Canali Ionici, Fibre Nervose

Lezione 4

Un altro canale molto importante x capire come verrà generato l’impulso elettrico che poi verrà propagato è il canale del K voltaggio dipendente, quindi come il canale del Na voltaggio dipendente, si chiama così perché lascia passare solamente il Na all’interno della cellula e la sua modalità di apertura dipende dal valore del potenziale di membrana, così il canale del K voltaggio dipendente è il canale ionico che lascia passare esclusivamente il potassio dall’interno verso l’esterno della membrana e che viene aperto dalla differenza di potenziale a livello della membrana stessa; questo tipo di canale lo troviamo in tutte le cellule eccitabili , ne esistono tantissime isoforme; dal punto di vista molecolare sono 4 diverse subunità α che sono quelle che formano il vero e proprio foro del canale, cioè la parte della proteina attraverso cui passano effettivamente gli ioni e poi ci sono diverse subunità β che, a seconda del tipo cellulare in cui riscontriamo il canale, conferiscono delle proprietà particolari a questo canale (sfumature cellulari). Anche questo canale, come lo era quello x il Na, viene bloccato da diverse sostanze: una classe di queste sono le 4amminopiridine (4-AP); un ‘altra classe è il tetraetilammonio (o più in generale tutte le ammine quaternarie bloccano i canali del K voltaggio dipendenti); e poi, tra le varie, 2 tossine che sono la α e la β Conotoxin, che sono prodotte da un mollusco bellissimo, Conusgeoraphus, del Mar Rosso. Che cosa succede al potenziale di membrana quando si apre questo tipo di canale? Il K ha un potenziale di equilibrio secondo la legge di Nerst all’incirca di –97mV, quindi quando tale canale si apre, il potenziale di membrana della cellula tende ad andare verso il potenziale di equilibrio del K, cioè –97mV; di conseguenza diventa più negativo rispetto al suo valore di riposo e quindi la tendenza del potenziale di membrana quando si aprono i canali del K voltaggio dipendente è quella di iperpolarizzarsi, cioè portarsi a valori più negativi del proprio potenziale di riposo. Terzo canale che vediamo nelle sue caratteristiche perché interessante x il funzionamento delle cellule nervose è il canale x il Ca voltaggio dipendente; questi sono canali ionici che lasciano passare solamente ioni Ca e lo fanno aprendosi quando il potenziale di membrana, anche qui, supera un certo valore, x questo sono appunto “voltaggio dipendenti”. Non c’è un solo tipo di canale x il Ca, ne esistono molti tipi e li incontreremo andando avanti a studiare le cellule eccitabili; nei neuroni il Ca serve x determinate funzioni, nei muscoli e nei muscoli cardiaci il Ca serve x altre funzioni, perché deve modificare l’attività elettrica in un certo modo che è utile x le funzioni che la cellula deve svolgere. Tra i vari tipi quelli più importanti, perché sono anche poi bersaglio farmacologico x certe classi di sostanze x le funzioni che svolgono, sono i canali di tipo L (long elastin) che lasciano passare una corrente di ioni Ca prolungata e x la maggior anche di grande intensità, quindi lasciano entrare molto Ca all’interno della cellula, li troviamo nei muscoli liscio, scheletrico e a livello delle cellule endocrine; poi abbiamo canali Ca di tipo T, nel nodo senoatriale, dove la T sta x una corrente detta Time&Transit, cioè una piccola corrente di Ca che dura anche un lasso di tempo molto breve; quindi questi due canali entrambi fanno passare Ca, ma con delle cinetiche temporali ben diverse, i canali L rimangono aperti a lungo, quindi entra molto Ca, i canali T invece rimangono accessibili x poco tempo (pochi millisencondi) e quindi di Ca ne entra ben poco; poi abbiamo 3 tipi di canali che si trovano esclusivamente a livello dei neuroni che sono gli N, i P ed i Q e sono quelli di cui parleremo quando tratteremo le sinapsi; ed infine un tipo di canale un po’ sfuggente, canale R, che si trova distribuito in vari tipi cellulari, ma che non è stato ancora ben caratterizzato, nemmeno da un punto di vista farmacologico perché di fatto la R sta ad indicare che è resistente a qualsiasi tipo di sostanza che è stata vista bloccare tutti gli altri (quindi non è stato ancora trovato un bloccante specifico x il canale R). Il canale vero e proprio è costituito da diverse subunità accessorie che si legano insieme, c’è sempre una subunità α che è quella principale che è il poro del canale e diverse accessorie che conferiscono le varie proprietà a seconda del tipo di canale. Principale è α1, accessorie α2, β e δ. Nel muscolo anche la γ. I bloccanti dei canali Ca sono molto importanti perché tale canale, come vedremo, ha una funzione non marginale nel funzionamento del sistema nervoso e non solo, anche a livello delle cellule muscolari. Due bloccanti inorganici dall’esterno sono il Carmio (Cd++) ed il Nichel (Ni++), quindi

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l’effetto tossico di questi due metalli pesanti è dovuto al fatto che questi bloccano, tra le altre cose, i canali Ca (tutti i tipi, quindi impediscono al Ca di entrare all’interno della cellula). Poi abbiamo altre due tossine, sempre del Conusgeographus di cui abbiamo parlato prima, che sono la ωConotoxin GVI(6 romano, ndr)A e la ω-Conotoxin MVII(sette romano, ndr)C (importanti perché utilizzate di frequente x andare a modulare l’attività di questi canali); e poi altre due classi di sostanza che sono le feniletilammine e le benzodiazetine che vengono utilizzate, x esempio, x andare a modulare l’attività cardiaca. Oltre a bloccanti, tale canale viene anche attivato da un’altra classe di sostanze, utilizzata normalmente in terapia, rappresentata dalle diidrossipiridinae (viene così attivato in maniera molto più pronunciata rispetto a quella che sarebbe la sua normale attività), soprattutto da una diidrossipiridina in particolare che è la BayK8644, principio attivo di alcuni farmaci che vengono utilizzati x aumentare la funzionalità cardiaca. Ecco il motivo x cui si usano certe classi di farmaci, perché a livello cellulare vanno ad interagire con i canali Ca voltaggio dipendenti; conoscere a fondo come funziona la fisiologia della cellula eccitabile può aiutare a capire perché mai vengono utilizzati certe sostanze x trattare certi tipi di patologie. Questi sono i 3 canali ionici che maggiormente ci interessano x descrivere il funzionamento delle cellule eccitabili, quindi adesso cominciamo a vedere come si presentano queste correnti ioniche delle cellule eccitabili se si effettua un esperimento volto a capire come sono i flussi di ioni.

Qui in questo lucido sulla parte di destra avete tutta una serie di tracce che rappresentano, x ogni coppia, quella in alto, il potenziale di membrana a partire da un valore di riposo, in questo caso impostato a –60mV (tale valore si dice normalmente intorno ai –90mV, ma non sono numeri fissi, x cui ci sono delle variazioni), valore che si può effettivamente trovare nelle cellule nervose; nella traccia sottostante si vedono le registrazioni delle correnti che attraversano la membrana. L’esperimento è di questo tipo: con un sistema chiamato di blocco del voltaggio ad un certo punto s’impone alla membrana cellulare una differenza di potenziale diversa da quella di riposo e si vanno a registrare le correnti che passano attraverso la membrana e, siccome le correnti dipendono dal valore della differenza di potenziale, si può andare a capire quale patrimonio di canali ionici possiede la cellula e quali sono le caratteristiche di queste correnti. Qui nel primo esempio si vede una depolarizzazione da –60 a –50mV, tale valore è al di sotto di quel valore che abbiamo chiamato “soglia” oltre il quale si scatena una risposta attiva, quindi in questo caso quali correnti vengono registrate? in rosso (grafico sotto) si nota una corrente molto breve e abbastanza intensa chiamata corrente capacitiva che è dovuta semplicemente allo spostamento delle cariche attraverso il condensatore della membrana, quindi è vero che la membrana è un circuito RC parallelo perché tale corrente che noi registriamo ogni volta che il potenziale di membrana varia è dovuta semplicemente allo spostamento delle cariche lungo il condensatore di membrana; dopo di che la linea di base di zero corrente non viene più mantenuta, ma si ha una certa quantità di corrente che sta attraversando la membrana cellulare, quindi la traccia non è più a zero, ma ha un certo valore; tutta questa differenza di corrente, che è quella evidenziata in blu, è la corrente ionica che passa attraverso quei canali ionici che abbiamo chiamato leak che sono costitutivamente aperti sulla membrana cellulare e sono le vie di passaggio del Na, del K e del Cl x mantenere il potenziale di riposo; dal momento che noi variamo il potenziale di riposo e lo portiamo ad un valore diverso da quello che ha, andiamo ad interferire con i flussi ionici e quindi possiamo registrare una corrente mista di Na, K, Cl che sta passando attraverso questi canali di leak che sono costitutivamente aperti.

