Fisiologia: eccitabilità cellulare, potenziale d'azione e sinapsi

Cellule Eccitabili e Potenziale di Membrana

In tutte le cellule gli ioni più importanti per determinare il potenziale di riposo sono rappresentati da sodio (Na+) e potassio (K+); altri ioni, come il calcio (Ca2+) e cloro (CI-) contribuiscono a stabilire alcune proprietà bioelettriche della membrana cellulare. Questi ioni sono responsabili dell'eccitabilità delle cellule.

Le principali caratteristiche del potenziale di membrana a riposo sono:

1. Le differenti distribuzioni degli ioni (cariche elettriche), su due versati della membrana (doppio strato e canal proteici permeabili selettivamente) generano una differenza di potenziale (Vm) stabile a riposo tra l'interno e l'esterno della cellula, detta potenziale di membrana a riposo.
2. Il Vm di una cellula a riposo è sempre negativo (il versante interno è carico negativamente rispetto all'esterno)
3. I valori di Vm a riposo variano a seconda del tipo di cellula: - 40 mV (cellule segnapassi del cuore, -90mV (cellule muscolatura scheletrica)
4. Le cellule nervose hanno un Vm a riposo di -70mV
5. Il Vm è fondamentale per la generazione di segnali elettrici transmembranari nelle cellule eccitabili

Le cellule eccitabili hanno la particolarità di reagire ad uno stimolo adeguato con una variazione della permeabilità della membrana cellulare, in seguito alla quale attraverso di essa si verificano i flussi di ioni che modificano la differenza di potenziale tra i due lati. In questo modo si generano i segnali elettrici. I due tipi principali di cellule eccitabili: sono i neuroni che generano, trasmettono e modulano impulsi elettrici di questa natura e le cellule muscolari che, quando impulsi elettrici di questa natura vengono trasmessi, ne generano loro volta e, in seguito a questi si contraggono. oltre a queste ci sono le cellule endocrine anch'esse cellule eccitabili.

Cellule Nervose

Le cellule nervose (neuroni)rappresentano le unità anatomiche e funzionali del sistema nervoso, sono di produzione e scambio di informazioni e, quindi, costituiscono la più piccola struttura capace di eseguire tutte le funzioni del sistema. Un neurone è composto da: un corpo cellulare, detto soma, con un nucleo e organuli che regolano l'attività cellulare e che svolge funzioni comuni a tutte le cellule, che origina dal monticolo assonico e trasporta le informazioni e le trasmette ad altre cellule.

Potenziale d'Azione Neuronale

Il neurone viene stimolato facendo passare attraverso la membrana impulsi di corrente brevi e di bassa intensità, l'oscilloscopio registra una variazione del potenziale di membrana. Se il passaggio di corrente avviene una volta in entrata e poi in uscita, il potenziale di membrana diventa meno o più negativo, queste variazioni vengono definite:

1. Depolarizzazione
2. Iperpolarizzazione

Sono risposte passive dovute alle caratteristiche fisiche della membrana.

In vivo la stimolazione è dovuta all'apertura di canali specifici attraverso i quali entrano ioni positivi muovendosi secondo gradiente di concentrazione attratti dalla carica negativa presente nella membrana del neurone.Quando la membrana del neurone viene stimolata le cariche positive tendono a rendere la cellula meno polarizzata (depolarizzazione): Vm diventa meno negativo. La depolarizzazione ha un'ampiezza proporzionale alla quantità di cariche positive che entrano nella cellula. La risposta di un neurone a uno stimolo può essere di due tipi:

• stimolazione di bassa intensità (sottosoglia)= la depolarizzazione è lenta e graduata quindi si si esaurisce rapidamente. Questa depolarizzazione è definita potenziale elettronico.
• stimolazione di intensità più elevata: entrano le cariche positive che portano il potenziale di membrana un valore definito come potenziale soglia (compreso tra -55 e -45mV). la cellula risponde con una depolarizzazione molto rapida e ampia da causare l'inversione di polarità cioè che all'interno diventa carico positivamente rispetto all'esterno. questa inversione costituisce la risposta attiva della membrana cellulare ovvero il potenziale d'azione.

A d +60 ENa Potenziale di membrana (mV) C 0 e b - Vs a g Vr f -80 EK 30~ 1 ms Conduttanza (mS/cm2) 20 Na 10- gK 0 B Figura 4.4 Potenziale d'azione di un neurone. (A) Le di- verse fasi del potenziale d'azione (si veda il testo); (B) variazioni della conduttanza a sodio (gm) e potassio (g)) della membrana cel- lulare del neurone durante le fasi del potenziale d'azione: aumenta prima la conduttanza al Na+ (curva nera) e poi, con un piccolo ri- tardo, la conduttanza al K+ (curva azzurra). V., potenziale soglia; V,, potenziale di membrana a riposo; ENa, potenziale di equilibrio per il sodio; Ex, potenziale di equilibrio per il potassio.

