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Potenziale d'azione

Un potenziale d'azione è una variazione rapida del potenziale di membrana seguita dal ritorno del potenziale alla condizione di riposo. L'ampiezza e la forma variano a seconda dei vari tessuti eccitabili però hanno tutte caratteristiche comuni: il pdA si propaga conservando la stessa forma e la stessa ampiezza per l'intera lunghezza della fibra nervosa o muscolare. Il pdA è alla base della trasmissione dello scambio di informazioni nelle cellule nervose, nelle muscolari rende possibile la contrazione simultanea, i canali ionici voltaggio dipendenti sono alla base dei pdA. Con l'uso di microelettrodi posti uno intracellularmente e uno extracellulare è possibile fare registrazioni.

Potenziale di riposo e registrazioni

Nel muscolo saltatorio di rana il potenziale intracellulare è -90mV, ed è il potenziale di riposo della membrana: ciò vuol dire che è 90 volte più negativo dell'esterno infatti si calcola potenziale intracellulare – pot. Extracellulare. Il potenziale di membrana può essere modificato attraverso passaggi di corrente elettrica attraverso la membrana. Tali impulsi possono essere depolarizzanti o iperpolarizzanti a seconda della direzione del flusso di corrente.

• Depolarizzazione: riduzione della differenza di potenziale, es. da -90 a -70 mV.
• Iperpolarizzazione: aumento della polarizzazione della membrana, es. da -90 a -100 mV.

In risposta a un certo potenziale depolarizzante di intensità superiore a un certo valore di soglia la cellula risponde con un pdA. Le variazioni di potenziale che si instaurano vicino al punto di applicazione della corrente non si propagano lungo tutta la cellula e vengono detti potenziali locali. Un potenziale d'azione, pdA, si instaura quando una corrente depolarizzante fa sì che il potenziale di membrana raggiunga un valore soglia, per esempio per l'assone gigante di calamaro tale valore è -55mV. Quando si raggiunge tale valore si ha pdA.

Caratteristiche del potenziale d'azione

Il pdA si differenzia dalla risposta locale per due motivi:

1. È una risposta molto più ampia con inversione di polarità (l'interno della membrana diventa positivo rispetto all'esterno).
2. Si propaga lungo tutta la cellula mantenendosi inalterato. L'ampiezza e la forma rimangono inalterati a prescindere dall'intensità dello stimolo.

Il potenziale d'azione è anche definito tutto-o-nulla poiché o uno stimolo è in grado di provocarlo o non è in grado (stimolo sottosoglia), non ci sono vie di mezzo.

Mecanismi ionici dei pdA

Assone di calamaro: Una volta che la membrana ha raggiunto la soglia, si verifica una depolarizzazione che supera il limite dello zero (overshoot) e la polarità della membrana si inverte da negativo a positivo. L'apice del pdA è +50mV. Poi torna verso i valori del potenziale di riposo a cui segue una fase di iperpolarizzazione postuma che persiste per circa 4ms. Il potenziale di riposo è dato dalla somma dei potenziali di equilibrio di ioni potassio, sodio, cloro in quanto ognuno contribuirà alla conduttanza della membrana.

Quando tanti ioni si distribuiscono ai lati di una membrana e sono lontani dal loro equilibrio, ciascuno tenderà a spostare il potenziale di membrana verso il proprio potenziale di equilibrio, calcolato con l'equazione di Nernst.

Nel muscolo di rana per esempio:

• K+ → 67mV
• Na+ → -105mV
• Cl- → -90mV

La differenza di potenziale che creano attraverso la membrana è definita da: La conduttanza è il reciproco della resistenza per cui più la membrana è permeabile a un dato ione maggiore è la conduttanza a quello ione. Maggiore è la conduttanza di quello ione maggiore sarà la sua capacità di portare verso il suo potenziale di equilibrio il potenziale di membrana. L'equazione della conduttanza ci dice che il potenziale elettrico di membrana è dato dalla media dei potenziali di equilibrio di tutti gli ioni a cui la membrana è permeabile.

Nell'assone di calamaro il potenziale di riposo (Em) è -70 mV. Il potenziale di equilibrio del K+, Ek, è -100 mV per cui un aumento della sua conduttanza iperpolarizzerebbe la membrana mentre una riduzione la depolarizza. Ecl è -70 mV per cui un aumento della sua conduttanza renderebbe stabile Em al suo valore. Ena è +65 mV quindi un suo aumento sufficientemente ampio provocherebbe depolarizzazione e inversione della polarità di membrana. Il pdA dell'assone di calamaro è dovuto all'aumento sequenziale delle conduttanze di Na+ e K+. La conduttanza del Na+ aumenta molto rapidamente durante il pdA e raggiunge il massimo circa quando il pdA raggiunge l'apice poi decresce rapidamente. La conduttanza del K+ è più graduale, ha un aumento ritardato, raggiunge il massimo circa a metà della fase di ripolarizzazione e torna più lentamente ai livelli di riposo.