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Le cose cambiano se, invece che arrivare a –50mV, da –60mV portiamo il potenziale di membrana a zero, valore decisamente sopra soglia, cosa succede?

succede che abbiamo sempre, e la si vede in rosso, una corrente capacitiva che è la risposta puramente passiva della cellula ed è proporzionale a quanto è la differenza di potenziale →Ic= C∗dV⁄dt , la riscontriamo ogni volta che varia il potenziale, ma è una risposta puramente passiva! Quello che cambia è tutto il resto, basta vedere la traccia di corrente complessiva che è decisamente differente da quella che si è manifestata prima, che cosa succede? succede che portando il potenziale di membrana da –60mV a zero e quindi andando oltre soglia, non abbiamo più una pura risposta passiva, adesso inneschiamo l’apertura di tutti i canali ionici voltaggio dipendenti→ innanzitutto si vede una piccola corrente, in blu, che segue immediatamente dopo la corrente capacitiva e che è la dimostrazione di quel meccanismo della doppia porta che abbiamo visto x i canali del Na voltaggio dipendenti, tale corrente è detta corrente di gate (di cancello)→le porte del canale del Na voltaggio dipendente possiedono delle cariche positive ed è x questo che rispondono alle variazioni del potenziale di membrana; rispondendo tali porte si aprono, ora, indipendentemente dal movimento che tali porte fanno, che nessuno ha mai definito con chiarezza, noi abbiamo delle cariche positive che si muovono, quindi abbiamo una corrente che viene registrata appena dopo la corrente capacitiva, quindi tale corrente di gate è la dimostrazione elettrica del fatto che veramente il canale del Na possieda delle porte, che queste porte abbiano una carica (in questo caso positiva) e che questa carica si muova se il potenziale di membrana supera una certa quota. Qui però, intanto che non si esaurisce la corrente di gate, non sono ancora transitati degli ioni attraverso i canali ionici perché tali canali si stanno ancora aprendo; nel momento in cui il canale ionico si apre cominciamo ad avere questa in verde che è la vera corrente ionica→ una corrente dovuta a degli ioni che stanno entrando/uscendo dalla cellula; in questo caso abbiamo quindi un neurone che possiede sia canali del Na voltaggio dipendenti che canali del K voltaggio dipendenti, oltre che ovviamente i canali di leak che però porta una corrente talmente piccola che viene mascherata dalle correnti molto più grandi dei canali ionici. Allora se registriamo, come in questo caso, la corrente complessiva che attraversa la membrana di un neurone, vediamo che prima tale corrente è diretta verso il basso e, x convenzione, tutte le correnti che vanno al di sotto dello zero sono correnti entranti nella cellula, e poi dopo un certo lasso di tempo questa corrente diminuisce, va a zero, si inverte, e questa volta viaggia in direzione opposta, x convenzione una corrente che va verso l’alto, quindi verso valori positivi, è una corrente che esce dalla cellula, quindi sono ioni positivi che escono dalla cellula. Questa è una tipica traccia di corrente che si può registrare se un neurone viene stimolato con questo protocollo, quindi se il suo potenziale di membrana dal riposo viene portato oltre il valore soglia (in questo caso a 0mV).

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Il lavoro del neurofisiologo sta nel capire quale ione sta passando ed in quale preciso momento, ma come si può capire che tipo di correnti passano attraverso la membrana? si sfrutta il fatto che ciascuno ione, secondo la legge di Nerst, possiede un certo valore del potenziale di equilibrio, ciò vuol dire che se il potenziale di membrana ha esattamente quel valore, questo ione non passa più, non c’è più flusso netto di cariche dovute a questo ione attraverso la membrana. Riprendiamo l’esperimento di prima, ma lo effettuiamo a 3 condizioni diverse.

La condizione A (traccia identica a quella vista prima) è stata registrata in una condizione dove la [ Na]esterna > [Na]interna, quindi il Na è distribuito normalmente e la [K]esterna < [K]interna, quindi anche il K è distribuito normalmente. In queste condizioni, secondo la legge di Nerst, ci aspettiamo che il potenziale di equilibrio x il Na sia circa +60mV e che quello del K sia –97mV e quello che vediamo è proprio questa corrente bifasica, prima entra e poi esce, è esattamente la replica dell’esperimento precedente. Ora però cambiamo qualcosa, condizione B, lasciamo invariato il K, quindi il suo potenziale di equilibrio rimane a –97mV e poniamo che [Na]esterna = [Na]interna, vuol dire che il potenziale di equilibrio del Na è cambiato perché abbiamo variato le concentrazioni, allora con la legge di Nerst possiamo calcolare che in questa condizione il potenziale di equilibrio del Na è uguale a 0mV→ quando le concentrazioni sono uguali, il log di 1 è 0 e quindi il potenziale di equilibrio è zero (vedi Nerst); allora noi, portando il potenziale di membrana da –60 a 0mV, quindi uguale al potenziale di equilibrio del Na, non vediamo più una corrente di Na perché adesso il potenziale di membrana è uguale al potenziale di equilibrio del Na; quindi tutto quello che vediamo adesso non è Na e l’unico ione che ha un potenziale di equilibrio diverso da zero è il K, quindi quello che ci aspettiamo di vedere in questa traccia è la parte di corrente dovuta al potassio, quindi sparisce la corrente entrante e ne rimane solamente quella entrante, quindi di fatto quella componente di corrente uscente è dovuta la solo K; dobbiamo ancora capire chi fornisce la componente entrante, sarà di sicuro il Na, però dobbiamo ancora confermarlo, come facciamo? solito trucco, condizione C, imponiamo questa volta che la [Na]esterna < [Na]interna, quindi

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ribaltiamo la distribuzione della concentrazione normale del Na e lasciamo inalterata la [K]; di nuovo andando a guardare i rispettivi potenziali di equilibrio, troviamo che il potenziale di equilibrio del K è sempre quello (-97mV), il potenziale di equilibrio del Na questa volta facciamo che sia negativo (ovvio x come sono messe le concentrazioni ai 2 capi della cellula) e abbia un valore di – 30mV→ succede che se il potenziale di membrana è uguale a –30mV, non passa più Na, se il potenziale di membrana è più positivo di –30mV, vuol dire che all’interno della cellula c’è troppa carica positiva e quindi il Na non tenderà più ad entrare, bensì tenderà ad uscire. Il fatto che il potenziale di membrana è sotto il potenziale di equilibrio vuol dire che l’interno della cellula è negativo abbastanza x far entrare Na; se il potenziale di membrana è uguale al potenziale di equilibrio non c’è più flusso netto di ioni Na; se il potenziale di membrana è più positivo del potenziale di equilibrio, vuol dire che all’interno della cellula c’è un ambiente troppo positivo perché il sodio entri, quindi il Na uscirà. Diamo di nuovo il nostro stimolo x portare il potenziale di membrana da –60 a 0mV e quello che vediamo in queste condizioni è la traccia C→ la solita componente uscente, che ora sappiamo dovuta al K e poi si nota la presenza di una gobba che però non è più diretta verso il basso e quindi all’interno, ma verso l’esterno; quindi tale corrente che entra e dovuta al Na, perché questa volta abbiamo invertito il potenziale di equilibrio del Na e la corrente si inverte, al posto di essere entrante questa volta risulta uscente. Quindi sfruttando le proprietà delle correnti ioniche è possibile, tramite esperimenti privati, capire quali sono gli ioni che stanno passando attraverso la membrana. Con esperimenti di questo tipo si può andare a determinare quella che si chiama la conduttanza x la corrente di Na o di K grazie alla legge di Ohm (dice che la differenza di potenziale è uguale alla resistenza ∗ la corrente→ V=R∗I); la conduttanza è il reciproco della resistenza, quindi sapendo la differenza di potenziale a cavallo della membrana e conoscendo la componente di corrente dovuta solo al Na o solo al K, si può ricavare la conduttanza e si può mettere in un grafico il valore di conduttanza in ordinata da 0 a 1, che è il suo valore massimo normalizzato, in funzione del potenziale di membrana e ottenere queste curve che si chiamano “curve di conduttanza-tensione”

