I nostri compartimenti idrici
sono in Equilibrio osmotico
ma non chimico
Concentrazione dei principali ioni
I compartimenti del nostro corpo non
sono in equilibrio elettrico
ELETTRICITA’
Atomi: entità elettricamente neutre (costituite
da Prot+, Elettr.- e Neutroni).
La rimozione o addizione di un e- crea una
particella carica, ione. Per ogni ione positivo
c’è uno ione negativo
Esempio NaCl
Per parlare di elettricità in fisiologia dobbiamo
puntualizzare alcuni aspetti…..
…….ELETTRICITA’ in Fisiologia
-Legge della Conservazione della Carica
Elettrica: la quantita’ netta di carica elettrica
prodotta in ogni processo è 0. Cioè l’organismo
in toto è elettricamente neutro
-Le cariche opposte si attraggono tra loro
-Separare cariche + e - richiede di energia
-Se le cariche possono muoversi liberamente le
une verso le altre il mezzo si chiama
conduttore (H2O); se non possono muoversi le
une verso le altre per colpa di un materiale,
questo si chiama isolante (doppio strato di
fosfolipidi)
Tutte le cellule del nostro organismo
presentano a livello della loro membrana
plasmatica una differenza di potenziale
elettrico (ddp) che nel caso delle cellule
epiteliali è generalmente diversa per la
membrana apicale e basolaterale.
Tale ddp è chiamata potenziale di membrana o
potenziale di riposo.
DIFFERENZA DI POTENZIALE DI
MEMBRANA A RIPOSO:
POTENZIALE: indica un gradiente elettrico,
passaggio di cariche (sviluppa energia in quanto
è un gradiente)
RIPOSO:presente in tutte le cellule viventi
anche quelle che sembrano prive di attività
elettrica
DIFFERENZA: è una differenza di CARICA
elettrica tra l’interno e l’esterno.
+
outside
-
inside
+
-
+
-
-
+
+
-
Con qualche rara eccezione per qualche
gruppo di cellule epiteliali, la ddp è negativa
verso il citoplasma e positiva verso l’esterno
della cellula.
Il potenziale di membrana
corrisponde alla differenza di
potenziale elettrico tra interno
ed esterno della cellula e cioè
alla differenza nel numero delle
cariche positive e negative a
cavallo della membrana
plasmatica (isolante)
Il valore della ddp è molto variabile (il segno –
indica il versante citoplasmatica negativo):
globuli rossi
–10mV mV
cellule epiteliali
–35 a –70 mV
cellule muscolari e nervose
–60 mV (assone gigante di seppia)
–70 mV (motoneuroni)
–90 mV (fibre muscolari di rana)
Solo le cellule muscolari e le cellule
nervose sono cellule eccitabili cioè sono
in grado di variare il loro potenziale di
membrana da valori di riposo a valori
più positivi (depolarizzazione)
depolarizzazione o a valori
più negativi (iperpolarizzazione).
iperpolarizzazione
Per poter misurare il potenziale di membrana occorre una
apparecchiatura costituita da :
Una serie di micro-elettrodi
Un amplificatore del segnale (perché le variazioni sono solo di
pochi millivolt)
Uno strumento per visualizzare i potenziali (un voltmetro o, più
comunemente, un oscilloscopio)
Oscilloscopio
Viene misurato con il Voltmetro
Per convenzione il liquido extracellulare è =0 ma
in realtà il LEC non è neutro ma positivo!
