Citologia - potenziale di membrana e il potenziale d'azione

Ciascuno ione si idrata in maniera

diversa rispetto agli altri e questo è

fondamentale per i canali nel distinguere

da ione a ione. Il trucco del filtro di selettività consiste nel sostituire all’acqua il legame mediato da

amminoacidi i quali formano un ambiente in cui si possono formare legami di tipo idrogeno o ionico

che favoriscono la penetrazione del solo ione potassio.

Il potassio prima di poter entrare attraverso il filtro di selettività deve essere liberato dal suo

involucro di molecole d’acqua. Si passa dall’involucro di molecole di acqua al passaggio del

composto attraverso amminoacidi polari.

Ci sono quattro passaggi in cui può essere intrappolato lo ione potassio.

Nel filtro di selettività lo ione potassio viene

scambiato da una posizione all’altra. Questo

avviene perché l’arrivo di uno ione potassio

respinge uno che è già all’interno del filtro di

selettività che esce e riesce a passare nella

posizione successiva. Lo ione potassio entra

all’interno del canale idratato e viene scambiato

dal guscio di idratazione alla prima posizione del

canale facendo così respingere lo ione potassio

che è presente nel secondo step del filtro il quale

a sua volta respinge quello presente nell’ultimo

passaggio, che quindi esce. Poi arriva uno nuovo

e ricomincia il ciclo portando alla fine

all’espulsione dello ione potassio che a questo

punto si circonda nuovamente da un guscio di

idratazione.

Il canale potassio che è stato studiato e descritto

molto bene (e da cui derivano le osservazioni di

cui sopra) è il canale potassio dei batteri la cui funzione fisiologica è comunque al momento ignota.

Quello che si sa è che anche il canale potassio delle cellule umane funziona in maniera molto

simile. Non solo, molto canali anche quelli controllati dal voltaggio o dai ligandi hanno uno schema

molto simile di filtro di selettività. Per cui questo può essere visto come esempio molto semplice di

tutta una serie di canali.

A cosa serve il potenziale di membrana?

Il potenziale di membrana può essere anche utilizzato, combinato con le pompe e i trasportatori

per generare modificazioni rilevanti dell’ambiente ionico all’interno di comparti specifici

dell’organismo.

Un esempio è lo stomaco: quando digeriamo produce acido cloridrico. Lo produce mediante cellule

dette

parietali che possiedono una membrana

plasmatica che si invagina nella direzione

del lume dello stomaco formando tutta

una serie di ramificazioni all’interno della

cellula.

Questo perché? Per aumentare al

massimo la superficie della membrana

plasmatica.

Da questo lato la cellula infatti “secerne”

HCl.

Come fa a farlo? Utilizza pompe, trasportatori e canali.

Sulla superficie è presente anche un canale cloro. Il cloro è favorito a uscire perché la cellula con

sistema di antiporto scambia il cloro (lo porta all’interno) dalla parte della membrana opposta a

quella che dà sul lume con lo ione bicarbonato. Lo ione bicarbonato si origina tramite reazione di

anidride carbonica e acqua da parte dell’anidrasi carbonica. Questo porta indirettamente alla

formazione dell’acido carbonico (H2CO3) ma l’acido carbonico si dissocia rapidamente in ione

bicarbonato e H+. Lo ione bicarbonato viene dunque scambiato col cloro e lo ione idrogeno viene

pompato in antiporto col potassio verso il lume dello stomaco (è una pompa perché utilizza ATP

per pompare fuori lo ione idrogeno in antiporto con lo ione potassio che viene pompato contro

gradiente). Quindi in questa situazione lo ione potassio esce verso il lume naturalmente perché la

concentrazione di potassio all’interno della cellula tende ad aumentare a causa della pompa e

insieme con lo ione idrogeno che è stato pompato nel lume promuove l’attrazione dello ione cloro

all’esterno perché lo ione cloro aumenta all’interno della cellula grazie all’antiporto e inoltre la

carica netta di ione potassio e ione idrogeno attraggono lo ione cloro. Ione idrogeno e ione cloro

formano esattamente l’acido cloridrico.

Il potenziale d’azione

Un’altra applicazione del potenziale di membrana è il potenziale d’azione. Questa è

un’applicazione più diretta perché il potenziale d’azione è il sistema con cui i neuroni trasmettono

un’informazione lungo la loro lunghezza.

Si tratta di un cambiamento temporalmente e spazialmente localizzato del potenziale di

membrana.

Questo è un neurone, costituito da

un soma (o corpo cellulare) che

possiede anche tutta una serie di

diramazioni, dette dendriti, e da un

assone, che è una diramazione

particolare poiché ha tutta una serie

di caratteristiche che permettono la

diffusione dello stimolo

che arriva al neurone sino alle sinapsi che

permettono la trasmissione dello stimolo alle cellule

che devono riceverlo (post sinaptiche). Questo

stimolo viaggia come un’onda elettrica,: la

stimolazione viaggia grazie a una modificazione

dell’ambiente elettrico della cellula, per la precisione

una modificazione localizzata del potenziale di

membrana.

