Erregbarkeit Nervenzellen

Quale tecnica sperimentale posso usare per determinare il Membranpotential in Ruhe di una cellula? Qual é il valore per le nervenzellen?

Si usa una patch pipette per misurare la spannung dentro alla cellule e fuori si mette un referenzelektrode —> la differenza di spannung tra i due rappresenta il Ruhemembranpotential. Nervenzellen= -50mV - -80mV

Qual é il Ruhemembranpotential di una muskelzelle?

-90mV

Cosa vuol dire per la cellula che il Membranpotential é negativo?

Ci sono piú cariche ne

La funzione delle Nervenzelllen puó essere svolta solo se esse vengono attivate. Vero o falso?

Vero

Cosa rappresentano le frecce nere? E quelle rosse?

Freccia nera: Aktionspotential

Frecce rosse: synaptische eingägne, imput simpatici che arrivano alle cellule (non sufficienti per scatenare un aktionspotential)

Cosa é il synaptische potential? Come si misura (con gli elettrodi)?

È il potenziale che si scatena dentro ad una nervenzelle quando riceve uno stimolo esterno (da un dendrite ad es.). Puó essere sia eccitatorio che inibitorio, é un segnale lento, l’amplitudine dipende dalla potenza del segnale ricevuto.

Elettrodi: misuro potenziale nel soma e stimolo un assone presinaptico che stimola i dendriti del nostro neurone

Cosa é un Aktionspotential? Come si miscura (con gli elettrodi)?

É il segnale che una nervenzelle manda ad una zielzelle. È un fenomeno tutto o niente, ha sempre la stessa amplitudine.

Stimolo il soma e misuro il pontenziale che si propaga nell’assone.

Cosa viene fatto qui a livello sperimentale?

2 elettrodi: uno inietta corrente (grafico sopra rosso), l’altro misura il cambiamento di membranpotential scatenato nel neurone (grafico sotto)

Descrivi le passive responses usando i grafici

Induco corrente negativa: hyperpolarisation (membranpotential diventa molto negativo)

Induco corrente positiva: depolarisation (membranpotential si alza)

In entrambi i casi l'amplitudine della risposta dipende dalla qtá di corrente iniettata (piú corrente = curva piú marcata).

Descrivi gli action potentials (active responses) usando i grafici

Se inietto abbastanza corrente per superare un treshold, si attivano i canali voltaggio-dipendenti —> formazione action potentials (circa stessa amplitudine, tranne quando ne faccio partire 2 insieme)

Quali tra queste sostanze passano dalla membrana e quali no (senza trasporti speciali)? Quale é l’ “eccezione”?

Gas, piccole molecole polari non cariche, grosse molecole polari non cariche, ioni, molecole polari cariche

Definire se questi ioni si trovano in concentrazioni maggiori o minori dentro o fuori dalla cellula. Ce n’é uno in particolare che ha un cambiamento di concentrazione di un fattore 1000 (mentre gli altri sono circa un fattore 10): quale?

Na, K, Ca, Cl

Il Ca2+ ha un cambiamento di un fattore 1000

Differenza principale tra ion transporter e ion kanäle

Transporter: richiedono ATP, contro gradiente

Kanäle: trasporto passivo

Spiega il principio di come funzionano i 4 tipi di canali visti:

• Spannungsabhängige

• Ligandgesteuerte

• ATPase pumpe

• Ion exchangers

• Spannungsabhängige —> proteine del canale hanno una certa carica: sono voltage sensors, si aprono con un certo voltaggio

• Ligandgesteuerte —> é un recettore, si apre quando si lega il suo ligando

• ATPase pumpe —> serve ATP per muovere molecole contro gradiente

• Ion exchangers —> da una parte uno ione si muove secondo gradiente e trascina il secondo ione contro gradiente

Come funziona la Na+/K+ ATPase? Cosa vuol dire che é elektrogen? Quanta energia della cellula ha bisogno? Chi sono i suoi inibitori?

• Trasporto di 3 Na+ ionen verso l’esterno e 2K+ ionen verso l’interno, usando ATP

• Elektrogen = contribuisce al mantenimento del membranpotential

• Piú di 1/3 dell’energieverbrauch della cellula serve a questa pompa

• Inibitori: Ouabain, Dinitrophenol (DNP)

Quali sono le funzioni e i paralleli con i circuiti elettrici di queste componenti della membrana?

• Capazität der membran

• Ionen

• Wiederstand degli ionenkanäle

• Capazität der membran ~= kondensator, immagazzina energia

• Ionen ~= batterie, hanno diverse polaritá

• Wiederstand degli ionenkänale (modificabile!) = wiederstand elettrico

L’elektrische strom dipende da tutte e 3 le cose

Cosa é un platte kondensator? Come si collega al lipiddoppelschicht?

