Il potenziale d'azione

Il citosol del neurone a riposo risulta carico negativamente rispetto al fluido extracellulare. Il potenziale d'azione è un rapido cambiamento di questa situazione e per un instante l'interno della membrana si carica positivamente rispetto all'esterno. Viene anche chiamato spike o scarica.

Proprietà

I potenziali d'azione hanno alcune proprietà universali:

• Alti e bassi del potenziale d'azione: quando il neurone è a riposo ΔV=-65 mV ed è caratterizzato da alcune parti identificabili con certezza:
• Fase crescente: rapida depolarizzazione della membrana durante la quale Vm raggiunge i (+)40 mV
• Potenziale a punta: parte di potenziale d'azione in cui l'interno del neurone è carico positivamente rispetto all'esterno
• Fase decrescente: rapida ripolarizzazione fino a quando la membrana diventa più negativa del potenziale di riposo (V<-65 mV)
• Iperpolarizzazione: è l'ultima parte della fare decrescente in cui V rimane al di sotto di -65 mV. Poi gradualmente V ritorna a -65 mV.

L'intero processo dura circa 2 millisecondi.

• Generazione di un potenziale d'azione: stimolo à la membrana delle fibre nervose viene messa in tensione à i canali permeabili al sodio si aprono. L'entrata di ioni sodio depolarizza la membrana, cioè il citosol della fibra diventa più negativo. Se il potenziale generatore (depolarizzazione) raggiunge un livello critico, la membrana genererà un potenziale d'azione. Tale livello è detto livello di soglia. I potenziali d'azione sono causati dalla depolarizzazione della membrana al di là del livello soglia. I potenziali d'azione sono tutto o niente.
• Generazione di potenziali d'azione multipli: se si fa passare corrente depolarizzante in un neurone attraverso un microelettrodo, si genereranno molti potenziali in successione, la cui frequenza di scarica dipende dall'intensità della corrente continua depolarizzante.
• Periodo refrattario assoluto: una volta che il potenziale d'azione è iniziato, è impossibile iniziarne un altro per almeno un millisecondo.
• Periodo refrattario relativo: risulta relativamente difficile cominciare un altro potenziale d'azione per numerosi millisecondi dopo la fine del periodo refrattario assoluto.

In teoria

Il potenziale d'azione è una ridistribuzione della carica elettrica da un capo all'altro della membrana.

• Depolarizzazione della cellula: entrata di ioni sodio attraverso la membrana
• Ripolarizzazione della cellula: uscita di ioni potassio attraverso la membrana

Consideriamo un neurone ideale, la cui membrana ha tre tipi di molecole proteiche: pompe Na-K, canali K e canali Na. Le pompe costituiscono e mantengono i gradienti di concentrazione.

Ipotizziamo una concentrazione di ioni K maggiore all'interno della cellula. Sia i canali K sia i canali Na sono chiusi. Apriamo solamente i canali K. Gli ioni K, a questo punto, usciranno dalla cellula seguendo il gradiente di concentrazione. L'interno della cellula nel frattempo si caricherà negativamente. Il movimento degli ioni K ha generato corrente e il potenziale di membrana è sceso fino a -80 mV. Il numero di canali K aperti è direttamente proporzionale alla conduttanza elettrica g (vedi La membrana del neurone a riposo, richiamo di fisica). La corrente K continuerà il flusso fin quando il potenziale di membrana sarà diverso dal potenziale di equilibrio. Quando  i canali K sono chiusi la membrana è impermeabile agli ioni K, dunque la conduttanza g è uguale a zero e non vi è corrente. Vi è corrente solo aprendo i canali K. Una volta che il potenziale di membrana è uguale al potenziale di equilibrio, la membrana è in equilibrio e non vi è più alcun flusso di corrente. A questo punto, non vi è più alcuna forza che agisce sugli ioni K.

Nel frattempo avremo una concentrazione maggiore di ioni Na al di fuori della cellula. Fin quando la membrana è impermeabile al sodio, cioè i canali Na sono chiusi, non ci sarà corrente Na. Aprendo i canali Na, grazie ai quali gli ioni sodio potranno passare, si genera immediatamente una forte corrente Na attraverso la membrana. Ipotizzando che gli ioni Na entrino più di quanto gli ioni K escano, il flusso Na depolarizza il neurone fino a quando il potenziale di membrana si avvicina al potenziale di equilibrio ionico Na, ovvero 62 mV. Cambiando la permeabilità dominante della membrana dagli ioni K agli ioni Na, il potenziale di membrana è stato rapidamente invertito. L'apertura dei canali Na determina la fase crescente. 

Quando i canali Na si chiudono improvvisamente e si aprono i canali K, avremo la fase decrescente. Ciò fa sì che la permeabilità dominante ritorni agli ioni K, che escono dalla cellula fino a che il potenziale di membrana non ritorni uguale al potenziale di equilibrio ionico K.

Ricapitolando:

• Fase crescente: corrente Na che si muove dall'esterno all'interno
• Fase decrescente: corrente K che si muove dall'interno all'esterno

In pratica

Sappiamo che il potenziale d'azione si genera a partire dall'apertura e chiusura dei canali Na-K. E' grazie a due fisiologi americani, Alan Hodgkin e Andrew Huxley, se si venne a scoprire, già vent'anni prima della dimostrazione diretta, dell'esistenza di canali proteici voltaggio-dipendenti. 

Il canale voltaggio-dipendente selettivo per il sodio (canale Na)

Il canale Na è quella proteina che forma un poro nella membrana selettivo per il sodio. Esso si apre e si chiude in base ai cambiamenti del potenziale elettrico della membrana.

