Potențialul de acțiune

Conspect al capitolului ”The Action Potential”, de Bear, Connors și Paradiso, în ”Neuroscience. Exploring the Brain”, în 2016.

Proprietățile potențialului de acțiune

Potențialul membranei poate fi determinat prin introducerea unui microelectrod în celulă. Un voltmetru este utilizat pentru a măsura diferența de potențial dintre vârful microelectrodului și alt spațiu din-afara celulei. Când membrana este în repaus, valoarea este negativă. Însă în timpul potențialului de acțiune, valoarea devine pozitivă. Această trecere este foarte rapidă, fiind nevoie de un voltmetru special, numit osciloscop.

Potențialul de acțiune are mai multe etape. În prima parte, numită fază de ascensiune, are loc depolarizarea rapidă a membranei. În urma acestui eveniment, interiorul neuronului este încărcat pozitiv, fază numită overshoot. Apoi urmează o fază de descreștere, de depolarizare rapidă, în care membrana ajunge mai negativă decât în potențialul de repaus. În final, apare restaurarea graduală a potențialului de repaus.

Generarea unui potențial de acțiune

Să luăm exemplul unei persoane care calcă pe un ac. Membrana fibrelor nervoase conține anumite canale cu porți pentru sodiu, care se deschid când terminațiile nervoase sunt dilatate. Când aceste canale se deschid, sodiul poate intra în membrană, rezultând în depolarizarea sa. Dacă depolarizarea, numită potențial generator, atinge un nivel critic, membrana ca genera un potențial de acțiune. Astfel, potențialele de acțiune sunt cauzate de depolarizarea membranei sub o valoare prag.

Generarea unor potențiale de acțiune multiple

În situațiile în care curentul de depolarizare trece continuu prin neuron, se generează mai multe potențiale de acțiune succesive. Rata potențialelor de acțiune depinde de magnitudinea curentului continuu. Astfel, frecvența potențialelor de acțiune reflectă magnitudinea curentului de depolarizare.

Cu toate acestea, există o limită a ratei la care un neuron poate genera potențiale de acțiune. Frecvența maximă este de aproximativ 1000 de Hz, iar odată ce un potențial de acțiune este inițiat, este imposibil să se inițieze un altul pentru o milisecundă. Această perioadă se numește perioadă de refractare.

Totuși, inițierea unui alt potențial de acțiune pentru alte câteva milisecunde este dificilă. În această perioadă, numită perioadă de refractare relativă, cantitatea de curent necesară pentru depolarizare este mai mare.

Pentru a controla artificial acest fenomen, cercetătorii erau nevoiți să utilizeze microelectrozi. Această limită a fost rezolvată odată cu descoperirea optogeneticii, în care sunt introduse gene străine în neuron care determină deschiderea canalelor de ioni ca răspuns la lumină. Energia luminoasă este absorbită de proteine numite fotopigmenți, pentru a genera răspunsuri nervoase în retină.

Studiind răspunsurile la lumină ale algei verzi, cercetătorii au caracterizat un fotopigment numit ChR2. Introducând gena pentru acest pigment la mamifere, s-a arătat că encodează un canal sensibil la lumină permeabil la sodiu și calciu. Canalele se deschid rapid ca răspuns la lumina albastră.

Potențialul optogeneticii a fost demonstrat de cercetătorii din Statele Unite, care au arătat că modul în care șoarecii și șobolanii se comportă poate fi influențat dramatic de expunerea neuronilor injectați cu ChR2 la lumină albastră.

Recent a fost introdusă în studii halorhodopsina, o proteină derivată din microbi unicelulari, care inhibă neuronii ca răspuns la lumina galbenă.

Potențialul de acțiune în teorie

Potențialul de acțiune reprezintă distribuirea dramatică a încărcăturii electrice în membrană. Depolarizarea celulei în timpul potențialului de acțiune este cauzată de influxul de ioni de sodiu, iar repolarizarea este cauzată de efluxul ionilor de potasiu.

