Elementi base di neurofisiologia del corpo umano

Neurofisiologia 15/03/2018 - Lezione 2

Canali ionici

I canali ionici sono proteine di membrana permeabili agli ioni, i quali, non essendo liposolubili, non potrebbero passare la membrana. I canali ionici possono essere:

• Passivi (sempre aperti)
• Attivi (aprono o chiudono in determinate condizioni)

Meccanismi di apertura

• Reazioni enzimatiche che cambiano lo stato conformazionale della proteina (es: fosforilazione)
• Voltaggio dipendenti
• Deformazione della membrana (come nel caso dei recettori tattili della cute sulle terminazioni nervose)

Alcuni canali hanno tre stati funzionali: aperti, chiusi e stato di refrattarietà. I canali, dopo essere stati aperti per un certo periodo, si chiudono tramite un meccanismo diverso da quello attivo a riposo. Perché i canali possano essere di nuovo aperti, c'è bisogno che le condizioni della membrana tornino quelle iniziali. Un esempio sono i canali voltaggio dipendenti che, se si aprono, generano un cambio di polarità. Tuttavia, se il cambiamento di polarità perdura, il canale si chiude (si dice che si inattiva). Questo canale si dice refrattario e non si può riaprire finché non torna alla condizione iniziale, ovvero fino a quando la membrana non ritorna alla polarizzazione di riposo. Una volta tornato alle condizioni iniziali, se ci sono di nuovo le condizioni che lo fanno aprire, si può riaprire.

Esempio: canale voltaggio dipendente per il Ca

Il calcio è uno ione particolare perché, oltre ad essere uno ione di carica positiva, ha un ruolo in molte reazioni intracellulari. Ad esempio, nel meccanismo dell'esocitosi è necessario che ci sia il calcio, o nel meccanismo della contrazione muscolare per legarsi alle proteine contrattili dei muscoli.

Il Ca ha una concentrazione che deve essere controllata, e uno dei meccanismi di controllo è proprio questo: il canale per il calcio lo fa entrare. Il canale stesso ha un sito di legame per il calcio e, quando la concentrazione intracellulare è troppo elevata, il calcio si lega a questo sito e il canale diventa refrattario.

C'è poi un altro meccanismo di regolazione del calcio. Il canale chiuso viene fosforilato e permette l'ingresso di calcio. Con l'ingresso di calcio, la polarizzazione della membrana cambia diventando leggermente positiva, e ciò attiva enzimi che defosforilano il canale rendendolo refrattario. Fino a che il calcio non diminuisce e la polarizzazione di membrana non torna a riposo, la fosfatasi si inattiva ed è possibile attivare la chinasi che fosforila il canale, il quale si può ora riaprire.

Agonisti e antagonisti

Agonisti endogeni sono tutte le sostanze che si legano e provocano un’attivazione del canale naturale. Cioè, esse sono sostanze che naturalmente fanno aprire il canale. Ad esempio, come dicevamo prima, per i canali delle terminazioni muscolari è l'acetilcolina. Essa fisiologicamente nel nostro corpo fa aprire il canale.

Ci sono gli agonisti esogeni, sostanze che provengono dall'esterno e possono avere la stessa funzione dell'agonista endogeno, cioè far aprire il canale.

Ci sono poi gli antagonisti, i quali si legano al sito degli agonisti endogeni ma non permettono al canale di compiere la sua funzione fisiologica (se si deve aprire non lo permettono, se si deve chiudere non lo permettono).

Nel caso del canale sensibile all'acetilcolina presente sulla membrana dei muscoli scheletrici, un antagonista è il curaro. Il curaro si lega al sito dell'acetilcolina ma non fa aprire il canale, bloccando la trasmissione dell'impulso nervoso ai muscoli e provocando paralisi. Il curaro è tuttavia un antagonista reversibile, poiché si può staccare e il canale torna riutilizzabile.

