Fisiologia cellulare, Dispense di Fisiologia

Scarica Fisiologia cellulare e più Dispense in PDF di Fisiologia solo su Docsity! lunedì 23 settembre 2019 Membrana Cellulare La fisiologia cellulare si occupa del trasporto di membrana, particolarmente significativo nel rene e nel tratto gastrointestinale, della fisiologia elettrica, importante nel cervello e nel cuore ed infine della fisiologia della contrazione muscolare. La membrana plasmatica: * Effettua la compartimentazione, quindi separa soluzioni con diversa concentrazione; * Compone una barriera con struttura a mosaico fluido; * È composta da fosfolipidi e proteine; * Ha uno spessore di 7 nm. La struttura a mosaico fluido è una struttura che si modifica nel tempo grazie a microdomini lipidici, ossia le zattere lipidiche (formate da colesterolo e lipidi) che fanno da ancoraggio per molecole coinvolte in determinati pathways, e le caveole. Le caveole in particolare sono delle introflessioni con un diametro di 50-80 nm generate dalle caveoline (1, 2 e 3, quest’ultima specifica del muscolo) e dalle cavine (danno stabilità). La caveole sono deputata raduno di molecole coinvolte nello stesso pathway di segnalazione, perché di fatto permettono di concentrare maggiormente le molecole a livello locale. Esse possono anche essere usate per lo spegnimento del segnale (per esempio quello di eNOS). A livello polmonare, le caveole regolano la transcitosi dell’acqua. In particolare, la barriera ematoaerea è composta da: - Cellule endoteliali dei vasi - Lamina basale - Cellule epiteliali degli alveoli Le caveole prendono l’acqua in eccesso dagli alveoli, e lo scambio è tanto più veloce quanto è sottile la barriera ematoaerea. I componenti della membrana sono dinamici, perché vengono rinnovati e perché compiono diversi movimenti: * Diffusione laterale (più comune) « Rotazione e oscillazione * Ripiegamento delle catene « Traslocazione (o movimento Flip flop) Mediante la Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) si è scoperto che i lipidi si muovono di 2 um al secondo. Il movimento Flip flop ha una cadenza di 1 ogni ora, è quindi raro, anche perché la composizione della membrana interna ed esterna è diversa (a. e. Fosfatidilserina). Pagina 1 di 31 lunedì 23 settembre 2019 Proteine di membrana Sono la componente variabile della membrana. Hanno mobilità ridotta a causa di legami proteine-proteine e proteine-citoscheletro; tali legami sono importanti per la struttura e quindi la funzione delle proteine. Le proteine si dividono in: - Periferiche: + Intracellulari (strutturali) + Extracellulari (trasportatrici di informazioni) - Transmembrana (o intrinseche): + Trasportatori + Recettori + Enzimi + Strutturali (di collegamento o per permettere l’ancoraggio a strutture intra ed extracellulari) Trasporti transmembrana Sono divisi in: *. Liberi (ossia la diffusione nella matrice fosfolipidica) *. Mediati da proteine transmembrana: e Migrazione tramite canali ionici e Trasporti mediati: v Diffusione facilitata v Trasporti attivi (primari e secondari) * Vescicole rivestite da membrana * Pinocitosi o fagocitosi * Esocitosi Diffusione semplice La membrana ha caratteristiche idrofobiche, quindi possono passare: - Gas (NO, O2 e CO) - Molecole piccole e non cariche (etanolo) — H20 (anche se richiede molto tempo) Un sistema passa spontaneamente da uno stato ad alta energia ad uno state a bassa energia. Per i trasporti di membrana bisogna tenere in considerazione la forza elettrica e la forza chimica (per le molecole polari) e la forza elettrochimica. Il flusso (J) è definito come il numero di moli che attraversa l’area in un'unità di tempo. E quindi espresso in mol/(cm? x s) Pagina 2 di 31 lunedì 23 settembre 2019 * legame per il ligando * fosforilazione * attuazione «<* Subunità B: subunità di ancoraggio accessoria Agisce in diverse fasi: 1. La subunità a si lega con l’ATP all’estremità N-terminale La proteina è aperta verso il citosol e presenta un'alta affinità per il sodio Si lega il sodio e si ha un cambiamento conformazionale La porzione N-terminale si avvicina al sito di fosforilazione La fosforilazione dell’aspartato da parte dell'ATP in N-terminale genera uno stato ad alta energia che porta ad un altro cambio conformazionale CARON 6. La proteina si apre verso l’esterno, i siti di legame del sodio perdono affinità e lo rilasciano 7. | siti per il potassio hanno ora alta affinità e si legano allo ione Si defosforila l’aspartato e la proteina torna ad affacciarsi sul citosol 9. | siti di legame per il potassio perdono affinità e lo rilasciano Ca ATPasi È presente in due varianti: PMCA (il calcio viene spostato dal citosol all'ambiente extracellulare) e SERCA (dal citosol al reticolo). L'espressione di SERCA aumenta dopo la nascita; tale pompa compie 150 giri al secondo e ha una Kw di 0,3 mM. Ogni idrolisi di ATP vengono trasportati due ioni calcio. Di fatto anch’essa è una pompa elettrogenica, che influisce sull’osmolarità; inoltre è un uniporto. Fasi: 1. Legame di2 ioni Ca?