Si definisce potenziale d’azione una rapida variazione del potenziale di membrana, che passa dal valore negativo di riposo (circa -90mV) ad un valore positivo, per poi ritornare al valore iniziale (Immagine 01).
Immagine 01
Immagine 01.Rappresentazione schematica del potenziale d’azione
Il potenziale d’azione è composto da numerose fasi, associate a variazioni della conduttanza della membrana cellulare per alcuni ioni, in particolare Na+ , K+ e Ca2+. Affinché si sviluppi un potenziale d’azione è necessario che la membrana si depolarizzi fino ad un valore di soglia (circa -55mV), che produrrà l’apertura delle proteine di canali per gli ioni Na+ , che entreranno nella cellula depolarizzandola ulteriormente e generando così un meccanismo di feedback positivo, responsabile del ripido spike iniziale. L’apertura di altri canali ionici, invece, ne determinerà poi forma e durata, fino al ripristino delle condizioni di riposo.
Il potenziale d’azione della cellula cardiaca
Il potenziale d’azione cardiaco presenta caratteristiche leggermente differenti dalla altre cellule del cuore.
Si compone di varie fasi:
una fase di depolarizzazione estremamente rapida (Fase 0):
la ripolarizzazione transiente (Fase 1), che gioca un ruolo importante nel determinare la durata del potenziale d’azione (APD);
il plateau (Fase 2), responsabile del prolungato potenziale d’azione cardiaco;
la ripolarizzazione (Fase 3), che riporta il potenziale di membrana al suo valore di inizio;
una fase di riposo, la diastole (Fase 4).
Questo comportamento è quello che si ritrova nelle fibre atriali e ventricolari, mentre nelle cellule del nodo seno-atriale, che rappresentano il pacemaker naturale del cuore, durante la Fase 4 si ha una nuova depolarizzazione spontanea, responsabile della generazione del potenziale d’azione.
Immagine 02
Immagine 02.Potenziale d’azione della cellula ventricolare cardiaca.
Potenziale di riposo nelle cellule del miocardio:
ha un valore di circa -90 mV, ed è direttamente legato al gradiente elettrochimico del K+ attraverso la membrana cellulare, che è permeabile al K+ stesso. La concentrazione degli ioni K+ all’interno della cellula è notevolmente superiore alla concentrazione extracellulare (circa 145 mM contro 5 mM) e il K+ tenderà quindi a muoversi verso l’esterno della cellula, seguendo il gradiente di concentrazione.
Fase 0 (depolarizzazione rapida):
è provocata da uno stimolo efficace, ovvero che superi il valore di soglia, ed è dovuta quasi esclusivamente all’ingresso di ioni Na+ in seguito ad un rapido-aumento della conduttanza dei canali ionici corrispondenti;
l’ingresso di ioni Na+ , positivi, provoca l’attivazione di altri canali rapidi del Na+ , che ne aumentano ulteriormente l’ingresso, con un meccanismo a feedback positivo. La velocità di depolarizzazione è determinata dal flusso di Na+ entrante nella cellula. La corrente del Na+ è molto rapida e di ampiezza elevata; tuttavia, l’ingresso di Na+ , si arresta dopo 1-2 ms, perché i canali ionici si inattivano subito dopo l’apertura e la conduttanza torna ad assumere i valori che aveva prima dell’attivazione. Finché la cellula non è completamente ripolarizzata (-90 mV) i canali non riescono ad uscire da questo stato di inattivazione.
Fase 1 :
la Fase 0 del potenziale d’azione è seguita da un breve periodo di ripolarizzazione (Fase 1), che rispecchia in parte l’effetto dell’inattivazione dei canali rapidi del Na+ , ma soprattutto causata dall’ apertura di canali del K+, che consentono il passaggio di una corrente uscente transiente ripolarizzante, chiamata Ito (transient outward).
