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Le cariche elettriche sono alla base del corretto funzionamento di tutte le cellule. Tutto dipende dal potenziale elettrico. Il battito cardiaco, il movimento, l’assorbimento degli zuccheri che mangiamo, il pensiero fino anche alla comprensione delle mie parole che state ascoltando dipendono da variazioni dallo spostamento di alcuni ioni.
Preparatevi una buona tazza di caffè perchè questo è l’argomento più complesso di tutta la citologia e richiederà la vostra massima attenzione. Prima di partire con la membrana cellulare facciamo un paio di chiarificazioni sul gradiente elettro-chimico su un sistema più semplice, i famosi due contenitori d’acqua della lezione 4. I soluti diffondono da un compartimento all’altro seguendo il gradiente chimico, ovvero la differenza di concentrazione tra i due compartimenti. Il gradiente va considerato singolarmente per ogni specie chimica in grado di attraversare la membrana. Sebbene i due recipienti abbiano la stessa concentrazione, 4 molecole ciascuno, non sono all’equilibrio perchè esiste un gradiente sia per le molecole gialle che per le verdi. L’equilibrio si raggiunge con il passaggio di una molecola gialla verso destra ed una verde verso sinistra.
Rendiamo il gioco più complesso, aggiungiamo delle cariche alle nostre molecole. Ora lo spostamento dipende non solo dal gradiente chimico ma anche da quello elettrico. In modo molto intuitivo, le cariche positive si respingono e cercano di distribuirsi il più possibile invece di restare raggruppate nello stesso recipiente. Differenza sostanziale è che il gradiente elettrico non dipende dal tipo diverso di molecole ma solo dalla carica complessiva. Che si tratti di uno ioni sodio, potassio o di molecole cationiche non ci interessa, ciò che conta è la differenza di cariche tra un compartimento e l’altro. Risolviamo quindi prima il gradiente elettrico spostando una carica dal recipiente dove ce ne sono di più e poi quello chimico. Nella realtà i gradienti si equilibrano contemporaneamente e non c’è un ordine di priorità.
Vediamo un ultimo esempio, questo ci permetterà di capire come funziona la membrana cellulare. Rispetto al precedente, il canale che collega i due recipienti è stretto e non tutte le specie chimiche possono passare. Quando una specie chimica non può diffondere il suo gradiente non viene considerato dal punto di vista chimico. Sebbene le molecole gialle vengano ignorate dal punto di vista del gradiente chimico, le consideriamo ancora per quello elettrico. Tre molecole magenta infatti dovrebbero passare dal primo al secondo recipiente per annullare il gradiente chimico, ma così si verrebbe a creare un forte gradiente elettrico perchè le numerose cariche positive le respingerebbero indietro. Il sistema raggiunge quindi l’equilibrio spostando due sole molecole magenta cariche. Anche se esiste ancora un gradiente sia un chimico che elettrico, questi agiscono sulle stesse molecole in modo uguale e contrario annullandosi. Per ogni differenza di concentrazione di uno ione esiste un potenziale elettrico in grado di compensare il gradiente chimico. Per i più ferrati con la chimica, questo potenziale è calcolabile con l’Equazione di Nernst.
Fissati questi concetti spostiamoci ora sulla nostra membrana cellulare. Come abbiamo già puntualizzato, la membrana separa il compartimento intracellulare da quello extracellulare. Questi due compartimenti non hanno la stessa concentrazione di ioni e molecole. Per capire il potenziale ci interessa considerare solo le sostanze dotate di carica e presenti in grandi quantità. Lo ione potassio è fortemente concentrato all’interno, lo ione sodio all’esterno. Per quanto riguarda le cariche negative abbiamo il cloro principalmente concentrato all’esterno, all’interno della cellula invece ci sono invece grandi proteine anioniche. Tralasciamo le cariche negative, che tranne in alcuni casi, non sono fondamentali per determinare il potenziale di membrana e soffermiamoci sulle cariche positive che saranno le protagoniste di questo argomento.