+60℃ Potenziale di membrana (mV) Inversione 0 Potenziale soglia 2 Vr 1 -80 Iperpolarizzazione postuma 1 ms Corrente di stimolazione Figura 4.3 Risposta "attiva" di una membrana eccitabile: il potenziale d'azione. Impulsi di corrente di bassa intensità (1,2) producono risposte passive sotto soglia, mentre impulsi di corren- te di maggiore intensità (3), che raggiungono o superano il poten- ziale soglia, danno origine ad una risposta attiva: potenziale d'a- zione (risposta "tutto o nulla").

il potenziale d'azione costituisce l'impulso nervoso ovvero l'informazione che procede lungo la membrana dell'assone fino ad arrivare al suo terminale dal quale (attraverso la trasmissione sinaptica) viene trasferite ad altre strutture definite sinapsi.

Generazione del Potenziale d'Azione

Il potenziale d'azione si produce quando si raggiunge il potenziale soglia. Quando lo si raggiunge, si aprono 2 tipi di canali:

1. Canali voltaggio-dipendenti per il Na+ (più numerosi dei canali ligando-dipendenti che innescano a depolarizzazione) ad apertura rapidissima ma di breve durata.
2. Canali voltaggio-dipendenti per il K+, con apertura ritardata ma di lunga durata

Attraverso i canali per il Na+ passa un gran numero di ioni, spinto dal gradiente elettrochimico, fino a quando il potenziale di membrana si inverte (più positivo all'interno rispetto che all'esterno) producendo il potenziale d'azione.

Il picco del potenziale si raggiuge ad un valore di voltaggio inferiore al potenziale di equilibrio per il Na+ (il valore in cui non c'è più flusso di ioni) ma questo non viene raggiunto perché la variazione di flusso di Na+ dura pochissimo.

Ma perché dura così poco? I canali voltaggio-dipendenti per il Na+ hanno due porte:

• Porta di inattivazione, aperta nello stato di riposo
• Porta di attivazione, chiusa nello stato di riposo

Fasi del Potenziale d'Azione

Quando si raggiunge il potenziale soglia succedono diversi step

1. La porta di attivazione (prima chiusa), si apre rendendo possibile il passaggio degli ioni
2. Contemporaneamente la porta di inattivazione si chiude (in 1 ms)
3. La membrana riacquista la sua impermeabilità al Na+ e il canale si trova in uno stato di refrattarietà
4. Nel frattempo, si aprono i canali per il K+ voltaggio-dipendenti presenti nella stessa regione della membrana, entrano gli ioni potassio seguendo il gradiente di concentrazione. Il flusso di questi ioni verso l'esterno bilancia l'inversione di polarità e ripolarizza il neurone.
5. L'uscita del potassio prosegue portando il potenziale di membrana ad un valore vicino al potenziale di equilibrio per il potassio (più negativo di quello di riposo). Dopo altri millisecondi, il potenziale di riposo è ripristinato e lo stesso i canali.
6. La pompa sodio-potassio (Na+/K+ ATPasi), sempre attiva, riporta gli ioni Na+ fuori e gli ioni K+ dentro il neurone, riportando le concentrazioni degli ioni ai loro livelli di partenza.

Durante un potenziale d'azione, la cellula non è in grado di rispondere ad altri stimoli e si trova in un periodo refrattario assoluto; mentre per un breve periodo successivo, la cellula si trova un periodo refrattario relativo e in questa fase si generano potenziali d'azione, solamente aumentando la corrente di stimolazione.

A Na Porta di attivazione chiusa, ma apribile Esterno Depolarizzazione Membrana cellulare Meccanismo automatico di apertu- ra/chiusura del canale voltaggio- dipendente per il Na* innescato dal raggiungimento del potenziale soglia in una cellula eccitabile. Interno Porta di inattivazione aperta B Na Porta di attivazione aperta c Na Porta di attivazione aperta Porta di inattivazione aperta 1 ms Porta di inattivazione chiusa e non in grado di aprirsi

In una data cellula il potenziale d'azione è sempre uguale: quello che può variare in una cellula è la frequenza con cui i potenziali sono prodotti. Alcuni veleni, come tetrodotossina o tetraetilammonio, possono bloccare il passaggio di ioni Na+ e K+ e quindi bloccare lo sviluppo del potenziale d'azione.