+ 2. Fosforilazione dell'ATP 3. Cambio conformazionale ed apertura sul lume del reticolo (o verso l'esterno) 4. Riduzione dell’affinità per il calcio e rilascio La sua funzionalità decade con l’invecchiamento per la riduzione di ATP e del numero di pompe. Pompa H*/K*+ Antiporto, che vede uno ione K* entrare e un H* uscire. Questo fa sì che non sia né elettrogenica né influente sull’osmolarità. Nello stomaco fornisce l’H+ per la produzione di HCI. Pagina 5 di 31 lunedì 23 settembre 2019 Trasporti attivi secondari Simporto Na*/glucosio Il trasportatore è aperto verso l’esterno della cellula e presenta un’alta affinità per il sodio. 1. Il legame con Na' fa diventare il sito di legame per il glucosio ad alta affinità 2. Si lega anche il glucosio e si ha un cambio di conformazione 3. Il slega il Nat 4 Anche il sito di legame per il glucosio perde affinità, rilasciando glucosio in cellula 5. La pompatorna ad affacciarsi verso l'esterno della cellula Scambiatore Na*/Ca?+ (NCX) Trasporta uno ione calcio all’esterno e tre ioni sodio all’interno. A differenza di SERCA, presenta la massima espressione alla nascita, fa 5 000 giri al secondo e ha una Kmdi 6 mM. Ha inoltre la capacità di agire in reverse-mode, ossia di portare uno ione calcio dentro e tre ioni sodio fuori. Anch'esso ha diverse fasi di azione: 1. Si ha il legame con gli ioni sodio (in condizioni di riposo è quindi aperto verso l'esterno) 2. Acquista affinità per il calcio e si ha il legame con lo ione 3. Si ha un cambio conformazionale che fa sì che si abbia il rilascio di ioni Co-trasportatore NKCC Trasporta dall'esterno verso l’interno Na*, K* e due ioni CI. È quindi importante per il mantenimento dell’osmolarità e per i meccanismi di riassorbimento. 1. Entra per primo Na* Aumenta l’affinità di un sito per il CI, che entra e si lega Aumenta l’affinità per il potassio, che si lega Aumenta l'affinità anche per l’ultimo sito di legame del CI CRON Si ha un cambio conformazionale e si ha il rilascio degli ioni nello stesso ordine di entrata (Na?, Cl, K+ e CI) Per essere funzionante il carrier deve avere a disposizione tutti gli ioni. Trasporti passivi Il trasportatore del D-glucosio riconosce solo tale substrato, lo lega e lo fa entrare in cellula. È un trasporto secondo gradiente (il glucosio è più abbondante fuori che Pagina 6 di 31 lunedì 23 settembre 2019 nella cellula), inoltre, per evitare che si annulli il gradiente di trasporto, una volta entrato il glucosio viene fosforilato. Canali ionici Possono essere omo o eterotetrameri, e formano pori nella membrana cellulare. Sono ancorati o alla matrice cellulare (tramite glicoproteine) o al citoscheletro. Gli amminoacidi lipofili che formano queste proteine sono rivolti verso la componente lipidica di membrana, mentre gli altri verso il lume del canale. Molti canali hanno una permeabilità selettiva, data da specifiche sequenze amminoacidiche che rendono il canale idoneo al trasporto di uno ione specifico. La regolazione della selettività avviene in base a: * Dimensione del poro *. Carica interna del canale * L’energia che il canale fornisce allo ione per staccarsi dalla molecola d’acqua in cui era in soluzione; ciò è detta energia di solvatazione. Funzioni: Y Portano ad una separazione di cariche a cavallo della membrana, di fatto creano il potenziale di riposo Y Determinano i segnali elettrici Y Determinano il flusso di secondi messaggeri (come il Ca?