L'incremento rapido di gNa provoca uno spostamento del Em verso +65mV. Il picco del pdA si ferma a +50 mV perché la conduttanza di K+ aumenta provocando una tendenza opposta e perché gNa torna rapidamente ai valori di riposo. Durante la fase di iperpolarizzazione postuma, quando la membrana è più negativa rispetto al potenziale di riposo, gNa torna al suo normale valore ma gK rimane elevata e finché rimane elevata Em tende ad avvicinarsi al valore di Ek (-100mV). Le correnti ioniche si servono dei canali specifici nella membrana: canale del Na+ e canale del K+.

Il canale del Na+ è costituito da diverse alfa eliche transmembranarie che circondano il canale. Tali canali possiedono una barriera di attivazione e una barriera di inattivazione che rendono conto delle variazioni di gNa durante il pdA. La porzione più stretta del canale è il filtro selettivo e sia K+ che Na+ per entrarci devono perdere gran parte della loro acqua di idratazione. Per questo ruolo ci sono i residui AA negativi che tappezzano il canale (diversi e specifici a seconda del tipo di canale).

I canali ionici oscillano spontaneamente tra due stati di conduttanza, uno stato aperto e uno chiuso. Possono essere studiati con la tecnica del patch clamp: una pipetta è posta sulla superficie della membrana e viene risucchiata in modo da far aderire completamente pipetta e membrana. L'elettrodo così fissato alla membrana può registrare l'attività dei canali lì circoscritti. La corrente di Na+ in ingresso è data dall'apertura dei canali durante una depolarizzazione, il comportamento dei canali è causale ma la probabilità che si trovi nello stato aperto aumenta quando il potenziale è depolarizzato al valore di soglia.

In risposta a una depolarizzazione alcuni canali possono aprirsi una volta, altri più di una, altri ancora non aprirsi affatto. Il tracciato B è una media del comportamento tenuto dal canale in seguito alla depolarizzazione: si apre e si inattiva dopo breve tempo anche se è ancora presente il gradino depolarizzante.

Muscolo cardiaco

La depolarizzazione iniziale e l'overshoot sono dovuti all'ingresso rapido di Na+ attraverso i canali che sono definiti canali sodici rapidi. Dopo la depolarizzazione e l'overshoot, il pdA cardiaco presenta una fase di plateau dovuti ai canali del calcio di tipo L (detti anche canali lenti in quanto si aprono e chiudono più lentamente di quelli del Na+). Il calcio che entra durante il plateau coopera per la contrazione della cellula ventricolare e stimola rilascio di altro calcio dal SER. La ripolarizzazione della cellula avviene per chiusura dei canali L e per apertura ritardata dei canali potassici.

Muscolo liscio

Variano in base al tipo di muscolatura liscia. Sono caratterizzati da una minor velocità di depolarizzazione e ripolarizzazione e un overshoot meno ampio. La fase di depolarizzazione è dovuta all'apertura dei canali Ca++, il calcio che entra è fondamentale per l'accoppiamento eccitazione contrazione in quanto in queste cellule il SER è poco sviluppato. La ripolarizzazione avviene per chiusura dei canali lenti del Ca++ e dall'apertura ritardata dei K+. Gran parte delle cellule muscolari lisce sono prive dei canali del Na+.

Proprietà dei pdA

• Inattivazione da voltaggio: una volta che i canali sodici si sono inattivati, la membrana deve polarizzarsi al valore di riposo prima che si possano aprire di nuovo. Man mano che il potenziale di membrana si avvicina al valore di riposo, aumenta il numero di canali che possono attivarsi di nuovo.
• Refrattarietà: la membrana, per tutta la durata del pdA, è refrattaria ad altri stimoli. Per quanto elevato possa essere un ulteriore stimolo, la cellula non è in grado di rispondervi con un altro pdA.
• Accomodazione: se la cellula è depolarizzata lentamente, la soglia può essere superata senza che si verifichi un pdA.

I pdA si rigenerano man mano che si propagano lungo la cellula, in questo modo mantengono la forma e l'ampiezza.