Segnali elettrici nei neuroni: eccitazione della membrana

Sebbene un voltaggio (o differenza di potenziale) stabile esista attraverso le membrane di tutte le cellule animali, soltanto le membrane delle cellule elettricamente eccitabili (vale a dire, neuroni, cellule muscolari e cellule sensoriali) sono in grado di rispondere a variazioni delle differenza di potenziale generando potenziali di azione. Lo studio dell'”elettricità animale” ha una lunga storia che inizia dalle osservazioni effettuate nel diciottesimo secolo da Luigi Galvani. Questo scienziato, lavorando con una preparazione nervo-muscolo prelevata da una zampa di rana, osservò che i muscoli si contraevano se il nervo ed il muscolo venivano toccati in un certo modo con barrette metalliche. Le due barrette dovevano essere costituite da metalli diversi (per esempio una di rame e l'altra di zinco). Nell'esempio di Galvani, una barretta veniva posta a contatto con il muscolo e l'altra con il nervo, innervante lo stesso muscolo; quando queste due barrette venivano messe a contatto tra di loro, il muscolo si contraeva. Galvani e suo nipote interpretarono questo fenomeno come una scarica di elettricità animale che era accumulata nel muscolo e veniva liberata dai nervi. Essi ipotizzarono che un “fluido elettrico” passasse dal muscolo attraverso il metallo e poi tornasse indietro ed inoltre che la scarica di elettricità dal muscolo ne provocasse la contrazione. Noi ora sappiamo che questa interpretazione è in gran parte inesatta.
Questo esperimento, però, stimolo molti scienziati ad occuparsi del fenomeno. Primi fra tutti, Alessandro Volta, che nel 1972, suggerì che lo stimolo elettrico che induceva il muscolo a contrarsi nei preparati di Galvani era generato all'esterno del tessuto dal contatto tra i differenti metalli ed i liquidi salini del tessuto, quindi Volta ipotizzò un origine elettrolitica della corrente elettrica da metalli diversi. Ma la prima dimostrazione che i tessuti eccitabili producono effettivamente corrente elettrica la si deve a Carlo Matteucci, che dimostrò come l'attività elettrica di un muscolo in contrazione poteva stimolare un secondo preparato nervo-muscolo. Oggi sappiamo, che correnti elettriche vengono generate nei tessuti viventi laddove vi sia un flusso netto di particelle cariche attraverso la membrana. Queste correnti possono essere direttamente rilevate utilizzando due elettrodi per misurare la variazione di potenziale elettrico causata dal flusso di corrente attraverso la membrana cellulare. Un elettrodo di misura viene posto a contatto elettrico con il liquido interno della cellula mentre l'altro, l'elettrodo di riferimento, è posto a contatto con il mezzo extracellulare in modo tale che i due elettrodi forniscano una misura del voltaggio, o differenza di potenziale, esistente tra il citosol e il liquido extracellulare. La differenza di potenziale misurata attraverso la membrana (il potenziale di membrana, Vm) è amplificata elettronicamente e visualizzata mediante uno strumento di registrazione che fino a pochi anni fa era l'oscilloscopio, oggi invece si usano i computer. Comunque, molto di ciò che oggi sappiamo sulle modalità di generazione dei potenziali d'azione si basa sui risultati degli esperimenti condotti da A.L. Hodgkin e A.F Huxley negli anni Quaranta e Cinquanta, Per la loro registrazione dei potenziali di membrana, questi ricercatori usarono per la prima volta gli assoni giganti di calamaro. In un tipico esperimento, il neurone è immerso in una soluzione fisiologica in contatto elettrico con un elettrodo di riferimento. Prima che la punto del microelettrodo di registrazione penetri all'interno della cellula, questo e l'elettrodo di riferimento sono entrambi a contatto con la soluzione salina e si trovano allo stesso potenziale elettrico; la differenza di potenziale registrata tra i due elettrodi è, dunque, zero. Quando la punta del microelettrodo penetra all'interno della cellula ed entra nel citosol, appare immediatamente una deflessione verso il basso della traccia del voltaggio indicata nella traccia oscillografica, indicando che ora l'elettrodo è all'interno della cellula e sta misurando la differenza di potenziale attraverso la membrana cellulare. Il potenziale stazionario, negativo all'interno, registrato dall'elettrodo dopo la sua penetrazione nel citosol è il potenziale di riposo, Vrip della membrana cellulare ed è espresso in millivolt. Per potenziale di riposo si intende il potenziale della membrana quando non sono in corso eventi attivi o risposte postsinaptiche. Praticamente tutte le cellule che sono state studiate hanno un potenziale di riposo negativo con una valore oscillante tra -20 mV e -100 mV. Questa differenza di potenziale costituisce un gradiente elettrico che funge da forza motrice per il movimento degli ioni attraverso la membrana. Il campo elettrico, E, è uguale al voltaggio in volt diviso la distanza d, in metri (E=V/d). Poiché d, lo spessore della membrana è un numero molto piccolo (5 nm) il campo elettrico esistente attraverso le membrane cellulari è molto elevato.
Il potenziale di membrana a riposo, come sappiamo, risulta da un'ineguale distribuzione di ioni sui due versanti della membrana. Due fattori incidono sul potenziale di membrana:
1.I gradienti di concentrazione dei diversi ioni a cavallo della membrana . Gli ioni sodio (Na+), cloro (Cl-) e calcio (Ca2+) sono più concentrati nel liquido extracellulare, mentre gli ioni potassio (K+) sono più concentrati nella cellula; tutto ciò dà luogo ad un potenziale elettrochimico;
2.La permeabilità della membrana a questi ioni: la membrana cellulare a riposo è molto più permeabile al K+ che al Na+ e Ca2+. Ciò significa che il K+ è lo ione che più contribuisce al potenziale di membrana a riposo.
L'equazione di Nernst descrive il potenziale di membrana che un singolo ione produrrebbe a cavallo di una membrana permeabile solamente a quello ione. Infatti, per un qualsiasi ione questo potenziale viene definito potenziale di equilibrio per quello ione, o Eione, ed è dato da:
Ex = (RT/zF) ln([X]e/[X]i)
dove Ex è il potenziale di equilibrio per lo ione X, R è la costante dei gas, T la temperatura assoluta (Kelvin), z valenza dello ione, F costante di Faraday ed [X]e e [X]i le concentrazioni dello ione ai due lati della membrana. In base all'equazione di Nernst si può predire un aumento del potenziale di equilibrio di 58 mV quando il rapporto di concentrazione dello ione diffusibile aumenta di un fattore 10.
L'equazione di Goldman, invece, viene utilizzata per calcolare il potenziale di membrana che risulta dal contributo di tutti gli ioni che possono attraversare la membrana. Nelle cellule dei mammiferi, Na+, K+ e Cl- sono i tre principali ioni che influenzano il potenziale di membrana nella cellula a riposo. Il contributo di ciascuno ione al potenziale di membrana è proporzionale alla sua capacità di attraversare la membrana. L'equazione di Goldman per cellule permeabili a questi tre ioni è:
Vm = (RT/zF) log (PK[K+]est + PNa[Na+]est + PCl[Cl-]int / (PK[K+]int + PNa[Na+]int + Pcl[Cl-]est)
dove Vm è il potenziale di membrana a riposo a 37°C, e PK, PNa e PCl rappresentano le permeabilità della membrana ai rispettivi ioni. Nonostante questa equazione possa sembrare difficile, può essere spiegata a parole dicendo che: il potenziale di membrana a riposo è determinato dal contributo combinato del gradiente di concentrazione, moltiplicato per la permeabilità, per ciascuno ione.