Nozioni, Fisiologia umana

Z= valenza dello ioni (+1)

F= costante di Faraday

Tale valore di potenziale si ottiene solo nel caso di unna membrana che in condizioni

di riposo è permeabile al solo K+.

In una cellula eccitabile il flusso di K+ non riesce da solo a spiegare la genesi del

PM. Il PM di un neurone non corrisponde a Ek ma a un valore tra -60 e -70 mV:

infatti la membrana della cellula nervosa presenta anche canali passivi per il Na+ e

Cl-. Il potenziale di equilibrio del sodio è +55 mV.

È il flusso di entrambe le specie ioniche che contribuisce alla genesi del PM: in

condizioni di riposo è altamente permeabile al K+ e scarsamente al Na+.

Vm= RT\F ln {Pk [K]e+Pna [Na]e+Pcl [Cl]e}\{Pk[K]i+Pna[Na]i+Pcl[Cl]i}

Questa equazione tiene conto sia del gradiente di concentrazione a cavallo della

membrana sia la permeabilità che la membrana ha per quella determinata specie.

La [Na]e è superiore di 10 volte a quella interna perciò tende ad entrare all’interno

della cellula sia in virtù della forza chimica che quella elettrica (infatti l’interno è

negativo ed esercita una forza di attrazione sullo ione positivo). Il flusso di ioni

risulta comunque assai moderato a causa della scarsa permeabilità della membrana

per questo ione. In condizioni di riposo la permeabilità del sodio è inferiore di circa

20 volte a quella del potassio.

Per quanto la P del Na sia bassa, un po’ entra nella cellula, rendendo l’interno meno

negativo. La minor negatività rende meno intensa la forza elettrica che si oppone alla

fuoriuscita del potassio e la forza chimica spinge in K+ ad uscire.

Se questo fenomeno perdurasse nel tempo tenderebbe ad estinguere le diverse

concentrazioni ioniche di Na+ e K+ tra il versante interno ed esterno, responsabile

della polarizzazione della membrana a riposo. Tale situazione non si verifica grazie

all’intervento della pompa Na\K ATPasi che trasporta ioni contro il loro gradiente di

concentrazione. Grazie all’energia fornita dall’idrolisi di 1 ATP, la pompa estrude 3

ioni Na+ scambiandoli con 2K+: così le cariche positive che passano all’esterno sono

superiori a quelle che passano all’interno e la membrana viene resa più negativa di

quanto non sarebbe sulle base dei soli flussi ionici attraverso i canali passivi. La

pompa permette il perdurare di uno stato stazionario, cioè il perdurare di una

diseguale distribuzione degli ioni Na+ e K+ a cavallo della membrana, responsabile

della sua polarizzazione a riposo.

In molte cellule nervose ci sono anche canali passivi per il Cl-: la sua concentrazione

esterna è molto superiore a quella interna. Il suo potenziale equilibrio corrisponde al

PM a riposo: non contribuisce in maniera significativa alla genesi del PM ma si

distribuisce in maniera passiva a cavallo della membrana.

Cellule eccitabili e potenziale d’azione.

Alcune cellule dell’organismo, cellule eccitabili (neuroni, cellule muscolari ed

endocrine), sono in grado di produrre, in risposta a una stimolo, modificazioni del

proprio PM caratterizzate dalle breve durata, velocità finita e dalla forma stereotipata.

Questi eventi sono detti pda e richiedono l’attivazione e inattivazione coordinata di

diverse famiglie di canali ionici voltaggio dipendenti. Sono fenomeni

autorigenerativi, cioè sono in grado di propagarsi lungo la fibra nervosa senza una

apparente attenuazione.

Nelle cellule eccitabili uno stimolo adeguato produce l’apertura di conduttanze di

membrana che portano alla variazione del PM, che se supera un valore critico,

innesca la generazione di un pda: la cellula eccitabile per questo deve avere un

potenziale di riposo molto negativo e un’alta densità di conduttanze voltaggio-

dipendenti. Se non si genera il pda, l’impulso elettrico rimarrà un evento elettrico

localizzato (potenziale graduato o elettronico) che viene fortemente attenuato durante

il loro percorso nelle fibre nervose.

In una cellula si può avere la sommazione di un certo numero di potenziali elettronici

depolarizzanti tali da spostare a sufficienza il PM dal potenziale di riposo e generare

un pda: questo evento dalla forma stereotipata si propagherà lungo una fibra nervosa

fino a raggiungere un’altra cellula su cui l’informazione viene veicolata grazie alla

presenza di connessioni sinaptiche.

Il pda rappresenta una modifica della conduttanza di membrana: un fenomeno che

determina l’apertura dei voltaggio- e tempo- dipendente dei canali ionici selettivi per

gli ioni Na+ e K+. All’oscilloscopio si osserva la variazione del V di riposo di una

cellula che non dura più di 0.2-2 ms (in alcuni casi anche decine\centinaia di ms).

In una stessa cellula l’ampiezza e la forma dei potenziali d’azione si ripetono

inalterati nello spazio e nel tempo: questa ripetibilità dipende da vari fattori, come

distribuzione e abbondanza delle varie conduttanze di membrana, temperatura,

gradienti ionici e potenziale di riposo.

Legge del “tutto o nulla”: stimolando una cellula eccitabile con stimoli di corrente

depolarizzanti di intensità crescente, per basse intensità non si genera il pda, a un

certo punto, per piccolissimi incrementi di intensità dello stimolo, si assiste alla

generazione del pda. È stata superata la soglia, cioè un livello critico di potenziale.

Un evento sotto soglia non è efficace e il potenziale torna lentamene a quello di

riposo; un evento sopra soglia determina l’innesco del meccanismo di generazione

del pda.

