura e concentrazione totale dei soluti. Diversi per composizione e voltaggio. DIFFUSIONE E FLUSSO DI MOLECOLE La differenza di concentrazione tra due compartimenti genera un flusso molecolare, dovuto alla diffusione. Principi di base: Le molecole, grazie all'energia cinetica, si muovono casualmente e si distribuiscono in modo omogeneo nello spazio. Quando una barriera viene rimossa, le molecole diffondono da una zona a maggiore concentrazione (compartimento 1) a una a minore concentrazione (compartimento 2), fino a raggiungere un equilibrio. LEGGE DI FICK Definizione: Il flusso di molecole è proporzionale alla differenza di concentrazione tra due compartimenti, secondo una costante dipendente da vari fattori. Fattori che influenzano la diffusione: Grandezza delle molecole (peso molecolare). Proprietà della barriera da attraversare (struttura e composizione).  Temperatura (influenza la velocità del moto molecolare. Formula semplificata: Il flusso di soluto J (moli/minuto) è: J [D A (C1−C2)]/L Dove: D: coefficiente di diffusione (dipende da temperatura e peso molecolare). A: superficie della barriera. L: spessore della barriera. C1-C2: concentrazioni nei due compartimenti. Nota: La costante di permeabilità è il rapporto D/L e tiene conto della diffusione attraverso la barriera. LEGGE DI OHM E RAPPRESENTAZIONE GRAFICA Principio: Una differenza di potenziale ai capi di una resistenza genera un flusso di cariche. Formula della legge di Ohm: ΔV=I R Dove: ΔV: differenza di potenziale. I: corrente elettrica. R: resistenza elettrica (1/R è la conduttanza, cioè la capacità di far fluire cariche). Rappresentazione grafica: Ascisse: ΔV (differenza di potenziale). Ordinate: I (corrente). GRADIENTE ELETTROCHIMICO La membrana plasmatica è uno strato isolante impermeabile agli ioni, con canali specifici che permettono il passaggio di alcune specie ioniche. Esempio: Canali del potassio (K⁺): Il K⁺ è più concentrato all’interno della cellula. Tende a diffondere verso l’esterno secondo il gradiente di concentrazione. Questo movimento è frenato perché ogni ione K⁺ porta una carica positiva, rendendo l’interno sempre più negativo e l’esterno più positivo. EQUILIBRIO ELETTROCHIMICO DEL POTASSIO Processo: 1. Gradiente chimico: Il potassio esce dalla cellula seguendo il gradiente di concentrazione. 2. Gradiente elettrico: L’uscita di cariche positive rende l’interno della cellula sempre più negativo. 3. Equilibrio elettrochimico: Si raggiunge quando la forza elettrica (attrazione delle cariche negative interne) eguaglia e si oppone alla forza chimica del gradiente di concentrazione. Risultato: Il K⁺ non esce più dalla cellula non perché il gradiente chimico sia esaurito, ma perché è bilanciato dal gradiente elettrico. POTENZIALE DI EQUILIBRIO E RIPOSO DEL POTASSIO Se nella cellula fossero presenti solo canali per il potassio, il potenziale di riposo coinciderebbe con il potenziale di equilibrio elettrochimico del K⁺. Valore tipico nelle cellule di mammifero: circa -97 mV. RUOLO DEGLI ALTRI IONI (Na⁺ E Cl⁻) La presenza di canali per Na⁺ e Cl⁻ contribuisce alla determinazione del potenziale di equilibrio della cellula. Cloro (Cl⁻): Il suo potenziale di equilibrio è vicino a quello del potassio (-97mV). Sodio (Na⁺): Ha un comportamento diverso: È più concentrato all'esterno della cellula. Tende a entrare nella cellula, aumentando il potenziale. Per impedire l’ingresso del sodio, sarebbe necessario un potenziale intracellulare di +66mV. EQUILIBRIO E POTENZIALE COSTANTE Problema: All’interno di un liquido conduttore (come il citoplasma), non possono esistere aree a potenziale differente. Condizione necessaria: Il potenziale deve essere uguale in tutti i punti del citoplasma, creando un ambiente elettricamente unico e stabile. APPROCCIO QUANTITATIVO Per comprendere i potenziali di equilibrio, è necessario un approccio analitico che spieghi perché uno ione ha un potenziale positivo e un altro negativo, nonostante abbiano la stessa valenza. Esempio: Sia K⁺ che Na⁺ sono ioni monovalenti positivi, ma K⁺ ha un potenziale di equilibrio negativo, mentre Na⁺ positivo. EQUILIBRIO E PRINCIPIO DEI LAVORI VIRTUALI Principio: In un sistema in equilibrio: Non vi è scambio di materia né lavoro con l’ambiente esterno. La somma totale dei lavori virtuali esercitati deve essere pari a zero. Lavori in gioco: 1. Lavoro chimico: Dipende dalla quantità di massa. 