4-potenziale di membrana

POTENZIALE
DI MEMBRANA
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POTENZIALE DI MEMBRANA
POTENZIALE DI RIPOSO
Tutte le cellule (non solo le
cellule eccitabili) hanno un
potenziale di riposo (resting):
una carica elettrica attraverso la
membrana plasmatica, con
l’interno della cellula negativo
rispetto all’esterno. Il valore del
potenziale di riposo varia, ma
nelle cellule eccitabili si aggira
tra -90 e -70 mV.
Per poter misurare una ddp ai capi di una membrana cellulare occorrono
due elettrodi conduttori (uno di misura e uno di riferimento) che permettono
di misurare separatamente il potenziale intracellulare e quello
extracellulare e di farne la differenza. Inizialmente, se i due elettrodi sono
immersi nella soluzione esterna, non si misurerà nessuna ddp in quanto
gli ioni sono distribuiti uniformemente in tutta la soluzione. Quando però il
microelettrodo misuratore penetra leggermente attraverso la membrana
cellulare venendo in contatto con la soluzione intracellulare, l’oscilloscopio
segna bruscamente una variazione negativa verso il basso del potenziale di
membrana indicando che il potenziale a riposo della cellula è negativo.
Ripetendo la misura su cellule diverse si nota che i valori di Vm variano tra 40 e -90 mV a seconda del tipo cellulare.
Inserendo questo elettrodo in profondità nel citoplasma, non si osservano
significative variazioni ad indicare che il mezzo intracellulare è
sostanzialmente isopotenziale e che tutta la caduta è a cavallo della
membrana plasmatica.
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POTENZIALE DI MEMBRANA
ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO
a) Ineguale distribuzione delle specie
ioniche tra il liquido extracellulare e
quello intracellulare:
CATIONI
Na+
K+
Ca2+
ANIONI
ClA-
INTRA (mM)
EXTRA (mM)
12
140
10-7 (M)
145
4
-3
10 (M)
4
146
117
1
3
POTENZIALE DI MEMBRANA
ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO
a) Differente permeabilità della membrana ai diversi tipi di
ioni:
Allo stato di riposo, gli
ioni potassio (K+)
possono attraversare la
membrana facilmente,
mentre ioni cloro (Cl-),
sodio (Na+) e calcio
(Ca2+) presentano molte
difficoltà. Le grosse
molecole proteiche si
comportano come ioni
carichi negativamente
(A-) e non attraversano
la membrana
AK+
Cl-
Na+
Ca2+
Inside cell
K+
ClNa+
Ca2+
Outside cell
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POTENZIALE DI MEMBRANA
FORZE AGENTI SUGLI IONI
FORZA
CHIMICA
Generata dal gradiente
di concentrazione
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POTENZIALE DI MEMBRANA
FORZE AGENTI SUGLI IONI
FORZA
ELETTRICA
Generata dal gradiente
elettrico
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POTENZIALE DI MEMBRANA
FORZE AGENTI SUGLI IONI
FORZA
CHIMICA
FORZA
ELETTRICA
Generata dal gradiente
di concentrazione
Generata dal gradiente
elettrico
La concomitanza di queste due forze
(POTENZIALE ELETTROCHIMICO, E)
spinge il flusso ionico all’interno o
all’esterno della cellula
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POTENZIALE DI MEMBRANA
ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO
Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione?
i soli ioni che possono equilibrarsi sono
gli ioni K+ che possono spostarsi
attraverso la cellula, ma essendo le due
concentrazioni uguali non c’è
movimento netto di cariche e quindi il
potenziale di membrana, che era
inizialmente zero, rimane tale nel tempo.
