Il Potenziale d'Azione: Una Risposta Attiva della Membrana PDF

IL POTENZIALE D'AZIONE: UNA RISPOSTA ATTIVA DELLA MEMBRANA In questa sezione, esploreremo il potenziale d'azione, un cambiamento dinamico del potenziale di membrana che la cellula genera in risposta a stimoli specifici. Questo fenomeno è fondamentale per la comunicazione tra le cellule nervose e per...

IL POTENZIALE D'AZIONE: UNA RISPOSTA ATTIVA DELLA MEMBRANA In questa sezione, esploreremo il potenziale d'azione, un cambiamento dinamico del potenziale di membrana che la cellula genera in risposta a stimoli specifici. Questo fenomeno è fondamentale per la comunicazione tra le cellule nervose e per la risposta dei recettori agli stimoli esterni. Caratteristiche del Potenziale d'Azione Non Graduato: A differenza dei potenziali graduati, l'ampiezza del potenziale d'azione non dipende dall'intensità dello stimolo (purché lo stimolo superi una certa soglia). Soglia: Si verifica solo quando lo stimolo (ad esempio, una corrente) porta il potenziale di membrana al di sopra di un valore soglia, innescando l'apertura di canali voltaggio-dipendenti. Propagazione: Si propaga lungo l'assone per lunghe distanze, a differenza dei potenziali graduati che decadono rapidamente con la distanza. Stereotipato: Ha un andamento temporale preciso, caratterizzato da una rapida depolarizzazione (spike), una successiva iperpolarizzazione (fase sotto riposo) e un graduale ritorno al potenziale di riposo. L'Assone Gigante di Calamaro come Modello di Studio Anche il potenziale d'azione è stato ampiamente studiato sull'assone gigante di calamaro, grazie alle sue dimensioni che facilitano le misurazioni elettrofisiologiche. Domande Fondamentali Come fa la cellula a generare un cambiamento di potenziale così preciso e stereotipato? Nasce una nuova corrente di membrana? Cambia la resistenza di membrana? Cole e Curtis: Dimostrazione del Cambiamento di Conduttanza Nel 1939, i tecnici elettronici K. S. Cole e H. J. Curtis idearono un esperimento per dimostrare che la conduttanza (l'inverso della resistenza) della membrana cambia durante il potenziale d'azione. Misurazione della Resistenza di Membrana La legge di Ohm (V = IR) ci dice che possiamo misurare la resistenza di una membrana iniettando una corrente (I) e misurando la variazione di potenziale (V) o viceversa. Difficoltà nell'Esperimento Non possiamo studiare il comportamento della mp applicando direttamente un cambiamento di potenziale, perché questo modificherebbe le condizioni di lavoro della membrana stessa. La Soluzione: Corrente "Innocua" Cole e Curtis hanno usato un trucco: iniettare una corrente che "agli occhi della membrana" non sia una corrente. Questo si ottiene utilizzando una corrente alternata (sinusoidale) a bassa intensità. Le due proprietà essenziali della corrente sinusoidale sono: 1. Simmetria: Le semionde positive e negative hanno la stessa area, quindi l'effetto medio della  corrente sul potenziale è nullo. 2. Frequenza Elevata: La frequenza (molto alta) impedisce alle proteine della membrana di modificare la propria conformazione e quindi di "percepire" la variazione di potenziale. Analogie Elettrobisturi/Elettrocauterio: La corrente alternata ad alta frequenza può tagliare i tessuti senza provocare la contrazione muscolare, perché le proteine non riescono a reagire rapidamente alla variazione di potenziale. Stufetta Elettrica: Una stufetta scalda anche con corrente alternata, sebbene la tensione media sia zero, perché l'energia complessiva viene trasferita sia dalle semionde positive che negative. Dettagli dell'Esperimento Corrente Sinusoidale: Una corrente alternata a bassa intensità viene fatta passare attraverso una resistenza e poi iniettata nella cellula. Misura della Corrente: La differenza di potenziale sulla resistenza permette di misurare la corrente iniettata. Registrazione: Si misura la differenza di potenziale tra interno ed esterno della membrana nel tempo (grafico con linea gialla). Risultati 1. Potenziale di Membrana: Il grafico mostra la variazione del potenziale di membrana: una fase di depolarizzazione, seguita da una fase di iperpolarizzazione e ritorno al potenziale di riposo. 