TUTORATODIFISIOLOGIA2MODULODIFISIOLOGIACELLULARE

Potenzialediriposoepotenzialed’azioneLaprimasuddivisioneoperabiletraitessutièquellatra

• Tessutieccitabili

• Tessutinoneccitabili

Ai tessuti eccitabili appartengono il tessuto nervoso e il tessuto muscolare, nella sua tripla funzione di tessuto

muscolareliscio,scheletricoecardiaco.Cosadistingueuntessutoeccitabiledauntessutononeccitabile?Ilfattoche

untessutoeccitabilerispondeadunostimoloopportunoconunavariazionedelpropriopotenzialetransmembrana,

variazionecheprendeilnomedipotenzialed’azione.Ilpotenzialed’azione,chenelcasodeineuroniprendeilnome

di segnale nervoso, quando opportunamente elaborato viene trasmesso in sede generale di informazioni. Il

potenziale d’azione, nell’ambito del tessuto muscolare, è accoppiato ad attività fisiologiche, ovvero all’azione

biomeccanicapropriadeltessuto,lacontrazionemuscolare,chepuòtradursiperesempionellalocomozioneonella

peristalsiviscerale.Questoèdovutoallavariazionedelpotenzialedimembrana.Ilpotenzialedimembranaariposo

è ladifferenzadipotenzialetransmembranachetutte lecelluleetutti i tessutipossiedonoper ilsemplicefattodi

esserevivi, sia chesianoeccitabili, sia chenon lo siano. I tessutieccitabili sono inoltreconnotatidalla capacitàdi

generazionediunpotenzialed’azione,mentreitessutinoneccitabilinonsonoconnotatidaquestacaratteristica.

Comunicazionetracellule

La cellula sente le variazioni dell’ambiente, riceve emandamessaggi. Sono varie lemodalità con cui una cellula

comunicaconlealtre:

1. Nellegiunzioni comunicanti la trasmissionedelmessaggio avvieneda cellula a cellula, è locale, ovvero la

cellula di un determinato tessuto comunica con le cellule fisicamente adiacenti in quella specifica sede

anatomica.

2. La comunicazione sinaptica funziona attraverso un’organizzazione citoarchitettonica locale, la specificità

della quale dipende dalla sede anatomica e da particolari recettori. Nell’ambito della sinapsi vale

l’unidirezionalitàditrasmissione,incuisiindividuanoclassicamente:

• Unelementoamontedellasinapsi

• Unelementoavalledellasinapsioelementopost-sinaptico

Inunasinapsi chimica il segnalevieneveicolatodaunopportunomessaggeroche l’elementopresinaptico rilascia

nellafessurasinaptica.L’elementopostsinapticohaspecificirecettorisullamembranaaffacciatiallafessurasinaptica

in grado di sentire quanto l’elemento presinaptico fa in termini di versamento di materiale (sì/no/quanto).

L’elementopostsinapticovarialapropriaattivitàfunzionalefacendo,peresempio,passareonounsegnalenervoso,

oppureriorganizzandolapropriaattivitàfunzionaleinmododaottenereunrisultatoall’interno.Facendol’esempio

di una giunzione neuromuscolare, quindi di una giunzione tra neurone emuscolo, se si vuole alzare il braccio, si

pensa l’azione, quindi si manda un segnale per via nervosa ai muscoli, i quali si contraggono in un certo modo

realizzando il movimento voluto. Il muscolo ha “capito” cosa fare perché l’articolazione sinaptica ha sentito la

liberazionediundeterminatoneurotrasmettitore(ilmuscolostessopresentaspecificirecettoriperquestasostanza)

chehaportatoadunacontrazionedideterminatefibremuscolariilcuirisultatonettoècheiopossaalzareilbraccio.

3. Comunicazioneparacrina:diffusa localmente,vienesentita inundeterminatoambitomediantediffusione

nelliquidointerstizialedideterminatimediatoriosostanzechevengonoliberatedaunadeterminatacellula.

Queste sostanze sono necessarie ad una certa concentrazione: solo in questo caso possono produrre un

effetto.

Checos’èunaconcentrazione?Èunquantitativosuunvolume;sipuòottenereun’altaconcentrazionesesi

haungrossovolumeincuisiscioglieungrossoquantitativodisostanza,masipuòottenerelastessagrossa

concentrazioneancheavendounpiccolissimoquantitativodisostanza:bastasciogliereilquantitativoinuna

soluzioneproporzionaleallaquantitàdisoluto.

4. Comunicazione endocrina: trasmissione del messaggio generale. Raggiunge potenzialmente ogni punto

all’internodell’organismo, inquantounormoneèunasostanzasecretanelsangue.Unasostanzachenon

vengasecretanelcircoloematicononèunormone,èunmediatore,untrasmettitore.Unormoneentrando

nellacircolazionepuòraggiungeretuttol’organismo;questononsignificaperòchetuttigliormoniagiscano

dappertutto.Dovel’ormoneesercitalasuaazione?Laddovecisonospecificirecettoriattiariconoscerlo.

5. Modalità iuxtacrina: ilmessaggioviene trasmessoadunacellula fisicamenteadiacente, lacellulaproduce

sostanze che vengono recepite solodalle cellule strettamenteadiacenti.Qual è ladifferenza tramodalità

paracrina e iuxtacrina? In quest’ultima la sostanza da liberare vienemantenuta ancorata alla membrana

plasmaticaequindiverràsentitasolodallecellulechetoccanol’elementocellulare.