otteniamo le curve che riguardano la conduttanza x il Na e x il K attraverso i canali del Na voltaggio dipendenti ed i canali del K voltaggio dipendenti; grafici di questo tipo servono a vedere quali sono i potenziali di membrana in cui abbiamo da una parte l’attivazione dei canali e dall’altra la loro chiusura, quindi a capire quali sono le finestre di potenziale di membrana in cui è possibile avere un certo tipo di corrente ionica perché la posizione di tali finestre influenza la funzione della cellula nervosa. Perché ci sono 3 tracce invece che 2 dal momento che abbiamo detto si tratta di correnti di Na e K attraverso i rispettivi canali voltaggio dipendenti? perché mentre il canale del K voltaggio

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dipendente ha una sola porta, il canale del Na voltaggio dipendente ha invece 2 porte, quella di attivazione e quella di in attivazione, quindi in questo grafico riscontriamo 2 tracce x il Na e una traccia x il K. Che cosa è significativo di questa figura? • possiamo vedere che i canali del K voltaggio dipendenti cominciano ad aprirsi intorno ai – 50mV, mentre i canali del Na voltaggio dipendenti cominciano ad aprirsi verso un potenziale più positivo, circa –40mV, quindi si aprono un po’ prima quelli del K e un po’ dopo quelli del Na. • mettendo insieme le due curve del Na e sapendo che le 2 porte sono arrangiate in serie, il Na passerà attraverso il canale solo quando entrambe le porte sono aperte, quindi quando abbiamo la conduttanza diversa da zero sia x quello che riguarda la porta di attivazione che x quello che riguarda la porta di in attivazione; allora noi ci possiamo aspettare una corrente di ioni Na da dove a dove? guardiamo le 2 curve→ possiamo vedere che la finestra utile affinché si possa avere una corrente di ioni Na attraverso i canali del Na voltaggio dipendenti va all’incirca da –50mV a –20mV che è l’unico range di potenziale di membrana in cui entrambe le conduttanze delle 2 porte sono diverse da zero, perché all’esterno di questo spazio, almeno una delle due è uguale a zero, quindi il Na non passa. (tutta questa parte è spiegata male sul Baldissera, ed il prof ha tentato di chiarirla prima dello studio, ndr).

Allora la corrente Na ce l’aspettiamo da –50 a –20mV, quindi la sua caratteristica è quella di aumentare e poi diminuire; la corrente K sarà da –60 in poi e aumenta man mano che aumenta il potenziale di membrana. Adesso che abbiamo queste informazioni relativamente ai canali ionici Na e K voltaggio dipendenti e alle correnti che questi portano, vediamo qual è l’effetto della loro apertura sul potenziale di membrana, ovvero vediamo che cosa viene generato quando i canali Na/K voltaggio dipendenti si

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aprono con i loro tempi ed è l’impulso elettrico che viene propagato che si chiama anche potenziale d’azione→ è una variazione molto rapida del potenziale di membrana dal suo valore di riposo a di nuovo il suo valore di riposo attraverso tutta una serie di fasi che adesso andiamo a descrivere. Quindi il potenziale d’azione è molto localizzato, interessa solo una piccola regione di membrana x volta, ed è l’informazione che viene trasmessa attraverso tutte le vie del sistema nervoso. Quindi lungo il sistema nervoso l’informazione viaggia codificata in potenziale d’azione (vedremo poi come), quello che una persona, se potesse vedere con gli occhi, vedrebbe passare attraverso tutte le cellule del sistema nervoso è tutta una serie di potenziali d’azione, quindi una serie di variazioni del potenziale di membrana molto rapide che si susseguono lungo la fibra.

allora il potenziale d’azione che qui si vede rappresentato in figura (nell’ascissa abbiamo il tempo, unità di misura sono i millisecondi, ed il potenziale di membrana in ordinata) si compone di diverse fasi; partiamo come al solito da un valore di potenziale di membrana di riposo, in questo caso – 70mV; in qualche modo, che può essere anche sperimentalmente, imponiamo una variazione del potenziale di membrana, così come abbiamo visto prima fino ad arrivare ad un valore che nel grafico è chiamato “potenziale critico”, che è l’equivalente del nostro valore soglia ed è il valore di potenziale di membrana da cui cominciano ad aprirsi i canali del Na voltaggio dipendenti; questo tratto in nero è la variazione del potenziale di membrana dal suo valore di riposo al valore soglia, finché stiamo sotto al valore soglia questa variazione è puramente passiva, allora questo andamento l’abbiamo già visto, è un andamento di tipo esponenziale perché la risposta è puramente passiva ed è descritto da una costante di tempo che abbiamo visto che è τ ed è il prodotto di R∗C e porta il potenziale di membrana fino al valore soglia, a questo punto parte (in rosso) quella che è la parte attiva e autorigenerativa della risposta, quindi a partire dal valore soglia (in questo grafico è a –50mV) si ha una brusca depolarizzazione del potenziale di membrana che arriva a zero, passa il valore zero e si attesta mediamente intorno ai +40mV; quindi non appena il potenziale di membrana passivamente arriva a toccare il valore soglia si innesca una brusca apertura dei canali Na voltaggio dipendenti, il Na entra nella cellula, depolarizza il potenziale di membrana, lo porta verso lo zero, oltrepassa lo zero e normalmente non arriva oltre i

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+40mV; ora descriviamo prima tutte le variazioni e poi ne capiremo il motivo. Arrivato a +40mV, che è lo spike vero e proprio, segue una fase di ripolarizzazione del potenziale di membrana, fate conto che dal superamento del potenziale soglia al picco del potenziale d’azione passano 200 microsecondi (millionosemi di secondo), quindi questa fase è velocissima. Poi la fase di ripolarizzazione riporta il potenziale di membrana al valore del potenziale di riposo ed in realtà non lo fa restare qui, ma il potenziale di membrana diventa un po’ più negativo rispetto al suo valore di riposo; allora, dal superamento del valore soglia al picco, fino a quando il potenziale di membrana non ritorna al suo valore di riposo, questa fase è quella dello spike autorigenerativo. La fase successiva, in blu, si chiama fase positiva ed è descritta da una variazione del potenziale di membrana che questa volta si porta a valori più negativi rispetto al valore di riposo, ha un picco e poi pian piano torna su di nuovo verso il potenziale di riposo. A questo punto possiamo ottenere due andamenti diversi a seconda che consideriamo un potenziale d’azione all’interno di un assone di una fibra nervosa all’interno di un nervo, quindi impaccato all’interno del nervo oppure se consideriamo un assone visto autonomamente. Per il potenziale d’azione di una assone all’interno di un nervo intatto la situazione è quella che si vede in figura; dopo la fase positiva abbiamo due altre variazioni del potenziale di membrana che vengono chiamate “potenziali postumi” e sono un potenziale postumo negativo il primo, caratterizzato da una leggere depolarizzazione del potenziale di membrana, quindi che va a valori più positivi,ed un potenziale postumo positivo, che è caratterizzato da una lieve iperpolarizzazione del potenziale di membrana, dopo di che, finalmente, anche qui il potenziale di membrana torna al suo valore di riposo. Una nota riguardo alla nomenclatura di queste fasi: se vedete i nomi sono invertiti rispetto a quello che è effettivamente la direzione del potenziale, perché la prima iperpolarizzazione si chiama fase positiva, poi c’è il potenziale postumo negativo e poi il potenziale postumo positivo→ i nomi sono dovuti al fatto che le prime registrazioni dei potenziali d’azione venivano svolte con una convenzione diversa, x cui di fatto il grafico che si otteneva era esattamente l’opposto di quello che vediamo adesso, però x ragioni storiche e x il fatto che queste registrazioni valsero il Nobel alle persone che le effettuarono, è stata mantenuta l’antica nomenclatura benché la convenzione sia cambiata e quindi adesso la variazione del potenziale di membrana si disegni in questo modo. Allora, vediamo come mai il potenziale d’azione ha questa forma. Qui sotto vedete un grafico che vi riporta di nuovo la forma del potenziale d’azione tratteggiata ed insieme le conduttanze x i canali del Na voltaggio dipendenti e x i canali del K voltaggio dipendenti. Cominciamo a vedere istante x istante cosa succede:

