Fisiologia

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1. Cos’è il potenziale di membrana a riposo e da cosa è determinato?

Potenziale di membrana.

1. Per potenziale di membrana si intende la differenza di potenziale elettrico, misurabile in una cellula, tra il citosol, che presenta cariche negative e lo spazio extracellulare, che presenta cariche positive.

Molti dei soluti dell’organismo sono ioni e perciò portano una carica elettrica netta. Il potassio (K+) è il catione principale all’interno delle cellule, mentre il sodio (Na+) prevale nel liquido extracellulare. Dal punto di vista degli anioni, la maggior parte degli ioni cloro (Cl-) resta con Na nel liquido extracellulare. Gli ioni fosfato e le proteine cariche negativamente sono i principali anioni del liquido intracellulare.

Nel complesso, l’organismo è elettricamente neutro: per ogni catione, vi è un anione corrispondente. Tuttavia, gli ioni non sono distribuiti in modo uniforme tra il liquido intracellulare e il liquido extracellulare. Il compartimento intracellulare contiene alcuni anioni che non hanno cationi corrispondenti, conferendo alle cellule una carica negativa netta. Allo stesso tempo, il compartimento extracellulare ha cationi “mancanti”, assegnando al liquido extracellulare una carica positiva netta. Una conseguenza di questa distribuzione non uniforme di ioni è che i compartimenti intracellulare e extracellulare non sono in equilibrio elettrico. Al contrario, i due compartimenti permangono in uno stato di disequilibrio elettrico.

3. Il neurone: centro integrativo dei segnali nervosi

3. Il neurone, o cellula nervosa, è l’unità funzionale del sistema nervoso. I neuroni hanno una conformazione particolare, con lunghi processi che escono dal corpo della cellula nervosa. Dendriti, questi processi, di solito, vengono classificati come se ricevono segnali in arrivo, o assoni, come se trasportano informazioni in uscita. La forma, il numero e la lunghezza degli assoni e dei dendriti variano da un neurone all’altro, ma queste strutture sono una caratteristica fondamentale che permette ai neuroni di comunicare tra loro e con le altre cellule. I neuroni si possono classificare dal punto di vista strutturale o dal punto di vista funzionale.

Strutturale. La classificazione dei neuroni si basa sul numero dei processi che si dipartono dal corpo cellulare. Il neurone modello comunemente usato per insegnare il funzionamento di un neurone è multipolare. I neuroni multipolari del SNC appaiono differenti dai neuroni multipolari pseudounipolari efferenti. I neuroni hanno il corpo cellulare, posto a lato di un lungo processo chiamato assone (durante lo sviluppo i dendriti si fondono e diventano parte dell’assone). Bipolari. I neuroni hanno un unico assone e un unico dendrite che escono dal corpo cellulare. Anassonici, neuroni sono privi di un assone identificabile, ma hanno numerosi dendriti ramificati.

Funzionale: sensoriali, interneuroni, efferenti.

• Sensoriali: conducono informazioni sulla temperatura, sulla pressione, sulla luce e su altri stimoli, dai recettori sensoriali al SNC.
• Interneuroni: si trovano interamente all’interno del SNC. Si presentano con tante forme diverse, ma spesso hanno processi ramificati abbastanza complessi che consentono loro di comunicare con molti altri neuroni.
• Efferenti: sono molto simili al neurone modello, hanno regioni dilatate lungo l’assone, chiamate varicosità. Sia i terminali assonomici, sia le varicosità immagazzinano e rilasciano neurotrasmettitori. I lunghi assoni dei neuroni periferici afferenti ed efferenti, uniti a tessuto nervi connettivo, formano cordoni detti che si estendono dal SNC a tessuti o organi che costituiscono il bersaglio dei neuroni componenti. I nervi che possono trasportare solo segnali afferenti sono detti nervi sensitivi e quelli che portano solo segnali efferenti sono chiamati nervi motori. I nervi che possono inviare segnali in entrambe le direzioni sono detti nervi misti.

2. Mi definisca e spieghi il concetto di depolarizzazione ed iperpolarizzazione

2. Il potenziale di membrana a riposo delle cellule viventi è determinato principalmente dal gradiente di concentrazione del K e dalla permeabilità della membrana a riposo a K, Na e Cl. Un cambiamento in uno di questi due fattori modifica il potenziale di membrana. Se si conoscono i valori numerici per le concentrazioni di ioni e per la permeabilità, per calcolare il nuovo potenziale di membrana si può utilizzare l’equazione di GHK (Goldman-Hodgkin-Katz) utilizzata per calcolare il potenziale di membrana a riposo risultante dal contributo di tutti gli ioni che possono attraversare la membrana.

