Potenziale di membrana a riposo, Fisiologia umana

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 piccolissimo numero di

ioni che transitano attraverso la membrana in questo istante possono accendere la

reazione che porta alla generazione del pda, se sono ioni Na+, oppure spingere la

membrana verso di V di riposo se sono ioni K+.

Per capire il comportamento delle correnti di Na + e K+ durante il potenziale

d’azione, Hodgkin e Huxley utilizzarono la tecnica del voltage clamp, che è in grado

di fissare il voltaggio di membrana a un valore prestabilito, impedendo che correnti di

qualunque tipo possano modificarlo: rompe il meccanismo autorigenerativo

(depolarizzazione- apertura canali del Na+- ingresso Na+); con il potenziale di

membrana fissato a un certo valore, l’apertura dei canali del Na+ non può indurre

un’ulteriore depolarizzazione. Così si può studiare l’apertura delle varie conduttanze

di membrana senza generare un pda (PM rimane costante, Ek e Ena non possono

variare).

Con questa tecnica il PM viene modificato istantaneamente, posizionandolo a un

nuovo valore che può essere mantenuto x alcuni ms\s. In risposta si osserva la

generazione di correnti ioniche (forme complesse, con componenti di corrente sia

entrante sia uscente). Quando si misura una corrente si osserva il movimento di

alcuni ioni ma non si sa quale specie ioniche sono coinvolte. Per conoscere il tipo di

ioni coinvolti bisogna fare esperimenti più complessi: sostituzione ionica+ voltage

clamp. La riduzione della [Na+]e produce la scomparsa delle correnti entranti

lasciando una corrente quasi solo uscente. Quindi sottraendo algebricamente alla

corrente totale quella in uscita, si ottiene l’andamento della corrente entrante di Na+,

quella che genera la depolarizzazione della cellula. Quindi con l’uso di bloccanti

selettivi e con la sostituzione ionica H e H sono riusciti a studiare il comportamento

individuale delle due correnti di Na e K. In questo modo hanno ottenuto le stime

quantitative delle modifiche di permeabilità o conduttanza ionica per il Na o K in

funzione sia del tempo sia del PM. In seguito alle modifiche di conduttanza si può

osservare che più forte è lo stimolo depolarizzante, maggiore e più veloce è la

modifica di conduttanza (la conduttanza non aumenta oltre un certo valore massimo).

La G per Na aumenta e decresce molto rapidamente, in una frazione di ms, mentre la

G per K cresce più lentamente e almeno x stimoli di breve durata, rimane elevata fino

al termine dello stimolo. La modifica delle conduttanze dipende dall’attivazione e

inattivazione dei canali voltaggio dipendenti. I processi sono molto più rapidi x i

canali del Na+ rispetto a quelli del K+: la cellula deve reclutare il maggior numero

possibile di canali del Na+ nella fase iniziale, rendendo così il processo molto veloce

e di ampie dimensioni, per poi spegnere l’eccitazione il più rapidamente possibile

(con la chiusura dei canali del Na ma anche con l’apertura dei canali del K+ che

determinano una rapida ripolarizzazione della membrana). L’inattivazione dei canali

del Na+ spiega il fenomeno del periodo di refrattarietà assoluta.

Le cellule eccitabili possiedono un vasto corredo di canali per il Na+ e K+ voltaggio

dipendenti, ma anche per altre specie ioniche (Ca++ e Cl-). Questi canali insieme a

quelli non voltaggio dipendenti contribuiscono alla vasta gamma di risposte che le

cellule eccitabili sono in grado di dare: risposte diverse per forma, durata,

riproducibilità dei pda e anche autoritmicità spontanea.

La teoria di H e H ha postulato l’esistenza dei canali ionici e la presenza di più

sensori per il voltaggio, le particelle di gating. Hanno iniziato applicando la legge fi

Ohm I=G*V che applicate alle correnti di Na+ e K+ diventa Ina= Gna (PM-Ena)

Ik= Gk (PM-Ek). Fissarono il potenziale con la tecnica del voltage clamp: sia il PM

che i potenziali di equilibrio del Na e K rimangono costanti, però le correnti variano!

Come mai? Per una variazione tempo dipendente delle conduttanze!