*) Y_Regolano il volume cellulare Y Regolano il processo di secrezione/assorbimento in determinati epiteli I canali possono essere: * Regolati: + Voltage-gated (dalla differenza di potenziale) + Ligand-gated (dalla presenza del ligando) + Meccano-attivati (da deformazioni meccaniche) * Costitutivamente aperti: per la genesi del potenziale di membrana a riposo In generale tutti i canali subiscono lo stress di parete (come se si schiacciasse un tubo), ma quelli meccano-attivati in modo maggiore. Ogni canale ha una modalità conduttiva e una modalità non conduttiva. ll passaggio tra le due è il gating. Il canale del potassio possiede al suo interno quattro tasche, di cui la prima e la terza vengono occupate dallo ione, e le altre dall'acqua. Quando si avvicina uno ione K+ alla tasca quattro, lo ione in posizione tre viene scalzato. Questo provoca uno spostamento dello ione dalla posizione tra alla posizione due, che a sua volta fa spostare lo ione in posizione 1 ecc... Questo processo è detto knock-on. Pagina 7 di 31 lunedì 23 settembre 2019 * Ipercalcemia; * Acidosi metabolica; * Sindrome di Liddle: a causa di una mutazione degli amminoacidi N-terminali si ha il mancato riconoscimento da parte dell’ubiquitina, che fa sì che non si abbia il turnover. Questo porta ad un progressivo aumento di espressione del canale, che porta ad una ipertensione secondaria e a pseudoipoaldosteronismo (come se l’aldosterone non regolasse il canale); * Edema polmonare. La regolazione meccanica è importante perché è una regolazione istantanea per cui maggiore è il flusso e maggiore è la probabilità di apertura. Il surfactante polmonare prodotto dai pneumociti di secondo tipo è importante sia per mantenere l’idratazione alveolare e sia per permettere la distensione degli alveoli. Lo shear stress del polmone è dato dal flusso di aria e dal movimento dell'organo rispetto al liquido che lo circonda. Normalmente si ha un sottile strato di liquido, mantenuto dal flusso alveolo-interstiziale costante, ossia l’equilibro tra riassorbimento e produzione di liquido. Se si somministra l’amiloride, il riassorbimento mediato da ENaC viene meno, causando edema. In condizioni di ipossia la stechiometria del canale cambia, diventando 4a. Questo fa perdere la selettività per Na+ e ne fa acquisire per K* (che tende ad entrare). Ciò porta ad un aumento del film (edema) e quindi ad un maggior tempo di diffusione di O2. Meccano-canalopatie * Aritmie + Rene policistico: il gene mutato è associato ai canali del calcio e ne impedisce il corretto posizionamento. Questo porta ad un mancato riassorbimento. + Ipertensione > Glaucoma + Gliomi » Distrofia di Duchenne + Aterosclerosi: i vasi non sono pi responsivi a variazioni di pressione Canali voltaggio-dipendenti Sono tetrameri, che a loro volta possono essere fisicamente staccati (nel caso dei canali del potassio) oppure composti da un unico peptide ripiegato a formare quattro subunità (nel caso dei canali di sodio e calcio). Ogni subunità presenta sei segmenti transmembrana. Tra il quinto ed il sesto segmento si ha il poro, mentre il quarto è la parte sensibile al voltaggio. La sua sensibilità è data da una sequenza ad a-elica molto positiva composta da arginina e Pagina 10 di 31 lunedì 23 settembre 2019 lisina. Quando si ha uno stimolo depolarizzante, l'accumulo di cariche positive nel citosol spinge l’a-elica verso l'esterno della cellula, causando l'apertura del canale. Si parla quindi di modello sliding helix. Con attivazione del canale si intende il passaggio da uno stato non conduttivo ad uno stato conduttivo. Dopo un determinato lasso di tempo, il canale da attivo diventa inattivo, ossia non conduce più. Quando si ha poi la ripolarizzazione il canale passa nello stato non conduttivo. Il passaggio da inattivato a chiuso è fondamentale per la successiva riapertura. Ci possono essere due gates di inattivazione: + Modello “ball and chain”: inattivazione rapida di tipo N. Di fatto la coda N o C- terminale (per i canali del sodio) blocca il poro + Inattivazione lenta di tipo C: cambio conformazionale Normalmente la subunità a è la subunità attraverso cui passano gli ioni. Le altre subunità accessorie sono: - Proteine che si legano alla subunità a e la modificano - Subunità B (nei canali per il sodio) con un ampio dominio N-terminale | canali di potassio e calcio possono avere molteplici subunità accessorie. Canali per il sodio (Nav) Omotetramero presente in 14 isoforme tessuto-specifiche. In particolare Nav 1.1, 1.2 e 1.3 sono caratteristici del SNC. Sono responsabili delle fasi iniziali del potenziale d’azione, ossia la rapida depolarizzazione, e della sua conduzione nelle cellule eccitabili. Tra il terzo ed il quarto dominio si ha una porzione C-terminale che permette l’inattivazione del canale, mentre tra il primo e il secondo dominio si ha un sito di fosforilazione anch’esso coinvolto nella regolazione del canale. Il canale è molto rapido sia in attivazione che in inattivazione (5 msec). Sue mutazioni