2. Aumento della Corrente (Linea Gialla): Durante il potenziale d'azione, l'ampiezza della sinusoide aumenta. Questo indica un aumento della corrente che attraversa la resistenza e la membrana. 3. Diminuzione della Resistenza: L'aumento dell'ampiezza della sinusoide corrisponde al picco di conduttanza della membrana (diminuzione della resistenza) durante il potenziale d'azione. Conclusioni L'esperimento di Cole e Curtis ha dimostrato che durante il potenziale d'azione: La membrana cambia le sue proprietà elettriche. La resistenza della membrana diminuisce notevolmente, permettendo un maggiore flusso di corrente attraverso i canali ionici. IL PDA: DIPENDE DALLA MEMBRANA E NON DAL CITOPLASMA In questa sezione, analizzeremo come il potenziale d'azione dipenda dalle proprietà della membrana cellulare, e non tanto dalla composizione del citoplasma. L'Esperimento di Riperfusione dell'Assone di Calamaro Per determinare se la variazione di resistenza è dovuta alla membrana o al citoplasma, si è effettuato un esperimento cruciale: Svuotamento: L'assone gigante di calamaro è stato svuotato del suo citoplasma originale. Riperfusione: L'assone è stato riempito con una soluzione contenente la stessa composizione ionica del citoplasma (es: cloruro di potassio). Risultato: L'assone riperfuso produceva un potenziale d'azione praticamente identico a quello dell'assone intatto. Conclusione: Questo esperimento dimostra che il potenziale d'azione è generato da meccanismi intrinseci alla membrana cellulare e non da componenti del citoplasma. Diversità dei Potenziali d'Azione Sebbene tutti i potenziali d'azione siano stereotipati per una data cellula, non sono tutti uguali: Assone di Calamaro: Presenta un potenziale d'azione relativamente semplice. Cellule Autoriitmiche Atriali e Miocardio: Presentano potenziali d'azione più complessi, con un contributo dello ione calcio (Ca2+), che normalmente ha un ruolo di secondo messaggero. Cellule del Sistema Nervoso Centrale: Alcune cellule del sistema nervoso centrale (come le cellule di Purkinje del cervelletto e le cellule talamo-corticali) mostrano una componente legata al calcio nel loro potenziale d'azione. IL RUOLO DEL SODIO (NA+) NEL POTENZIALE D'AZIONE Analizzando il potenziale d'azione nel suo modello più semplice (quello dell'assone di calamaro), ci si chiede: Se la membrana aumenta la sua conduttanza, quale ione è responsabile della depolarizzazione? L'Esperimento sulla Variazione di Concentrazione del Sodio Per rispondere a questa domanda, si è modificata la composizione del liquido extracellulare: Riduzione del Sodio: La concentrazione di sodio (Na+) nel mezzo extracellulare è stata ridotta sostituendo parte del sodio con glucosio per mantenere l'osmolarità. Effetto sulla Depolarizzazione: Si è osservato che una minore concentrazione di sodio causa un rallentamento nello sviluppo del potenziale d'azione e una riduzione della sua ampiezza. Ripristino: Quando la cellula viene riportata in un ambiente extracellulare con una normale concentrazione di sodio, il potenziale d'azione torna alla sua forma originale. Conclusioni: Questi esperimenti dimostrano che il sodio (Na+) è lo ione fondamentale che guida la fase di depolarizzazione