Appunti Fisiologia cellulare

Gradiente chimico per K+ e comportamento della membrana

Se considero il caso in cui esiste un gradiente chimico per K+, in particolare se considero che la concentrazione all'interno è molto maggiore rispetto all'esterno, tale per cui Em = -80mV, e la corrente I viene calcolata con la legge di Ohm modificata. Se inietto cariche negative iperpolarizzando la membrana affinché Vm = -80mV, allora:

Iniettando cariche negative in modo da spostare Vm a -100mV, la I sarà entrante con effetto depolarizzante, mentre se inietto cariche positive per spostare il potenziale Vm a -40mV, la corrente sarà uscente con effetto iperpolarizzante. La corrente depolarizzante ha effetto eccitatorio, mentre quella iperpolarizzante ha effetto inibitorio.

Circuito equivalente della membrana

Data la presenza sulla membrana di diversi canali ionici, ognuno permeabile alla propria specie, quando costruisco il circuito equivalente ne devo tenere conto. Devo vedere la membrana come un conduttore elettrico dotato di batterie e resistori connessi in serie e parallelo. La corrente che scorre all'interno di ogni maglia la calcolo con la legge di Ohm modificata, mentre la corrente netta circolante è la somma delle singole correnti ioniche. Alcuni resistori hanno una freccia che indica le conduttanze variabili, ovvero quando sono presenti canali ionici VOC la conduttanza varia in funzione del voltaggio.

Considero l'esempio di una membrana dotata di canali selettivi al sodio e al potassio, tenendo conto che il potenziale di diffusione è caratterizzato dall'equilibrio elettrico in cui il flusso netto è nullo, I_K + I_Na = 0, posso ricavare il potenziale della cellula. Questa equazione permette di calcolare la differenza di potenziale della membrana in funzione delle conduttanze e dei potenziali di equilibrio degli ioni che ci permeano all'interno.

Rappresentazione della membrana come circuito RC

La membrana è rappresentata attraverso un circuito RC, costituito da un C (condensatore), doppio strato fosfolipidico, e un R (resistore), conduttanza canali, collegati in parallelo. Questa rappresentazione ha conseguenze funzionali importanti, per esempio a livello neuronale con le proprietà di eccitabilità del neurone.

Esperimento di Current-Clamp

Prendiamo l'esperimento di Current-Clamp, in cui vengono inseriti due microelettrodi nella cellula: uno collegato a un generatore di tensione per applicare nuovi stimoli, e l'altro a un voltometro per misurarne il potenziale. Se inietto un gradino di corrente voglio andare a misurare i valori di Vm e noto che la variazione del potenziale è tempo-dipendente. La corrente iniettata, all'inizio, fluisce tutta nel condensatore caricandolo, e successivamente diminuisce in modo esponenziale facendo aumentare la corrente resistiva con lo stesso andamento. Si nota però che il potenziale non varia istantaneamente, anzi bensì a raggiungere un valore stazionario determinato dalla corrente resistiva.

Costante di tempo

La costante di tempo rappresenta il tempo necessario affinché l’aumento di Vm sia uguale al 63% di Vf - Vo, condiziona l’eccitabilità della membrana e più è piccola minore è il tempo per un certo stimolo di modulare il potenziale.

Il potenziale d’azione

Le cellule eccitabili, presenti in muscoli, cuore e neuroni, hanno la caratteristica per cui se la membrana viene polarizzata da uno stimolo oltre un certo valore, detto valore di soglia, la cellula genera un'ampia escursione del suo potenziale. Lo stimolo che le cellule ricevono può provocare una variazione in negativo del potenziale detta iperpolarizzazione, oppure in positivo detta depolarizzazione, il ritorno al potenziale di riposo è definito come ripolarizzazione. L’escursione del valore Vm è indipendente, per durata e ampiezza, dal valore dello stimolo e prende il nome di potenziale d’azione.

Caratteristiche generali del potenziale d'azione

• Fase iniziale di rapida depolarizzazione: inversione di polarità e ripolarizzazione verso il potenziale di riposo.
• Fase di ripolarizzazione: riporta il potenziale verso il suo valore di riposo, è diversa in base alla cellula in cui avviene. Nei cardiomiociti è lenta e comprende tre fasi: di ripolarizzazione precoce, di plateau e di ripolarizzazione tardiva.
• Fase di iperpolarizzazione postuma: il valore del Vm è più negativo di quello di riposo.