6. Modalitàautocrina:lacellulaproduceunfattorecuiessastessarisponde,peresempiounfattoredicrescita

e loesponesullapropriamembrana.Lastessacellulachehaprodottoquellasostanzapresenta i recettori

specificiper lasostanzastessa.Lacellulaproducequalcosacheregolasestessa.Questoprocessoèmolto

importanteperalcunisviluppiincontrollatidellacellula,comequellitumorali.

TrasportiTransmembrana

Lamembranaseparaildentrodalfuoriconsentendoallostessotempocomunicazioniconl’esternochehanno

implicazioniinterminidivolumecellulareedicaratteristicheelettrichedellamembranastessaacausadelpassaggio

diionichepossonopermeareinvariomodo.

Cisonovaritrasportatoripergliionievaricanalipergliioni.

Attraversolamembranapassanosiasostanzeliposolubilichesimuovonoperdiffusionepassivamaanchesostanze

idrosolubiliilqualetransitoèregolatoepermessodatrasportatori.

Pompasodio-potassio-trasportoattivoprimario

Cisonovarieformeditrasportocheconsentonoilmovimentodegliioniedialtresostanze.

Unconcettochiavedatenerepresenteèche,daunpuntodivistaenergetico,iltrasportohaunruolodominante.In

particolarecircail40%delmetabolismobasaleèutilizzatodallapompasodio-potassiocheèpresenteinognicellula

anchesecondelleimplicazionivariabiliasecondadelfattochelacellulasiaeccitabileomeno.

Questaèdefinitapompaelettrogenica:

- Pompa:èunastrutturaproteicacomplessaafunzioneATPasicainquantoscindeATPinADP+Pliberando

energia.Éparagonabileadunmotorechebruciauncombustibile(ATP)pergenerareunmovimento(in

questocasoiltrasportoattivocontrogradientedelloioneNa+eK+)

- Elettrogenica:creaunosbilancioelettrico.Adogniciclolapompabuttafuori3ionisodiochevengono

scambiaticon2ionipotassio.Perogniciclofunzionalequindi3carichepositiveesconomentre2cariche

positiveentranocreandodiconseguenzaunosquilibriodiunacaricapositivainpiùfuoririspettoaldentro

dellacellula.

-

CotrasportoeControtrasporto

Nelcasodellapompasodio-potassiosiparladicontrotrasporto(duesostanzesimuovonoindirezioneopposta)che

èdiversodalcotrasporto.Inquest’ultimountrasportatoreveicolalospostamentodiduesostanzenellastessa

direzione,neèunesempioiltrasportodiglucidioamminoacidiinsiemealsodio.

Ilcontrotrasportopuòessereoelettrogenico(comeperlapompaNa-K)oelettroneutro.Unesempioditrasporto

elettroneutroèlaH+/K+ATPasichenonèpresenteintuttelecellulemasolonellecelluleparietalidellostomacoed

èallabasedelmeccanismodiproduzionedellacomponenteacidadelsuccogastrico.Inquestocasoafronte

dell’estrusionediunoioneH+lacellularecuperadall’esternounoioneK+;quindiperognicaricapositivacheentra

unacaricapositivaesce,creandounasituazionedineutralitàelettrica.

Guardandolafiguravediamocomesipuòaveread

esempio:

- Untrasportodisostanzeionizzateconglucidie

amminoacidi

- Cotrasportoelettroneutro:esconounoioneK+e

unoioneCl-

- Controtrasportoelettroneutro:H+entra,K+esce

- Controtrasportoelettrogenico:2K+entrano,3

K+escono.

Trasportoattivosecondario

L’azionenellapompacontribuisceagenerareeamantenereunosquilibrioionico.Èalla

basedelmantenimentodellabassaconcentrazioneintracellularedisodioeparallelamentedell'altaconcentrazione

dipotassio(iterminialtaebassavannoovviamentesempreriferitiallenormaliconcentrazionidiquestidueioninel

liquidoextracellulare).Questosquilibrioportaalfattocheilsodioextracellularepergradientechimicoeelettrico

(l’internodellacellulaèpiùnegativoedilsodioècaricopositivamente)tendeadentrarenellacellula.Alcuni

trasportatorisfruttanoilgradientedelsodioperveicolarel’ingressodialtresostanzeincotrasporto.

PeresempioilglucosioentranellacellulagrazieadunaserieditrasportatoridellaserieSGLT(SodiumGlucose

Transporter).Perconvenzionequestitrasportatoridevonoesseredenominaticon4lettere,perquestomotivoaltri

trasportatoridiglucosiocheprescindonodall’ultilizzodelsodiovengonochiamatiGLUT(GlucoseTransporter).

Sfruttandoilgradientedelsodioquestitrasportatoripermettonoilmovimentocontrogradientedialtremolecole.In

questocasosiparladitrasportoattivosecondarioinquantoèpossibilesoloperchéqualcosa(trasportoattivo

primario)haprimacreatoilgradientedisodio(pompasodio-potassio).

Canaliionici

CisonopoideiCanaliionicichepermettonoilpassaggiodegliioni.Questipossonoessere

- Passivi:sempreaperti,potenzialmentebidirezionali.Lospostamentoavvienegrazieallecaratteristicheeal

gradientedellamolecola.

- Canaliadaccessovariabile:canaliacancello.