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partiamo dall’inizio dove cominciamo a far depolarizzare la membrana, sperimentalmente con un elettrodo imponiamo una differenza di potenziale diversa dal potenziale di riposo→ quando il potenziale di membrana arriva a soglia comincia ad aumentare la conduttanza x i canali Na voltaggio dipendenti, quindi questi cominciano ad aprirsi ed il potenziale di membrana schizza verso valori sempre più positivi; se non succedesse nient’altro, quali valori raggiungerebbe il potenziale di membrana? il valore del potenziale di equilibrio del Na perché adesso il Na è diventato lo ione più permeante attraverso la membrana perché la sua conduttanza è aumentata tantissimo, adesso è la conduttanza maggiore rispetto a quella del K e del Cl, e allora l’equazione di Goldman ci dice che se la permeabilità del Na, che è legata alla conduttanza dello stesso ione, è la più grande fra tutte quelle che abbiamo, allora il potenziale di membrana tenderà a raggiungere il potenziale di equilibrio di questo ione; tale potenziale di equilibrio è di circa 66mV, però perché noi in realtà ci fermiamo a +40mV e non arriviamo fino a +66? perché i canali del Na voltaggio dipendenti hanno la porta di attivazione, ma anche quella di in attivazione, l’abbiamo visto prima, allora, nel tempo che intercorre da qui al picco, questi 200 microsecondi, le porte di in attivazione cominciano a chiudersi, quindi di fatto la conduttanza x il Na diminuisce perché i canali ionici cominciano ad inattivarsi x via delle porte di in attivazione, quindi non diamo il tempo al Na di portare il potenziale di membrana a livello del proprio potenziale di equilibrio, perché starebbe anche x farlo, ma le porte di in attivazione si chiudono e quindi non c’è tempo perché il potenziale di membrana si sposti e raggiunga il nuovo valore e quindi ecco spiegato parte del motivo x cui si arriva a +40mV; c’è anche un altro motivo x cui non si superano i 40, si vede che contemporaneamente alla diminuzione della conduttanza x il Na, comincia ad aumentare la conduttanza x il K; tali canali x il K si chiamano “canali di Ledweg e di Feier” (non garantisco sui nomi, ndr), oppure in italiano vengono anche detti “rettificatori ritardanti”; il fatto di essere ritardanti è perché si aprono con un certo ritardo rispetto ai canali x il Na→ quindi i canali x il Na si aprono non appena si raggiunge il potenziale soglia, quelli x il K sono invece molto più lenti ad aprirsi e anche più lenti a chiudersi, quindi, di fatto, in corrispondenza del picco del potenziale d’azione, noi abbiamo due fenomeni concomitanti: una è l’inattivazione dei canali del Na, l’altro invece è l’attivazione dei canali del K voltaggio dipendenti; dal momento che gli ioni K escono dalla cellula, sottraggono cariche positive dall’esterno e quindi anche loro tendono a far riabbassare il potenziale di membrana; ecco perché il potenziale di membrana torna di nuovo verso il valore di riposo, viene a mancare parte della corrente Na, che manteneva la cellula depolarizzata, ed in più a questo si aggiunge una corrente di ioni K che tende a riportare il potenziale di membrana verso il proprio valore di potenziale di equilibrio che è circa –97mV; quindi questi due fenomeni che si sovrappongono fanno di nuovo tornare il potenziale di membrana verso il suo valore di riposo, di fatto però quello che si nota è che il potenziale di membrana non si arresta al suo valore di riposo una volta che ci arriva, bensì abbiamo la fase positiva, quindi una iperpolarizzazione del potenziale di membrana che raggiunge dei valori più negativi rispetto al suo valore di riposo; il perché lo vediamo nel grafico: si noti la curva del potenziale ed il picco della fase positiva, la conduttanza x il K è ancora elevata, mentre quella x il Na è già a zero e lo raggiunge ancor prima che il potenziale di membrana raggiunga il suo valore di riposo; la conduttanza x il K è ancora elevata perché i suoi canali sono lenti ad aprirsi e lenti a chiudersi→ allora pensiamo all’equazione di Goldman che sempre ci descrive qual è il potenziale di riposo della cellula, che cosa ne è della permeabilità a questo punto rispetto alla situazione normale? qui abbiamo una permeabilità al K complessiva che è superiore a quella che abbiamo normalmente a riposo perché oltre alla permeabilità al k dovuta ai canali leak sempre aperti, adesso abbiamo una permeabilità al K in più, dovuta ai canali K voltaggio dipendenti, quindi Goldman ci dice che, siccome il K è molto più permeabile adesso che non in condizioni di riposo, il potenziale di membrana tenderà ancor di più ad avvicinarsi al potenziale di equilibrio del K, quindi invece che fermarsi a –70, andrà un po’ più in negativo. Quale valore massimo potrà raggiungere in negativo il potenziale di membrana in questo punto? al massimo raggiungerà il potenziale di equilibrio del K, più in giù di così non potrà andare perché il K diventerà a questo punto l’unico ione che sta passando attraverso la membrana in quel momento e quindi il potenziale di membrana non potrà al massimo che essere uguale al potenziale di equilibrio del K. Allora perché poi il potenziale di membrana ritorna lentamente nuovamente verso il suo valore di riposo? perché la conduttanza di K dovuta ai canali del K voltaggio dipendenti nel frattempo diminuisce sempre di più.

