Riassunto esame Neuroscienze, prof. Paulesu, libro consigliato Neuroscienze. Esplorando il cervello, Bears, Connors, Paradiso

Il movimento degli ioni

Un canale aperto sulla membrana

Un canale aperto sulla membrana non significa necessariamente uno spostamento di ioni. I movimenti ionici sono infatti influenzati da altri due fattori: la diffusione e l'elettricità.

Diffusione

Movimento casuale, dipendente dalla temperatura, che tende a distribuire gli ioni nel solvente in modo tale da consentire agli ioni di spostarsi da regioni ad alta concentrazione a regioni a bassa concentrazione. Gli ioni non attraversano da soli la membrana, ma la diffusione permette loro di attraversare i canali ionici.

La differenza di concentrazione ionica tra una regione e l’altra è detto gradiente di concentrazione. Quindi gli ioni fluiscono secondo gradiente di concentrazione. I movimenti ionici secondo diffusione necessitano:

• Presenza di canali ionici sulla membrana
• Presenza di gradiente di concentrazione tra le varie regioni della membrana.

Elettricità

Movimento ionico dovuto all’uso di un campo elettrico in quanto gli ioni sono particelle cariche elettricamente. Se cariche opposte si attraggono, allora il catodo di un determinato elemento si muoverà verso l’anodo dello stesso elemento. La corrente elettrica è la quantità di cariche elettriche in movimento ed è definita positiva quando segue la direzione di cariche positive.

Esistono due fattori importanti che determinano la corrente elettrica:

• Il potenziale elettrico (voltaggio)
• La conduttanza elettrica

Potenziale elettrico

È la forza esercitata su una particella carica e riflette la differenza di carica tra anodo e catodo. Più la differenza aumenta, più fluirà corrente.

Conduttanza elettrica

È la misura della facilità con cui una carica elettrica può migrare da un punto all’altro. Essa dipende da:

• Numero di particelle in grado di portare una carica elettrica
• Facilità con cui queste particelle possono viaggiare attraverso lo spazio

La resistenza elettrica è l’opposto della conduttanza in quanto è la misura della difficoltà con cui le particelle possono viaggiare. La legge di Ohm è una relazione tra potenziale, conduttanza e corrente la quale indica che la corrente è il prodotto tra la conduttanza e il potenziale. Il movimento di ioni secondo elettricità richiede:

• Presenza di canali permeabili a quella specie ionica
• Differenza di potenziale elettrico attraverso la membrana

Quindi il movimento di ioni attraverso la membrana tramite canali proteici dipende da:

• Gradiente di concentrazione
• Differenza di potenziale elettrico

Le basi ioniche del potenziale di membrana a riposo

La carica elettrica non è uniformemente distribuita ai lati della membrana neuronale: l’interno del neurone è elettricamente negativo rispetto all’esterno. Il potenziale di riposo è appunto la differenza fissa tra interno ed esterno del neurone che viene mantenuta quando il neurone non genera impulsi. Il potenziale di riposo è di -65 millivolt.

Potenziali di equilibrio

Quando viene raggiunto uno stato in cui le forze elettriche e di diffusione sono uguali e opposte e il movimento di ioni da una regione ad un’altra cessa, si ha un potenziale di equilibrio, ossia il potenziale elettrico stabile che verrebbe raggiunto se la membrana fosse permeabile solo a quello ione.

Per generare un potenziale di equilibrio è necessario:

• Cambiamenti importanti del potenziale di membrana causati da piccoli cambiamenti di concentrazione ionica
• Differenza netta di carica elettrica tra la superficie interna e quella esterna della membrana
• Quantità di ioni che si dirigono attraverso la membrana proporzionale alla differenza tra il potenziale di membrana e il potenziale di equilibrio
• Possibilità di calcolare il potenziale di equilibrio di ciascuno ione

Proprio riguardo a quest’ultimo punto: esiste un’equazione che permette di calcolare il valore preciso di un potenziale di equilibrio per ciascuno ione prendendo in considerazione la carica elettrica dello ione e la differenza di concentrazione attraverso la membrana. Quest’equazione prende il nome di equazione di Nernst.