Potenzialedimembranaariposoecelluleeccitabili

Ladistribuzionediioniattraversolamembranaèasimmetrica.Questoèdatodalfattochel’internodellacellula

(protoplasma)èaltamentericcodiproteinementrelospazioextracellulareneèaltamentepovero.Leproteinesono

deipolianioni(portanomolteplicicarichenegative)chenonsidiffondonoattraversolamembranaequilibrandosicon

l’esterno,questodeterminalanecessitàdiriarrangiare,secondoregoleopportune,ilcorredoionicodeidue

compartimentiperquantoriguardaquegliioniingradodidiffondereattraversolamembrana.

Diconseguenzaacavallodellamembranadituttelecelluleviveabbiamounadifferenzadipotenzialedenominata

differenzadipotenzialetransmembranaariposo.Lecelluleeccitabiliadifferenzadellealtre(noneccitabili)hannola

peculiaritàdirispondereadunopportunostimoloconunavariazionedelpotenzialedimembranaariposo

generandounpotenzialed’azione.

N.B.Ilpotenzialetransmembranaariposodipendedaltipodicellula(-70mVèquellodiunnormaleneurone)però

ilconcettodipotenzialeariposoèlostessoperTUTTElecellule.

L’epatocitael’enterocitanonsonocelluleeccitabiliquindinonprodurrannomaiunpotenzialed’azione.

Differenzetraiprocessiditrasporto

Latabellariassumeiparametrideitrasporti.Abbiamo:

- processipassivi:diffusione(oattraversolamembranaperlesostanzeliposolubilioattraversoipori);diffusione

regolata(conpassaggioattraversoporichesipossonooaprireochiudere):diffusionefacilitata(attraversoi

trasportatorichepermettonolospostamentodisostanzeidrosolubiliattraversounamembranaidrosolubile.

Questiperònonsonoingradodispostarlecontroilgradientediconcentrazione)

- processiattivi:trasportoprimario(pompachepresupponeattivitàATPasica);trasportosecondario(sinporto,

antiporto)

Tipiditrasduzionerecettoriale

1. Recettorimetabotropici(importantiinneurofisiologia).Nelmomentoincuiilligandosilegaaquestotipodi

recettorideterminadellevariazionidipermeabilitàionicanonperchéilrecettoreèdiperséuncanalechesi

apre,(purpotendolofareinalcunimomenti)maperl’attivazionediuncomplessoproteico(unaproteinaG-

trimerica)cheattraversounacascatadireazionicomportainultimaanalisil’aperturadicanaliioniciche

causalavariazioneelettrica.

Ex.Recettoremuscarinico.Lamuscarinasitrovainunfungoenonèunasostanzafisiologica.E’unagonista

dell’acetilcolina(silegaaisuoistessirecettori).Laclassificazionedeirecettoridell’acetilcolinaèfattasullabase

dellasensibilitàdeidiversirecettoripersostanzesperimentalmentetestate.Inparticolareirecettoriper

l’acetilcolinasidividonoinduegrandigruppi:recettorinicotinici(sileganoancheallanicotina)erecettori

muscarinici(cherispondonooltrecheall’acetilcolinaallamuscarinacheèunalcaloide)chepoisidividonoinM1,

M2M3ecc.Ilrecettoremuscarinicohadelledeterminatelocalizzazionisullevienervoseincuièimplicata

l’acetilcolinaedè,comeabbiamodetto,unrecettoremetabotropico.L’acetilcolina(legandofisiologico)silegae

avviaunacascatapercuiallafinesiottieneunavariazionedelpotenzialedimembrana.

.Canaliioniciattivatidaligandi(recettorecanale).Unesempiosonoalcunineurotrasmettitori.

Ex.Recettorenicotinico(recettoreionotropico).Lanicotinaèunasostanzapresenteneltabacco,nonèunasostanza

normalmentepresentenelcorpo.E’unastrutturaproteicachericonoscel’acetilcolina,illegamerecettore-ligando

comportal’aperturadiuncanaleattraversocuifluisconodeterminatiioni.

Nelcasodiunaclassicaneurotrasmissionecomelaplaccamotricesihailrilasciodiacetilcolina,questainteragisce

conrecettorinicotinicichelariconosconoegeneranonelmuscoloilpotenzialediazione.Grazieaquestoilmuscolo

puòdarluogoallacontrazione.Inquestocontestoilsitodilegameèpostosull’esternodellacellula.Esistonoperò

deicasiincuiicanaliionicioperatidaligandohannositidilegamesulversanteinterno.

Canaliionici

Sonodelleporteattraversocuipossonopassareioni.Possonoessereintrestatipossibili:

a. Chiusura:portachiusa,loionespecificoperil

canalenonpassa.

b. Apertura:sihailmovimentodelloionesecondo

condizionispecifiche.

c. Inattivazione(ostatodirefrattarietà):

all’aperturasihaunbloccofunzionaledel

canaleattraversomeccanismispecificichesi

possonoconcettualizzarecomeunasubunitàdiattivazionedelcanalediversadallaportadiattivazione

cheocclude.

Esempiopratico:Unnegozioaprealle9.Primadelle9laportaèchiusa;alle9laportasiapreelagente

puòentrareperòseilflussoèeccessivodopounpo’sipuòinterporreunaguardiache,ancheselaporta

èaperta,la‘inattiva’bloccandonel’accesso.Laportaèapertamanonabbiamoflusso.

Oscillazioniprobabilistichedellesituazionichesipossonocreare:

a. Uncanalechiusopuòpassareallostatodiaperto

b. Uncanaleapertopuò:otornarenellaposizionedichiusurao(moltopiùprobabilmente)passarenella

condizionediinattivazione.

c. Uncanaleinattivatopuò:otornareallacondizionediapertura(conscarsissimaprobabilità)oppureritornare

allostatodichiusura(condizionepredominante).