possono portare ad autismo ed epilessia (Nav 1.2) oppure a paralisi e miotonie (Nav 1.4). Canali per il calcio voltaggio-dipendenti Hanno una struttura molto simile a quelli del sodio. Presentano le subunità accessorie: CV - 2-8 - a2-d Pagina 11 di 31 lunedì 23 settembre 2019 Si attivano in depolarizzazione (quindi in caso di corrente entrante) e si hanno diverse isoforme: * L (long lasting) -> High-voltage activated (HVA) * T (transient) -> Low-voltage activated (LVA) * P/N/R/Q -> High-voltage activated (HVA) I canali Le T sono quelli coinvolti nel potenziale d'azione. In particolare, i canali di tipo T generano le fasi iniziali del potenziale d'azione nei tessuti in cui non è espresso il canale per il sodio (cellule del nodo senoatriale e alcune cellule nervose). I canali di tipo L invece sono responsabili dell’EC coupling, perché attivandosi ad un potenziale più alto, ossia quando il potenziale d’azione è già partito, lo rinforzano o attivano la contrazione. Da un fenomeno elettrico si passa quindi ad un fenomeno meccanico. Il canale Cav 1.1 è presente nel muscolo scheletrico, è coinvolto nell’EC Coupling e ha un recettore diidropiridinico (si lega alle diidropiridine ma non si blocca). Il canale Cav 1.2 invece è presente nel muscolo cardiaco, ha un processo di inattivazione Ca?*-dipendente perché il C-terminale ha una sequenza simile alla calmodulina, per cui il calcio si lega e causa un cambiamento di conformazione che inattiva il canale. Questo invece viene bloccato dalle diidropiridine. Oltre che nel potenziale d’azione e nell’EC coupling, questi canali sono anche coinvolti nei segnali intracellulari di secrezione e di fosforilazione proteica, infine sono coinvolti anche nella trascrizione genica. Canali per il potassio Possono avere: - 6 segmenti transmembrana (6STM) - 4 segmenti transmembrana (4STM) - 2 segmenti transmembrana (2STM) | più importanti sono i 6STM, che a loro volta di differenziano in iKR (attivazione rapida) e iKS (attivazione lenta). | canali iKR sono codificati dal gene Herg, mentre i canali iKS dal gene KVLQT1. Questi due canali sono responsabili della fase di ripolarizzazione del potenziale cardiaco; in particolare prima subentra iKR e poi iKS. La corrente transiente di potassio (iTO -> Transient Outward) è responsabile invece della fase iniziale di ripolarizzazione cardiaca, perché ha una cinetica di attivazione molto rapida. Pagina 12 di 31 lunedì 23 settembre 2019 Window Current Sovrapponendo la curva di attivazione rispetto al voltaggio e la curva di inattivazione rispetto al voltaggio si ottiene un grafico interessante. Di fatto si osserva che in una data finestra di voltaggio si ha una quota di canali (circa il 5%) che riesce a recuperare dallo stato di inattivazione. Questo fa sì che una piccola corrente ionica ci sia sempre, anche per potenziali d'azione ravvicinati. Essa è detta 800 0 40° 20 0 20 window current. Potenziale di membrana (mV) Late Current (o corrente persistente) Corrente fisiologicamente piccola (compone l'1% del picco massimo) che permane nel tempo. Dovuta a: <« Componente transiente del canale: si apre e poi si inattiva; * Late scattered: apertura ritardata rispetto allo stimolo; *& Burst mode: si inattiva e poi si riapre (causa il fenomeno di flickering) Mutazioni che alterano il processo di inattivazione modificano la late current, il sodio entrante rende quindi le cellule ipereccitabili, causando aritmie e crisi epilettiche. N.B. Mentre la late current prolunga il potenziele d'azione ed è presente a quelsiasi volteggio, la window current avviene a voltaggi specifici e ceuse una risalita del potenziele d'azione mentre quest'ultimo ste scendendo. Il potenziale di riposo Fenomeno elettrico reso possibile dalla diversa concentrazione degli ioni a cavallo della membrana: Y Il sodio è 10 volte più concentrato all’esterno della membrana (130 mmol rispetto a 4 mmol) Y Il potassio è 40 volte più concentrato internamente Y Il calcio è 1000 volte più concentrato esternamente, anche se, essendo un secondo messaggero, la sua concentrazione in cellula può variare. Y Il cloro segue l'andamento del sodio Lo ione calcio ha una concentrazione citoplasmatica di 100 nmol, negli organuli è 600 um e in ambiente extracellulare di 1,2 mmol. Pagina 15 di 31 lunedì 23 settembre 2019 Se la membrana fosse permeabile sono al potassio (una situazione simile a quella delle cellule gliali) esso tenderebbe ad uscire per il gradiente generato dalla sodio/ potassio. In