Ci sono anche antagonisti irreversibili, i quali si attaccano al sito di legame dell'agonista endogeno ma non si staccano più. Nel caso del canale che lega l'acetilcolina dei muscoli scheletrici, un antagonista irreversibile è l'α-bungarotossina (sostanza che si trova nel veleno di molti serpenti). Il curaro invece è una sostanza vegetale usata dagli indigeni dell'Amazzonia per uccidere le prede, messo sulla punta delle frecce. Il curaro si diffonde per via ematica e raggiunge le sinapsi neuromuscolari provocando morte per asfissia perché paralizza i muscoli respiratori. Un derivato del curaro viene usato in chirurgia. Negli interventi chirurgici che richiedono l'assoluta immobilità del paziente viene somministrato un derivato del curaro che blocca anche i muscoli respiratori, ma in questo caso si provvede tramite respirazione artificiale. Dopo un po’ (a seconda della dose somministrata), l’organismo metabolizza il curaro e il paziente comincia a respirare spontaneamente.

Potenziale d’azione (PDA)

Il potenziale d’azione è una risposta elettrica delle cellule eccitabili. Le cellule eccitabili sono quelle che riescono a modificare la loro polarità di membrana, cioè la differenza di potenziale che c’è in tutte le cellule. Nel nostro corpo, le cellule eccitabili sono le cellule nervose, le cellule muscolari e qualche cellula ghiandolare. Il PDA ha delle caratteristiche che lo rendono adatto a trasmettere l’informazione:

• È una risposta elettrica che si genera molto velocemente
• Ha una notevole ampiezza: vediamo come durante il suo picco si raggiungono valori positivi, cioè la cellula diventa positiva
• Si propaga lungo la membrana anche per lunghe distanze senza perdere ampiezza

Vediamo che quando dobbiamo muovere una gamba o un piede, il segnale parte dalla corteccia motoria ed arriva fino ai muscoli del piede. Il segnale arriva ed è efficiente (a meno che l’assone non sia danneggiato). Tutto ciò avviene perché il PDA viene propagato senza decremento fino alla fine dell’assone (si innesca poi la trasmissione sinaptica e il segnale viene trasmesso al muscolo).

Sono stati fatti esperimenti su assone di calamaro gigante poiché può essere manipolato grazie alle sue notevoli dimensioni (1 mm). Qui vi fa vedere l’assone con una pipetta. Essa è un elettrodo, a forma di capillare di vetro molto sottile (ordine dei micron) che si può usare per la registrazione cellulare. Esso viene riempito di una soluzione conduttrice (in genere cloruro di potassio), poi ci si mette un filo metallico che trasmette il segnale alle apparecchiature di amplificazione e registrazione. Se si manda ad un altoparlante per sentirne il suono, esso sembra quello di uno sparo.

Il PDA è una tipica risposta delle cellule nervose e muscolari. Noi adesso descriveremo quello delle cellule nervose. Poi vedremo anche alcuni esempi di cellule muscolari comprese le cellule cardiache.

Descrizione del neurone

Questo è un neurone multipolare. Il corpo cellulare e i dendriti che sono le ramificazioni (dal punto di vista funzionale) afferenti, cioè che portano l’informazione da varie zone. Abbiamo poi l’assone che è il prolungamento efferente, cioè porta il segnale dal corpo alle cellule periferiche.

Il PDA nasce con molta probabilità in questo punto che si chiama cono di emergenza. Nasce qui perché qui c’è la massima sensibilità di membrana. Se lo stimolo che produce il potenziale d’azione è sufficientemente intenso, può nascere anche a livello del corpo cellulare o dei dendriti, ma di solito il punto d’origine è considerato appunto il cono di emergenza perché la soglia è la più bassa (o la sensibilità è la più alta).

Qui vedete che se mandiamo lo stimolo attraverso queste connessioni (tramite altri neuroni che fanno sinapsi) in questo punto abbiamo una variazione della polarità della membrana che è una risposta graduata che si propaga e, mano a mano che si allontana dal punto da cui è nata, si affievolisce, arriva qui in questo altro punto un po’ più bassa. Questa propagazione viene definita elettrotonica, in cui l’ampiezza del segnale diminuisce al crescere della distanza.

