Prima parte, Fisiologia del sistema nervoso

Fisiologia

Parte I: Biofisica del neurone e della cellula muscolare

1. Meccanismi di trasporto trans-membrana

Meccanismi di trasporto trans-membrana (diffusione semplice, canali ionici passivi e controllati, diffusione facilitata, trasporto attivo primario e secondario).

La membrana citoplasmatica è costituita da un doppio strato di fosfolipidi, che sono impermeabili all’acqua; questi sono formati da una testa idrofila e una coda idrofoba.

Grazie a questa configurazione, vengono presentate all’acqua, che si trova all’esterno della membrana, soltanto le teste idrofile. Proprio per questo motivo, le sostanze polari, cioè elettricamente cariche, non possono oltrepassare la membrana, mentre possono attraversarla le sostanze non polari, come ad esempio ossigeno e anidride carbonica.

Esistono diversi tipi di meccanismi di trasporto trans-membrana:

• Diffusione semplice: si tratta di uno spostamento passivo di molecole che vanno da una zona ad alta concentrazione verso una a minor concentrazione, fin quando non viene raggiunto un equilibrio dinamico, cioè si ha una situazione di equilibrio in cui avvengono piccoli spostamenti. È detta anche diffusione passiva, in quanto sfrutta soltanto l’energia cinetica delle particelle che vengono spostate.
• Canali ionici passivi: i canali ionici sono proteine integrali di membrana, sono formati da diverse subunità, le quali circoscrivono un canale che permette il passaggio selettivo di ioni. Questi canali sono detti passivi poiché sono sempre aperti; il flusso ionico è determinato da una forza elettrochimica esistente nei due versanti della membrana. La loro apertura influenza l’equilibrio chimico ed elettrico della cellula, determinando flussi di ioni che generano modificazioni rapide del suo potenziale transmembrana. Ogni canale riesce ad essere specializzato per una singola specie ionica e ad essere molto veloce. La selettività dei canali non è sempre uguale e va distinta di volta in volta. I canali, tramite questo meccanismo, rendono la membrana permeabile, ma in modo selettivo.
• Canali ionici controllati (Gated): sono detti canali controllati poiché si tratta di canali specifici, che possono essere aperti o chiusi, in quanto possiedono un meccanismo che ne regola l’apertura a seguito di precisi stimoli di natura elettrica. Questi canali sono classificati in base ai meccanismi che li controllano, esistono dunque:
  • Canali controllati chimicamente: il canale viene aperto nel momento in cui una sostanza specifica si lega, mentre si richiude nel momento in cui questa si slega. È un procedimento che avviene all’esterno della membrana. Una delle principali azioni dei neurotrasmettitori può essere quella di aprire i canali ionici e quindi cambiare la permeabilità della membrana.
  • Canali controllati per fosforilazione: si tratta di un procedimento molto simile al precedente, che però avviene all’interno della membrana. Le sostanze che si trovano all’interno della membrana si legano ed il canale viene aperto; nel momento in cui queste si slegano, il canale viene richiuso.
  • Canali controllati elettricamente: rispondono alla variazione di polarizzazione della membrana. Una parte del filamento proteico è carico positivamente e quindi è sensibile alle variazioni di voltaggio; per questo motivo è anche detto sensore di voltaggio. Se all’esterno della cellula il campo elettrico è carico positivamente, il sensore rimane all’esterno; se invece il campo elettrico all’esterno della cellula è carico negativamente, il sensore fuoriesce. In generale il canale può passare da aperto a refrattario, a chiuso, ma è impossibile che da refrattario, inattivo, possa tornare ad essere aperto.
  • Canali controllati meccanicamente: si tratta di canali in cui una parte è meccanicamente connessa. Sono abbastanza rari e li troviamo soprattutto nei recettori tattili, nella sensibilità ai suoni e nella sensibilità ai movimenti della testa.
• Diffusione facilitata: si tratta di un processo secondo il quale una sostanza si lega a una proteina, la quale cambia conformazione facendo aprire il canale verso l’interno della cellula, così da far passare le molecole, che possono slegarsi. Una volta slegatasi la sostanza in questione, la proteina potrà riprendere la sua conformazione originale. Le proteine che hanno questo tipo di compito sono chiamate proteine carrier, trasportatori. Il vantaggio di questo processo per diffusione facilitata è il passaggio di sostanze più complesse; lo svantaggio è che si tratta di un processo abbastanza lento.
• Trasporto attivo primario: si parla di trasporto attivo primario nel momento in cui uno ione o una molecola attraversa la membrana contro gradiente di concentrazione, ossia procedendo da una zona a bassa concentrazione verso una ad alta concentrazione. Ciò comporta un consumo di ATP: la molecola di ATP si lega e si divide in ADP+Pi, e viene trasportata contro gradiente. Questo significa che la stessa molecola che sta operando contro gradiente di concentrazione sta anche consumando ATP. Esistono diversi tipi di pompe, tra cui la più importante è la pompa sodio-potassio.
• Trasporto attivo secondario: è detto anche cotrasporto e avviene quando vengono trasportati allo stesso tempo due tipi di ioni. Uno di questi viene trasportato contro gradiente e l’altro secondo gradiente. Possiamo avere due diverse condizioni:
  • Simporto: entrambi gli ioni vanno nella stessa direzione.
  • Antiporto: i due ioni vanno in direzioni diverse.

