Fisiologia Generale - Segnale elettrico (parte 2/5)

Appunti di fisiologia generale

Comunicazione di tipo elettrico

Assumiamo il doppio strato lipidico come un condensatore e i cammini ionici come le resistenze. Per convenzione la direzione del moto è data dal movimento delle cariche parallele.

La prima via è il caricamento del condensatore/membrana: si forma una corrente capacitiva I (dove in realtà non passano le cariche). Una volta stabilizzato il potenziale, si crea una corrente che continua a fluire per i canali ionici (corrente resistiva I_R).

Nello stadio stazionario I_C ≈ 0, il potenziale di membrana si depolarizza (NB: è una risposta passiva!) V = V_∞(1 - e^-t/RC) se t = ∞ allora V = V_∞(1 - e^-1) [(1 - e^-1) è circa 0,63 è costante!]

Dove:

• RC = costante del tempo. Indica quanto rapidamente il potenziale arriva al livello stazionario (ovvero tempo per arrivare al potenziale finale).
• R_mC_m indica quanto tempo impiega la membrana per caricarsi (rispetto al potenziale massimo).

NB: in una piccola cellula sferica, la carica si espande in tempo uguale, ma nelle cellule muscolari o negli assoni si ha lo stimolo depolarizzante (aggiunta di cariche positive) che, a seconda della grandezza, causa una risposta differente (elettrotoniche graduali dove la risposta dipende dalla grandezza dello stimolo).

Se la cellula riceve lo stimolo che provoca il raggiungimento del potenziale soglia, si ha la risposta totale che è differente dalla risposta passiva (es. soglia neuroni: -55 mV).

Concetti chiave

• Corrente capacitiva: è la corrente richiesta per caricare o scaricare il doppio strato elettrico formato all'interfaccia elettrodo-elettrolita. Questa corrente è associata ad un accumulo (o rimozione) di cariche elettriche, è sempre presente durante la variazione del potenziale di elettrodo, mentre tale corrente è generalmente nulla nel caso in cui il potenziale sia costante.
• Depolarizzazione: è la diminuzione del valore assoluto del potenziale di membrana di una cellula. Così, quando il potenziale di membrana di una cellula si avvicina allo zero, si ha una depolarizzazione. Quando, al contrario, il potenziale di membrana viene modificato in direzione contraria, aumentando il suo valore assoluto, avviene una iperpolarizzazione.

Fasi del potenziale d'azione

La cellula depolarizza velocemente, raggiunge un picco di potenziale d'azione di +30/+40 mV, poi torna a potenziali negativi minori del normale fino a tornare in condizioni normali. La risposta rigenerativa, se comincia, continua fino al completamento della risposta.

• Picco positivo: overshoot, poi ripolarizza.
• Picco negativo: iperpolarizzazione postuma.

La refrattarietà: lo stimolo durante la ripolarizzazione e l’iperpolarizzazione postuma non varia il profilo del potenziale d’azione in atto. Non si può innescare un secondo potenziale d’azione sovrapposto rispetto al primo. La refrattarietà può essere:

• Assoluta: durante la caduta del potenziale d’azione è impossibile variarne la forma stereotipata (anche dando stimoli).
• Relativa: viene dopo la refrattarietà assoluta, si ha una risposta allo stimolo abortiva, molto minore rispetto a quella prevista. Questa ha una durata maggiore.

La differenza tra refrattarietà assoluta e relativa dipende dall’inattivazione dei canali Na voltaggio-dipendente. L’inattivazione avviene a -20 mV → assoluta. Durante la caduta del potenziale d’azione sono aperti molti canali K⁺ ed è difficile che la cellula risponda agli stimoli.

Importanza fisiologica della refrattarietà

La refrattarietà è molto importante perché determina qual è la frequenza massima della scarica (risposta) per unità di tempo, ovvero quanto rapidamente si possono produrre potenziali d’azione.

I primi studi sul potenziale d’azione furono eseguiti sugli assoni giganti del calamaro gigante utilizzando elettrodi di metallo. I successivi studi utilizzarono pipette appoggiate sulla superficie cellulare; questo metodo (detto patch-clamp) permette di controllare il potenziale di membrana.

