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Biomatematica · Elettrofisiologia cellulare

Modello circuitale di membrana, canali ionici e Hodgkin–Huxley

Dal condensatore di membrana alla cinetica dei canali, fino al potenziale d'azione

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Il percorso

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Circuito di membrana

condensatore in parallelo con le correnti ioniche

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Cinetica dei canali

stati aperti e chiusi, subunità, variabili di gating

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Esperimenti di HH

voltage clamp e separazione delle correnti

4

Il modello di HH

quattro equazioni e il potenziale d'azione

Unità di Hodgkin–Huxley: V in mV, t in ms, correnti in µA/cm², conduttanze in mS/cm², capacità in µF/cm².

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Potenziale di riposo con più specie ioniche

Con relazioni corrente-voltaggio lineari, ogni specie ha una conduttanza Gᵢ e un potenziale di Nernst Vᵢ:

All'equilibrio la corrente totale è nulla:

In generale, con più specie:

Il potenziale di riposo è una media dei potenziali di Nernst pesata con le conduttanze: è vicino a quello dello ione a cui la membrana è più permeabile, il K⁺.

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La membrana come condensatore

La membrana separa cariche che si accumulano sulle superfici intra ed extracellulare: è un condensatore.

Capacità

Corrente capacitiva, Cₘ costante

Cₘ ≈ 1 µF/cm² per quasi tutte le membrane biologiche. Il valore è grande perché la membrana è sottilissima: è lo stesso motivo del campo elettrico enorme visto nella lezione sulla membrana. Cariche e potenziale sono legati: per variare V la corrente deve caricare o scaricare il condensatore.

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Il circuito equivalente di membrana

La membrana oppone resistenza al passaggio delle correnti ioniche nei canali: il modello elettrico è un condensatore in parallelo con una resistenza.

Per la conservazione della corrente:

Convenzione: corrente positiva dall'interno all'esterno (uscente). La corrente ionica dipende dal modello ionico scelto, diverso per tipo di cellula e specie.

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Dal singolo canale alla membrana

La corrente ionica è per unità di area. Se N canali sono aperti su una superficie di area S e φ(V) è la corrente di un singolo canale:

Nel caso lineare:

Ḡ conduttanza massima per unità di area; f frazione di canali aperti; Il singolo canale ha conduttanza e potenziale di inversione propri.

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Le variabili di gating

Vedremo che la frazione di canali aperti f soddisfa un'equazione differenziale ordinaria del primo ordine:

valore stazionario: la frazione di canali aperti se V restasse costante a lungo

costante di tempo: quanto rapidamente f raggiunge il valore stazionario

Dipendono da V

è il meccanismo che rende la membrana eccitabile: V cambia f, f cambia la corrente, la corrente cambia V

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Un canale con due stati

Una sola unità, chiusa (S₀) o aperta (S₁), con tassi di transizione α e β:

Per la legge di azione di massa, con le frazioni s₀ e s₁:

Eliminando s₀ = 1 − s₁ e ponendo w = s₁:

Cinetica del primo ordine, come anticipato.

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Due subunità identiche

Stati: S₀ chiuso-chiuso, S₁ una subunità aperta, S₂ aperto-aperto. Il fattore 2 conta le subunità che possono cambiare stato.

Da S₀ si passa a S₁ con tasso 2α perché ciascuna delle due subunità chiuse può aprirsi; da S₂ si torna a S₁ con tasso 2β perché ciascuna delle due aperte può chiudersi.

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La sostituzione binomiale

Se le subunità sono indipendenti e ciascuna è aperta con probabilità n:

Sostituendo, ad esempio nell'ultima equazione, e dividendo per 2n:

Tutte le equazioni del sistema danno la stessa ODE per n: il sistema a tre stati si riduce a una cinetica del primo ordine.

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K subunità identiche e indipendenti

Binomiale:

Dall'ultima equazione, dividendo per K nᴷ⁻¹ si ritrova la stessa ODE per n:

Frazione di canali che conducono: il canale è aperto solo se tutte le K subunità sono aperte.

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Subunità di tipo diverso: m e h

Esempio: due subunità di tipo m (tassi α, β) e una di tipo h (tassi γ, δ). Sᵢⱼ: i subunità m aperte, j subunità h nello stato 1.

Orizzontali: transizioni delle subunità m.

Verticali: transizioni della subunità h.

Le due famiglie sono indipendenti: le probabilità si moltiplicano.

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Due cinetiche del primo ordine indipendenti

Usiamo le ultime due equazioni della legge di azione di massa:

Con la sostituzione prodotto, la somma delle due equazioni dà l'equazione per m; la differenza, usando quella per m, dà l'equazione per h:

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Hodgkin e Huxley, 1952

5 articoli sul Journal of Physiology

Un modello per la generazione e la propagazione del potenziale d'azione nell'assone gigante del calamaro, il cui diametro è circa 1000 volte quello di un assone della corteccia cerebrale.