Platte kondensator: due piatti di metallo separati da un isolatore. Piú i piatti sono grandi e vicini, maggiore é la Capazität.

Il nostro lipiddoppelschicht é un platte kondensator, fatto di 2 strati di fosfolipidi (conduttori di energia) in mezzo ad un medium non caricabile.

Cosa rappresenta questa costante?

Rappresenta quanto velocemente avviene la scarica di corrente provocata dalla chiusura di un condensatore. In una cellula, indica quanto velocemente la membrana si carica o si scarica dopo che é stata stimolata elettricamente.

T dipende sia dalla capazität (C) che dalla wiederstand (R).

Cosa é il gleichgewichtspotential?

É il potenziale di membrana per il quale i singoli ioni sono in equilibrio = non c’é un flusso netto di quello ione attraverso la membrana

Come faccio a determinare sperimentalmente il gewichtspotential di K+? Come si rapporta alla cellula?

1. parete semipermeabile = permeabile solo a K+, metto dentro ad un lato solo una soluzione di KCl (che si dissocia)

2. K+ é attratto dall’altro lato (che é privo di ioni K+) MA é anche respinto indietro per bilanciare la carica negativa del Cl-

3. Le due forze sono bilanciate ad un potenziale di -58mV (flusso netto si ferma)

Nella cellula il potenziale é diverso poiché ci sono molto piú ioni 8non solo K+ e Cl-). Per fermare il flusso di ioni K+, l’interno della cellula dovrebe avere un potenziale di -75mV (Gleichgewichtspotential)

Cosa succede agli ioni K+ se ho questa situazione di partenza (equilibrio) e poi metto una batteria che crea una differenza di potenziale tra 1 e 2 di -116mV?

In questo caso stiamo rendendo il compartimento 1 piú negativo (differenza di potenziale aumenta). Gli ioni K+ si spostano verso esso per compensare la carica (gradiente elettrico prevale su quello di concentrazione)

Cosa é la Nernst Gleichung?

Equazione per calcolare il Gleichgewichtspotential dei singoli ioni.

Spiega la frase “Ci vuole un potenziale di +55mV per far si che gli ioni Na+ non abbiano un flusso netto attraverso la membrana”

Cosa é la Goldman-Hodgin-Katz-Gleichung?

Per calcolare il membranpotential di una cellula tenendo conto di tutti i suoi ioni

Quale é lo ione che piú di tutti determina il Ruhemembranpotential delle nervenzellen (se ti ricordi anche il valore)? Perché?

Gli ioni K+ dato che i loro canali sono sempre aperti (in Ruhe), mentre quelli degli altri ioni sono generalmente chiusi: infatti, il Ruhemembranpotential delle nervenzelle é -70mV, quello del K+ é -75mV

In organi e animali diversi la forma dell’Aktionspotential é sempre uguale. Vero o falso?

Falso

1. Quanto dura un tipico aktionspotential?

2. All’interno dello stesso organo, l’Ablauf di un aktionspotential é sempre uguale?

3. Cosa vuol dire “alles oder nichts” charakter?

4. La potenza dell’aktionspotential diminuisce lungo l’assone?

1. 1ms

2. Si

3. O si forma oppure non si forma, senza vie di mezzo

4. NO, resta sempre costante

Cosa si vede nella foto?

Elettrodo ha misurato il segnale extracellulare prodotto dai 2 cell types. Si vede anche che la forma degli spikes cambia leggermente —> forma aktionspotential cambia leggermente in cell types diversi

Descrivi l’andamento di un classico aktionspotential aiutandoti con l’immagine.

1. Arriva un segnale elettrico abbastanza grande da superare il treshold

2. Attivazione spannungsabhängige kanäle, depolarisation rapida fino al peak

3. Plateau phase (leggere repolarizzazione)

4. Repolarisation + hyperpolarisation dovuta all’apertura dei canali del K+

5. Ritorno al resting potential

L’informazione portata dagli aktionspotential puó essere codificata in due modi diversi: quali? Come si distinguono tra loro?

• Mittlere Frequenz von Aktionspotentialen —>es. luce che arriva negli occhi e produce vari aktionspotentiale. piú chiaro é lo stimolo, maggiore sará la frequenza degli aktionspotential prodotti (leggo la frequenza per capire la chiarezza della luce = decodificare l’info)

• Zeitliche Muster von Aktionspotentialen —> uso questo tipo di decodifica se voglio sapere se due stimoli sono arrivati nello stesso momento o in momenti separati

Che pesce era usato per studiare gli aktionspotentiale (visto che i suoi assoni erano molto grandi)?

Il Tintenfisch (calamaro)🦑

Come funziona questo Rückkopplungsschaltkreis per misurare la corrente necessaria per mantenere un certo membranpotential? (fatto con i calamari)

Vengono messi 2 elettrodi nell'assone del pesce (uno misura, I'altro inietta la corrente).