Le differenti concentrazioni di sodio e potassio vengono costantemente mantenute da una pompa, lo scambiatore Sodio Potassio. Consumando ATP la pompa è in grado di trasportare tre ioni sodio all’esterno e due potassio all’interno. Si vengono a creare due gradienti chimici, ma i due ioni non possono diffondere liberamente attraverso la membrana. Tuttavia, la cellula presenta una certa permeabilità agli ioni anche se bassa dovuta alla presenza alcuni canali ionici sempre aperti. Ci sono molti più canali per il potassio che per il sodio e la permeabilità della membrana al potassio è quindi 50-100 volte maggiore di quella per il sodio. Parte del potassio esce quindi dalla cellula secondo il suo gradiente chimico. In questo modo la membrana perde delle cariche positive e l’interno della cellula diventa negativo rispetto all’esterno. Esiste quindi una differenza di potenziale ai capi della membrana. Normalmente l’interno si trova a -70mV rispetto all’esterno. Questo valore è in realtà indicativo e varia da circa -60 a -90mV in base al tipo di cellula. Ciò che è importante capire è che questo potenziale viene mantenuto grazie alla costante attivazione della pompa sodio potassio che crea un gradiente chimico e la lenta fuoriuscita dello ione potassio secondo gradiente determina la negatività del potenziale di membrana. Se la pompa sodio potassio smettesse di funzionare, il sodio ed il potassio lentamente diffonderebbero dai due lati annullando sia il gradiente chimico che quello elettrico. Questo potenziale che viene costantemente ed attivamente mantenuto prende il nome di potenziale di riposo e rappresenta la situazione basale di tutte le cellule.
Alcune cellule, tuttavia sono in grado di modificare questo potenziale. Esistono dei particolari canali ionici, accennati nella precedente lezione, che in risposta a stimoli possono aprirsi o chiudersi. La chiusura dei canali del potassio o più frequentemente l’apertura di canali del sodio determinano un accumulo di cariche positive all’interno della cellule in questo modo il potenziale di riposo di -70mV si alza perchè l’ambiente interno è meno negativo. Se raggiunge i -55mV allora si scatena un importante evento, la depolarizzazione della membrana. Al potenziale di -55mV si aprono dei canali del sodio controllati da voltaggio. Il sodio, a questo punto entra massivamente per la grande differenza di concentrazione. In questo modo il potenziale della membrana non solo viene dissipato ma addirittura invertito, ora ci sono più cariche positive all’interno della cellula che all’esterno. Per questo motivo questa fase viene definita “depolarizzazione”. Durante la depolarizzazione il potenziale sale fino ad un massimo di +35mV, dopodichè i canali del sodio controllati da voltaggio si inattivano impedendo l’ulteriore ingresso di sodio nella cellula. Se il sodio potesse uscire entrare liberamente, infatti salirebbe fino a +65mV.
La riduzione della negatività della membrana però non ha aperto solo i canali del sodio ma anche quelli del potassio che però, per loro natura sono più lenti ad aprirsi e subentrano con un certo ritardo. Questi canali lasciano uscire il potassio secondo gradiente di concentrazione ad un flusso elevatissimo, molto più alto di quello permesso dai canali costantemente aperti nella fase di riposo. La fuoriuscita delle cariche positive rappresentate dal potassio ripristina il potenziale di membrana e questi canali dovrebbero richiudersi ma così come erano lenti nella apertura lo sono anche nella chiusura. Così la fuoriuscita potassio è tale da ripristinare non solo il potenziale di membrana ma di renderlo ancora più negativo dei famosi -70mV. La membrana quindi si “iperpolarizza”. È qui ci torna in aiuto l’esempio iniziale dei recipienti. Il potassio, ora che è praticamente libero di fluire secondo gradiente diffonde finchè non si crea una differenza di potenziale tale da essere respinto indietro anche se c’è ancora un gradiente di concentrazione. Questo potenziale di equilibrio è vicino ai -90mV ed è per questo che la cellula si iperpolarizza in questa fase. Quando il potenziale della membrana torna negativo il canale del sodio torna dalla sua conformazione inattiva a quella chiusa. Approfondiremo questa differenza tra un attimo.