rapida del potenziale d'azione. Ciò è coerente con il fatto che il sodio tende a entrare nella cellula a causa di un forte gradiente elettrochimico (circa 150 mV). Anche se anche il potassio esce in piccola parte, il sodio ha una spinta maggiore all'ingresso. VOLTAGE CLAMP: METODO PER "BLOCCARE" IL PDM In questa sezione, analizzeremo la tecnica del voltage clamp, un metodo cruciale sviluppato da Hodgkin, Huxley e Katz (premi Nobel) per studiare le proprietà della membrana durante il PdA. Il Problema dell'Analisi del Potenziale d'Azione Variazione Simultanea: Durante il potenziale d'azione, il potenziale di membrana varia, innescando eventi che a loro volta modificano il potenziale. Questo ciclo di causa-effetto rende difficile studiare separatamente i processi che avvengono nella membrana. Rapidità dell'Evento: La variazione del potenziale d'azione avviene in pochi millisecondi, rendendo difficile il controllo manuale delle variazioni. La Soluzione: Voltage Clamp Il voltage clamp è una tecnica che permette di mantenere (bloccare) il potenziale di membrana ad un valore predefinito. Invece di iniettare una corrente fissa (come nel current clamp), si inietta una corrente variabile nel tempo, guidata da un voltmetro, che forza il potenziale della membrana ad essere quello desiderato dallo sperimentatore. Principio di Funzionamento 1. Impostazione del Potenziale: Lo sperimentatore imposta un valore di potenziale di membrana desiderato (Vclamp). 2. Misura del Potenziale: Un voltmetro misura continuamente il potenziale di membrana (Vm). 3. Generazione della Corrente: Un amplificatore confronta il valore di Vm con quello di Vclamp e genera una corrente appropriata per correggere le differenze. Questa corrente è iniettata nella cellula. 4. Controllo del Potenziale: L'amplificatore continua a generare una corrente che contrasta qualsiasi deviazione del potenziale di membrana da quello desiderato, mantenendo il potenziale costante a Vclamp. 5. Misura della Corrente: La corrente generata dall'amplificatore (e iniettata nella cellula) viene misurata, fornendo informazioni sui flussi ionici attraverso la membrana. Esempio di Cambiamento di Potenziale Depolarizzazione: Se si vuole passare da -60 mV a -55 mV, l'apparecchio deve iniettare corrente per caricare inizialmente il condensatore e poi per compensare le correnti che passano attraverso i canali passivi (quelli che si aprono passivamente in base al voltaggio). Iperpolarizzazione: Se si vuole passare da -60 mV a un valore più negativo, l'apparecchio deve "succhiare" corrente, scaricando inizialmente il condensatore e poi compensando le correnti nei canali passivi. Importanza della Corrente Misurata In un esperimento di voltage clamp, l'andamento del potenziale è noto (imposto dallo sperimentatore). L'informazione cruciale è quindi la corrente iniettata per mantenere quel potenziale, che fornisce informazioni dirette sui flussi ionici attraverso la membrana. Schema di Amplificatore Voltage Clamp L'amplificatore confronta la differenza tra la tensione che vogliamo imporre (Vclamp) con la tensione reale misurata nella cellula (Vm), genera una tensione di output (Vout) che è proporzionale alla differenza tra Vclamp e Vm. La tensione di output dell'amplificatore Vout = G * (Vclamp-Vm) è usata per modificare la tensione interna della cellula. Amplificatore: Un amplificatore ideale ha alta impedenza di ingresso, non assorbe corrente e la sua uscita è proporzionale alla differenza di tensione tra i due ingressi Vout= G*(V+-V-) Tensione di Comando (Vclamp): La tensione desiderata viene applicata all'ingresso positivo dell'amplificatore. Misura della Tensione (Vm): La tensione nella cellula viene misurata e applicata all'ingresso negativo dell'amplificatore. Resistenza di Misura (Rm): La corrente iniettata dall'amplificatore, per mantenere costante il potenziale, viene fatta passare attraverso una resistenza (Rm), e la differenza di potenziale attraverso questa resistenza permette di quantificare la corrente iniettata (ImRm).  