Membrana cellulare, trasporti e potenziale di riposo. Potenziale d’azione. Trasmissione sinaptica. Recettori sensoriali. Cenni ai meccanismi molecolari della visione.
- Randall, Burggren, French. Fisiologia animale. Zanichelli
- Autori Vari. Fisiologia, cellule e sistemi. A cura di D’Angelo e Peres. Edi-Ermes
- Aidley. The Physiology of Excitable Cells. Cambridge University Press
- Nicholls, Martin, Wallace, Fuchs. Dai neuroni al cervello. Zanichelli
- Berne, Levi et al. Fisiologia. Casa Editrice Ambrosiana
Obiettivi Formativi
Saper valutare le metodologie implicate nell’analisi di una funzione a livello molecolare, cellulare e di sistema.
Prerequisiti
Corsi raccomandati: Matematica, Chimica e Fisica
Metodi Didattici
Lezioni frontali
Altre Informazioni
Strumenti di supporto alla didattica: “NeuralSim” software
Modalità di verifica apprendimento
Esame orale
Programma del corso
Introduzione al corso. Principi fondamentali della Fisiologia: relazione struttura-funzione, omeostasi (esempi di sistemi a feed-back e feed-forward).
La membrana cellulare. Funzioni della membrana. Dimostrazione sperimentale del doppio strato: esperimento di Gorter e Grendel. Stima dello spessore della membrana da misure elettriche della capacità di membrana. Modello del mosaico fluido. Lipidi di membrana: struttura e funzione. Proteine di membrana. Esperimento del recupero della fluorescenza dopo photobleaching.
Trasporti attraverso la membrana. Diffusione semplice, equazione di Fick, coefficiente di diffusione, costante di permeabilità. Cinetica della permeazione, costante di tempo e sua relazione con la permeabilità e la geometria della cellula. Osmosi, osmolarità e tonicità. Effetti osmotici permanenti e transitori. Trasporti tramite proteine transmembranarie. Trasporti mediati. Trasporto massimo, specificità, competizione. Classificazione dei trasporti mediati. Cinetica dei trasporti mediati. Diffusione facilitata: permeasi del glucosio. Trasporto attivo primario. Caratteristiche della pompa sodio/potassio ATPasi: rapporto di scambio, ciclo della pompa, effetti della carenza di K nel mezzo extracellulare, della temperatura e dei veleni metabolici. Trasporto attivo secondario: trasporto di aminoacidi. Scambiatore NCX. Trasporto vescicolare: esocitosi ed endocitosi. Endocitosi mediata da recettore. Trasporto transepiteliale: via paracellulare e transcellulare. Esempi di azione integrata dei meccanismi di trasporto attraverso le membrane: assorbimento e secrezione di bicarbonato nell’intestino; riassorbimento di NaCl e KCl nel rene; secrezione di HCl nello stomaco. Trasporto dell’acqua.
Il potenziale di membrana. Misura del potenziale di membrana di riposo. Equilibrio elettrochimico: equazione di Nernst. Significato del potenziale di equilibrio. Principio di elettroneutralità. Equilibrio di Donnan. Effetti della variazione della concentrazione extracellulare di potassio e di cloro nella fibra muscolare isolata. Esperimento di Boyle e Conway. Il potenziale di diffusione. Equilibrio multiionico e equazione di campo costante (GHK). Il ruolo della pompa Na/K nel potenziale di membrana. Azione elettrogenica della pompa: esperimenti sui neuroni di lumaca. Modello elettrico equivalente della membrana.
Risposte elettriche delle membrane cellulari. Proprietà elettriche passive della membrana cellulare: resistenza e capacità. Costante di tempo della membrana. Il neurone. Specializzazione funzionale del neurone. Stimolazione nervosa. Il potenziale d’azione. Relazione intensità-durata della stimolazione sopraliminare. Accomodazione e refrattarietà delle membrane eccitabili. Basi ioniche del potenziale d’azione, ciclo di Hodgkin per il sodio e per il potassio. La tecnica del voltage-clamp. Correnti ioniche e corrente capacitiva. Identificazione delle correnti ioniche. Separazione delle correnti ioniche: esperimento di Hodgkin e Huxley, uso di bloccanti specifici dei canali. Inattivazione della conduttanza del sodio. Equazioni delle conduttanze del sodio e del potassio. Variazioni delle conduttanze ioniche durante il potenziale d’azione. La tecica del patch clamp. Registrazioni da singolo canale voltaggio-dipendente del sodio e del potassio.
La conduzione dell’impulso. La proprietà di cavo dell’assone, la costante di spazio. Propagazione elettrotonica dei segnali lungo l’assone. Propagazione dell’impulso mediante circuiti locali di corrente. Fibre amieliniche e fibre mieliniche. Conduzione saltatoria. Il potenziale d’azione composto. Classificazione delle fibre nervose in base alla velocità di conduzione del potenziale d’azione.
Trasmissione sinaptica. Classificazione delle sinapsi. Le sinapsi elettriche e chimiche. Esperimento di Loewi. Sinapsi chimiche dirette. Sinapsi interneuroniche: vie eccitatorie e inibitorie nei riflessi spinali. I potenziali sinaptici nei motoneuroni spinali. Il potenziale postsinaptico eccitatorio (EPSP). Cenni sui recettori del glutammato. Il potenziale postsinaptico inibitorio (IPSP). Sinapsi chimiche indirette. Recettori metabotropici accoppiati alle proteine G. Cenni sul sistema nervoso autonomo. Farmacologia delle sinapsi del SNA. Trasmissione sinaptica nei gangli spinali simpatici di rana come esempio di neuromodulazione. Caratterizzazione dell’EPSP lento. Canali M del K+.
Visione. Struttura della retina nei vertebrati. Bleaching della rodopsina con la luce. Spettro di assorbimento e sensibilità dei coni e dei bastoncelli nel visibile. Origine del potenziale di membrana di riposo nei fotorecettori: la “dark current”. Il meccanismo della fototrasduzione: rodopsina, trasducina, fosfodiesterasi (cGMP→GMP), canali cationici cGMP gated. Trasmissione del segnale dai fotorecettori alle cellule gangliari. Campi recettivi delle cellule bipolari e gangliari. Cellule bipolari di tipo H e D. Cellule gangliari a centro ON e OFF. La trasmissione del segnale dalla retina alla corteccia visiva primaria. Cenni sulle cellule della corteccia visiva primaria: cellule semplici (orientamento di una barra luminosa), complesse (orientamento/movimento di un bordo luce/buio) e ipercomplesse (orientamento/movimento e lunghezza di un bordo luce/buio).