Il potenziale d'azione è un fenomeno elettrico che si verifica nelle cellule eccitabili, come i neuroni e le cellule muscolari, e svolge un ruolo fondamentale nella comunicazione tra queste cellule. Questo processo comporta la propagazione di un segnale elettrico lungo la membrana cellulare, innescando una serie di eventi che determinano la trasmissione di informazioni e lo svolgimento di diverse funzioni fisiologiche. In questo contesto, è importante comprendere le fasi e la propagazione del potenziale d'azione per comprendere come le cellule rispondono agli stimoli e coordinano le loro attività.
Fasi del potenziale d'azione: scopri il processo completo in dettaglio e passo dopo passo.
Il potenziale d'azione è un fenomeno fondamentale per la trasmissione degli impulsi nervosi e la comunicazione tra le cellule del nostro corpo. Per comprendere meglio questo processo, è importante comprendere le fasi attraverso cui il potenziale d'azione si propaga lungo una cellula nervosa.
La prima fase del potenziale d'azione è la depolarizzazione della membrana cellulare. A questo punto, i canali del sodio nella membrana si aprono, consentendo agli ioni positivi di entrare nella cellula. Questo afflusso di sodio porta a un'inversione del potenziale di membrana, rendendolo più positivo.
Il secondo passaggio è la ripolarizzazione della membrana. Dopo la depolarizzazione, i canali del potassio si aprono, consentendo agli ioni positivi di uscire dalla cellula. Questo ripristina il potenziale di membrana al suo stato di riposo, preparandolo per un nuovo potenziale d'azione.
Infine, la terza fase del potenziale d'azione è l'iperpolarizzazione di membrana. In questa fase, i canali del potassio rimangono aperti per un breve periodo di tempo, causando un potenziale di membrana più negativo del normale. Questa iperpolarizzazione impedisce che un nuovo potenziale d'azione si verifichi immediatamente dopo il precedente.
Questi processi sono essenziali per la trasmissione efficiente degli impulsi nervosi e garantiscono una corretta comunicazione tra le cellule del nostro corpo.
Quale ruolo svolge il potenziale d'azione nel corpo?
Il potenziale d'azione svolge un ruolo fondamentale nell'organismo, essendo responsabile della trasmissione dei segnali elettrici attraverso le cellule nervose e muscolari. Questo processo è essenziale per la comunicazione tra le diverse parti del corpo e per il coordinamento di diverse funzioni fisiologiche.
Un potenziale d'azione è un fenomeno elettrico che si verifica in risposta a uno stimolo, determinando una rapida e temporanea variazione del potenziale di membrana cellulare. Questo fenomeno si compone di diverse fasi, tra cui depolarizzazione, ripolarizzazione e iperpolarizzazione.
Durante la depolarizzazione, i canali ionici del sodio nella membrana cellulare si aprono, determinando un rapido afflusso di ioni sodio nella cellula. Ciò determina un'inversione del potenziale di membrana, rendendo l'interno della cellula più positivo rispetto all'esterno.
Successivamente, durante la ripolarizzazione, i canali ionici del potassio si aprono, consentendo agli ioni potassio di uscire dalla cellula. Questo ripristina il potenziale di membrana al suo stato di riposo, preparando la cellula per un nuovo potenziale d'azione.
Infine, nell'iperpolarizzazione, il potenziale di membrana scende brevemente al di sotto del suo livello di riposo prima di tornare al suo stato basale. Questo periodo refrattario garantisce che il potenziale d'azione si propaghi in modo unidirezionale e impedisce il ritorno dell'impulso elettrico.
La sua efficiente diffusione e le sue fasi ben definite garantiscono un adeguato coordinamento delle funzioni fisiologiche e il corretto funzionamento dell'organismo nel suo complesso.
Comprensione del potenziale d'azione della membrana cellulare: concetto e importanza nella fisiologia cellulare.