Quindiprimadiavereunanuovaapertura,partendodaunacondizionediinattivazione,bisognapassareprima

perlarimozionedellasubunitàequindiperlachiusuradellaportadiattivazione.Soloquandohoacquisito

questostatopossoandareincontroadunnuovociclofunzionale(apertura-inattivazione-chiusura).

Icanaliionicisonomoltoeterogeneinellalorodistribuzioneenellalorocomposizione:sonocostituitida

proteineintegralidimembranacheorganizzanouncomplessoilcuirisultatonettoèlacostituzionediunforo

all’internodellamatricedellamembranaattraversocui,inmodoregolato,sipuòavereomenounflussoionico

specificoperdeterminatiioniofamigliediioni.

Alcunicanaliionicisonocanalivoltaggiodipendenti(adifferenzadiquellidipendentidaligando)cheposseggono

unsensoredivoltaggio(ilcanalerispondeadunavariazioneelettrica).Sonoparagonabiliaduncancello

automaticochesiapreconiltelecomandosoloadeterminatefrequenzepercuiiopossoapriresoloilcancellodi

casamiaenonquellodelmiovicino.Lavariazionedivoltaggiodàilsegnaledifarpassareoppurenoun

determinatoioneomolecola.

Selettivitàdimembrana

Bisognaconsiderarecheionidicaricaequivalentehannounadimensionecomplessivadiversaechequestanon

dipendesoltantodallamassadelloione.Adesempiolamassadelloionesodioèminorediquelladelpotassiopur

avendolastessacarica(unacaricapositiva).

Éimportanteconsiderarechetuttigliionipresentanounalonedisolvatazione:sicircondanodimolecoled’acqua

concuiinteragisconotramitegliatomidiossigeno.L’alonedisolvatazioneèdirettamenteproporzionalealla

concentrazionedicarica,lacaricadelloionesodio(cheè+1comeperilpotassio)èpiùconcentratarispettoal

potassioperchéhadimensioniminori(ionepiùpiccoloimplicaconcentrazionepiùalta).Quindiildiametrodell’alone

disolvatazionedelsodioèmaggiorerispettoaquellodelpotassio.Ilrisultatoècheilsodioèpiùgrandedelpotassio.

Esistonocanaliselettiviperilsodioecanaliselettiviperilpotassio

attraversoiqualiloionesodiononpassa.Comefaloionesodiocheèpiù

piccoloanonpassareattraversoilcanaleperilsodiocheèpiùgrande?

1. Unaprimarispostaèquelladescrittaprecedentementerelativa

all’alonedisolvatazione:ancheseilsodioèpiùpiccoloilsuo

alonedisolvatazioneèpiùgrandeequindicomplessivamente

sodio+acquahadimensionimaggioridipotassio+acqua.

2. Sièvistochel’alonedisolvatazionealivellodiunacomponente

centraledelcanalevienepersoquasideltutto.Quindi:loionecon

l’alonedisolvatazioneraggiungeilcanaleedarrivainunaregione

criticachiamatafiltrodiselettività(paragonabileadeibuttafuori)

cheselezionacosafarpassare.Dopodiciògliionisispoglianodell’alonedisolvatazioneedinteragiscono

conquestecomponenticritiche;questainterazionedeterminalaselettivitàdelcanale.

Secisonodellemutazionipuntiforminelleproteinedelcanaleenellospecificoinregionistrutturali,queste

risultanoirrilevantiperlafunzionedelcanale;seinvecelamutazionecolpisceunamminoacidochehauna

funzionechiavenelfiltrodiselettività,puressendotuttoilrestonormaleilcanalenonfunzionapiù.

Nell’immaginecheseguesonodescrittelecondizionidiapertura/chiusura/refrattarietàintrediverse

colonneinrelazioneadellecondizionispecifiche.

A. CondizioneA:(leggendol’immagine

inorizzontale)ilcanaleèchiuso;

arrivaladepolarizzazione(sitrattadi

uncanalevoltaggio-dipendente);la

depolarizzazione(chesivedecon

l’inversionedellapolarità:cariche

positiveall’internoenegative

all’esterno)comportal’aperturadel

canale;condizionedirefrattarietàa

causadiunadeformazione

conformazionale(ilsitodi

inattivazioneèadunlivellodiverso

dallaportad’ingresso),tuttaviala

depolarizzazioneèmantenuta

(persistenzadellostimolo).

B. CondizioneB:Ilcanaleèchiuso;arrivaladepolarizzazioneeilcanalesiapre;loionespecificodelcanale

(ilcalciochesolitamenteèpiùconcentratofuoridallacellulachedentro)puòentrare;unaquotadel

calciocheentraoccupaunsitodilegamesulversantecitoplasmaticodellaproteinacanale;illegamedel

calcioadunsitointernocomportaunavariazioneconformazionalecheinattivailcanale.

Esempiopratico:entroconlamacchinadalcancello,quandosonodentroschiaccioconlamiamanoun

pulsanteeilcancellosichiude.

C. CondizioneC:Questocanalepresentaunsitodifosforilazionepercuiquandoèfosforilatoilcanaleè

aperto.Canalechiuso;arrivalafosforilazionecheportaall’aperturadelcanale;entraloionespecifico(in

questocasoilCalcio)chepoivaperilsuodestino;sihapoiunarrangiamentodellafunzionecellulare

talepercuisiattivaladefosforilazionedelcanalechehacomeconseguenzafinalel’inattivazionedel

canalestesso.

