Fisiologia generale - Parte 2

Fisiologia generale

Lezione 7 11/03/2021

Abbiamo già visto il potenziale d’azione, ma dal momento in cui tiene al fatto che lo sappiamo molto bene lo rivediamo, con tutte le sue fasi.

Nella lezione precedente abbiamo visto che le cellule presentano una differenza di potenziale elettrico tra l’interno e l’esterno, con l’interno negativo rispetto all’esterno, e che questa differenza di potenziale elettrico è determinata dalla diversa distribuzione degli ioni a cavallo della membrana. La membrana è permeabile per tutti questi ioni, ma presenta una permeabilità che è diversa a seconda degli ioni. Il concetto che abbiamo imparato è che il potenziale di membrana a riposo, quindi questa differenza di potenziale elettrico, è tanto vicino al potenziale di equilibrio dello ione per il quale la membrana è più permeabile.

Il potenziale di equilibrio di uno ione è quel valore del potenziale di membrana per il quale la forza che spinge uno ione a muoversi secondo gradiente di concentrazione è uguale e opposta alla forza che spinge lo stesso ione a muoversi secondo gradiente elettrico; di conseguenza, il flusso netto è pari a 0.

Abbiamo visto che gli ioni che principalmente intervengono nel determinare il valore del potenziale di membrana sono sodio, potassio e cloro; il potenziale di membrana a riposo è praticamente identico al potenziale di equilibrio per il cloro, e quindi il flusso di quello ione è praticamente netto uguale a 0.

Invece, gli ioni che principalmente intervengono sono il sodio e il potassio.

Quand’è che parliamo di cellule elettricamente eccitabili? Parliamo di cellule elettricamente eccitabili quando sono presenti, nella membrana plasmatica di queste cellule, i canali voltaggio-dipendenti per il sodio e per il potassio, che sono anche responsabili di questa variazione del potenziale di membrana che comporta anche un’inversione del potenziale di membrana, con l’interno che diventa negativo rispetto all’esterno.

• Partiamo da un valore di potenziale di membrana a riposo.
• Ad un certo punto arriva uno stimolo di natura elettrica, ossia un ingresso di cariche positive all’interno della cellula che origina delle correnti elettrotoniche, che non sono altro che lo spostarsi di queste cariche attraverso il citoplasma, che raggiunge la zona trigger o nodo di Ranvier, ossia l’inizio dell’assone del neurone, dove sono contenuti i canali voltaggio-dipendenti per il sodio e per il potassio.
• Se la depolarizzazione raggiunge questa soglia, è sufficiente da far diminuire di 15 mV il valore del potenziale di membrana, cioè da renderlo 15 mV meno negativo, allora si aprono i canali voltaggio-dipendenti.
• Quelli per il sodio, però, hanno una cinetica molto rapida, quindi quando questi si aprono il sodio entra, e nell’entrare trascina il potenziale di membrana verso il proprio potenziale di equilibrio, che sappiamo essere positivo.
• Ad un certo punto i canali per il sodio non faranno più entrare cariche positive e quindi il potenziale di membrana comincerà a ritornare verso il valore del potenziale di riposo, per cui inizia nuovamente la fase di depolarizzazione.
• A questo punto si trovano completamente aperti i canali per il potassio e quindi la membrana si ripolarizza più velocemente per effetto della corrente uscente di ioni potassio.
• Poiché anche il potassio tende a portare il valore del potenziale di membrana verso il proprio potenziale di equilibrio, si avrà una fase di iperpolarizzazione, dovuta all’uscita di potassio.
• Dopodiché anche i canali per il potassio si chiudono e la membrana ritorna al potenziale di membrana a riposo iniziale.

Fasi dei canali del Na+ voltaggio-dipendenti

Abbiamo detto che i canali voltaggio-dipendenti per il sodio sono dei canali molto particolari (da ricordare bene, concetto molto importante). Presentano due tipi di cancello: un cancello di apertura o di attivazione, e una porta di inattivazione. In realtà, le porte di attivazione sono 3, mentre la porta di inattivazione è soltanto una.

Le porte di attivazione sono più vicine al versante extracellulare, mentre la porta di inattivazione è rivolta verso l’interno della cellula. Questo è lo stato del canale a riposo.

