potenziale di riposo

Potenziali di membrana; potenziale
di riposo e d'azione.
Premesse indispensabili
MEMBRANA PLASMATICA - MEMBRANE DEGLI
ORGANELLI
COMPOSIZIONE: bistrato fosfolipidico contenente
enzimi, recettori, antigeni; proteine integrali ed
estrinseche.
LIPIDI: fosfolipidi, colesterolo, glicolipidi
PROTEINE: asimmetria funzionale (pompe ioniche)
TRASPORTO
SENZA ATTRAVERSAMENTO DI MEMEBRANA :
Fagocitosi, pinocitosi, esocitosi: formazione di vacuoli,
fusione delle membrane anche fra vacuoli (possibile
formazione di canali temporanei)
TRASPORTO MEDIATO DA PROTEINE
Più rapido; cinetica di saturazione; specificità;
inibizione competitiva; possibile inibizione da
altri fattori;
TRASPORTO (DIFFUSIONE ) FACILITATO:
non avviene contro gradiente (non consuma
energia), ma è operato da proteine specifiche
TRASPORTO ATTIVO: crea gradienti di
concentrazione; consuma energia;
trasporto attivo secondario (cotrasporto).
DIFFUSIONE
leggi:
1) (x)2 = 2Dt
 x = distanza
t = tempo
D = coefficiente di diffusione
il tempo necessario per percorrere la distanza x
è proporzionale a D; il tempo di diffusione è
inversamente proporzionale al quadrato della
distanza.
2) D = kT/(6r) (equazione di STOKES EINSTEIN)
kT = energia cinetica media
r = raggio molecolare
 = viscosità del mezzo
Il coefficiente di diffusione D è proporzionale
alla temperatura e inversamente proporzionale al
raggio della molecola e alla viscosità del mezzo.
Per molecole con PM (peso molecolare) > a 300 D
è inversamente proporzionale a ( 3 PM) e a (2 
PM) per le molecole più piccole
DIFFUSIONE ATTRAVERSO UNA MEMBRANA
3) J= DA*(c/  x) (prima legge di FICK)
J = velocità netta di diffusione
D = coefficiente di diffusione
A = area della membrana
 c = gradiente di concentrazione
 x = spessore della membrana
La velocità netta di diffusione attraverso una
membrana è proporzionale al coefficiente di
diffusione, all'area della membrana e al
gradiente di concentrazione; è inversamente
proporzionale allo spessore della membrana.
PERMEABILITA' DELLA MEMBRANA: alle
molecole liposolubili; alle molecole idrosolubili.
Le molecole liposolubili sono permeabili in
funzione della loro liposolubilità e seguono le
leggi della diffusione.
Le molecole idrosolubili attraversano la
membrana solo se sono molto piccole (acqua),
altrimenti la membrana è impermeabile, così
come lo è per le molecole ionizzate. Per
l'ingresso di queste molecole sono necessari
trasportatori, in genere rappresentati da
proteine (es. canali ionici, trasportatori di
zuccheri e amino acidi).
PERMEABILITA' DELLA MEMBRANA: all’acqua.
La membrana cellulare è normalmente
permeabile all’acqua, perché contiene specifiche
proteine (aquaporine) che ne consentono il
passaggio.
In alcuni casi la permeabilità all’acqua è
regolata: es. ormone antidiuretico (ADH)
OSMOSI: si verifica quando due ambienti
contenenti molecole in soluzione sono separati da
una membrana semipermeabile
E’ semipermeabile una membrana che consenta il
passaggio del solvente, non del soluto
Qualunque membrana può comportarsi
come semipermeabile nei confronti di
alcune molecole e non di altre
membrana semipermeabile
soluzione
solvente
mmHg
0
10
PRESSIONE OSMOTICA (PO) è la
pressione che si oppone al passaggio del
solvente ed è uguale e contraria alla forza
di attrazione delle molecole del soluto su
quelle del solvente. La PO è proporzionale
alla differenza nel numero assoluto di
particelle presenti in ogni ambiente, non al
gradiente di concentrazione. A parità di
concentrazione (in peso) sono più attive le
molecole più piccole (sono più numerose) e
quelle dissociate (gli ioni aumentano il
numero di particelle).
ESEMPIO PRATICO:
Una soluzione somministrata in vena
deve essere iso-osmotica rispetto al
plasma, altrimenti può danneggiare le
cellule del sangue.
Soluzione salina (NaCl): 0.9% (9
grammi/litro)
Soluzione glucosata: 5% (50
gramm/litro)
Esistono anche soluzioni iperosmotiche,
che vengono somministrate molto
lentamente per non danneggiare il
sangue e servono per riassorbire acqua
dagli spazi interstiziali. L’acqua
riassorbita verrà eliminata dai reni
CONSEGUENZE FISIOLOGICHE DEI
FENOMENI OSMOTICI
Le membrane cellulari si comportano come
semipermeabili nei confronti delle
molecole di cui non consentono il passaggio
(sono permeabili all'acqua): in un ambiente
povero di soluti (ipoosmotico) le cellule si
rigonfiano, mentre si raggrinzano in
ambiente iperosmotico.