La distribuzione degli ioni attraverso la membrana

I gradienti di concentrazione ionica sono indotti dall’azione di pompe ioniche presenti nella membrana neuronale. Esistono due pompe particolarmente importanti:

• La pompa sodio-potassio
• La pompa del calcio

La pompa sodio-potassio è un enzima che idrolizza l’ATP in presenza di ioni Na⁺ all’interno della cellula. L’energia che scaturisce da questa reazione mette in moto la pompa che scambia ioni Na⁺ interni con ioni K⁺ esterni. La pompa spinge gli ioni contro gradiente di concentrazione attraverso la membrana perciò richiede un grande dispendio di energia. La pompa del calcio è un enzima che trasporta attivamente Ca⁺⁺ fuori dal citoplasma attraverso la membrana cellulare, riducendone il livello all’interno del neurone. Le pompe ioniche lavorano per garantire che i gradienti di concentrazione ionica vengano stabiliti e mantenuti.

Le permeabilità ioniche relative della membrana a riposo

Il potenziale di equilibrio di uno ione è il potenziale di membrana risultante qualora la membrana sia selettivamente permeabile a quello ione. Il potenziale di membrana a riposo di -65 millivolt è prossimo al potenziale di equilibrio del potassio (-80 mV). Questo si deve al fatto che la membrana è permeabile agli ioni K⁺, ma perde anche molti ioni Na⁺. Il potenziale di membrana a riposo può essere calcolato usando l’equazione di Goldman.

Il grande mondo dei canali per il potassio

La selettività per gli ioni K⁺ dipende dalla disposizione dei residui amminoacidici lungo la regione del poro all’interno del canale. Esistono numerosi canali del potassio, compresi quelli responsabili del mantenimento del potenziale di riposo nei neuroni.

La maggior parte dei canali del potassio ha quattro subunità che sono disposte a formare un poro. Le subunità di diversi canali del potassio hanno caratteristiche strutturali comuni che conferiscono la selettività per gli ioni K⁺. Molti disturbi neurologici ereditari nell’uomo possono essere spiegati da mutazioni in specifici canali del potassio.

L’importanza della regolazione della concentrazione esterna di potassio

Il potenziale di membrana è particolarmente sensibile ai cambiamenti di concentrazione del potassio extracellulare. Un cambiamento del potenziale di membrana dal normale valore a riposo a un valore meno negativo è chiamato depolarizzazione della membrana. Quindi l’incremento del potassio extracellulare depolarizza i neuroni.

Le proprietà del potenziale d'azione

Capitolo IV

Quando la cellula è in una situazione di riposo presenta una differenza fissa di potenziale di -65 millivolt che prende il nome di potenziale di membrana a riposo. Durante il potenziale d’azione, il potenziale di membrana diventa per pochissimo tempo positivo assumendo valori intorno ai 30 millivolt.

Il potenziale d’azione è caratterizzato da quattro fasi:

• Fase crescente, rapida depolarizzazione della membrana (potenziale di riposo diventa meno negativo grazie all’incremento di concentrazione di potassio extracellulare). Questo cambiamento dura fino a che il potenziale di membrana raggiunge i 30/40 millivolt.
• Potenziale a punta, in questa fase le cariche ai lati della membrana si invertono. L’interno del neurone viene caricato positivamente rispetto all’esterno.
• Fase decrescente, rapida ripolarizzazione della membrana fino a che la membrana diventa più negativa del potenziale di riposo.
• Iperpolarizzazione, ultima parte della fase decrescente (dove la membrana diventa più negativa del potenziale di riposo -65 mV).

Infine vi è un graduale ristabilirsi del potenziale di riposo. Il potenziale d’azione dura circa 2 millisecondi.

Generazione di un potenziale d’azione

Quando ci facciamo male, per esempio ci pungiamo con una puntina da disegno, la membrana delle fibre nervose viene messa in tensione e questo produce l’apertura dei canali permeabili al sodio. A causa del gradiente di concentrazione e della carica negativa del citosol, gli ioni Na⁺ entrano nella fibra attraverso questi canali. Gli ioni Na⁺ entranti depolarizzano la membrana. Se questa depolarizzazione detta potenziale generatore, raggiunge un livello critico, detto soglia, la membrana genererà un potenziale d’azione. Quindi i potenziali d’azione sono generati dalla depolarizzazione della membrana oltre il livello soglia.