Il potenziale d'azione è un fenomeno cruciale nella fisiologia cellulare, responsabile della propagazione degli impulsi nervosi e della comunicazione tra le cellule. È un meccanismo elettrico che avviene nella membrana cellulare, comportando un rapido cambiamento della polarità elettrica della cellula.
Per comprendere il potenziale d'azione, è necessario comprendere la struttura della membrana cellulare. La membrana è composta da fosfolipidi e proteine, che formano una barriera semipermeabile che regola l'ingresso e l'uscita delle sostanze. A riposo, la membrana presenta una differenza di carica elettrica tra l'interno e l'esterno della cellula, nota come potenziale di riposo.
Quando uno stimolo raggiunge la cellula, si verifica un'improvvisa variazione del potenziale di membrana, chiamata depolarizzazione. In questo processo, i canali ionici si aprono, consentendo a ioni come sodio e potassio di entrare nella cellula. Questo afflusso di ioni provoca l'inversione del potenziale elettrico della membrana, generando il potenziale d'azione.
Il potenziale d'azione si propaga lungo la membrana cellulare, innescando l'apertura e la chiusura sequenziale dei canali ionici in diverse regioni della cellula. Questo processo consente la rapida trasmissione degli impulsi nervosi e un'efficiente comunicazione tra le cellule.
La sua comprensione è fondamentale per la fisiologia cellulare e per la comprensione dei processi biologici.
Fase iniziale della formazione del potenziale d'azione nel corpo umano.
Il potenziale d'azione è un fenomeno elettrico che si verifica nelle cellule del corpo umano, in particolare nei neuroni. Questo processo è essenziale per la trasmissione dei segnali elettrici in tutto il sistema nervoso. Nella fase iniziale della formazione del potenziale d'azione, la membrana cellulare si depolarizza.
Quando la cellula riceve uno stimolo, specifici canali ionici vengono attivati e gli ioni Na+ entrano nella cellula. Questo fa sì che la carica elettrica all'interno della cellula diventi meno negativa, generando un potenziale d'azione. Questo processo è essenziale per la propagazione dell'impulso nervoso lungo il neurone.
Dopo la depolarizzazione, la membrana cellulare si ripolarizza, attivando i canali ionici K+ e inducendo gli ioni ad abbandonare la cellula. Questo ripristina la carica elettrica negativa all'interno della cellula, preparandola per un nuovo potenziale d'azione. Questo ciclo di depolarizzazione e ripolarizzazione è essenziale per l'efficiente trasmissione degli impulsi nervosi.
Questo processo è essenziale per la propagazione dei segnali elettrici in tutto il sistema nervoso e per una comunicazione efficiente tra le cellule.
Potenziale d'azione: disseminazione e fasi
O potenziale d'azione è un fenomeno elettrico o chimico di breve durata che si verifica nei neuroni del cervello. Si può dire che è il messaggio che un neurone trasmette ad altri neuroni.
Il potenziale d'azione si verifica nel corpo cellulare (nucleo), chiamato anche soma. Viaggia lungo l'assone (il prolungamento cavo del neurone) fino a raggiungere la sua estremità, chiamata bottone terminale.
I potenziali d'azione in un dato assone hanno sempre la stessa durata e intensità. Se l'assone si ramifica in altre estensioni, il potenziale d'azione si divide, ma la sua intensità non si riduce.
Quando il potenziale d'azione raggiunge i bottoni terminali del neurone, questi secernono sostanze chimiche chiamate neurotrasmettitori. Queste sostanze eccitano o inibiscono il neurone ricevente e possono generare un potenziale d'azione in quel neurone.
Gran parte di ciò che sappiamo sui potenziali d'azione neuronali deriva da esperimenti condotti sugli assoni dei calamari giganti. Sono facili da studiare grazie alle loro dimensioni, che si estendono dalla testa alla coda. Permettono all'animale di muoversi.
Potenziale di membrana del neurone
I neuroni hanno cariche elettriche diverse all'interno e all'esterno. Questa differenza è chiamata potenziale di membrana .
Quando un neurone è in potenziale di riposo , ciò significa che la sua carica elettrica non viene alterata dai potenziali sinaptici eccitatori o inibitori.