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A questo punto si diceva che la situazione cambia a seconda se siamo in un assone all’interno di un nervo o se siamo in una cellula isolata ed il potenziale di membrana alla fine ritorna al suo valore di riposo non appena tutti i canali del K voltaggio dipendenti si sono chiusi. Cos’è che fa la differenza quando invece ci troviamo all’interno di un nervo? la differenza la fa il volume extracellulare; se vedete dalla curva di conduttanza x il K, questo ione comincia ad uscire dalla cellula e continua ad uscire x circa un millisecondo e mezzo; se siamo in un assone all’interno di un nervo, quindi impaccato insieme a migliaia di altri assoni, l’ambiente extracellulare è molto più piccolo, ciò fa sì che anche quel minimo di K che fuoriesce in questo brevissimo arco di tempo, di fatto uscendo in un ambiente che ha un volume molto molto piccolo, fa variare significativamente la concentrazione esterna di K. Questo come si riflette sul potenziale di membrana? sempre andando a guardare l’equazione di Goldman che è quello che definisce il potenziale di membrana in funzione della concentrazione ionica e della permeabilità→ se aumenta la concentrazione di K, secondo Nerst, notiamo che aumenta il numeratore della frazione e quindi il potenziale di equilibrio del K diviene più positivo, questo fa sì che il potenziale di membrana diventi più positivo (anche secondo Goldman); a questo nuovo valore alterato della concentrazione di K all’esterno è dovuto il potenziale postumo negativo, quindi questa leggera depolarizzazione del potenziale di membrana è dovuta ad un accumulo di K all’esterno della cellula che fa variare significativamente la concentrazione di K all’esterno; ecco perché le cellule gliali (cellule di sostegno del tessuto nervoso) sono avide di K, hanno un potenziale di membrana che è uguale al potenziale di equilibrio del K, perché vista l’intensissima attività elettrica, in termine di potenziale d’azione di tutto l’encefalo, queste cellule devono sequestrare K dall’ambiente extracellulare prima che questo si accumuli e vada in qualche modo, tramite questo meccanismo, ad alterare il potenziale di membrana delle cellule nervose; quindi una delle tante funzioni della glia è proprio quella di sequestrare via tutto il K il più velocemente possibile dall’esterno in modo tale che non si verifichi questo fenomeno che è modesto e quindi tollerabile a livello di un assone, ma può diventare un serio problema nell’encefalo, quando i processi sono ben più complessi di questo qui. Quindi questa depolarizzazione (potenziale postume negativo) è dovuto ad un accumulo di K all’esterno, tale accumulo però scatena anche un altro evento, che è quello responsabile del potenziale postumo positivo→ oltre che i canali ionici, abbiamo visto che sulla membrana cellulare esiste anche la pompa Na/K, che butta fuori 3 ioni Na e dentro in cellula 2 ioni K x ogni ciclo di idrolisi di ATP; l’attività della pompa Na/K è determinata dalla concentrazione di Na e di K; in questo caso l’aumento della concentrazione esterna del K fa aumentare quello che si chiama “il numero di turnover” della pompa Na/K, quindi i cicli al secondo della pompa e quindi tale pompa lavora di più x cercare di ripristinare la concentrazione di K esterna al suo valore normale, questo dà ragione del fatto che il potenziale di membrana alla fine del potenziale postumo negativo torni verso il valore di riposo e anche dell’insorgenza del potenziale postumo positivo perché la pompa Na/K è lenta ad attivarsi, ma è anche lenta a spegnersi; quindi aumenta la sua velocità, ma abbiamo visto che la sua stechiometria non è neutra, sono 3 ioni di Na contro i 2 di K, ad ogni ciclo porta fuori dalla cellula una carica positiva; aumentando di molto la sua attività,aumenta anche di molto questa corrente di ioni positivi che escono dalla cellula; c’è quindi un momento in cui il potenziale di membrana diventa più negativo perché la pompa Na/K sta ancora lavorando in maniera superiore al normale, ma la concentrazione di K all’esterno è tornata normale, allora vuol dire che abbiamo un aumento di corrente uscente dalla cellula, perché la pompa sta lavorando più di quello che fa normalmente e quindi il potenziale di membrana diventa un po’ più negativo, dopo di che la pompa, con ritardo, si accorge della concentrazione normale di K all’esterno, ritorna ad un suo ritmo di lavoro corretto e quindi finalmente il potenziale di membrana torna al suo valore di riposo. Si noti quanti eventi elettrici si susseguono tutte le volte che si instaura un potenziale d’azione che, ricordiamo, rappresenta l’informazione elettrica che viene generata e trasmessa lungo le fibre nervose; comprendendo anche i due potenziali postumi, si arriva all’incirca ad una durata di 3 millisecondi complessivi; questo, che è un potenziale d’azione di una fibra nervosa, ha all’incirca la stessa velocità del potenziale d’azione delle cellule muscolari scheletriche; la cellula invece del ventricolo ha un potenziale d’azione che dura 300 millisecondi, quindi 100 volte più di questo, perché la funzione del potenziale d’azione nel miocardio è differente rispetto a quella che svolge nel neurone e nelle fibre muscolari striate scheletriche→ quindi a seconda della diversa cellula eccitabile, possono esserci delle variazioni perché la funzione svolta dal potenziale d’azione è

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diversa; normalmente, tuttavia, nelle fibre di mammifero a 37°C il potenziale d’azione fino alla fase positiva dura all’incirca un millisecondo. La forma del potenziale d’azione non è sempre la stessa perché questo va a svolgere differenti funzioni a seconda del tessuto in cui si trova. Questo fenomeno non avviene normalmente sul soma delle cellule nervose, né sui dendriti, in linea di massima, dato che ciò avviene in alcune cellule del Purkinje del cervelletto, ma si tratta di un’eccezione; in un neurone il potenziale d’azione si genera solamente in una regione definita che è il cono di emergenza, la porzione di transizione tra il soma e l’assone vero e proprio; questa regione è l’unica del neurone che possiede i canali del Na voltaggio dipendenti e li possiede in una densità molto elevata, in tutto il resto del soma non ci sono canali Na voltaggio dipendenti. Ora vediamo come può essere modulata la forma del potenziale d’azione e quale funzione può assolvere. Guardiamo il confronto fra questi due grafici, vediamo due situazioni differenti; la prima è solo con i canali del Na voltaggio dipendenti

abbiamo la variazione del potenziale di membrana sempre in funzione del tempo e nel secondo grafico abbiamo la situazione che abbiamo appena descritto (canali del Na + canali del K); qual è immediatamente la differenza che salta all’occhio? che con l’aggiunta dei canali del K voltaggio dipendenti il potenziale d’azione dura meno! (ciò è importante x quanto riguarda la massima frequenza di scariche, si vedrà successivamente). Questa situazione solo con i canali del Na voltaggio dipendenti si ha a livello dei nodi di Ranvier delle fibre mieliniche umane. Un altro tipo di canali che vengono utilizzati dai neuroni x modulare la durata di questa fase di iperpolarizzazione, quindi la fase positiva, è un’altra famiglia di canali al potassio che si chiamano canali del K-Ca dipendenti→ tali canali al K, a differenza di quelli voltaggio dipendenti, non sono aperti dal potenziale di membrana, vengono aperti da un aumento della concentrazione intracellulare di Ca; qual è il loro contributo alla forma del potenziale d’azione?

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a sinistra abbiamo la forma del potenziale d’azione “normale”, quindi con i canali del Na e del K voltaggio dipendenti; se il neurone vuole prolungare la fase positiva, l’unico modo che ha per farlo è di aumentare la conduttanza x il K durante la fase positiva, però se tale fase dipende solo dai canali del K voltaggio dipendenti, anche se lentamente, quiesti comunque si chiudono; bisogna quindi svincolare la conduttanza del K dal potenziale di membrana (perché, ripetiamo, altrimenti i canali del K voltaggio dipendenti si chiudono se il potenziale di membrana è negativo) e questo svincolo del potenziale di membrana si ha aggiungendo questi canali al K-Ca dipendenti, il Ca entra all’interno della cellula durante il potenziale d’azione perché il neurone possiede i canali del Ca voltaggio dipendenti→ il Ca entra, si accumula in cellula, i canali K-Ca attivati si aprono e rimangono aperti finché il Ca non ritorna ad una concentrazione normale all’interno della cellula; siccome il Ca viene estruso con una certa lentezza rispetto alla velocità del fenomeno elettrico, quello che si ottiene, lo si vede nel grafico, è che la fase positiva si prolunga molto più a lungo del normale perché tutta questa iperpolarizzazione è sostenuta dal K che entra, non più attraverso i canali del K voltaggio dipendenti, questi ormai son chiusi, ma per mezzo di canali del K-Ca dipendenti, la cui durata di apertura dipende dalla concentrazione intracellulare di Ca. Vedremo dove viene utilizzato questo sistema; nel neurone consente di rallentare la propria frequenza di scarica (lo vedremo meglio parlando dei sistemi sensoriali). Altri esempi di accostamenti di canali ionici oltre al Na e al K voltaggio dipendenti li abbiamo utilizzando ad esempio un altro tipo di canale Ca che si chiamo canale Ca-T → il suo utilizzo lo si vedrà a livello del nodo seno-atriale, serve ad abbassare il livello di soglia; abbassando tale livello si rende più facile l’innesco del potenziale d’azione.

I canali Ca di tipo L, invece, fanno sì che il potenziale d’azione duri molto più a lungo perché, a questo punto, è il Ca che entrando x tempi lunghi attraverso i canali Ca porta dentro 2 cariche positive x ogni molecola di io ne Ca e fa prolungare il potenziale d’azione con questa tipica forma a platoeu (non garantisco sulla scrittura, ndr); questa è la tipica forma del potenziale d’azione del miocardio comune, ecco perché si riesce ad avere una durata del potenziale d’azione pari a 300 millisecondi.

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quindi il potenziale d’azione è sempre quello, una variazione del potenziale di membrana, però la forma ed i tempi possono cambiare a seconda della cellula che stiamo considerando.