Circuito di Feedback: La tensione di uscita dell'amplificatore fa tornare una corrente all'interno della cellula che contrasta il cambiamento di tensione. Se l'amplificatore è veloce e preciso, il secondo termine della formula (Vclamp=Vm+ImRm) diventa trascurabile e Vm=Vclamp. Risposta della Membrana a Variazioni di Potenziale Se applichiamo un gradino di tensione (con la tecnica del voltage clamp), la risposta della membrana dipende dall'entità del cambiamento di potenziale: Sotto Soglia (es. da -60 a -52 mV): La corrente inizialmente carica la capacità di membrana, poi attraversa i canali passivi, con un transiente. Sopra Soglia (es. da -60 a 0 mV): La corrente carica il condensatore, attraversa i canali passivi e poi si osserva un cambiamento: la corrente che entra (corrente di sodio) è seguita da una corrente che esce (corrente di potassio), indicando un comportamento non-lineare. Interpretazione della Risposta La cellula reagisce ai cambiamenti di potenziale e cerca di "sfuggire" al valore impostato: Sopra Soglia: Quando viene portata sopra soglia la cellula fa entrare corrente con l'obiettivo di aumentare il suo potenziale (depolarizzazione) poi successivamente cerca di far uscire corrente con l'obiettivo di tornare al suo potenziale di riposo (iperpolarizzazione). L'Importanza dei Canali Voltaggio-Dipendenti La corrente che entra ed esce durante il potenziale d'azione non passa attraverso i canali passivi, ma attraverso canali il cui stato di apertura dipende dal voltaggio (canali attivi). Corrente Iniziale (Depolarizzazione): Corrente entrante di sodio (Na+). Corrente Successiva (Iperpolarizzazione): Corrente uscente di potassio (K+). Formula Fondamentale L'intensità della corrente che scorre attraverso i canali ionici è data dalla formula: Iion = gion * (Em - Eion) Iion: Corrente dello ione. gion: Conduttanza dello ione. (Em - Eion): Diff tra il potenziale di membrana (Em) e il potenziale di equilibrio dello ione (Eion). In sintesi, la tecnica del voltage clamp consente di separare e quantificare le correnti ioniche che passano attraverso la membrana, fornendo informazioni fondamentali sulla dinamica del potenziale d'azione e sul ruolo dei canali voltaggio-dipendenti. ANALISI DELLE CORRENTI IONICHE IN FUNZIONE DEL PDM In questa sezione, esploreremo come le correnti ioniche attraverso la membrana variano in base al potenziale di membrana, e come le proprietà di questi canali possono essere studiate grazie a farmaci che bloccano selettivamente i diversi canali. Dipendenza delle Correnti dal Potenziale di Membrana (Em) Utilizzando la tecnica del voltage clamp, si può studiare come l'andamento della corrente di membrana varia al variare del potenziale imposto:  Potenziali Depolarizzanti: A potenziali poco depolarizzanti, la corrente è minima. Aumentando la depolarizzazione, la corrente entrante aumenta. Oltre un certo punto, la corrente entrante diminuisce. A potenziali molto positivi, si osserva una corrente uscente iniziale. Interpretazione: La corrente che misuriamo è data dalla formula: Iion = gion * (Em - Eion) Iion = corrente ionica gion = conduttanza ionica Em = potenziale di membrana Eion = potenziale di equilibrio dello ione Il potenziale di equilibrio non cambia, dipende dalle concentrazioni ioniche e dalla carica dell'ione, il potenziale di membrana (Em) viene variato dallo