• Struttura del canale Na: è formato da un singolo polipeptide. La molecola è costituita da quattro sequenze, numerate I, II, III e IV, ciascuna delle quali consta di sei tratti ad alfa-elica. Il poro è formato dall'unione delle quattro sequenze ed è chiuso quando il potenziale di riposo è negativo. Al livello di soglia, la molecola si deforma in modo tale da permettere il passaggio di ioni Na. Il canale Na è dodici volte più permeabile agli ioni Na che agli ioni K, grazie ad un filtro selettivo. L'apertura del canale Na è controllata dal cambiamento del voltaggio attraverso la membrana. 
• Proprietà funzionali: studiate grazie al metodo patch-clamp, ideato da Neher. Egli ha scoperto che se si fa variare il potenziale di membrana tra i -80 e i - 65 mV, i canali Na restano chiusi, invece tra i -65 e i -40 mV i canali Na si aprono, restando aperti per circa un millisecondo. Dopo il millisecondo i canali Na si richiudono cioè si inattivano e non possono più venire riaperti finché il potenziale di membrana non raggiunge un valore negativo vicino alla soglia. Un solo canale Na non dà origine al potenziale d'azione. C'è bisogno di migliaia di canali che lavorano in contemporanea per far sì che il potenziale d'azione avvenga. L'inattivazione dei canali è responsabile dell'esistenza del periodo refrattario assoluto. Ci sono vari geni che codificano per i canali Na. Una mutazione di un singolo aminoacido può causare l'epilessia generalizzata con crisi febbrili, una canalopatia, una malattia genetica ereditaria.
• Gli effetti delle tossine sul canale Na: la tetrodotossina (TTX) ostruisce il canale Na legandosi strettamente a un sito specifico all'esterno del canale; tutti i potenziali d'azione Na vengono bloccati e se la TTX viene assunta, sopraggiunge la morte! La TTX è presente nei pesci palla. Altre tossine sono: la saxitossina (prodotta dai dinoflagellati), la batracotossina (prodotta da una rana colombiana), la veratridina (prodotta dal giglio) e l'aconitina (prodotta dai ranuncoli). 

Il canale voltaggio-dipendente selettivo per il potassio (canale K)

A differenza dei canali Na, i canali K non si aprono immediatamente dopo la depolarizzazione, bensì dopo un millisecondo. Ci sono diversi tipi di canali K. Molti si aprono con la depolarizzazione della membrana. Costituiti da strutture simili, le proteine del canale K sono formate da quattro subunità polipeptidiche che danno origine al poro. Come per il canale Na, quando la membrana vine depolarizzata le subunità modificano la propria struttura permettendo agli ioni K di attraversare il poro.

Caratteristiche del potenziale d'azione

Il potenziale d'azione avviene in quest'ordine:

1. Soglia: livello soglia raggiunto, i canali Na si aprono, la permeabilità ionica favorisce il Na al K.
2. Fase crescente: gli ioni Na entrano improvvisamente nella membrana causando una rapida depolarizzazione.
3. Potenziale a punta: favoreggiamento del passaggio di ioni Na, il potenziale di membrana si avvicina al potenziale di equilibrio ionico Na superiore a 0 mV.
4. Fase decrescente: i canali Na si inattivano mentre si aprono bruscamente i canali K. Gli ioni K escono dalla cellula per i canali K aperti e il potenziale di membrana diventa di nuovo negativo.
5. Iperpolarizzazione: la permeabilità al sodio è bassa per cui il potenziale di membrana si avvicina al potenziale di equilibrio ionico K fino a che i canali K si chiudono nuovamente.
6. Periodo refrattario assoluto: i canali Na si disattivano, la membrana è depolarizzata. I canali Na non possono essere riattivati e non può esserci un altro potenziale d'azione fin quando il potenziale di membrana non diviene significativamente negativo da attivare i canali.
7. Periodo refrattario relativo: iperpolarizzazione fino alla chiusura dei canali K. Necessità di una maggiore corrente depolarizzante per portare il potenziale di membrana al livello di soglia.

Conduzione del potenziale d'azione

Una volta che l'assone è depolarizzato sufficientemente per raggiungere il livello di soglia, i canali Na si aprono e il potenziale d'azione inizia. Il potenziale di propaga lungo tutto l'assone fino a raggiungere la parte terminale e cominciare così la trasmissione sinaptica. Il potenziale d'azione si propaga sempre in un'unica direzione e non torna mai indietro. In genere la velocità con la quale si propaga il potenziale d'azione, cioè la velocità del segnale, è di 10 m/s e dato che, come abbiamo detto, dura 2 millisecondi, un potenziale d'azione riguarda 2 cm di assone.

Fattori che influenzano la velocità

Se l'assone è stretto e vi sono molti pori aperti nella membrana, gran parte della corrente Na fluirà attraverso la membrana. Al contrario, se l'assone è molto grande e ci sono pochi pori aperti, la corrente fluirà lungo l'interno dell'assone. Quindi, la velocità di conduzione aumenta all'aumentare del diametro dell'assone. Un esempio è quello del calamaro gigante il cui assone può avere un millimetro di diametro.

La mielina e la conduzione saltatoria

Con l'evoluzione, l'assone dei vertebrati si è rivestito di mielina, un isolante. La guaina mielinica consiste di vari avvolgimenti di membrana forniti dalle cellule gliali: cellule di Schwann nel SNP e l'oligodendroglia nel SNC. La guaina non si estende per l'intero assone, Ci sono dei punti d'interruzione chiamati nodi di Ranvier, dove gli ioni attraversano la membrana per generare dei potenziali d'azione. Infatti, i canali Na sono concentrati nei nodi di Ranvier. Negli assoni avvolti da mielina, il potenziale d'azione salta da nodo a nodo. Ciò è denominato conduzione saltatoria.