Anche la pompa sodio-potassio potrebbe essere considerata un cotrasporto, visto che vengono trasportati contemporaneamente due ioni; in realtà però sia il sodio che il potassio vengono trasportati contro gradiente e la molecola consuma ATP, quindi si ha un trasporto attivo primario.

2. Potenziali cellulari

Potenziali cellulari (potenziale di membrana, potenziale d’azione).

Il potenziale di membrana è una differenza di potenziale elettrico tra l’interno e l’esterno della membrana cellulare. Questa differenza è rilevata perché avviene uno sbilanciamento di cariche tra interno ed esterno della cellula. L’interno ha un potenziale negativo rispetto all’esterno; si tratta di una separazione di cariche elettriche, rappresentate dagli ioni, che si distribuiscono diversamente ai due lati della membrana.

Questo gradiente elettrico rappresenta una delle due forze motrici, l’altra è il gradiente di concentrazione, che guida il passaggio di ioni attraverso la membrana: un potenziale negativo tende ad attirare verso l’interno della cellula particelle cariche positivamente, e a respingere invece cariche negative.

Il passaggio di ioni da un lato all’altro della membrana avviene attraverso canali ionici che, a seconda del tipo di regolazione, si distinguono in canali passivi, sempre aperti, e canali attivi, ad apertura controllata. La presenza sulla membrana di canali passivi genera un potenziale di riposo, ossia un potenziale di membrana in assenza di cariche elettriche, che è sempre negativo. Questa differenza viene mantenuta quando il neurone non genera impulsi; il potenziale di riposo di un tipico neurone corrisponde mediamente a -65 mV.

Quando si verifica un evento che determina l’apertura di canali attivi, possono verificarsi due situazioni:

• Il lato interno della membrana diventa ancora più negativo, determinando un’iperpolarizzazione. In tal caso la cellula diventa temporaneamente meno eccitabile.
• Il lato interno della membrana diventa meno negativo, determinando una depolarizzazione: il potenziale di membrana può invertire la polarità e diventare positivo (+20 mV). Quando la depolarizzazione supera un valore soglia, si innesca un potenziale d’azione.

Si può arrivare anche a un potenziale di equilibrio, nel momento in cui la differenza di potenziale elettrico equilibra esattamente un gradiente di concentrazione ionica. Ogni ione ha il suo potenziale di equilibrio, cioè il potenziale elettrico stabile che verrebbe raggiunto se la membrana fosse permeabile solo a quello ione.

Conoscendo la carica elettrica dello ione e la differenza di concentrazione attraverso la membrana, è possibile dedurre facilmente se l’interno della cellula sia positivo o negativo al potenziale di equilibrio. Il valore esatto del potenziale di equilibrio in mV può essere calcolato attraverso l’equazione di Nernst, che prende in considerazione la carica ionica, la temperatura ed il rapporto tra la concentrazione ionica esterna ed interna.

All’interno della cellula troviamo il potassio e le proteine, che non possono uscire, mentre all’esterno si trovano il sodio, che non può entrare, e il cloro. Il potassio si muove liberamente e, se la concentrazione è uguale, si ha la stessa probabilità che K+ entri o esca. Il potassio, spinto da un gradiente di concentrazione, tende ad uscire, ma all’esterno trova gli ioni Na+ che ne ostacolano la fuoriuscita.

