Potenziali di membrana, canali e recettori

Potenziale di membrana

Il potenziale di membrana è una differenza di potenziale elettrico tra l'interno e l'esterno della membrana cellulare: l'interno ha potenziale negativo rispetto all'esterno. Si tratta di una separazione di cariche elettriche rappresentate da ioni che si distribuiscono diversamente ai due lati della membrana. Tutte le cellule hanno un potenziale di membrana, ma solo quelle eccitabili sono in grado di modificarlo generando segnali (i neuroni, le cellule muscolari, le cellule endocrine); nelle cellule non eccitabili il potenziale di membrana non varia e si definisce potenziale di riposo.

Il potenziale di membrana ha origine dal passaggio di ioni da un lato all'altro della membrana, che avviene attraverso canali ionici: canali passivi (sempre aperti) e canali attivi (ad apertura controllata). I primi sono responsabili del potenziale di riposo, che mediamente corrisponde a -70 mV (milliVolt); i secondi sono, invece, responsabili di una iperpolarizzazione (il lato interno della membrana diventa ancora più negativo) o di una depolarizzazione (il lato interno della membrana diventa meno negativo e il potenziale può invertire la polarità diventando positivo) che innesca un potenziale d'azione.

Caratteristiche dei canali ionici

I canali ionici sono proteine integrali di membrana costituite da una o più subunità proteiche, che attraversano ripetutamente il doppio strato lipidico e si distribuiscono in modo da formare un poro acquoso all'interno della membrana. Quando è aperto, il canale mette in contatto diretto i compartimenti intra- ed extracellulari e permette il passaggio di ioni secondo gradiente elettrochimico (gradiente chimico + gradiente elettrico). In generale, un canale è strutturalmente costituito da un vestibolo piuttosto largo, dove lo ione idratato può accedere facilmente per diffusione, e da un filtro di selettività, più stretto, che seleziona gli ioni in base alla carica degli amminoacidi che rivestono le pareti e al diametro del poro.

• Selettività: permeabilità solo nei confronti di alcuni ioni, che si basa sulle dimensioni dello ione, sulla sua carica e sullo strato di molecole di idratazione (molecole di acqua che circondano lo ione).
• Conduttanza: capacità del canale di farsi attraversare dagli ioni, che è l'inverso della resistenza (forza che si oppone al passaggio degli ioni).
• Regolazione: modalità di attivazione (gating), in base alla quale distinguiamo "canali passivi", che non sono regolati e sono sempre aperti, e "canali attivi", regolati da stimoli diversi e che esistono in conformazioni diverse: allo stato chiuso e allo stato aperto. Il cambiamento strutturale che determina la chiusura del canale può interessare l'intero canale o solo una parte.

Esistono quattro categorie di canali attivi:

• Canali voltaggio-dipendenti.
• Canali attivati da ligandi (molecole che legano un sito specifico presente sul canale), che sono i recettori ionotropi per i neurotrasmettitori (responsabili del potenziale sinaptico).
• Canali attivati dalla fosforilazione/defosforilazione.
• Canali attivati da stimoli meccanici (come lo stiramento della membrana).

N.B. La definizione di canali attivi e passivi si riferisce alla regolazione dell'apertura del canale e non al flusso di ioni, che è sempre passivo ed è dovuto al gradiente elettrochimico.

Canali passivi

Si trovano sia nelle cellule eccitabili che in quelle non eccitabili e sono responsabili del potenziale a riposo. Mediamente, le cellule hanno un potenziale di riposo pari a -70 milliVolt, dovuto a uno strato di cariche positive dal lato extracellulare e di cariche negative dal lato intracellulare della membrana. Questa differenza di potenziale interessa solo la zona immediatamente adiacente alla membrana; il contenuto intracellulare ha, invece, una distribuzione omogenea di cariche, quindi nessun potenziale.

• La segregazione di cariche nella zona adiacente alla membrana è dovuta a una diversa concentrazione di ioni positivi e negativi dentro e fuori la cellula (gradiente di concentrazione), che dipende:
• Dalla permeabilità selettiva della membrana verso alcune specie ioniche e non altre.
• Dalla presenza di anioni intracellulari non diffusibili (grosse proteine intracellulari con residui amminoacidici carichi negativamente).

La permeabilità della membrana a una specie ionica dipende dal numero di canali aperti selettivi per quello ione. La membrana delle cellule gliali è permeabile solo al K+, quella dei neuroni a K+, Na+ e Cl-, ma in misura molto diversa: vi è un numero molto elevato di canali per il potassio, pochi canali per il sodio e un discreto numero di canali per il cloruro. Il potassio è lo ione che passa più abbondantemente e la sua concentrazione è più alta dentro la cellula che fuori; mentre per il sodio la concentrazione è invertita. Il cloruro passa in misura minore rispetto al potassio e la sua concentrazione è maggiore fuori dalla cellula, tranne in cellule che hanno un trasportatore per il Cl-. Queste differenze determinano diversi valori di potenziale di membrana.

