Lezioni unificate fisiologia

Lezione 2 - Potenziali di membrana

I neuroni sono elementi eccitabili insieme alle fibre muscolari, l'eccitabilità consiste nel fatto che talune di queste cellule riescono a modulare il proprio potenziale di membrana fino ad invertirlo, generando uno stato di eccitazione e quindi il potenziale d'azione.

Caratteristiche dell'eccitabilità

Il potenziale di membrana lo hanno tutte le cellule, ma solo gli elementi eccitabili hanno acquisito questa capacità di modularlo, in risposta a stimoli meccanici, termici, chimici. All'interno della cellula abbiamo cariche negative in eccesso rispetto all'esterno, il potenziale che si instaura a cavallo della membrana sarà negativo verso l'interno. Il valore del potenziale non è sempre costante ma sempre diverso da cellula a cellula. Tipicamente è molto basso in cellule non eccitabili come i globuli rossi (-40 millivolt) e più consistente nelle cellule eccitabili: fibre nervose -70mv, muscolari -90mv. L’eccitazione avviene attraverso stimolazioni elettriche.

Mediante elettrodi sottilissimi, se uno punge la membrana ed entra nella cellula, fuori il potenziale è 0 e dentro registra una negatività, il -70mv, tale resta se nessuno lo stimola, per questo si chiama potenziale di riposo.

Come vedere l'evoluzione del potenziale a seguito di stimolazione

Mediante stimolazione elettrica, nell'assone gigante del calamaro, dove viene fatto passare corrente al suo interno posto tra il catodo e l'anodo, il positivo è l'anodo e il catodo è negativo. Quando facciamo passare corrente attraverso i due poli e chiudiamo il circuito, induciamo una massa di ioni che si spostano tra i due elettrodi, migrazione di particelle cariche nella soluzione, per questo prendono il nome di ioni. Gli ioni, a seconda della loro carica, le positive vanno al catodo, perché cariche di segno uguale si respingono e si attraggono i segni opposti, verrà quindi detta catione, la particella negativa andrà all'anodo e si chiamerà anione.

Nel momento in cui facciamo passare corrente, questi ioni migreranno, gli anioni all'anodo e cationi al catodo seguendo infiniti percorsi, molti dei quali esterni alla fibra nervosa, però quelli che ci interessano sono quelli che attraversano la membrana per andare da un elettrodo ad un altro. Perché in questo tentativo gli ioni dovranno attraversare la membrana per entrare dentro l'assoplasma e attraversare la membrana per uscirne. E siccome gli ioni sono elettroliti, idrosolubili, non passano facilmente attraverso le membrane, perché la membrana è fatta da lipidi e quindi uno ione idrosolubile non attraversa facilmente.

In questo caso analizziamo il flusso dei cationi, questi ioni nel volere attraversare la membrana trovano resistenza e passano a stento, quindi una parte di essi si accumula sulla superficie esterna della membrana, ma quelli che sono passati e quelli che sono dentro l'assoplasma migrano per raggiungere il catodo. Ma per raggiungerlo devono attraversare ancora la membrana e quindi si accumuleranno sulla superficie interna questa volta della membrana.

Discorso opposto ma analogo per il flusso di cariche negative contemporaneo, per andare dal catodo all'anodo. Ancora queste cariche poiché incontrano resistenza si accumulano sulla superficie esterna e quelle che passano e che ci sono vogliono uscire e si accumuleranno dentro la membrana. Questo turba la polarità della membrana a riposo, per esempio nella misura di 10 mv, cosa sarà successo al catodo e all'anodo? A riposo il potenziale di -70 quanto sarà diventato a catodo e anodo? La ddp originale -70 è stata attenuata dall'accumulo all'interno delle cariche + quindi -60. Questo tipo di variazione si chiama depolarizzazione, cioè attenuazione della polarità di membrana. Invece a livello dell'anodo diventeranno -80 mv perché l'originale ddp sarà potenziata da un arricchimento di cariche – e si chiama iperpolarizzazione. Iperpolarizzazione è l'aumento della ddp a cavallo della membrana.

La perturbazione non sarà sempre di 10 mv, perché potrà assumere diverso valori in base all'intensità dello stimolo, stimolazione più forte indurrà variazioni più ampie, stimolazione meno forte, variazione meno ampie.