La generazione di potenziali d’azione multipli

La frequenza di scarica del potenziale d’azione dipende dall’intensità della corrente continua depolarizzante. In altre parole, essa riflette l’intensità della corrente depolarizzante. Tuttavia esiste un limite alla frequenza con cui un neurone è in grado di generare potenziali d’azione. La frequenza di scarica massima è di circa 1000 Hz.

Una volta iniziato il potenziale è impossibile generarne un altro per almeno un millisecondo. Questo periodo è chiamato periodo refrattario assoluto. Inoltre risulta difficile dare vita a un altro potenziale subito dopo il periodo refrattario assoluto. Durante questo secondo periodo, detto periodo refrattario relativo, il valore soglia si eleva oltre il normale.

Il potenziale d’azione nella teoria

Capitolo IV

Il potenziale d’azione è una ridistribuzione della carica elettrica da un capo all’altro della membrana. La depolarizzazione è causata dall’entrata di ioni sodio attraverso la membrana. La ripolarizzazione è causata dall’uscita di ioni potassio.

Correnti di membrana e conduttanze

Considerando un neurone con le pompe sodio-potassio, i canali per il sodio e i canali per il potassio: Le pompe stabiliscono i gradienti di concentrazione ionica, cosi che K⁺ sia concentrato all’interno della cellula e Na⁺ sia concentrato all’esterno.

Inizialmente assumiamo che tutti i canali siano chiusi e che il potenziale di membrana equivalga a 0 mV. Apriamo i canali per il potassio e gli ioni K⁺ escono dal neurone. Il loro movimento costituisce una corrente elettrica che fluisce fino a quando la conduttanza di K⁺ risulti superiore a zero. Nel punto di equilibrio non vi è alcuna corrente elettrica poiché il potenziale di membrana in equilibrio equivale a -80 millivolt. Al potenziale di equilibrio entrano ed escono in ugual numero ioni K⁺. Ora gli ioni K⁺ si dirigono esternamente al neurone fino a quando il potenziale di membrana differisce dal potenziale di equilibrio del potassio.

Le alterne vicende del potenziale d’azione

Il potenziale di membrana è così negativo rispetto al potenziale di equilibrio per il sodio che esiste una significativa forza che permette l’apertura dei canali del sodio guidando gli ioni Na⁺ all’interno del neurone. Ora la permeabilità del sodio è aumentata di molto rispetto al potassio e questo flusso di Na⁺ verso l’interno depolarizza il neurone fino a che il potenziale di membrana a riposo di avvicina al potenziale di equilibrio del sodio (-62 mV).

Il potenziale d’azione in altre parole: Cambiando la permeabilità della membrana dai K⁺ ai Na⁺, si è in grado di invertire il potenziale di membrana. La fase crescente del potenziale d’azione può essere spiegata se i canali selettivi per il sodio si aprono in risposta alla depolarizzazione della membrana oltre il livello soglia. Questo permette agli ioni Na⁺ di entrare nel neurone causando una depolarizzazione che porta il potenziale di membrana vicino al potenziale di equilibrio del sodio. La fase decrescente si spiega presupponendo che i canali del sodio si chiudano improvvisamente mentre si aprono quelli del potassio, così che la permeabilità dominante della membrana venga ristabilita. Quindi K⁺ si sposta fuori dalla cellula fino a che il potenziale di membrana ritorni uguale al potenziale di equilibrio del potassio.

Il potenziale d’azione nella realtà

Capitolo IV

Per misurare la conduttanza della membrana per il sodio e il potassio durante il potenziale d’azione è necessario uno strumento: il dispositivo di blocco del voltaggio (K. Cole). La tecnica del blocco del voltaggio permise a Hodgkin e Huxley di fissare il potenziale di membrana di un assone rispetto a qualunque valore prescelto. Misurando le correnti che fluivano attraverso la membrana furono in grado di dedurre i cambiamenti che avvenivano nella conduttanza della membrana rispetto a differenti potenziali di membrana. (Premio Nobel 1963)

Sempre loro due ipotizzarono che lo scambio tra sodio e potassio fosse permesso dall’esistenza di particolari cancelli che si aprivano e chiudevano in base a cambiamenti nel microspazio della cellula. (Pompa sodio-potassio)

Il canale voltaggio-dipendente selettivo per il sodio

È una proteina che forma un poro nella membrana altamente selettivo agli ioni Na⁺.