Basi ioniche dei potenziali
Tutte le attività del sistema nervoso, dalla
generazione dei potenziali di membrana alla
trasmissione sinaptica, dipendono strettamente
dal flusso dei diversi tipi di ioni attraverso i fluidi
come il citoplasma e il liquido extracellulare e
attraverso la membrana citoplasmatica
Il flusso degli
ioni è regolato
da due
meccanismi:
• La diffusione
• Le forze elettriche
Lo stesso accade quando rendiamo una
membrana permeabile agli ioni
In una cellula la diffusione dipende da:
• Il gradiente di concentrazione di
quella molecola (quanto differente è la
concentrazione ai due lati)
• La permeabilità della membrana nei
confronti di quella molecola
Nell’esempio precedente la diffusione dipenderebbe 1) dalla
concentrazione delle molecole nel primo recipiente prima che si
apra la porta e 2) da quanto grande è la porta che viene aperta
Le forze elettriche
Le forze elettriche influenzano il
movimento solo degli ioni
Esse dipendono da:
• La differenza di potenziale (o
voltaggio)
• La conduttanza elettrica (o come
spesso si preferisce, dal suo
reciproco, la resistenza)
resistenza
Il flusso di corrente in un sistema
segue la legge di Ohm
Flusso di corrente
(si misura in
Ampere)
I = g
x
V
Spesso la legge di Ohm
viene espressa rispetto alla
resistenza
La
resistenza
è
semplicemente il reciproco
della conduttanza
g =1/R
Voltaggio o
differenza di
potenziale (si
misura in Volt)
I =
Conduttanza (si
misura in
Siemens)
V/
R
Resistenza
(si misura
in Ohm)
I = g x V
I = corrente ionica
In una cellula nervosa il voltaggio è legato al valore del
potenziale di membrana
La conduttanza elettrica è invece proporzionale al numero di
canali ionici (aperti) presenti nella membrana (permeabilità)
Bassa conduttanza
Alta conduttanza
Se la membrana non è
permeabile agli ioni (g =
0)
oppure
se
la
differenza di potenziale
è nulla (V =0) non ci sarà
flusso di corrente (in
entrambi i casi I diventa
0)
I = g x V
Il potenziale
di membrana
a riposo in
una cellula
nervosa
corrisponde
a – 60 mV.
?
Come si origina il potenziale di
membrana?
Il potenziale di membrana si origina come
conseguenza:
della diversa distribuzione degli ioni ai
due lati della membrana
della maggiore permeabilità della
membrana per alcuni ioni rispetto ad altri
La freccia indica la
direzione in cui gli ioni
sono sospinti dal loro
gradiente
di
concentrazione
+
K
20:1
1:10
Na+
Il rapporto scritto sopra
la freccia indica quanto
maggiormente
è
concentrato uno ione da
un lato rispetto all’altro
Cl-
1:11
K+
+
Na
Cl
Ci sono 3 ioni importanti, K+, Na+, Cl-. Due sono più
concentrati all’esterno, uno (K+) all’interno
Nei neuroni come in tutte le cellule dell’organismo ci sono
grandi differenze nella concentrazione di ciascun ione tra
interno ed esterno della cellula
La differenza di concentrazione degli ioni tra interno ed
esterno della cellula è mantenuto dal lavoro incessante della
pompa sodio-potassio
Ad ogni ciclo, la pompa sodio-potassio
- trasporta verso l’esterno tre ioni Na+
- trasporta verso l’interno due ioni K+
consumando una molecola di ATP
La cellula a riposo è
25-50 volte più
permeabile al K+ che
al Na+
Equilibrio di Gibbs-Donnan
La comprensione di quanto avviene nella membrana cellulare parte
dalla descrizione del più comune degli equilibri ionici passivi:
l’equilibrio di Gibbs-Donnan. Questo equilibrio passivo si verifica
poiché all’interno delle cellule ci sono gli anioni proteici che non
possono attraversare la membrana.
1
2
1
K+
Cl-
2
equilibrio
1
2
K+
Pr-
Differenza di
potenziale elettrico
1
2
- +
-+
- +
-+
-+
-+
Potenziale di equilibrio
per uno ione
?
Se si aggiunge un canale Cl-, come si muove il Cl- lungo
i gradienti di concentrazione ed elettrico?
Il potenziale di equilibrio del Cl- sarà positivo o
negativo?
Cl- in entrata per grad conc
Cl- in uscita per grad elettr
-88mV
In molti casi il gradiente elettrico può spingere uno
ione in una direzione mentre il gradiente di
concentrazione lo sospinge in direzione opposta
Ad esempio a riposo (Vm = -60 mV) sia la diffusione
che le forze elettriche tendono a spingere dentro il
sodio
Viceversa all’apice di un potenziale d’azione (Vm =
+30 mV) diffusione e le forze elettriche tendono
entrambe a spingere fuori il potassio
Quando queste le due forze si
equivalgono, un ugual numero di
ioni entra ed esce dalla cellula
e si ha quindi un equilibrio.