Si tratta della descrizione di ciò che autorigenera il potenziale d’azione; abbiamo visto che una depolarizzazione iniziale, quella che ad esempio abbiamo provocato sperimentalemtne noi, ha fatto variare il potenziale di membrana verso valore più positivi, siamo arrivati oltre soglia, abbiamo quindi avuto un aumento x la conduttanza x il Na, perché i canali del Na voltaggio dipendenti si sono aperti, aumentando la conduttanza x il Na abbiamo avuto una corrente di Na entrante in cellula, tale corrente entrante porta una ulteriore depolarizzazione, perché tende a portare il potenziale di membrana verso il proprio potenziale di equilibrio (+66mV) e quindi si ritorna allo step della depolarizzazione; questo ulteriore incremento di depolarizzazione aumenta ancor di più la conduttanza Na, quindi aumenta ancor di più anche la corrente in ingresso di Na, la quale aumenta ancor di più la depolarizzazione e così via→ ecco perché il potenziale d’azione è autorigenerativo, è un sistema che si chiama “a feedback positivo”, quindi ogni step incrementa quello successivo, la depolarizzazione iniziale aumenta la conduttanza Na, che fa aumentare la corrente in ingresso, la quale fa aumentare la depolarizzazione e di nuovo tutto il giro. Questo è il ciclo di Hodgkin e sta alla base dell’autorigenerazione del potenziale d’azione. Dalle proprietà dei canali Na e dei canali K voltaggio dipendenti ne segue un’importante proprietà di tutte le cellule eccitabili, che si chiama refrattarietà→ indica la riluttanza della cellula eccitabile ad essere nuovamente eccitata, quindi a dare origine ad un nuovo potenziale d’azione se viene stimolata.

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Qui avete di nuovo lo stesso tipo di grafico con il tempo in ascissa ed il potenziale di membrana in ordinata, la forma del potenziale d’azione e 2 regioni distinte, la refrattarietà infatti si divide in due tipi diversi; la prima che si incontra temporalmente a partire dal superamento della soglia è chiamata refrattarietà assoluta, durante tale periodo, che va dal superamento della soglia fino al picco della fase positiva, quindi circa 1 millisecondo, non si può avere l’insorgenza di un nuovo potenziale d’azione, non è possibile perché i canali Na voltaggio dipendenti si stanno inattivando massicciamente ed i canali K voltaggio dipendenti si stanno attivando, quindi noi non possiamo depolarizzare ulteriormente la cellula in modo tale da avere un nuovo innesco del ciclo di Hodgkin perché non abbiamo più canali Na a disposizione dato che quelli che possediamo si sono già aperte e, anzi, si stanno appunto inattivando; a partire più o meno dal picco della fase positiva e per un tempo variabile, che normalmente va tra i 5 e i 20 millisecondi, si ha un secondo tipo di refrattarietà che si chiama refrattarietà relativa; durante tale periodo è possibile ottenere una nuova risposta attiva da parte della cellula, quindi un nuovo potenziale d’azione, a patto che la si ecciti con uno stimolo di intensità superiore a quello che ha dato origine al primo potenziale d’azione. Perché? nella fisiologia del neurone questo stimolo che innesca la depolarizzazione normalmente è una corrente entrante a livello sinaptico, durante la refrattarietà relativa tale corrente entrante deve essere molto superiore a quella che ha dato origine al primo potenziale d’azione perché durante tale refrattarietà abbiamo che i canali del Na voltaggio dipendenti si stanno riprendendo dall’inattivazione e quindi via via che passa il tempo sempre una percentuale maggiore di loro sono disponibili ad essere nuovamente attivati, però abbiamo una conduttanza x il K, dovuta ai canali x il K voltaggio dipendenti, che è più alta del normale, allora questa corrente che deve depolarizzare la cellula, prima deve neutralizzare l’effetto della corrente K uscente, dopo dovrà portare di nuovo al potenziale di membrana a soglia. Ecco perché ci vuole un’intensità di stimolazione, cioè un’intensità di corrente depolarizzante, superiore a quella che ha dato origine al primo potenziale d’azione, perché adesso x arrivare a soglia dobbiamo prima vincere la corrente K in uscita, e poi portare a soglia la membrana come prima. Quindi durante il primo millisecondo è impossibile, qualsiasi sia l’intensità di corrente di stimolazione non si può suscitare una nuova risposta attiva da parte della cellula; durante la refrattarietà relativa è possibile ottenere delle risposte attive, però con intensità di stimolazioni più elevate rispetto a quella originaria e le risposte attive sono più piccole tanto più vicini sono i due potenziali d’azione (si dovrebbe vedere dal grafico). Quindi abbiamo il primo potenziale, poi ancora abbiamo la seconda risposta, ma è più piccola, alla fine, aspettando un tempo cha varia appunto tra i 5 e i 20 millisecondi, otteniamo un nuovo potenziale d’azione che è identico al primo, questa è la caratteristica del potenziale d’azione, chiamato “fenomeno tutto o nulla”; tutti i potenziali d’azione sono identici a loro stessi, sempre una stessa variazione che al massimo arriva a +40mV, se però 2 potenziali d’azione si susseguono durante la refrattarietà relativa, allora accade che il secondo arrivi ad un potenziale di picco leggermente inferiore al primo, altrimenti sono sempre tutti quanti identici. Il fatto che esista la refrattarietà ha diverse funzioni; due importanti le vedremo

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nel controllo e nella modulazione della frequenza di scarica di una fibra; valore che avrà quindi un suo tetto massimo, non potrà essere infinito perché più vicini di un millisecondo due potenziali d’azione non possono trovarsi perché si scontrerebbero con la refrattarietà assoluta; a livello del cuore impedirà che si instaurino contrazioni soprannumerarie non comandate dal nodo seno-atriale proprio perché durante le due refrattarietà è molto più difficile eccitare la cellula, quindi questo è un fattore protettivo.

Adesso vediamo invece che cosa succede alla propagazione del potenziale d’azione, fino ad adesso siamo a livello del cono di emergenza, però il potenziale d’azione deve arrivare a livello dell’estremità distale dell’assone, a livello sinaptico; questa distanza da coprire può essere molto breve, però, in animali come l’uomo o anche più grandi, può essere anche di alcuni metri; se consideriamo, x esempio, le fibre motrici che escono x comandare i muscoli delle dita del piede, escono da una delle ultime lombari e devono percorrere un metro di gamba x arrivare al piede, si tratta di lunghezze considerevoli, quindi ci vuole un sistema affinché il potenziale d’azione si inneschi a livello del cono di emergenza, e questo, l’abbiamo visto, è dovuto ai canali Na voltaggio dipendenti, e trasporti questa informazione dove poi deve essere utilizzata, cioè a livello del terminale sinaptico, quindi quello che vedremo adesso è come il potenziale d’azione viaggia lungo le fibre. Anche qui x capire come viene propagato il potenziale d’azione è molto utile considerare l’equivalente elettrico della membrana (come abbiamo visto nelle lezioni precedenti).

quello che si vede in figura è il tratto di un assone, mentre sotto si vede il suo equivalente elettrico → lo possiamo considerare come fosse tutta una serie di circuiti RC in parallelo, che rappresentano tanti piccoli segmenti di membrana, posti in serie l’uno all’altro; quindi collegati all’interno x mezzo del citoplasma e all’esterno x mezzo dell’ambiente extracellulare. Allora all’interno ci sarà una resistenza tra un circuito e l’altro, che è rappresentata dalle resistenze del citoplasma dell’assone, all’esterno invece la resistenza esterna che, dato lo scarso volume extracellulare, non viene considerata nei conti perché assolutamente irrisoria se paragonata a quella interna citoplasmatica, quindi non viene considerata nella valutazione e di fatto nel disegno sopra non è presa in considerazione.