Scrivere la formula a mano, p. 224. 1ffffff fi fi fi fi ff fi fffi ff ff ff ff fi.

La relazione che esiste tra la concentrazione degli ioni, la permeabilità della membrana e il potenziale è un concetto fondamentale per comprendere come si instaura il potenziale di riposo di una cellula e come questo venga modificato.

Per esempio, a riposo la membrana cellulare di un neurone è solo leggermente permeabile al Na. Tuttavia, se la membrana aumenta improvvisamente la permeabilità al Na, il Na entra nella cellula seguendo il proprio gradiente elettrochimico. L’aggiunta di Na positivo nel liquido intracellulare depolarizza la membrana cellulare e produce un segnale elettrico.

Iperpolarizzare. Il movimento degli ioni attraverso la membrana può anche iperpolarizzare una cellula. Se la membrana cellulare diventa improvvisamente più più permeabile al K, si perdono cariche positive all’interno della cellula e la cellula diventa più negativa (iperpolarizzazione). Una cellula si può iperpolarizzare anche nel caso in cui ioni con carica negativa, come il Cl, penetrino nella cellula dal liquido extracellulare.

È importante comprendere che una variazione nel potenziale di membrana da -70 mV a un valore positivo, come +30 mV, non significa che i gradienti di concentrazione degli ioni si siano invertiti.

4. Quali sono le caratteristiche di un potenziale graduato?

4. Potenziali graduati: nei neuroni i potenziali graduati sono depolarizzazioni o iperpolarizzazioni che hanno luogo nei dendriti e nel corpo della cellula o, più di rado, vicino ai terminali assonici. Vengono definiti “graduati” perché la loro dimensione o ampiezza, è direttamente proporzionale alla forza dell’evento scatenante: uno stimolo intenso causa un potenziale graduato ampio, uno stimolo lieve causa uno di ampiezza minore.

Nei neuroni del SNC e della sezione efferente, i potenziali graduati hanno luogo quando i segnali chimici provenienti da altri neuroni aprono canali ionici regolati chimicamente, permettendo agli ioni di entrare o uscire dal neurone. I potenziali graduati possono verificarsi anche quando un canale aperto si chiude, diminuendo il movimento di ioni attraverso la membrana cellulare. Per esempio, se dei canali K si chiudono, una quantità minore di K lascerà la cellula e la ritenzione di K depolarizzerà la cellula stessa.

La figura mostra un potenziale graduato che ha inizio quando uno stimolo apre i canali per i cationi monovalenti sul corpo cellulare di un neurone. Ioni Na+ si spostano all’interno del neurone, introducendo carica elettrica. La carica positiva trasportata dal Na+ si diffonde come un’onda di depolarizzazione attraverso il citoplasma, proprio come un sasso buttato nell’acqua genera increspature o piccole onde che si diffondono dal punto in cui il sasso è entrato nell’acqua verso l’esterno. L’onda di depolarizzazione che si muove attraverso la cellula è dunque associata a un flusso locale di cariche corrente locale. Per convenzione, la corrente nei sistemi biologici è il movimento netto di cariche positive.

L’intensità della depolarizzazione iniziale in un potenziale graduato è determinata da quanta carica penetra nella cellula. Se si aprono più canali di Na, entra una quantità maggiore di Na e il potenziale graduato ha un’ampiezza iniziale maggiore. Quanto più grande è l’ampiezza iniziale, tanto più lontano si diffonderà il potenziale graduato lungo il neurone prima di esaurirsi.

Dispersione di corrente. La membrana del corpo cellulare del neurone ha canali aperti che permettono alla carica positiva di disperdersi nel liquido extracellulare. Alcuni ioni positivi escono dalla cellula attraverso la membrana man mano che l’onda di depolarizzazione si muove attraverso il citoplasma, diminuendo la forza del segnale all’interno della cellula.

Resistenza del citoplasma. Il citoplasma stesso oppone resistenza al flusso di elettricità, la combinazione di dispersione di corrente e resistenza citoplasmatica fa sì che l’intensità di segnale elettrico all’interno della cellula diminuisca man mano che il segnale si allontana dal suo punto di origine.