2. Lavoro elettrico: Dipende dalla quantità di carica. Entrambi i lavori dipendono dalla quantità di soluto. COMPONENTE ELETTRICA Interazione delle cariche: Cariche dello stesso segno si respingono, cariche di segno opposto si attraggono. La forza esercitata è: Proporzionale alla quantità di carica.  Inversamente proporzionale alla distanza. Lavoro elettrico: È reversibile e conservativo: L’energia ottenuta avvicinando cariche opposte equivale all’energia necessaria per separarle di nuovo. CAMPO ELETTRICO E POTENZIALE Definizione di campo elettrico: Il campo elettrico è uno spazio in cui agisce una forza F su una carica q. Formula: E=F/q. Lavoro nel campo elettrico: Se la forza sposta una carica, il lavoro svolto è:LE=∫Fdx Potenziale elettrico: Rappresenta il lavoro per unità di carica: V(x)=∫(F/q)dx Se si sposta una mole di ioni tra due punti con potenziale diverso, il lavoro elettrico è: LE=E q q: carica di una mole di ioni. E: differenza di potenziale. CALCOLO DEL LAVORO ELETTRICO Determinazione della carica di una mole di ioni: 1. Valenza ionica (Z): Numero di protoni spaiati. 2. Carica elementare (e): 1.602×10^−19 C. 3. Numero di Avogadro (N): 6.022×10^23. F=e N=96500 C Corrisponde alla carica di una mole di ioni monovalenti. Formula finale per il lavoro elettrico: LE=Z F E ATTENZIONE AI SEGNI 1. Lavoro elettrico (fisica): Positivo se il lavoro è assorbito dal sistema. Se una carica positiva viene spinta in un ambiente positivo, il lavoro è positivo: LE=E q 2. Lavoro chimico (termodinamica): Positivo quando il lavoro è svolto dal sistema (es. gas in espansione). Questa convenzione è opposta rispetto alla fisica. COMPONENTE CHIMICA Immaginiamo due compartimenti separati da una membrana permeabile solo al solvente. Se la membrana viene spostata, le particelle di soluto aumentano di concentrazione in una zona, aumentando la forza necessaria per spostare ulteriormente la membrana. Formula del lavoro chimico infinitesimo: dLc=p dV Dove: p: pressione. dV: variazione di volume. Lavoro chimico totale: Integrando, si ottiene: Lc=−∫pdV Applicando l'equazione dei gas perfetti (pV=nRT), si ricava: Lc=RTln(C2/C1) Il segno negativo è necessario per indicare che il lavoro è positivo quando assorbito. CALCOLO DEL POTENZIALE DI EQUILIBRIO ELETTROCHIMICO Relazione tra lavoro elettrico e chimico: Ltot=Le+Lc Per l'equilibrio: Le=−Lc Equazione di Nernst: ΔE=−(RT/Zf)*ln(C2/C1)) Dove:  R: costante dei gas (8.31 J/mol\cdotpK). T: temperatura corporea (≈300 K). z: valenza ionica. F: costante di Faraday (96500 C/mol). Fattori determinanti il potenziale di equilibrio: Rapporto di concentrazione (C2/C1). Valenza ionica (z). Nota importante: Il potenziale di equilibrio di ciascuno ione è indipendente dagli altri ioni presenti in soluzione. CONCENTRAZIONI DEGLI IONI AI LATI DELLA MEMBRANA Ioni principali e concentrazioni: K⁺, Na⁺, Cl⁻ sono rilevanti perché: Sono presenti in alte concentrazioni (>100 mmol/L>100mmol/L). Presentano grandi differenze di concentrazione tra interno ed esterno della cellula. Potenziali di equilibrio (valori tipici): Na⁺: +66 mV K⁺: −97 mV Cl⁻: −90 mV Potenziale di riposo (fibra muscolare): −90 mV. BILANCIO TRA SODIO E POTASSIO Na⁺ (sodio): Gradiente chimico: +66 mV. Gradiente elettrico: −90 mV. Forza netta: −156 mV. Il sodio è spinto ad entrare nella cellula. K⁺ (potassio): Minor tendenza a uscire rispetto alla tendenza del sodio a entrare. Questo squilibrio rende il bilancio elettrochimico insufficiente per spiegare il potenziale di riposo. Problema: Per mantenere il potenziale di riposo stabile, la carica entrante deve bilanciare quella uscente, ma il sodio ha una tendenza maggiore a entrare rispetto al potassio a uscire. POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO E BILANCIO DELLE CORRENTI Cellule gliali: Permeabili solo al potassio. Il potenziale di equilibrio corrisponde a quello del potassio (−75 mV). Esperimento: Variazione della concentrazione extracellulare di potassio: Il potenziale segue la legge di Nernst: −61/Z log(C2/C1).  