ambiente extracellulare si verrebbero ad avere delle zone ad alta concentrazione di cariche positive, che limiterebbero l'ulteriore uscita dello ione dalla cellula. Il gradiente chimico va quindi ad essere contrastato dal gradiente elettrico. Il potenziale di equilibrio di uno ione è il potenziale per cui la forza chimica è eguagliata dalla forza motrice elettrica, generando un flusso netto nullo. Nel caso del potassio il potenziale di equilibrio è -75mV, in cui si ha che la concentrazione interna è di 400 mmol, mentre quella esterna è 20mmol. Equazione di Nernst È un’equazione valida per qualsiasi ione che permette di trovare il potenziale di riposo. RT [K:] In cui R = 8,31; T è espressa in kelvin, F è la costante di Faraday In (965000) e z è la valenza di carica di uno ione. Be 2 TRI A 25 °C RT/F vale 25 mV. Caratteristiche della membrana Tuttavia questa formula non è applicabile alla membrana reale, perché non si tiene conto della presenza del sodio, che entra nella cellula per gradiente. Il sodio fa entrare quindi cariche positive nella cellula, che viene resa meno negativa; l'equilibrio del potassio risulta quindi alterato e il flusso non sarà più nullo. Il potenziale di membrana è quindi dovuto ad un contributo della permeabilità sia del sodio che del potassio. La conduttanza per il potassio è però molto più alta di quella del sodio, per questo il potenziale di membrana è negativo e tende verso l’equilibrio del potassio. Maggiore è la permeabilità per il potassio e minore sarà il potenziale di riposo della cellula. Il potenziale viene poi mantenuto dalla pompa sodio/potassio. Un altro elemento che influisce sulla separazione di cariche è l’impermeabilità della membrana cellulare agli anioni organici (proteine). Pagina 16 di 31 lunedì 23 settembre 2019 Sia la soluzione 1 che la soluzione 2 sono inizialmente elettroneutre; tuttavia il cloro passa dalla 1 alla 2 per gradiente di concentrazione. Spostandosi, fa diventare l'ambiente 2 più negativo. Questo fa sì che, per bilanciare, gli ioni potassio si spostino anch'essi nella soluzione 2. Si raggiunge quindi un nuovo equilibrio, escludendo le proteine, in cui il gradiente elettrico Cl-/K+ è uguale al gradiente chimico. Equazione di Gibbs-Donnan Di [Ye = DI Me Secondo tale equazione, si ha una maggior concentrazione di anioni e cationi diffusibili dal lato della membrana dove sono presenti proteine non diffusibili. Nell’ambiente intracellulare, quindi, ci sono più ioni, che richiamano acqua. Questo meccanismo permette di mantenere un corretto turgore cellulare e compone la pressione oncotica o colloido-osmotica. N.B. Il potenziele di Donnen si stabilisce prendendo in considerazione tutti gli ioni permesabili ed eccezione di uno; mentre il potenziele di Nernst prende in considerazione uno ione elle volte. Il potenziale di riposo Vm= Vi- Ve In cui Vm è il potenziale di riposo, Vi è il potenziale all’interno della cellula e Ve è quello esterno alla cellula. Per convenzione il potenziale esterno alla cellula è uguale a zero, perciò il potenziale di riposo coincide col potenziale intracellulare. Per le cellule eccitabili: - 60 MV < Vm < - 90 mV 20 MV < Vm < - 30 MV Nel caso di cellule non eccitabili: Per calcolare il potenziale di riposo è necessario conoscere la permeabilità di membrana e la concentrazione degli ioni in entrambi gli ambienti (intra ed extracellulare). Goldman ha teorizzato una formula per poter calcolare tale valore: RT Px[K*]a + Pwa[Na*]a + PalCH]i FO Pa[K*]: + Pwa[Na*]: + Pa[CI]a Depolarizzazione: la cellula diventa meno negativa Iperpolarizzazione: la cellula diventa più negativa Pagina 17 di 31 lunedì 23 settembre 2019 + Correnti depolarizzanti: ePSP (potenziale post-sinaptico eccitatorio) | vari potenziali graduati sono integrati a livello del monticolo assonico (porzione del neurone tra soma e assone), una zona molto ricca di canali del sodio voltaggio- dipendenti. Proprietà passive di membrana Per sapere se un potenziale graduato arriverà a soglia occorre tenere presenti le caratteristiche passive della membrana: Y Resistenza della membrana Y Capacità della membrana Y Resistenza dell’assoplasma Resistenza della membrana Il doppio strato lipidico può essere associato ad un condensatore, in cui il dielettrico sono le code idrofobiche degli acidi grassi. | canali sono associabili a delle resistenze, mentre le concentrazioni ioniche creano la driving force. Canale ionica La membrana risponde alla legge di Ohm per cui V = iR, quindi maggiore è lo stimolo in termine di corrente e maggiore sarà la risposta in termine di variazione di potenziale. La membrana ha caratteristiche sia resistive (presenta infatti canali) sia capacitive, per questo motivo la variazione di potenziale nel tempo è la sommatoria dei grafici di entrambe le componenti. -55 Corrente -o L L'andamento quindi del potenziale di riposo rispecchia entrambe le componenti. Rin = resistenza specifica della membrana, che dipende dal numero di canali (più ce ne sono e meno resistente è la membrana). Indica quanto facilmente i riesce a generare un’alterazione di potenziale in risposta ad una corrente. Rm = Rin x 4nr Siccome il termine r indica la grandezza della cellula, se due cellule hanno una quantità di canali uguali, la cellula di maggiori dimensioni è quella più resistente. tm = Re/(27tr1) Pagina 20 di 31 lunedì 23 settembre 2019 In cui rm è la resistenza per unità, r è il raggio dell’assone e | è la lunghezza dell’assone. Resistenza dell’assoplasma Dipende dalla densità del citoplasma (p), dall'area di sezione del processo (nr?) e dalla lunghezza del processo secondo la legge: fa = p/(mer2l) Capacità di membrana C=Q/AV In cui Q rappresenta le cariche. Nel caso di un doppio strato fosfolipidico, la capacità è 1 uF/cm?. Di conseguenza, siccome lo spessore del doppio strato fosfolipidico è costante, ad una capacità maggiore corrisponde una cellula di maggiori dimensioni, perché è necessaria più corrente per far variare il potenziale. Variazioni di voltaggio nel tempo Si identificano due fasi: + Fase crescente: AV = imx Rmx(1- et + Fase decrescente: AV = im x Rm x (et) In cui im è la corrente di membrana, mentre t è la costante di tempo, calcolata moltiplicando la resistenza di membrana per la capacità di membrana. È definita come il tempo impiegato per raggiungere/perdere il 63% del voltaggio stazionario, e solitamente è compresa tra i 20 e i 50 msec. Di fatto misura la velocità di decadimento del segnale. Per una t alta si ha una maggior probabilità che i segnali si sommino ed arrivino a soglia, perché il decadimento del potenziale è lento. AVx = AVo x ex In cui x è lo spazio percorso e A è la costante di spazio. Viene definita come lo spazio necessario affinché il potenziale arrivi al 37% del valore iniziale (o perda il 63%). La costante di tempo aumenta quindi se: - La cellula è grande - La resistenza è alta Pagina 21 di 31 lunedì 23 settembre 2019 Siccome la grandezza della cellula non può aumentare all’infinito, per aumentare X si è evoluta la mielina, che aumenta l'isolamento della membrana e aumenta fino a 100 volte lo spessore. Maggiore è X e più si propaga l'impulso senza dissiparsi. I segnali arrivano al monticolo assonico, si sommano e se arrivano a soglia aprono i canali del sodio. Nei nodi di Ranvier c’è un’altissima concentrazione di canali di sodio voltaggio-attivati, che all’arrivo del potenziale d’azione si aprono ulteriormente, andando a rafforzare il potenziale d’azione. Nella sclerosi multipla il segnele che arrive non è più forte abbastanza per generare potenziele d'azione. Sinapsi Punto di comunicazione tra due neuroni. Un neurone può formare 1000 sinapsi contemporaneamente e riceverne tra le 10 000 e le 100 000; per questo motivo è importante un processo efficiente di integrazione dei segnali. Le sinapsi possono essere elettriche o chimiche. Neurotrasmettitori Molecole chimiche liberate dalle terminazioni sinaptiche che si legano a specifici recettori. Nella zona attiva del bottone presinaptico sono accumulate vescicole contenenti i neurotrasmettitori. La sintesi dei neurotrasmettitori avviene tramite sintesi locale, quindi gli ultimi step di tale processo sono effettuati da enzimi presenti nel bottone sinaptico. Lo stoccaggio nelle vescicole avviene mediante trasporto attivo secondario (VNT = Vescicular Neurotransmitter) fino all’accumulo di 108 - 104 molecole per vescicola. Il gradiente sfruttato dal trasporto attivo secondario è generato da un’ATPasi, che per ogni ATP usato porta uno ione H* nella vescicola. Per bilanciare lo ione entrante, un canale del cloro fa entrare uno ione CT. Il trasportatore VNT si occupa di estrudere uno ione H* e far entrare una molecola di neurotrasmettitore. Esocitosi dei neurotrasmettitori La liberazione del neurotrasmettitore nella fessura sinaptica è quantale, ossia che avviene per multipli finiti di un numero. Questo genera potenziali di placca molto piccoli, perché una vescicola ogni tanto