Il potenziale d'azione - Tutto o Niente

Come descritto nei nostri precedenti blog (Nerven, Schmerz-Übertragung), segnali come ad esempio dolore vengono generati e trasmessi dalle nostre cellule nervose e interpretati dal cervello. Ma come avviene esattamente la generazione di questi segnali, come fa il nostro corpo?

Ciò avviene tramite differenze di tensione elettrica ed è un processo entusiasmante e affascinante:

Il potenziale di membrana a riposo

Nell'ambiente acquoso del nostro corpo si trovano ioni (atomi caricati). Questi possono formarsi spontaneamente quando i sali (ad esempio cloruro di sodio: NaCl) vengono sciolti in solventi polari (come l'acqua H2O). Si formano così ioni positivi (nel caso del cloruro di sodio NaCl, ioni di sodio Na+) e ioni negativi (ioni cloruro Cl-). Anche le proteine diventano ioni caricati negativamente in un ambiente acquoso.

Abbiamo quindi particelle elettricamente cariche, positive e negative, all'interno di noi.

Per abbreviare e semplificare, ecco alcuni ioni importanti e fatti riguardanti la loro distribuzione nel corpo umano:

• Gli ioni proteici negativi si trovano principalmente DENTRO la cellula

• Gli ioni di potassio positivi Ka+ si trovano anch'essi principalmente DENTRO la cellula

• Gli ioni di sodio positivi Na+ si trovano principalmente FUORI della cellula

Ciò porta a una differenza di tensione tra l'interno della cellula (intracellulare, IZR) e l'esterno della cellula (extracellulare, EZR), con una carica negativa.

Questo è il cosiddetto potenziale di membrana a riposo (o potenziale di equilibrio).

Questo potenziale a riposo varia tra le diverse cellule. Nelle cellule nervose e muscolari è di circa -70 a -90 mV.

Immagine Action_potential.svg: Originale di en:User:Chris 73, aggiornato da en:User:Diberri, convertito in SVG da tiZom, Copyright (C) 2000,2001,2002 Free Software Foundation, Inc. 51 Franklin St, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA. Chiunque è autorizzato a copiare e distribuire copie verbatim di questo documento di licenza, ma modificarlo non è permesso.

Il potenziale d'azione

Un impulso esterno (neurotrasmettitore o segnale elettrico ai dendriti) cambia la permeabilità della membrana cellulare di un neurone, prima per i ioni sodio e poco dopo anche per i ioni potassio; si aprono canali e si applicano processi di diffusione:

Poiché ci sono quasi zero ioni di sodio nella cellula, questi positivi ioni Na+ schizzano (per primi) nel IZR e cambia la polarità, inducendo una depolarizzazione della cellula. Se lo stimolo è sufficientemente grande e supera la soglia del potenziale (soglia di stimolo) di circa -55mV, si verifica una depolarizzazione completa della cellula nervosa: si verifica un potenziale d'azione (con un Overshoot) e una risposta Tutto o Nulla della cellula nervosa, portando la tensione a circa +20mV tra IZR e EZR!

I canali per l'afflusso di Na+ vengono poi chiusi.

Il segnale elettrico del potenziale d'azione viene trasmesso lungo l'assone della cellula nervosa.

NB: Questo potenziale d'azione, cioè un'emissione di segnale di una cellula nervosa, viene emesso solo se supera la soglia di stimolo (circa -55 mV) di un neurone. Se non viene raggiunta, si verifica comunque una leggera depolarizzazione, ma non secondo il principio del Tutto o Nulla e quindi senza potenziale d'azione!! Non viene dunque emesso né trasmesso alcun segnale. 

La ripolarizzazione con iperpolarizzazione

Nella successiva fase di ripolarizzazione, i molti ioni potassio fluiscono attraverso i canali più a lungo aperti (rispetto a quelli per il sodio) fuori dalla cella (dove c'è poco Ka+ ), portando a un’iperpolarizzazione (fino a circa -100mV) dopo un potenziale d'azione.

Poi, tramite processi attivi tramite pompe Na-Ka, vengono ripristinate le distribuzioni originali (quindi Na+ in EZR e Ka+ in IZR) in modo tale da raggiungere nuovamente rapidamente la tensione di riposo originale da -60 a -90 mV.

Questa iperpolarizzazione rende difficile uno stimolo immediato con emissione di un potenziale d'azione (NB: la soglia di stimolo dovrebbe essere raggiunta per attivare un potenziale d'azione); un eventuale nuovo stimolo dovrebbe quindi essere più forte di uno ordinariamente sufficiente, impossibile da raggiungere con mezzi anatomici normali! Non ci sono stimoli interni che potrebbero eccitare una cellula del genere durante l'iperpolarizzazione.

Ciò garantisce che una membrana non sia immediatamente riattivabile, comportando il fatto che il segnale elettrico sia trasmesso solo in una direzione lungo l'assone! Questa è anche una protezione di retroazione. Il potenziale d'azione deve e viene spinto in una sola direzione.

Tutto questo avviene in circa 1-2 ms incredibilmente veloce. Perché un nervo deve essere riutilizzabile il più rapidamente possibile per trasmettere ulteriori segnali. E questo avviene solo se il potenziale d'azione e anche l'iperpolarizzazione avvengono rapidamente!

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