Propagazione dell'Impulso Nervoso

I potenziali d'azione si propagano senza ridursi in ampiezza dal punto di insorgenza, detto monticolo assonico. Inoltre, la temporanea inversione di polarità continua a spostarsi lungo l'assone. La zona nella quale si è generato un potenziale d'azione, con cariche positive all'interno, ha accanto una zona con polarità non ancora invertita: questa situazione genera correnti, che vanno dalla zona con cariche positive a quella con cariche negative. L'area adiacente, raggiunta da queste cariche, si depolarizza (cioè diventa meno negativa), permettendo l'apertura dei canali per Na+ voltaggio-dipendenti adiacenti e ingresso dello ione. In questo modo si genera un nuovo potenziale d'azione, identico al precedente.

La zona da cui era partita la propagazione è tornata ad essere di nuovo polarizzata: dalla zona che ora è depolarizzata, le correnti di circuito locale vanno in due direzioni.

Figura 4.51.

1. Verso la zona non ancora depolarizzata (cariche negative)
2. Verso la zona ormai ripolarizzata, che si trova nel periodo refrattario e non può depolarizzarsi nuovamente: l'impulso, quindi, si propaga solo in avanti.

La propagazione è unidirezionale dal monticolo assonico alla terminazione dell'assone.

Stimolo t =0 Assone +++ +++ Correnti di circuito locale -60 mV Potenziale d'azione -- 60mV +++ t>0 Nodo attivo (3 pm) Nodo a riposo Guaina mielinica Zona refrattaria (canali del Na* inattivati) Zona attiva A 1 +++ ++ Figura 4.10 +++ +++ ++4 + Nodo attivo Nodo attivo Figura 4.11 Conduzione saltato- ria in un assone mielinizzato. Grazie alla guaina mielinica, il potenziale d'azione generato nel primo nodo di Ranvier rag- giunge il secondo nodo con un decadi- mento molto piccolo. L'ampiezza della depolarizzazione a livello del secondo nodo è sufficiente ad aprire i canali vol- taggio-dipendenti e, quindi, a far pro- durre un nuovo potenziale d'azione, che viaggerà fino al nodo successivo. In questo modo il potenziale d'azione vie- ne condotto in maniera "saltatoria" da un nodo all'altro con un'alta velocità di conduzione.

La propagazione dell'impulso avviene con rapidità in tutti gli assoni. Questa velocità dipende dal diametro dell'assone (maggiore negli assoni più grandi) e dalla presenza o meno della guaina mielinica.

Gli assoni dei neuroni sono circondati da una guaina, detta mielinica, formata da cellule della glia. La guaina isola elettricamente la membrana dell'assone dall'ambiente esterno.

La guaina mielinica può interrompersi ad intervalli regolari, lasciando piccole interruzioni chiamate nodi di Ranvier.

Nelle fibre nervose, non rivestite di guaina mielinica, denominate fibre amieliniche, la propagazione è definita come conduzione punto a punto. Nelle fibre con guaina mielinica, la rigenerazione dell'impulso avviene solo a livello dei nodi di Ranvier, saltando tutti i tratti intermedi elettricamente isolati per la presenza della guaina, per cui viene definita conduzione saltatoria. Questa conduzione aumenta la velocità di propagazione dell'impulso.

Sinapsi e Comunicazione Cellulare

Negli organismi pluricellulari le cellule non sono isolate, ma si aggregano e svolgono funzioni coordinate con alte cellule. Negli organi e nei sistemi, ogni singola cellula comunica con le altre. Le comunicazioni possono essere effettuate per mezzo di segnali chimici, cioè di sostanze (neurotrasmettitori e ormoni) che vengono rilasciate. Quando queste sostanze raggiungono la membrana della cellula bersaglio, possono entrare nella cellula oppure legarsi a specifici siti di riconoscimento posti sulla membrana della cellula bersaglio, i recettori di membrana, e dar luogo a diverse funzioni biologiche.

Le trasmissioni dei segnali nervosi da un neurone ad un altro avviene attraverso giunzioni chiamate Sinapsi. Le giunzioni sinaptiche possono essere due tipi:

• SINAPSI DI TIPO ELETTRICO: molto meno numerose delle chimiche, si realizzano quando sono presenti gab junction e trasmettono il segnale mediante passaggio diretto di cariche elettriche tra due cellule.

Conduzione del potenziale d'azione lungo un assone non mielinizzato. La depolarizzazione indotta dallo stimolo al tempo iniziale (t = 0) crea una zona attiva (depolarizzata) che dà origine a correnti di circuito locale. Queste a loro volta depolariz- zano le zone a riposo adiacenti rendendole attive (t > 0). La zona che si era depolarizzata per prima si inattiva (diventa refrattaria) e, quindi, il potenziale d'azione può solo propagarsi soltanto verso de- stra come indicato. Vmax 0,80 Vmax Zona depolarizzata (canali del Na* aperti) Assone Internodo (1,5 mm) +++