Riassunto Psicobiologia L. 4

IL POTENZIALE D’AZIONE

Proprietà del Potenziale d’Azione

Dato che il potenziale di membrana (V ) può essere determinato con l’inserimento di un microelettrodo,

m

per misurare la differenza di potenziale elettrico tra la punta ed un altro elettrodo (esterno alla cellula) si

usa il voltmetro.

Nel momento in cui la cellula è a riposo la differenza rimane fissa sui –65mV ma, durante il potenziale

d’azione, questi diventa positivo per pochissimo tempo (viene studiato con l’oscilloscopio, in quanto la

velocità è pari 2msec ). +

Il grande gradiente di concentrazione e la carica negativa del citosol aprono la via agli ioni Na , che

depolarizzano la membrana. Questo processo, detto potenziale generatore, raggiunge il livello soglia, la

membrana genererà il potenziale d’azione.

I POTENZIALI D’AZIONE SONO GENERATI DALLA DEPOLARIZZAZIONE DELLA MEMBRANA AL DI LÀ DEL

LIVELLO DI SOGLIA.

Il potenziale d’azione è quindi diviso in fasi:

a- Potenziale di Riposo (-65mV)

b- Depolarizzazione

c- Raggiungimento livello di Soglia

d- Fase Crescente (-65mV/40mV) = rapida depolarizzazione membrana

e- Potenziale a Punta (tutta la fase in cui mV≥0)

f- Fase Decrescente (40mV/ < -65mV) = rapida ri-polarizzazione membrana

a. Iperpolarizzazione (tutti valori < -65mV)

g- Potenziale di Riposo

Oltre alle vie naturali, i neuroni possono subire una depolarizzazione con l’inserimento di corrente elettrica

attraverso un microelettrodo.

Se all’interno di un neurone viene fatta passare della corrente depolarizzante, verranno generati più

potenziali in successione.

La frequenza di scarica riflette l’intensità della corrente depolarizzante ed è il metodo utilizzato nel sistema

nervoso per codificare l’intensità di stimolazione.

Esiste un limite alla frequenza di scarica, ovvero 1000Hz (1000 al secondo) e una volta che è stato generato

un potenziale prima di 1msec è impossibile che ne inizi un altro (Periodo Refrattario Assoluto) e nei msec

successivi rimane comunque un’impresa piuttosto ardua (Periodo Refrattario Relativo). Durante questo

secondo periodo la richiesta di corrente per la depolarizzazione oltre soglia si eleva oltre il normale.

Potenziale d’Azione (su neurone ideale)

Il potenziale d’azione è una redistribuzione della carica elettrica da un capo all’altro della membrana.



+

Entrata ioni sodio (Na ) Depolarizzazione



+

Uscita ioni potassio (K ) Ri-polarizzazione

La membrana del neurone ha tre tipologie di molecole proteiche: (Na-K),

POMPE SODIO-POTASSIO CANALI PER

(Na), (K).

SODIO CANALI PER POTASSIO

Le pompe lavorano in continuazione per mantenere i gradienti di concentrazione.

V

Inizialmente i canali selettivi sono chiusi e il potenziale di membrana ( ) è uguale a 0mV; aprendo i canali

m

+

K

per il potassio, gli ioni seguiranno il loro gradiente di concentrazione, l’interno della cellula si caricherà

V = E

negativamente e .

m K

+

Il movimento di K :  I

- Il movimento attraverso la membrana è corrente elettrica K  g

- Il numero di canali per K è proporzionale ad una conduttanza elettrica K

V ≠ E

- I continuerà il suo flusso finchè m k

K +

K = V -E (reale potenziale di membrana – potenziale d’equilibrio)

Forza di uscita del m K

I = g ( V -E )

Flusso di corrente ion ion m ion

(Intensità corrente dello ione) = (conduttanza elettrica dello ione)x(Forza di uscita dello ione)

g

Nel momento in cui la permeabilità della membrana verso gli ioni si modifica, è molto alto e c’è una

Na

I

notevole forza che spinge gli ioni sodio. Viene quindi generata una corrente , che procede muovendo gli

Na

ioni verso l’interno e continua, depolarizzando la membrana, fino al momento in cui V su avvicina a E .

m Na

Con questo processo si è riusciti a invertire rapidamente il potenziale di membrana.

Fase Crescente: i canali selettivi del sodio si aprono in risposta alla depolarizzazione, oltre la soglia, della

+

membrana, attraverso un aumento di g . Viene quindi permesso a Na di entrare all’interno del neurone,

Na

depolarizzando la membrana.

(corrente di sodio dall’esterno all’interno)

Fase Decrescente: i canali del sodio, grazie ad un aumento di g , si chiudono mentre si aprono quelli del

K

+

potassio, ripristinando la permeabilità dominante. K esce fino al momento in cui V tende a E .

m K

(corrente di potassio dall’interno all’esterno)

Kenneth Cole, Alan Hodgkin e Andrew Huxley, attraverso il “dispositivo di blocco del voltaggio”, riuscirono a

comprendere il funzionamento del potenziale d’azione.

Canale Voltaggio-Dipendente Selettivo per il Sodio +

La proteina che forma un poro altamente selettivo agli ioni Na e che si apre e chiude in funzione dei

cambiamenti del potenziale elettrico della membrana è detta canale voltaggio-dipendente selettivo per il

sodio.

È formato da un singolo lungo polipeptide, formato da quattro sequenze numerate (I/IV), divise ognuna in

sei tratti intramembranosi ad alfa elica (S1/S6).

