Il potenziale d'azione - Tutto o Niente

Come descritto nei nostri blog precedenti (Nervi, Trasmissione del dolore), i segnali come ad esempio il dolore vengono generati e trasmessi dalle nostre cellule nervose per essere poi interpretati dal cervello. Ma come funziona esattamente la generazione di questi segnali? Come ci riesce il nostro corpo?

Tutto questo avviene attraverso differenze di potenziale elettrico: un processo affascinante e ricco di energia!

Il potenziale di membrana a riposo

Nell'ambiente acquoso del nostro corpo si trovano gli ioni (atomi con carica elettrica). Questi possono formarsi spontaneamente quando i sali (ad es. il sale da cucina: cloruro di sodio NaCl) si sciolgono in solventi polari (come l'acqua H2O). Si formano così anioni positivi (nel caso del sale da cucina NaCl, ioni sodio Na+) e cationi negativi (ioni cloruro Cl-). Anche le proteine, nell'ambiente acquoso, si trasformano in cationi con carica negativa.

Nel nostro corpo sono quindi presenti particelle con carica elettrica positiva e negativa.

Per semplificare e andare dritti al punto, ecco alcuni ioni fondamentali e come si distribuiscono nel corpo umano:

• Gli ioni proteici negativi si trovano principalmente ALL'INTERNO della cellula

• Anche gli ioni potassio positivi K+ si trovano principalmente ALL'INTERNO della cellula

• Gli ioni sodio positivi Na+ si trovano principalmente ALL'ESTERNO della cellula

Questo è uno dei motivi per cui in tutte le cellule si crea una differenza di potenziale con una carica negativa tra lo spazio intracellulare (LIC, all'interno della cellula) e quello extracellulare (LEC, all'esterno della cellula).

Questo fenomeno prende il nome di potenziale di membrana a riposo (o potenziale di equilibrio).

Questo potenziale a riposo varia a seconda del tipo di cellula. Nelle cellule nervose e muscolari è di circa -70 a -90 mV.

Autore 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 letterali di questo documento di licenza, ma non è consentito modificarlo.

Il potenziale d'azione

Uno stimolo esterno (un neurotrasmettitore o un segnale elettrico ai dendriti) modifica la permeabilità della membrana cellulare di un neurone, prima al sodio e subito dopo anche al potassio. Si aprono così i canali e si avviano i processi di diffusione:

Poiché all'interno della cellula la presenza di ioni sodio è quasi nulla, questi ioni positivi Na+ si riversano (per primi) nello spazio intracellulare, invertendo la polarità interna. Questo provoca una depolarizzazione della cellula. Se lo stimolo è sufficientemente forte e supera la soglia di eccitazione (valore soglia) di circa -55 mV, si verifica una depolarizzazione completa della cellula nervosa: si genera un potenziale d'azione (con una fase di over-shoot) e una risposta del tipo "tutto o niente" da parte della cellula nervosa, con la tensione tra l'interno e l'esterno della cellula che sale rapidamente a circa +20 mV!

Successivamente, i canali del sodio per il flusso di Na+ si richiudono.

Il segnale elettrico del potenziale d'azione si propaga lungo l'assone della cellula nervosa.

Nota bene: questo potenziale d'azione, ovvero l'attivazione del segnale di una cellula nervosa, si innesca solo se viene superata la soglia di eccitazione (circa -55 mV) del neurone. Se la soglia non viene raggiunta, si ha comunque una leggera depolarizzazione, che però non segue la legge del "tutto o niente" e quindi non genera alcun potenziale d'azione! Di conseguenza, nessun segnale verrà attivato né trasmesso. 

La ripolarizzazione con iperpolarizzazione

Nella successiva fase di ripolarizzazione, i numerosi ioni potassio continuano a fuoriuscire dalla cellula (diretti dove la concentrazione di K+ è minore) attraverso i canali che rimangono aperti più a lungo rispetto a quelli del sodio. Questo processo, dopo il potenziale d'azione, porta a una fase di iperpolarizzazione (fino a circa -100 mV).

Successivamente, attraverso processi attivi supportati dalle pompe sodio-potassio, si ripristina la distribuzione ottimale iniziale (ovvero Na+ nello spazio extracellulare e K+ in quello intracellulare), tornando così rapidamente al potenziale di riposo originario compreso tra -60 e -90 mV.

Questa iperpolarizzazione rende più difficile una nuova stimolazione immediata in grado di innescare un potenziale d'azione (ricordiamo che per innescarlo bisognerebbe raggiungere nuovamente la soglia di eccitazione). Uno stimolo in arrivo dovrebbe quindi essere decisamente più forte rispetto a uno normalmente sufficiente, il che è biologicamente quasi impossibile! Non esistono stimoli generati dal corpo in grado di eccitare la cellula durante questa fase di iperpolarizzazione.

Ciò assicura che la membrana non sia immediatamente eccitabile di nuovo e fa sì che il segnale elettrico si propaghi lungo l'assone in un'unica direzione (unidirezionale)!! Questo rappresenta anche un sistema di protezione contro il feedback negativo. Il potenziale d'azione deve avanzare e avanzerà sempre in una sola direzione.

Tutto questo accade nell'incredibile arco di appena 1-2 millisecondi. Il nervo deve infatti essere nuovamente pronto a reagire nel minor tempo possibile per poter trasmettere nuovi segnali. E questo è possibile solo se sia il potenziale d'azione che l'iperpolarizzazione avvengono in modo ultra-rapido!

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Crediti immagine di copertina

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