Potenziale d'azione e canali ionici: fisiologia cellulare

Fisiologia I, Lezione 3, 06/03/2024

Prof. Franchi

Potenziale d'azione

Ripasso della lezione precedente

Il prof inizia la lezione con un ripasso della lezione precedente, tra cui l'equazione di Nernst. Qual è lo ione in equilibrio con il potenziale di membrana? Il cloro. Qual è il potenziale di equilibrio del sodio? +55 mV Qual è il potenziale di equilibrio del potassio? - 75 mV. Con quale forza il potassio viene spinto verso l'esterno? 15 mV. Quale sarebbe il potenziale di membrana se il potassio fosse in equilibrio? - 75 mV. Qual è il potenziale di equilibrio del sodio? - 55 mV Con che gradiente tende ad entrare il sodio nella cellula? 100 mV. Perché il sodio tende ad entrare con una forza di 100 mV mentre il potassio tende ad uscire con una forza di soli 15 mV? Questo si spiega con la permeabilità. A riposo ci sono pochi canali sodio aperti e abbastanza canali potassio aperti. Il cloro è più concentrato all'esterno o all'interno? È più concentrato all'esterno perché ci sono più cariche negative esterne che tendono a contrapporsi alle cariche negative interne.

Depolarizzazione e iperpolarizzazione

Se inietto cariche positive all'interno della cellula ottengo una riduzione del potenziale di membrana chiamata depolarizzazione. Tutti gli eventi elettrici che comportano una depolarizzazione della membrana vengono definiti eventi depolarizzanti. Come si fa a depolarizzare una cellula? Mettiamo un microelettrodo nella cellula, una micropipetta di registrazione. Mettiamo un'altra micropipetta di stimolazione. Per depolarizzare bisogna iniettare cariche positive nella cellula. Un elettrodo di registrazione è uno strumento che permette di misurare la differenza di potenziale. Un elettrodo di stimolazione è uno strumento che inietta delle cariche. Quindi con un elettrodo di registrazione vedo la differenza delle cariche. Con un elettrodo di stimolazione induco delle depolarizzazioni o delle iperpolarizzazioni.

1. Come si fa ad iperpolarizzare una cellula? Se per depolarizzare una cellula bisogna iniettare cariche positicve, per iperpolarizzare una cellula bisogna iniettare delle cariche negative all'interno della cellula, usando un elettrodo di stimolazione.

"Iperpolarizzare" significa aumentare l'ampiezza del potenziale di membrana a riposo. Per esempio, da -60 mV può diventare -70, -80, -90 mV. Cosa succede se depolarizzo la membrana di una cellula non eccitabile? Il prof non ha risposto a questa domanda. Il prof consiglia di stampare le diapositive per poterle vedere bene. Quindi depolarizzare una membrana e iperpolarizzare una membrana significa diminuire e aumentare il potenziale di una membrana a riposo.

Potenziale d'azione

Di solito gli stimoli che si usano in elettrofisiologia sono stimoli ad onda quadra di ampiezza progressivamente crescente. Uno stimolo può essere sinusoidale, a punta o ad onda quadra. Uno stimolo ad onda quadra è uno stimolo in cui si chiude il circuito, si inietta una determinata intensità di corrente per un determinato tempo e poi si apre il circuito. Il plateau dello stimolo indica la durata (quanto dura lo stimolo nel tempo) mentre l'ampiezza indica quante cariche inietto, quindi l'intensità. In clinica ci sono molti strumenti di stimolazione, ma i principi di base sono sempre gli stessi. Se stimolo usando onde quadre di ampiezza progressivamente crescente sto iniettando cariche positive nella cellula. Cosa vuol dire onde quadre di ampiezza progressivamente crescente? Onde quadre che progressivamente sono sempre più alte. Se ho cariche positive all'interno della cellula riduco la differenza di potenziale; questo accade perché se inietto cariche positive nella cellula depolarizzo la membrana all'interno rispetto all'esterno. La convenzione dice onde positive verso l'alto, onde negative verso il basso. Se invece di usare delle onde positive verso l'alto uso delle onde negative verso il basso, cioè inietto cariche negative all'interno della cellula, iperpolarizzo la membrana. Se sfrutto stimoli negativi a mano a mano crescenti avrò un'iperpolarizzazione della membrana sempre maggiore. Cosa succede nelle cellule che noi definiremo "eccitabili"? Con stimoli depolarizzanti riduco la differenza di potenziale, quindi depolarizzo la membrana. Con stimoli iperpolarizzanti aumento la differenza di potenziale, quindi iperpolarizzo la membrana.

A un certo punto, aumentando progressivamente lo stimolo depolarizzante, improvvisamente compare un'onda a punta. Il potenziale di membrana da -70 mV arriva a +30 mV e, altrettanto rapidamente, torna a -70 mV.

2Chiamiamo questa rapida depolarizzazione a punta potenziale d'azione (o spike). Il professore preferisce sempre usare termini italiani. Come si vede dall'immagine, il potenziale d'azione non compare nelle prime stimolazioni; compare solo quando depolarizziamo la membrana con un valore specifico di almeno 15 mV, chiamato valore soglia. Iperpolarizzando la membrana con stimoli sempre crescenti non succede nulla, non abbiamo un potenziale d'azione.