La cellula gliale rappresenta l'esempio più semplice per spiegare come viene generato il potenziale di membrana. All'interno della cellula, come già detto, sono presenti anioni inorganici non diffusibili (residui amminoacidici delle proteine di membrana). Gli unici cationi capaci di controbilanciare queste cariche negative intracellulari sono i cationi K+, perché la membrana delle cellule gliali è molto permeabile soltanto ad essi grazie alla presenza di numerosi canali passivi per il potassio. Gli ioni K+ si spostano quindi in grande quantità all'interno della cellula e la loro concentrazione intracellulare risulta molto superiore a quella extracellulare.

Si crea di conseguenza un gradiente chimico (o gradiente di concentrazione) per gli ioni K+, cioè una differenza di concentrazione tra l'interno e l'esterno della cellula. Questo gradiente chimico tende a richiamare ioni K+ fuori dalla cellula: una piccola quantità di ioni K+ esce e rimane nella zona adiacente alla membrana cellulare, lasciando scoperto un uguale numero di cariche negative nello strato intracellulare immediatamente adiacente alla membrana. Si stabilisce quindi una differenza di potenziale ai due lati della membrana, con il lato interno negativo rispetto all'esterno. Si è generato così il potenziale di riposo. Il flusso degli ioni K+ raggiunge quindi una situazione di equilibrio: gli ioni K+ tendono ad uscire spinti dal gradiente chimico, ma la diffusione degli ioni K+ all'esterno è autolimitante perché il gradiente elettrico (cioè il potenziale di membrana negativo) tende a farli rientrare nella cellula. Quando il flusso di potassio in uscita e quello in entrata si uguagliano, si ha un equilibrio elettrochimico e la membrana raggiunge un certo potenziale, diverso per ogni tipo di ione. Il potenziale di equilibrio per il potassio è circa -90 mV, quindi il potenziale di riposo delle cellule gliali è anch'esso -90 mV. Altre cellule però sono permeabili anche ad altri ioni (per esempio i neuroni) e il loro potenziale si abbassa a -70 mV perché partecipa in piccola parte anche il sodio, che ha potenziale di equilibrio +55 mV.

Il sodio, a differenza del potassio, è spinto ad entrare dentro la cellula da entrambi i gradienti: chimico (la sua concentrazione dentro la cellula è bassa essendoci pochi canali passivi per il Na+) ed elettrico. Ne consegue che a riposo c'è un continuo flusso passivo netto di potassio verso l'esterno e di sodio verso l'interno della cellula. I flussi passivi di sodio e potassio a lungo andare dissiperebbero i gradienti ionici necessari a mantenere il potenziale di membrana costante: interviene quindi il lavoro continuo della pompa sodio-potassio (ATPasi), che spinge il sodio fuori e il potassio dentro la cellula, ripristinando i loro gradienti di concentrazione. Essa è una proteina integrale di membrana e per funzionare richiede un apporto di energia che proviene dall'idrolisi dell'ATP. I siti di legame per il Na+ e l'ATP sono localizzati sulla superficie intracellulare, mentre i siti per il K+ sono situati sulla faccia extracellulare. Ad ogni ciclo la pompa idrolizza una molecola di ATP ed espelle 3Na+ per ogni 2K+ che introduce.

Questi flussi ineguali di sodio e potassio fanno sì che la pompa dia origine a una corrente ionica uscente netta. Per tale ragione la pompa è detta elettrogenica. Il flusso degli ioni Cl- è libero per la presenza di canali passivi aperti in grande quantità ed è diretto dal gradiente elettrochimico. La concentrazione degli ioni Cl- per la maggior parte delle cellule è maggiore all'esterno, perché l'interno della cellula contiene già molti anioni indiffusibili e perché il lato interno della membrana è carico negativamente (-70 mV) e tende a respingere lo ione Cl-. Quando si aprono i canali attivi per il Cl- (ad esempio recettori GABAA) la permeabilità ai cloruri aumenta e gli ioni Cl- entrano nella cellula seguendo il loro gradiente di concentrazione, inducendo iperpolarizzazione.