Quando il canale è a riposo la porta di attivazione è chiusa e la porta di inattivazione è aperta.

Quando la membrana si depolarizza e i canali del sodio si aprono, si apre velocissimamente la porta di attivazione e contemporaneamente comincia a chiudersi la porta di inattivazione. Quello che cambia tra queste due porte è la cinetica: significa che c’è un periodo sufficientemente adeguato che permette al sodio di entrare all’interno della cellula e a determinare una depolarizzazione. Più sodio entra all’interno della cellula più canali per il sodio voltaggio-dipendenti si aprono.

Sempre più sodio entra nella cellula fino a portare all’inversione del potenziale di membrana e a tendere verso il potenziale di equilibrio dello ione sodio. Il sodio smette di entrare quando il canale è inattivato, ossia quando il sodio può entrare dentro il canale, ma non riesce a raggiungere il versante intracellulare perché la porta di inattivazione ad un certo punto si chiude.

Siamo, quindi, alla punta del potenziale d’azione, vedere immagine iniziale. Di conseguenza, alla punta del potenziale non dobbiamo dire che i canali del sodio sono chiusi, ma che i canali del sodio sono inattivati.

In questa situazione, ossia quando i canali del sodio sono inattivati, essi non sono eccitabili, quindi qualunque stimolo non è in grado di farli aprire di nuovo perché, in realtà, sono già aperti ed è la porta di inattivazione a impedire l’ingresso di sodio nella cellula.

Quando poi i canali per il sodio ritornano allo stato di riposo ci troviamo nella stessa situazione dell’immagine A.

Ora vediamo dal punto di vista elettrico come si muove il tracciato del potenziale d’azione in base al diverso momento dello stato di apertura o inattivazione dei canali.

Quando è a riposo la porta di attivazione è chiusa, mentre il cancello di inattivazione è aperto.

Quando si raggiunge il potenziale soglia, la porta di attivazione si apre e quella di inattivazione comincia a chiudersi.

Man mano che il sodio entra aumenta la depolarizzazione.

La depolarizzazione aumenta fino a raggiungere il picco: il picco si raggiunge quando la porta di inattivazione si chiude.

A questo punto il sodio non può più entrare e il potenziale di membrana ritorna al valore di riposo.

Ruolo della TTX

Come abbiamo visto la scorsa volta, questi canali per il sodio possono essere bloccati da una tossina, un veleno, chiamata tetradotossina, presente nel pesce palla.

Movimenti ionici durante il potenziale d’azione

La depolarizzazione iniziale provoca l’apertura rapida dei cancelli di attivazione dei canali per il sodio. Inoltre, sempre la depolarizzazione, spostato nel tempo ma sempre contemporaneamente, provoca anche l’apertura dei canali per il potassio, che sono più lenti. Di conseguenza, non sono eventi diversi che fanno aprire i due canali, ma è lo stesso, solo che i canali per il sodio si attivano molto più velocemente.

Una volta aperti i canali, il sodio entra all’interno della cellula e il suo ingresso determina un’ulteriore depolarizzazione. L’ingresso del sodio crea un circuito a retroazione positiva che si interrompe quando il cancello di inattivazione si chiude. Ad interrompere questo ciclo è la chiusura dei cancelli di inattivazione dei canali per il sodio. A questo punto il sodio non può più entrare e il feedback positivo si interrompe.

Con l’apertura dei canali per il potassio, il potassio esce dalla cellula e si ha la ripolarizzazione.

Quando parliamo dei canali per il potassio voltaggio-dipendenti abbiamo due stati: aperto e chiuso. Quando, invece, parliamo dei canali per il sodio voltaggio-dipendenti abbiamo tre stati:

• Stato chiuso → quando il canale è a riposo la porta di attivazione è chiusa e quella di inattivazione è aperta.
• Stato aperto → entrambe le porte sono aperte.
• Stato inattivato → la porta di attivazione è aperta e quella di inattivazione è chiusa.