libera il neurotrasmettitore anche in assenza di stimoli. A livello del bottone sinaptico ci sono due tipi di vescicole: - Pool di rilascio: vescicole libere e vicine alla fessura sinaptica Pagina 22 di 31 lunedì 23 settembre 2019 GABA L'acido y-amminobutirrico (GABA) presenta due tipi di recettori: + Tipo A: un eteropentamero costituito da 2 subunità a, due subunità B e una y; è ionotropo, con azione sui canali per il cloro. Presenta due siti di legame, uno per il GABA e uno per le benzodiazepine, i barbiturici o alcol. + Tipo B: recettore metabotropo accoppiato a proteine Gai, che inibisce l’adenilato ciclasi. Di fatto ha azione inibitoria sulla corrente di calcio e attiva la corrente di K+. Acetilcolina L’acetilcolina viene sintetizzata a partire da Acetil-CoA e colina. La colina dev’essere introdotta con la dieta e l'enzima per la reazione è la colina acetil-transferasi. Viene usata nelle sinapsi neuromuscolari e a livello del SNP e SNC per processi cognitivi e mnesici. Ci sono due tipi di recettori: Y Nicotinici: eteropentameri divisi in Ni e N2 (a seconda che si trovino a livello del sistema nervoso o a livello della placca neuromuscolare). Ha come agonista la nicotina, che attiva i circuiti dell’appagamento. Gli antagonisti invece sono il curaro, la cobratoxin e bungarotoxin. Ni fa passare calcio, sodio e potassio, mentre N2 solo sodio e potassio. Y Muscarinici: recettori metabotropi con isoforme da M1 a MS, divisi in pari e dispari. Quelli pari inibiscono l’adenilato ciclasi mediante proteine Gi. | recettori dispari sono accoppiati invece a proteine Ga, che attiva la fosfolipasi C che alza il calcio intracellulare. Ha come agonista la muscarina e come antagonista l’atropina. Nel cuore l’acetilcolina ha un ruolo importante perché, rilasciata dal parasimpatico, si lega ai recettori pari delle cellule del nodo senoatriale, inibendo l’adenilato ciclasi e inducendo un’iperpolarizzazione. In questo modo diminuisce la frequenza cardiaca (perché la corrente ir è attivata dal CAMP). Placca neuromuscolare Introduzione Nel tardo 1700 Gelvani e Matteucci scoprono che c’è propagazione elettrica tre nervo e muscolo. Nel 1840 Doyere col microscopio scopre che il nervo non “fluisce” nel muscolo. Nel 1844 Bernard scopre che il segnale tre nervo e muscolo è trasmesso de una sostenze chimica. Nel 1866 Vulpien scopre che il curero agisce in une zone intermedia tra nervo e muscolo. Agli inizi del 1900 Langley scopre che une sostanza viene trasmesse tra nervo e muscolo per fevorire l’inizio delle contrazione. Pagina 25 di 31 lunedì 23 settembre 2019 Per placca neuromuscolare si intende la sinapsi tra motoneurone e fibre muscolari. Nella porzione terminale dell’assone esso sfiocca in molte terminazioni che vanno ad innervare diverse fibre muscolari. L'insieme di motoneurone e fibre da esso innervate prende il nome di unità motoria. La placca neuromuscolare è composta da: » Lamina basale * Cellule di Schwann * Motoneurone * Cellula muscolare Tra motoneurone e cellula muscolare si ha una distanza di circa 50 nm. Motoneurone Nella parte di placca composta dal motoneurone, esso è diviso in due zone: * Zona mitocondriale: più lontana dal muscolo, dove si produce energia per produrre i neurotrasmettitori * Zona attiva: ricca di vescicole contenenti neurotrasmettitori Cellula di Schwann Sono in gruppi di 3 o 5 cellule e formano un “cappello” sul bottone sinaptico, tuttavia non interferiscono con la zona attiva perché si fermano prima. Hanno un ruolo: + Trofico: svolto tramite la neuregulina + Di crescita e sopravvivenza neuronale tramite NGF Nel caso di una lesione che coinvolge il motoneurone, le cellule di Schwann acquistano attività fagocitaria e rimuovono i detriti dall'area sinaptica. Una volta finito si ha la secrezione di sostanze che richiamano la terminazione nervosa. Tramite questo meccanismo di ricrea la placca. Cellula muscolare La cellula muscolare presenta delle pieghe giunzionali di massimo 1 mm in corrispondenza delle zone attive. Le “creste” delle pieghe, ossia il punto più vicino al motoneurone, presentano un clustering di recettori nicotinici, mentre in profondità sono presenti i canali del sodio voltaggio-dipendenti. Lamina basale Struttura posta tra bottone presinaptico e cellula postsinaptica. È composta da collagene di tipo IV, laminina e proteoglicani (in particolare eparan-solfato). Ad Pagina 26 di 31 lunedì 23 settembre 2019 essa sono associate proteine implicate nell’organizzazione della