Curenții membranei și conductanța

În neuronul ideal, membrana are trei tipuri de molecule proteice – pompe de sodiu-potasiu, pompe de potasiu și pompe de sodiu. Aceste pompe lucrează constant pentru a stabili și a menține gradientul de concentrație.

Pentru a exemplifica procesul, plecăm de la asumpția că potasiul prezintă o concentrație de două zeci de ori mai mare în interiorul celulei, iar sodiul are o concentrație de zece ori mai mare în exteriorul celulei. De asemenea, considerăm că permeabilitatea membranei este 0. Deschizându-se doar canalul de potasiu, acesta va ieși din celulă până când interiorul devine încărcat negativ, conform procesului descris în capitolul 3.

În acest caz, sunt relevante trei aspecte – mișcarea netă a potasiului este un curent electric, numărul de canale de potasiu deschise este proporțional cu conductanța electrică și curentul de potasiu va trece atâta timp cât interiorul nu este negativ.

Detaliile potențialului de acțiune

Revenind la exemplul din partea anterioară, membrana neuronului ideal este permeabilă doar la potasiu. Astfel, apar întrebări legate de concentrația de sodiu din-afara celulei. Deși potențialul membranei este atât de negativ față de potențialul de echilibru de sodiu, există o forță puternică asupra sodiului. Totuși, nu poate exista curent de sodiu dacă membrana este impermeabilă la sodiu.

Dacă este schimbată permeabilitatea la sodiu, acesta trece prin canalele de sodiu. Asumând că permeabilitatea devine mai mare pentru sodiu decât pentru potasiu, influxul de sodiu depolarizează neuronul.

Schimbând permeabilitatea dominantă, de la potasiu la sodiu, se inversează potențialul membranei. Teoretic, în faza de ascensiune, potențialul de acțiune poate fi explicat prin răspunsul la depolarizarea membranei sub prag, deschizându-se canalele de sodiu.

În faza de descreștere, canalele de sodiu se închid rapid, iar cele de potasiu rămân deschise, iar permeabilitatea se schimbă iar de la sodiu la potasiu.

Potențialul de acțiune în realitate

Testarea acestei teorii pare ușoară, însă a existat o problemă în măsurarea conductanței sodiului și a potasiului în timpul potențialului de acțiune. Însă această problemă s-a rezolvat cu apariția clemei de tensiune.  Aceasta permite prinderea potențialului de acțiune al axonului la o valoare aleasă. Astfel, se puteau deduce schimbările în conductanța membranei la diferite potențiale prin măsurarea curentului.

În urma unor experimente, s-a arătat că faza de ascensiune este cauzată de creșterea tranzitorie a conductanței sodiului și de influxul de sodiu. De asemenea, faza de descreștere este asociată cu creștere conductanței potasiului și efluxul de potasiu.

Pentru a explica schimbările tranzitorii ale conductanței sodiului, -a propus existența unor porți de sodiu în membrana axonului. Ipoteza a fost că aceste porți sunt deschise de depolarizare și închise atunci când membrana ajunge la un potențial pozitiv. Aceste porți sunt deinactivate doar atunci când potențialul membranei devine iar negativ.

Canalele de sodiu voltaj dependente

Structura canalelor de sodiu

Canalele de sodiu voltaj dependente sunt create dintr-o singură polipeptidă lungă. Molecula are patru domenii distincte, numerotate de la I la IV. Fiecare domeniu conține șase alfa helixuri transmembranare, numerotate de la S1 la S6. Cele patru domenii se unesc pentru a forma un por între ele. Acesta este închis când potențialul de repau al membranei este negativ. Când membrana este depolarizată până la prag, moleculele permit accesul sodiului prin por.