Per studiare la dipendenza dal voltaggio hanno variato il PM applicando step

depolarizzanti di ampiezza crescente e per ogni livello di V hanno misurato le

correnti di Na+ e K+ in funzione del tempo. Dividendo ogni corrente per il valore

della forza che fa fluire gli ioni (PM-E) ottennero i valori di Gna e Gk in funzione del

tempo per ognuno dei valori di V applicati. Si sono accorti che la depolarizzazione

provoca un aumento veloce ma transiente dei valori di Gna , mentre Gk aumenta più

lentamente, rimanendo accesa per tempi molto più lunghi (Subito dopo la

depolarizzazione Gna è maggiore di Gk ma poco dopo Gk diventa la conduttanza

preponderante).

Quindi sono entrambe in funzione del tempo e del voltaggio G= f (t, V).

La conduttanza massima per il Na a livello della membrana assonale è calcolata

mediante l’aggiunta di due variabili arbitrarie m e h, entrambe in funzione sia del

tempo che del voltaggio e possono variare da 0 a 1. Gmax è la conduttanza quando

tutti i canali del Na sono aperti:

Gmax(Na)=m³h Gmax(Na)

Da un punto di vista pratico queste variabili significano che: esistono 3 gate di

attivazione indipendenti (m) e 1 gate di inattivazione (h). quando m ha un valore

vicino a 1 significa che c’è un’alta probabilità che i 3 siti si attivazione siano aperti.

Quando è vicino a 0 è molto probabile che i 3 gate m siano chiusi.

Quando h si approssima a 1, il gate di inattivazione è quasi sicuramente aperto al

contrario di quando si approssima a 0 che invece il gate è chiuso. Il prodotto m³h

invece è la probabilità che tutti e 3 i gate siano aperti e quindi il canale possa essere

attraversato dagli ioni Na+.

Il modello di H&H riesce a prevedere tutti i fenomeni che sono associati

all’eccitabilità cellulare:

Forma e velocità di conduzione di un pda mentre si propaga lungo un assone

- Effetto della temperatura sul pda

- Esistenza di una soglia e di un periodo refrattario

- Entità e andamento temporale delle modifiche di conduttanza ionica

-

Grazie a questo modello si riesce a calcolare l’andamento temporale delle correnti di

Na+ e K+ in risposta a un impulso.

Proprietà passive della membrana.

Immaginiamo di inserire un elettrodo intracellulare in una cellula perfettamente

sferica e di registrarne il PM. Quando si iniettano piccole correnti depolarizzanti,

sotto soglia, la cellula risponde modificando il PM. Il valore del voltaggio raggiunto

dalla cellula segue abbastanza fedelmente le previsioni che si possono ottenere

applicando la legge di Ohm: la resistenza corrisponde alle conduttanze che sono

aperte a riposo (per K+ e Cl-). La resistenza di ingresso è Rm=1\(Gk+Gcl) e la

tensione ΔV=i*Rm → le correnti sotto soglia locali generate da una qualunque forma

di stimolazione, avranno un valore che dipende strettamente dalla Rm della cellulla.

A parità di conduttanza specifica, maggiore è la superficie della cellula, maggiore è il

numero di canali aperti a riposo. Quindi i neuroni più piccoli avranno valori di Rm

più grandi rispetto a quelli di grosse dimensione e a parità di stimolo la modifica del

voltaggio risulta più evidente nelle cellule di piccole dimensioni: bastano pochi input

sinaptici per scatenare un pda in un interneurone.

Rm=Rspecifica\ superficie Rs= 10-10^6 Ω\cm²

Inoltre iniettando della corrente nella cellula, il potenziale sale lentamente per

raggiungere il valore di V previsto dall’equazione ΔV=i*Rm. Lo stesso fenomeno si

osserva quando il V deve tornare al valore di riposo. Questo si spiega dalla presenza

di una capacità di membrana, funzione del doppio strato lipidico della membrana

che separa due soluzioni conduttrici.

Capacità specifica: Cs= 1 µF\cm² Capacità di membrana: Cm=Cs * superficie

L’entità di questa capacità è data dalla possibilità di accumulare una certa carica q

sulle sue superfici per una certa variazione del potenziale: ΔV= ΔQ\Cm

La presenza di questa capacità richiede che la membrana si carichi prima che il

voltaggio possa modificarsi ed è proprio ques