Potenziale di soglia

Il Potenziale di soglia descrive una specifica differenza di carica sulla membrana delle cellule eccitabili. Se il potenziale di membrana si indebolisce a un certo valore nel corso della depolarizzazione, viene indotto un potenziale d'azione tramite l'apertura di canali ionici dipendenti dalla tensione. Il valore da conseguire in ogni caso, necessario per la generazione di un potenziale d'azione, è essenziale per la conduzione dell'eccitazione dovuta al principio tutto o niente.

Qual è il potenziale di soglia?

L'interno cellulare è separato dal mezzo esterno circostante da una membrana, che è solo parzialmente permeabile a determinate sostanze. Ciò significa che gli ioni, cioè le particelle cariche, non possono attraversarli in modo incontrollato. A causa della distribuzione non uniforme degli ioni tra l'interno e l'esterno della cella, si forma un potenziale elettrochimico misurabile, che viene indicato come potenziale di soglia.

Finché la cellula non viene stimolata, questo potenziale di membrana a riposo è negativo. L'impulso elettrico che arriva alla cellula la attiva o la pone in uno stato eccitato. Il potenziale di membrana a riposo negativo è depolarizzato da una permeabilità ionica modificata, cioè più positivo. Se si verifica una risposta neurale dipende dall'entità di questa pre-depolarizzazione. Secondo il principio tutto o niente, un potenziale d'azione viene creato solo quando viene raggiunto o superato un certo valore critico. Altrimenti non succede niente. Questo valore specifico necessario per la conduzione dell'eccitazione mediante potenziali d'azione è denominato potenziale di soglia.

Funzione e compito

Il punto di contatto per tutti gli impulsi di eccitazione in arrivo è il tumulo dell'assone. Questo segna il punto in cui si forma il potenziale d'azione, poiché il potenziale di soglia è inferiore lì che su altre sezioni di membrana a causa di una densità particolarmente elevata di canali ionici dipendenti dalla tensione.

Non appena il potenziale di soglia viene raggiunto o superato nel corso della pre-depolarizzazione, si verifica una sorta di reazione a catena. Un gran numero di canali ionici di sodio dipendenti dalla tensione si apre improvvisamente. L'afflusso temporaneo di sodio simile a una valanga lungo il gradiente di tensione intensifica la depolarizzazione fino al completo collasso del potenziale di membrana a riposo. Viene stabilito un potenziale d'azione, ad es.per circa un millisecondo le cariche positive in eccesso all'interno della cella provocano un'inversione di polarità.

Dopo che un potenziale d'azione è stato attivato con successo, il potenziale di membrana originale viene gradualmente ripristinato. Mentre l'afflusso di sodio è lento, i canali del potassio ritardati si aprono. Il crescente deflusso di potassio compensa l'afflusso di sodio in diminuzione e contrasta la depolarizzazione. Nel corso di questa cosiddetta ripolarizzazione, il potenziale di membrana diventa nuovamente negativo e scende anche brevemente al di sotto del valore del potenziale a riposo.

La pompa sodio-potassio ripristina quindi la distribuzione ionica originale. L'eccitazione si diffonde sotto forma di potenziale d'azione attraverso l'assone al successivo nervo o cellula muscolare.

La conduzione dell'eccitazione avviene in un meccanismo costante. Per compensare la depolarizzazione, gli ioni vicini migrano nel luogo in cui si forma il potenziale d'azione. Questa migrazione di ioni porta anche a una depolarizzazione nella regione vicina, che induce un nuovo potenziale d'azione con un ritardo quando viene raggiunto il potenziale di soglia.

Nel caso delle cellule nervose non midollari si osserva una continua trasmissione dell'eccitazione lungo la membrana, mentre nelle fibre nervose ricoperte da una guaina mielinica l'eccitazione salta da anello ad anello. La rispettiva sezione della membrana in cui viene attivato il potenziale d'azione non può essere eccitata fino a quando il potenziale di membrana a riposo non viene ripristinato, il che consente di trasmettere l'eccitazione in una sola direzione.

Malattie e disturbi

Il potenziale di soglia è il prerequisito per la creazione di potenziali d'azione, sui quali si basa in definitiva l'intera trasmissione degli impulsi nervosi o dell'eccitazione. Poiché la conduzione dell'eccitazione è essenziale per tutte le funzioni fisiologiche, qualsiasi disturbo di questa sensibile elettrofisiologia può portare a limitazioni fisiche.

L'ipokaliemia, cioè una carenza di potassio, ha un effetto rallentante sulla depolarizzazione e accelera la ripolarizzazione indebolendo il potenziale di membrana a riposo, che è associato a una più lenta conduzione dell'eccitazione e al rischio di debolezza muscolare o paralisi. Nelle malattie che danneggiano la guaina mielinica delle fibre nervose (ad esempio la sclerosi multipla), i canali del potassio sottostanti sono esposti, il che si traduce in un deflusso incontrollato di ioni di potassio dall'interno della cellula e quindi la completa assenza o indebolimento del potenziale d'azione.

Inoltre, le mutazioni genetiche nelle proteine ​​canale per sodio e potassio possono causare disturbi funzionali di vari gradi, a seconda della posizione dei canali interessati. Ad esempio, i difetti nei canali del potassio nell'orecchio interno sono associati alla perdita dell'udito dell'orecchio interno. I canali del sodio patologicamente alterati nei muscoli scheletrici causano la cosiddetta miotonia, che è caratterizzata da una tensione aumentata o sostenuta e da un rilassamento ritardato dei muscoli. La ragione di ciò è una chiusura insufficiente o un blocco dei canali del sodio e quindi la generazione di potenziali d'azione eccessivi.

Un'interruzione dei canali del sodio o del potassio nei muscoli cardiaci può innescare aritmie, cioè aritmie cardiache come un aumento della frequenza cardiaca (tachicardia), poiché solo la corretta conduzione dell'eccitazione nel cuore garantisce un ritmo cardiaco costante e indipendente. Nel caso della tachicardia possono essere disturbati diversi elementi all'interno della catena di trasmissione: ad esempio il ritmo della depolarizzazione automatica o l'accoppiamento temporale della depolarizzazione delle cellule muscolari o la frequenza di eccitazione per mancanza di fasi di riposo.

Di norma, la terapia viene eseguita con bloccanti dei canali del sodio, che inibiscono l'afflusso di sodio e quindi da un lato stabilizzano il potenziale di membrana e dall'altro ritardano la rieccitabilità della cellula. In linea di principio, tutti i tipi di canali ionici possono essere bloccati selettivamente. Nel caso dei canali del sodio dipendenti dalla tensione, ciò avviene tramite i cosiddetti anestetici locali. Ma le neurotossine come il veleno del mamba (dendrotossina) o il veleno del pesce palla (tetrodotossina) possono ridurre o spegnere l'eccitabilità della cellula inibendo l'afflusso di sodio e prevenendo lo sviluppo di un potenziale d'azione.