Ciclo di Hodgkin del Sodio e Potassio (PDF)
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Questi appunti descrivono il ciclo di Hodgkin del sodio e del potassio, i meccanismi di depolarizzazione e ripolarizzazione del potenziale d'azione. Sono presentati gli eventi del potenziale d'azione e vengono analizzati i cicli di retroazione positiva e negativa coinvolti.
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CICLO DI HODGKIN DEL SODIO E CICLO DEL POTASSIO: MECCANISMI DI DEPOLARIZZAZIONE E RIPOLARIZZAZIONE In questa sezione, approfondiremo i cicli di feedback che determinano le fasi di depolarizzazione e ripolarizzazione del PdA, con particolare attenzione ai ruoli di sodio (Na+) e potassio (K+). Eventi...
CICLO DI HODGKIN DEL SODIO E CICLO DEL POTASSIO: MECCANISMI DI DEPOLARIZZAZIONE E RIPOLARIZZAZIONE In questa sezione, approfondiremo i cicli di feedback che determinano le fasi di depolarizzazione e ripolarizzazione del PdA, con particolare attenzione ai ruoli di sodio (Na+) e potassio (K+). Eventi del Potenziale d'Azione: Un Ciclo Dinamico 1. Condizioni di Riposo: I canali voltaggio-dipendenti sono chiusi. Le correnti sono limitate ai canali normalmente aperti. La cellula è a riposo (circa -70mV nel neurone, -90mV nel muscolo) ed il suo potenziale può variare per altri motivi fisiologici. 2. Stimolo Soglia: Uno stimolo esterno (da un'altra cellula o un elettrodo) porta la membrana al potenziale di innesco del sodio. 3. Depolarizzazione Iniziale: I canali voltaggio-dipendenti del sodio si aprono rapidamente. Il sodio entra nella cellula spinto dal suo gradiente elettrochimico (forza di circa 150mV). Il potenziale di membrana sale rapidamente. 4. Picco: Si raggiunge la massima apertura dei canali al sodio. La porta di inattivazione del sodio inizia a chiudersi. In contemporanea si aprono i canali del potassio. 5. Ripolarizzazione: I canali del sodio si inattivano, bloccando l'ingresso di sodio. I canali del potassio si aprono (cinetica più lenta), facendo uscire potassio, e questo fa scendere il potenziale. 6. Ritorno al Riposo: I canali del potassio si richiudono quando il potenziale scende, riportando la cellula alle condizioni di riposo. Se la Depolarizzazione è Sotto Soglia: Se i canali del sodio si aprono ma la depolarizzazione non raggiunge la soglia, si passa dalla condizione di inattivato a quella di chiuso, e si ritorna al potenziale di riposo. Ciclo di Hodgkin-Huxley del Sodio: Retroazione Positiva L'apertura dei canali del sodio genera un ciclo di retroazione positiva: più canali si aprono, più sodio entra, più il potenziale sale. Gradiente Elettrochimico: Il sodio è spinto all'interno della cellula da un forte gradiente elettrochimico, un valore (circa 150 mV) dato dalle slide che si riferisce all’assone del calamaro. Picco Ideale: Il potenziale d'azione ideale (ipotetico, teorico) raggiungerebbe il potenziale di equilibrio di Na: non ci sarebbe flusso di sodio (la corrente sarebbe 0) perché non ci sarebbe più differenza di potenziale (Em-Eion = 0) e nonostante la conduttanza (g) sarebbe elevata. Interruzione: Il ciclo del sodio si interrompe grazie all'inattivazione dei canali del sodio. Ciclo di Hodgkin-Huxley del Potassio: Retroazione Negativa Il potassio ha un ruolo di retroazione negativa ed è autolimitante, perché riporta il sistema all'equilibrio: Picco del Potenziale: Dopo il picco del potenziale d'azione, i canali del sodio si inattivano e la loro corrente si blocca. Efflusso di Potassio: I canali di K si aprono in risposta alla depol., l'efflusso di potassio riporta il potenziale al valore di riposo a causa del suo elevato gradiente elettrochimico. Iperpolarizzazione Postuma: Il potassio continua a uscire fino a far arrivare il potenziale di membrana al valore del potenziale di equilibrio del potassio. Ritorno al Riposo: Il potassio ritorna verso la condizione di riposo (in cui c’è un debole gradiente di potassio che lo fa uscire ed un forte gradiente di sodio che lo fa entrare). Evoluzione del Modello di MP: Dal Semplice al Complesso Analizziamo come il modello della membrana cellulare si è evoluto nel tempo: 1. Modelli Semplici: Si rappresentano i canali di membrana come resistenze fisse: 1, 2 o 3 canali, che corrispondono ad una famiglia di rette nel piano Corrente-Tensione. 