Il potenziale di membrana è il responsabile di numerosi processi che riguardano il trasporto di ioni. Per le cellule eccitabili, inoltre, ha un ruolo chiave nel generare segnali elettrici che si trasmettono sia nello stesso neurone che fra un neurone e l’altro ed è alla base dell’attività del sistema nervoso. Il segnale elettrico infatti è rappresentato da una variazione velocissima e transitoria del potenziale di membrana, denominata potenziale d’azione, che si trasmette poi lungo la membrana.

Sappiamo che la membrana è diversamente permeabile allo ione sodio (Na+) e allo ione potassio (K+), molto permeabile al potassio e poco al sodio. Dunque risulta evidente che il potenziale di membrana neuronale dipende dalle concentrazioni ioniche sui due lati della membrana. Il potassio (K+) è più concentrato all’interno, mentre sodio (Na+) e calcio (Ca2+) sono maggiormente concentrati all’esterno.

I gradienti di concentrazione ionica sono indotti dall’azione di pompe ioniche presenti nella membrana neuronale. Per la neurofisiologia cellulare sono particolarmente importanti due tipi di pompe: la pompa sodio-potassio e la pompa del calcio. La pompa sodio-potassio è un enzima che idrolizza ATP in presenza di Na+ all’interno della cellula. L’energia chimica liberata da questa reazione mette in funzione la pompa, che scambia gli Na+ interni con i K+ esterni.

L’azione di questa pompa assicura che i K+ siano concentrati all’interno del neurone e che gli Na+ siano concentrati all’esterno. È importante sottolineare che questa pompa spinge gli ioni contro il loro gradiente di concentrazione. Questo lavoro richiede l’impiego di energia metabolica. La pompa del calcio è anch’essa un enzima, che trasporta attivamente Ca2+ fuori dal citoplasma attraverso la membrana cellulare. Grazie a questo meccanismo la concentrazione di Ca2+ all’interno della cellula è ridotta a un livello bassissimo.

Il potenziale d’azione

Il potenziale d’azione è una modifica del potenziale di riposo, di breve durata, che si genera nelle cellule eccitabili in risposta a uno stimolo capace di depolarizzare la membrana. La depolarizzazione della cellula durante il potenziale d’azione è causata dall’entrata di ioni sodio attraverso la membrana; la ripolarizzazione è causata dall’uscita degli ioni potassio. Una depolarizzazione oltre il valore di soglia fa insorgere il potenziale d’azione, caratterizzato dall’inversione della polarità di membrana. Il potenziale d’azione ha una durata diversa a seconda del tipo di tessuto in cui si trova.

Il potenziale d’azione è caratterizzato da:

• Fase di depolarizzazione: il potenziale di membrana diviene progressivamente meno negativo fino a raggiungere valori positivi.
• Fase di ripolarizzazione: il potenziale torna a un valore di riposo. Comprende una fase di iperpolarizzazione, durante la quale il potenziale raggiunge valori più negativi del potenziale di riposo.

Grazie a queste caratteristiche il potenziale d’azione è considerato un fenomeno “tutto o nulla”, nel senso che c’è o non c’è, e quando insorge viene mantenuto sempre uguale a se stesso, non può cambiare in ampiezza. La variazione dell’informazione nervosa dunque non dipende da un cambiamento dell’ampiezza del potenziale d’azione ma da un cambiamento della frequenza con cui esso insorge.

Come funziona il potenziale d’azione nella realtà?

Quando la membrana viene depolarizzata fino al livello di soglia, si verifica un aumento di conduttanza per gli ioni sodio. Questo permette agli Na+ di entrare e quindi avviene la depolarizzazione del neurone. L’aumento di conduttanza è molto breve e questo spiega la breve durata del potenziale d’azione. Il processo di reintegrazione del potenziale di membrana negativo viene integrato da un aumento di conduttanza per il K+, che permette al potassio di lasciare velocemente il neurone depolarizzato.

Per verificare tale teoria basta misurare la conduttanza della membrana per il sodio e per il potassio durante il potenziale d’azione. Per effettuare tale misurazione fu introdotto un dispositivo di blocco per il voltaggio. Questa tecnica permise di fissare il potenziale di membrana di un assone rispetto a qualunque valore prescelto. Misurando le correnti che fluivano attraverso la membrana, gli scienziati furono in grado di stabilire quali cambiamenti avvenissero nella conduttanza della membrana rispetto a differenti potenziali di membrana.