CONSEGUENZE FISIOLOGICHE DEI
FENOMENI OSMOTICI
Nell’organismo avvengono continui ed
importanti scambi di acqua. Le forze che
spostano l’acqua sono:
Pressione idrostatica
Pressione osmotica
COMPARTIMENTI LIQUIDI
DELL’ORGANISMO
Acqua 60%
Intracellulare 60% (25 l)
Extracellulare (15 l; comprende il plasma –
3.5 l)
Transcellulare (membrane speciali:
articolazioni, occhio …)
Fenomeni da comprendere e imparare:
Potenziali d’equilibrio
Potenziali di membrana:
•Di riposo
•D’azione
Fasi del potenziale d’azione
Correnti ioniche durante il potenziale
d’azione
Mantenimento dell’omeostasi cellulare
Conduzione del potenziale d’azione
Potenziali di membrana
EQUILIBRI IONICI E POTENZIALI
TRANSMEMBRANARI
Le cellule viventi sono normalmente cariche
elettricamente (differenza di potenziale), con
l'esterno positivo rispetto all'interno
Potenziale elettrochimico: creato da gradienti di
concentrazione di una sostanza ionizzata (carica
elettricamente), attraverso una membrana: il
gradiente chimico spinge in una direzione e il
gradiente elettrico nell'altra; quando le due
forze si equivalgono, si raggiunge un
POTENZIALE DI EQUILIBRIO
Gradiente di concentrazione (chimico)
Na+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
Gradiente di carica (elettrico)
K+
K+
K+
P- P-
K+
K+
K+
P-
P-
+
K+
K+
P- P-
K+
K+
P-
P-
+
Potenziale
+
di
equilibrio
=
K+
P- P-
P-
K+
P-
K+
P- P-
P-
P-
Il POTENZIALE DI EQUILIBRIO è prevedibile
in base alla
EQUAZIONE DI NERNST:
Ea-Eb = -(RT/zF)ln([Xa]/[Xb])
Ea-Eb = (RT/zF)ln([Xb]/[Xa])
Ea-Eb = differenza di potenziale
R = cost. dei gas, F = cost di Faraday, T= temperatura
assoluta, z = valenza.
(RT/zF)ln = 60 log;
Potenziale di equilibrio
Ea-Eb (mV) = 60/z log([Xb]/[Xa])
Il potenziale di equilibrio per uno ione
(Ei) è proporzionale ad una costante e
al logaritmo del rapporto fra le
concentrazioni ioniche ai due lati della
membrana
Esistono differenze di
concentrazione fra liquido
intra- ed extra- cellulare, in
particolare:
sodio e cloro all'esterno,
proteine e potassio all'interno
Ogni cellula avrà un potenziale di
riposo (Em) che risulta dalla somma
dei potenziali di equilibrio per ogni
ione, calcolabile in base all'equazione
di Nernst, ma corretto per la
permeabilità (gi) della membrana allo
stesso ione
PERMEABILITA’
Capacità di una membrana di far passare una
determinata molecola (inverso = impermeabilità)
CONDUTTANZA (G)
Flusso effettivo di una molecola attraverso una
membrana (dipende dalla permebilità e ne
costituisce una misura)
Potenziale di membrana:
equazione di GOLDMAN
Em = (gK/gt) EK + (gNa/gt) ENa +
(gcl/gt) ECl; gt = gK+gNa+gCl
Nella cellula a riposo gK è circa 10
volte maggiore di gNa e pertanto il
potenziale è vicino a EK.
Le differenze di concentrazione sono
generate da pompe metaboliche (in
particolare Na/K-ATPasi), che
possono essere parzialmente
elettrogeniche (creano differenze di
potenziale)
I canali ionici più importanti per i
potenziali d’azione sono quello per il
Na+ e quello per il K+.
In particolare, il canale per il Na+ è
voltaggio-dipendente e si chiude
progressivamente con la
polarizzazione della membrana
(negativa all’interno), quindi gNa è
piccola a riposo
Poiché la pompa Na+/K+ è elettrogenica
(porta fuori più Na+ e porta dentro meno
K+), a mano a mano che si instaurano i
gradienti di concentrazione, la membrana
si polarizza diventando negativa all’interno
(ci sono meno cariche positive). Questo fa
chiudere i canali per il Na+ voltaggiodipendenti e gNa è piccola
I canali per il K+ sono in larga misura
non voltaggio-dipendenti e rimangono
aperti nella membrana polarizzata,
quindi gK è elevata (nella membrana a
riposo)
POTENZIALE D'AZIONE
E' la prima espressione dell'eccitamento
della cellula eccitabile.
E' un fenomeno con soglia
E' un fenomeno tutto-o-nulla
E' un fenomeno che si propaga
rigenerandosi
E' un fenomeno con un preciso decorso
temporale.
Stimolo: fenomeno
(generalmente elettrico),
naturale o artificiale che può
eccitare la cellula (se
raggiunge la soglia), e provoca
comunque una variazione del
suo potenziale di riposo
Stimolo sotto soglia: provoca
variazioni locali del potenziale,
che si propagano con
decremento e diminuiscono nel
tempo (costanti di spazio e di
tempo).
