Il potenziale d’azione
E’ la risposta ad uno stimolo depolarizzante che possono dare
cellule elettricamente eccitabili, cioè provviste di un corredo di
canali ionici voltaggio-dipendenti per il Na+ e per il K+
Significato funzionale:
Nei neuroni – segnale elettrico che propagandosi lungo la fibra
nervosa consente la trasmissione di messaggi elettrici a livello del SN
Nelle fibrocellule muscolari – innesca il processo della contrazione
La Biofisica dei canali ionici è storicamente legata alla comprensione dei
meccanismi che generano i POTENZIALI D’AZIONE nelle cellule eccitabili.
NB: durante il pda la membrana si trova in condizioni dinamiche (e non statiche,
come abbiamo fatto finora considerando il RP.
Per ottenere una rappresentazione corretta del pda, occorre effettuare delle
derivazioni intracellulari, fatte da singoli elementi cellulari. Dapprima furono
realizzate (con elettrodi metallici) dagli assoni giganti dei molluschi Cefalopodi
(calamaro, seppia) …
poi (con microelettrodi di vetro) da
tutte le cellule eccitabili
A dispetto di una notevole variabilità tra tipi cellulari diversi, i pda presentano
tutti alcune proprietà fondamentali.
Le note proprietà dei pda (richiamo)
L’eccedenza (overshoot).
Consiste in un’inversione temporanea
del potenziale di membrana:
Al picco del pda il pdm è +35 mV circa
Le note proprietà dei pda (richiamo)
La soglia.
NB
per
stimolare,
occorre
depolarizzare la membrana, cioè
applicare una corrente che apporti
cariche positive all’interno della
cellula.
(Stimoli sottoliminari e sovraliminari)
Lo stimolo soglia è lo stimolo depolarizzante di intensità minima in
grado di generare un potenziale d’azione
Le note
(richiamo)
proprietà
dei
pda
la “legge” del tutto-o-del-nulla
(analogia con lo sparo di un’arma da
fuoco).
In un neurone un potenziale d’azione o è generaro e si sviluppa in tutta
la sua ampiezza, se lo stimolo raggiunge o supera la soglia, oppure non è
generato affatto, se l’ampezza dello stimolo è inferiore alla soglia.
Le note proprietà dei pda (richiamo)
La refrattarietà: la soglia è inizialmente elevatissima, ma poi, in una decina di
msec, ritorna al livello normale).
Refrattarietà assoluta
Refrattarietà relativa
Soglia
Legge del tutto o nulla
Refrattarietà
con
HHsim
http://www.cs.cmu.edu/~dst/HHsim/
Basi ioniche del potenziale d’azione
• conduttanze e correnti di Na voltaggio-dipendenti
• conduttanze e correnti di K voltaggio-dipendenti
Qual è il ruolo dei canali del Na+ nella genesi del potenziale d’azione?
1. Osservazione di Hodgkin e Huxley (1939):
– al picco di un potenziale d’azione il potenziale di membrana diventa transitoriamente
positivo all’interno – eccedenza o overshoot.
2. Ipotesi: è coinvolto il Na
– l’entrata di Na attraverso la membrana continuerà fino al raggiungimento del potenziale
di equilibrio del Na (ENa).
ENa = 58 log ([Na]o / [Na]i) = 58 log (460/50) = 59 mV
50% [Na]o -> ENa =? (38 mV)
33% [Na]o -> ENa =? (28 mV)
3. Esperimento di Hodgkin e Katz (1949):
riducendo [Na]o  riduzione dell’overshoot
Conclusione:
Il potenziale d’azione è il risultato di un
grande e transitorio aumento nella
permeabilità al Na della membrana.
Al potenziale di riposo
Al picco del PA
PK : PNa : PCl
1.0: 0.04: 0.45
1.0 : 20 : 0.45
Che dire della fase di caduta del potenziale d’azione?
- 1a ipotesi: I canali del Na semplicemente si chiudono (inattivazione)
Ma se fosse solo questo la ripolarizzazione sarebbe più lenta di quanto
osservato sperimentalmente
- Ipotesi aggiuntiva: Si verifica un successivo grosso aumento della permeabilità
della membrana al K dovuto all’apertura di canali del K voltaggio-dipendenti.
Il potenziale di membrana ritorna verso EK
Il potenziale di membrana iperpolarizza (diventa più
negativo del potenziale di riposo) per un certo tempo
Ipotesi di Hodgkin e Katz:
La depolarizzazione della cellula al di sopra del valore di soglia causa un breve aumento
della permeabilità della membrana agli ioni Na.
In che maniera la permeabilità di membrana agli ioni Na varia con il potenziale di membrana?
Esperimento: Misurare l’ampiezza della corrente (I) che
fluisce attraverso la membrana a diversi livelli del
potenziale di membrana (Vm)
depolarizzazione
gNa = INa / (Vm – ENa)
Problema 1: La corrente fluisce
attraverso la membrana  il potenziale
di membrana cambia  la conduttanza
della membrana si modifica
Esiste forte interdipendenza del PM e
del gating dei canali del Na e del K 
sia il PM che la conduttanza dei canali
cambiano costantemente.
INa entr.
Per risolvere questo problema,
K. Cole sviluppò la tecnica del
voltage-clamp.
