A. Misurazione del flusso di ioni e del potenziale di membrana
Quando i neurotrasmettitori si legano ai loro recettori, i canali ionici nelle cellule neuronali o muscolari che rispondono si aprono. Il risultante afflusso di ioni Na+ interrompe il potenziale di riposo della cellula bersaglio. L’effetto è solo transitorio se il potenziale di membrana rimane negativo. Tuttavia, se abbastanza ioni Na+ entrano nella cellula, la membrana si depolarizza. Se la cellula sperimenta l’iperpolarizzazione, un’inversione localizzata della normale polarità di membrana (diciamo da -70 mV a +65mV o più) genererà un potenziale d’azione. Questo potenziale d’azione viaggerà come una corrente lungo la membrana della cellula neurale o muscolare, innescando alla fine una risposta fisiologica, per esempio l’eccitazione della prossima cellula nervosa in un percorso neuronale o la contrazione della cellula muscolare. Il dispositivo patch-clamp rileva il flusso di ioni specifici e qualsiasi cambiamento risultante nella differenza di potenziale attraverso la membrana. I principi di misurazione del patch-clamp sono illustrati qui sotto.
Nell’esempio sopra, la chiusura dell’interruttore dell’alimentatore invia una carica elettrica alla cellula, aprendo un canale ionico legato al voltaggio. In questo caso, un sensore di potassio nel dispositivo rileva il flusso di ioni K+ attraverso il canale e fuori dalla cella. Allo stesso tempo, un voltmetro registra il cambiamento risultante nel potenziale di membrana.
297 Un dispositivo patch clamp può registrare il potenziale di membrana e il flusso di ioni
298 Il patch clamp misura il potenziale di riposo e la depolarizzazione
Oltre ai canali ionici voltaggio-gati, il dispositivo patch clamp può misurare il flusso ionico attraverso canali ionici ligando-gati e canali ionici meccanicamente-gati.
I primi canali sono porte ioniche recettoriali che si aprono quando legano una molecola effettrice. I canali ionici a meccanismo rilevano la pressione fisica o lo stress che provocano una deformazione locale della membrana, aprendo il canale.
299 Canali ionici Gated
300 Tipi di canali ionici Gated – illustrati
Infine, le cellule mantengono un’alta concentrazione intracellulare di ioni K+, causando una lenta perdita di ioni K+ dalla cellula, un fenomeno rilevabile da un patch-clamp. La presenza di ioni negativi (Clioni, ioni organici) all’interno di una cellula limita la perdita. Questo crea l’interno elettronegativo di una cellula rispetto all’esterno della cellula, cioè il potenziale di riposo attraverso la sua membrana plasmatica. La tecnica del patch-clamp è stata usata per correlare il flusso di ioni e i cambiamenti nel potenziale di membrana quando un neurone spara, causando un potenziale d’azione in una cellula che risponde.
Questa correlazione è descritta nella prossima pagina. Nell’illustrazione, seguite l’apertura e la chiusura dei canali ionici e il flusso di ioni. Un potenziale d’azione (in effetti qualsiasi spostamento dal potenziale di riposo) risulta dalla diffusione facilitata di ioni specifici dentro o fuori la cellula attraverso i canali ionici gated (verdi, sopra) che devono aprirsi e chiudersi in sequenza. Nel grafico è illustrato il comportamento di due diversi canali ionici voltaggio-gated. La stimolazione elettrica apre i canali Na+. Gli ioni Na+ si precipitano nella cellula, riducendo il potenziale di membrana dallo stato di riposo a zero, o addirittura rendendo il citoplasma più positivo del fluido extracellulare. Se l’inversione di polarità è abbastanza alta, un voltagabbana K+ si apre e gli ioni di potassio si precipitano nella cellula, ripristinando il potenziale di riposo della cellula.
Una cellula può continuare a rispondere agli stimoli con potenziali d’azione finché c’è abbastanza Na+ fuori della cellula e K+ dentro la cellula. Mentre il trasporto attivo di Na+ e K+ non è richiesto per ristabilire il potenziale di riposo, alla fine sarà necessario per ripristinare l’equilibrio dei due ioni nella cellula. Se una cellula nervosa o muscolare spara diverse volte (o anche solo se perde ioni), l’interno della cellula e l’esterno della cellula scenderanno a un punto in cui la cellula non può generare un potenziale d’azione quando viene stimolata. In definitiva, è il ruolo delle pompe Na+/K+ dipendenti dall’ATP a ripristinare l’appropriato equilibrio Na+:K+ attraverso la membrana cellulare che risponde. Come abbiamo visto, ogni ciclo di pompaggio scambia 3 ioni Na+ dallo spazio intracellulare con 2 ioni K+ dallo spazio extracellulare. La pompa ha due effetti:
- Ripristina le concentrazioni di Na+ nello spazio extracellulare rispetto al citoplasma.
- Ripristina le concentrazioni di K+ nel citoplasma rispetto allo spazio extracellulare.
301 I canali ionici Gated si aprono e si chiudono in ordine durante un potenziale d’azione
Insieme alle maggiori concentrazioni di ioni negativi nel citosol, lo scambio ineguale di ioni Na+ per ioni K+ mantiene il potenziale di riposo della cellula nel lungo termine e assicura che le cellule nervose e muscolari rimangano eccitabili. In seguito, daremo uno sguardo più da vicino al ruolo dei canali ionici ligando-gated e voltage-gated nella neurotrasmissione.
B. Canali ionici nella neurotrasmissione
I potenziali d’azione risultano in un’apertura e chiusura ordinata e sequenziale dei canali voltaggio e ligando-gated lungo l’assone neuronale. Nel link qui sotto, potete vedere il ciclo sequenziale dei canali voltaggio-galati che propagano un potenziale d’azione localizzato (depolarizzazione della membrana) lungo un assone verso una sinapsi.
302 Propagazione di un potenziale d’azione lungo un assone
Quando una depolarizzazione propagata raggiunge una sinapsi, i canali ionici gated si aprono o si chiudono nel neurone e nella cellula che risponde. La cooperazione dei canali voltaggio e ligando-gated in una giunzione neuromuscolare è illustrata qui sotto.
Come si può vedere dall’illustrazione, dopo che un neurone scatta, un impulso elettrico (una regione mobile di iperpolarizzazione) viaggia lungo l’assone fino alla terminazione nervosa. All’estremità del nervo, la differenza di carica che viaggia (potenziale elettrico) attraverso la membrana cellulare stimola l’apertura di un canale Ca++ -specifico a tensione. Gli ioni Ca++ fluiscono quindi nella cellula perché sono in concentrazioni più alte nella fessura sinaptica che nel citoplasma.
Gli ioni Ca2+ nella cellula fanno sì che le vescicole sinaptiche si fondano con la membrana nella terminazione nervosa, rilasciando neurotrasmettitori nella fessura sinaptica. Poi, i neurotrasmettitori si legano a un recettore sulla membrana plasmatica della cellula che risponde. Questo recettore è un canale ligand-gated (chiamato anche canale chimicamente-gated). Al legame del neurotrasmettitore ligando, il canale si apre. La rapida diffusione di ioni Na+ nella cellula crea un potenziale d’azione che porta alla risposta cellulare, in questo caso la contrazione muscolare. Abbiamo già visto che i canali K+ partecipano al ripristino del potenziale di membrana dopo un potenziale d’azione, e il ruolo della pompa sodio/potassio nel ripristino dell’equilibrio cellulare Na+/K+.
303 Il ruolo dei canali ionici Gated alla giunzione neuromuscolare