Se aumentiamo l'intensità dello stimolo, all'anodo all'iperpolarizzazione massima non aumenta più l'ampiezza, ma al catodo dove induciamo depolarizzazione, superato un certo stimolo accade che ad un certo punto, superato il valore critico di depolarizzazione, la membrana invece di tornare a riposo si depolarizza molto più velocemente fino a far diventare transitoriamente l'interno della membrana positivo. Una volta raggiunti i valori positivi 20-30 mv osserviamo immediatamente dopo un ritorno alla polarità di membrana a riposo, fenomeno chiamato ripolarizzazione. Alle volte è una ripolarizzazione talmente efficace che si va a valori di iperpolarizzazione, questo è il potenziale d'azione: questo comprende la rapida depolarizzazione e rapida ripolarizzazione, escursione veloce che fa acquisire al grafico una forma a punta e anche per questo nella terminologia anglosassone si definisce Spike, spina.

Tipi di potenziali elettrici

Mentre i fenomeni di depolarizzazione e iperpolarizzazione sono eventi graduabili, con ampiezza che può essere dipendente dallo stimolo, il potenziale d'azione ha ampiezza che è sempre costante ed è proprio per questo che viene considerato un fenomeno elettrico del tutto o nulla.

Che tipo di potenziali elettrici abbiamo indotto con la nostra stimolazione? Due tipi, la prima è quella che induciamo con deboli stimolazioni, depolarizzazioni e iperpolarizzazioni più o meno ampie, questo tipo di attività elettrica indotta è detta potenziali elettrotonici graduabili in ampiezza, mentre il potenziale di azione è un fenomeno tutto o nulla, prima grande differenza. Hanno quindi caratteristiche diverse:

• I potenziali elettrotonici possono essere di variabile ampiezza, il potenziale d'azione parte da -70 fino a +30 avrà ampiezza 100 mv il +30 è detto eccedenza.
• La polarità: i potenziali elettrotonici possono essere potenziale di depolarizzazione o iperpolarizzazione, il potenziale d'azione invece non esiste verso la iperpolarizzazione ma viene evocato solo in fase di depolarizzazione, sempre verso la positività.
• La propagazione: i potenziali elettrotonici si propagano male, perché la propagazione è legata alle caratteristiche di conducibilità della membrana che è scarsamente capace di condurre (fatta di lipidi non conduttori). Per cui un potenziale elettrotonico per propagarsi lungo l'assone, si attenua subito dopo breve spazio fino a scomparire nell'arco di pochi centinaia di micron. Proprio per questo i potenziali elettrotonici vengono definiti potenziali locali, che si evolvono localmente. Il potenziale d'azione si propaga invece benissimo, addirittura senza decremento, cioè un potenziale d'azione indotto in un motoneurone del MS lombare viaggia molto velocemente lungo tutto l'assone e se lo registriamo fino alle ultime terminazioni assoniche l'ampiezza è sempre quella.

Ma se la membrana è scarso conduttore, come fa il potenziale a condurre senza decremento? La propagazione del potenziale d'azione avviene con meccanismi auto rigenerativi, cioè un potenziale d'azione che nasce man mano che cammina si auto rigenera e arriva sempre con la stessa ampiezza.

Equazione di Nernst

Abbiamo visto che possiamo registrare nelle cellule i potenziali di membrana, ma da che cosa sono determinati questi potenziali? La prima domanda propedeutica a tutto è che visto che l'interno è negativo a riposo, quali saranno le cariche responsabili di questa negatività? Gli anioni indiffusibili che non passano la membrana, ovvero le proteine. Queste al normale pH della cellula si dissociano come acidi, in realtà sarebbero elettroliti anfoteri, con doppia possibilità di dissociazione. Di dissociarsi come acidi a pH più basso del loro punto isoelettrico o come basi quando il pH in cui si trovano è più acido. Responsabili della dissociazione acida sono i gruppi COOH quelli degli AA dicarbossilici. E altri AA sono detti basici perché hanno due radicali NH di amminici. La dissociazione basica a carico del gruppo nh2 consiste nell'acquisire un protone e trasformarsi in nh3+. La dissociazione acida, più fisiologica, da COOH si dissocia in COO- + H+. Le proteine sono in questa forma acida, per cui tanti gruppi COOH fanno acquisire alle proteine una carica elettrica negativa.