2. Inclusione del Potenziale di Equilibrio: L'inserimento del potenziale di equilibrio elettrochimico per ciascuno ione, causa una traslazione della retta lungo l'asse delle ascisse, e il punto di origine della retta stessa corrisponde al potenziale di equilibrio dello ione. 3. Variazione della Conduttanza: Una variazione di conduttanza (apertura o chiusura dei canali) può essere descritta da una curva che cambia nel tempo, con un andamento graduale e non istantaneo. 4. Curve Reali: Quando si tiene conto del fatto che l’apertura e chiusura dei canali non è a gradino (ma segue un andamento a "S" italica) e si includono le curve di Na e di K (con le relative porte e conduttanze), si ottengono curve che si avvicinano maggiormente alla realtà. 5. Dipendenza da Tempo e Voltaggio: La conduttanza dei canali dipende sia dal tempo che dal voltaggio: Tempo Dipendenza: L’apertura e la chiusura delle porte non è istantanea. Voltaggio Dipendenza: L'apertura delle porte dipende dal potenziale di membrana. 6. Curve di Conduttanza: Da curve di corrente in voltage clamp è possibile ricavare le curve di conduttanza, che mostrano: Conduttanza del Sodio: All'aumentare del potenziale, la conduttanza al sodio aumenta, poi si riduce a causa dell'inattivazione. Conduttanza del Potassio: All'aumentare del potenziale, la conduttanza al potassio aumenta. Corrente e Conduttanza: La conduttanza è un valore positivo che quantifica quanto si apre la porta, il verso della corrente dipende dal gradiente elettrochimico. È diventato progressivamente più sofisticato, passando da semplici resistenze fisse a complessi sistemi dinamici che dipendono dal tempo, dal voltaggio e dalle proprietà dei canali ionici. MODELLO DI HODGKIN-HUXLEY: UN APPROCCIO QUANTITATIVO AL PDA Analizziamo come il modello di Hodgkin-Huxley descrive il potenziale d'azione in termini quantitativi, includendo le correnti ioniche e le loro variazioni nel tempo e in funzione del voltaggio. Componenti del Modello Pompa Sodio-Potassio: Si trascura il ruolo diretto della pompa sodio-potassio nella generazione del PdA perché i suoi effetti sulla variazione di potenziale sono lenti rispetto alle correnti dei canali, ma non si trascura il fatto che mantiene il gradiente ionico. Correnti Ioniche: Corrente di Sodio (Na+): Conduttanza (gNa) e potenziale di equilibrio (ENa). Corrente di Potassio (K+): Conduttanza (gK) e potenziale di equilibrio (EK). Altre Correnti: Conduttanza aspecifica. Corrente Capacitiva: La corrente che attraversa la capacità della membrana (Cm) (corrente di spostamento). Equazione del Modello La somma di tutte le correnti deve essere uguale a zero: I_tot = I_Na + I_K + I_altri + I_C = 0 Ciascuna corrente deve essere descritta in funzione del tempo (t) e del potenziale (V): I_Na = g_Na(t,V) * (V - E_Na) I_K = g_K(t,V) * (V - E_K) I_C = C_m * dV/dt Conduttanze Modulate nel Tempo: Le conduttanze (g) al sodio e al potassio sono modulate nel tempo da funzioni di attivazione e inattivazione, e sono dipendenti dal potenziale. La conduttanza del sodio (gNa) è modulata da funzioni di attivazione e inattivazione. La conduttanza del potassio (gK) è modulata da una funzione di attivazione. La corrente capacitiva dipende dalla capacità di membr. e dalla var. di tensione nel tempo. Risoluzione del Modello L'equazione è complessa e non risolvibile analiticamente, Hodgkin e Huxley usarono metodi di integrazione numerica. Hanno stimato le varie grandezze (conduttanze, potenziali) per ottenere un modello che replica fedelmente il potenziale d'azione. Risultati del Modello Il modello ha permesso di tracciare l'andamento nel tempo della conduttanza al sodio e al potassio durante il potenziale d'azione. Potenziale d'Azione (Spike): Si osserva il picco del potenziale d'azione. Conduttanza del Sodio: Aumenta durante la depolarizzazione, poi si inattiva rapidamente e torna a zero. Conduttanza del Potassio: Aumenta e si mantiene durante la ripolarizzazione, è responsabile dell’iperpolarizzazione postuma e della ripolarizzazione. Conduttanza Totale: La somma delle conduttanze al sodio e al potassio riproduce la conduttanza misurata da Cole e Curtis. Correnti di Calcio (Ca2+): Un Ruolo Speciale Oltre alle correnti di sodio e potassio, le correnti di calcio giocano un ruolo importante in alcuni tipi di cellule: Fibre Nervose: La maggior parte delle fibre nervose non le usano. Muscolo Cardiaco: Le fibre del muscolo cardiaco e del muscolo liscio sfruttano le correnti di calcio per la variazione del potenziale di membrana. Neuroni Centrali: Alcuni neuroni centrali, come quelli del Nucleo Olivare Inferiore e del Cervelletto, usano correnti di calcio per i potenziali d'azione complessi. Cellule Pacemaker Cardiache: Il Ruolo del Calcio Origine: Il potenziale d'azione che provoca la contrazione del cuore non ha origine dal sistema nervoso centrale, ma dal Nodo Senoatriale. Potenziale d'Azione Lento: La fase di salita è più lunga (circa 50 ms) rispetto al potenziale d'azione nervoso. Contrazione Continua: Queste cellule non hanno un potenziale di riposo stabile, ma si contraggono ritmicamente. Corrente di Calcio: La depolarizzazione prolungata è dovuta alla corrente di calcio. Muscolo Ventricolare: Il muscolo del ventricolo ha una salita rapida grazie al sodio, ma la corrente di calcio mantiene il potenziale elevato per 200-300 ms. Muscolo Liscio: Usa il calcio per la sua variazione del potenziale di membrana. Correnti di Calcio nei Neuroni Centrali Alcuni neuroni del Nucleo Olivare Inferiore e del Cervelletto hanno potenziali d'azione complessi che integrano uno spike di sodio con una curva di calcio. Le correnti di calcio sono state studiate bloccando le correnti di sodio e potassio. In queste condizioni si osserva una corrente entrante che poi si inattiva più lentamente. La soglia di attivazione della corrente del calcio è a circa -40mV. Tecniche Patch-Clamp: Analisi dei Singoli Canali La tecnica del patch clamp, una evoluzione della tecnica del voltage clamp, permette di analizzare singoli canali ionici: 1. Micropipette: Si usano pipette di vetro con punte micrometriche, in grado di isolare un piccolo frammento di membrana. 2. Formazione di un Sigillo: La pipetta aderisce alla membrana creando un contatto ad alta resistenza (sigillo). 3. Configurazioni Patch-Clamp: Cell-Attached: La pipetta è appoggiata alla membrana senza romperla. Inside-Out: La porzione di membrana catturata dalla pipetta viene staccata e si inverte la faccia interna della membrana all'esterno della pipetta. La pipetta contiene il mezzo extracellulare, la parte intracellulare è all'esterno. Outside-Out: Dopo la formazione del sigillo, si stacca un frammento di membrana e lo si inverte, e si può applicare variazioni di potenziale con la pipetta all'interno della cellula. La pipetta contiene il mezzo intracellulare, l'esterno della pipetta il mezzo extracellulare. Contributo di Sakmann e Neher Sakmann e Neher hanno perfezionato queste tecniche, permettendo lo studio dei singoli canali ionici, come ad esempio i canali del sodio. In sintesi, il modello di Hodgkin-Huxley e le tecniche patch-clamp hanno permesso di comprendere in dettaglio le proprietà e il ruolo dei canali ionici nella generazione dei potenziali d'azione e in molti altri processi fisiologici. CORRENTI UNITARIE: LA DINAMICA DEI SINGOLI CANALI