Canali Na
aprono
Alan Hodgkin ed Andrew Huxley formularono un modello sulla genesi del pda,
Sulla base dei dati ottenuti sulle correnti di K e di Na voltaggio-dipendenti
derivate mediante la tecnica del “blocco del voltaggio” (voltage clamp, VC).
Sarà il caso di vedere che cos’è il VC e capire perché dev’essere applicato per
studiare in modo approfondito il comportamento dei canali ionici (voltaggiodipendenti e non).
In una membrana eccitabile, accanto ai canali di leakage (gL), sono presenti
canali ionici selettivi per il Na+ e per il K+ (gNa e gK) che sono sia voltaggio- che
tempo-dipendenti.
Che cosa ci dice il pdm che
misuriamo sulle correnti ioniche che
attraversano la membrana (cioè sul
comportamento dei canali ionici) ? - MOLTO POCO!!
La questione non è banale,
perché entrano in gioco le
“proprietà elettriche passive”
della membrana.
Dal punto di vista elettrico, infatti, una membrana presenta:
a) una resistenza Rm (una
conduttanza
gm=1/Rm):
la
resistenza offerta al passaggio di
cariche elettriche dai canali ionici
che si trovano nello stato aperto)
b) una capacità Cm: infatti il
doppio strato fosfolipidico è
capace di mantenere separate le
cariche
elettriche,
come
farebbero le armature di un
condensatore.
Che cosa succede al pdm quando facciamo passare attraverso la
membrana un corrente di intensità nota ?
Simulazioni con
NeuroLab
(time constants)
http://www.cudos.ac.uk/web/neurolab/exhibits.htm
Nota: Current; R1=max, R2=max, C=var
Comportandosi la membrana come un
condensatore, in seguito ad uno stimolo
elettrico il potenziale di membrana Vm non
cambia istantaneamente ma impiega un
certo tempo per passare dal suo valore
iniziale Vo al suo valore finale Vf
Condizione di “current clamp” - Immaginiamo di iniettare nella membrana un impulso di corrente (Im). Se ci fosse
solo Rm, anche il pdm (Vm) sarebbe un impulso (Vm=ImRm: legge di Ohm). Invece, per la presenza di Cm: allo
“step-on”, Vm raggiunge il valore stazionario (Vm=ImRm) secondo una funzione esponenziale, quindi con una
velocità molto inferiore a quella con cui viene applicata la corrente. Allo “step-off”, Vm ritorna al valore di riposo
con lo stesso andamento esponenziale. Perché ?
Im si divide in due componenti: una corrente capacitiva (IC) che serve a caricare Cm, ed una corrente resistiva o
ionica (IR) che fluisce attraverso Rm. Queste due componenti evolvono nel tempo con leggi diverse
IC = C·dVm/dt
IR = Vm/Rm
Nell’ istante iniziale, la corrente capacitiva (o “corrente di spostamento” IC = C dVm/dt) è massima e la corrente
resistiva (o “ohmica” IR = gmVm, immaginando di trascurare il potenziale di riposo) è minima, e cioè: praticamente tutte
le cariche iniettate vanno sulle armature del condensatore -ed iniziano a caricarlo-, e nessuna va nella resistenza.
Man mano che il tempo passa, Cm continua a caricarsi, quindi Vm aumenta: di conseguenza le cariche passeranno
sempre più “volentieri” attraverso la resistenza (IR aumenterà) e sempre meno “volentieri” si accumuleranno sul
condensatore (IC diminuirà). Alla fine ….
In termini matematici: la risoluzione della semplice equazione differenziale:
Im = IC + IR = C dVm/dt + Vm/Rm
ci assicura che Vm varierà con legge esponenziale. Allo step-on,
Vm=V∞ [1-exp(-t/RmCm)]
ed allo step-off
Vm=V∞ [exp(-t/RmCm)]
dove V∞ = Im·Rm (legge di Ohm, quando il condensatore è completamente
carico).
Il prodotto Rm·Cm è chiamato τ : la costante di tempo della membrana.
τ esprime il tempo impiegato per raggiungere il 63% del valore finale.
NB. All’aumentare della superficie della m, Rm diminuisce mentre Cm aumenta.
Potenziale d’azione - 9
Oggi sappiamo che queste proprietà derivano dall’esistenza nelle membrane eccitabili di due famiglie di
canali ionici voltaggio-dipendenti, una selettiva per il Na+, l’altra per il K+.
Quando la m. viene depolarizzata dallo stimolo,
i canali del Na+ si aprono (e gNa aumenta in
modo autorigenerativo). Questa corrente
entrante di Na+ determina la prima fase del pda,
fino ad invertire il pdm.
Successivamente i canali del Na+ che si sono
aperti passano nello stato inattivato; e gNa si
spegne.
Nel frattempo però la forte depolarizzazione (ed
inversione) del pdm ha cominciato ad aprire i
canali del K+, per cui anche gK aumenta,
sebbene con ritardo rispetto a gNa. Questa
corrente uscente di K+ dapprima ripolarizza la
membrana.
…e poi determina l’ iperpolarizzazione postuma
(afterpotential)
Col ritorno del pdm ai valori di riposo: a) i
canali del K+ (aperti) ritornano nello stato
chiuso; b) i canali del Na+ (inattivati) ritornano
nello stato chiuso. Il sistema è “resettato”.
Tutto questo, nell’assone gigante di calamaro,
avviene in pochi millesimi di secondo.