Afrontedelconcettochiuso-aperto-inattivatolemodalitàattraversolequaliquestoavvienesonodiverseinbase

allefamigliedicanalichesiprendonoinconsiderazione.Lostessorisultatosipuòottenereconmodalitàdiverse.

Canaliionici

GenesidelpotenzialedimembranaPrendiamoinconsiderazioneunacellulaartificialeinunacondizionedielettroneutralitàinentrambigliambienti.Apriamoun canale per il K+: esso può uscire dalla cellula, diffondendo secondo il suo gradiente di concentrazione fino allaformazionediungradienteelettricochefermeràlasuafuoriuscita(potenzialediequilibrio-90mV).Rendendo invece lamembranapermeabile solamentealNa+si sviluppaunpotenzialedimembranapositivo (Na+èpiùconcentratoall’esterno,all’aperturadeicanalientra)e,quandovieneraggiuntoilpotenzialediequilibrio(+60mV)ilflussodi ioniNa+ si ferma; in una cellula reale invece abbiamoun’alta permeabilità al K+, unabassapermeabilità alNa+ e lapompaNa+/K+chefasicheilpotenzialediripososia-70mV,cioèilvalorechevienerealmentemisurato.Strutturadelneurone

I neuroni hanno una morfologia estremamente variabile, ma ilprototipo di cellula nervosa presenta un soma (corpo cellulare opirenoforo), dove si trova il nucleo, prolungamenti minori dettidendritieunprolungamentomaggioredettoassone;l’assonepartedalmonticolo assonico (o cono d’emergenza) e da esso si dipartel’assone, la cui terminazione si sfrangia a dare i bottoni terminali,checreanosinapsiconaltrineuroni.Le cellule di Schwann nel sistema nervoso periferico e glioligodendrociti nel sistema nervoso centrale costituiscono unaguainacheavvolge l’assoneechecostituisceunisolanteattornoalsistema:essicostituisconolaguainamielinica,ementreunacelluladi Schwann avvolge una porzione di un singolo assone di un neurone del sistema nervoso periferico, ciascunoligodendrocita presenta numerosi prolungamenti che avvolgono più fibre nervose del sistema nervoso centrale. Lavelocità di conduzione dell’impulso di un assone è direttamente proporzionale al suo diametro1, ed è aumentata dallapresenzadiguainamielinica, inquanto l’isolamentomigliora laperformanceconduttivadell’assone.SidefiniscenododiRanvierilpuntodigiunzionefraduesingolitrattidiavvolgimento,ovverounbrevetrattodell’assoneprivodimielina.Potenzialed’azione2Considerol’assonediunneuroneeposizionoglielettrodi,connessiadunostetoscopioaraggicatodici,aundeterminatolivello:semisuro ilpotenzialedimembranaariposo,essoèdi -70mV.Stimolo ilneuronemettendoadunadeterminatadistanzadaquelladoveeseguo lamisurazioneuncircuitodi stimolazione, chepermette la creazionedi stimolielettrici;sopraadunacertaintensitàdiscossaregistroilcosiddettoartefattodellostimolo,cioèundisturboelettricosultracciato,chemi indica ilmomento incui lostimoloèstatoapplicato (permettedicapire il tempo0 incuiparte la stimolazione).Successivamentesihaunperiodolatente,queltemponecessarioaffinchélostimologeneratoinundeterminatopuntosiriverberinelpuntodiregistrazione;quandolostimoloarrivanelpuntodimisurazionesiregistraunadepolarizzazione(cioèun’avvicinamentoallo0),conunadeterminatapendenzaperuncertoperiodo,finoalvaloredi-55mV,dettolivellocritico(olivellodisoglia):aquestopuntosiverificaunagrossaerapidadepolarizzazione(sulgraficovienerappresentatadauno“spike”).Se lo stimolo fosse stato inferiore al livello critico si avrebbe avuto soltanto unadeflessione locale, ovvero una leggeradepolarizzazione che lentamente sarebbe scomparsa per tornare al potenziale di riposo, senza innescare ladepolarizzazione, mentre se lo stimolo fosse stato anche molto maggiore di questo valore la risposta sarebbe statacomunqueidentica.Insomma,quandosi raggiunge ilvaloredi-55mVavvieneunfenomenodi tipotuttoonulla, ilveroepropriopotenzialed’azione,cheè rappresentatodaunadepolarizzazionecheaccelerabrutalmente finoal raggiungimentodello0eal suosuperamento,coninversionedipolarità:lacellulapresentainquestomomentol’internopositivorispettoall’esterno.

1Esempio:sehounastradadissestatadicampagnastrettaeunastradalargaeasfaltatalavelocitàdpercorrenzaèmoltodifferente.

Ilpotenzialed’azione

La fig.1 rappresenta uno dei 5 grafici più

importantidelcorsodifisiologia.

Inascissaè indicato il tempoespresso inms, in

ordinata la differenza di potenziale espressa in

mV. Il suddetto è stato ricavato registrando la

differenzadipotenziale tra l’internoe l’esterno

di un assone prima, durante e dopo l’arrivo di

uno stimolo elettrico in corrispondenza di un

puntodellamembrana.Laregistrazioneèstatarealizzataponendodueelettrodi,unoneipressidelversanteinterno

el’altroneipressidiquelloesternodellamembrana,connessiadunoscilloscopioaraggicatodici.