IONICI Le correnti unitarie sono quelle che passano attraverso singoli canali ionici, il comportamento di questi singoli canali contribuisce al comportamento complessivo della membrana. Tecniche di Isolamento dei Canali: Grazie alle tecniche di patch-clamp, è possibile studiare il comportamento di singoli canali ionici, isolandoli e misurando le correnti che li attraversano. Correnti Unitarie al Sodio (Na+) Protocollo: Si applica un gradino di depolarizzazione da -80 a -40 mV, ovvero sopra la soglia di apertura dei canali del sodio. Comportamento del Singolo Canale: Il canale passa da uno stato chiuso a uno stato aperto in modo binario (tutto o nulla). Apertura e Chiusura: Quando il canale è aperto, lascia passare una corrente di circa 3.2 picoampere. Dinamica del Canale: Non sempre si apre con la stessa cinetica e lo stesso tempo e non sempre allo stesso modo. Andamento Medio: La media di molteplici registrazioni di un singolo canale riproduce l'andamento della corrente di sodio osservata su tutta la membrana. Probabilità di Apertura: I singoli canali si aprono con una probabilità che cresce all'inizio della depolarizzazione per poi diminuire a causa dell'inattivazione. Correnti Unitarie al Potassio (K+) Protocollo: Si applica uno stimolo depolarizzante mantenuto nel tempo. Comportamento del Singolo Canale: I canali del potassio si aprono e si chiudono in maniera dinamica. Persistenza della Corrente: In media, la corrente di potassio si mantiene per tutta la durata dello stimolo. Assenza di Inattivazione: A differenza dei canali del sodio, i canali del potassio non si inattivano e per questo si osserva una corrente che perdura finchè rimane lo stimolo. Cinetica: La probabilità di apertura dei canali di K cresce lentamente e poi si mantiene. Correnti Unitarie al Calcio (Ca2+) Anche le correnti di calcio sono state studiate a livello dei singoli canali, con due tipologie principali: 1. Canali al Calcio di Tipo T (Tiny and Transient): Soglia di Apertura: Si aprono a un potenziale di soglia leggermente inferiore rispetto a quelli di tipo L. Cinetica: Si aprono e si chiudono con una cinetica simile ai canali del sodio, ma più lenta (ordine dei 100ms contro 5ms del sodio). Corrente: Fanno passare poca corrente. Inattivazione: Sono canali transienti, quindi si inattivano. 2. Canali al Calcio di Tipo L (Large and Lasting): Soglia di Apertura: Si aprono a un potenziale leggermente più alto rispetto a quelli di tipo T. Corrente: Fanno passare molta corrente. Assenza di Inattivazione: Non si inattivano, o si inattivano molto lentamente. PROPAGAZIONE DEL PDA: UN'ONDA DI DEPOLARIZZAZIONE In questa sezione, analizzeremo come il potenziale d'azione si propaga lungo l'assone, mantenendo la sua ampiezza e velocità, e i meccanismi che ne determinano l'unidirezionalità. Meccanismo di Propagazione Depolarizzazione Iniziale: La stimolazione (artificiale o naturale) fa entrare sodio nella cellula. Diffusione della Corrente: La corrente depolarizzante si diffonde sia verso il corpo cellulare che verso l'assone. Depolarizzazione delle Zone Adiacenti: La corrente depolarizza la membrana adiacente, facendo aprire i canali voltaggio-dipendenti e propagando il potenziale d'azione. Importanza della Soglia: La depolarizzazione deve raggiungere la soglia per innescare il potenziale d'azione. Costante di Spazio (λ) Definizione: La costante di spazio (λ) è la distanza in cui una variazione di potenziale si riduce a circa 1/3 (37%). Importanza: Tanto più grande è λ, tanto più la depolarizzazione si estende lontano dalla sorgente. Fattori: La costante di spazio è determinata dalle caratteristiche della membrana (resistenza di membrana, resistenza interna e capacità di membrana). Ritardo: La propagazione del segnale è rallentata dal tempo necessario a caricare la capacità di membrana, tempo che dipende dal prodotto di resistenza interna