Si pensa che le quattro sequenze si raggruppino per formare un poro, chiuso con V a riposo e, attravrso

m

una deformazione, aperto nel momento di superamento del livello di soglia. Questo canale è altamente

+ +

selettivo (deve dividere Na da K ) e sceglie gli ioni attraverso un filtro selettivo, il quale fa trattenere al

+

canale la maggior parte dell’acqua associata a Na , lasciandone solamente una minima parte (che

funzionerà da accompagnatore molecolare). Il sensore di voltaggio si trova nel segmento S4 della molecola

e i residui aminoacidi sono distribuiti regolarmente lungo gli avvolgimenti elicoidali.

L’apertura del canale, come dicevo prima, è controllata dal cambiamento di voltaggio della membrana;

infatti la depolarizzazione contorce S4 e determina l’apertura.

Nel 1980 Erwin Neher e Bert Sakmann scoprirono un nuovo metodo che permette di studiare le correnti di

ioni che passano attraverso un singolo canale ionico, il Patch-Clamp.

Con questa metodologia, viene inserita una punta di elettrodo in una zona molto piccola della membrana

neuronale; questo frammento può essere tolto dalla cellula di appartenenza, mentre il voltaggio rimane

bloccato ad un certo valore selezionato.

Questo metodo ha permesso di studiare le proprietà funzionali del canale voltaggio-dipendente selettivo

per il sodio:

- Modificando il potenziale da -80mV a -65mV, il canale rimane chiuso ma, portandolo da -65mV a

-40mV il passaggio si apre.

- I canali si aprono con un piccolo ritardo

- Come periodo di attività si parla di 1msec prima dell’inattivazione

- Non possono essere riaperti prima che il potenziale di membrana sia ritornato ad un valore

negativo vicino alla soglia.

Va sottolineato che un singolo canale non può dare origine ad un potenziale d’azione ma, dato che la

2

membrana assonica ne contiene diverse migliaia per µm , l’unione di tutti questi porta all’originare un

potenziale d’azione.

Lo studio dei canali voltaggio-dipendenti selettivi per il sodio ha portato a comprenderne l’importanza e le

conseguenze che hanno sul funzionamento neuronale: 

- I singoli canali si aprono solo dopo un livello critico soglia del potenziale d’azione



- Rapida apertura dei canali in risposta alla depolarizzazione motivo per cui la fase crescente sia

così veloce 

- Breve tempo di apertura dei canali motivo della velocità del potenziale d’azione



- Inattivazione dei canali responsabile dell’esistenza del Periodo Refrattario Assoluto.

Nel genoma umano sono presenti diversi geni che codificano i canali del sodio e le differenze tra loro

portano ad importanti cambiamenti nelle proprietà del potenziale d’azione.

Per comprendere l’importanza delle mutazioni, possiamo citare l’ “epilessia generalizzata con crisi febbrili”,

una comune malattia ereditaria che, conseguentemente ad un aumento della temperatura cerebrale

(febbre), scatena delle crisi epilettiche nei bambini tra i 3 mesi e i 5 anni di vita. È quindi una canalopatia,

ovvero una malattia genetica umana causata dall’alterazione dei canali ionici.

Canale Voltaggio-Dipendente Selettivo per il Potassio

Il ritorno alla negatività della membrana è reso più rapido da un aumento considerevole di g . Viene quindi

K

proposta l’esistenza di pori anche per il potassio: questi, come quelli selettivi del sodio, si aprono in risposta

alla depolarizzazione, anche se con un 1msec di ritardo rispetto ai precedenti. La conduttanza di K che

ristabilisce il potenziale di membrana si chiama rettificatore del ritardo.

Esistono però diversi tipi di canali voltaggio-dipendenti selettivi per il potassio ma la loro funzioni è simile

per tutti: diminuire la possibilità di ulteriori depolarizzazioni aprendo la via alla fuoriuscita di potassio

dall’ambiente intracellulare.

Sono composti da quattro subunità polipeptidiche che danno origine al poro e sono sensibili al

cambiamento elettrico sulla membrana. VISIONE D’INSIEME

Soglia: con il raggiungimento del livello di soglia i canali voltaggio-dipendenti selettivi per il sodio si aprono.

Fase Crescente: l’interno della membrana è caratterizzato da potenziale elettrico negativo, con l’apertura

dei canali per il sodio avviene una rapida depolarizzazione.

Potenziale a Punta: potenziale della membrana tende ad un valore superiore a 0mV e quindi vicino a E .

Na

Fase Decrescente: i canali per il sodio si inattivano mentre quelli del potassio si aprono, dando così la

+

possibilità agli ioni K di fuoriuscire dalla membrana per ritornare ad un potenziale di membrana negativo.

+

Iperpolarizzazione: canali per il potassio si aggiungono alla permeabilità della membrana (a favore di K ) e il

potenziale torna a tendere verso E , causando un’iperpolarizzazione fino al momento in cui i canali per il

K potassio si richiudono.

Periodo Refrattario Assoluto: canali per il sodio si disattivano e non possono essere attivati nuovamente

fino a che il potenziale di membrana non diventa sufficientemente negativo

Periodo Refrattario Relativo: potenziale rimane iperpolarizzato fino a che i canali per il potassio non si

chiudono. Diventa quindi necessaria una maggior corrente depolarizzante per tornare al livello di soglia.

+

Pompa Na-K: lavora continuamente per trasportare indietro gli ioni Na attraverso la membrana e

mantiene i gradienti di concentrazione ionica.

La Conduzione del Potenziale d’Azione

Il potenziale d’azione, per trasportare l’informazione, dev