Caratteristiche del potenziale d’azione

• Soglia. Il potenziale di membrana raggiunge il livello di soglia e i canali voltaggio-dipendenti selettivi per il sodio si aprono. Così, la permeabilità ionica della membrana favorisce il sodio rispetto al potassio.
• Fase crescente. Quando l’interno della membrana è caratterizzato da un potenziale elettrico negativo, vi è una considerevole forza che agisce sugli ioni Na+. Tali ioni entrano improvvisamente nella cellula attraverso i canali per il sodio causando una rapida depolarizzazione della membrana.
• Potenziale a punta. Poiché la permeabilità relativa alla membrana favorisce notevolmente il passaggio del sodio, il potenziale di membrana si sposta a un valore vicino a E_Na che è superiore a 0 mV.
• Fase decrescente. L’attività dei due tipi di canale contribuisce al verificarsi della fase decrescente. Per prima cosa i canali selettivi per il sodio si inattivano. In secondo luogo i canali per il potassio si aprono. Quando la membrana è fortemente depolarizzata si verifica una significativa forza sugli ioni K+, per cui questi ioni escono dalla cellula attraverso i canali aperti e il potenziale di membrana diventa nuovamente negativo.
• Iperpolarizzazione. I canali voltaggio-dipendenti selettivi per il potassio si aggiungono alla restante permeabilità al potassio della membrana. Poiché la permeabilità al sodio è bassa, il potenziale di membrana si sposta verso E_K, causando un’iperpolarizzazione relativa al potenziale di membrana a riposo fino a che i canali per il potassio si chiudono di nuovo.
• Periodo refrattario assoluto. I canali per il sodio si disattivano quando la membrana diventa fortemente depolarizzata. Essi non possono venire attivati nuovamente e non si può verificare un altro potenziale d’azione fino a che il potenziale di membrana non diventa sufficientemente negativo da attivare i canali.
• Periodo refrattario relativo. Il potenziale di membrana rimane iperpolarizzato fino a che i canali per il potassio si chiudono. Di conseguenza, è necessaria una maggiore corrente depolarizzante per portare il potenziale di membrana a livello di soglia.

Nel frattempo sullo sfondo sta lavorando la pompa sodio-potassio, che mantiene i gradienti di concentrazione ionica, i quali durante il potenziale d’azione guidano gli ioni sodio e potassio attraverso i loro canali.

Soglia: depolarizzazione minima che la membrana deve raggiungere perché possa insorgere un potenziale d’azione.

3. Modello elettrico del neurone

Modello elettrico del neurone (resistenza e capacità di membrana, costante di tempo, costante di spazio, conduzione assonale, conduzione saltatoria).

Il modello elettrico della membrana è strutturato secondo diversi elementi; tra i più importanti troviamo la resistenza di membrana e la capacità di membrana. Per quanto riguarda il neurone, le tre resistenze più importanti sono la resistenza al sodio, al potassio e al cloro.

Tutti questi ioni passano, anche se in maniera diversa, attraverso la membrana. Il potassio può passare molto facilmente rispetto al sodio e al cloro, che passano con maggiori difficoltà. Quindi troveremo una minor resistenza per il potassio e un’alta resistenza per il sodio ed il cloro. La facilità o difficoltà con cui si sposta una corrente ionica è data dal numero di canali ionici che ci sono per una determinata specie ionica.

Ad esempio il sodio passa difficilmente poiché ci sono pochi canali, mentre i canali per il potassio sono più numerosi. Più canali ci sono sulla membrana, e più ioni passano; in questo caso si ha una bassa resistenza. Se i canali sono pochi, passeranno meno ioni e in tal caso si avrà una resistenza alta.

DEF. Quindi possiamo dire che la resistenza di membrana è un ostacolo al passaggio degli ioni e che quindi lavora quando c’è una situazione dinamica, ovvero quando c’è corrente.

Se prendo due neuroni, uno di superficie maggiore rispetto all’altro, e ipotizzo che in entrambi ci sia la stessa distribuzione di canali. Imponendo che da un neurone all’altro la densità di canali per unità di superficie sia la stessa, la resistenza di membrana deve essere uguale alla resistenza specifica di membrana.

Se ho un neurone grande e uno pi