Neurofisiologia

Potenziale di membrana

In tutti i neuroni è presente una separazione di cariche elettriche sotto forma di un sottile strato di ioni, rispettivamente positivi e negativi, disposti sulla superficie esterna e interna della membrana cellulare. A riposo, le cellule nervose posseggono una eccedenza di cariche positive sulla faccia esterna della membrana ed un'eccedenza di cariche negative su quella interna. Questa separazione di cariche si mantiene costante in quanto gli ioni non possono muoversi liberamente attraverso il doppio strato lipidico della membrana e dà origine ad una differenza di potenziale elettrico, o voltaggio, ai capi della membrana, che viene detta appunto potenziale di membrana.

Definizione del potenziale di membrana

Il potenziale di membrana (V) è definito come: mV = V i - V e dove V i è il potenziale esistente all'interno della cellula e V e quello presente all'esterno. Il potenziale di membrana di una cellula a riposo è detto potenziale di membrana di riposo. Poiché, per convenzione, si assume il valore di zero per il potenziale esistente all'esterno della cellula, il potenziale di riposo (V r) è uguale a V i. Nella maggior parte dei neuroni esso varia fra -60mV e -70mV.

Tutti i segnali elettrici sono la conseguenza di rapide variazioni del potenziale di membrana dovute a modificazioni dei flussi di corrente elettrica che attraversano la membrana cellulare in seguito all'apertura o alla chiusura di canali ionici. La corrente che entra ed esce dalle cellule è trasportata da ioni, caricati positivamente (cationi) o negativamente (anioni).

Flusso di corrente e polarizzazione

Per convenzione, la direzione del flusso della corrente viene definita come quella della direzione netta delle cariche positive. Perciò, in una soluzione ionica, i cationi si muovono seguendo la direzione della corrente mentre gli anioni si muovono nella direzione opposta. Quando si verifica un flusso netto di anioni o di cationi verso l'interno o l'esterno della cellula, la separazione di cariche esistente ai capi della membrana si modifica e la polarizzazione di quest'ultima risulta alterata.

Una riduzione nella separazione delle cariche che determina un potenziale di membrana meno negativo viene detta depolarizzazione. Al contrario, un aumento della separazione delle cariche che determina un potenziale di membrana più negativo viene detto iperpolarizzazione. Le variazioni del potenziale che non determinano l'apertura di canali ionici ad accesso variabile vengono denominate potenziali elettrotonici e sono considerate come risposte passive della membrana. Le risposte iperpolarizzanti sono quasi sempre passive, come lo sono anche le risposte depolarizzanti di lieve entità.

Depolarizzazione e potenziale d'azione

Tuttavia, quando la depolarizzazione raggiunge un livello critico, cui si dà il nome di soglia, la cellula risponde in maniera attiva con l'apertura di canali voltaggio-dipendenti che, a questo livello critico, innescano appunto un potenziale d'azione di tutto-o-nulla.

Distribuzione ineguale degli ioni

Nessuna specie ionica è distribuita in maniera omogenea sulle due facce della membrana delle cellule nervose. Dei quattro tipi di ioni che si trovano in concentrazioni più elevate sui due lati della membrana plasmatica, gli Na⁺ e i Cl^- si trovano in concentrazioni maggiori all'esterno della cellula, mentre i K⁺ e gli anioni organici (A^-) sono più concentrati all'interno. Gli anioni organici sono costituiti soprattutto da aminoacidi e da proteine.

Problemi della distribuzione ineguale

Questa distribuzione ineguale degli ioni fa sorgere diversi problemi importanti:

• Qual è il ruolo dei gradienti ionici nella genesi del potenziale di membrana di riposo?
• In che modo questi gradienti ionici si mantengono costanti?
• Che cosa fa sì che questi gradienti ionici non vengano dissipati per diffusione attraverso i canali passivi (di riposo) della membrana?

Selettività dei canali ionici

I canali ionici passivi delle cellule gliali sono selettivi soltanto per K⁺. La selettività generale di una membrana per le singole specie ioniche dipende dalle rispettive proporzioni con cui sono aperti i diversi canali ionici della cellula. Il caso più semplice è quello delle cellule gliali che hanno un potenziale di riposo di circa -75 mV. In queste cellule la massima parte dei canali passivi della membrana è permeabile quasi esclusivamente agli ioni K⁺. Di conseguenza, a riposo, la membrana delle cellule gliali è permeabile quasi esclusivamente agli ioni K⁺. Le cellule gliali posseggono elevate concentrazioni di K⁺ e di anioni organici caricati negativamente all'interno ed elevate concentrazioni di Na⁺ e di Cl^- all'esterno.