Se l’ampiezza con cui questa risposta arriva qui (cono emergenza) è sufficientemente elevata da portare la membrana ad un valore di depolarizzazione detto soglia, nasce il PDA. Abbiamo già detto che le cellule nervose hanno in genere un potenziale di riposo di -70mV. E la soglia in questo punto è -55mV (cono emergenza), cioè se questo segnale depolarizza la membrana tanto che qui arriviamo a -55mV scatta il PDA. In quest’altro punto invece la soglia è più alta, cioè meno negativa, quindi lo stimolo deve essere più intenso.

Una volta che il PDA è scattato, abbiamo una rapida depolarizzazione della membrana che porta l’interno della cellula a valori più positivi (più vicini a 0). Poi nel giro di pochissimo tempo abbiamo un’altrettanto rapida ripolarizzazione che riporta la membrana al valore di riposo. Inizialmente questa ripolarizzazione porta la membrana a valori leggermente più negativi e successivamente risale al valore di riposo.

Si passa da:

• -70mV il potenziale di riposo
• -55mV valore che al quale viene portata la membrana attraverso una risposta graduale
• +50mV depolarizzazione rapida che scatta perché è stata raggiunta la soglia
• -70mV vi si ritorna altrettanto rapidamente
• -80mV iperpolarizzazione
• -70mV di nuovo, ritorno a valore soglia

Tutto il processo dura circa 5 ms, la depolarizzazione rapida dura meno di 1 ms, la ripolarizzazione anche.

Fenomeni

• Depolarizzazione: lo spostamento delle cariche di membrana da valori di riposo a valori meno negativi
• Ripolarizzazione: ritorno a valori di riposo
• Iperpolarizzazione: spostamento del potenziale di membrana verso valori più negativi

In questa traccia che c’è sotto vi fa vedere come diversi impulsi di corrente, di diversa intensità, provochino risposte diverse nella membrana. Questi si chiamano impulsi quadri di corrente. Il primo ha una piccola intensità e provoca una piccola deflessione della membrana verso valori meno negativi, ma non è sufficientemente ampia da arrivare a soglia e quindi si esaurisce, non ci sono conseguenze. Con uno stimolo di intensità poco più grande si raggiungono valori ancora meno negativi, ma ancora non si arriva a soglia, quindi anche qui la depolarizzazione si esaurisce. Se invece l’ampiezza dell’impulso quadro è tale per cui la membrana si depolarizza fino alla soglia, scatta il potenziale di azione. Il fatto che ci voglia un valore soglia sotto il quale il PDA non scatta e sopra il quale scatta ed è sempre al massimo si esprime con la locuzione “tutto o nulla”. Si dice che il PDA è una risposta tutto o nulla.

Il meccanismo ionico di questo potenziale di azione è stato studiato nell’assone gigante di calamaro. Attraverso vari esperimenti si è arrivati alla conclusione che i due ioni che sono coinvolti nella generazione del PDA delle cellule nervose sono il sodio e il potassio. In genere questi ioni sono gli stessi in tutte le cellule anche in quelle muscolari tranne che nelle cellule del cuore dove è coinvolto anche il calcio e lo stesso nelle cellule pacemaker del cuore.

Fasi del potenziale d’azione

La risposta del PDA è stata divisa in varie fasi:

• Fase 1: Depolarizzazione rapida
• Fase 2: Ripolarizzazione
• Fase 3: Iperpolarizzazione postuma

Le tre fasi possono essere spiegate con variazioni della permeabilità al Na e al K. La variazione di permeabilità è spiegata con l’apertura di canali ionici. I canali ionici per Na e K che si aprono in questo tipo di evento sono voltaggio-dipendenti, cioè si aprono quando la membrana è meno negativa.

Dettaglio delle fasi

Fase 1: Aumento ingresso ioni sodio, perché si aprono ioni sodio volt-dipendenti. Le membrane hanno una minima permeabilità al Na e al K leggermente più alta. Oltre a queste, quando si applica corrente, si cominciano ad aprire dei canali per il Na volt-dipendenti. Siccome il sodio ha una forte spinta ad entrare perché il suo gradiente elettrochimico è rivolto completamente verso l’interno, comincia ad entrare. Man mano che il Na entra porta dentro cariche positive e la membrana diventa una po’ più positiva.