Il potenziale di membrana a cui
questo avviene si chiama
potenziale di equilibrio per uno
ione
Genesi del Potenziale di Equilibrio del
SODIO
negativo
N.B. poiché il quantitativo di ioni Na che devono
attraversare la membrana per generare il potenziale +60
è molto piccolo rispetto alla quantità di Na presente
all’interno e all’esterno della cellula, il radiente di
concentrazione non cambia in maniera significativa
Genesi del Potenziale di Equilibrio del
Potassio
negativo
Diffusione per
gradiente chimico
Escono cariche +
Forza Chimica
(costante) e
elettrica (cambia)
Il potenziale di equilibrio di uno ione (Eione),
conoscendone la concentrazione interna ([ione]i)
ed esterna ([ione]e), può essere calcolato tramite
l'equazione di Nerst:
E= RT
ZF
loge
ionee
ionei
R=costante dei gas
T=temperatura assoluta
Z=valenza dello ione
F= costante di Faraday
Z=+1 per Na+ K+
Z=-1 per ClZ=+2 per Ca2+
Concentrazioni ioniche sui due
lati della membrana
IONE
CONC
ESTERNA
CONC
INTERNA
C EST/
C INT
E ione
K+
5 mM
100 mM
1:20
- 102
Na+
150 mM
15 mM
10:1
+ 60
Cl-
150 mM
13 mM
11.5:1
- 88
Ca2+
2 mM
0.0002
mM
10000:1
+ 130
A 20°C questa espressione per K+ diventa:
EK+= 58 log [K+]e
=-102 mV
[K+]i
Il potenziale di equilibrio per uno ione (Em) è
proporzionale ad una costante e al rapporto fra le
concentrazioni ioniche di due lati della membrana
Allo stesso modo si possono calcolare i potenziali
di equilibrio per Na+ e Cl- che sono:
ENa+= +60 mV
ECl- = -88 mV
Perché il potenziale di riposo del
neurone è –70 mV?
In una cellula
permeabile ad un solo
ione, il potenziale di
membrana coincide con
il potenziale di
equilibrio dello ione
ClNa+
K+
A-
Il potenziale di membrana a riposo però non è la
media aritmetica dei 3 potenziali di equilibrio anche
se il suo valore è molto più vicino al potenziale di
equilibrio del K+ e molto lontano dal potenziale di
equilibrio del Na+.
Questo significa che in condizioni di riposo il Na+
ha due gradienti molto forti che lo spingono
dall’esterno all’interno della cellula e se non ci
fosse la pompa del Na+/K+ che lo riporta fuori ben
presto si raggiungerebbe il suo potenziale di
equilibrio.
NB: Il potenziale di riposo di una cellula non dipende
direttamente dall’azione della pompa sodio-potassio,
che si limita a mantenere concentrazioni disuguali di K+
e Na+ ai due lati della membrana ma dal gradiente
elettrico (le pompe contribuiscono solo per il 10% al
potenziale di riposo trasportando attivamente 3 Na+
contro 2 K+; poiché Na+ e K+ sono entrambe ioni
positivi questo trasferimento diseguale genera una
separazione di cariche e quindi un potenziale, con
l’esterno della cellula che diviene relativamente più
positivo rispetto all’interno).
interno
pompa sodio-potassio
POMPA ELETTROGENICA
?
Come si modifica il potenziale di membrana a riposo di
una cellula trattata con ouabina un inibitore della Na+
K+ ATPasi?
Nel tempo il Na+ entrerebbe all’interno
della cellula e il potenziale di membrana
a riposo diventerebbe più positivo
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 Nerst, ma corretto
per la permeabilità (gi) della
membrana allo stesso ione
Equazione di Goldman
Em = RT
zF
ln
PK [K+]e + PNa [Na+]e + PCl [Cl-]i
PK [K+]i
PNa [Na+]i
PCl [Cl-]e
L’ equazione di Goldman viene usata per calcolare il potenziale di
membrana che risulta dal contributo di tutti gli ioni che possono
attraversare la membrana. L’equazione considera le permeabilità di
membrana in quanto uno ione può contribuire al potenziale di
membrana solo se la membrana è permeabile ad esso; inoltre il suo
contributo al potenziale di membrana è proporzionale alla sua
capacità di attraversare la membrana.