Struttura

Formato da un solo lungo polipeptide. Ha quattro sequenze numerate ciascuna delle quali consiste di sei tratti intra membranosi ad alfa elica numerati S1-S6. Le quattro sequenze si raggruppano per formare il poro che è chiuso al potenziale di riposo negativo. Quando la membrana viene depolarizzata al livello soglia la molecola assume una configurazione che permette il passaggio di ioni Na⁺ attraverso il poro.

Quando gli ioni passano attraverso il canale vengono privati della maggior parte di molecole d’acqua. Questo è necessario per far passare lo ione attraverso il filtro di selettività. L’apertura del canale è controllata dal cambiamento del voltaggio attraverso la membrana, il cui sensore si trova nel segmento S4 della molecola. La depolarizzazione contorce S4 e questo cambiamento di conformazione della molecola determina l’apertura del canale.

Proprietà

• I canali del sodio si aprono solo se la depolarizzazione della membrana raggiunge e/o supera il valore soglia.
• Hanno un andamento fisso:
  • Si aprono con un leggero ritardo
  • Rimangono aperti per 1 msec e si inattivano
  • Non possono venire aperti fino a quando la membrana non ritorna a un valore negativo vicino al valore soglia.

Per dare origine a un potenziale d’azione è necessario che tutti i canali di un assone si attivino. Il periodo refrattario assoluto dipende dall’inattivazione di questi canali. Mutazioni di un singolo aminoacido nelle regioni extracellulari di un canale possono causare nei bambini malattie ereditarie quali l’epilessia generalizzata con crisi febbrili.

Effetti delle tossine sui canali del sodio

• La tetrodotossina ostruisce i canali, bloccando tutti i potenziali d’azione sodio-dipendenti risultando quindi fatale.
• La saxitossina risulta altrettanto fatale in quanto blocca anch’essa i canali.
• Alcuni composti causano invece ‘apertura inappropriata’ dei canali (batracotossina, tossine dei gigli e dei ranuncoli).
• Il veleno di scorpioni e anemoni di mare causa l’inattivazione dei canali.

I canali voltaggio-dipendenti selettivi per il potassio

Ne esistono di vari tipi. La maggior parte si apre per diminuire la depolarizzazione fornendo agli ioni K⁺ una via per lasciare la cellula attraverso la membrana.

Struttura

Proteine costituite da quattro subunità polipeptidiche che danno origine al poro. Sono sensibili ai cambiamenti del campo elettrico attraverso la membrana e quando queste viene depolarizzata si modificano per permettere agli ioni di attraversare il poro.

La conduzione del potenziale d’azione

Per trasferire l’informazione da un punto all’altro del sistema nervoso, è necessario che il potenziale di azione si propaghi lungo l’assone. Il potenziale d’azione si propaga lungo l’assone fino a raggiungere la parte terminale e cominciare così la trasmissione sinaptica.

Un potenziale che inizia in una parte dell’assone si propagherà solamente in un’unica direzione (propagazione antidromica). Un potenziale che viene generato in entrambi i terminali dell’assone può propagarsi anche in entrambe le direzioni (propagazione ortodromica). Sugli assoni, l’impulso si propaga senza decremento poiché tutta la membrana assonica è eccitabile. La velocità di propagazione è variabile ma si aggira solitamente intorno ai 10 m/msec.

Fattori che influenzano la velocità di conduzione

La velocità con cui si propaga l’impulso dipende da quanto lontano si propaga la depolarizzazione lungo l’assone e da alcune caratteristiche fisiche dell’assone stesso. Se l’assone è stretto e vi sono numerosi pori allora la corrente fluirà attraverso la membrana. Se l’assone è largo e vi sono pochi pori allora la corrente fluirà all’interno dell’assone.

La mielina e la conduzione saltatoria

La guaina mielinica facilita la direzione del flusso di corrente all’interno dell’assone, aumentando la velocità di propagazione dell’impulso. Il potenziale d’azione salta da un nodo di Ranvier all’altro (conduzione saltatoria). I nodi di Ranvier sono le interruzioni della guaina mielinica dove gli ioni attraversano la membrana per generare potenziali d’azione. Nella membrana di questi nodi sono presenti anche la maggior parte dei canali voltaggio dipendenti per il sodio.

I tipi di sinapsi

Capitolo V

Una sinapsi è una giunzione specializzata nella quale un terminale assonico prende contatto con un altro neurone o qualche altro tipo di cellula.