Fondamenti anatomo fisiologici dell'attività psichica (3/18): La membrana del neurone a riposo

I costituenti chimici della membrana

L'acqua è il principale costituente sia del fluido presente all'interno del neurone, il cosidetto citosolo, sia del fluido extracellulare, e l'acqua è una molecola polare tenuta assieme da legami covalenti polari che la rendono un efficace solvente.

Gli ioni sono atomi o molecole che hanno una carica netta, se positiva si tratta di cationi, se negativa di anioni.
Gli ioni e le molecole polari sono idrofili, mentre i lipidi sono idrofobi e sono importanti costituenti delle membrane.

La membrana è formata da un doppio strato di fosfolipidi, catene di molecole con una testa polare idrofila contenente fosfati ed una coda apolare idrofoba contenente idrati di carbonio, questa disposizione è detta doppio strato fosfolipidico.

Anche le proteine sono importanti costituenti di varie strutture del neurone, quali il citoscheletro, gli enzimi e i recettori.

I canali ionici sono costituiti da molecole proteiche che attraversano la membrana.
Il diametro del poro e la natura dei gruppi R che lo rivestono serve per la selettività ionica (ovvero decidono quali ioni entrano e quali no), inoltre questi canali hanno una variabilità di accesso che gli permette di chiudersi o aprirsi in base a cambiamenti del microambiente.

Le pompe ioniche sono enzimi che usano l'energia rilasciata dall'idrolisi dell'ATP per trasportare determinati ioni attraverso la membrana.

Il movimento degli ioni

I movimenti ionici che attraversano i canali sono influenzati da 2 fattori:

Diffusione: si ha quando c'è uno spostamento netto di ioni da una regione ad alta concentrazione ad una regione a bassa concentrazione, spostamento che si verifica fino a che non c'è un equilibrio in enbrambe le regioni, gli ioni quindi fluiscono secondo il gradiente di concentrazione.
Affinchè avvenga la diffusione occorre quindi che la membrana possieda canali permeabili agli ioni e che esista un gradiente di concentrazione.
Elettricità: due importanti fattori determinano la quantità di corrente (ioni carichi positivamente e negativamente) che può scorrere nel canale, il potenziale elettrico (V) che riflette la differenza di carica tra l'anodo e il catodo, e la conduttanza elettrica (g) che è la misura della facilità con cui una carica elettrica può migrare da un punto ad un altro.
La relazione tra potenziale e conduttanza è definita legge di ohm: I=g*V, dove ovviamente se la conduttanza o il potenziale sono uguali a zero, non fluirà alcuna corrente nel canale.
La conduzione elettrica di ioni attraverso la membrana richiede che la membrana possieda canali permeabili a quella specie ionica e che ci sia una differenza di potenziale elettrico attraverso la membrana.

Basi ioniche del potenziale della membrana a riposo

Il potenziale di membrana di un neurone è rappresentato dal simbolo V_m.
Questo potenziale può essere misurato mettendo un microelettrodo nel citoplasma, e grazie a questo strumento si è scoperto che la carica elettrica non è uniformemente distribuita ai lati della membrana neurale e che l'interno del neurone è negativo rispetto all'esterno.
Il potenziale a riposo di un neurone è di circa -65 millivolt.
Il potenziale di equilibrio ionico (E_ion) si ha quando la forza elettrica che spinge gli ioni K⁺ verso l'interno è controbilanciata esattamente dalla forza di diffusione che li spinge verso l'esterno.

E' inoltre importante sapere che:

significativi cambiamenti del potenziale di membrana sono causati da minuscoli cambiamenti di concentrazione ionica.
è necessaria una differenza netta di carica elettrica tra la superficie interna ed esterna della membrana.
la quantità di ioni che si dirigono attraverso la membrana è proporzionale alla differenza tra il potenziale di membrana e il potenziale di equilibrio (forza di conduzione ionica).
se la differenza di concentrazione attraverso la membrana è nota, si può calcolare il potenziale di equilibrio per ciascun ione grazie all'equazione di Nersnst.

Distribuzione degli ioni attraverso la membrana
Il potenziale di membrana neurale dipende dalle concentrazioni ioniche sui 2 lati della membrana, e per i gradienti di concentrazione sono importanti 2 pompe ioniche:
la pompa sodio-potassio è un enzima che idrolizza ATP in presenza di NA⁺ all'interno della cellula, e l'energia metabolica consumata da questa reazione mette in funzione la pompa che che scambia gli NA⁺ interni con i K⁺ esterni, assicurando quindi che questi siano concentrati all'interno.
La pompa del calcio è un enzima che trasporta attivamente Ca²⁺ fuori dal citoplasma attraverso la membrana cellulare.
Senza pompe ioniche il potenziale di membrana a riposo non esisterebbe e il cervello non potrebbe funzionare.

Permeabilità ioniche della membrana a riposo
Un potenziale di equilibrio per uno ione è il potenziale della membrana risultante qualora la membrana sia selettivamente permeabile a quello ione.
Il potenziale della membrana a riposo è di -65mV, prossimo al potenziale di equilibrio del potassio (-80mV).
Il potenziale di membrana a riposo può essere calcolatro tramite l'equazione di Goldman.

Canali di potassio
La maggior parte dei canali di potassio ha 4 subunità che formano il poro, dove la regione chiamata ripiegamento del foro contribuisce al filtro di selettività che rende il canale permeabile principalmente agli ioni K⁺.
Mutazioni che coinvolgono solo un singolo amminoacido in questa regione possono alterare gravemente la funzione neurale.
L'importanza della disposizione dei residui amminoacidi lungo il poro all'interno del canale è stata rilevata dai cogniugi ricercatori Jan e dal loro canale del potassio Shaker.
L'epilessia può essere dovuta a delle mutazioni in specifici canali di potassio.

Regolazione della concentrazione esterna di potassio
Il potenziale di membrana è molto sensibile ai cambiamenti di concentrazione di potassio extracellulare, un aumento di 10 volte della concentrazione di K⁺ innalzerebbe il potenziale della membrana da -65 a -17mV, in un fenomeno chiamato depolarizzazione della membrana.
L'incremento di potassio extracellulare depolarizza i neuroni.
Esistono dei meccanismi per la regolazione extracellulare di potassio, come la barriera ematoencefalica, specializzazione delle pareti capillari cerebrali che limita il movimento del potassio nel fluido extracellulare del cervello.
Anche la glia e in particolare gli astrociti possiedono meccanismi per assorbire K⁺ in esaubero, dato che possiedono nella membrana pompe per il potassio che concentrano K⁺ nel loro citosol, e questo loro meccanismo viene chiamato tampone spaziale del potassio.
Le cellule muscolari invece sono prive di questi meccanismi, quindi anche se il cervello è protetto, un innalzamento di K⁺ nel sangue può comportare serie consenguenze per la fisiologia del corpo, come ad esempio l'arresto cardiaco dovuto al fatto che senza il potenziale negativo a riposo, le cellule muscolari cardiache non riuscirebbero a generare gli impulsi.