Poiché gli ioni K⁺ sono presenti in concentrazioni elevate all'interno delle cellule gliali e la membrana di quest'ultime è selettivamente permeabile ai K⁺, essi tenderanno a diffondere fuori dalla cellula seguendo il proprio gradiente di concentrazione. Il risultato finale sarà la presenza di un eccesso di cariche positive all'esterno della cellula (per via del lieve eccesso di K⁺) e di un eccesso di cariche negative all'interno (a causa del deficit di K⁺ e della conseguente prevalenza degli anioni).

Diffusione degli ioni e potenziale di equilibrio

La diffusione dei K⁺ all'esterno della cellula è, tuttavia, autolimitante. Infatti, la separazione delle cariche dovuta al processo di diffusione dei K⁺ dà origine ad una differenza di potenziale: positiva all'esterno e negativa all'interno della cellula. Quanto più i K⁺ fluiscono verso l'esterno, tanto maggiore sarà il numero delle cariche separate e tanto maggiore diverrà la differenza di potenziale esistente ai capi della membrana. Poiché i K⁺ sono caricati positivamente, tale differenza di potenziale tenderà ad opporsi ad un ulteriore efflusso di K⁺. Gli ioni saranno in tal modo sollecitati da due diverse forze che tendono a farli spostare da una parte all'altra della membrana:

• Una forza motrice chimica che dipende dal gradiente di concentrazione esistente ai capi della membrana
• Una forza motrice elettrica che dipende dalla differenza di potenziale presente sulle due facce della membrana stessa

Quando la diffusione dei K⁺ avrà raggiunto una certa entità, ai capi della membrana si sarà anche stabilita una differenza di potenziale tale che le forze elettriche che spingono i K⁺ verso l'interno della cellula saranno esattamente controbilanciate dalle forze chimiche che spingono gli stessi ioni verso l'esterno. In altre parole, il flusso dei K⁺ diretti verso l'esterno (guidato dal proprio gradiente di concentrazione) sarà divenuto uguale al movimento dei K⁺ verso l'interno della cellula (guidato dalla differenza di potenziale elettrico presente attraverso la membrana). Questo potenziale viene detto potenziale d'equilibrio del potassio, E_K. In una cellula permeabile soltanto ai K⁺, E_K determina il potenziale di membrana di riposo che, nella maggior parte delle cellule gliali, si aggira sui -75 mV.

Il potenziale d'equilibrio per un qualsiasi ione X può venir calcolato applicando un'equazione, derivata nel 1888 dal chimico-fisico tedesco Walter Nernst in base ai principi fondamentali della termodinamica: "dove R è la costante dei gas, T è la temperatura (in gradi Kelvin), z la valenza dello ione, F la costante di Faraday e [X]_e [X]_i le concentrazioni dello ione all'esterno e all'interno della cellula.

Poiché a 25 °C (a temperatura ambiente) RT/F corrisponde a 25 mV e la costante di conversione dei logaritmi naturali nei logaritmi in base 10 è 2,3, l'equazione di Nernst si può anche scrivere come: " Così, per i K⁺: essendo z = +1 e assumendo come concentrazioni all'interno e all'esterno quelle dell'assone del Calamaro.

Canali ionici e permeabilità delle cellule nervose

Le cellule nervose posseggono canali passivi selettivi per diverse specie ioniche. Sia le misure del potenziale di membrana di riposo eseguite con microelettrodi intracellulari che lo studio dei flussi ionici fatto con radiotraccianti hanno permesso di stabilire che, a differenza delle cellule gliali, le cellule nervose a riposo sono permeabili oltre che ai K⁺ anche agli Na⁺ e ai Cl^-.

Se inseriamo alcuni canali passivi per gli Na⁺ nella membrana, rendendola in tal modo leggermente permeabile anche verso questi ioni, esistono due forze che tendono a far entrare gli Na⁺ nella cellula:

• Anzitutto gli Na⁺ sono maggiormente concentrati all'esterno della membrana e tendono perciò ad entrare nella cellula seguendo il loro gradiente di concentrazione.
• In secondo luogo, gli Na⁺ sono sospinti nella cellula dal potenziale elettrico negativo esistente ai capi della membrana.