• Un amplificatore con feedback (A_FB) confronta il potenziale misurato con il potenziale di comando impostato dall'esperimento. Se il potenziale di membrana cambia, il sistema inietta corrente per tenerlo costante.

• Un altro amplificatore (AV) misura il potenziale di membrana (Vm).

• Il Current monitor registra la corrente necessaria per mantenere il potenziale, che corrisponde alla corrente ionica che attraverserebbe la membrana in condizioni normali

Cosa rappresenta questo grafico ottenuto dall’esperimento con le voltage clamp e il rückkopplungsschaltkreis?

Si misurano le correnti ioniche (in nanoampere, nA) generate da salti di potenziale di membrana (Vm) a diversi valori.

• In alto: i diversi salti di voltaggio applicati alla membrana, da un potenziale di mantenimento di –60 mV a vari potenziali (tra –45 mV e +75 mV).

• In basso: la risposta in corrente (nA) della cellula a ciascun salto di potenziale, nel tempo (0–10 ms).

Esistono 2 modi per misurare gli strom ionici (di 1 ione) a vari potenziali: quali?

• Durch Ionensubstitution

• Durch Pharmakologische Blockierung der einzelnen Komponenten

Descrivi il metodo della Ionensubstitution per musirare gli Strom di K+ e Na+ a diversi potenziali.

1. Parto da un Na+ free extrazellulärlösung, per misurare solo la corrente del K+ (cambiando i potenziali)

2. Poi misuro la corrente totale di ioni (in soluzione ci sono sia K+ che Na+)

3. Infine da questi dati posso calcolare lo strom del Na+

Descrivi il metodo della pharmakologische Blockierung der einzelnen Komponenten per trovare gli Stom di K+ e Na+ a diversi potenziali.

Blocco prima i canali del Na+, per trovare solo lo strom di K+, e poi faccio il contrario.

Descrivi cosa succede al Na+ quando passo da un potenziale di base di -60mV ad un potenziale di -15mv oppure di +75mV.

• Da -60 a -15: Na+ entra nella cellula, che é ancora troppo negativa per contrastare la sua entrata (ricordiamoci che il gleichgewichtspotential é a +55mV)

• Da -60 a +75: Na+ esce dalla cellula, che ora é “troppo positiva” per i suoi gusti (again, gleichgewicht a +55mV)

Per ricordarsi queste cose: Na+ cerca sempre di rendere la cellula vicina al suo gleichgewicht (quindi nel primo caso piú positiva, entramndo dentro, e nel secondo caso piú negativa, uscendo fuori)

Descrivi cosa succede al K+ quando passo da un potenziale di base di -60mV ad un potenziale di -15mv oppure di +75mV oppure di -85mV.

• Da -60 a -15: K+ esce, cerca di rendere la cellula piú negativa (gleichgewichtspotential é a -75mV)

• Da -60 a +75: K+ esce ancora con piú forza, per lo stesso principio

• Da -60 a -85mV: K+ entra (poco) per far ritornare il potenziale a -75mV (ora la cellula é “troppo negativa per i suoi gusti”)

Cerca di descrivere questo grafico cagoso

Leitfähigkeit (=conduttanza) dei canali alta = bassa resistenza al flusso di ioni

L’immagine mostra l’andamento nel tempo della leitfähigkeit dei canali del Na+ e del K+ durante una depolarizzazione (potenziale in mV da basso ad alto).

Quando un neurone riceve uno stimolo:

1. ll potenziale sale verso -40 mV -> i canali del sodio iniziano ad aprirsi.

2. Il voltaggio sale ancora (+30/+40 mV) -> tutti i canali del Na+ sono aperti -> massima conduttanza del Na+ (come nel grafico a +44 mV)

3. Dopo pochi millisecondi, i canali si inattivano -> la conduttanza del Na+ cala.

I canali del potassio si attivano più lentamente, facendo uscire K+ e ripolarizzando la membrana. Anche loro hanno la massima conduttanza a +44mV ma restano attivi molto piú a lungo rispetto a quelli del Na+

Cosa hanno capito Hodgkin e Huxley sui canali ionici?

Che possono avere 2 stati: attivati o disattivati

In cosa consiste la tecnica della patch clamp “classica”?

Metto la mini pipetta attaccata ad un canale di membrana, senza romperla. Misuro un singolo canale.

Completa gli altri metodi della patch pipette

Cosa rappresenta questa immagine? Con che tecnica é stata ottenuta?

Si vedono le singole aperture dei canali di Na+ e in basso la loro apertura “complessiva” (somma dei canali singoli). Verso il basso perché l’Na+ entra.

Tecnica usata: cell-attached recording della patch clamp

In che senso i canali del Na+ hanno 3 zustände?