Questo concetto è importante perché rende ragione del fatto che nonostante il potenziale d’azione, che abbiamo detto essere la rappresentazione grafica della variazione del potenziale di membrana in funzione del tempo, in una cellula nervosa duri da 1 a 2 ms e che quindi potenzialmente una cellula nervosa può originare mille potenziali d’azione in un secondo, questo non si verifica mai. Non si verifica mai perché c’è un periodo della fase durante il potenziale d’azione, in cui la cellula non può essere ulteriormente eccitata; questo periodo di incapacità della cellula di rispondere a qualunque stimolo e quindi dare origine ad un ulteriore potenziale d’azione, prende il nome di periodo refrattario.

Il periodo refrattario può essere di due tipi:

• Refrattario assoluto → durante il periodo refrattario assoluto nessuno stimolo, per quanto intenso, può originare un altro potenziale d’azione.
• Refrattario relativo → durante il periodo refrattario relativo uno stimolo molto intenso, o comunque più intenso del normale, è in grado di iniziare un potenziale d’azione.

Cosa si determina il periodo di refrattarietà assoluta o il periodo di refrattarietà relativa?

Il periodo di refrattarietà assoluta si ha quando i canali per il sodio sono inattivati: in quel momento nessuno stimolo è in grado di far generare un ulteriore potenziale d’azione perché il canale del sodio è inattivato, per cui il sodio non è che non può entrare perché il canale è chiuso ma perché questo è inattivato, e solo con la ripolarizzazione ritorna ad uno stato di chiusura, e quindi la porta di inattivazione si riapre e quella di attivazione si chiude. Succede questo quando la membrana si sta ripolarizzando.

Una cosa che abbiamo detto la scorsa volta, e che è anche alla base del concetto di feedback positivo, la depolarizzazione, che aumenta man mano che aumenta la quantità di cariche positive che entrano nella cellula, è dovuta al fatto che la membrana cellulare possiede tanti canali per il sodio: immaginiamo di avere una membrana con 10 canali per il sodio voltaggio-dipendenti.

Raggiungiamo la fine della fase di depolarizzazione quando tutti e 10 i canali voltaggio-dipendenti per il sodio si sono aperti, e quindi il sodio può entrare. Man mano questi canali si inattivano e, una volta raggiunto il picco, sono inattivati. Quello che vi voglio dire è che a -55 mV, cioè quando si raggiunge il potenziale soglia, i 10 canali voltaggio-dipendenti per il sodio non si aprono tutti insieme: magari se ne aprono due, così il sodio comincia ad entrare, perché gli altri 8 canali hanno necessità di una maggiore depolarizzazione per potersi aprire. Quindi, man mano che il sodio entra magari ne apre altri due, ed ecco che siamo a 4; man mano che il sodio entra ne apre altri 4, e siamo a 8 e alla fine si aprono tutti.

La stessa identica cinetica si ha anche con il ritorno allo stato di chiusura dei canali per il sodio: il che significa che all’inizio saranno tutti inattivati, ma poi a poco a poco con la ripolarizzazione, in tempi successivi, ritorneranno allo stato chiuso. Man mano che i canali per il sodio ritornano allo stato chiuso ecco che entriamo nel periodo refrattario relativo, ossia quel periodo in cui è necessario uno stimolo più intenso perché quei canali possano essere nuovamente aperti, e quindi iniziare un potenziale d’azione. Per cui nello stato di refrattarietà relativa abbiamo che è necessario uno stimolo di intensità maggiore perché nasca un secondo potenziale d’azione.

Dall’immagine possiamo notare che il potenziale soglia si è spostato verso l’alto, verso valori meno negativi. Inoltre, notiamo anche una seconda differenza rispetto al potenziale d’azione standard descritto anche prima: l’ampiezza del potenziale d’azione non è la stessa. Di conseguenza, hanno bisogno di una soglia di attivazione maggiore, quindi una maggiore depolarizzazione. Hanno un’ampiezza minore rispetto al normale perché un certo numero di canali per il sodio sono ancora inattivati, e quindi non faranno entrare quella quantità di sodio che abbiamo normalmente, ma ne faranno entrare meno, per cui si raggiungerà un’ampiezza inferiore rispetto a quella standard.

Questo, quindi, ci dice che non potranno mai esserci mille potenziali d’azione in un secondo perché tutto questo tempo di recupero del potenziale di membrana e dello stato di ritorno a riposo dei canali voltaggio-dipendenti lo impedisce.

