Ruolo dei canali ionici nella fisiologia neuronale e potenziale d'azione

Canali ionici nei neuroni

Oltre ai canali Na voltaggio-dipendenti ed ai canali DRK, molti neuroni possiedono anche altri tipi di canali ionici, la cui attività può influenzare in maniera determinante la forma del potenziale d’azione. Molti neuroni, ad esempio, esprimono elevate quantità di canali Ca voltaggio-dipendenti.

Ruolo dei canali Ca²+

Per certi aspetti i canali Ca²+ assumono una rilevanza peculiare nella fisiologia delle cellule. In condizioni di riposo la concentrazione di Ca²+ intracellulare è mantenuta molto bassa (nell’ordine dei 100 nM) dalla continua attività di trasportatori che estrudono attivamente questo ione all’esterno. Quando, in seguito a una depolarizzazione della membrana o ad un segnale di tipo chimico, i canali Ca²+ presenti nella membrana plasmatica si aprono, la concentrazione di questo ione nel citosol aumenta sensibilmente, e ciò determina dei cambiamenti nel comportamento di numerose proteine Ca²+-dipendenti. In questo modo i canali Ca²+ regolano, oltre all’eccitabilità, numerosi altri processi Ca-dipendenti, quali la contrazione muscolare, la trasmissione sinaptica e l’espressione genica.

Contributo dei canali HVA

Contributo delle correnti calcio HVA alla forma di un potenziale d’azione.

I canali calcio HVA sono presenti in molti tipi neuronali. Durante un potenziale d’azione essi si aprono, partecipando quindi, insieme ai canali Na voltaggio-dipendenti e DRK, a stabilire la dinamica del potenziale di membrana. Ad esempio una elevata espressione di canali HVA è stata osservata nei neuroni sensoriali che trasportano stimoli nocicettivi. Si è stabilito, sia con dati sperimentali che con simulazioni numeriche, che in questi neuroni i canali HVA contribuiscono a rendere il potenziale d’azione particolarmente lungo (nella maggior parte dei casi la durata del potenziale d’azione è di circa 1 ms; al contrario i potenziali d’azione dei neuroni sensoriali nocicettivi presentano una lunghezza che può raggiungere i 5 ms). L’entrata massiva degli ioni Ca che si verifica durante un potenziale d’azione in questi neuroni ha un ruolo funzionale estremamente importante: numerosi enzimi intracellulari calcio-dipendenti si attivano, e ciò porta in definitiva all’aumento della trascrizione di numerosi geni. Per questo motivo i neuroni sensoriali sono in grado di modulare l’espressione di varie proteine a seconda della loro attività.

Studio dei canali HVA

Al fine di studiare i meccanismi attraverso i quali i canali Ca HVA partecipano a stabilire la forma del potenziale d’azione, immetteremo nel modello matematico di eccitabilità che abbiamo costruito una corrente le cui proprietà corrispondono a quelle dei canali Ca HVA di tipo N, studiate in dettaglio nei neuroni sensoriali. Vedremo quindi in che modo l’attività di questi canali modifica la forma del potenziale d’azione, e cercheremo di capirne le ragioni.

I canali calcio HVA di tipo N hanno una conduttanza di singolo canale di circa 20 pS, ed un potenziale di inversione di circa +100 mV (la concentrazione del Ca intracellulare è estremamente bassa), a causa del fatto che essi sono estremamente selettivi per gli ioni Ca rispetto a tutti gli altri ioni fisiologici.