Il Potenziale d´Azione

Che cos’e’ il potenziale d’azione

Per studiare i potenziali d’azione si usa uno speciale tipo di voltmetro, l’oscilloscopio, che registra il voltaggio di membrana mentre questo cambia nel tempo. Cio’ che si osserva e’ una sequenza di fasi che si succedono con grande regolarita’. Nella fase crescente la membrana va incontro a una rapida depolarizzazione: il potenziale di membrana (Vm) sale fino a raggiungere un picco di circa +40 mV. La porzione in cui l’interno del neurone risulta caricato positivamente rispetto all’esterno e’ chiamata potenziale a punta.

Segue la fase decrescente, una rapida ripolarizzazione che porta la membrana a diventare ancora piu’ negativa del potenziale di riposo. L’ultima parte di questa fase prende il nome di iperpolarizzazione, dopo la quale si ristabilisce gradualmente il potenziale di riposo. Dall’inizio alla fine, l’intero potenziale d’azione dura circa 2 millisecondi.

Come si genera: la soglia e la legge del tutto o niente

Tutto comincia con una depolarizzazione progressiva, chiamata potenziale generatore. Quando questa depolarizzazione raggiunge un livello critico, la membrana da’ avvio al potenziale d’azione. Quel livello critico prende il nome di soglia: i potenziali d’azione sono infatti causati dalla depolarizzazione della membrana oltre il livello di soglia.

Per questa ragione si dice che sono fenomeni tutto o niente. Se la membrana non raggiunge la soglia, non accade nulla; una volta superata, il potenziale d’azione si scatena con un’ampiezza fissa, indipendente da quanto la soglia sia stata superata. Non esistono potenziali d’azione “piccoli” o “grandi”: esistono o non esistono.

Treni di potenziali e frequenza di scarica

Se attraverso un microelettrodo facciamo passare corrente depolarizzante in modo continuo, il neurone non genera un solo potenziale, ma molti in successione. La frequenza di scarica dipende dall’intensita’ della corrente: depolarizzando la cellula appena al livello di soglia si ottiene circa un potenziale al secondo, cioe’ un hertz (1 Hz); aumentando la corrente la frequenza cresce, fino a decine di impulsi al secondo. In altre parole, la frequenza di scarica riflette l’intensita’ dello stimolo.

Questa crescita non e’ pero’ illimitata. La frequenza massima di scarica si aggira intorno ai 1000 Hz, perche’ una volta iniziato un potenziale d’azione e’ impossibile generarne un altro per almeno 1 millisecondo: e’ il periodo refrattario assoluto. Subito dopo, durante il periodo refrattario relativo, generare un nuovo potenziale resta difficile, perche’ la corrente necessaria per raggiungere la soglia e’ piu’ alta del normale.

Il meccanismo ionico: sodio in entrata, potassio in uscita

Nel dettaglio, il potenziale d’azione consiste in una ridistribuzione della carica elettrica da un capo all’altro della membrana, governata dal movimento di due ioni. La depolarizzazione della fase crescente e’ causata dall’entrata di ioni sodio (Na+) attraverso la membrana; la ripolarizzazione della fase decrescente e’ dovuta invece all’uscita di ioni potassio (K+).

A riposo la membrana del neurone ideale e’ permeabile soprattutto agli ioni K+. Quando viene depolarizzata fino alla soglia, si verifica un aumento transitorio della permeabilita’ al sodio: i canali selettivi per il Na+ si aprono e la permeabilita’ dominante passa dal potassio al sodio. Il flusso di Na+ verso l’interno spinge cosi’ il Vm verso valori positivi. Nella fase decrescente i canali per il sodio si chiudono improvvisamente mentre si aprono quelli per il potassio: la permeabilita’ dominante torna da Na+ a K+, il potassio esce dalla cellula e il Vm torna verso il valore di riposo. Tutto il meccanismo, dunque, e’ guidato da canali che si aprono e si chiudono in risposta ai cambiamenti del potenziale di membrana.

I canali voltaggio-dipendenti

Il canale per il sodio

Il canale voltaggio-dipendente per il sodio e’ formato da un singolo polipeptide che costituisce un poro nella membrana, altamente selettivo per gli Na+. Il poro si apre e si chiude in funzione del potenziale elettrico: resta chiuso al potenziale di riposo negativo e consente l’accesso del sodio solo quando la membrana si depolarizza fino alla soglia, intorno a -40 mV. Questi canali mostrano un comportamento caratteristico: si aprono con un piccolo ritardo, restano aperti per circa 1 millisecondo e poi si chiudono inattivandosi. Non possono essere riaperti dalla depolarizzazione finche’ il Vm non torna a un valore negativo, vicino a -65 mV. Un singolo canale non basta a generare un potenziale d’azione: serve l’azione complessiva di tutti i canali presenti in una regione di membrana.

Il canale per il potassio

Anche i canali per il potassio hanno una struttura proteica sensibile al campo elettrico di membrana. Si aprono circa 1 millisecondo dopo la depolarizzazione e la loro elevata permeabilita’ rende la membrana iperpolarizzata per un breve periodo. Quando si richiudono, il potenziale di membrana torna al valore di riposo di circa -65 mV. E’ questo sfasamento temporale tra apertura del sodio e del potassio a dare al potenziale d’azione la sua forma a punta.

La tecnica del blocco del voltaggio e la tetrodotossina

Buona parte di queste conoscenze deriva dalla tecnica del blocco del voltaggio, che permette di fissare il Vm di un assone a un valore prescelto: misurando le correnti che fluiscono attraverso la membrana si possono dedurre i cambiamenti di conduttanza. Un altro strumento decisivo e’ stato farmacologico. La tetrodotossina (TTX) e’ una potente tossina capace di bloccare completamente i potenziali d’azione e le correnti di sodio: ostruisce il poro permeabile agli Na+ legandosi a un sito specifico esterno al canale, e proprio per questa azione selettiva e’ diventata uno strumento prezioso per isolare e studiare le correnti ioniche.