sperimentatore. Quando il potenziale della membrana è uguale al potenziale di equilibrio di uno ione, la corrente di quello ione è nulla. Potenziale di Inversione: Il potenziale a cui la corrente cambia direzione, passando da entrante a uscente o viceversa. Il potenziale di inversione è il potenziale di eq dello ione. Identificazione delle Correnti Ioniche: Sodio e Potassio Corrente Iniziale (entrante): La corrente entrante durante la depolarizzazione è dovuta al sodio (Na+). Questa corrente è uscente sotto soglia, diventa entrante sopra soglia e poi diminuisce e si inverte a valori molto depolarizzati. Corrente Successiva (uscente): La corrente uscente che si verifica successivamente è dovuta al  potassio (K+). Utilizzo di Bloccanti dei Canali Voltaggio-Dipendenti Per confermare l'identità degli ioni responsabili di queste correnti, si utilizzano bloccanti specifici: Bloccanti del Canale del Sodio: Tetrodotossina (TTX): Presente nel pesce palla, blocca selettivamente i canali del sodio. Saxitossina: Prodotta dal plancton, ha effetti simili a TTX. Procaina e Lidocaina: Anestetici locali, bloccano i canali del sodio. Bloccanti del Canale del Potassio: Dendrotossina: Tossina di serpenti velenosi, blocca i canali del potassio. Tetraetilammonio (TEA): Un composto chimico, blocca i canali del potassio. Effetti dei Bloccanti Blocco del Sodio (TTX): In presenza di bloccanti del canale del sodio, scompare la corrente entrante, rimane solo la corrente uscente di potassio. Blocco del Potassio (TEA): In presenza di bloccanti del canale del potassio, scompare la corrente uscente e rimane solo la corrente entrante di sodio. Blocco di Entrambi: In presenza di entrambi i bloccanti, la corrente di membrana si annulla, indicando che le correnti sono dovute unicamente a sodio e potassio. Relazioni Corrente-Tensione (I-V)  Si applicano una serie di gradini depolarizzanti con la tecnica del voltage clamp, e per ogni valore di potenziale di membrana imposto si misura la corrente, si ottengono curve I-V per il sodio e il potassio. Ciascun punto sulla curva rappresenta l'intensità della corrente al picco (per il sodio) o al plateau (per il potassio) in funzione del potenziale a cui è stata bloccata la membrana. La pendenza della retta della curva I-V indica la conduttanza dello ione. Queste curve evidenziano che la corrente di sodio si inverte a valori più positivi, mentre la corrente di potassio non si inverte. A conduttanze passive che determinano una certa quota di sodio e potassio si sommano le conduttanze attive, generate dall'apertura dei canali voltaggio dipendenti. Variazione della Conduttanza in Funzione del Potenziale A potenziali di membrana inferiori a -50 mV (soglia) non si ha corrente di sodio e potassio perché i canali voltaggio dipendenti sono chiusi. Quando si aprono i canali del sodio, una corrente entra a fronte della differenza di potenziale (potenziale di equilibrio del sodio). Man mano che la depolarizzazione aumenta, anche la conduttanza aumenta fino ad un massimo, per poi invertirsi. Per il potassio non si verifica un'inversione, il potassio è sempre uscente. Si possono costruire curve che rappresentano come varia la conduttanza in funzione del potenziale a cui viene bloccata la membrana. Si usa una grandezza percentuale per permettere la comparazione. La conduttanza massima per il sodio è in genere più alta rispetto al potassio. I canali si aprono a potenziali diversi: i canali del sodio si aprono a circa -50 mV, mentre i canali del potassio si aprono a -40 mV. Importanza del Sodio nel Potenziale d'Azione Il ruolo principale del sodio è innescare la depolarizzazione, grazie al suo massiccio ingresso di cariche positive che alzano rapidamente