1. Aperti

2. Inactivated: pochi ms dopo l’apertura, l’inactivator-gate si mette in mezzo al canale e lo blocca. Canale é bloccato anche se la membrana é ancora depolarizzata!

3. Chiusi: quando la membrana si repolarizza

Nomina 3 sostanze che agiscono sui canali del Na (come attivatori/inibitori)

• Tetrodoxin (veleno 🐡): blocca il canale

• Batrachotoxin: iperattivazione del canale

• Lokalanästhetika: bloccano momentaneamente il canale

Quante untereinheiten ha un canale del Na+? Quali sono le loro funzioni? Quanti domäne ha la a-untereinheit? Come sono fatti questi domäne?

• 2 untereinheiten: alpha (a) e beta (ß)

• a-untereinheit: forma il poro in sé, contiene gli spannungsensoren (S4) + gli si attacca la “pallina” dell’inaktivator gate

• ß-untereinheit: regolazione della funzione

• a-untereinheit ha 4 domäne, ognuno di essi é costituito da 6 transmembranregionen

Spiega come funziona il ball and chain model

La regione “Ball” della proteina é collegata alla Chain, che é collegata al canale stesso. Nella Ball, durante l’inattivazione, viene lasciato un residuo di fosfato che porta la palla ad incastrarsi nel canale, bloccando il passaggio di Na+.

Successivamente la Ball esce dal canale, che si chiude definitivamente (prima era solo inattivato).

Cosa é il refraktärzeit? Da cosa é dovuto?

É il tempo durante il quale il neurone non puó generare un nuovo Aktionspotential. É dovuto all’inattivazione dei canali del sodio e alla lenta chiusura dei canali del potassio (tradotto: la cellula ci mette un po’ a ritorare in uno stato erregbar).

Qual é la differenza tra absolute e relative refraktärzeit?

Absolute: kein Aktionspotential

Relative: posso produrre un Potential con una amplitudine minore (picchi 2 e 3). Questi potenziali si sommano tra loro, quindi l’ amplitudine aumenta (picchi 4,5,6)

Quanto dura l’aktionspotential dei spannungsgesteuerte Kaliumkanäle? Quanti stati puó avere?

40ms

2 stati: aperto o chiuso

Quanti tipi di kaliumkanäle esistono? Da quante kanalproteine sono composti?

Tantissimi, possono avere piú subunitá ma generalmente il canale ionico in sé é formato da 4 kanalproteine

Quali 2 modalitá di trasmissione (ausbreitung) dell’elektrische signale abbiamo visto? Descrivile brevemente

Fai un esempio della elektrotonische ausbreitung. Come cambia l’energia nel tempo?

Es. iniezione di corrente in un Muskelfaser, l’energia diminuisce gradualmente col tempo

Cosa é la Membranlängskonstante?

Descrive quanto velocemente diminuisce il segnale con la distanza. Dipende sia dal diametro che dalla wiederstand —> diametro + grande, wiederstand della membrana (Rm) + grande e wiederstand interna (Ri) + piccola permettono una migliore trasmissione (segnale si spegne dopo)

Chi ha una amplitudine maggiore tra distales synaptisches potential e somatisches synaptisches potential?

Quello distale é più forte (segnale dai denriti arriva lí) e mano a mano che scorre per l’assone si affievolisce.

Come fa l’assone a mantenere l’aktionspotential cosí a lungo? (senza contare la mielina, per ora)

Lungo l’assone ci sono tanti canali, l’Erregung (=la depolarizzazione) si sposta mano a mano: quando si aprono i primi canli, essi provocano una depolarizzazione che si propaga ai canali vicini, che si aprono a loro volta. Mentre il secondo gruppo di canali si é aperto, il primo si sta ancora depolarizzando (si prepara al prossimo segnale)

Cosa vediamo da questi dati?

• Grande durchmesser = piú leitfähigkeit

• Myelinisierung = besser leitfähigkeit (perché migliora la membranwiederstand)

In che modo la mielina migliora la leitfähigkeit? Da chi é prodotta e da quale tipo di tessuto é composta?

Essa migliora la membran wiederstand (Rm + alta), quindi una minore qtá di carica elettrica viene persa lungo l’assone!

Prodotta da oligodendrozyten e schwann’sche zellen, fatta da fettgewebe

Cosa si intende per “saltatorische aktionspotentialausbreitung”?

I canali di Na+ che servono per la depolarisation si trovano solo tra gli strati di mielina (chiamati Ranvier Schnürring), quindi l’aktionspotential “salta” tra un buco e l’altro —> é molto piú veloce!

Quale é la Grundlage der zellulären elektrischen Erregbarkeit?

Ionentransport und Ionenflusse attraverso spezialisierte Membranproteine

Leggi fast il riassunto finale🎉