D'altra parte, quando altri potenziali lo influenzano, il potenziale di membrana può essere ridotto. Questo è noto come depolarizzazione .
D'altra parte, quando il potenziale di membrana aumenta rispetto al suo potenziale normale, si verifica un fenomeno chiamato iperpolarizzazione .
Quando si verifica improvvisamente un'inversione molto rapida del potenziale di membrana, un potenziale d'azione Si tratta di un breve impulso elettrico, che viene tradotto in un messaggio che viaggia lungo l'assone del neurone, partendo dal corpo cellulare e raggiungendo i bottoni terminali.
È importante notare che affinché si verifichi un potenziale d'azione, i cambiamenti elettrici devono raggiungere una soglia, chiamata soglia di eccitazione Questo è il valore del potenziale di membrana che deve essere necessariamente raggiunto affinché si verifichi il potenziale d'azione.
Potenziali d'azione e cambiamenti nei livelli ionici
In condizioni normali, il neurone è predisposto a ricevere sodio (Na+). Tuttavia, la sua membrana non è molto permeabile a questo ione.
Inoltre, contiene i noti "trasportatori sodio-potassio", una proteina presente nella membrana cellulare responsabile della rimozione degli ioni sodio e dell'introduzione di ioni potassio. Nello specifico, per ogni tre ioni sodio estratti, vengono introdotti due ioni potassio.
Questi trasportatori mantengono bassi i livelli di sodio all'interno della cellula. Se la permeabilità della cellula aumenta e improvvisamente entra più sodio, il potenziale di membrana cambia drasticamente. Questo sembra essere ciò che innesca un potenziale d'azione.
Nello specifico, la permeabilità della membrana al sodio aumenterebbe, consentendo al sodio di entrare nel neurone. Allo stesso tempo, ciò consentirebbe agli ioni potassio di uscire dalla cellula.
Come si verificano questi cambiamenti nella permeabilità?
Le cellule hanno numerose proteine incorporate nelle loro membrane chiamate canali ionici Presentano aperture attraverso le quali gli ioni possono entrare o uscire dalle cellule, anche se non sempre sono aperte. I canali si chiudono o si aprono in base a determinati eventi.
Esistono diversi tipi di canali ionici e ciascuno di essi è generalmente specializzato nel trasportare esclusivamente determinati tipi di ioni.
Ad esempio, un canale del sodio aperto può far passare più di 100 milioni di ioni al secondo.
Come si producono i potenziali d'azione?
I neuroni trasmettono le informazioni per via elettrochimica. Ciò significa che le sostanze chimiche producono segnali elettrici.
Queste sostanze chimiche hanno una carica elettrica, motivo per cui sono chiamate ioni. I più importanti nel sistema nervoso sono il sodio e il potassio, che hanno una carica positiva, così come il calcio (due cariche positive) e il cloro (una carica negativa).
Cambiamenti nel potenziale di membrana
Il primo passo affinché si verifichi un potenziale d'azione è una variazione del potenziale di membrana cellulare. Questa variazione deve superare la soglia di eccitazione.
Nello specifico, si verifica una riduzione del potenziale di membrana, chiamata depolarizzazione.
Apertura dei canali del sodio
Di conseguenza, i canali del sodio incorporati nella membrana si aprono, consentendo al sodio di fluire in massa nel neurone. Questi canali sono guidati dalle forze di diffusione e dalla pressione elettrostatica.
Poiché gli ioni sodio hanno carica positiva, provocano una rapida variazione del potenziale di membrana.
Apertura dei canali del potassio
La membrana assonale contiene canali del sodio e del potassio. Tuttavia, questi ultimi si aprono più tardi perché sono meno sensibili. In altre parole, richiedono un livello di depolarizzazione più elevato per aprirsi, motivo per cui si aprono più tardi.
Chiusura dei canali del sodio
Arriva un momento in cui il potenziale d'azione raggiunge il suo valore massimo. Dopo questo periodo, i canali del sodio vengono bloccati e chiusi.