La negatività interna è dovuta alle proteine e allora interviene lo ione Na+, che si trova fuori dalla cellula perché c'è una pompa che lo butta fuori, pompa Na+/K+ che lo pompa contro gradiente. Essendo uno ione idrofilo non passa la membrana facilmente e quel poco che entra, la pompa lo ributta fuori creando per il Na+ una condizione di squilibrio forte, perché acquisisce fortissima tendenza ad entrare. Questo lavoro costa all'organismo il 60-70% dell'energia che noi dissipiamo. Il suo ruolo è infatti importantissimo perché crea una sorta di energia potenziale, fare acquisire al Na+ una forte tendenza ad entrare rappresenta un serbatoio di energia potenziale, perché avendo il Na+ forte tendenza ad entrare quando riesce, fornisce energia per fare funzionare altri meccanismi, per esempio dei trasportatori di membrana. Esempio: il riassorbimento del glucosio nell'epitelio del tubulo renale.

Meccanismi di simporto e antiporto

Simporto è quando due sostanze vengono trasportate nello stesso verso, antiporto quando le due sostanze si trasportano in sensi opposti, uno delle due sarà sempre il glucosio in ingresso nella cellula. Il Na+ viene poi pompato fuori dalla pompa Na+/K+. Garantisce quindi tutti o quasi i trasporti di membrana. Ancora più specifico è l'applicazione nelle cellule dei tessuti eccitabili e in particolare per generare il potenziale d'azione.

Cosa succede quando si arriva alla soglia del potenziale? Si ha un repentino e massiccio ingresso di Na+ perché era tenuto squilibrato. Ma cosa succede? All'arrivo del valore di soglia a livello della membrana cambia la permeabilità, quindi l'apertura di canali ionici, molecole proteiche che si trovano annegate nello strato lipidico della membrana e rappresentano la permeabilità della membrana perché altrimenti la costituzione lipidica della membrana non farebbe passare dagli ioni, che passano solo in presenza di un poro idrofilo, appunto i canali. Classifichiamo i canali in due grosse categorie:

• Passivi sono quelli che rappresentano aperture idrofile della membrana e sono sempre aperti anche se poco numerosi, responsabili della scarsa permeabilità della membrana agli ioni (detti ungated).
• Attivi hanno invece conformazione regolata e possono essere aperti o chiusi, per questo questi vengono detti gated, "provvisti di cancello", e possono modificare anche velocemente la permeabilità di membrana verso lo ione verso il quale sono specificamente selettivi. Quelli passivi sono anch'essi specifici.

Ma chi può determinare l'apertura o la chiusura dei canali? A cosa sono sensibili? Tre sono i meccanismi più definiti:

• Eventi meccanici, stimoli meccanici, perché taluni di questi canali sono fortemente ancorati alla membrana e una deformazione della struttura in cui si trovano ne può determinare apertura o chiusura, come se il canale venisse stiracchiato quando la membrana viene stirata. Esempio: i barocettori aortici e carotidei, terminazioni nervose sensibili allo stato di distensione di aorta o carotide, ci sono canali attivi sensibili alla deformazione meccanica.
• Eventi chimici: recettori sulla lingua, attivati dall'arrivo di molecole, o della mucosa nasale, o le sinapsi dove l'arrivo di mediatori chimici, si lega a dei recettori che fanno variare la permeabilità della membrana post sinaptica. Canali "ligando dipendenti".
• Eventi elettrici, i canali sono fatti da proteine e abbiamo visto che sono elettricamente cariche, quindi è comprensibile che qualcuno di questi canali possa variare la sua conformazione sulla base del campo elettrico in cui si trova, questi canali che si aprono o chiudono in base al voltaggio sono "voltaggio dipendenti".

Cosa succede quando si raggiunge la soglia che fa scattare il potenziale d'azione? La messa in moto di canali voltaggio dipendenti che, raggiunto un certo valore di depolarizzazione, si aprono e quindi la membrana da che era impermeabile al sodio diventa permeabile, lo ione sodio spinto dal suo forte gradiente entra e depolarizza.

Lezione 3 - Canali ionici

A riposo, nella membrana di una cellula, osserviamo che ci sono ioni non tutti in equilibrio con K+ che tende a uscire e Na+ a entrare. La permeabilità a riposo è scarsa ma qualcuno di questi ioni riesce a passare, però man mano che questo avviene la pompa Na+/K+ prende il Na+ e lo butta fuori e il K+ lo ributta dentro, operando un lavoro contro corrente che mantiene questi ioni in una forma squilibrata. Questo lavoro è alla base di quasi tutti i fenomeni di trasporto della membrana e soprattutto dell'eccitabilità.

