Studio del corpo umano 504 ~~--~~~--~------------------------------------------~--~

Luigi Galvani, 17371798, docente di anatomia all'Universit di Bologna, fu il primo a sostenere che i nervi fossero 'percorsi da un fluido elettrico di origine cerebrale e che fossero coperti da un materiale isolante.

31.2 l'impulso nervosoNel 1763, grazie a una serie di esperimenti eseguiti sulle rane, Luigi Galvani scopr che la conduzione nervosa associata a fenomeni elettrici. Come certamente sapete, ci sono due tipi di cariche elettriche, quella positiva e quella negativa. Cariche uguali si respingono e cariche opposte si attraggono; perci, particelle cariche negativamente tendono a muoversi verso una regione di carica positiva, e viceversa. I materiali che consentono il movimento di particelle cariche, come

~ 31.8 Disegno di un calamaro nel quale si notano i nervi stellati che contengono gli assoni giganti,

... 1.9 Potenziale elettrico. (A) Se i microelettrodi sono 3 entrambi posizionati lontano dalla membrana dell'assone, non si registra alcuna differenza di potenziale. (B) Se un elettrodo posto all'interno e uno all'esterno della membrana, l'oscilloscopio indica che l'interno ha un potenziale elettrico inferiore a quello esterno di circa 70 millivolt (potenziale di riposo), (C) Uno stimolo determina una momentanea inversione di polarit (potenziale d'azione) registrata dai due elettrodi.

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microelettrodi

non si registra alcun potenziale

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tempo (millisecondi) potenzialedi riposo (-70mV)

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tempo (millisecondi) potenzialed'azione: momentaneainversione di polarit

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tempo (millisecondi)

un filo di rame o una soluzione ionica, sono detti conduttori; i materiali che non lo consentono, come i grassi e la gomma, sono detti isolanti. La differenza della quantit di carica elettrica presente tra una regione di carica positiva e una regione di carica negativa detta potenziale elettrico. Il potenziale elettrico una forma di energia potenziale, come quella posseduta da un masso in cima a una collina o dall'acqua trattenuta da una diga. Questa energia potenziale trasformata in energia elettrica quan90 le part~celle elettriche sono fatte passare attraverso una soluzione o lungo un filo conduttore che collega due regioni di carica differente. La differenza di energia potenziale tra le due regioni si misura in volt o, se molto piccola, in millivolt. I progressi pi importanti nella comprensione dell natura dell'impuls

recettore tattile dell'epidermide

potenziale d'azione

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pressione

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gli impulsi nervosi viaggiano verso il sistema nervoso centrale

O 100 200

300 400 500tempo (millisecondi)

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Base ionica del potenziale d'azione

potenziale d'azione dipende dal potenziale elettrico eJl'assone che, a sua volta, instaurato dalla differenza delle concentrazioni ioniche presenti ai due lati delmembrana. Negli assoni le differenze di concentrazione pi importanti riguardano gli ioni potassio +) e gli ioni sodio (Na+). In condizioni di riposo la concentrazione degli ioni K+ nel cito plasma di un assone circa 30 volte maggiore rispetto al liquido ester; viceversa, la concentrazione di ioni Na+ circa lO lte maggiore nelliquido extracellulare rispetto al ci01. La distribuzione degli ioni su entrambi i lati delmembrana regolata da tre fattori: la diffusione di particelle secondo un gradiente di concentrazione; il fenomeno secondo cui le particelle di carica opposta si attraggono e le particelle di carica uguale si respmgono; le propriet della membrana stessa. ~ doppio strato lipidico della membrana dell' assone , alogamente a quello delle altre membrane cellulari, +ioni Na+

impermeabile agli ioni e a gran parte delle molecole polari. Il passaggio di queste particelle attraverso la membrana dipende dalla presenza delle proteine integrali di membrana che costituiscono i canali attraverso cui le particelle possono passare; la membrana dell'assone ricca di proteine che forniscono i canali per il passaggio di ioni specifici, in particolare degli ioni Na + e K+. La configurazione di queste proteine e, di conseguenza, l'apertura e la chiusura dei canali, pu variare in base alle concentrazioni ioniche presenti ai due lati della membrana; questi canali sono perci detti a controllo di potenziale o voltaggio-dipendenti (voltage-gated). Un' altra proteina integrale di membrana presente sulla membrana degli assoni la pompa sodio-potassio (pompa Na't/K") (vedi capitolo 5); questo tipo di proteina ha l'importante compito di trasportare fuori dall'assone gli ioni Na + e di pompare al suo interno gli ioniK+. Quando la membrana dell' assone in condizioni di riposo (FIGURA 11.11 ), i canali dello ione Na + sono in gran parte chiusi; di conseguenza, la membrana quasi im-_

+

ioni K+

-

ioni negativi che diffondono (HC03 - e CI- )

= ioni negativi che non diffondono

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+~"OO;)

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~11.11 Un assone in condizione di riposo. I canali del sodi o e del potassio a controllo di potenziale sono in gran parte chiusi, mentre sono aperti i canali di fuga del potassio e del sodio; la pompa sodi 0potassio attiva e fa uscire dall'assone tre ioni Na" ogni due ioni K+ che vengono fatti entrare.