e capacità di membrana. Velocità: Una maggiore resistenza di membrana, e un basso prodotto R interno x capacità di membrana portano ad una propagazione veloce del segnale. Unidirezionalità della Propagazione La propagazione unidirezionale è garantita da: Zona Trigger: I canali voltaggio-dipendenti sono concentrati in una specifica zona del neurone, chiamata zona trigger (cono d'emergenza nell'assone, estremità del recettore in quelli sensoriali). Refrattarietà Assoluta: La refrattarietà assoluta impedisce al potenziale d'azione di propagarsi all'indietro, generando una "terra bruciata" nella porzione di mp appena attivata. Depolarizzazione e Correnti: La depolarizzazione fa entrare sodio nella zona trigger, con una corrente che si propaga all'indietro ma non riesce ad attivare la mp a causa della refrattarietà. Velocità di Conduzione La velocità di conduzione dipende: Costante di Spazio: Una grande costante di spazio favorisce una rapida propagazione del segnale, in quanto la zona attiva depolarizzata è maggiore. Prodotto R_i x Cm: Un basso prodotto R interno x capacità di membrana garantisce un basso ritardo, e quindi una propagazione più veloce. Fattori che Influenzano la Velocità Diametro della Fibra: Maggiore è il diametro della fibra, maggiore è la velocità di conduzione, in quanto aumenta la costante di spazio e diminuisce il prodotto Ri*Cm. Aumentando il diametro, la superficie laterale aumenta linearmente (come il diametro) e la sezione aumenta quadraticamente (come il quadrato del diametro). Mielina: La mielina aumenta la velocità di conduzione. Mielina: Isolamento e Conduzione Saltatoria Cellule di Schwann: Avvolgono l'assone con strati di membrana (mielina), isolando l'assone e formando una guaina. Isolamento: Aumenta la resistenza esterna, diminuisce la capacità di membrana e non fa variare la resistenza interna, tutto ciò fa aumentare la costante di spazio. Più lontane sono le cariche elettriche, minore è la capacità. Nodi di Ranvier: La guaina mielinica è interrotta a intervalli regolari da piccoli spazi, i nodi di Ranvier, dove sono concentrati i canali voltaggio-dipendenti. Conduzione Saltatoria: La depolarizzazione in un nodo fa entrare sodio. La corrente si diffonde elettronicamente (velocità della luce) nel tratto mielinizzato (conduttanza passiva) fino al successivo nodo di Ranvier, dove rigenera il potenziale d'azione. La propagazione salta da un nodo all'altro, aumentando la velocità. Il nodo appena attivato si propaga e si riflette anche sui successivi 2-3 nodi di Ranvier. Demielinizzazione: Se la mielina viene persa, il potenziale d'azione si disperde, e la propagazione si blocca perché la costante di spazio si riduce e non si riesce più a portare a soglia il nodo di Ranvier successivo. Considerazioni Quantitative Capacità di Membrana: La capacità di membrana è circa 1 μF/cm². Ioni Necessari: Per depolarizzare una membrana a soglia è sufficiente 1 picomole di sodio (quantità piccolissima) Assone Mielinizzato: Un assone mielinizzato può propagare un segnale per 1 km con la stessa quantità di sodio che depolarizza un assone amielinico per 5.5 m. Misura della Velocità di Conduzione La velocità di conduzione si misura: Stimolazione e Registrazione: Applicando uno stimolo in un punto e registrando in un altro. Distanza e Tempo: Misurando la distanza tra i punti e il tempo impiegato dal potenziale d'azione per percorrerla. Elettrodi Intracellulari: Si possono usare elettrodi intracellulari per singole fibre, ma anche elettrodi extracellulari. Nervo Intero: Stimolando un intero tronco nervoso (che contiene molte fibre), si possono misurare le velocità delle diverse popolazioni di fibre. Stimolazione con Elettrodi Extracellulari La stimolazione extracellulare si fa: Elettrodi sulla Cute: Applicando gli elettrodi sulla cute. Resistenza Cutanea: La corrente deve attraversare la resistenza