il potenziale. MODELLO DEL CANALE DEL SODIO: STRUTTURA E FUNZIONI In questa sezione, analizzeremo le caratteristiche strutturali e funzionali del canale del sodio voltaggio- dipendente, fondamentale per la generazione del potenziale d'azione. Caratteristiche Essenziali del Canale del Sodio Un modello funzionale del canale del sodio deve presentare: Poli selettività: Permeabile selettivamente agli ioni sodio (Na+). Cancello: Un meccanismo di apertura e chiusura, normalmente chiuso e che si apre in seguito ad un cambiamento del potenziale di membrana (voltaggio-dipendenza). Sensore di Voltaggio: Un meccanismo di rilevamento della differenza di potenziale transmembrana, in grado di far cambiare la conformazione del cancello. Due Porte del Canale del Sodio: Attivazione e Inattivazione Il canale del sodio presenta due porte: Porta di Attivazione (A): Risponde rapidamente alla depolarizzazione aprendosi velocemente e permettendo l'ingresso di sodio. Porta di Inattivazione (I): Risponde più lentamente alla depol., chiudendosi e interrompendo il flusso di sodio. Stati del Canale del Sodio Il canale del sodio può esistere in tre stati: 1. Chiuso: Entrambe le porte (A e I) sono chiuse, bloccando il flusso di ioni. 2. Aperto: La porta A si apre rapidamente, la porta I è aperta e il sodio entra nella cellula. 3. Inattivato: La porta A è aperta, ma la porta I è chiusa, bloccando il flusso di sodio. Voltaggio-Dipendenza della Porta di Inattivazione (I) La porta di inattivazione non solo è tempo-dipendente, ma anche voltaggio dipendente, e il suo stato influenza la conduttanza del canale al sodio. Esperimento per Dimostrare la Voltaggio-Dipendenza della Porta I Si utilizza un protocollo di voltage clamp con variazioni del potenziale: 1. Depolarizzazione: Si applica una depolarizzazione (da -60 a -16mV) che apre i canali del sodio. 2. Iperpolarizzazione/Depolarizzazione Intermedia: Prima della depolarizzazione, si applica una breve iperpolarizzazione o depolarizzazione intermedia di ampiezza variabile. 3. Misura della Corrente: Si misura la corrente di sodio evocata dalla depolarizzazione. Risultati: Iperpolarizzazione: Se la depolarizzazione è preceduta da iperpolarizzazione, la corrente entrante di sodio è maggiore rispetto a quando si parte dal potenziale di riposo. Depolarizzazione: Se la depolarizzazione è preceduta da una depolarizzazione, la corrente entrante di sodio è minore rispetto a quando si parte dal potenziale di riposo. Conduttanza: Il grafico della conduttanza al sodio (GNa) in funzione del potenziale di membrana mostra che a riposo il valore di GNa è il 60% del valore massimale, e che la GNa aumenta per potenziali di membrana più negativi. Implicazioni: La porta del sodio non è completamente chiusa a riposo. Se uno stimolo iperpolarizzante precede uno depolarizzante, la cellula risponde con una corrente al Na+ più elevata. Questo significa che la cellula è maggiormente eccitabile dopo un’iperpolarizzazione. Effetti del Veleno di Scorpione Il veleno di scorpione blocca la porta di inattivazione del canale del sodio, provocando un prolungamento del flusso di sodio. Ciò causa un blocco della ripolarizzazione, mantenendo il potenziale di membrana depolarizzato, vicino allo zero. L'Esperimento con Pronasi Per studiare la dinamica della porta I è stato utilizzato un protocollo con Pronasi: 1. Blocco del Potassio (TEA): Si blocca la corrente del potassio con TEA. 2. Pronasi: Si somministra Pronasi (un enzima proteolitico). Risultati: La corrente di sodio, una volta raggiunto il valore massimo, rimane costante nel tempo. Questo indica che Pronasi ha rimosso la porta di inattivazione (o le proteine a cui essa è collegata) del canale, e quindi è responsabile della chiusura del canale. Implicazioni: La porta di inattivazione è essenziale per la corretta chiusura del canale e per il ripristino del potenziale di riposo. L'eliminazione di questa porta porta ad un'alterazione del normale ciclo di attivazione- inattivazione del canale. Anestetici Locali e il Canale del Sodio Gli anestetici locali agiscono bloccando i canali del sodio.  