A seguito di un pda la membrana diventa meno eccitabile e non è in grado di generare

altri pda: periodo refrattario. Si divide in 2 fasi:

Periodo refrattario assoluto : in questa fase i canali del Na+ voltaggio

1) dipendenti sono aperti o inattivi. Finché essi non recuperano la propria

funzionalità, nessun pda può essere generato, indipendentemente dall’intensità

dello stimolo applicato.

Periodo refrattario relativo : in questa fase i canali del K+ voltaggio dipendenti

2) si sono riaperti e la membrana iperpolarizzata, con un valore di potenziale più

negativo di quello di riposo, per questo i pda sono più difficilmente inducibili,

ma non impossibili: sarà necessaria una maggiore intensità di stimolazione.

Il periodo refrattario impedisce il riverbero dei segnali nella rete nervosa assonale,

che devono propagarsi in una sola direzione, senza tornare indietro e ha la funzione di

limitare la frequenza di scarica.

La stimolazione postuma o post stimolo riduce l’eccitabilità della cellula e prolunga il

periodo refrattario relativo.

Il pda ha una natura ionica: la sua genesi richiede una modifica della permeabilità

ionica.

Secondo Bernstein i pda sono generati da un fenomeno di rottura transitoria della

membrana cellulare, un evento che la rendeva indistintamente permeabile a tutti gli

ioni: il PM doveva salire quindi da un valore di riposo intorno ai -70 mV fino a 0 mV.

Cole e Curtis evidenziarono come il pda si associ a un grande aumento della

conduttanza di membrana; Hodgkin e Huxley si accorsero che il picco di pda supera

di gran lunga i 0 mV. Questi ultimi osservarono che l’eccitabilità di membrana si

deve associare strettamente alla presenza di ioni Na+ nell’ambiente extracellulare,

altrimenti i nervi non sono più in grado di propagare impulsi e le cellule muscolari di

contrarsi.

Esperimento con l’assone gigante di calamaro di Hodgkin e Huxley (x rivelare

l’importanza del Na+ extracellulare): modificarono la concentrazione di Na+

extracellulare e generarono pda prima e dopo questa modifica. Si sono accorti che

quando il sodio viene ridotto in maniera drastica rispetto al valore fisiologico,

l’ampiezza e la velocità di salita del pda si riducono in maniera proporzionale a

questa riduzione. Il picco di potenziale passa da +40 a 0 mV quando la [Na]e viene

ridotta del 70 %.

In una cellula con conduttanze di Na+ e K+, non si osserva un flusso netto di ioni

perché le correnti uscenti di K+ sono esattamente bilanciate dalla corrente entrante di

Na+. Si ottiene: PM=[(Gk)\(Gk+Gna)]*Ek+ [(Gna)\(Gk+Gna)]*Ena

L’equazione dice che in relazione al rapporto tra le conduttanze per gli ioni Na+ e K+, presenti in

una determinata cellula in un determinato momento, PM assumerà un valore intermedio tra i

potenziali di equilibrio elettrochimico per il Na e K+. Se la conduttanza del sodio fosse superiore a

quella del potassio, il PM sarebbe vicino al valore di Ek (vero per il PM a riposo). Quando Gk=Gna

allora il PM è un valore intermedio tra Ek e Ena. Quindi quando Gna diventa maggiore di Gk, il PM

si avvicina al valore di Ena, che è circa -55mV.

Tutto questo suggerisce che il pda potrebbe essere spiegato da un aumento transiente

del rapporto tra le conduttanze Gna\Gk.

Hodgkin riuscì a dimostrare che la dipendenza del picco di potenziale (intorno a

+40mV) dalla [Na]e segue fedelmente la legge di Nerst per lo ione Na+.

Oggi è noto infatti che il valore di Gk a riposo è molto più grande di quella del Na+

perché molti più canali del K+ sono aperti a riposo: quindi il valore del potenziale di

riposo è più vicino a Ek. All’apice di un potenziale d’azione, a causa dell’apertura di

molti canali del Na+, Gna diventa più grande di Gk e il PM si avvicina a Ena.

Quando la membrana di deve ripolarizzare, il valore di Gna deve scendere e Gk salire

in modo da ristabilire il vecchio rapporto tra le conduttanze a riposo.

In alcune cellule in seguito al pda si può avere un’iperpolarizzazione tardiva, cioè per

un breve periodo si può andare al di sotto del potenziale di riposo per apertura dei

canali del K+.

Come avvengono questi cambiamenti di conduttanza?

I canali del Na+ possono aprirsi in risposta a una piccola depolarizzazione di

membrana: questo induce un aumento della permeabilità di membrana per il Na. Tale

aumento spinge il PM verso Ena (più negativo rispetto al V di riposo). Questa

depolarizzazione recluta un maggior numero di canali per il Na+ la cui apertura

provoca un ulteriore depolarizzazione. Si instaura così un ciclo rigenerativo. A

retroazione positiva. Il ciclo tende ad avvicinarsi a Ena senza mai raggiungerlo per

poi tornare precipitosamente indietro: per la velocissima inattivazione dei canali del

Na v e all’apertura delle conduttanze del K+ che sono iperpolarizzanti.

Dove e perché si genera una soglia?

La soglia coincide con un valore di PM, al di là del valore di riposo, al quale le

correnti uscenti di K+ siano esattamente uguali alle correnti entranti di Na+. In questo

istante c’è un perfetto bilanciamento tra l’effetto depolarizzante delle conduttanze di

Na+ e quello iperpolarizzante delle conduttanze di K+. Un piccolissi