Con l’equazione di Goldman possiamo calcolare i potenziali di
membrana in base alle concentrazioni ioniche e prevedere i
cambiamenti che il potenziale subirà se queste concentrazioni
cambiano
?
Quale ione contribuisce di più al
potenziale di membrana in condizioni di
riposo?
Lo ione a cui la membrana è più
permeabile
K+
?
Il potenziale di membrana in assenza di
stimolazione rimane costante. Come è possibile
spiegare questo fenomeno considerando che
ogni ione tenta di raggiungere il suo potenziale
di equilibrio?
Pompe Na+/K+ ATPasi
?
Em = - 60mV
Cl-
flusso netto del
Na+ in entrata
Na+
K+
A-
Em = - 20mV
depolarizzazione
?
Em = - 60mV
Cl-
flusso netto del K+
in uscita
Na+
K+
A-
Em = - 90mV
iperpolarizzazione
?
Em = - 60mV
Cl-
flusso netto del
Cl- in entrata
Na+
K+
A-
Em = - 90mV
iperpolarizzazione
?
Em = - 90mV
Cl-
flusso netto del
K+?
Na+
K+
A-
Grad conc prevale
sul grad elettr
?
Em = - 120mV
Cl-
flusso netto del
K+?
Na+
K+
A-
Grad elettr prevale
sul grad conc
?
Em = + 10mV
Cl-
flusso netto del
K+?
Na+
K+
A-
I due gradienti hanno la
stessa direzione
Cl-
?
Em = - 90mV
Na+
K+
A-
flusso netto del
Na+?
I due gradienti hanno la
stessa direzione
Cl-
?
Em = + 10mV
Na+
K+
A-
flusso netto del
Na+?
Grad conc prevale
sul grad elettr
Cl-
?
Em = + 60mV
Na+
K+
A-
flusso netto del
Na+?
Grad elettr prevale
sul grad conc
Quale sarà la forza che
spinge uno ione da una parte o
dall’altra della cellula?
Forza Elettromotrice
Forza Elettromotrice
f.e.m. = Vm (potenziale di
membrana) -Eeq (potenziale di
equilibrio)
Una f.e.m. negativa spinge gli ioni ad entrare nella
cellula
Una f.e.m. positiva spinge gli ioni ad uscire dalla
cellula
f.e.m. = Vm (-70) -Eeq (K)
f.e.m. = -70 - (-90)
f.e.m. = -70 + 90 = +20
Le due forze non coincidono perfettamente e la
forza chimica (concentrazione) prevale su quella
elettrica
Una f.e.m. positiva spinge gli ioni ad uscire dalla
cellula
-- +
- ++
+
+
f.e.m. = Vm (-70) -Eeq (Na)
f.e.m. = -70 - (60)
f.e.m. = -70 -60 = -130
Le due forze sono concordi
Una f.e.m. negativa spinge gli ioni ad entrare nella
cellula
-- +
- ++
+
+
Conclusione
Il Na+ che entra riduce la carica negativa presente
all’interno della cellula abbassando la forza elettroica e
permettendo così che la forza chimica che agisce sul K+
prevalga su questa, ciò permette un flusso di K+.
Quindi il flusso di K+ è una conseguenza del flusso del
Na+.
In altre parole se la carica all’interno della cellula
non diventasse un po’ più positiva a causa dell’entrata
del Na+, la forza elettrica verso il K+ sarebbe più
forte e non lo lascerebbe uscire
Ma non dimentichiamoci che:
I ione = g ione (Vm-Eeq)
Questo ci spiega perché c’è un
flusso di K maggiore rispetto al Na
(la membrana è 20 volte +
permeabile al K+)
Piccole variazioni del potenziale di membrana
agiscono come segnali nei tessuti non eccitabili
come le cellule endocrine
Es: cellule beta del pancreas e rilascio di
insulina
