l potenziale d’azione è un impulso elettrico che si propaga lungo la membrana delle cellule eccitabili come i neuroni e le cellule muscolari. Questo impulso è generato da una variazione del potenziale di membrana che si verifica quando la membrana viene depolarizzata al di sopra di una soglia critica
Metodo del blocco del voltaggio (Cole, 1949)
Nel 1949 Cole mise a punto un metodo di misura, detto “a blocco di voltaggio” (voltage clamp). La sua funzione è quella di impedire la mutua interazione tra l’apertura e la chiusura dei canali ionici voltaggio dipendenti e il potenziali di membrana. In pratica, il sistema di blocco impedisce che le modificazione della corrente di membrana esercitano influenze sul potenziale di membrana. Il sistema di blocco funziona a feedback negativo: il valore in uscita del sistema è riutilizzato come valore di input e confrontato con un segnale imposto che rappresenta l’uscita richiesta. La discrepanza tra valore richiesto e valore in uscita attiva un modulo di controllo che riduce questa differenza.
Un tipico esperimento di blocco del voltaggio inizia con il potenziale di membrana bloccato al suo valore di riposo. Imponendo alla membrana una depolarizzazione di 10mV (vedi Fig A), si osserva all’inizio una brevissima corrente capacitativa seguita da una corrente ionica uscente d’intensità minore che persiste per tutta la durata dello stimolo depolarizzante. Ritornando alle condizioni iniziali, segue una breve corrente capacitativa entrante e poila corrente totale di membrana ritorna a zero. La corrente ionica costante è la quella che passa attraverso i canali passivi ed è detta di fondo.
Applicando depolarizzazioni di entità maggiore (vedi fig B) i tracciati divengono più complessi e si osserva una corrente entrante (Na) che raggiunge il suo massimo entro pochi millesecondi, poi si riduce di ampiezza e viene sostituta da una corrente uscente. Quest’ultima raggiunge un plateau che si mantiene per tutta la durata della depolarizzazione.
L’interpretazione è che la depolarizzazione apra due canali: uno responsabile della corrente entrante e l’altro della corrente uscente.
Poiché il tracciato appare parzialmente sovrapposto, per determinare il rispettivo andamento delle correnti, è possibile bloccare in primo luogo i canali potassio (K) con tetraetilammonio e successivamente i canali sodio (Na) con tetrodotossina. In questo modo è possibile studiare le singole registrazioni della corrente K e Na. Grazie a questa tecnica si è osservato, ad esempio, che i canali per il sodio modificano la propria conduttanza molto più rapidamente rispetto ai canali per il potassio.
Eventi legati al potenziale di azione
Modello di Hodgkin e Huxley
Secondo il modello di Hodgkin e Huxley, un potenziale di azione comporta la seguente successione di eventi. Una depolarizzazione della membrana determina la rapida apertura dei canali Na (cioè un aumento di conduttanza per il Na) e quindi la comparsa di una corrente entrante di Na. Questa corrente provoca un’ulteriore depolarizzazione che fa aprire un numero maggiore di canali Na, determinando un ulteriore aumento di corrente entrante. La depolarizzazione, inoltre, limita la durata del potenziale di azione in due modi:
- Provoca una graduale inattivazione dei canali Na
- Determina con qualche ritardo l’apertura dei canali K voltaggio dipendenti.
Periodi di refrattarietà
l potenziale di azione è seguito anche da un breve periodo di refrattarietà che si può distinguere in due fasi. Il periodo di refrattarietà assoluto segue immediatamente il potenziale di azione e durante questo periodo è impossibile evocare l’eccitamento della cellula. Questa fase è seguita dal periodo di refrattarietà relativa, durante il quale è possibile evocare un potenziale di azione solo se si applicano stimoli di intensità maggiore. Questi periodi sono dovuti all’inattivazione residua dei canali Na e al persistere dell’apertura dei canali K.
Segnale tutto o nulla
La caratteristica del potenziale di azione di essere un segnale tutto o nulla può apparire sorprendente se si pensa che la conduttanza verso il Na aumenta in maniera graduale man mano che aumenta la depolarizzazione. Tuttavia, una piccola depolarizzazione sotto soglia fa anche aumentare la corrente uscente di K e inoltre provoca un aumento di conduttanza al K che tende a opporsi all’azione depolarizzante dell’ingresso di Na. Ma il processo di rapida attivazione dei canali Na fa sì che la depolarizzazione raggiunga un livello tale da rendere I(Na) maggiore di I(K) uscente e assuma perciò un carattere rigenerativo.
Infine, esistono 4 tipi di canali K:
- Canale di attivazione lenta o a rettificazione ritardata
- Canale K attivato dal calcio
- Canale K rapido che si apre con una depolarizzazione in concomitanza con l’apertura dei canali Na
- Canale K di tipo M che si attiva molto lentamente.