In assenza di stimoli il potenziale di membrana di questa cellula viva risulta -70mV, il che (per definizione)

rappresentailpotenzialedimembranaariposo.Inseguitovieneposizionato,inunpuntopiùomenodistantedal

registratore, un circuito di stimolazione (strumento che attraverso una pila o una connessione alla rete elettrica,

consentedidaredeglistimolielettrici,calibratiperintensitàetempo,alsistema).

Facendopartirelostimolo,inprimoluogo,vieneregistratoilcosiddettoartefattodellostimolounleggerodisturbo

elettrico che indica il momento in cui lo stimolo viene applicato al sistema. Successivamente il segmento del

tracciato è orizzontale (identico al segmento precedente all’artefatto dello stimolo) e in quanto tale può essere

convertitoinundeterminatotempo,chiamatoperiodolatente.Concettualmenteèiltemponecessarioaffinchélo

stimoloprodottodalcircuitosiriverberialpuntodiregistrazione.

Ilpotenzialedimembranavaincontroadunadepolarizzazione3diundeterminatoandamento(rappresentatodalla

pendenzadiquestotratto)peruncertotempo,dopo ilqualeessocambiaquandovieneraggiunto ilvaloredi -55

mV,dettolivellocritico/soglia.

- Se lo stimolo è tale da portare il potenziale di membrana a – 55mV si innesca un sistema “tutto o nulla”, il

potenzialed’azione,ilqualenellaprimafaseconstadiunadepolarizzazione.Oltrequestasoglialadepolarizzazione

nonsiarrestaallo0maproseguecausandol’inversionedellapolarizzazione,momentoincuil’internodellacellula

diventapiùpositivorispettoall’esterno,chediventapiùnegativo.Nelprimotrattol’inversionedipolaritàaumenta

progressivamente e la cellula diventa sempre più positiva verso l’esterno. Nel secondo, la cellula torna a

depolarizzarsiperpoi,quandoraggiungelo0,ripolarizzarsi.Nellabrancaripolarizzantedopoaverraggiunto-70mV

(depolarizzazionepostumaopotenzialepostumonegativo)c’èunafaseincuisuperaquestovaloreeneassumedi

più negativi (iperpolarizzazione postuma o potenziale postumo positivo4), per poi ritornare con una determinata

cineticaalvalorediriposo.

Illivellocriticoèillivellopercuisiapronodeterminaticanalichecausanoilpassaggiodispecifichecorrenti,quindi

essendo dei canali che si attivano a fronte di una determinata depolarizzazione vengono classificati come canali

sensibilialvoltaggio.Essisonoattivatisoloquandovengonoraggiunti-55mV.Sevengonosuperatii-55mV(saltodi

3Depolarizzazione:quandoilpotenzialesiavvicinaallozero4Attenzione:chiamato“positivo”nonostanteessosiapiùnegativodelpotenzialediriposo!

15mV) e raggiunti -40mV (salto di 30mV) non ho un potenziale doppio, semmai può partire una sequenza di

potenzialed’azione.

-Se lostimoloèdientità inferiorevieneregistrataunaleggeradepolarizzazione,adesempio-65/-60mV,chenon

toccando i -55mV si rinormalizza, costituendounpotenziale locale,nonpropagato, chenon innesca il potenziale

d’azione.

In questo grafico (fig.2), a differenza del primo, la tempistica è

proporzionale alle varie fasi. Qui si nota che il tracciato del

potenziale d’azione assume la morfologia di una punta (spike).

Inoltre è evidente che la fasedi depolarizzazionee ripolarizzazione

siano assolutamente rapide,mentre la depolarizzazione postuma e

la ripolarizzazione postuma vengono ad occupare un tempo

largamentepiùlungorispettoallealtrefasi.

Questo è il potenziale d’azionedi una cellula nervosa, cheèmolto

similecomecaratteristicheetempisticaalpotenzialed’azionediuna

cellula muscolare scheletrica. Invece è sostanzialmente diverso da

quello di una cellula muscolare cardiaca dove la tempistica è totalmente diversa, poiché nella fase di

depolarizzazionec’è la cosiddetta “fasediplateau“ chemantieneperun tempodecisamente lungo (150/200/250

ms)ladepolarizzazione(caratteristicafondamentaleperlafunzionecardiaca).Infattiilsistemanervosohacomefine

lapercezioned’informazioneelatrasmissionediessa,perciònecessitadielementirapidiediungrossonumerodi

stimoli in una breve unità di tempo. Se ci fosse un potenziale che duramolti secondi, per poter comunicare un

messaggio,servirebbemoltopiùtempo.

Basiionichedelpotenzialed’azione

Al livello soglia (-55mV) si attivano delle conduttanze per il sodio presenti nellamembrana che in condizioni di

riposo sono chiuse. A questo segnale i canali del sodio si aprono ed esso è libero di andare ovunque.Ma per le

condizionielettrochimichesipuòprevederecheilsodioliattraversi,entrandonellacellula,acausadel:

-gradientechimico:ilsodioèpiùconcentratofuorichedentro

-gradienteelettrico:l’ambienteèpositivofuoridallacellulaenegativodentro

Aquestopunto l'internosiarricchiscedicarichepositive, infattida-55mVparte laripidafaseascendentedovuta

all'ingressomassivodelsodio,laqualedopoaverraggiuntolo0nonsiarrestaecausal'inversionedipolarità.Aun

certo punto il canale per il sodio si inattiva. Inoltre è presente la pompa sodio potassio, che butta fuori il sodio

causando la depolarizzazione nella fase di inversione di polarità. Contemporaneamente si aprono i canali per il

potassio(checomeilsodioportaunacaricapositiva),malatransizionehaunadinamicadiversa,perchéaprendosii

canali per il potassio, esso esce. Quest’ultimo, con la chiusura dei canali per il sodio, costituisce l’evento

ripolarizzante.L’aperturadeicanalipotassioèl’eventodominantenellaripolarizzazionenellabrancadiscendentedel

potenzialed’azione.Questicanalipoiandrannoachiudersi.