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qui di nuovo abbiamo l’equivalente elettrico, in questo caso sono rappresentate solo le resistenze e non le capacità perché al momento ci serve parlare appunto solo delle resistenze. Immaginiamo che nel punto A insorga un potenziale d’azione ed immaginiamo anche di essere al picco di questo potenziale, quindi al punto A il potenziale di membrana non è –60mV, ma sarà +40mV; nel pezzettino di membrana successivo, B, il potenziale all’interno della cellula sarà il potenziale di riposo, perché il potenziale d’azione è un fenomeno locale, puntiforme, coinvolge una piccola porzione di membrana x volta. Quindi A sarà a +40mV, B sarà a –60mV; grazie alla legge di Ohm si capisce bene che la corrente, x passare da A a B, dovrà andare da +40 verso –60mV→ quando arriva in corrispondenza del nodo di B la corrente può scegliere due vie: o passare attraverso la membrana e disperdersi all’esterno, o continuare lungo il citoplasma dell’assone, tale scelta si verifica ad ogni giunzione delle nostre ipotetiche divisioni dell’assone. La corrente percorrerà entrambe le strade, però, dalla legge di Ohm, noi sappiamo che la corrente si distribuisce in maniera inversamente proporzionale alla resistenza che incontra, quindi se la R di membrana è molto più alta rispetto alla R del citoplasma, la corrente che continuerà lungo il citoplasma sarà maggiore di quella che sarà dispersa lungo la membrana; la R longitudinale (assoplasmatica) diminuisce man mano che ci si sposta perché ad ogni segmento successivo ci sarà una resistenza in meno che è già stata percorsa. La R di membrana invece, nodo x nodo, è sempre quella, quindi la frazione di corrente che verrà persa nell’unità di spazio (nodo x nodo) sarà sempre la stessa proprio perché la R di membrana è sempre la stessa. La R di membrana dipenda da come è fatta la membrana, l’assone ha una membrana unitaria, quindi proprio x questo la R di membrana, segmentino x segmentino, è sempre la medesima, quindi ad ogni nodo la frazione di corrente che viene persa attraverso la membrana, e quindi che non passa più nel citoplasma, è sempre la stessa. Cosa ci fa venire in mente una quantità che momento dopo momento, unità dopo unità, perde la stessa frazione? un andamento esponenziale; infatti, come abbiamo in precedenza (lezioni passate) già definito una costante di tempo, possiamo ora definire una costante di spazio [ xm]. (Rm= resistenza di membrana; Ri= resistenza interna o longitudinale o assoplasmatica)

La sua forma matematica è identica a quella che abbiamo visto essere la formula della scarica del condensatore ed è questa:

Vx = V0 E–X/λ Vx= differenza di potenziale di membrana in funzione di x che è la distanza del punto che stiamo considerando Vo= potenziale di membrana nel punto che consideriamo; nel nostro esempio +40mV λ= costante di spazio esattamente identica come formulazione a quella che è la costante di tempo.

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Qual è il significato della costante di spazio? la xm ci dice in termini spaziali la stessa cosa che ci dice la costante di tempo in termini temporali, ovvero ci dice a quale distanza il nostro potenziale di membrana è sceso al 36% del suo valore iniziale. Perché è importante la xm? Qual è la caratteristica che deve essere presente affinché il potenziale d’azione si propaghi? x propagarsi, ricordiamo che è un fenomeno puntiforme, noi dobbiamo far sì che la corrente di Na, che entra nel punto di membrana che in quel momento è interessato dal potenziale d’azione, porti a soglia la porzione di membrana successiva, perché solo in questo modo riusciremo ad avere il potenziale d’azione nel tratto successivo di fibra, altrimenti si estingue e non si propaga più il potenziale d’azione. In questo discorso come rientra la xm? se consideriamo che S sia il valore soglia, la xm ci dice quanta membrana può essere portata a soglia a partire dal punto che stiamo considerando→ più lunga è la xm, maggiore è la distanza efficace x dare origine ad un potenziale d’azione, più piccola è la xm, minore sarà la distanza che la depolarizzazione efficace, che porta a soglia, potrà compiere. Mettiamo che ogni segmento sia lungo 1mm; se il punto x0 si trova al picco del potenziale d’azione, quindi c’è stata una forte di Na in ingresso→ se xm=1mm, vuol dire che questa depolarizzazione mi porterà a soglia efficacemente circa 1mm di membrana, se xm=2mm, vuol dire che questa stessa depolarizzazione mi porterà a soglia 2mm di membrana; si capisce che in un neurone lungo un metro conviene avere la xm più lunga possibile. Ecco cosa ci dice la costante di spazio, ci fornisce un’idea di quanto velocemente possa essere propagato il potenziale d’azione, maggiore è la xm, maggiore è la distanza che la depolarizzazione efficace può compiere. Questo è funzionale x la v di conduzione e anche funzionale x quello che vedremo essere i meccanismi di “integrazione sinaptica”, cioè x capire come i neuroni sommano tutti gli eventi sinaptici a livello del soma.

normalmente la xm di tutte le fibre nervose umane varia tra o,1 e 1mm, perché alle volte non è detto che sia vantaggioso avere una xm molto lunga, ecco perché c’è tanta variabilità. Come fa il potenziale d’azione ad essere propagato più o meno velocemente? un parametro da tenere in considerazione è la xm; allora vediamo com’è possibile giocare sulla velocità con cui il potenziale d’azione viene propagato; un modo, abbiamo visto, è cercare di avere una xm molto lunga, quindi o aumentare di molto la resistenza di membrana o diminuire di molto la resistenza citoplasmatica, dato che la xm è definita come la radice quadrata del rapporto tra le due; però non è l’unico stratagemma che viene utilizzato x aumentare la velocità di conduzione. Perché bisogna avere una velocità di conduzione elevata? perché, se pensiamo ai comandi motore che vengono impartiti dalla corteccia motoria fino al muscolo effettore, è ovvio che questi vengono impartiti nel momento in cui c’è bisogno di compiere un’azione, se però la v di propagazione del potenziale

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d’azione è moto lenta, ora che tale potenziale giunge a livello dell’organo effettore, la necessità era ormai del tempo passato, quindi, soprattutto x la vita di relazione di qualsiasi individuo, c’è bisogno di una v propagazione del potenziale d’azione molto elevata perché certe funzioni devono essere assolutamente sincronizzate. A questo motivo è dovuta la ricerca di qualsiasi organismo di aumentare il più possibile la v di propagazione. Ci sono due stratagemmi che vengono utilizzati, uno è stato usato dagli invertebrati, l’altro dai vertebrati, uomo compreso. Il primo è aumentare la xm, o aumentando la R di membrana o diminuendo la R citoplasmatica→ se aumenta la xm, diminuisce il numero di potenziali d’azione che devono insorgere in una fibra x poter arrivare fino al terminale sinaptico; però tra un punto della fibra e quello successivo la corrente si propaga x via elettrotonica, la depolarizzazione del punto successivo della fibra avviene in maniera passiva e abbiamo anche visto che non è una depolarizzazione istantanea (istantanea è la corrente, la variazione del potenziale no) ha una certa costante di tempo→ il potenziale d’azione ha una sua durata, che è di circa 1 millisecondo, la depolarizzazione che innesca il potenziale d’azione, a sua volta, prenderà del tempo perché ogni volta il potenziale di membrana deve essere portato a soglia e non ci arriva immediatamente, ma con una certa cinetica dovuta alla costante di tempo, quindi, dal momento che la v del potenziale d’azione è quella fissa e non si può cambiare, l’altro parametro su cui lavorare è la costante di tempo; come fare x abbassarla? si può lavorare sulla capacità di membrana abbassandola dato che la capacità di membrana dipende dalla superficie di membrana e, in maniera inversamente proporzionale, dalla distanza delle armature che, nel nostro caso, sono le due facce della membrana plasmatici. Quindi tenendo conto di tutto, di fatto la v di propagazione del potenziale d’azione è inversamente proporzionale al prodotto tra la resistenza citoplasmatica e la capacità di membrana. Allora tutti gli organismi hanno lavorato o diminuendo la resistenza dell’assone o diminuendo la capacità di membrana in modo tale che la velocità aumenti essendo inversamente proporzionale al loro prodotto. Per diminuire la resistenza citoplasmatica il modo migliore è quello di aumentare il diametro della fibra perché lunghezza fibra

R = ρ ∗ ----------------------sezione fibra

ρ= coefficiente specifico che dipende dal materiale che stiamo stiamo considerando, in questo caso il citoplasma.

quindi se aumento la sezione, diminuisce la R; a parità di lunghezza, una fibra che ha una sezione maggiore ha una resistenza inferiore e varia con il quadrato del raggio. Questo è un modo x aumentare la v di conduzione ed è il sistema che è stato utilizzato in tutti gli organismi inferiori; tale metodo però ha uno svantaggio, basti pensare alla quantità di fibre nervose che vengono portate in ciascuno dei nervi che compongono il sistema nervoso dell’uomo, sono migliaia e migliaia di fibre→ non possiamo permetterci di avere tutte le fibre di 1mm di diametro, perché dovremmo avere dei nervi grandi quanto, almeno, il nostro tronco x contenere la quantità di fibre che normalmente contengono; quindi tale sistema, se da un punto di vista della velocità di conduzione favorisce, di fatto impedisce che ciascun nervo possa portare un contingente elevato di fibre, di conseguenza diminuisce la capacità di portare informazioni di ciascun nervo. Il secondo meccanismo, utilizzato dai vertebrati, è quello di lavorare sia sulla costante di spazio che sulla capacità di membrana; in che modo? inventandosi la guaina mielinica.