Principio della elettroneutralità delle soluzioni: nei
compartimenti biologici la concentrazione globale dei cationi deve
essere uguale a quella degli anioni
Per poter capire l’origine del potenziale di membrana cominciamo ad
analizzare una situazione molto semplice. Consideriamo per es. una
cellula ideale in cui le soluzioni, interna ed esterna siano composte solo da
due ioni il K e il Cl in uguale concentrazione (10 mM) e che la cellula sia
permeabile solo al K+, cioè la cellula ha dei canali specifici solo al K.
In queste condizioni i soli ioni che possono equilibrarsi sono gli ioni K che
possono spostarsi attraverso la cellula, ma essendo le due concentrazioni
uguali non c’è movimento netto di cariche e quindi il potenziale di
membrana che era inizialmente 0 rimane tale.
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POTENZIALE DI MEMBRANA
ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO
Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione?
INTERNO
ESTERNO
+
-
+
+
-
Se immaginiamo che la cellula contiene una concentrazione 10 volte più
elevata di K, in queste condizioni gli ioni K intracellulari diffondono
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POTENZIALE DI MEMBRANA
ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO
Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione?
INTERNO
ESTERNO
+
-
gli ioni K+ intracellulari
diffondono verso l’esterno
attraverso i canali aperti
con una probabilità 10 volte
maggiore a quella degli ioni
K+ extracellulari che
diffondono verso l’interno
della cellula
+
+
-
Se immaginiamo che la cellula contiene una concentrazione 10 volte più
elevata di K in queste condizioni gli ioni K intracellulari diffondono verso
l’esterno attraverso i canali aperti con una probabilità 10 volte maggiore a
quella degli ioni K extracellulari che diffondono verso l’interno della cellula.
Quindi si muoveranno spinti da un gradiente di potenziale chimico
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POTENZIALE DI MEMBRANA
ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO
Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione?
INTERNO
si genera una ddp elettrico
tra i due compartimenti,
inizialmente equipotenziali,
con polarità positiva nel
compartimento
(extracellulare) e negativa
nel compartimento
(intracellulare).
ESTERNO
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
-
La diffusione crea un accumulo di ioni K all’esterno che aumenta la carica
positiva extracellulare. In parallelo diminuisce proporzionalmente la carica
positiva intracellulare che rende l’interno della cellula più negativo rispetto
all’esterno.
Questo processo determina la perdita della perfetta elettroneutralità delle
soluzioni che si trovano ad avere nel compartimento INTERNO un deficit di
cariche + e nel compartimento ESTERNO un eccesso. Di conseguenza si
genera una ddp elettrico tra i due compartimenti, inizialmente
equipotenziali, con polarità positiva nel compartimento (extracellulare) e
negativa nel compartimento (intracellulare).
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POTENZIALE DI MEMBRANA
ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO
Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione?
INTERNO
Da questo momento in poi anche le
forze elettriche cominciano ad
avere un’azione importante sugli
ioni.
Infatti, la differenza di potenziale
che si crea a cavallo della
membrana contrasta il movimento
di ioni K+ verso l’esterno
-
ESTERNO
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
-
Da questo momento in poi anche le forze elettriche cominciano ad avere
un’azione importante sugli ioni.
Infatti la differenza di potenziale che si crea a cavallo della membrana
contrasta il movimento di ioni K verso l’esterno
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POTENZIALE DI MEMBRANA
ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO
Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione?
INTERNO
In queste condizioni si dice
che lo ione K+ ha raggiunto
il suo equilibrio
elettrochimico e la
differenza di potenziale che
si genera è chiamata
potenziale di equilibrio del K+
-
ESTERNO
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
-
È facilmente intuibile che il processo potrà raggiungere un equilibrio, in cui i
flussi unidirezionali degli ioni da sx a dx e da dx a sx saranno uguali,
quando il gradiente di concentrazione e quello elettrico saranno uguali e
contrapposti.