A basse concentrazioni di potassio, il comportamento si discosta dalla teoria. Cellule non gliali: Presentano canali per il sodio oltre a quelli per il potassio. L’equilibrio ionico è più complesso e richiede un modello che consideri entrambi gli ioni. ANALISI DEI TRE CASI: EQUILIBRIO IONICO E POTENZIALE DI MEMBRANA CASO A: EQUILIBRIO PER IL POTASSIO Condizioni: Si considerano solo i canali per il potassio. Dinamica: Il gradiente chimico spinge il K⁺ a uscire dalla cellula (freccia blu). Il gradiente elettrico lo trattiene all'interno (freccia rossa), poiché l'interno della cellula è negativo. Risultato: I due gradienti sono uguali e opposti. Non si osserva corrente netta.  Il potenziale di membrana (Em) coincide con il potenziale di equilibrio del K⁺. CASO B: INFLUENZA DEL SODIO Condizioni: Si aggiungono canali per il sodio (Na+). Dinamica: L'apertura dei canali permette al sodio di entrare nella cellula. L’ingresso di Na+ aumenta il potenziale di membrana (Em). Questo riduce la forza che limita l'uscita del potassio, favorendo un aumento della sua uscita. Risultato: Si crea una corrente netta temporanea fino a stabilire un nuovo equilibrio. CASO C: NUOVA CONDIZIONE DI EQUILIBRIO Condizioni: Si stabilisce un equilibrio tra i flussi di Na⁺ e K⁺. Dinamica: Il potenziale di membrana (Em) si colloca tra i pot. di eq. di Na⁺ (+66 mV) e K⁺ (−97 mV). Ruolo delle conduttanze: La conduttanza al K⁺ (gK) è molto maggiore rispetto a quella per Na⁺ (gNa). Di conseguenza, Em si avvicina al potenziale di equilibrio del potassio.  Correnti ioniche: Per K+: Una differenza di potenziale elettrochimico di 7 mV è sufficiente per generare una corrente di uscita. Per Na+: Sono necessari 156 mV per bilanciare la corrente entrante. PERMEABILITÀ E CONDUTTANZA Permeabilità ionica: Determinata dal flusso ionico per unità di superficie. Conduttanza (g): Proporzionale all'inverso della resistenza (g=1/R). La conduttanza per K+ è molto maggiore rispetto a quella per Na+. Rappresentazione grafica: Sull’asse delle ascisse si rappresenta il potenziale di membrana (Em). Ogni ione ha una retta di carico: Pendenza dipendente dalla conduttanza (g). Intersezione con l’ascissa corrispondente al potenziale di equilibrio dell'ione. Equilibrio tra le correnti: Nel range compreso tra EK e ENa, si verificano: Corrente entrante di sodio (Na+). Corrente uscente di potassio (K+). Punto di equilibrio (Em): Em=−90 mV.  Qui le correnti di K+ e Na+ si uguagliano. CALCOLO ANALITICO DELLE CORRENTI IONICHE Formula per la corrente di un singolo ione: I(ione)=g(ione) [Em−E(ione)] Dove: G(ione): conduttanza dell'ione. E(ione): potenziale di equilibrio dell'ione. Em: potenziale di membrana. Condizione di equilibrio: ∑I(ioni)=INa+IK+ICl=0 Per il cloro (Cl−), Em coincide con il suo potenziale di equilibrio (ECl), quindi la sua corrente è nulla (ICl=0). Rapporto tra le conduttanze: gK/gNa=24. MODELLO CIRCUITALE: DUE RESISTENZE E DUE SORGENTI DI TENSIONE Rappresentazione del sistema: Due resistenze: Rappresentano la resistenza opposta dai canali ionici per K+ e Na+. Due sorgenti di tensione: Rappresentano i potenziali di equilibrio elettrochimico dei due ioni. Equilibrio a riposo: La differenza di potenziale (Em) si trova a −90 mV. Le correnti dei due ioni sono uguali ed opposte: gK/gNa=24. EFFETTO DELLA CONCENTRAZIONE IONICA Cambiare la concentrazione degli ioni principali, come Na+ e K+, ha effetti differenti sul potenziale di membrana, legati alle caratteristiche dei rispettivi potenziali di equilibrio e alle