Non possono riaprirsi finché la membrana non raggiunge nuovamente il suo potenziale di riposo. Di conseguenza, il sodio non può più entrare nel neurone.
Chiusura dei canali del potassio
Tuttavia, i canali del potassio rimangono aperti, consentendo agli ioni potassio di fluire attraverso la cellula.
A causa della diffusione elettrostatica e della pressione, poiché l'interno dell'assone è carico positivamente, gli ioni potassio vengono spinti fuori dalla cellula. In questo modo, il potenziale di membrana recupera il suo valore normale. A poco a poco, i canali del potassio si chiudono.
Questo deflusso di cationi fa sì che il potenziale di membrana ritorni al suo valore normale. Quando ciò avviene, i canali del potassio iniziano a chiudersi nuovamente.
Quando il potenziale di membrana raggiunge il suo valore normale, i canali del potassio si chiudono completamente. Poco dopo, i canali del sodio si riattivano in preparazione di un'altra depolarizzazione che li apra.
Infine, i trasportatori sodio-potassio secernono il sodio in arrivo e recuperano il potassio che era stato precedentemente eliminato.
Come si diffondono le informazioni lungo l'assone?
L'assone è una parte del neurone, un'estensione filiforme del neurone. Può essere molto lungo per consentire a neuroni fisicamente distanti di connettersi e inviarsi informazioni tra loro.
Il potenziale d'azione si propaga lungo l'assone e raggiunge i bottoni terminali per inviare messaggi alla cellula successiva. Se misurassimo l'intensità del potenziale d'azione in diversi punti lungo l'assone, scopriremmo che la sua intensità rimane la stessa ovunque.
Legge del tutto o niente
Ciò accade perché la conduzione assonale segue una legge fondamentale: la legge del "tutto o niente". In altre parole, un potenziale d'azione può essere innescato o meno. Una volta innescato, percorre l'assone fino alla sua estremità, mantenendo sempre la stessa lunghezza, senza aumentare né diminuire. Inoltre, se un assone si ramifica, il potenziale d'azione si divide ma mantiene la sua lunghezza.
I potenziali d'azione iniziano all'estremità dell'assone, che è attaccata al soma del neurone. In genere, viaggiano in una sola direzione.
Potenziali di azione e di condotta
A questo punto, potreste chiedervi: se il potenziale d'azione è un processo "tutto o niente", come possono certi comportamenti, come la contrazione muscolare, variare a diversi livelli di intensità? Questo è dovuto alla legge della frequenza.
Legge di frequenza
Ciò che accade è che un singolo potenziale d'azione non fornisce informazioni direttamente. L'informazione è invece determinata dalla frequenza di scarica o frequenza di scarica di un assone, ovvero dalla frequenza con cui si verificano i potenziali d'azione. Questa è nota come "legge della frequenza".
Pertanto, un'elevata frequenza di potenziali d'azione si tradurrebbe in una contrazione muscolare molto intensa.
Lo stesso vale per la percezione. Ad esempio, uno stimolo visivo molto intenso, per essere catturato, deve produrre un'elevata "frequenza di scarica" negli assoni collegati agli occhi. Pertanto, la frequenza dei potenziali d'azione riflette l'intensità di uno stimolo fisico.
Pertanto, la legge del tutto o niente è completata dalla legge della frequenza.
Altre forme di scambio di informazioni
I potenziali d'azione non sono gli unici tipi di segnali elettrici che si verificano nei neuroni. Ad esempio, l'invio di informazioni attraverso una sinapsi trasmette un piccolo impulso elettrico alla membrana del neurone ricevente.
Talvolta, una leggera depolarizzazione troppo debole per produrre un potenziale d'azione può alterare leggermente il potenziale di membrana.
Tuttavia, questo cambiamento diminuisce gradualmente man mano che si propaga lungo l'assone. In questo tipo di trasmissione di informazioni, né i canali del sodio né quelli del potassio si aprono o si chiudono.