Aceste canale prezintă bucle ale porului, cu rol de filtru. Acest filtru face canalul de 12 ori mai permeabil la sodiu decât la potasiu. Pe măsură ce trec prin canal, moleculele de sodiu sunt golite de majoritatea moleculelor de apă asociate. Complexul apă – ion poate fi utilizat pentru a selecta sodiul și a exclude potasiul.

Canalul de sodiu este controlat de schimbări în voltaj din membrană. Senzorul de voltaj se află în segmentul 4 al moleculei.

Proprietățile funcționale ale canalului de sodiu

Pentru a determina proprietățile funcționale ale canalelor de sodiu s-a folosit o nouă metodă – patch – clamp. Aceasta permite aplicarea unui electrod pe o bucată foarte mică de membrană. Apoi, aceasta poate fi dezlipită, iar curenții de ion pot fi măsurați pe măsură ce potențialul membranei este fixat la o valoare selectată de cercetător.

Canalele de sodiu voltaj dependente au un comportament caracteristic – se deschid cu puțină întârziere, stau deschise pentru o milisecundă și apoi se închid. Mai mult, ele nu pot fi redeschise până potențialul membranei nu ajunge la o valoare negativă apropiată de prag.

Un singur canal nu poate rezulta într-un potențial de acțiune. Membrana unui axon poate conține mii de canale pentru fiecare micrometru pătrat. Faptul că un canal nu se deschide până memmbrana nu ajunge la un anumit nivel de depolarizare explică pragul potențialului de acțiune. Deschiderea rapidă a canalelor ca răspuns la depolarizare explică de ce faza ascendentă apare atât de repede. Timpul scurt în care canalele sunt deschise explică de ce potențialul de acțiune este atât de rapid. Inactivarea canalelor poate explica perioada refractară absolută.

În genomul uman există diferite canale de sodiu. Diferențele în expresie a acestor gene poate duce la variații importante în proprietățile potențialului de acțiune. De exemplu, o singură mutație a aminoacizilor din regiunile extracelulare ale canalelor de sodiu rezultă în epilepsie generalizată cu convulsii febrile. Printre efectele mutațiilor se numără inactivarea mai lentă a canalelor de sodiu și prelungirea potențialelor de acțiune. Această afecțiune este o canalopatice – alterarea structurii și funcțiilor canalelor de ioni.

Efectele toxinelor asupra canalelor de sodiu

Tetrodotoxina, o toxină aflată în ovarele peștelui balon poate bloca selectiv canalele de sodiu. Aceasta înfundă porii permeabili la sodiu, blocând toate potențialele de acțiune dependente de sodiu. O altă toxină este saxitoxina, care se întâlnește la scoici sau midii. Ocazional, aceste trec printr-un proces de înflorire, care rezultă în fenomenul „valul roșu”, ce poate fi fatal.

Pe lângă toxinele care blochează canalele de sodiu, există și substanțe care rezultă în deschiderea nepotrivită a canalelor. Un astfel de exemplu este batracotoxina, întâlnite la o specie de broaște. Aceasta determină canalele de sodiu să se deschidă la potențiale mai negative și să stea deschise mai mult timp. Același efect îl au toxinele din crini, piciorul – cocoșului, scorpioni sau anemone.

Diferite toxine afectează funcționarea canalelor prinzându-se de diferite locuri de pe proteină. Informațiile despre acest loc și efectele toxinei au permis descoperirea tridimensionale a canalelor de sodiu.

Canalele de potasiu voltaj dependente

S-a propus existența unor porți pentru potasiu care, asemenea celor pentru sodiu, se deschid ca răspuns la depolarizarea membranei. Însă acestea nu se deschid imediat după depolarizare. Această întârziere are rolul de a reseta potențialul membranei. Din acest motiv, conductanța potasiului este numită redresor întârziat.

Majoritatea canalelor de potasiu voltaj dependente se deschid când membrana este depolarizată și au rolul de a diminua depolarizarea. Și acestea sunt formate din patru subunități de polipeptide care formează un por.