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Qui vedete un manicotto di fibra mielinizzata; la guaina mielinica è un isolante, sono tanti avvolgimenti fatti quasi del tutto da membrana plasmatica che avvolgono l’assone vero e proprio; tra l’assone e tutti gli avvolgimenti di guaina mielinica non c’è nulla in mezzo, sono tanti strati di membrana avvolti l’uno sull’altro, quindi, dal punto di vista della capacità di membrana, adesso le 2 armature del condensatore non sono più i due lati della membrana plasmatica, bensì sono gli estremi superiore ed inferiore della guaina, si trovano ad una distanza considerevole rispetto a prima, quindi la capacità di membrana è diminuita tantissimo; con la sua diminuzione, diminuisce anche τ (costante di spazio)→ vuol dire che tutti i fenomeni di variazione del potenziale di membrana sono molto più veloci; questo, abbinato ad una xm molto più lunga, perché comunque l’aggiunta della guaina mielinica aumenta anche la resistenza di membrana (seppur in misura minore rispetto alla capacità), fa sì che di fatto la velocità di conduzione delle fibre mieliniche di mammifero, quindi anche umane, sia la massima che fino adesso sia stata mai registrata e si arrivi intorno ai 120m/sec di velocità di conduzione. C’è però un problema, è vero che aumenta la xm, però di fatto non aumenta così tanto da poter far sì che il potenziale d’azione possa propagarsi dal cono di emergenza direttamente al terminale

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sinaptico in una fibra mielinica, perché sì aumenta, ma abbiamo visto che al massimo arriva a 1mm, non di certo ad un 1 metro! Quindi in qualche modo la guaina mielinica deve essere interrotta in certi punti x far sì che possa generarsi un nuovo potenziale d’azione, quindi il segnale venga di nuovo riamplificato e ritrasmesso a distanza; ecco perché il manicotto mielinico non è continuo, ma, ogni circa 1 o 2mm c’è uno spazio che è privo di guaina mielinica dello spessore di circa 2µm, dove non esiste la guaina e dove abbiamo la presenza di canali del Na voltaggio dipendenti; quindi nelle fibre mieliniche, al contrario di quelle che non presentano la guaina, il potenziale d’azione non si ha lungo tutti i punti della membrana, quindi non tutti i punti devono essere portati a soglia perché 1. sotto la guaina mielinica non ci sono canali del Na voltaggio dipendenti, quindi è impossibile avere un potenziale d’azione al di sotto; 2. di fatto un canale ionico che si trovasse sotto la guaina, non si viene a trovare tra l’interno e l’esterno della cellula, ma si trova tra l’interno della cellula ed una serie di membrane, quindi non potrebbe funzionare. L’unico posto dove è possibile avere un potenziale d’azione è a livello dei nodi di Ranvier dove non c’è la guaina mielinica e sono presenti i canali del Na voltaggio dipendenti; succede che quando questo nodo è interessato dal potenziale d’azione fa entrare una corrente di ioni Na, tale corrente riesce a portarsi x via passiva fino al nodo successivo e, dato che la xm è all’incirca simile alla distanza presente tra un nodo di Ranvier e l’altro, porta tranquillamente a soglia la membrana fino al nodo di Ranvier successivo e lì innesca un nuovo potenziale d’azione. Detta 100 la superficie della fibra e considerando di avere la sequenza nodo di Ranvier-internodo con i nodi che si distanziano all’incirca di 1 o 2mm, di fatto solo il 2% della superficie totale della fibra è interessata dal potenziale d’azione; questo velocizza la trasmissione perché quindi abbiamo un numero molto inferiore di potenziali d’azione rispetto a quello che avremmo se non ci fosse la mielina, quindi se dovessimo portare a soglia punto x punto 1m di fibra, invece qui dobbiamo portare a soglia solo il 2% dell’assone ed in più, avendo una τ molto più piccola, perché la capacità di membrana è molto più piccola, anche la depolarizzazione passiva sottosoglia è molto più veloce e quindi si perde anche molto meno tempo per portare a soglia il nodo di Ranvier; questi due fenomeni insieme fanno sì che le fibre mieliniche umane di maggior diametro abbiano una massima velocità di conduzione che è intorno ai 120m/sec. Le fibre amieliniche invece non possiedono la guaina, allora in questo caso ogni punto della membrana dispone di canali Na voltaggio dipendenti, ogni punto della membrana può essere portato a soglia e dare origine ad un potenziale d’azione; in tali fibre è molto importante avere una xm molto lunga in modo da portare a soglia la maggior distanza di membrana possibile in una volta sola, anche qui x economizzare le tappe dei potenziali d’azione. Quindi ogni punto della fibra amielinica può potenzialmente portare al potenziale d’azione, in una fibra mielinica non è così→ questo può divenire un problema se succede qualcosa alla mielina, se x qualche motivo (malattie genetiche) la mielina viene meno, cosa succede? innanzitutto sotto non abbiamo canali Na voltaggio dipendenti, quindi x 1mm di membrana non ci sono; in più a questo punto la xm si riduce notevolmente perché senza manicotto la R di membrana diminuisce, la costante di tempo aumenta perché la capacità di membrana aumenta e ciò fa sì che la velocità di propagazione del potenziale d’azione diminuisca; nella peggiore delle ipotesi la R di membrana diviene talmente bassa che di fatto la xm, in assenza della mielina, non consente di più di portare a soglia il nodo perché la depolarizzazione efficace e quindi la trasmissione del potenziale d’azione non può più aver luogo perché la depolarizzazione efficace si esaurisce prima e quindi la trasmissione del potenziale d’azione non può più aver luogo. Tale problema è a carico solo delle fibre mieliniche, le amieliniche, avendo i canali del Na ovunque, non corrono questo tipo di rischio. Ecco quindi che se da una parte la mielina favorisce tutte le funzioni del SN perché velocizza la propagazione del potenziale d’azione, x contro ha che malattie che portino ad una degenerazione della mielina hanno delle conseguenze spesso gravissime.

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Questo è un discorso a parte, una semplice classificazione

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In funzione della velocità di propagazione del potenziale d’azione, le fibre nervose umane sono classificate in diversi gruppi. Partendo da destra nel grafico, abbiamo le fibre di più piccolo calibro amilieniche, appartengono a quella che è chiamata classe C→ essere amieliniche e di piccolo calibro vuol dire avere una velocità di propagazione molto bassa e infatti siamo intorno ai 0,5m/sec; tali fibre C sono responsabili di un particolare tipo di dolore, data la scarsa velocità di conduzione servono solo x il controllo delle funzioni vegetative e basta; non sono utili x il controllo volontario di quasi tutte le azioni. Passiamo alle fibre mieliniche→ complessivamente chiamate classe A; qui abbiamo dei diametri che variano tra 1 fino a 20µm. come velocità di conduzione andiamo dai 6m/sec fino a circa 120m/sec; ad esempio vanno a 120m/sec vanno le fibre che trasportano le informazioni periferiche a livello del cervelletto (funzione di coordinare i movimenti), organo che deve essere sempre aggiornato dello stato di posizionamento. Poi, dalle più veloci alle più lente, vengono chiamate Aα, Aβ, Aδ e Aγ a seconda della velocità di conduzione.

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