SCIENZE BIOMOLECOLARI, GENOMICHE E CELLULARI

Ex laurea magistrale in Biologia Molecolare

ELETTROFISIOLOGIA CELLULARE

Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2020/2021
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
FISIOLOGIA (BIO/09)
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

ITALIANO

Obiettivi formativi

Il corso si propone di fornire una conoscenza approfondita della teoria della eccitabilità di Hodgkin e Huxley, qui sviluppata nel contesto di diversi tipi cellulari.
Il corso si propone inoltre di fornire una conoscenza approfondita delle principali metodiche sperimentali per la misura della eccitabilità cellulare e della sua modulazione.
Il corso ha infine anche l'obiettivo di fornire agli studenti le conoscenze necessarie per ricostruire gli eventi eccitabili cellulari macroscopici a partire dalla conoscenza, descrittiva e formale, dei meccanismi molecolari ad essi sottesi. Delle metodiche di fisiologia cellulare, presentate durante le lezioni frontali, verrà richiesta una conoscenza tecnica funzionale alla comprensione dei meccanismi molecolari e cellulari a cui esse danno accesso.

Prerequisiti

Conoscenze di base di matematica, fisica, chimica, biologia cellulare e biochimica. Conoscenza approfondita di fisiologia generale.

Contenuti dell'insegnamento

1. meccanismo del potenziale di membrana
2. meccanismo del potenziale d'azione
3. tecniche per la misura del potenziale di membrana (current clamp, voltage clamp, coupling clamp, action potential clamp)
4. misura in voltage clamp del gating dei parametri di gating di correnti ioniche
5. ricostruzione numerica del potenziale d'azione da dati sperimentali
6. proprietà del potenziale d'azione: reobase, cronassia, refrattarietà, restituzione elettrica, restituzione dinamica, resistenza di membrana.
7.propagazione del potenziale d'azione

APPROFONDIMENTI DA LETTERATURA RECENTE:
1. cellule pacemaker cardiache e modulazione della loro attività elettrica
2. dinamica del processo di eccito-contrazione cardiaca cellulare e sua misura sperimentale
3. modulazione elettrotonica della ripolarizzazione del potenziale d'azione cardiaco.

Programma esteso

1. Genesi del potenziale di membrana . 2. Genesi del potenziale d'azione.
3. Tecniche di misura del potenziale di membrana (current clamp, voltage
clamp, coupling clamp, action potential clamp, dynamic clamp). 4. Misura
del gating dei canali ionici in voltage clamp. 5. Ricostruzione numerica
del potenziale d'azione dai dati sperimentali. 6. Proprietà del potenziale
d'azione: reobase, cronassia, refrattarietà, restituzione elettrica,
restituzione dinamica, input resistance. 7. Propagazione del potenziale
d'azione.

Bibliografia

Fisiologia e Biofisica delle cellule
V. Taglietti - C. Casella
Edises
Ed. 2015

LETTERATURA:
1. Action potential duration, rate of stimulation, and intracellular sodium.
Carmeliet E.
J Cardiovasc Electrophysiol. 2006 May;17 Suppl 1:S2-S7. Review.

2. Electrotonic modulation of electrical activity in rabbit atrioventricular node myocytes.
Spitzer KW, Sato N, Tanaka H, Firek L, Zaniboni M, Giles WR.
Am J Physiol. 1997 Aug;273(2 Pt 2):H767-76.

3. Conduction between isolated rabbit Purkinje and ventricular myocytes coupled by a variable resistance.
Huelsing DJ, Spitzer KW, Cordeiro JM, Pollard AE.
Am J Physiol. 1998 Apr;274(4):H1163-73.

4. Beat-to-beat repolarization variability in ventricular myocytes and its suppression by electrical coupling.
Zaniboni M, Pollard AE, Yang L, Spitzer KW.
Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2000 Mar;278(3):H677-87.

5. Temporal variability of repolarization in rat ventricular myocytes paced with time-varying frequencies.
Zaniboni M, Cacciani F, Salvarani N.
Exp Physiol. 2007 Sep;92(5):859-69.

6. Cardiac excitation-contraction coupling.
Bers DM.
Nature. 2002 Jan 10;415(6868):198-205. Review.

7. Cell-specific Dynamic Clamp analysis of the role of funny If current in cardiac pacemaking. Ravagli E1, Bucchi A2, Bartolucci C1, Paina M2, Baruscotti M2, DiFrancesco D2, Severi S3.
Prog Biophys Mol Biol. 2016 Jan;120(1-3):50-66.

Metodi didattici

LEZIONI FRONTALI.
Durante le lezioni verranno discusse le problematiche generali connesse ai meccanismi molecolari della eccitabilità cellulare.

Nella parte introduttiva del corso verranno ripresi e approfonditi i concetti di eccitabilità di membrana sviluppati nei corsi di fisiologia generale.
In particolare verrà discussa e approfondita la teoria di Hodgkin e Huxley della eccitabilità cellulare di cui si mostrerà agli studenti la riduzione computazionale con esempi nel campo neuronale e cardiaco.
Saranno quindi delineati i differenti meccanismi eccitabili in: procarioti, alghe unicellulari, protisti, piante superiori, cellule eucariotiche neuronali e muscolari.
Nella seconda metà del corso verranno discussi recenti articoli specialistici riguardanti la eccitabilità di membrana, la sua origine e modulazione nei contesti su citati. La presentazione dei lavori scientifici sarà preceduta da un richiamo dei concetti generali trattati, a cui farà seguito la presentazione della ipotesi di lavoro degli autori, la descrizione delle metodiche trattate e lo studio e discussione dei risultati. Particolare enfasi verrà posta su alcune metodiche sperimentali per la misura della eccitabilità di membrana, data l'importanza delle stesse nella evoluzione del concetto di eccitabilità.
In particolare verrà presentata agli studenti la tecnica del patch clamp nelle sue diverse modalità e nei suoi più recenti sviluppi (coupling clamp e dynamic clamp).
Durante lo svolgimento del corso verrà tenuto agli studenti almeno un seminario specialistico da un esperto di uno degli aspetti della eccitabilità cellulare studiati.

Modalità verifica apprendimento

MODALITA' DELL'ESAME FINALE: ORALE.
Agli studenti verrà concessa la facoltà di scegliere se presentare per l'esame orale la parte generale riguardante i meccanismi molecolari della eccitabilità con particolare riferimento alla teoria di Hodgkin e Huxley. Tale parte fa riferimento al testo adottato e a materiale aggiuntivo messo a disposizione degli studenti sul sito del corso e discusso durante le lezioni frontali.
Gli studenti potranno altresì presentare come argomento per l'esame orale una delle pubblicazioni scientifiche discusse durante il corso. In questo caso dovranno saper esporre e commentare le ipotesi alla base della pubblicazione, le metodiche utilizzate dagli autori per verificare tali ipotesi e i risultati ottenuti. Verrà richiesto loro anche di essere in grado di contestualizzare la pubblicazione in questione nell'ambito della fisiologia dei tipi cellulari descritti.

Altre informazioni

Le seguenti competenze, anche se non richieste per l'acquisizione dei crediti relativi al corso, sono fortemente consigliate dal docente che fornirà il corrispondente materiale di approfondimento all'inizio del corso:

1. introduzione alle equazioni differenziali ordinarie
2. introduzione al calcolo numerico
3. introduzione all'ambiente matematico Matlab