Analisi della cinetica dei canali ionici e del potenziale d'azione

Ci siamo finora occupati dei principi generali che governano la cinetica dei canali ionici. Abbiamo imparato ad impostare il sistema di equazioni differenziali che descrive uno schema cinetico, e a risolverlo utilizzando xpp. Passiamo ora ad occuparci dei canali ionici che sono particolarmente importanti per la generazione del potenziale d’azione. Studieremo il loro comportamento cinetico, il quale ci sarà utile per il nostro obiettivo ultimo, che consiste nel costruire un modello matematico di cellula eccitabile.

Importanza dei canali K voltaggio-dipendenti

Tra i canali ionici virtualmente presenti in tutte le cellule eccitabili ed importanti per la generazione del potenziale d’azione vi sono i canali K voltaggio-dipendenti delayedrectifier. Questi canali sono estremamente selettivi per gli ioni K rispetto agli altri ioni fisiologici, e ciò implica che il loro potenziale di inversione coincide con il potenziale di equilibrio per lo ione K. Inoltre essi hanno una conduttanza di singolo canale relativamente piccola, di circa 10 pS.

Nel range di potenziali di membrana assunti dalla cellula durante un potenziale d’azione (da circa -70 mV a circa +60 mV) questi canali conducono una corrente positiva, ovvero gli ioni potassio passeranno dal lato intracellulare al lato extracellulare.

Comportamento cinetico dei canali DRK

Dal punto di vista cinetico le principali informazioni su questi canali si sono ottenute da registrazioni di corrente macroscopica ottenute in risposta a step di potenziale depolarizzanti. In questi esperimenti si usano condizioni ioniche che impediscono il passaggio degli ioni attraverso gli altri tipi di canali presenti sulla membrana, in modo da ottenere risposte in corrente riconducibili alla sola popolazione di canali DRK. Si nota che la corrente a -70 mV di potenziale applicato e’pressoché nulla, poiché a questo potenziale di membrana i canali DRK sono chiusi. In seguito alla depolarizzazione della membrana si osserva che la corrente diventa man mano sempre più positiva, segno del fatto che i canali DRK si stanno aprendo, contribuendo quindi ad incrementare la corrente nel verso positivo. La velocità di apertura di questi canali, rappresentata dalla velocità con cui sale la corrente, è particolarmente lenta, almeno rispetto a quella osservata per altri canali che studieremo in seguito. È per questo che il nome di questi canali contiene il termine “delayed”. È molto importante notare che l’attivazione della corrente è sigmoidale. In altri termini subito dopo la depolarizzazione la salita della corrente non è molto accentuata, ed occorre attendere circa 1 ms prima che la corrente inizi a salire con alta velocità. Questo comportamento cinetico può essere interpretato con uno schema cinetico in cui, in seguito alla depolarizzazione, il canale prima di aprirsi deve attraversare una successione di stati chiusi. Il tempo necessario per attraversare questi stati origina il ritardo iniziale osservato nella salita della corrente.