Perché il potenziale di riposo del
neurone è –65 mV?
La pompa sodio-potassio mantiene in
continuazione una differenza di concentrazione
di K+ e Na+ tra interno ed esterno della
cellula
Il sodio, concentrato all’esterno, tende ad
entrare mentre il potassio, concentrato
all’esterno, tende ad uscire
Na+
K+
Nella membrana sono presenti dei canali per il potassio
sempre aperti (canali passivi per il K+ )
a riposo (quando praticamente non vi sono altri canali aperti) vi è una
uscita lenta ma costante di ioni K+ i quali portano all’esterno cariche
positive rendendo negativo l’interno della cellula
L’ uscita di ioni K+ si arresta quando le forze elettriche iniziano a risospingere il potassio dentro la cellula (l’esterno è positivo e le cariche
positive si respingono). Nella maggior parte dei neuroni questo avviene
attorno al valore del potenziale di membrana di circa –65 mV
NB: Il potenziale di riposo di una cellula non dipende
direttamente dall’azione della pompa sodio-potassio, che si limita a
mantenere concentrazioni disuguali di K+ e Na+ ai due lati della
membrana.
Essa dipende invece dalla differente permeabilità della membrana ai
due ioni in questione
Esiste un modo preciso per calcolare il potenziale di membrana a
riposo (o in qualsiasi altro momento dell’attività del neurone)
conoscendo
1) le concentrazioni Interne ed Esterne di ciascun ione (K+, Na+ ecc.)
2) la permeabilità della membrana a ciascun ione in quel momento.
Questo modo è mediante l’equazione di Goldman.
RT
Vm = F ln
+
[K ]
+
Pk
e PNa[Na ]e
+
+
Pk[K ]i PNa[Na ]i
[Cl ]
PCl
e
PCl[Cl ]i
Potenziali di membrana
• Potenziale di riposo
• Potenziali graduati
(chiamati anche potenziali locali)
• Potenziali post-sinaptici
• Potenziali di recettore
• Potenziale d’azione (chiamato anche spike o impulso nervoso)
Per poter misurare il potenziale di membrana occorre una
apparecchiatura costituita da :
q Una serie di micro-elettrodi
q Un amplificatore del segnale (perché le variazioni sono solo di
pochi millivolt)
q Uno strumento per visualizzare i potenziali (un voltmetro o, più
comunemente, un oscilloscopio)
L’oscilloscopio
Nell’oscilloscopio le variazioni di voltaggio sono trasformate in
movimenti di un pennello di elettroni su uno schermo a fosfori
Il movimento di elettroni lascia
una traccia sotto forma di un
grafico in cui l’asse verticale
rappresenta il voltaggio e
l’asse orizzontale il tempo
che scorre (da sinistra a destra)
L’assone gigante del calamaro
È utile inoltre utilizzare un neurone
di grandi dimensioni. La natura mette
a disposizione alcuni neuroni di
dimensione giganti. Il modello più
utilizzato è il neurone gigante di
calamaro il cui assone misura quasi
un millimetro di diametro
Ogni calamaro ne ha due e
gli servono per comandare
il sistema di fuga
L’assone gigante, isolato dal calamaro
può sopravvivere per un giorno o due
in soluzione fisiologica
Oscilloscopio
Elettrodo di
riferimento
Amplificatore
Assone
Microelettrodo per la misura del potenziale di membrana
I microelettrodi
Un microelettrodo è un elettrodo così sottile da riuscire a penetrare la membrana
plasmatica senza lesionarla.
Non può essere di metallo perché a quelle dimensioni esso risulterebbe troppo
fragile
Per costruirlo si parte invece da un tubicino di vetro di pochi mm di diametro.