I potenziali graduati abbastanza intensi alla fine raggiungono la regione del neurone definita zona trigger. Nei neuroni efferenti e negli interneuroni efferenti la zona trigger è costituita dal monticolo assonico e dalla prima parte dell’assone, una regione chiamata “segmento iniziale”. Nei neuroni sensoriali, la zona trigger è immediatamente adiacente al recettore, dove i dendriti si congiungono con l’assone. La zona trigger è il centro di integrazione del neurone e contiene un’alta concentrazione di canali Na voltaggio-dipendenti nella sua membrana.

Se i potenziali graduati che raggiungono la zona trigger depolarizzano la membrana fino al livello soglia, i canali Na voltaggio-dipendenti si aprono e si innesca un potenziale d’azione. Se la depolarizzazione non raggiunge il livello soglia, il potenziale graduato si esaurisce già all’ingresso dell’assone.

Potenziale d’azione

Sono segnali elettrici di intensità costante che viaggiano dalla zona trigger di un neurone all’estremità del suo assone. Nei potenziali d’azione, i canali ionici della membrana dell’assone si aprono in sequenza al passaggio della corrente elettrica lungo l’assone. Na aggiuntivi che entrano nella cellula rafforzano la depolarizzazione ed è questo il motivo per cui, a differenza di quanto accade a un potenziale graduato, un potenziale d’azione non perde forza con la distanza. Il velocissimo spostamento di un potenziale di azione lungo l’assone viene chiamato conduzione del potenziale di azione. È importante rendersi conto del fatto che non si tratta di un unico potenziale di azione che si sposta lungo la cellula. Il potenziale di azione che si verifica nella zona trigger è paragonabile al movimento della prima di una serie di tessere di domino messe in fila: la prima tocca la seconda, trasferisce la sua energia cinetica alla seconda e così via. 3fl fi ff ff ff ff fi ff fi fi ff fl ff fi fi fi.

In un potenziale di azione, un’onda di energia elettrica si muove lungo l’assone. Invece di indebolirsi man mano con la distanza, i potenziali di azione vengono rigenerati lungo il percorso in modo da mantenere un’ampiezza costante.

Graduati: nei4. Potenziali neuroni i potenziali graduati sono depolarizzazioni o iperpolarizzazioni che hanno luogo nei dendriti e nel corpo della cellula o, più di rado, vicino ai terminali assonici. Vengono definiti “graduati” perché la loro dimensione o ampiezza, è direttamente proporzionale alla forza dell’evento scatenante: uno stimolo intenso causa un potenziale graduato ampio, uno stimolo lieve causa uno di ampiezza minore. Nei neuroni del SNC e della sezione efferente, i potenziali graduati hanno luogo quando i segnali chimici provenienti da altri neuroni aprono canali ionici regolati chimicamente, permettendo agli ioni di entrare o uscire dal neurone. I potenziali graduati possono verificarsi anche quando un canale aperto si chiude, diminuendo il movimento di ioni attraverso la membrana cellulare. Per esempio, se dei canali K si chiudono, una quantità minore di K lascerà la cellula e la ritenzione di K depolarizzerà la cellula stessa. L’intensità della depolarizzazione iniziale in un potenziale graduato è determinata da quanta carica penetra nella cellula. Se si aprono più canali di Na, entra una quantità maggiore di Na e il potenziale graduato ha un’ampiezza iniziale maggiore. Quanto più grande è l’ampiezza iniziale, tanto più lontano si diffonderà il potenziale graduato lungo il neurone prima di esaurirsi.

Dispersione di corrente. La membrana del corpo cellulare del neurone ha canali aperti che permettono alla carica positiva di disperdersi nel liquido nel liquido extracellulare. Alcuni ioni positivi escono dalla cellula attraverso la membrana man mano che l’onda di depolarizzazione si muove attraverso il citoplasma, diminuendo la forza del segnale all’interno della cellula.

Resistenza del citoplasma. Il citoplasma stesso oppone resistenza al flusso di elettricità, la combinazione di dispersione di corrente e resistenza citoplasmatica fa sì che l’intensità di segnale elettrico all’interno della cellula diminuisca man mano che il segnale si allontana dal suo punto di origine.

I potenziali graduati abbastanza intensi alla fine raggiungono la regione del neurone definita zona trigger. Nei neuroni efferenti e negli interneuroni efferenti la zona trigger è costituita dal monticolo assonico e dalla prima parte dell’assone, una regione chiamata “segmento iniziale”. Nei neuroni sensoriali, la zona trigger è immediatamente adiacente al recettore, dove i dendriti si congiungono con l’assone. La zona trigger è il centro di integrazione del neurone e contiene un’alta concentrazione di canali Na voltaggio-dipendenti nella sua membrana. Se i potenziali graduati che raggiungono la zona trigger depolarizzano la membrana fino al livello soglia, i canali Na voltaggio-dipendenti si aprono e si innesca un potenziale d’azione. Se la depolarizzazione non raggiunge il livello soglia, il potenziale graduato si esaurisce già all’ingresso dell’assone.

