Genesi del Potenziale
di Membrana
In tutte le cellule è possibile misurare una
differenza di potenziale a cavallo del plasmalemma
Forze agenti sugli ioni
• Gradiente di Concentrazione
• Campo Elettrico
Energia chimica
Energia elettrica
è l’energia contenuta in un
gradiente di concentrazione
è l’energia dovuta alle cariche
in un campo elettrico
Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione?
nessuna differenza di potenziale
elettroneutralità
elettroneutralità
Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione?
un catione si muove dalla
zona ad alta a quella a
bassa concentrazione
nessuna differenza di potenziale
elettroneutralità
elettroneutralità
Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione?
Su entrambi i lati le
cariche non sono più
bilanciate
- voltaggio +
eccesso di carica -
eccesso di carica +
Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione?
l’eccesso di cariche + tende a
respingere i cationi da questo lato
- voltaggio +
eccesso di carica -
eccesso di carica +
Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione?
viene raggiunto un equilibrio:
la forza dovuta al gradiente di concentrazione
uguaglia
la forza dovuta al gradiente elettrico
- voltaggio +
eccesso di carica -
eccesso di carica +
GENESI DI UN
POTENZIALE D’EQUILIBRIO
0
++-
K+
Na+Cl100 mM
ΔE
K+
K+
K+
++-
K+Cl100 mM
ΔC
ΔE
ΔC
ΔE
++++++++-
K+
ΔC
All’equilibrio:
flusso dovuto al gradiente di conentrazione = flusso dovuto al potenziale elettrico
Il potenziale di equilibrio può essere
calcolato dall’Equazione di Nernst
& [C ]1 #
RT
E=
' ln$$
!!
zF
% [C ]2 "
R= 8.3 J/mol oK =1.98 cal/mol oK (cost. dei gas)
T = 293 oK (20 oC)
z = +1 (per Na+, K+, H+ etc)
z = -1 (per Cl-)
E
z = +2 (per Ca2+ etc)
F = 96,500 coulomb (costante di Faraday)
1
K+
-
+
+
+
+
-
+
+
+
+
2
K+
& [C ]1 #
= 58mV ' Log10 $$
!!
% [C ]2 "
Un esempio pratico
una cellula
Supponendo che la membrana di una
cellula sia permeabile solo al K+,
calcolare il potenziale di membrana
& [C ]est #
!!
E = 58mV ' Log10 $$
% [C ]int "
Un altro esempio
una cellula
Supponendo che la membrana di una
cellula sia permeabile solo al Na+,
calcolare il potenziale di membrana
& [C ]est #
!!
E = 58mV ' Log10 $$
% [C ]int "
The Goldman-Hodgkin-KatzEquation
Tiene conto di più specie ioniche con i proprio coefficienti di
permeabilità
Il potenziale di membrana circa -70 mV
Molto vicino al potenziale di equilibrio del K+ (- 90 mV). Non lo raggiunge perché una
piccola quantità di Na+ fluisce all’interno della cellula rendendola meno negativa di
quanto sarebbe se fosse completamente impermeabile al Na+.
Ulteriore Na+ che fluisce all’interno viene pompato all’esterno dalla Na-K- ATPasi.
Contemporaneamente il K+ viene pompato all’interno.
GENESI DI UN
POTENZIALE DI DIFFUSIONE
Si genera quando la membrana è permeabile in misura diversa alle varie specie ioniche
1
2
1
2
++-
Na+Cl100 mM
K+Cl-
100 mM
t
1
Na+
1
+
+
+
+
K+
++-
2
t
2
---
K+
Na+ + +
+
--
pK>pNa
pK>pNa
fK>fNa
fK=fNa
Il suo raggiungimento comporta:
Equilibrio elettrico ma squilibrio elettrochimico
Flusso netto non nullo delle varie specie ioniche
Un potenziale di diffusione non si mantiene indefinitivamente
Confronto tra potenziale d’equilibrio e di diffusione
Potenziale di equilibrio:
Le specie ioniche diffusibili sono all’equilibrio elettrochimico
(vale l’equazione di Nernst)
Il potenziale di membrana coincide con il potenziale di
equilibrio di ciascuna specie ionica diffusibile (Vm=Ei)
Il potenziale di equilibrio si mantiene indefinitamente
Potenziale di diffusione:
Le specie ioniche diffusibili non sono all’equilibrio
elettrochimico (non vale l’equazione di Nernst)
Il potenziale di membrana non coincide con il potenziale di
equilibrio di alcuna delle specie ioniche diffusibili (Vm≠ Ei)
Il potenziale di diffusione non si mantiene indefinitamente
ClPr-
Na+
Riassumendo
Il potenziale di membrana è una conseguenza di una
permanente differenza di concentrazione ionica ai due
capi della membrana
Questa è prodotta da:
• una membrana selettivamente permeabile (potenziale
di diffusione)
• la presenza di specie ioniche non permeanti
•un trasporto attivo degli ioni Na+ e K+