Le caratteristiche fase per fase

Mettendo insieme i pezzi, le fasi del potenziale d’azione corrispondono a precisi eventi a livello dei canali. Alla soglia, i canali voltaggio-dipendenti per il sodio si aprono improvvisamente e la permeabilita’ favorisce il sodio rispetto al potassio. Nella fase crescente, la forte forza che agisce sugli ioni Na+ li spinge nella cellula causando una rapida depolarizzazione. Al potenziale a punta, poiche’ la permeabilita’ favorisce il sodio, il Vm si sposta verso valori positivi.

Nella fase decrescente i canali per il sodio si inattivano e si aprono quelli per il potassio: gli ioni K+ escono dalla cellula e il potenziale torna negativo. Nell’iperpolarizzazione, la permeabilita’ al potassio supera quella al sodio e il Vm scende sotto il valore di riposo, finche’ i canali per il K+ non si richiudono. Durante il periodo refrattario assoluto i canali per il sodio restano disattivati e nessun nuovo potenziale puo’ nascere finche’ il Vm non torna sufficientemente negativo; durante il periodo refrattario relativo la membrana resta iperpolarizzata e serve una corrente piu’ intensa per raggiungere di nuovo la soglia. A fare da regista silenzioso e’ la pompa sodio-potassio, che mantiene i gradienti di concentrazione ionica che guidano Na+ e K+ attraverso i canali.

La conduzione lungo l’assone

La propagazione del potenziale d’azione e’ spesso paragonata alla fiamma che corre lungo una miccia. Quando un segmento di assone si depolarizza fino alla soglia, i canali per il sodio si aprono e il potenziale d’azione ha inizio; il flusso di cariche positive verso l’interno depolarizza il segmento vicino fino alla soglia, e cosi’ il segnale si propaga di tratto in tratto lungo l’assone fino alla parte terminale, dove avvia la trasmissione sinaptica.

Un potenziale d’azione che parte da un punto dell’assone si propaga in un’unica direzione, perche’ la membrana appena attraversata e’ refrattaria, con i canali per il sodio disattivati. In condizioni sperimentali, pero’, stimolando entrambi i terminali dell’assone, il segnale puo’ propagarsi in entrambe le direzioni. La velocita’ di conduzione tipica e’ di circa 10 m/sec e dipende dalle caratteristiche fisiche dell’assone: come regola generale, aumenta con l’aumentare del diametro dell’assone.

Potenziali d’azione, assoni e dendriti

Il potenziale d’azione e’ soprattutto una caratteristica degli assoni. La membrana dei dendriti e dei corpi cellulari, di regola, non produce potenziali d’azione sodio-dipendenti, perche’ possiede pochissimi canali voltaggio-dipendenti per il sodio: solo le membrane dotate di queste molecole proteiche specializzate sono capaci di generarli. Per questo il cono d’integrazione, da cui originano gli assoni, e’ chiamato anche zona che da’ origine agli spike.

In un tipico neurone del cervello o del midollo spinale, la depolarizzazione di dendriti e soma prodotta dagli input sinaptici di altri neuroni genera un potenziale d’azione solo se la membrana del cono d’integrazione viene depolarizzata oltre la soglia. In molti neuroni sensoriali la zona di origine dello spike si trova vicino alle terminazioni del nervo sensitivo, dove la depolarizzazione causata dalla stimolazione sensoriale innesca i potenziali d’azione che poi viaggiano lungo i nervi.

Domande frequenti

Perche’ il potenziale d’azione e’ definito un fenomeno “tutto o niente”?

Perche’ si scatena solo quando la depolarizzazione raggiunge la soglia, e allora compare sempre con la stessa ampiezza. Sotto soglia non accade nulla; sopra soglia il potenziale parte in modo completo, indipendentemente da quanto la soglia sia stata superata. L’informazione sull’intensita’ dello stimolo non sta quindi nell’ampiezza del singolo potenziale, ma nella frequenza con cui i potenziali vengono generati.

Qual e’ il ruolo degli ioni sodio e potassio?

Il sodio (Na+) entra nella cellula durante la fase crescente, depolarizzando la membrana e portando il voltaggio verso valori positivi. Il potassio (K+) esce durante la fase decrescente, riportando il potenziale verso il riposo e producendo la breve iperpolarizzazione finale. L’apertura e la chiusura sfasate dei rispettivi canali voltaggio-dipendenti danno al potenziale d’azione la sua forma caratteristica.

Che cos’e’ il periodo refrattario e a cosa serve?

E’ l’intervallo che segue ogni potenziale d’azione. Nel periodo refrattario assoluto, di circa 1 millisecondo, i canali per il sodio sono inattivati e nessun nuovo potenziale puo’ nascere; nel periodo refrattario relativo serve una corrente piu’ intensa per raggiungere la soglia. Questo meccanismo limita la frequenza massima di scarica e garantisce che il potenziale si propaghi in una sola direzione lungo l’assone.

Perche’ i potenziali d’azione nascono negli assoni e non nei dendriti?

Perche’ la membrana dei dendriti e del corpo cellulare ha pochissimi canali voltaggio-dipendenti per il sodio, indispensabili per generare il segnale. La concentrazione di questi canali e’ massima nel cono d’integrazione, il punto in cui l’assone si origina, che per questo viene chiamato anche zona di origine degli spike.