Concetti Chiave
- I canali ionici sono fondamentali per il cambiamento del potenziale di membrana, influenzando i flussi di ioni durante la depolarizzazione e la ripolarizzazione.
- La simulazione del comportamento delle cellule eccitabili richiede la risoluzione di un sistema di equazioni differenziali che includono il potenziale di membrana e gli stati cinetici dei canali ionici.
- Il circuito elettrico della cellula è descritto come un circuito RC, dove il condensatore rappresenta la membrana e il resistore i canali ionici aperti.
- La fine della depolarizzazione è causata dalla vicinanza al potenziale di inversione dei canali Na, dalla loro inattivazione e dall'attivazione dei canali K.
- Durante la ripolarizzazione, i canali Na sono inattivati per circa l'80%, mentre i canali K diventano più attivi, contribuendo a una corrente totale positiva attraverso la membrana.
Descrizione dei canali ionici
Abbiamo finora imparato a descrivere il comportamento dei canali ionici, tenendo anche conto della loro dipendenza dal potenziale di membrana (quando presente). Abbiamo inoltre imparato a descrivere in che modo i flussi di ioni attraverso i canali contribuiscono a cambiare il potenziale di membrana.
Simulazione del comportamento cellulare
Siamo quindi pronti a simulare il comportamento di una cellula eccitabile. Questa simulazione equivale alla risoluzione di un sistema di equazioni differenziali (molte equazioni differenziali che vanno risolte tutte insieme). Questo sistema includerà l’equazione del potenziale di membrana e le equazioni che descrivono il comportamento temporale degli stati cinetici dei vari canali ionici presenti nella cellula. Descriviamo questo sistema in maniera più approfondita. Consideriamo una cellula eccitabile avente una membrana con una capacità elettrica di 10 pF, e contenente vari tipi di canali ionici.
Circuito elettrico della cellula
Supponiamo inoltre che la cellula è stata collegata a due elettrodi presenti ai lati opposti della membrana plasmatica, in modo da poter introdurre una corrente I all’interno della cellula per stimolarla. Come già visto, il comportamento elettrico di questa cellula può essere descritto dal circuito RCin cui il condensatore rappresenta la porzione fosfolipidica della membrana, ed il resistore rappresenta l’insieme dei canali ionici che nel momento considerato si trovano aperti su questa membrana.
Eventi della depolarizzazione
Quali sono gli eventi che contribuiscono alla fine della depolarizzazione? Ve ne sono diversi:
ai potenziali di membrana tipici del picco di un potenziale d’azione ci troviamo vicino al potenziale di inversione dei canali del Na. Ciò vuol dire che le correnti Na che possono attraversare questi canali sono molto piccole, e non riescono a provocare una ulteriore depolarizzazione. Ciò può essere dimostrato guardando agli effetti di un aumento del VINV nel nostro modello. Come si vede, se VINV varia da +60 mV a +100 mV il picco del potenziale d’azione si fa più alto, in accordo con quanto detto.
Ai tempi del picco del potenziale d’azione i canali Na iniziano ad inattivarsi, e ciò limita il numero di canali aperti che possono contribuire alla depolarizzazione. Ciò è evidente se si grafica la quantitàniNa, che rappresenta la frazione di canali che sono nello stato inattivo.
Ai tempi del picco del potenziale d’azione le correnti K hanno avuto un tempo sufficiente per iniziare ad attivarsi, come mostra questa espansione temporale della frazione di canali K aperti al picco.
Ripolarizzazione del potenziale di membrana
La successiva fase è quella della ripolarizzazione del AP. Quali sono gli eventi che vi contribuiscono? Essenzialmente gli stessi che determinano il raggiungimento del picco.
Al tempo in cui il potenziale di membrana inizia a ripolarizzarsi i canali Na si sono inattivati per circa l’80%. Al contrario agli stessi tempi i canali K hanno raggiunto un ulteriore grado di attivazione. Ciò significa che in questo caso le corrente che passa attraverso i canali K supera quella che passa attraverso i canali Na, ovvero la corrente totale che passa attraverso la membrana è positiva.
Ciò determina la ripolarizzazione del potenziale di membrana.
Domande da interrogazione
- Qual è il ruolo dei canali ionici nel cambiamento del potenziale di membrana?
- Come si simula il comportamento di una cellula eccitabile?
- Quali eventi contribuiscono alla depolarizzazione durante un potenziale d'azione?
- Cosa accade durante la ripolarizzazione del potenziale di membrana?
I canali ionici contribuiscono ai flussi di ioni che modificano il potenziale di membrana, influenzando il comportamento elettrico della cellula (come descritto nel testo).
La simulazione del comportamento di una cellula eccitabile avviene risolvendo un sistema di equazioni differenziali che include l'equazione del potenziale di membrana e le equazioni per gli stati cinetici dei canali ionici (come spiegato nel testo).
Durante la depolarizzazione, eventi come l'inattivazione dei canali Na e l'attivazione dei canali K limitano ulteriori depolarizzazioni, come evidenziato nel testo.
Durante la ripolarizzazione, i canali Na sono inattivati per circa l'80%, mentre i canali K sono attivati, portando a una corrente totale positiva che determina la ripolarizzazione del potenziale di membrana (come descritto nel testo).
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