loro conduttanze. Effetti del sodio (Na+) Il sodio è meno influente sul potenziale di membrana, perché la membrana è poco permeabile a questo ione. Se aumentiamo la concentrazione extracellulare di sodio, il suo potenziale di equilibrio cambia leggermente, ad esempio passando da +66 mV a +68 mV. Questo però non modifica significativamente le correnti ioniche, proprio a causa della bassa conduttanza del sodio. Per questa ragione, la somministrazione di sodio non altera in modo rilevante il potenziale di membrana. Effetti del potassio (K+) Il potassio, al contrario, è il principale responsabile del potenziale di membrana a riposo. Cambiando la sua concentrazione extracellulare, il suo potenziale di equilibrio subisce variazioni importanti. EX: spostare il potenziale di equilibrio del potassio da −90 mV a −64 mV ha un impatto diretto sul potenziale di membrana, perché la membrana è molto più permeabile al potassio rispetto al sodio. In pratica, il potenziale di membrana si sposta quasi proporzionalmente alla variazione del potenziale di equilibrio del potassio. EFFETTO DELLE RESISTENZE Normalmente, la membrana cellulare è molto più permeabile al potassio rispetto al sodio, motivo per cui il potenziale di riposo è vicino al potenziale di equilibrio del potassio. Tuttavia, in situazioni particolari, come nella stria vascolare dell’orecchio, la membrana può diventare molto più permeabile al sodio. In questi casi, il potenziale di riposo può diventare positivo, riflettendo la predominanza del sodio rispetto al potassio. POMPA SODIO-POTASSIO La pompa sodio-potassio è fondamentale per mantenere stabile il potenziale di membrana, spostando ioni contro il loro gradiente di concentrazione. Questa pompa utilizza energia (ATP) per: Espellere 3 ioni Na+ dalla cellula. Reintrodurre 2 ioni K+ all’interno. Caratteristiche della pompa: È una pompa elettrogenica, perché non sposta quantità uguali di sodio e potassio. Questo crea una differenza di carica che contribuisce con circa 2 mV al potenziale di membrana, un valore  trascurabile rispetto al totale. Compensa i flussi di sodio e potassio per evitare che il potenziale di membrana collassi. Può essere inibita da sostanze come il dinitrofenolo (DNP), interrompendo il mantenimento dei gradienti ionici. MODELLO COMPLESSO DI MEMBRANA Per comprendere il comportamento del potenziale di membrana in modo più generale, si può modellare la membrana come un sistema elettrico complesso. Questo sistema comprende: 1. Ioni principali (K+, Na+, Cl−): Ognuno contribuisce al potenziale di membrana con il proprio potenziale di equilibrio, pesato in base alla conduttanza della membrana per quell’ione. 2. Membrana come condensatore: La membrana può essere vista come un condensatore che accumula carica, contribuendo alla stabilità del potenziale di membrana. Se il potenziale è costante, non c’è movimento netto di corrente attraverso il condensatore. Calcolo del potenziale medio: Il potenziale di membrana (Em) è una media pesata dei potenziali di equilibrio di tutti gli ioni coinvolti: Em=(gKEK+gNaENa+gCl*ECl)/(gK+gNa+gCl) Dove: gK, gNa, gCl sono le conduttanze dei rispettivi ioni. Equazione di Goldman: La permeabilità relativa degli ioni è considerata per calcolare il potenziale di membrana: Em=RTln* ({PK[K+]out+PNa[Na+]out+PCl[Cl−]in}/{PK[K+]in+PNa[Na+]in+PCl[Cl−]out}) Rapporto delle permeabilità: Tipicamente PK:PNa:PCl=1:1/25:1/20. CONCLUSIONE: MODIFICHE DELLE PERMEABILITÀ E POTENZIALE DI RIPOSO In sintesi: 1. Il potenziale di membrana a riposo è determinato principalmente dalla permeabilità relativa agli ioni K+, Na+ e Cl−. 2. Effetti delle variazioni: Cambiamenti nella concentrazione del potassio influenzano significativamente il potenziale. Cambiamenti nel sodio hanno effetti minori, perché la conduttanza del sodio è bassa. 3. La pompa sodio-potassio è cruciale per mantenere i gradienti ionici e la stabilità del potenziale di membrana, garantendo che i flussi di carica siano equilibrati.