5. Concetto di potenziale graduato sottosoglia o sovrasoglia?

Sottosoglia, 5. Un unico stimolo innesca un potenziale graduato ovvero un potenziale che si trova sotto il livello soglia nel momento in cui raggiunge la zona trigger. Anche se la cellula è depolarizzata a -40 mV nel punto in cui comincia il potenziale graduato, la corrente diminuisce durante il tragitto lungo il corpo cellulare. Ne risulta che il potenziale graduato è sotto il livello soglia quando raggiunge la zona trigger (di norma per i neuroni dei mammiferi il livello soglia è di circa -55 mV). Lo stimolo non è abbastanza intenso da depolarizzare la cellula fino alla soglia nella zona trigger, e il potenziale graduato si esaurisce senza innescare un potenziale d’azione.

Un potenziale graduato soprasoglia è abbastanza intenso da causare un potenziale d’azione. Un forte stimolo iniziale sul corpo della cellula avvia una depolarizzazione e un flusso di corrente. Sebbene questo potenziale graduato diminuisca con la distanza, nel suo percorso lungo il neurone, la sua maggior intensità iniziale garantisce che superi la soglia a livello della zona trigger. La capacità di un neurone di rispondere a uno stimolo e di innescare un potenziale di azione è detta eccitabilità della cellula. 4ff fi fi ff fi ff fi fl fi fl ff fi.

6. Potenziale d’azione nel neurone: grafico e spiegazione dei movimenti ionici

6. La conduzione di un potenziale d’azione richiede solo pochi tipi di canali ionici: canali voltaggio-dipendenti per il Na, canali voltaggio-dipendenti per il K e alcuni canali sempre aperti che contribuiscono a determinare il potenziale di membrana a riposo. I potenziali di azione hanno luogo quando i canali ionici voltaggio-dipendenti si aprono alterando la permeabilità di membrana al Na e al K. Il neurone si trova al suo potenziale di membrana a riposo a -70 mV.

Lo stesso potenziale d’azione può essere diviso in 3 fasi:

• Fase ascendente del potenziale d’azione.
• Fase discendente del potenziale d’azione.
• Movimenti ionici e variazione del potenziale di membrana.

Fase ascendente del potenziale d’azione. È dovuta a un improvviso e transitorio aumento della permeabilità della cellula a Na. Un potenziale d’azione ha inizio quando un potenziale graduato, raggiungendo la zona trigger, depolarizza la membrana fino al livello soglia. Via via che la cellula depolarizza, i canali per Na voltaggio-dipendenti si aprono, rendendo la membrana molto più permeabile a Na. Poiché Na è più concentrato al di fuori della cellula e il potenziale di membrana negativo all’interno della cellula attrae questi ioni con carica positiva, Na penetra all’interno della cellula. L’aggiunta di carica positiva al liquido intracellulare depolarizza la membrana cellulare, rendendola gradualmente più positiva. L’interno della cellula è diventato più positivo dell’esterno e il potenziale di membrana ha invertito la propria polarità. Questa inversione è rappresentata nel grafico dal cosiddetto “overshoot”, quella porzione del potenziale d’azione che si trova al di sopra di 0 mV. Il potenziale d’azione raggiunge un valore di picco a +30 mV quando i canali Na nell’assone si chiudono e si aprono quelli del K.

Fase discendente del potenziale d’azione. La fase discendente corrisponde a un aumento nella permeabilità al K. I canali per il K voltaggio-dipendenti, cominciano ad aprirsi in risposta alla depolarizzazione. Tuttavia, i cancelli di apertura dei canali per il K sono molto più lenti e il picco della permeabilità al K arriva più tardi di quello della permeabilità al Na. Quando il potenziale d’azione raggiunge il suo picco e i canali per il Na si chiudono, i canali per il K hanno appena finito di aprirsi, rendendo la membrana molto più permeabile al K. Quando il potenziale di membrana è positivo, sia il gradiente elettrico sia il gradiente di concentrazione favoriscono la fuoriuscita di K dalla cellula. Mentre il K fuoriesce dalla cellula, il potenziale di membr