Fanno eccezione alcune cellule che possiedono una pompa cloruro che trasporta attivamente ioni Cl- contro gradiente elettrochimico. Questo trasportatore è una proteina integrale di membrana che opera un meccanismo di trasporto attivo secondario: il movimento di uno ione Cl- è associato al movimento di un catione secondo gradiente di concentrazione ed è favorevole dal punto di vista energetico, quindi non è richiesto ATP (a differenza del trasporto attivo primario). Trasportatori per lo ione Cl- sono stati descritti in diversi tipi di neuroni, fra cui neuroni ippocampali e neuroni talamici. La presenza di una pompa per il cloruro inverte la direzione del flusso degli ioni Cl- quando si aprono canali attivi per il Cl-: le cellule che possiedono trasportatori per il Cl- hanno una concentrazione intracellulare di ioni Cl- molto elevata e quando si aprono canali attivi gli ioni Cl- escono dalla cellula anziché entrare, inducendo depolarizzazione.

Calcolo del potenziale di equilibrio

Per un singolo ione: l'equazione di Nernst:

E = RT/zF ln([X]_o / [X]_i)

• R = costante dei gas
• T = temperatura assoluta in Kelvin
• z = valenza dello ione
• F = costante di Faraday
• [X]_o / [X]_i = concentrazione dello ione all'interno o all'esterno della membrana

A 25°C (t ambiente): RT/F = 25 mV e poiché il fattore di conversione dei logaritmi naturali nei logaritmi in base 10 è 2,3, l'equazione diventa: E = 58 mV/z log([X]_o / [X]_i).

Il contributo di ciascuno ione al potenziale di membrana può essere calcolato con l'equazione di Goldman, che prende in considerazione anche la permeabilità della membrana per ogni ione. Il maggior contribuito è fornito, come visto prima, dal K+, per tale ragione il valore del potenziale di membrana a riposo si avvicina maggiormente al potenziale di equilibrio del potassio. L'equazione di Goldman si riduce all'equazione di Nernst nel caso limite in cui la permeabilità della membrana verso uno degli ioni presenti sia eccezionalmente elevata, come nelle cellule gliali.

Il potenziale d'azione

Durante la generazione di segnali nervosi il potenziale di membrana cambia e si inverte. Il potenziale d'azione è il segnale della cellula nervosa ed è dovuto all'apertura di canali per il sodio voltaggio-dipendenti. Quando si aprono i canali voltaggio-dipendenti per il sodio, aumenta la permeabilità della membrana verso Na+, che entra dentro la cellula spinto del gradiente sia elettrico che chimico: il potenziale di membrana cambia e si inverte, cioè va verso valori positivi.

Proprietà passive della membrana

La membrana può essere rappresentata come un circuito elettrico equivalente, dove ogni canale aperto viene rappresentato come un resistore o conduttore di corrente ionica (g), ciascuno collegato in serie con una batteria; la pompa Na+/K+ può essere assimilata a un generatore di corrente (mantiene costante il gradiente ionico, quindi la carica delle batterie); il doppio strato lipidico della membrana dove non vi sono canali ionici si comporta come un "isolante" che separa le due soluzioni conduttrici (citoplasma e liquido extracellulare) e può essere assimilato a un condensatore, in quanto mantiene una separazione di cariche ai capi della membrana (impedendo il passaggio degli ioni) ed è caratterizzato da una capacità C_m. La capacità di un condensatore è la quantità massima di cariche che può tenere separate ed è una proprietà passiva della membrana, che influenza la propagazione passiva delle correnti ioniche.

In particolare, la capacità della membrana riduce la velocità con cui una corrente fa variare il potenziale di membrana. Quando arriva una corrente ionica, gli ioni fluiscono attraverso i canali ionici e il potenziale cambia. Questi ioni, però, non fluiscono immediatamente a causa della capacità della membrana di tenere separate le cariche ai capi: inizialmente le correnti ioniche non fluiscono finché non viene superata la capacità della membrana. Immaginiamo di inviare un segnale elettrico alla membrana per far cambiare il suo potenziale: se la membrana non avesse la capacità, l'arrivo della corrente indurrebbe subito una variazione di potenziale (si avrebbe il valore massimo di potenziale indicato con la linea a tratteggiata). In realtà, il potenziale non cambia istantaneamente, ma con un certo ritardo dovuto alla capacità della membrana, per cui il cambiamento effettivo è indicato dalla linea continua. Questo ritardo è rappresentato dalla costante di tempo (tau), che è il tempo necessario affinché il potenziale raggiunga il 63% del suo valore massimo (misurato in millisecondi). Più alta è la costante di tempo maggiore sarà il ritardo. Essa varia con la capacità della membrana, che non è uguale in tutte le cellule.

Oltre alla capacità, un’altra proprietà passiva della membrana è la resistenza, che è legata al numero di canali ionici presenti: meno canali passivi aperti ci sono, più la membrana è resistente al passaggio di ioni; se, invece, ci sono molti canali aperti si parla di minore resistenza della membrana.