SCIENZE BIOMOLECOLARI, GENOMICHE E CELLULARI

Ex laurea magistrale in Biologia Molecolare

ELETTROFISIOLOGIA CELLULARE

Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2021/2022
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
FISIOLOGIA (BIO/09)
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Anno di corso: 
2
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.
L’esame orale sarà diviso in due parti. Nella prima verrà verificata la
comprensione dei meccanismi molecolari della eccitabilità con particolare
riferimento alla teoria di Hodgkin e Huxley, alla modulazione elettrotonica
della eccitabilità e all’accoppiamento eccito-contrattile. Tale parte fa
riferimento al testo adottato e al materiale aggiuntivo messo a
disposizione degli studenti sul sito del corso e discusso durante le lezioni
frontali. Nella seconda parte verrà richiesto di discutere una delle
pubblicazioni scientifiche presentate durante il corso, circa le ipotesi alla
base della stessa, le metodiche utilizzate e i risultati ottenuti.

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