Fase 2 (fase di plateau):
caratteristica dell’AP cardiaco nonché principale responsabile della sua durata. In questa fase, gli ioni Ca2+ e in parte anche gli ioni Na+ entrano nella cellula attraverso i canali lenti (Long Lasting, L-type), così chiamati perché i processi di attivazione, inattivazione e recupero (cioè l’uscita dallo stato di inattivazione ed il conseguente recupero della possibilità di attivarsi a fronte di uno stimolo elettrico adeguato) sono più lenti rispetto ai canali T–type. L’apertura di questi canali provoca un aumento della conduttanza del calcio, che inizia subito dopo la Fase 0 del potenziale. Poiché la concentrazione intracellulare di Ca2+ è molto inferiore a quella extracellulare (circa 100 nM contro 1-2 mM), l’aumento di conduttanza favorisce una corrente di Calcio entrante nella cellula per tutta la durata del plateau: tale corrente è chiamata ICaL, proprio perché dovuta a canali Ltype. La corrente di Ca2+ attraverso i canali T-type fornisce, invece, un contributo limitato all’upstroke dell’ AP, che è principalmente sostenuto dalla corrente di Na+ . Durante il plateau del potenziale d’azione, gli ioni K+ escono dalla cellula, secondo il gradiente di concentrazione. La conduttanza di membrana risulta elevata durante la prima parte del plateau, e si riduce nella parte finale. Ciò significa che all’inizio della Fase 2 la membrana trasporta sia correnti entranti sia correnti uscenti, la cui ampiezza diminuisce, poi in modo parallelo per mantenere un potenziale relativamente costante, finché una corrente uscente aggiuntiva non completa la ripolarizzazione.
Fase 3 (fase di ripolarizzazione):
L’ efflusso di ioni K+ rende negativo l’interno della cellula rispetto all’esterno, e ripolarizza la membrana ponendo fine al plateau. La ripolarizzazione (Fase 3) dipende da due processi principali: l’incremento della conduttanza del K+ (gK) e la riduzione della conduttanza di Ca2+. L’incremento di gK comporta l’uscita di K+ dalla cellula. Tale corrente in uscita non è più controbilanciata dalle correnti entranti di Na+ e Ca2+, che vanno diminuendo e l’interno della membrana tende a diventare sempre più negativo. L’incremento di gK è voltaggio-dipendente; se il potenziale di membrana diventa più negativo, gK aumenta e viene accelerato il flusso di K+ verso l’esterno. Pertanto, questa fase di rapida ripolarizzazione è un feedback positivo. Esistono altri due meccanismi che offrono una corrente favorevole alla ripolarizzazione del potenziale di membrana:
il primo è la pompa Na+K+, che trasporta tre ioni Na+ fuori dalla cellula ogni due ioni K + trasportati all’interno, generando una corrente netta uscente, che contribuisce al mantenimento del potenziale di riposo. Anche se normalmente piccola, questa corrente ripolarizzante aumenta quando la cellula è sovraccarica di Na+ , ad esempio nel caso di frequenza cardiaca accelerata.
il secondo meccanismo è lo scambiatore K +Ca2+ che scambia uno ione Ca2+ per tre ioni Na+ e che sostiene una piccola corrente uscente durante la sistole ed entrante durante la diastole.
Periodo refrattari:
Una volta che si è manifestato il potenziale d’azione si ha un periodo refrattario assoluto, ossia un intervallo di tempo durante il quale non è possibile scatenare un nuovo potenziale d’azione qualunque sia lo stimolo. Questo periodo parte dalla Fase 0 e si estende fino al punto della Fase 3 in cui i canali rapidi del Na+ ritornano attivi. La restante parte della Fase 3 è detta periodo refrattario relativo: in questo periodo può essere prodotto un potenziale d’ azione, ma solo applicando uno stimolo più intenso. Le risposte che si hanno durante questo periodo dipendono dal valore del potenziale di membrana al momento della stimolazione, ma sono comunque lente e di ampiezza non elevata, perché la conduzione è più lenta. L’ampiezza e la velocità della depolarizzazione aumentano progressivamente se lo stimolo avviene in momenti successivi al periodo refrattario relativo, dato che è probabile che un numero sempre maggiore di canali del Na+ abbia recuperato dopo l’ inattivazione. Il periodo refrattario è indispensabile per il corretto funzionamento del cuore, poiché permette un alto rendimento della funzione di pompa del cuore, in quanto il ventricolo può riempirsi completamente di sangue prima di eseguire un’altra contrazione; inoltre permette di avere una netta distinzione tra fase pulsoria (sistole) e fase di riposo (diastole), in maniera tale da permettere l’apporto di sangue attraverso le coronarie, che può avvenire solo in fase diastolica.