Stimolo = iniezione cariche positive
+ + +
- - - - - - - - - - - - -
Cellula a riposo
+ + + + + + + + + + + +
d
e
p
o
l
a
r
i
z
z
a
z
i
o
n
e
mv
+30
Sotto soglia
0
-60
soglia
-80
Tempo (millisecondi)
Tutto-o-nulla
Sopra soglia
FASI DEL POTENZIALE D'AZIONE
potenziale di riposo
stimolo efficace (talvolta chiamato
prepotenziale; spesso non distinguibile)
salita rapida con inversione del
potenziale (spike)
ripolarizzazione
Iperpolarizzazione postuma.
Le fasi del potenziale d’azione
ENa
mv
+30
0
Potenziale a punta
(spike)
ripolarizzazione
prepotenziale
-60
-80
EK
iperpolarizzazione
Tempo (millisecondi)
Potenziale di
riposo
MECCANISMI IONICI PREVALENTI
a riposo: membrana (quasi) impermeabile al
sodio (corrente di K+ verso l’esterno e verso
l’interno)
durante il prepotenziale: aumento della
permeabilità al sodio (corrente di Na+ verso
l’interno), compensato dall'aumento della
corrente di K+ verso l’esterno
durante lo spike: aumento esponenziale della
permeabilità al sodio (e della corrente di
Na+), che cessa bruscamente
durante la ripolarizzazione: aumento (tardivo)
della permeabilità al potassio (corrente di K+
verso l’esterno).
Correnti ioniche nel potenziale d’azione
ENa
mv
+30
Potenziale a punta
(spike)
0
+;
+Na
Chiusura
canali
Canali
Na
chiusi;
Apertura canali+
apertura
canali
K K+
corrente
di
+
+
Accumulo
Na
voltaggioK
La
Pompa
pompa
elettrogenica
Na/K
(rettificazione);
Aumenta
INa, ma
extracellulare
dipendenti;
ristabilisce
Na/K
+ per
uscita
anche
Kaccelerata
Il’omeostasi
aumento k
gradiente elettrico
esponenziale INa
e chimico
ripolarizzazione
-60
-80
EK
prepotenziale
Potenziale di
riposo
Tempo (millisecondi)
Potenziale
Potenzialepostumo
postumonegativo
positivo
(rallentamento)
(iperpolarizzazione)
Potenziale di
riposo
RUOLO DEI CANALI IONICI: si
tratta di proteine intrinseche di
membrana, il cui comportamento (che
regola la permeabilità) dipende dal
voltaggio della membrana (canali
voltaggio-dipendenti). A riposo (-90
mV) i canali per il potassio sono
prevalentemente aperti e quelli per il
sodio prevalentemente chiusi.
Esistono anche canali regolati
chimicamente, attraverso recettori:
ROC (receptor-operated channels)
La soglia per l’insorgenza del potenziale
d’azione
ma
INa
Canali voltaggio dipendenti
(esponenziale)
IK Equilibrio di Nernst (lineare)
Voltaggio soglia
-80
-60
0
mv
TUTTO-O-NULLA: il potenziale
d'azione per una stessa cellula, a
parità di condizioni ambientali, è
sempre uguale. Per questa ragione
viene definito "impulso": la funzione
della cellula dipende dalla presenza o
assenza del potenziale d'azione, non
dalla sua ampiezza e la funzione è
modulata dal numero di impulsi
nell'unità di tempo (frequenza di
scarica).
VARIAZIONI DI ECCITABILITA'
DURANTE IL P.d'A.
una volta superata la soglia e fino a
circa i 2/3 della ripolarizzazione la
cellula non può essere nuovamente
eccitata (PERIODO REFRATTARIO
ASSOLUTO)
In seguito può rispondere a stimoli di
intensità maggiore (PERIODO
REFRATTARIO RELATIVO).
Significato:
In un preparato sperimentale: si
aumenta l’intensità dello stimolo
Nella realtà fisiologica: l’eccitazione
proveniente da altre cellule (attraverso
sinapsi) deve essere maggiore
ENa
mv
Periodo refrattario assoluto
+30
0
-60
Periodo refrattario relativo
Periodo supernormale
-80
EK
Eccitabilità normale
Tempo (millisecondi)
ECCEZIONI ALLE REGOLE SOPRA
ESPOSTE: effetto di variazioni del
potenziale di riposo molto lente:
accomodazione.
I canali Na+ voltaggio dipendenti si
inattivano prima di aprirsi; lo spike
diminuisce e la cellula può diventare
ineccitabile.
I canali Na+ voltaggio dipendenti possono
trovarsi in tre diverse condizioni:
1.Attivi ma chiusi (a riposo,
polarizzazione)
2.Aperti (spike)
3.Inattivi (apice dello spike; periodo
refrattario assoluto)
Modello di funzionamento dei canali
voltaggio-dipendenti
polarizzazione
E
I
depolarizzazione
Fattore di attivazione
Fattore di inattivazione
Canale Na+
voltaggiodipendente.
Fattore di
attivazione e
di
inattivazione