+canale di fuga per Na+

++canale di fuga per il K+

+ +canale del Na+ a controllo di potenziale

+ + + +

+

canale del K+ a controllo di potenziale

506

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Stuoio oel corpo umano

~ 31. 12 Potenziale d'azione. I canali del sodio a controllo di potenziale si aprono e gli ioni Na+ penetrano all'interno dell'assone facendo momentaneamente invertire la polarit della membrana assonica.

+ ioni Na+

- ioni negativi che diffondono (HC03~ e CI~ )

ioni negativi che non diffondono (di grandi dimensioni)

+

+

+canale di fuga per Na+ '::Pi, vespe e scorpioni , ;?ssono paralizzare piccoli animali grazie alle loro tossine che, bloccando i canali K+ presenti negli assoni delle prede, non permettono la propagazione dell'impulso nervoso e impediscono quindi anche la contrazione muscolare.

+

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+

+

+

+

i canali del Na+ a controllo canale di fuga di potenziale si aprono; per il K+ gli ioni Na+ entrano nell'assone

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canale del K+ a controllo di potenziale

pompa Na+/K+

permeabile agli ioni Na +.I pochi ioni Na+ che diffondono attraverso i canali aperti (muovendosi secondo illoro gradiente di concentrazione) vengono subito portati fuori dalla pompa sodio- potassio. Molti canali delpotassio,invece, sono aperti sel'assone in condizioni di riposo: la sua membrana perci relativamente permeabile a ' questi ioni; a causa del gradiente di concentrazione, quindi, gliioni K+ tenderebbero a uscire dalla cellula. Se non vi fossero altre forze in gioco, gli ioni K+ si muoverebbero secondo il loro normale gradiente di concentrazione fino a raggiungere un'uguale distribuzione su entrambi i lati della membrana. Invece, a causa dell'impermeabilit del doppio strato lipidico, le molecole cariche negativamente, come certi ioni e diverse proteine, non possono seguire gli ioni K+ fuori dalla cellula. Perci, quando gli ioni K+ escono, si crea un eccesso di cariche negative all'interno della cellula e questo fatto attrae gli ioni positivi K+, impedendo loro un ulteriore movimento verso l'esterno. Si raggiunge in questo modo un equilibrio tale per cui non c' alcun movimento netto di ioni K+ attraverso la membrana. Nelle condizioni di equilibrio c' una leggera prevalenza di cariche negative all'interno della cellula e la membrana viene detta polarizzata.+ ioni Na+ + ioni K+ + +

Questo punto di equilibrio il potenziale di riposo il cui valore, come abbiamo detto, di circa -70 millivolt, anche se pu variare in base al tipo di cellula che si considera. Quando la membrana dell'assone stimolata, i canali del Na + a controllo di potenziale si aprono nel sito dello stimolo; gli ioni Na+, molto pi concentrati all'esterno per l'azione svolta dalla pompa sodio- potassio, passano rapidamente all'interno, muovendosi secondo il loro gradiente di concentrazione e attratti, inizialmente, dalla carica negativa presente all'interno dell'assone. Questa immissione di ioni positivi inverte momentaneamente la polarit della membrana, cosicch diventa pi positiva all'interno che all'esterno, producendo il potenziale d'azione (FIGURA31r12); in questo punto della membrana, la differenza di potenziale passata da -70 millivolt a circa + 40 mV.Tale modificazione della permeabilit al sodio dura soltanto un millisecondo, poi i canali del sodio si chiudono e la membrana riacquista la sua precedente impermeabilit agli ioni Na +. Quasi immediatamente si aprono i canali K+ a con,trollo di potenziale presenti in questa stessa regione della membrana e gli ioni K+ fuoriescono dall' assone (FIGURA 31.13). Il flusso verso l'esterno di ioni K+ bilan-

~ 31.13 Quando si chiudono i canali a controllo di potenziale del sodio si aprono quelli del potassio, il che porta alla ripolarizzazione della membrana e al ristabilirsi della condizione di riposo.