L'ingresso di cariche positive (Na⁺) depolarizza la cellula spostando, tuttavia, ben poco il suo potenziale da quello di equilibrio per i K⁺ (-75 mV). Infatti il nuovo potenziale di membrana non tenderà ad avvicinarsi significativamente al potenziale d'equilibrio per l'Na⁺, che è di +55 mV, in quanto nella membrana vi sono molti più canali passivi per i K⁺ che non per gli Na⁺. Infatti, non appena il potenziale di membrana comincerà a depolarizzarsi allontanandosi dal valore del potenziale d'equilibrio per i K⁺, i flussi di K⁺ non saranno più in equilibrio ai capi della membrana. La riduzione della forza elettrica negativa che sospingeva i K⁺ nella cellula determinerà ora una sua fuoriuscita netta che tenderà a controbilanciare l'ingresso degli Na⁺. Tanto più il potenziale di membrana si depolarizza allontanandosi dal potenziale d'equilibrio per i K⁺, tanto maggiore diviene la forza elettromotrice che sospinge i K⁺ fuori dalla cellula e, di conseguenza, tanto maggiore il suo efflusso.

Alla fine, il potenziale di membrana si attesterà su un nuovo valore di riposo per il quale il flusso dei K⁺ verso l'esterno controbilancerà esattamente il movimento degli Na⁺ verso l'interno della cellula. Questo punto di equilibrio (generalmente -60 mV) è solo leggermente più positivo del potenziale d'equilibrio dei K⁺ (-75 mV) mentre è ancora lontanissimo dal potenziale d'equilibrio degli Na⁺ (+55 mV).

Flusso ionico e potenziale di membrana

Il flusso di uno ione attraverso la membrana cellulare è il prodotto della sua forza motrice elettrochimica (che è data dalla somma della forza motrice elettrica e della forza motrice chimica dovuta al gradiente di concentrazione) per la conduttanza della membrana verso quello ione: Flusso ionico = (forza motrice elettrica + forza motrice chimica) x conduttanza della membrana.

Le cellule hanno soltanto pochi canali passivi per gli Na⁺, perciò, a riposo, la conduttanza verso questi ioni è molto bassa. Di conseguenza, nonostante siano notevoli sia le forze elettriche che quelle chimiche che sospingono gli Na⁺ verso l'interno della cellula, il loro flusso in ingresso è quantitativamente modesto. Al contrario, poiché i canali passivi per i K⁺ sono numerosi, la conduttanza della membrana verso questi ioni è relativamente grande. In definitiva, la pur modesta forza uscente netta che agisce sui K⁺ è in grado di determinare un efflusso di K⁺ uguale all'ingresso degli Na⁺.

Flussi passivi e processi attivi

I flussi passivi di sodio e di potassio sono controbilanciati da processi attivi di trasporto degli stessi ioni. Perché una cellula possegga un potenziale di membrana di riposo stabile è necessario che la separazione delle cariche esistente ai capi della membrana si mantenga costante nel tempo: un ingresso di cariche positive deve essere bilanciato da un efflusso di cariche dello stesso segno. Se questi flussi non fossero uguali, la separazione delle cariche sulle due facce della membrana e quindi anche il potenziale di membrana varierebbero continuamente. I flussi di K⁺ che escono dalla cellula attraverso i canali passivi equilibrano quelli di Na⁺ diretti verso l'interno della cellula.

Tuttavia, non è possibile che questi flussi ionici possano continuare indisturbati per un periodo di tempo apprezzabile; in caso contrario, infatti, i gradienti ionici degli Na⁺ e dei K⁺ finirebbero per venir dissipati riducendo in tal modo anche il potenziale di membrana. Questa dissipazione dei gradienti ionici viene impedita dalla pompa sodio-potassio che sospinge Na⁺ e K⁺ contro il loro gradiente elettrochimico netto: essa estrude infatti Na⁺ dalla cellula mentre vi introduce K⁺. Per funzionare, la pompa richiede perciò un apporto di energia che proviene dall'idrolisi dell'ATP.

Di conseguenza, la cellula, in condizioni di riposo, non è in equilibrio ma piuttosto in una condizione di stato stazionario durante il quale il continuo ingresso passivo di Na⁺ ed efflusso passivo di K⁺ sono esattamente equilibrati dai flussi promossi dalla pompa Na⁺-K⁺. Essa utilizza energia per estrudere 3 Na⁺ per ogni 2 K⁺ che introduce nella cellula. Questi flussi ineguali di Na⁺ e K⁺ fanno sì che la pompa dia origine ad una corrente ionica uscente netta. Per tale ragione, la pompa viene anche detta elettrogenica. Questo flusso uscente di cariche positive tende ad iperpolarizzare la membrana verso un nuovo potenziale che risulta leggermente più negativo di quello che avrebbe dovuto stabilirsi per i semplici meccanismi di diffusione passiva.