Il potenziale d’azione nelle diverse regioni del tessuto cardiaco
Il potenziale d’azione presenta forme differenti da una regione all’altra del cuore, a causa della diversa espressione dei canali ionici nei tessuti che lo costituiscono (Immagine 03). Morfologia e durata del potenziale d’azione sono quindi aspetti caratteristici di ogni cellula e sono influenzati dall’interazione di molti processi cellulari fondamentali.
Immagine 03
Immagine 03. Rappresentazione dell’ AP per il tessuto cardiaco nelle varie regioni del cuore.
Nelle cellule del nodo seno atriale, ad esempio, il potenziale d’azione è di breve durata e ha un lento up-stroke; negli atri, invece, l’up-stroke è molto rapido, così come la ripolarizzazione ed il plateau è relativamente breve. Nelle cellule del sistema His-Purkinje il potenziale d’azione è molto ampio, sale rapidamente e dura a lungo (300 ms); nei ventricoli, infine, ha una durata intermedia ed è molto simile a quello delle fibre del Purkinje, ma di minore ampiezza. La durata del potenziale d’azione (APD) differisce nei diversi strati della parete ventricolare. In particolare, l’AP è più lungo nel mid-miocardio, un po’ più breve nell’endocardio e ancora più breve nell’epicardio (Immagine 04).
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Immagine 04. Rappresentazione della durata dell’AP nelle varie regioni del cuore.
L’eterogeneità nella durata della ripolarizzazione ventricolare nei diversi strati del miocardio è principalmente dovuta al differente contributo delle due correnti di K+: Ito e IKs. Il potenziale d’azione tipico di un miocita ventricolare è mostrato in Immagine 05, in cui sono anche mostrate le correnti depolarizzanti relative agli ioni Na+ e Ca2+.
In condizioni normali la corrente di Na+, INa, si attiva rapidamente producendo il picco dell’ AP, poi si inattiva completamente. La corrente di Ca2+ L-type, ICaL, si inattiva un po’ più lentamente e non completamente consentendo alla corrente di Ca2+ di sostenere la fase di plateau dell’ AP. L’ingresso di Ca2+ attraverso il canale di Ca2+ L-type innesca il rilascio di Ca2+ da parte del reticolo sarcoplasmatico (SR), un compartimento interno in cui è immagazzinato Ca2+. Il reticolo sarcoplasmatico è un organello subcellulare che rilascia la maggior parte di Ca2+ durante ogni battito cardiaco. La parte inferiore dell’immagine mostra alcune correnti di K+ e una corrente di Cl (Ito2) , che sono coinvolte nella fase di ripolarizzazione della membrana. La corrente inward- rectifier, IK1, mantiene e stabilizza il potenziale di riposo, le correnti transienti verso l’esterno, Itol e Ito2, relative agli ioni K+ e Cl– rispettivamente, contribuiscono alla prima rapida diminuzione del picco dell’AP che precede la fase di plateau, mentre le componenti della corrente rettificante ritardata, IKr e IKs, e la corrente di K+ di plateau, IKp, mostrano proprietà voltaggio e tempo dipendenti che contribuiscono alla ripolarizzazione dell’ AP.
Immagine 05
Immagine 06
Immagine 06. Potenziale d’azione e flusso ionico nelle cellule contrattili miocardiche.
Immagine 07
Immagine 07. Fasi del potenziale d’azione di membrana cardiaco.