- ioni negativi che diffondono (HC03 ~ e CI~ )

ioni negativi che non diffondono (di grandi dimensioni)

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+

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+

canale di fuga per Na+

canale di fuga per il K+

i canali del Na+ i canali del K+ a controllo a controllo di potenziale di potenziale si aprono; si chiudono gli ioni K+ escono dall'assone

pompa Na+/K+

'inversione di polarit dovuta al precedente flusso l'interno di ioni Na + e il potenziale di riposo raente ripristinato. Le fasi di depolarizzazione e di Iarizzazione che costituiscono il potenziale d'aziosono illustrate nel grafico della FIGURA31.14. Trasportando gli ioni Na+ e K+ attraverso la mema dell'assone, la pompa sodio-potassio riporta _ "le concentrazioni di questi ioni ai loro livelli iniziazipristinando le condizioni di partenza. La pompa "o-potassio utilizza una molecola di ATP per far e contemporaneamente tre ioni Na + fuori dalla a e due ioni K+ al suo interno. TI numero reale di ioni interessati relativamente lo: si calcola che, nel millisecondo in cui rimane ~o, ogni canale ionico consenta il passaggio di circa ioni Na + e un numero analogo di ioni K+ esca dalcellula per ripristinare il potenziale di riposo; di conenza, i potenziali d'azione possono muoversi lungo ne con scatti rapidi, cio con modificazioni delle centrazioni ioniche nelle vicinanze della membrana niea che non determinano cambiamenti sostanziali e concentrazioni interne degli ioni Na + e K+.

m fibra amielinicapotenziale d'azione__ -LI __ ~~

. 31.15 ( .... )gazione dell'impulso nervoso in una fibra amielinica;tutta la membrana dell'assoarea che sta ne disseminata di per essere depolarizzata canali per il sodio e il __ ~ILpotassio. (B) In una fibra mielinica i canali ionici e i trasporti mediante pompa sodiopotassio sono presenti solo nei nodi di Ranvier.

ripolarizzazioner__

~IL-,~

K+

1/

Na+

fibra mielinica

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~mielina potenziale d'azioneIN~+I~~

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area che sta per essere depolarizzata

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Propagazione dell'impulso nervosomembrana, facendo aprire i relativi canali del sodio e permettendo al processo di ripetersi. Grazie a questo processo ripetitivo, che si rinnova per tutta la lunghezza della membrana, l'assone in grado di condurre un impulso nervoso per notevoli distanze senza che diminuisca la sua intensit. L'impulso nervoso si muove in un'unica direzione poich il segmento dell'assone immediatamente precedente al passaggio del potenziale d'azione ha un breve periodo refrattario durante il quale la membrana risulta iperpolarizzata a causa di un eccesso di cariche positive al suo esterno. La differenza di potenziale raggiunge momentaneamente un valore intorno ai -80 mV prima che la pompa sodio-potassio ristabilisca il normale potenziale di riposo facendo rientrare quegli ioni K+ in eccesso che, uscendo dall'assone, avevano provocato l'iperpolarizzazione. Durante il periodo refrattario i canali del sodio a controllo di potenziale non si possono aprire e questo il motivo per cui il potenziale d'azione non pu tornare indietro.

- a caratteristica importante dell'impulso nervoso e, una volta originatosi, la temporanea inversione di _ larit da esso prodotta continua a spostarsi lungo one. Il potenziale d'azione si autopropaga perch momento di massima inversione di polarit, quanl'interno della membrana nella regione attiva re" amente positivo, ioni carichi positivamente passada questa regione all'area adiacente interna, che ora relativamente negativa (FIGURA 31.15A). Come tato di ci, l'area adiacente diventa depolarizzata, cio meno negativa; la differenza di potenziale passa da -70 mVa - 50 mV,un valore, chiamato soglia, che la brana deve raggiungere affinch si possano apriicanali del sodio a controllo di potenziale. L'ingresso degli ioni Na + e il conseguente aumento concentrazione di questi ioni all'interno dell'asne depolarizza la successiva area adiacente dellariposo: i canali ionici a controllo di potenziale sono chiusi depolarizzazione: si aprono i canali del sodio a controllo di potenziale :;:-40 ripolarizzazione: si chiudono i canali del sodio e si aprono i canali a controllo di potenziale del potassio 3 tempo (millisecondi)

Ruolo della guaina rnielinica#"'---i'#-"~~~

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14 Grafico di un potenziale d'azione e dei flussi ioniassociati.

Come abbiamo visto nella figura 31.2, i lunghi assoni sono generalmente avvolti da guaine mieliniche interrotte, a intervalli regolari, dai nodi di Ranvier, in cui gli ioni sodio e quelli potassio possono entrare o uscire dall'assone. In questo modo, nelle fibre mieliniche, di cui fanno parte tutte le grosse fibre nervose dei vertebrati, l'impulso salta da un nodo all'altro invece che percorrere senza interruzione tutta la membrana (FIGU" RA 31.15B). Questa conduzione a salti aumenta enormemente la velocit di propagazione.

Alcune grosse fibre ~ nervose mieliniche ., conducono gli impulsi alla velocit di 120 metri al secondo, in confronto alla velocit di solo pochi millimetri al secondo delle piccole fibre amieliniche .