Si pensava che il potenziale d’azione si formasse a potenziale = 0, ma notarono che diventava anche positivo, perciò ipotizzarono che ci fosse una componente dipendente da uno ione con potenziale d’equilibrio positivo: E_Na = +60 mV. Il potenziale d’azione è dipendente dal Na⁺.

Esperimenti sul potenziale d'azione

Esperimento 1: Stimolazione dell’assone a diverse concentrazioni esterne di Na⁺:

• 1° potenziale d’azione → normale
• 2° potenziale → diminuito

Diminuendo la concentrazione di Na⁺ extracellulare, si diminuisce anche il potenziale di equilibrio del Na⁺ e quindi si abbassa il potenziale d’azione. Il picco del potenziale d’azione è collegato al potenziale di equilibrio del Na⁺ perché i canali di Na⁺ sono più aperti rispetto ad altri canali.

Esperimento 2: Sostituzione del Na⁺ extracellulare per lo studio del potenziale. La cellula ripolarizza perché i canali di Na⁺ si inattivano e si aprono i canali del K⁺ che esce, portando il potenziale a valori negativi. Portando la cellula ai valori soglia, si aprono i canali per il Na⁺ e si aumenta la conduttanza (i canali ionici sono stimolati dal potenziale di membrana: canali voltaggio-dipendenti).

La conduttanza poi diminuisce velocemente, i canali si chiudono, aumenta la conduttanza per il K⁺ (si ha un maggior tempo di latenza perché sono canali più lenti) e la cellula ripolarizza.

Finché non si sono chiusi tutti i canali K⁺, si ha un potenziale minore rispetto al potenziale di riposo.

Determinanti del potenziale d'azione

Due fenomeni determinano il potenziale d’azione:

• Apertura dei canali Na⁺, entrano gli ioni Na⁺ e la cellula depolarizza.
• Apertura dei canali K⁺, escono gli ioni K⁺ e la cellula ripolarizza.

Per misurare le correnti di Na⁺ e K⁺ bisogna stimolare la cellula iniettando una corrente. La corrente cellulare ha due componenti: corrente capacitiva e corrente resistiva (che interessa a noi).

Non è possibile isolare le correnti che passano nei canali ionici perché è sempre presente la corrente di membrana. Devo ricavarla.

I_m = I_C + I_R I_R = V_m/R_m

Nel condensatore, considero le cariche totali Q = C_mV_m

Ricavo la corrente Capacitiva da cui La corrente di membrana sarà:

Posso eliminare la corrente capacitiva (I_C) mantenendo il potenziale costante.

Metodo del blocco del potenziale (Voltage-clamp)

Utilizza un sistema elettronico a controllo a feedback per mantenere il potenziale di membrana ad un valore prestabilito. Si cambia bruscamente il potenziale a -40 mV, se passa la corrente c’è un flusso uguale e contrario che attraversa la membrana (e il potenziale è mantenuto costante). Rimane solo la I_R che passa attraverso i canali ionici.

• A -70 mV → I = 0, il potenziale è a riposo
• A -40 mV → le cariche positive sono attratte ed entrano nella cellula, il potenziale diventa positivo e si inverte il segno. Le cariche positive escono.
• Si aprono i canali K⁺ (lentamente) e il potenziale torna a valori negativi fino a -70 mV (i canali si chiudono).

Il potenziale d’azione è dovuto a correnti diverse attivate dal potenziale di membrana:

I_Na = C_Na(V_m - E_Na)

I_K = C_K(V_m - E_K)

Le conduttanze dipendono dal tempo e dal potenziale di membrana, il potenziale infatti interferisce con la struttura del canale interagendo con i residui carichi positivamente sensibili al cambiamento del potenziale che induce un cambio di conformazione.

Ciclo di Hodgkin

Circuito rigenerativo a feedback positivo responsabile della fase ascendente del potenziale d’azione. Durante la depolarizzazione, subito sopra al valore di soglia, alcuni canali di Na⁺ si aprono permettendo l’ingresso di più ioni Na⁺ e facilitando la depolarizzazione.

A circa -40 mV i canali di Na⁺ aperti sono molti di più: la corrente entrante del Na⁺ aumenta e la cellula depolarizza fino a che tutti i canali del Na⁺ sono aperti, ottenendo così la corrente massima. Questo processo si autoalimenta; è una retroazione positiva veloce che porta la cellula vicino al potenziale d’azione massimo.