Informazioni su questo esperimento
Ogni pensiero e ogni battito cardiaco dipendono dai potenziali d’azione: brevi picchi di voltaggio che attraversano rapidamente le cellule nervose e muscolari. A riposo, l’interno di un neurone è circa 65 mV più negativo rispetto all’esterno. Un piccolo stimolo ha quasi nessun effetto, ma quando il voltaggio supera una soglia, i canali del sodio si aprono di colpo, il sodio entra rapidamente e l’interno diventa positivo per un millisecondo, prima che i canali del potassio ripristinino il potenziale. Stimola l’assone gigante del calamaro studiato da Hodgkin e Huxley, individua la soglia, esamina il periodo refrattario e blocca i canali con le tossine.
Obiettivi di apprendimento
- Descrivi il potenziale di riposo e le variazioni di voltaggio durante un potenziale d’azione
- Spiega la depolarizzazione e la ripolarizzazione in termini di canali del sodio e del potassio
- Spiega la natura tutto-o-nulla del potenziale d’azione e il concetto di soglia
- Spiega il periodo refrattario e perché fa sì che gli impulsi viaggino in una sola direzione
- Prevedi l’effetto dei farmaci e delle tossine che bloccano i canali ionici
Come si usa
- 1Premi «Al di sotto della soglia» e poi «Appena al di sopra della soglia». Confronta le due curve. C’è un potenziale d’azione di metà ampiezza?
- 2Aumenta la corrente dello stimolo da 8 a 30 µA/cm². Il potenziale d’azione diventa più grande?
- 3Imposta il grafico inferiore su «Conduttanze». Quali canali si aprono per primi, quelli del sodio o quelli del potassio? Quali si chiudono per primi?
- 4Premi «Due impulsi rapidi». Perché il secondo impulso non provoca un potenziale d’azione? Aumenta l’intervallo tra gli impulsi finché non lo provoca.
- 5Blocca i canali del sodio passo dopo passo. A che punto i potenziali d’azione smettono di verificarsi?
- 6Blocca invece i canali del potassio. Come cambia la forma del potenziale d’azione?
Il modello
Ipotesi
- Una piccola porzione di membrana dell’assone gigante del calamaro a 6,3 °C, con le equazioni di velocità originali del 1952 traslate in modo che il potenziale di riposo sia −65 mV.
- E_Na = +50 mV ed E_K = -77 mV. Le concentrazioni ioniche non cambiano durante alcuni potenziali d’azione.
- Le equazioni vengono risolte con un metodo di Runge-Kutta del quarto ordine, con passi di 0,01 ms. La patch è uniforme, quindi qui l’impulso non si propaga lungo un assone.
- Bloccare una certa frazione dei canali riduce la conduttanza massima della stessa frazione, come fanno la TTX e il TEA.
Provalo in classe
- Q1Spiega perché l’interno della membrana diventa positivo al picco del potenziale d’azione.
- Q2Perché il picco non può mai superare E_Na?
- Q3Perché uno stimolo più forte non produce un potenziale d’azione più grande? In che modo, invece, il sistema nervoso codifica uno stimolo più forte?
- Q4Durante il periodo refrattario assoluto nessuno stimolo può innescare un nuovo potenziale d’azione. Quale gate ne è responsabile?
- Q5I pesci palla contengono tetrodotossina (TTX). Spiega perché mangiare un pesce palla preparato male può impedire a una persona di respirare.
Domande frequenti
Che cosa significano m, h e n?
Rappresentano la proporzione di canali aperti. m è il canale di attivazione rapido del canale del sodio, h è il suo canale di inattivazione più lento e n è il canale di attivazione del canale del potassio. Un canale del sodio conduce solo quando i suoi tre canali m sono aperti e il suo canale h non è chiuso.
Perché i calamari?
L’assone gigante del calamaro può raggiungere 1 mm di diametro, abbastanza da permettere a Hodgkin e Huxley di inserirvi un filo negli anni Quaranta. Le loro misurazioni valsero loro il premio Nobel nel 1963, e le loro equazioni sono ancora oggi alla base delle neuroscienze.
Perché dopo il picco il voltaggio scende al di sotto del potenziale di riposo?
I canali del potassio si chiudono lentamente, quindi per alcuni millisecondi ce ne sono più aperti che a riposo. Il voltaggio viene attratto verso E_K, che è più negativo del potenziale di riposo. Questa discesa al di sotto del potenziale di riposo si chiama iperpolarizzazione.