placca ed enzimi come l’acetilcolinesterasi. Si estende anche nelle pieghe giunzionali. Recettori per l’Acetilcolina (AChR) | recettori embrionali sono eteropentameri formati da: 2 subunità a, una 8, una y e una è. Tali recettori hanno una conduttanza molto bassa (30 pS) ma un tempo di apertura elevato (5-10 msec). Questo assetto fa sì che la poca acetilcolina rilasciata in fase embrionale sia mantenuta per un lasso di tempo sufficiente a generare un potenziale d’azione. | recettori adulti, invece, sono eteropentameri con al posto della subunità y una subunità e. Presentano un’alta conduttanza (50 pS) e un basso tempo di apertura. Nell’epoca adulta, l’acetilcolina viene rilasciata in abbondanza, perciò non si ha necessità di far stare aperti i canali per molto tempo. Si può usare in curaro per mimare la carenza di recettori nicotinici. Nella normalità l’ePSP di acetilcolina ha una data ampiezza, con la presenza a basse dosi del curaro si ha una ePSP di minor entità. Questo rende evidente che la risposta del muscolo varia a seconda del numero di neurotrasmettitori rilasciati e a seconda del numero di recettori presenti. Nelle miestenie grevis si ha la mancata trasmissione tre muscolo e nervo. Ciò è dovuto a diverse possibili enomelie: mancato rilascio di acetilcolina (per mancata sintesi o problemi di docking), le presenza di un’acetilcolinesterasi mutete, oppure une riduzione del numero o delle cinetica dei recettori. Le mutazioni dell’ecetilcolinesterasi possono essere gain of function, nel caso in cui l’enzima funzioni troppo e quindi inattivi treppa acetilcoline, oppure loss of function, nel ceso in cui ne feccia passare troppe e il muscolo ve incontro a desensitizzazione. La terapia prevede le somministrazione di inibitori dell’acetilcolinesteresi. Formazione della placca A livello embrionale, le cellule di Schwann, i motoneuroni e le cellule muscolari si sviluppano indipendentemente. Il contatto tra motoneurone e cellula muscolare è lo stimolo che permette le formazione della giunzione. Appena entrano in contatto inizia la trasmissione sinaptica. Tuttavia, nelle prime fasi essa è ancora inefficace, perché non si ha una specializzazione. Lo stimolo stesso aiuta il differenziamento: prima nessun ePSP fa partire il potenziale, poi man mano sempre più stimoli generano il potenziale d’azione. Alla fine dello sviluppo ogni stimolo genera potenziale d'azione. La propagazione dello stimolo, inoltre, attiva il pathway mediato da Ca?* via pKc che va a ridurre la capacità trascrizionale (in termini di proteine della placca) dei nuclei lontani dalla placca neuromuscolare. Pagina 27 di 31 Membrana Cellulare Proteine di membrana Trasporti transmembrana Diffusione semplice Trasporto di acqua Proteine transmembrana Carriers Trasporto mediato e co-trasporto Trasporti attivi primari Na+/K+ ATPasi Ca2+ ATPasi Pompa HHK+ Trasporti attivi secondari Simporto Na+/glucosio Scambiatore Na+/Ca2+ (NCX) Co-trasportatore NKCC Trasporti passivi Canali ionici Canali Meccano-attivati Canali K2P Canali TRP Canali Kir (o IRK) Canali ENaC (o MEG, DEG, ASIC) Meccano-canalopatie Canali voltaggio-dipendenti Canali per il sodio (Nav) Canali per il calcio voltaggio-dipendenti Canali per il potassio Canali K+ calcio-attivati Canali K+ sodio-attivati Canali attivati da nucleotidi ciclici Relazione corrente-voltaggio Introduzione Valutazione del tempo di recupero dall’inattivazione Regolazione del voltaggio sull’inattivazione Window Current Late Current (o corrente persistente) Il potenziale di riposo Equazione di Nernst Caratteristiche della membrana Equazione di Gibbs-Donnan Il potenziale di riposo Il potenziale d'azione Terminologia Modello di Hodgkin-Huxley (1952-1963) Refrattarietà Propagazione Pagina 30 di 31 lunedì 23 settembre 2019 . 000009 N00) DIA. A dA WON NN lunedì 23 settembre 2019 Potenziali graduati 19 Proprietà passive di membrana 20 Resistenza della membrana 20 Resistenza dell’assoplasma 21 Capacità di membrana 21 Variazioni di voltaggio nel tempo 21 Sinapsi 22 Neurotrasmettitori 22 Esocitosi dei neurotrasmettitori 22 Sinapsi elettrica 23 Sinapsi chimiche 23 Meccanismi di sinapsi 24 Tipi di neurotrasmettitori 24 GABA 25 Acetilcolina 25 Placca neuromuscolare 25 Introduzione 25 Motoneurone 26 Cellula di Schwann 26 Cellula muscolare 26 Lamina basale 26 Recettori per l’Acetilcolina (AChR) 27 Formazione della placca 27 Mantenimento della giunzione 28 Sistema sarcotubulare 28 Potenziale di placca 29 Pagina 81 di 31