Analisi del comportamento dei canali ionici durante il potenziale d'azione

Modello matematico e canali ionici

Costruito il modello matematico di eccitabilità, possiamo utilizzarlo per capire quale è il comportamento dei canali Na e K durante un potenziale d’azione. Ciò ci permetterà di capire quali sono le caratteristiche di questi canali essenziali per conferire alla cellula le proprietà eccitabili

Un modello matematico permette di osservare e analizzare variabili che non sono invece accessibili durante un esperimento. Ad esempio, utilizzando il modello matematico che abbiamo costruito, è possibile guardare all’andamento temporale del numero di canali Na e K aperti durante le varie fasi del potenziale d’azione. Dando uno sguardo a queste curve temporali è possibile formulare un’ipotesi sugli eventi che si susseguono durante un potenziale d’azione.

Ciclo di Hodgkin e depolarizzazione

Durante l’iniezione di corrente attraverso l’elettrodo si osserva una graduale depolarizzazione del potenziale di membrana. Questa depolarizzazione provoca l’apertura dei canali Na, la cui corrente depolarizza ulteriormente la membrana. Una depolarizzazione maggiore della membrana plasmatica provoca una ulteriore apertura dei canali Na e quindi una nuova depolarizzazione. Questo ciclo rigenerativo prende il nome di ciclo di Hodgkin, ed è alla base della fase depolarizzazione del potenziale d’azione.

Differenze cinetiche tra canali Na e K

Durante la fase rigenerativa del potenziale d’azione i canali K non si attivano apprezzabilmente, nonostante la loro voltaggio-dipendenza sia simile a quella avuta per i canali del Na. Ciò è dovuto al fatto che i canali K presentano una costante di transizione per l’apertura notevolmente più piccole rispetto a quelle avute dai canali Na. A causa di ciò i canali K non hanno il tempo necessario per la loro attivazione in questa fase. Questa differenza in cinetica di attivazione tra i canali Na e K è fondamentale per la generazione del potenziale d’azione. Se i canali K fossero tanto veloci quanto i canali Na, essi si attiverebbero insieme, contribuendo come forze opposte, iperpolarizzante e depolarizzante. Ciò impedirebbe la fase depolarizzante rigenerativa. Quanto detto può essere dimostrato utilizzando il nostro modello di eccitabilità, guardando cosa succede se si aumentano le costanti di velocità di attivazione delle correnti K. Come si vede questa modifica impedisce al nostro sistema di generare potenziali d’azione. Naturalmente la velocità di salita del potenziale durante la fase rigenerativa sarà determinata da quanto velocemente i canali Na si aprono. Ciò può essere dimostrato andando a vedere cosa succede se si aumentano le costanti di transizione per l’apertura dei canali Na. Come si vede la fase rigenerativa diventa più veloce.

Regole delle basi ioniche

Quindi abbiamo già trovato due regole che governano le basi ioniche del potenziale d’azione:

È indispensabile che la velocità di attivazione dei canali Na sia maggiore rispetto alla velocità di attivazione delle correnti K

La velocità di salita del potenziale di membrana durante la fase rigenerativa del potenziale d’azione è determinata dalla cinetica di attivazione dei canali Na.

Continuando nella sequenza di eventi che si susseguono durante un potenziale d’azione si osserva che la fase rigenerativa del potenziale d’azione è seguita dal raggiungimento di un picco, dopo il quale il potenziale d’azione inizia a ripolarizzarsi.