Distribuzione degli ioni cloro

Gli ioni cloro si distribuiscono per lo più passivamente. Nella discussione precedente il contributo dei Cl^- alla genesi del potenziale di riposo è stato trascurato anche se molte cellule nervose posseggono canali per il Cl^- che sono aperti nella membrana a riposo. Questa semplificazione è valida per le cellule nervose che non posseggono meccanismi per il trasporto attivo dei Cl^- contro gradiente elettrochimica. In queste cellule il potenziale di riposo dipende, in ultima analisi, soltanto dai flussi di K⁺ e di Na⁺ in quanto la concentrazione intracellulare dei Cl^- è influenzata soltanto da forze passive (il potenziale elettrico e il gradiente di concentrazione). Perciò, i Cl^- tenderanno a disporsi, ai capi della membrana, secondo il proprio equilibrio elettrochimica. Di conseguenza E_Cl sarà uguale al potenziale di riposo V_ML e, sempre a riposo, non vi sarà alcun flusso netto di Cl^-.

Equazione di Goldman

L'equazione di Goldman permette di esprimere in termini quantitativi il contributo dei diversi ioni al potenziale di membrana di riposo. Sebbene i flussi di Na⁺ e di K⁺ fissino il valore del potenziale di riposo, V_ML non è uguale né a E_K né a E_Na ma si situa piuttosto fra questi due valori. In generale, quando V_ML è determinato da due o più specie ioniche, l'influenza esercitata da ciascuna specie non dipende soltanto dalle concentrazioni dei diversi ioni all'interno e all'esterno della cellula, ma anche dalla permeabilità della membrana verso gli ioni considerati.

Sotto il profilo dei flussi di corrente, la conduttanza della membrana (1/resistenza) rappresenta una buona misura di quanto rapidamente uno ione attraversi la membrana. Un'altra valida misura è la permeabilità (P) della membrana verso un certo ione, espressa in termini di velocità, come cm/s. Tale misura è analoga alla costante di diffusione che misura la velocità di movimento di una specie chimica in soluzione. Il grado di dipendenza del potenziale di membrana dalla permeabilità e dalla concentrazione degli ioni è espressa, in termini quantitativi, dall'equazione di Goldman: " Questa equazione è applicabile soltanto quando V_ML è costante. Essa asserisce che l'importanza di uno ione nel determinare il valore del potenziale di membrana è tanto maggiore quanto più elevate sono la sua concentrazione e la permeabilità della membrana verso quello ione.

Nel caso limite in cui la permeabilità della membrana verso uno degli ioni presenti sia eccezionalmente elevata, l'equazione di Goldman si riduce all'equazione di Nernst per quello ione. Per esempio, se P_K >> P_Cl o di P_Na, come nelle cellule gliali, l'equazione di Goldman diventa: " Alan Hodgkin e Bernard Katz impiegarono l'equazione di Goldman per analizzare le variazioni del potenziale di membrana. Essi misurarono dapprima le variazioni del potenziale di membrana dell'assone gigante di Calamaro che si verificavano cambiando sistematicamente le concentrazioni extracellulari di Na⁺, Cl^- e K⁺. I loro risultati dimostrarono che se la misura di V_ML viene fatta immediatamente dopo la variazione delle concentrazioni extracellulari, e prima che le concentrazioni ioniche intracellulari abbiano a variare significativamente:

• [K⁺]_e ha un effetto notevole sul potenziale di riposo
• [Cl^-]_e ha un effetto apprezzabile
• [Na⁺]_e ha ben poco effetto.

I loro dati erano in buon accordo con quelli previsti dall'equazione di Goldman se si assumevano i seguenti valori per i rapporti di permeabilità dei diversi ioni: P_K : P_Na : P_Cl = 1,0 : 0,04 : 0,45. Al picco del potenziale d'azione, invece, le variazioni di V_ML conseguenti alle modificazioni delle concentrazioni ioniche extracellulari potevano venir interpolate al meglio assumendo valori del tutto diversi per i rapporti di permeabilità ionica: P_K : P_Na : P_Cl = 1,0 : 20 : 0,45. Per questi valori di permeabilità, l'equazione di Goldman si approssima all'equazione di Nernst per gli Na⁺.