della cute (che viene abbassata con alcol). Dispersioni: La corrente si disperde nel liquido extracellulare, per poi entrare nella membrana e nell'assone. Anodo e Catodo: La corrente scorre tra anodo (+) e catodo (-). EFFETTI DELLA STIMOLAZIONE EXTRACELLULARE Catodo: L'interno della cellula si depolarizza e si ha la creazione del potenziale d’azione se la soglia viene superata. Il catodo simula la depolarizzazione causata dall'apertura dei canali del sodio nella membrana, quindi da fuori è una corrente entrante. Anodo: L'interno della cellula si iperpolarizza. In alcune circostanze, una depolarizzazione e il potenziale d'azione possono verificarsi quando la corrente stimolante viene interrotta per via del fatto che quando una cellula è iperpolarizzata si apre la porta di inattivazione dei canali al sodio, che non si aprono a riposo (o si aprono parzialmente). L'iperpolarizzazione causata dall'anodo è simile all'uscita di potassio dalla membrana, quindi da fuori è una corrente uscente. La stimolazione e la registrazione delle fibre sia sensitive che motorie possono essere effettuate con entrambi gli elettrodi in entrambe le posizioni. Registrazione Extracellulare Monopolare Negatività: Il potenziale d'azione produce una negatività all'esterno della membrana. Misura: Si misura la differenza di potenziale tra un elettrodo sul nervo e un elettrodo di riferimento (messa a terra). Convenzione: La depolarizzazione (la negatività che si sposta) produce una deflessione verso l'alto nel tracciato. Compound Action Potential: La registrazione extracellulare di un intero nervo mostra un "compound action potential" (potenziale d'azione composto), ovvero la sovrapposizione dei potenziali d'azione di molte fibre. Classificazione delle Fibre: Le diverse popolazioni di fibre possono essere identificate per la diversa velocità di conduzione. CLASSIFICAZIONE DELLE FIBRE NERVOSE (GASSER E ERLANGER) Le fibre nervose sono classificate in base a: Velocità di Conduzione: A-alfa: 70-120 m/s (motoneuroni). A-beta: tatto e pressione. A-gamma: controllo motorio dei fusi neuromuscolari. A-delta: termiche e dolorifiche (specifico). B: pregangliari simpatiche. C: simpatiche postgangliari, termiche e dolorifiche (generico), mieliniche. Diametro: Le fibre con maggiore diametro tendono ad avere una maggiore velocità. Mielinizzazione: Le fibre mieliniche hanno velocità di conduzione maggiore. Registrazione Extracellulare Bipolare Due Elettrodi: Si usano due elettrodi entrambi sul nervo. Tracciato Bifasico: Il tracciato è bifasico (positivo e poi negativo). Vantaggio: Riduce gli artefatti da disturbi che arrivano in egual modo ai due elettrodi. Andamento Nel Tempo: La fase di ripolarizzazione è più lenta rispetto a quella di depolarizzazione. Registrazione Differenziale: Il tracciato è dato dalla differenza tra le registrazioni dei due elettrodi, per cui si vede l'entrata del segnale da un elettrodo e la sua uscita dal secondo elettrodo. RILEVAZIONE DELLO STATO DI SALUTE DEL NERVO La stimolazione e registrazione permettono di valutare: Velocità di Conduzione: Integrità della Fibra: Curva Intensità-Durata: Si applicano stimoli a intensità crescente per tempi variabili. L'andamento è simile ad un'iperbole (x*y=k) dove x è il tempo e y è la corrente. La costante (k) è la quantità di carica. La curva dimostra che la membrana si comporta come un condensatore, e per essere depolarizzata a soglia ha sempre bisogno della stessa quantità di carica. Reobase: La corrente minima necessaria per evocare una risposta nel 50% dei casi. Cronassia: Il tempo necessario per evocare la soglia con una corrente doppia rispetto alla reobase. Demielinizzazione: Se la mielina è danneggiata, la capacità aumenta, e il tempo necessario per raggiungere la soglia aumenta (la curva si sposta a destra). La reobase dipende da fattori esterni e non è molto affidabile.