L'assone si comporta quindi come un cavo sottomarino. Man mano che il segnale lo attraversa, la sua ampiezza diminuisce. Questo fenomeno è noto come conduzione per decadimento e si verifica a causa delle caratteristiche dell'assone.
Potenziali d'azione e mielina
Gli assoni di quasi tutti i mammiferi sono ricoperti di mielina. Ovvero, presentano segmenti circondati da una sostanza che consente la conduzione nervosa, rendendola più veloce. La mielina circonda l'assone, impedendo al fluido extracellulare di raggiungerlo.
La mielina è prodotta nel sistema nervoso centrale da cellule chiamate oligodendrociti, mentre nel sistema nervoso periferico è prodotta dalle cellule di Schwann.
I segmenti di mielina, noti come guaine mieliniche, sono divisi da aree scoperte dell'assone. Queste aree sono chiamate nodi di Ranvier e sono a contatto con il fluido extracellulare.
Il potenziale d'azione viene trasmesso in modo diverso in un assone amielinizzato (che non è ricoperto di mielina) e in un assone mielinizzato.
Grazie alle proprietà del cavo, il potenziale d'azione può attraversare la membrana assonale rivestita di mielina. L'assone conduce quindi la variazione elettrica dal sito in cui si verifica il potenziale d'azione al successivo nodo di Ranvier.
Questa variazione diminuisce leggermente, ma è sufficientemente intensa da innescare un potenziale d'azione nel nodo successivo. Questo potenziale viene quindi riattivato o ripetuto in ogni nodo di Ranvier, trasportandolo attraverso l'area mielinizzata fino al nodo successivo.
Questo tipo di conduzione del potenziale d'azione è chiamata conduzione saltatoria. Il suo nome deriva dal latino "saltare", che significa "ballare". Il concetto è che la quantità di moto sembra saltare da un nodo all'altro.
Vantaggi della conduzione saltatoria per la trasmissione dei potenziali d'azione
Questo tipo di conduzione ha i suoi vantaggi. Innanzitutto, consente di risparmiare energia. I trasportatori sodio-potassio consumano molta energia per estrarre il sodio in eccesso dall'assone durante i potenziali d'azione.
Questi trasportatori sodio-potassio si trovano nelle aree dell'assone non ricoperte di mielina. Tuttavia, in un assone mielinizzato, il sodio può entrare solo attraverso i nodi di Ranvier. Pertanto, entra molto meno sodio, e quindi deve essere pompato fuori meno sodio, quindi i trasportatori sodio-potassio devono lavorare meno.
Un altro vantaggio della mielina è la velocità. Un potenziale d'azione viene condotto più rapidamente in un assone mielinizzato, poiché l'impulso "salta" da un nodo all'altro senza dover percorrere l'intero assone.
Questo aumento di velocità consente agli animali di pensare e reagire più rapidamente. Altri esseri viventi, come i calamari, hanno assoni privi di mielina che aumentano di velocità con l'aumentare delle loro dimensioni. Gli assoni dei calamari hanno un diametro maggiore (circa 500 µm), che consente loro di viaggiare più velocemente (circa 35 metri al secondo).
Tuttavia, alla stessa velocità, i potenziali d'azione viaggiano negli assoni del gatto, nonostante abbiano un diametro di soli 6 µm. Questi assoni contengono mielina.
Un assone mielinizzato può trasportare potenziali d'azione a una velocità di circa 432 chilometri orari con un diametro di 20 µm.
Riferimenti
- Potenziali d'azione. (n.d.). Recuperato il 5 marzo 2017 da Hyperphysics, Georgia State University: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
- Carlson, N.R. (2006). Fisiologia del comportamento 8a edizione. Madrid: Pearson.
- Chudler, E. (n.d.). Luci, macchina da presa, potenziale d'azione. Consultato il 5 marzo 2017 da University of Washington: faculty.washington.edu.
- Fasi del potenziale d'azione. (n.d.). Recuperato il 5 marzo 2017 da Boundless: boundless.com.