La membrana è tornata con un potenziale negativo ma questa non è ancora la situazione di riposo, se anche il potenziale elettrico è tornato più o meno a posto, quello chimico è ancora alterato. Nella cellula sono rimaste ancora grandi concentrazioni di ioni sodio, all’esterno invece è concentrato il potassio. La condizione di riposo si ripristina con la lenta diffusione passiva degli ioni attraverso la membrana e il costante funzionamento della pompa sodio potassio che ripristina gli equilibri chimici.
Torniamo al canale del sodio controllato da voltaggio che ci siamo lasciati dietro. Questo canale, in condizione di riposo, quando il potenziale di membrana è più negativo dei -55mV è in una conformazione chiusa. Si dice chiusa perchè uno stimolo depolarizzante che aumenta il potenziale di membrana può aprirlo ed innescare la depolarizzazione dovuta al violento ingresso di sodio. Se uno stimolo depolarizzante non riesce a raggiungere i -55mV, il canale non si apre e lo stimolo viene ignorato. Questa è detta legge del tutto o nulla. Come abbiamo visto tra i -55m e i +35 mV il canale è aperto. Ad un potenziale maggiore invece si inattiva. Anche in questo stato il canale non lascia passare il sodio ma, a differenza dello stato “chiuso”, uno stimolo depolarizzante non è in grado di far aprire il canale. Per questo motivo è impossibile la sovrapposizione di due onde di depolarizzazione ma è necessario che si ripolarizzi la membrana prima che parta una seconda.
Rivediamo schematicamente tutti questi eventi elettrici che nel complesso prendono il nome di potenziale di azione. In condizione di riposo il potenziale di membrana viene mantenuto a -70mV dalla pompa sodio potassio e dal lento flusso di ioni potassio attraverso la membrana. Uno stimolo che può essere rappresentato da un nerurotrasmettitore, una variazione di temperatura o uno stiramento meccanico induce un lieve aumento del potenziale di membrana. Se questo stimolo depolarizzante non è in grado di raggiungere i -55mV viene ignorato ed il potenziale di riposo si ripristina lentamente. Se invece raggiunge la soglia critica, si attivano i canali del sodio voltaggio dipendenti, nella cellula entra un enorme flusso di sodio ed il potenziale di membrana si inverte. Raggiungi i +35mV i canali del sodio si inattivano e la membrana è refrattaria a qualunque altro stimolo. Per questo motivo questo stato è definito “refrattarietà assoluta”. A questo punto però si sono aperti i canali del potassio che ripristinano il potenziale di membrana facendo uscire il potassio. A causa della loro lentezza di risposta alle variazioni del potenziale il potassio continua ad uscire fino a -90mV iperpolarizzando la cellula. In questa fase, in teoria la cellula può avviare un nuovo potenziale di azione in seguito ad uno stimolo. Adesso che la membrana è iperpolarizzata è difficile però che uno stimolo raggiunga i -55mV a meno che non sia molto intenso. Per questo motivo questo stato è definito refrattarietà relativa. Infine il ripristino delle corrette concentrazioni intra ed extracellulari si raggiunge tramite l’attività della pompa sodio potassio e la diffusione facilitata degli ioni.
Il potenziale di azione è un evento velocissimo che dura due-tre millisecondi. Questo però è il potenziale dei neuroni e del muscolo scheletrico. Esistono anche altri tipi di potenziali di azione, come quello del muscolo cardiaco che coinvolgono l’ingresso di altri ioni, in questo caso il calcio, che permettono di mantenere lo stato di refrattarietà assoluta per centinaia di millisecondi. Questo è fondamentale per garantire al cuore una corretta contrazione. È importante precisare che gli eventi elettrochimici che abbiamo descritto sono relativi all’ambiente prossimo alla membrana e rispetto alla enorme dimensione della cellula e degli ambienti extracellulari, le modificazioni delle concentrazioni di ioni sono irrilevanti. Le modificazioni delle concentrazioni sono relative solo alla piccola area dove avviene la depolarizzazione ma non modificano significativamente le concentrazioni totali di sodio e potassio.
Dopo questo estenuante argomento, ci vediamo nella prossima lezione con l’adesione. A presto.