In queste condizioni si dice che lo ione K ha raggiunto il suo equilibrio
elettrochimico e la differenza di potenziale che si genera è chiamata
potenziale di equilibrio del K
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POTENZIALE DI MEMBRANA
POTENZIALE DI EQUILIBRIO
EQUAZIONE DI NERNST
R = costante dei Gas = 8.3143 J/mol K =1.98 cal/mol K
F = costante di Faraday = 96485 C/mol
T = 293 K (20 oC)
z = valenza dello ione = +1 (per Na+, K+, H+ etc); -1 (per Cl-); +2 (per Ca2+, ecc.)
ln x = 2,303 log x
È possibile calcolare in maniera rigorosa il potenziale elettrochimico dello
ione permeabile K+ all’equilibrio attraverso l’equazione di Nernst.
Indica la tendenza dello ione K+ a muoversi da A a
B a causa del gradiente di concentrazione
Indica la tendenza dello ione K+ a muoversi da A a
B a causa del gradiente elettrico
L’equazione di Nernst si può ulteriormente semplificare se si calcola il
rapporto RT/xF per un catione monovalente alla temperatura di 20°C e si
trasformano i logaritmi naturali in logaritmi decimali
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POTENZIALE DI MEMBRANA
POTENZIALE DI EQUILIBRIO
EQUAZIONE DI NERNST
L’equazione di Nernst permette di calcolare il potenziale di equilibrio di una
sola specie ionica se si conosce esattamente la sua concentrazione nei
due compartimenti cellulari.
Inoltre il potenziale di equilibrio sarà positivo se il catione è più concentrato
nel lato extracellulare, perché il rapporto [X]e/[X]i>1, il segno è invertito se lo
ione è più concentrato nel lato intracellulare perché il rapporto [X]e/[X]i<1.
Se lo ione è un anione succederà l’opposto perché z è negativo e il fattore
di moltiplicazione è -58 mV per z= -1. Per gli ioni divalenti come il calcio e il
Mg che hanno z=+2 il fattore di moltiplicazione è 29 mV
Possiamo calcolare i potenziali di equilibrio degli ioni più importanti.
È interessante osservare come il potenziale di equilibrio del K è molto
negativo mentre quello del Na è di segno opposto con una differenza netta
tra i due di circa 153 mV. I potenziali di equilibrio del Na e del Ca sono
entrambi molto positivi e originano dalla maggiore concentrazione dei due
ioni sul lato extracellulare della membrana. Sia il Na che il Ca per
raggiungere l’equilibrio entrano nella cellula attraverso i rispettivi canali e
rendono l’interno più positivo rispetto all’esterno. Si può notare che il
potenziale di equilibrio degli ioni Cl è negativo in quanto questi ioni sono
maggiormente concentrati nel liquido extracellulare. La loro diffusione
verso l’interno della cellula per raggiungere l’equilibrio rende questo lato
della cellula più negativo rispetto all’esterno.
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POTENZIALE DI DIFFUSIONE
EQUAZIONE DI NERNST
equazione di Goldman-Hodgkin-Katz
e
Risulta quindi evidente che il valore del potenziale di riposo di una cellula non dipende solo
esclusivamente dai gradienti ionici dei vari ioni ai lati della membrana ma dipende anche
dalle proprietà di permeabilità di quest’ultima ai vari ioni.
I coefficienti di permeabilità relative di Na+ e Cl- rispetto a quella del K+
posta uguale a 1 sono nel muscolo rispettivamente:
PK+ = 1; P Na+=0.04; PCl-=0,45
L’equazione di Nernst è in grado di predirre il potenziale di riposo di una
cellula solo se quest’ultima è permeabile ad una sola specie ionica.
Questa chiaramente non è una condizione fisiologica accettabile. Nel caso
dei neuroni e di altre cellule eccitabili l’equazione di Nernst predice a riposo
un potenziale di circa -90 mV se le cellule sono permeabili solo al K. In
realtà i potenziali di riposo effettivamente misurati sono in media tra -60 e 70 mV, quindi più positivi. Questo significa che altri ioni, oltre al K, sono
coinvolti nel mantenere il potenziale di riposo della cellula.