Per raggiungere il sito di legame all'interno del canale, gli anestetici devono essere liposolubili, in modo da poter attraversare la membrana. Tempo Dipendenza della Porta di Inattivazione (I) Un ulteriore esperimento studia la tempo dipendenza della porta I: 1. Salto di Voltaggio: Si impone un salto di potenziale di 46 mV (da -60 a -16 mV). 2. Iperpolarizzazione Intermedia: Si inserisce una breve fase di iperpolarizzazione intermedia a -52 mV. 3. Variazione del Tempo: Si varia la durata della fase iperpolarizzante intermedia. 4. Misura della Corrente di Sodio: Si misura l'intensità della corrente di sodio che passa al termine dell'iperpolarizzazione. Risultati: Maggiore è la durata della fase di iperpolarizzazione, minore è l'intensità della corrente entrante di sodio. Questo dimostra che la depolarizzazione favorisce l'inattivazione dei canali del sodio. Sintesi della Dinamica delle Porte La dinamica delle porte di attivazione (A) e inattivazione (I) determina il profilo del potenziale d'azione. Riposo: La porta A è parzialmente chiusa, la porta I è quasi completamente aperta. Soglia: La depolarizzazione apre rapidamente la porta A e la porta I inizia lentamente a chiudersi. Picco: I canali del sodio sono aperti, il sodio entra nella cellula, e il potenziale di membrana aumenta rapidamente.  Inattivazione: Dopo circa 1 ms, la porta I si chiude bloccando il flusso di sodio, i canali sono inattivati e la cellula non è eccitabile (periodo refrattario assoluto). Ripolarizzazione: Il potenziale di membrana si riduce grazie all'efflusso di potassio, e le porte ritornano lentamente alla loro posizione di riposo. Rieccitabilità: L'apertura della porta I permette la rieccitazione della cellula, mentre la chiusura della porta A riporta il potenziale a riposo. IL CANALE DEL POTASSIO: ATTIVAZIONE E RIPOLARIZZAZIONE In questa sezione, analizzeremo le caratteristiche del canale del potassio voltaggio-dipendente e il suo ruolo nella ripolarizzazione della membrana. Caratteristiche del Canale del Potassio Porta di Attivazione: Presenta una porta di attivazione voltaggio-dipendente che si apre in risposta alla depolarizzazione. Assenza di Inattivazione: A diff. del canale del sodio, il canale del potassio non ha una porta di inattivazione. La corrente rimane costante nel tempo finché il potenziale è sopra soglia. Conferma dell'Assenza di Inattivazione Anche in presenza di blocco dei canali del sodio, la corrente di potassio rimane uscente e persistente, indicando che questo canale non si inattiva. Nascita del Potenziale d'Azione Il potenziale d'azione è generato da cambiamenti improvvisi nella permeabilità della membrana agli ioni sodio (Na+) e potassio (K+). Questi cambiamenti sono dovuti all'apertura di canali voltaggio-dipendenti quando il potenziale di membrana supera una soglia. Stimolo Sopra Soglia: Quando uno stimolo raggiunge il potenziale soglia per l'apertura dei canali del sodio, il neurone risponde con una variazione di potenziale di circa 100 mV. Segnale Tutto o Nulla: Il potenziale d'azione è un evento "tutto o nulla": o la cellula non risponde (se non viene superata la soglia) o genera un potenziale d'azione (se viene superata la soglia). REFRATTARIETÀ ASSOLUTA E RELATIVA: LIMITAZIONI E CONTROLLO Analizziamo la risposta della membrana