Canali ionici voltaggio dipendenti

Le cellule eccitabili sono dotate di canali ionici voltaggio dipendenti

potenziali d'azione +30- eccedenza 0 potenziale soglia -70 potenziale di riposo stimolo liminare corrente stimolant 0- stimoli T stimoli sottoliminari sopraliminari 0 2 4 6 8 tempo (msec)

Se uno stimolo depolarizzante è più piccolo di 15 mV viene definito stimolo sottoliminare, cioè che è sotto la soglia. Uno stimolo ad onda quadra che vale 15 mV viene chiamato stimolo liminare. Stimoli che vanno oltre i 15 mV vengono chiamati stimoli sopraliminari. Ogni stimolo sopraliminare dà origine ad un potenziale d'azione. Il range del potenziale di membrana a riposo va da -50 mV a -120 mV. Il valore dipende dalle dimensioni della cellula, quindi dalla quantità di carica presente nella membrana. Uno stimolo soglia si chiama così perché solo a partire da quel valore si genera un potenziale d'azione (o potenziale a punta). Aumentando lo stimolo potremmo avere delle depolarizzazioni sopraliminari. Cos'è un potenziale d'azione? Come può avvenire una brusca depolarizzazione seguita da una altrettanto brusca ripolarizzazione? Nell'ansa ascendente del potenziale di azione si ha la depolarizzazione e nell'ansa discendente si ha la ripolarizzazione. In realtà è presente anche un'iperpolarizzazione postuma. Ovviamente la ragione è di natura ionica: per depolarizzare così rapidamente deve avvenire una cascata di ioni sodio che da fuori entrano nella cellula. In questa fase la membrana tende a spostare il suo equilibrio dal cloro al sodio. La cascata di sodio che entra tende a portare il potenziale di membrana verso l'equilibrio del sodio (ma non ci arriva). La cascata di sodio è seguita da una altrettanto brusca fase di ripolarizzazione. La fase di ripolarizzazione è dovuta all'apertura dei canali potassio. Però, quando si aprono i canali sodio, il sodio è spinto all'interno con un gradiente di più di 100 mV mentre il potassio tende ad uscire con un gradiente di 15 mV. Quando si aprono i canali potassio, però, la membrana non è a un valore di riposo ma a +30 mV. Facendo +30 +75 troviamo che la forza con cui il potassio esce dalla cellula è 100 mV. Questo significa che, quando si aprono i canali potassio, il potassio è soggetto alla forza a cui è soggetto il sodio quando si aprono i canali del sodio. Questo spiega perché l'ampiezza della depolarizzazione è la stessa della ripolarizzazione.

Se prima si depolarizza di una certa ampiezza e poi si ripolarizza della stessa ampiezza, cosa significa? Significa che la quantità di ioni positivi che è uscita viene pareggiata dalla quantità di ioni positivi che è entrata.

3Non solo la membrana si ripolarizza, ma per un breve tempo si iperpolarizza, quindi è più negativa rispetto al valore di riposo. L'iperpolarizzazione avviene perché il canale potassio è più lento a chiudersi. I canali sodio sono rapidi ad aprirsi e rapidi a chiudersi. I canali potassio, invece, sono lenti ad aprirsi e a chiudersi. I canali sodio hanno una cinetica di apertura e chiusura talmente rapida che non fanno in tempo a depolarizzare la membrana al valore di equilibrio di Nernst del sodio (infatti la membrana si ferma a +30 mV, ma l'equilibrio del sodio è +55 mV). I motivi per cui la membrana non arriva a +55 mV sono due: si aprono i canali del potassio e si chiudono i canali del sodio. Perché quando la membrana che si sta ripolarizzando arriva a -60 mV non si ferma, ma si iperpolarizza (e si ferma a -75 mV)? Perché i canali del potassio sono più lenti ad aprirsi e sono lenti anche a chiudersi. Quando la membrana arriva a -60 mV ci sono ancora dei canali potassio aperti.

Il massimo picco di apertura dei canali potassio è durante la fase discendente del potenziale d'azione, come si può vedere dall'immagine. Quanto dura il potenziale d'azione? Dura 1 ms. Alcuni manuali indicano valori diversi per il range del potenziale d'azione. Quello che conta è che il rapporto sia lo stesso. Ogni autore prende come riferimento il numero che gli è più familiare. Anche se il potenziale di membrana è diverso, tutti rispondono a stimoli di circa 15 mV.

La refrattarietà

Ci sono due tipi di refrattarietà: la refrattarietà assoluta e quella relativa. La refrattarietà assoluta è il periodo in cui il neurone o la cellula muscolare non risponde a nessuno stimolo. Un tessuto eccitabile è un tessuto che è capace di generare un potenziale d'azione. Durante il periodo in cui sta avvenendo un potenziale d'azione, e per qualche millisecondo dopo, la cellula non risponde a nessuno stimolo.

Potenziali d'azione Periodo refrattario assoluto Periodo refrattario relativo Potenziale di membrana +30 Periodo à eccitabilità normalo C Notare la variazione di soglia Tr Soglia Soglia Er -- 75 Stimolo nº 1 Stimolo nº 2 (più intenso) Tempo (ms)

La refrattarietà relativa indica che la cellula risponde solo a stimoli sopra-soglia e produce un potenziale d'azione di ampiezza minore di uno normale.