Questo viene scaldato finché diviene malleabile e quindi viene ‘tirato’ fino a divenire
estremamente sottile (ma per quanto sottile rimane cavo al suo interno)
Il vetro non conduce la corrente, tuttavia se si riempie il suo interno di una
soluzione salina concentrata esso diventa un conduttore di corrente
sufficientemente buono da misurare i potenziali di membrana di una cellula
Il potenziale di
riposo
0
Se entrambi gli elettrodi sono
posti nel liquido extracellulare
non si registra differenza di
potenziale
-65
Quando il microelettrodo viene
introdotto nel neurone del
calamaro l’oscilloscopio registra
un potenziale attorno a –65 mV
Il potenziale di
riposo
In tutte le cellule del corpo l’interno è sempre più negativo dell’esterno
A riposo il potenziale di membrana di una cellula è normalmente compreso
tra i –40 mV e –90 mV
I potenziali graduati
In
condizioni
normali
sono generati
in due modi
A livello dei recettori dall’azione di stimoli fisici
(suoni, luce, pressione)
Potenziali di recettore
A livello delle sinapsi dall’azione dei neuroni presinaptici
Potenziali post-sinaptici
eccitatori (EPSP)
Potenziali post-sinaptici inibitori
(IPSP)
Sperimentalmente i potenziali graduati possono
essere simulati mediante una debole corrente trasmessa
con un elettrodo
Per misurare i potenziali graduati occorre munirsi di un secondo
microelettrodo collegato con un generatore di stimoli capace di produrre
corrente di debole intensità (elettrodo stimolatore)
La situazione ideale per studiare le proprietà dei potenziali graduati è
quella di posizionarsi a livello di un dendrite (non c’è mielina e non si
manifestano altri tipi di potenziale)
Quattro proprietà dei potenziali graduati
+10
0
Corrente applicata
-10
-60
-65
0
Potenziale di membrana
-70
1) La variazione del potenziale è
proporzionale all’intensità
della corrente applicata
(indipendentemente dalla
polarità)
2) Dopo la cessazione dello
stimolo il potenziale ritorna
gradualmente al valore
di riposo
Elettrodo stimolatore
T1
Dendrite
T1
T1
3) Il potenziale viene registrato in
maniera pressoché simultanea in
ogni punto del dendrite
T1
4) L’intensità del potenziale
decresce man mano che
ci allontaniamo dal punto
di stimolazione
Quando la cellula passa da un valore negativo (il
potenziale di riposo) ad uno ancor più negativo si
dice che si iperpolarizza
Quando la cellula passa da un valore negativo (il
potenziale di riposo) ad uno meno negativo si dice
che si depolarizza
Il potenziale d’azione
-65
Iperpolarizzazione
Se si somministrano stimoli
iperpolarizzanti (cioè
che rendono la cellula ancor
più negativa) via via
maggiori la cellula risponde
in modo proporzionalmente
maggiore
-65
Depolarizzazione
Se si somministrano
stimoli depolarizzanti
(cioè che rendono la
cellula meno negativa) si
osserva un
comportamento speculare
Quanto tuttavia si
supera un valore di
soglia di circa –50
o –55 mV, si assiste
ad un fenomeno
nuovo, il
potenziale
d’azione
i potenziali graduati avvengono a livello dei dendriti
e del soma per poi essere integrati nella zona
trigger del neurone dove troviamo canali voltaggio
dipendenti per Na+ (assenti su dentriti)
+ 40
Il potenziale
d’azione
0
Soglia
-55
-65
Potenziale di riposo
-100
2msec
Nello spazio di meno di due millisecondi l’interno della cellula diviene
positivo (fino a circa + 40 mV) e poi ritorna ad un valore negativo,
prossimo a quello del potenziale di riposo
Propagazione del potenziale d’azione
Disponendo più elettrodi lungo l’assone è possibile studiare in che modo il
potenziale d’azione si propaga lungo l’assone
1
Durante la
propagazione, del
potenziale d’azione
non c’è
attenuazione del
segnale (come invece
avviene per i potenziali
graduati)
Si tratta di un segnale
stereotipato
2
3
1
2
3
Il potenziale d’azione non è simultaneo in tutta la cellula ma si propaga con
una velocità tra 1 e 100 metri al secondo (a seconda delle caratteristiche del neurone)
Cosa succede se si stimola un assone più
intensamente?
Stimolazione debole
Se si aumenta l’intensità
della stimolazione, il
potenziale d’azione
compare sempre con
intensità
caratteristica (ad
esempio sempre +40mV)
Tuttavia aumentando l’intensità
della stimolazione, aumenta la
frequenza con cui i potenziale
d’azione si susseguono
Stimolazione intensa
Nel sistema nervoso la
codifica della intensità di
un segnale non è data
dall’ampiezza del potenziale
d’azione ma dalla sua
frequenza
In sintesi:
I potenziali graduati si propagano pressochè
istantaneamente ma decrescono di
intensità con la distanza
Il potenziale d’azione si propaga con una
velocità misurabile ma l’ampiezza della
variazione di potenziale rimane costante
indipendentemente dalla distanza e dalla intensità
dello stimolo che lo ha provocato