Riassumendo

Possiamo dire che il potenziale d’azione è un fenomeno generalmente molto breve, o meglio il potenziale d’azione nervoso, dato che successivamente vedremo altri potenziali d’azione, del muscolo scheletrico; del muscolo liscio; del cuore di cui ne vedremo due: potenziale d’azione del miocardio di conduzione e potenziale d’azione del miocardio comune o del lavoro, e capiremo che non hanno tutti la stessa durata.

In particolare, il potenziale d’azione nervoso dura circa 1-2 msec. Si tratta di una risposta attiva della cellula che si propaga senza decremento; possiede una soglia di innesco; risponde alla legge del tutto-o-nulla, ossia nel momento in cui nasce lo fa con la massima ampiezza di cui è capace, per cui o nasce con la massima ampiezza oppure non nasce, escluso ovviamente il periodo della refrattarietà relativa, ma in condizioni di frequenza standard il potenziale d’azione rispetta la legge del tutto-o-nulla.

Infine, abbiamo detto che presenta una fase di refrattarietà, che può essere assoluta o relativa e che dipende dalla cinetica dei canali per il sodio.

Se il potenziale d’azione nasce sempre uguale a se stesso, com’è che noi siamo in grado di capire se l’intensità dello stimolo è lieve, è forte; cioè com’è che siamo in grado di valutare se un’informazione che arriva al sistema nervoso centrale dalla periferia sia più o meno forte?

Non può esserci una modulazione in ampiezza perché abbiamo detto che l’ampiezza del potenziale d’azione per ogni cellula nervosa è sempre uguale a sé stessa.

Noi siamo coscienti di quanto uno stimolo sia intenso in base ad una modulazione in frequenza.

Immaginiamo di avere uno stimolo debole, rappresentato da un’onda quadra come in figura, che darà origine ad potenziale graduato e locale a livello del soma cellulare, che non sarà particolarmente intenso, quindi le correnti elettroniche che si generano e raggiungono il primo nodo di Ranvier non saranno particolarmente intense, ma efficienti da far sì che nascano i potenziali d’azione, i quali raggiungeranno il terminale assonale per dare l’informazione ad un altro neurone, e così via.

Immaginiamo, invece, nel secondo caso, seconda colonna dell’immagine, di avere uno stimolo più forte, praticamente il doppio del primo: il potenziale graduato locale che si genera a livello del dendrite è molto più intenso, per cui entrano molte più cariche positive. Il che significa che si genereranno delle correnti elettroniche molto più intense e che quindi raggiungeranno con maggiore intensità il primo nodo di Ranvier, e di conseguenza nasceranno un maggior numero di potenziali d’azione.

Confronto tra potenziali graduati locali e potenziali d’azione

Facciamo ora un confronto generale per vedere le differenze tra i potenziali graduati locali e i potenziali d’azione.

Il potenziale graduato locale è un segnale in entrata, mentre il potenziale d'azione è un segnale di conduzione. Il primo è un segnale in entrata perché è un segnale che nasce a livello dei dendriti, i quali abbiamo detto essere la regione del neurone che ricevono l'informazione.

Il potenziale d'azione è un segnale di conduzione, vedremo poi bene come avviene questa conduzione, ma che viaggia lungo la fibra nervosa, per cui non nasce e muore lì.

Generalmente, il potenziale graduato locale si genera a livello dei dendriti e qualche volta a livello del soma cellulare, mentre il potenziale d'azione nasce sempre dove sono presenti i canali voltaggio-dipendenti per il sodio e per il potassio; questi canali si trovano nel primo nodo di Ranvier, o zona trigger o monticolo assonico o cono d’emergenza o encoder → sono tutti termini che si riferiscono a quella specifica zona del neurone che è l’inizio dell’assone, dove si trovano per la prima volta i canali voltaggio-dipendenti per il sodio e per il potassio.

Per quanto riguarda il potenziale graduato i canali ionici coinvolti sono regolati chimicamente o meccanicamente, e gli ioni coinvolti generalmente sono sodio, calcio o cloro; nel caso del potenziale d'azione, invece, sono canali voltaggio-dipendenti e gli ioni coinvolti, almeno nel potenziale d'azione nervoso, sono il sodio e il potassio.