Per es. le cellule a riposo sono debolmente permeabili al Na che è
maggiormente concentrato all’esterno e può entrare nella cellula e rendere
il potenziale di membrana più positivo. Risulta quindi evidente che il valore
del potenziale di riposo di una cellula non dipende solo esclusivamente dai
gradienti ionici dei vari ioni ai lati della membrana ma dipende anche dalle
proprietà di permeabilità di quest’ultima ai vari ioni.
E c’è una equazione che permette di calcolare il potenziale di membrana di
una cellula permeabile a più ioni quando si conoscono le loro permeabilità
attraverso la membrana e questa è l’equazione di Goldman o equazione di
Goldman-Hodgkin-Katz.
Nelle cellule di mammifero Na, K e Cl sono i tre ioni che maggiormente
influenzano il potenziale di membrana a riposo, per cui nella sua forma
generale questa equazione può essere scritta:
Dove Vm è il potenziale di membrana a riposo a 20°C.
PK, PNa, PCl indicano la permeabilità della membrana a K, Na, Cl.
Da una prima osservazione della formula risulta evidente che Vm
approssima maggiormente il potenziale di equilibrio dello ione che ha la
permeabilità relativa maggiore rispetto agli altri. Se la membrana non è
permeabile a un determinato ione (P=0) il contributo di quello ione è nullo e
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POTENZIALE DI DIFFUSIONE
equazione di Goldman-Hodgkin-Katz
e
Una piccola quantità di ioni Na fluiscono nella cellula rendendo l’interno
della cellula meno negativo di quanto sarebbe se il Na venisse totalmente
escluso. Ulteriore Na che entra nella cellula viene pompato fuori dalla Na/KATPasi. Contemporaneamente gli ioni K che sono usciti dalla cellula
vengono pompati dentro sempre dalla stessa pompa. La pompa
contribuisce al potenziale di membrana portando fuori 3 Na per ogni 2K che
porta dentro la cellula. Poiché la Na/K-ATPasi favorisce il mantenimento del
gradiente elettrico, è definita pompa elettrogenica.
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Come mai il Potenziale di membrana e le concentrazioni ioniche sono
COSTANTI nel tempo ?
La risposta é nell'attività dell Na+/K+ATPasi di membrana che:
1) espellendo Na+ entrato passivamente e ricaptando K+, mantiene costanti nel tempo le
differenze di concentr. ioniche e di conseguenza indirettamente il pot. di membrana
2K+
3Na+
++
Na+
--
+
+
+
-
+
- -
K+
+
-
+
+
+
++
-
2) essendo elettrogenica (scambia 3 ioni Na con 2 ioni K) può essa stessa generare un
potenziale elettrico attivo che si addiziona a quello di diffusione di Na+ e K+
Con il passare del tempo, la concentrazione intracellulare di ioni sodio e
potassio non cambia perché la pompa Na+/K+-ATPasi mantiene la
concentrazione di Na+ e di K+ a livelli stabili.
Na che entra nella cellula viene pompato fuori dalla Na/K-ATPasi.
Contemporaneamente gli ioni K che sono usciti dalla cellula vengono
pompati dentro sempre dalla stessa pompa. La pompa contribuisce al
potenziale di membrana portando fuori 3 Na per ogni 2K che porta dentro la
cellula. Poiché la Na/K-ATPasi favorisce il mantenimento del gradiente
elettrico, è definita pompa elettrogenica.
Finchè i gradienti di concentrazione rimangono stabili e le permeabilità
ioniche della membrana plasmatica non cambiano, anche il potenziale
elettrico transmembrana a riposo rimarrà costante.
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RIEPILOGO genesi del potenziale elettrico della membrana cellulare
La fuoriuscita di K+
diminuisce e
l’ingresso di Na+
accelera. Alla fine il
potenziale di
membrana si stabilizza
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