Canalivoltaggiodipendenti

I canali voltaggio-dipendenti hanno due cancelli: il cancello di attivazione

eilcancellodiinattivazione

Quando abbiamo la condizione di potenziale di membrana a riposo il

cancello di attivazione è chiuso mentre il cancello di

inattivazioneèaperto(fig.3)

Fornitolostimoloicanaliriconosconoilvalore-55mV,siaprono,ilNa+entraelamembranasidepolarizza(fig.4).A

un certo punto c’è l’inversione della polarità e il canale si inattiva (fig.5).

Contemporaneamente si attiva la pompa sodio-potassio che butta fuori il

sodio.Tuttociòcostituiscelabrancaascendentedelpotenzialed’azione,cuifa

seguitolabrancadiscendente.

Ilcanaleinattivatoperessereriutilizzatoinunciclosuccessivodeveportarsiin

uno stato di chiusura, cioè la porta di inattivazione deve essere aperta e la

portadiattivazionedeveesserechiusa.

Supponendodiiperpolarizzarelamembranaa-75mV,

la cellula, subitodopo, ritornaalpotenzialedi riposo.

Iperpolarizzando a -80 mV ci mette più tempo per

ritornare nella condizione di riposo. Questi sono i

potenzialielettrotoniciarispostalocale,potenzialiche

si estinguono con una tempistica proporzionale

all’entitàdellavariazionedipotenziale.

Supponendo di depolarizzare, ad esempio a -65 mV,

sospendendolostimolo,lacellularitornaalpotenziale

di riposo.Depolarizzandoa -60mV,unavoltacessato

lostimololuisirinormalizza.

Se depolarizzo più consistentemente si comincia ad

osservare una certa modificazione, in quanto si può

raggiungere un livello di potenziale locale per cui si

genera ilpotenziale d'azione propagato. Quindi si possono avere delle risposte che rimangono locali finché non

raggiungono livelli critici che innescano la propagazione del potenziale d’azione. Questa propagazione ha la

fig.3

fig.4

fig.5

fig.7

caratteristica di rigenerarsi. Infatti progressivamente l'informazione viene propagata per rigenerazione, per cui

rimaneinalteratasehalapossibilitàdiessereripetutapassodopopasso.(fig.7)

Eccitabilitàerefrattarietà

“L’eccitabilità è l’inverso della refrattarietà. Una cellula è eccitabile quanto più facilmente risponde ad un

determinatostimolo.Unacellulaèpiùrefrattariaquantopiùèdifficileindurneunarisposta.”

Durante larisposta locale (passaggioda -70a -55mV)

l'eccitabilità aumenta progressivamente. Questo

periodo è chiamato periodo di addizione latente:

periododi ipereccitabilità (in cui la celluladiventapiù

eccitabile)

Esempiopratico:Supponendochecivogliano15kgper

aprireunaporta. Ipotizzandodiapplicareuna forzadi

10kg, ci vogliono altri 5kg per aprire la porta. Effetto

additivo.Perchinehamessi5èpiùfacile,inquantose

prima il contributo era insufficiente, adesso è

sufficiente.

Inquestomodouneventoinsufficienteadessodiventa

idoneo a indurre l'evento perché si somma a un

qualcosachehapermessoallacelluladidiventaresensibile.

Durantelafasedipotenzialed’azionel’eccitabilitàè0,diconseguenza,ilpotenzialeènelperiodorefrattario.Infatti

la cellula, durante la fase di potenziale d’azione, deve non rispondere ad altri stimoli, altrimenti si creerebbe

confusione.

Durantelafasetardivadiripolarizzazionelacellulacominciaadusciredallasuarefrattarietàearitornareamostrare

unacertaeccitabilità.Auncertopunto(tra-55e-70mV)lacellulaentranelperiodosupernormale.Unostimoloin

questomomentoanchepiùdeboledi15mV,puòportarelacellulaa-55mV,quindilacellulaèpiùeccitabile.

L’ipereccitabilitàèl’innestodiuneventoafrontediunostimolodiintensitàminore.

L'ipoeccitabilitàèlanecessitàdiunostimolodiintensitàsuperioreperavereunarispostadellostessotipo.

Nellafasediiperpolarizzazionepostuma,seilpotenzialeè,adesmpio,a-80mVcivorranno25mVperraggiungereil

livellosoglia.Aquestopuntolacellulaèipoeccitabile(periodosubnormale).

Caratteristichedeipotenzialid'azione.

- Sono depolarizzazioni rapide del potenziale di membrana, che raggiunge quasi istantaneamente valori di

potenziale al di sopra di 0 mV per poi ripolarizzarsi più lentamente. L’ampiezza complessiva del picco è

dell’ordinedi100-120mV.

- Sono eventi stereotipati, cioè sempre uguali, in grado di rigenerarsi: in una cellula tendono a ripetersi nel

tempoenellospaziosempreconlastessaforma.

- Sono eventi “tutto o nulla”; la generazione richiede una depolarizzazione della membrana oltre un valore

critico–soglia–superatoilqualesiinstaurailpotenzialed’azione.