Se stimoliamo una fibra fino alla nascita del potenziale d'azione, alla base si ha l'apertura di canali voltaggio dipendenti. Giunti alla soglia, alla base della rapida depolarizzazione è l'improvviso ingresso di Na+ perché si aprono i canali volt dipendenti per il Na+ e la membrana diviene permeabile. Il Na+ entrando crea depolarizzazione arrivando a valori di +30 +35, ma questo stato di depolarizzazione non dura, infatti raggiunto il picco la polarità torna alla normalità per ripolarizzazione, addirittura la ripolarizzazione fa tornare ad un valore ancora più negativa dando origine a questo fenomeno di iperpolarizzazione postuma. La ripolarizzazione veloce è dovuta ad una uscita di K+, che ha tendenza spontanea di uscire. Però il fatto che la ripolarizzazione sia abbastanza veloce ci dice che questo K+ sta uscendo in maniera massiccia per il fatto che la membrana in questa fase viene resa più permeabile al K+ per l'apertura di canali volt dipendenti per il K+.

Giunti a -55mv depolarizzazione soglia, si mettono in moto due tipi di canali: prima quelli per il Na+ e poi si apre anche quello del K+ e in questo secondo frangente uscirà il K+ che si prolunga un po' di più nel tempo con conseguente iperpolarizzazione postuma. Il valore di -55 mv è un valore che può subire variazioni, ma il valore è sempre soglia cioè a quel valore di depolarizzazione al quale questi canali iniziano ad aprirsi. Il tutto avviene in 1 ms nelle fibre nervose, mentre nelle fibre muscolari tutto si esaurisce in 3-5 ms.

L'unico potenziale che dura molto di più è il potenziale d'azione cardiaco in cui il fenomeno di aumento di permeabilità al Na+ non è subito seguito da quello al K+ che invece viene ritardato nel tempo, così presenta quel caratteristico plateau, facendo durare il potenziale d'azione a circa 200 ms. Questo fenomeno di plateau preserva così il miocardio da un eventuale contrazione tetanica, l'infarto...cosa che è invece normale nei muscoli scheletrici, perché qui il potenziale dura 3 ms e la contrazione dura di più, per cui le fibre ridiventano eccitabili quando ancora sono contratte, per cui una scarica di potenziale da parte dei nervi che li innervano induce una scarica di potenziali nel muscolo che fa sommare le singole contrazioni e dalle scosse semplici si passa ai diversi livelli di tetano.

Nel cuore se il miocardio ventricolare entrasse in tetano finirebbe l'azione pompante, quindi per evitare il tetano questo potenziale così duraturo accompagna elettricamente le fibrocellule cardiache durante la sistole rendendole così refrattarie ad eventuali altre stimolazioni perché queste ridiventeranno eccitabili alla fine del potenziale dove si è già rilassato e quindi pronto ad una nuove sistole.

Refrattarietà è l’ineccitabilità, l’incapacità di eccitare la fibra perché già c'è il potenziale, il periodo refrattario coincide con quello del potenziale d'azione perché quando una fibra sta dando il potenziale diventa ineccitabile verso altri stimoli. Solitamente si distingue in due periodi, il periodo di refrattarietà assoluta: con qualsiasi stimolo di qualsiasi entità non si ecciterà mai; sulla coda del potenziale d'azione abbiamo la refrattarietà relativa e la cellula non è ancora eccitabile come prima, ma stimoli più intensi evocheranno un potenziale d'azione. Finita la refrattarietà relativa, la cui durata dipende anche dall'iperpolarizzazione postuma, la cellula riacquista la sua eccitabilità. Ecco perché il potenziale d'azione ha caratteristiche ben definite (a differenza dei potenziali elettrotonici).

Caratteristiche del potenziale d'azione

• L'ampiezza sempre costante infatti è un fenomeno elettrico del tutto o nulla.
• Il segno, il potenziale d'azione è solo evento che va verso la depolarizzazione perché è contraddistinto solo dall'ingresso di cariche positive.
• La propagazione: nel potenziale d'azione è senza decrementi grazie ai meccanismi auto rigenerativi.

(descrizione della propagazione del potenziale d'azione nella fibra sul libro).

L'esistenza del potenziale d'azione in un pezzo di fibra crea i presupposti affinché generi al suo davanti una depolarizzazione che raggiungerà la soglia e farà scattare nel pezzo avanti a sé la depolarizzazione, avanzerà pezzetto per pezzetto. Però quello generato ogni volta è un potenziale nuovo, indotto da quello di prima ma sempre nuovo.