a stimoli successivi al potenziale d'azione: Periodo Refrattario Assoluto:  Inizio: La cellula è insensibile a nuovi stimoli dal momento in cui inizia il potenziale d'azione fino a subito dopo il picco. Cause: La porta di attivazione del sodio è aperta e quella di inattivazione è chiusa. Durata: Il recupero dall'inattivazione è tempo e voltaggio-dipendente di circa 3-4 ms. Periodo Refrattario Relativo: Inizio: I canali del sodio iniziano ad uscire dallo stato di inattivazione, e uno stimolo sufficientemente intenso può indurre un nuovo potenziale d'azione. Durata: La durata dipende dal tempo necessario per far uscire tutti i canali del sodio dall'inattivazione e dal graduale ripristino del potenziale di membrana a riposo. Stimolazione: In questo periodo, una stimolazione di intensità pari alla soglia non è sufficiente a innescare un potenziale d'azione. Implicazioni della Refrattarietà Refrattarietà Assoluta: Determina l'unidirezionalità della propagazione del potenziale d'azione. Refrattarietà Relativa: Permette di convertire l'intensità dello stimolo in frequenza di scarica dei potenziali d'azione. Codifica dell'Intensità dello Stimolo Ampiezza: L'ampiezza del potenziale d'azione è stereotipata e non codifica l'intensità dello stimolo. Frequenza: Se la corrente di stimolo è intensa, la cellula genera più potenziali d'azione in rapida successione (codifica in frequenza). Evoluzione del Potenziale d'Azione: Le 5 Fasi Gli eventi del potenziale d'azione si susseguono in cinque fasi: 1. Depolarizzazione: Superamento della soglia. 2. Inversione del Potenziale (Overshoot): Il potenziale di membrana passa dal valore negativo a positivo. 3. Picco: Il valore massimo del potenziale di membrana. 4. Ripolarizzazione: Il potenziale di membrana ritorna verso il suo valore di riposo. 5. Iperpolarizzazione Postuma: Il potenziale di membrana diventa transitoriamente più negativo del valore di riposo. Necessità di Porta di Inatt. di Na: Evitare Retroazione Positiva La porta di inattivazione del sodio è cruciale per evitare un ciclo di feedback positivo incontrollato: 1. Depolarizzazione Iniziale: Una depolarizzazione iniziale apre alcuni canali del sodio voltaggio- dipendenti. 2. Afflusso di Sodio: L'apertura dei canali permette l'ingresso di sodio, spinto dal gradiente elettrochimico, e provoca un'ulteriore depolarizzazione. 3. Apertura di Altri Canali: L'ulteriore depolarizzazione causa l'apertura di altri canali del sodio, innescando un ciclo che porta ad una rapida crescita del potenziale d'azione (un loop di feedback positivo). 4. Inattivazione: Senza la porta di inattivazione, questo processo continuerebbe all'infinito, perché una volta aperto il canale al sodio questo rimane aperto fino a raggiungere il potenziale di equilibrio (che in realtà non viene mai raggiunto), e la porta di inattivazione blocca questo processo interrompendo l'ingresso di sodio. Il Ciclo di Hodgkin del Potassio: Retroazione Negativa Il ruolo del potassio è quello di ripolarizzare la membrana grazie a un ciclo di retroazione negativa: 1. Inattivazione del Sodio: Al picco del potenziale d'azione, i canali del sodio si inattivano, e il flusso di sodio si arresta. 2. Efflusso di Potassio: A causa della risposta ritardata dei canali del potassio, il potassio esce dalla cellula spinto dall'elevata differenza tra il potenziale di membrana e il suo potenziale di equilibrio. 3. Ripolarizzazione: L'efflusso di potassio ripolarizza rapidamente la membrana, riportando il potenziale verso il valore di riposo. Questo ciclo è auto-limitante: la fuoriuscita di potassio contrasta l'aumento di potenziale, ripristinando il potenziale di riposo e riportando il sistema verso l'equilibrio.