Originariamente il potenziale d’azione è stato

misurato sugli assoni dei neuroni delle seppie. Ciò

perché vanno utilizzati degli elettrodi e i neuroni

devono possedere assoni abbastanza grandi e

lunghi: al tempo la tecnologia non era abbastanza

avanzata da usare elettrodi abbastanza piccoli da poter essere utilizzati sugli assoni dei neuroni

umani.

Inoltre gli assoni umani sono ricoperti da altre cellule, le cellule di Schwann, che formano una

guaina mielinica che è un isolante. I neuroni di seppia, al contrario, proprio in virtù della grandezza

e della lunghezza dei neuroni non hanno bisogno di questa guaina.

Il potenziale di membrana di queste cellule è di circa -60mV. Quando arriva lo stimolo si ha una

rapida depolarizzazione (il potenziale di membrana, originariamente negativo, in un millisecondo

diventa leggermente positivo). Da questa posizione poi si ha una ripolarizzazione della

membrana, sino addirittura a una iperpolarizzazione della stessa (il potenziale di membrana

diventa più negativo del potenziale originale). Lentamente poi si torna al potenziale originario.

Poiché il fenomeno è localizzato in un punto, misurando il potenziale in un altro punto non si

osserva nessuna variazione di potenziale. Successivamente però si osserva una variazione nella

zona più vicina a quella dove si è osservata la depolarizzazione inizialmente.

Praticamente un potenziale d’azione in un punto della membrana scatena una depolarizzazione in

una zona adiacente e dunque un nuovo potenziale d’azione in un secondo punto. Una sorta di

onda che si trasmette lungo tutto l’assone. Si torna dunque ad avere un potenziale di membrana

normale nella zona precedentemente caratterizzata da una variazione di potenziale, mentre la

parte più lontana sta depolarizzandosi.

Il cambiamento di potenziale è dovuto ai movimenti del sodio e del potassio e dal loro gradiente

di concentrazione. La concentrazione del sodio è maggiore all’esterno piuttosto che all’interno

mentre la concentrazione del potassio è maggiore all’interno. Ciò che si muove per primo è il sodio

che è responsabile della depolarizzazione: l’interno della cellula è

negativo, una volta avvenuto lo stimolo e raggiunto il potenziale soglia, si

aprono i canali del sodio che segue il proprio gradiente elettrochimico ed

entra nella cellula, invertendo il potenziale di membrana.

Questi canali poi vanno a chiudersi bloccando il flusso di sodio e a

questo punto entrano in gioco i canali di potassio a controllo di voltaggio

che si aprono nella fase calante della depolarizzazione. Aumenta

dunque in questa fase la permeabilità al potassio che esce fuori

seguendo il proprio gradiente elettrochimico (non solo chimico ma anche

elettrico poiché la cellula è ora depolarizzata e quindi è più negativo

fuori). L’uscita del potassio ripristina l’equilibrio elettrico. Il ritorno alle

condizioni normali è dovuto sia alla chiusura dei canali del sodio sia all’apertura dei canali del

potassio. Ora entra in gioco la Pompa Na+/K+ a ripristinare le concentrazioni degli ioni e il

potenziale di membrana. Canale del sodio.

Presenta un filtro di

selettività che fa

passare solo gli ioni

sodio.

La chiusura è nel lato

interno. Normalmente il canale è chiuso: possiede delle

alfa eliche che sono sensibili al voltaggio. Questi domini possiedono diversi amminoacidi carichi

positivamente che sono attratti verso il lato negativo della membrana: sono posizionati verso il lato

interno della membrana plasmatica. Questo mantiene i canali in una conformazione chiusa.

L’apertura è scatenata dalla depolarizzazione della membrana che avviene nella prossimità del

canale e che produce quindi lo spostamento delle alfa eliche. La depolarizzazione consiste

nell’inversione del potenziale di membrana e le alfa eliche si spostano dunque verso l’esterno.

Questo porta all’apertura del “cancello” e al momentaneo passaggio degli ioni sodio attraverso il

filtro di selettività. Questo ha una durata di circa un millisecondo, poi un altro dominio di questo

canale si sposta (modificazione allosterica) e va a bloccare il canale di passaggio del sodio.

La depolarizzazione della membrana porta alla rapida apertura dei canali del sodio voltaggio

dipendenti e alla loro altrettanta rapida chiusura (si auto inattivano) producendo un picco di entrata

del sodio nella cellula.

Lentamente, dallo stato di inattivazione, quando la membrana torna allo stato di polarizzazione

normale il canale torna allo stato di chiusura. Esiste un intervallo di tempo necessario perché i

canali di sodio voltaggio-dipendenti vengano ripristinati in una condizione in cui possono essere

attivati. Il passaggio va da chiuso ad aperto a inattivato. I canali una volta aperti vengono

inattivati e per un certo periodo di tempo non possono

essere più riaperti (periodo refrattario).

Questo schema rappresenta quello che succede

una volta che un impulso elettrico (di valore almeno

pari al valore di soglia) giunge all’assone. La

membrana si depolarizza rapidamente a causa dei

canali sodio voltaggio dipendenti che si aprono. Ciò

provoca l’apertura a catena di tutti i canali sodio

voltaggio dipendenti adiacenti. Man mano i canali

vanno ad essere inattivati e lentamente il potenziale

torna al potenziale di riposo. Alla fine la maggior

parte dei canali tornano allo stato di chiusura.

La cadut