- Sipossonoosservaresoloincellulespecializzate,dotatediunamembranaeccitabile.

- Vengonousatipertrasferireinformazioniall’internodiunacellulaetracellulediverse(graziealleconnessioni

sinaptiche).

- Dopo,omeglioduranteunpotenzialed’azione,si instauraunperiododinonresponsivitàprimacompletae

poiparziale,rispettivamenteperiodorefrattarioassolutoerelativo.

- Sipropaganonellospazioconunavelocitàcompresatra1m/se100m/ssenzagrandialterazionidiampiezza

eforma(perchéèunfenomenorigenerante,nondissipativo).

-

Generazionedipotenzialed'azioneinunassonemielinizzatoenon

Considerandounassonelungounmetro,fornendounascossaametàdelladistanzaconuncircuitodistimolazionee

mettendounregistratoreadestraesinistra,ilpotenzialed’azionevienegenerato.

Considerando l’iniziocomet=0,adesso,nelmomentot=1,sulversante internoedesternodellamembranahodei

richiamidicariche,cioènellazonaincuièpresenteilpotenzialed’azionesiverificanorichiamidicarichedaparte

delle cariche opposte contigue presenti sul medesimo versante della membrana. Tutto ciò rappresenta

sottrazione/spostamentodi cariche in cui il risultatonettoè la variazioneprogressivadipotenzialedimembrana,

immediatamenteasinistraeadestra.Sequestimovimentidicaricasonotalidafarraggiungereilvaloredi-55mV

nellezoneadiacenti, ilpotenzialed’azionesipropagasiaasinistracheadestra.Daquestipuntipoi ilfenomenosi

ripeteprogressivamente.

Ladomandachecisiponeadessoè:perchénonritornaindietro(dinuovoalcentro)?

Primasipartivadaunacondizionediriposo,adessoinveceilsistemavasoloesternamenteperchémedialmenteèin

refrattarietàequandosiriprenderàdaquestacondizioneilpotenzialesaràgiàtroppolontano.

Questaappenadescrittaèunapropagazionepuntoapunto, caratteristicadell’assoneamielinico,determinatada

unavelocitàridotta.(fig.9)

Nell’assonemielinizzatoinvecelapropagazioneèsaltatoriaincuiipunticriticisonoinodidiRanvier.L’assonepreso

inconsiderazioneèdellastessa lunghezzaedellostessodiametro,ma inessoèpresente lamielina.Generando il

potenziale e registrando come nel caso precedente, si formano le stesse correnti,ma non in punti strettamente

adiacenti, perché avendo la zona di isolante, i circuiti si generano da un nodo di Ranvier all’altro. Quindi se nel

momento0èpresenteilpotenzialed’azionenelnodosucuimisonopostoaoperare,nelmomento1sihal’innesco

aiduenodidi ranvieradiacentididestraesinistra,checomeprimasipropaganoprogressivamentesenzatornare

indietro(ecomeprimailsegmentorefrattarioritornaattivoquandoilpotenzialesièallontanato).

Quindil'assonemielinicoaparitàdistimolazioneconduceilpotenzialed'azioneadunavelocitàmaggiore.

Incondizionifisiologiche,nell’ambitodiunanormalemodulazionedelcircuitonervoso,lazonainnesto(triggerzone)

è inseritaa livellodel segmento inizialedell'assone, inquantoaquesto livelloabbiamounaparticolaredensitàdi

canali ionici lacuimarginazione inquestazonaèunitàfunzionale inquestotipodicellule,dovutaauncontributo

specifico di elementi post-elettrici che marginano l’espressione di canali ionici in questa zona. Quindi in una

soluzionefisiologicarisultacheilcorpocellularerisentedivaristimoli,chevengonopropagatiallazonatrigger,dove

ci sono i canali ionici responsabili dell’innesto fisiologico del potenziale d’azione. Si avrà l’innesto del potenziale

d’azionedopoquestodialogosinapticosoloseinquestazonailpotenzialedimembranapassada-70a-55mV.Sele

forzedistimolazionenonsonosufficienti,nonsihal’innestodelpotenziale.Seleforzed’azionesuperanolasoglia,

quisiapronoicanalidelsodioeilpotenzialepercorrel’assone.

Lasinapsiimpediscelapropagazionearitrosodelpotenzialed’azione,aiutatadalfattochenelcorpocellularenonci

sonoquestestrutture.

L’aperturadei canali ionici porta adunadepolarizzazionedellamembrana cheapreulteriori canali ionici equesti

determinanoiflussodipotenzialed’azionenelladirezionedeterminata.

La condizione saltatoria è garantita dalla guaina mielinica e la demielinizzazione dell’assone comporta problemi

devastanti.

Considerandounassoneincuièincorsolapropagazionedelpotenzialed’azioneversodestra,poniamoilsistemadi

registrazione,l’oscilloscopioaraggicatodici,conidueelettrodiadistanzal’unodall’altro.Analizzandolagenesidelle

onde che si registrano, abbiamo che il passaggio del potenziale d’azione in corrispondenza dei due elettrodi dà

un’onda positiva e un’onda negativa. Deflessioni sotto lo 0 vengono chiamate onde negative, quelle sopra lo 0

vengonochiamateondepositive.Nelprimomomentohounadeflessionepositiva,poiuntrattoisoelettrico,perché

il potenziale d’azione è contenuto tra i due elettrodi. Successivamente ottengo il contrario quando il potenziale

passasottol’altroelettrodoavendounadeflessionenegativa.Questaèlarappresentazionebifasicadelpotenziale