Refrattarietà

È un intervallo di tempo successivo all’insorgenza del potenziale d’azione in cui la cellula presenta una variazione della sua eccitabilità. Questa è distinta in due periodi: quello assoluto e quello relativo e ha durata dell’intera depolarizzazione e parte della ripolarizzazione. La refrattarietà assoluta è il periodo in cui l’eccitabilità è nulla, ovvero qualunque stimolo che dò non evoca il PA. Mentre la refrattarietà relativa è un periodo in cui l’eccitabilità è ridotta, ovvero per evocare il potenziale d’azione, la cellula necessita di uno stimolo con ampiezza maggiore del primo.

Genesi ionica del potenziale d'azione

Nell’esperimento condotto sull’assone gigante del calamaro, viene stimolata la membrana dell’assone con gradini molto polarizzati (+20mV). In risposta allo stimolo viene registrata una corrente ionica che mostra due fasi: la prima, più rapida, composta da un picco che poi si annulla, e la seconda, più lenta, che si assesta a valori stazionari.

Rianalizzando le fasi del potenziale:

• Condizione di riposo: Vm = -80mV e i canali Nav e Kv sono chiusi.
• Depolarizzazione rapida: quando arriva lo stimolo, i canali del sodio si aprono mentre quelli del potassio iniziano ad aprirsi più lentamente. La I_Na netta entrante innesca la depolarizzazione rapida portando Vm vicino al suo potenziale di equilibrio di 35mV. Il potenziale è polarizzato verso E_Na ma non lo raggiunge per tre motivi: la depolarizzazione inattiva i Nav, impedendo il flusso di Na entrante, la corrente c diminuisce avvicinandosi al suo potenziale E_Na, e i canali Kv, aprendo, generano una corrente uscente che iperpolarizza la membrana.
• Ripolarizzazione del PA: con l’inattivazione dei Nav e l’apertura dei Kv, il potenziale inizia a ripolarizzarsi verso il E_K -90mV.
• Iperpolarizzazione postuma: spinge il potenziale verso il suo valore di riposo perché con la ripolarizzazione i canali Kv iniziano a chiudersi. La I_K spinge il potenziale verso quello di equilibrio del potassio definendo un'iperpolarizzazione postuma, che si esaurisce nel tempo in cui i Kv si chiudono riportando il Vm al potenziale di riposo.

Riassumendo, i Nav e Kv innescano due processi: i primi a feedback positivo perché cercano di portare il potenziale di membrana verso E_Na, i secondi a feedback negativo stabilizzante per lo stesso motivo. Il valore di soglia del potenziale è dovuto alle correnti di leakage che stabilizzano il Vm verso E_K. Con lo stimolo, la membrana si allontana dal potenziale di equilibrio del potassio avvicinandosi a quello del sodio. Se la sua ampiezza è compresa tra -70 e -60 allora K ha conduttanza maggiore e il Vm si ripolarizza. Se invece lo stimolo ha intensità sufficiente da reclutare i Nav, l’equilibrio si sposta facendo partire il potenziale d’azione.

Trasferimento dell’informazione nervosa

A livello neuronale il potenziale d’azione rappresenta la trasmissione dell’informazione. Il sistema nervoso utilizza anche altri segnali detti segnali o risposte graduali in cui la variazione del potenziale segue le variazioni di ampiezza e durata dello stimolo. Sia le risposte di tipo tutto o nulla che quelle graduali si propagano lungo la superficie della membrana spontaneamente. Lo stimolo depolarizza aggiungendo cariche positive sul versante interno della cellula provocando un'inversione di polarità del potenziale.

Questa inversione è dovuta a un eccesso di cariche positive all’interno e da un eccesso di cariche negative all’esterno della membrana, e provoca un gradiente di carica. Questo gradiente dà vita alle correnti elettrotoniche che sul lato intracellulare portano cariche positive dalla zona attiva a quelle intorno, mentre sul lato esterno sottraggono cariche positive dalle zone circostanti. L’effetto complessivo è quello di diffondere la depolarizzazione dalle zone attive a quelle inattive.