Conducția potențialului de acțiune

Pentru a transfera informația dintr-un loc în altul în sistemul nervos, este nevoie ca potențialul de acțiune să ajungă la axon. Atunci când membrana axonului este suficient depolarizată pentru a ajunge la prag, canalele de sodiu voltaj dependente se deschid. Influxul încărcării pozitive se împrăștie în interiorul axonului pentru a depolariza segmentele adiacente ale membranei. Când ajung la prag, aceste canale de sodiu se deschid. Astfel, potențialul de acțiune ajunge la terminalul axonului, unde inițiază transmiterea sinaptică. Potențialul de acțiune inițiat se propagă într-o singură direcție, membrana din spate fiind refractoare datorită inactivării canalelor de sodiu.

În mod normal, potențialul de acțiune merge în direcția somă – axon terminal, fiind numit conducere ortodromică. Dar, experimental, potențialul de acțiune a fost activat în sens invers. Acesta se numește conducere antidromică.

Velocitatea potențialului de acțiune variază, dar de obicei este de 10 m/secundă.

Factori care influențează velocitatea de conducere

Viteza cu care potențialul de acțiune se propagă depinde de cât de departe se întinde depolarizarea înaintea potențialului de acțiune. La rândul său, aceasta depinde de caracterisiticile fizice ale axonului.

Există două căi pe care încărcătura pozitivă le poate urma – prin interiorul axonului sau prin membrana acestuia. Dacă axonul este îngust și există mulți pori ai membranei deschiși, majoritatea curentului va merge prin membrană. Dacă axonul este larg și cu puțini pori deschiși, atunci curentul va merge prin axon.

Cu cât curentul merge mai departe în axon, cu atât mai departe va fi depolarizată membrana și cu atât mai repede se va propaga potențialul de acțiune. Astfel, velocitatea crește odată cu diametrul axonului. Unele specii au evoluat axoni cu diametrul foarte mare, precum calamarul uriaș.

Mărimea axonului și numărul de canale voltaj dependente afectează și ele excitabilitatea axonului. Axonii mai mici necesită un nivel mai înalt de depolarizare pentru a ajunge la pragul potențialului de acțiune. Din acest motiv, aceștia sunt mai rapid afectați de anestezice decât cei mai mari.

Mielina și conducerea și saltatorie

Vertebratele au evoluat pentru a crește velocității conducerii potențialului de acțiune – mielinizarea axonului. Teaca de mielină este formată din multe straturi de membrană oferită de celulele gliale de suport Schwann din sistemul nervos periferic și de oligodendroglii din sistemul nervos central.

Teaca de mielină nu se extinde continuu. Există anumite pauze, în care ionii traversează membrana pentru a genera potențiale de acțiune – nodurile Ranvier. Distanța între noduri variază între 0.2 și 2.0 mm, în funcție de mărimea axonului. În axonii mielinizați, potențialele de acțiune sar de la un nod la altul. Acest tip de propagare a potențialului de acțiune se numește conducere saltatorie.

Potențiale de acțiune, axoni și dendrite

Potențialele de acțiune descrise sunt o caracteristică a axonilor. Ca regulă, membrana dendritelor și a corpului celular nu generează potențiale de acțiune dependente de sodiu deoarece conțin un număr mic de canale de sodiu voltaj dependente.

Astfel, partea neuronului unde axonul iese din somă este numită și zona de emisie a potențialului. Într-un neuron tipic, depolarizarea dendritelor și a somei datorată input-ului sinaptic de la alți neuroni duce la generarea potențialelor de acțiune dacă membrana conului de emergență a axonului este depolarizată sub nivelul pragului.

În majoritatea neuronilor senzoriali, zona de emisie a potențialului se află lângă terminațiile nervilor senzoriali, unde depolarizarea rezultă în generarea unor potențiale de acțiune care se propagă în nervii senzoriali.