Premio Nobel per la Medicina, 1963

Studi precedenti

1902

Bernstein: membrana semipermeabile al K⁺

1939–40

Cole, Curtis, Hodgkin: prime misure durante il potenziale d'azione

1946–47

Cole e Marmont: tecnica del voltage clamp

1948–52

Hodgkin, Huxley, Katz: dati, analisi, modelli, validazione e predizione

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La tecnica del voltage clamp

Un dispositivo elettronico inietta una corrente che compensa quella di membrana, tenendo V costante:

Misurando la corrente applicata si misura direttamente la corrente ionica a potenziale fissato, senza la corrente capacitiva.

Prima una corrente entrante dovuta al Na⁺, poi una corrente uscente dovuta soprattutto al K⁺.

Simulazione: gradino a V = 60 mV dal riposo.

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Separare le correnti di sodio e potassio

Ipotesi: canali Na⁺ e K⁺ indipendenti, la corrente ionica è la somma delle due. Due esperimenti allo stesso potenziale:

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Na⁺ extracellulare ridotto: si misura la corrente ionica 1

2

Na⁺ extracellulare normale: si misura la corrente ionica 2

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Dalle correnti alle conduttanze

Con relazioni I-V lineari, le conduttanze si ricavano in funzione del tempo e del potenziale di clamp:

Potassio: cresce con forma sigmoidale e resta alta.

Sodio: cresce rapidamente e poi decade, anche se V resta costante.

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Interpretare i dati con le variabili di gating

Modello più semplice, una subunità: in voltage clamp

Con V = V₀ costante, la cinetica del primo ordine ha coefficienti costanti e si integra esattamente:

Crescita con saturazione

Decadimento al ritorno a V = 0

Ma la conduttanza del potassio misurata parte con tangente orizzontale: un esponenziale non basta.

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Il potassio: quattro subunità

Con n(0) ≈ 0, n⁴ parte come t⁴ e decade quattro volte più in fretta di n:

4 è il più piccolo intero che dà curve sigmoidali in buon accordo con i dati.

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Il sodio: attivazione e inattivazione

m: attivazione

veloce, cresce con la depolarizzazione e apre il canale

h: inattivazione

lenta, decresce con la depolarizzazione e chiude il canale

m³h

il prodotto dà il picco transitorio della conduttanza del sodio

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Le funzioni α e β di Hodgkin–Huxley

Parametro

Valore

Ḡ (Na, K, L)

120, 36, 0.3 mS/cm²

V (Na, K, L)

115, −12, 10.6 mV

Cₘ

1 µF/cm²

V è lo scostamento dal potenziale di riposo (≈ −65 mV), positivo in depolarizzazione.

Nel codice: le α di m e di n sono 0/0 in V = 25 e V = 10.

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Curve stazionarie e costanti di tempo

m veloce

costante di tempo ≈ 0.2 ms a riposo: m segue V quasi istantaneamente

h e n lente

≈ 8.5 ms e ≈ 5.5 ms a riposo: un ordine di grandezza più lente

Verso la riduzione

la separazione delle scale porterà al modello a due variabili di FitzHugh–Nagumo

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Il modello di Hodgkin–Huxley

Quattro variabili, V, m, h, n, e quattro equazioni differenziali, più i dati iniziali.

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Il potenziale d'azione

Depolarizzazione

m si apre rapidamente, entra Na⁺, V sale di circa 100 mV

Ripolarizzazione

h chiude il sodio e n apre il potassio, che esce

Iperpolarizzazione

n è lenta a richiudersi: V scende sotto il riposo

Refrattarietà

finché h e n non tornano al riposo un nuovo stimolo è inefficace

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Soglia e risposta tutto o nulla

Con impulsi di 0.5 ms la soglia è circa 13.3 µA/cm².

Sotto soglia la risposta si spegne; appena sopra parte un potenziale d'azione completo, con un ritardo che si accorcia aumentando lo stimolo. L'ampiezza del picco non dipende dallo stimolo.

Domanda per la prossima lezione: da dove viene la soglia? L'analisi qualitativa risponderà.

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In sintesi

1

La membrana è un condensatore in parallelo con le correnti ioniche

2

Il riposo è la media dei potenziali di Nernst pesata con le conduttanze

3

Subunità indipendenti a due stati danno cinetiche del primo ordine

4

Hodgkin–Huxley dal voltage clamp: quattro subunità n per il K⁺, tre m e una h per il Na⁺

5

Quattro ODE riproducono potenziale d'azione, soglia e refrattarietà

Prossima lezione: analisi qualitativa del modello di Hodgkin–Huxley e riduzione di FitzHugh–Nagumo.