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POTENZIALEDI MEMBRANA

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POTENZIALE DI MEMBRANA

Tutte le cellule (non solo lecellule eccitabili) hanno unpotenziale di riposo (resting):una carica elettrica attraverso lamembrana plasmatica, conl’interno della cellula negativorispetto all’esterno. Il valore delpotenziale di riposo varia, manelle cellule eccitabili si aggiratra -90 e -70 mV.

POTENZIALE DIPOTENZIALE DI RIPOSORIPOSO

Per poter misurare una ddp ai capi di una membrana cellulare occorronodue elettrodi conduttori (uno di misura e uno di riferimento) che permettonodi misurare separatamente il potenziale intracellulare e quelloextracellulare e di farne la differenza. Inizialmente, se i due elettrodi sonoimmersi nella soluzione esterna, non si misurerà nessuna ddp in quantogli ioni sono distribuiti uniformemente in tutta la soluzione. Quando però ilmicroelettrodo misuratore penetra leggermente attraverso la membranacellulare venendo in contatto con la soluzione intracellulare, l’oscilloscopiosegna bruscamente una variazione negativa verso il basso del potenziale dimembrana 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 osservanosignificative variazioni ad indicare che il mezzo intracellulare èsostanzialmente isopotenziale e che tutta la caduta è a cavallo dellamembrana plasmatica.

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ORIGINE DEL POTENZIALE DIORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSORIPOSO

a) Ineguale distribuzione delle specieioniche tra il liquido extracellulare equello intracellulare:

1146A-

1174Cl-ANIONI

10-3 (M)10-7 (M)Ca2+

4140K+

14512Na+

CATIONIEXTRA (mM)INTRA (mM)

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a) Differente permeabilità della membrana ai diversi tipi diioni:

Allo stato di riposo, gliioni potassio (K+)possono attraversare lamembrana facilmente,mentre ioni cloro (Cl-),sodio (Na+) e calcio(Ca2+) presentano moltedifficoltà. Le grossemolecole proteiche sicomportano come ionicarichi negativamente(A-) e non attraversanola membrana

A-

K+

Cl-Na+

Inside cell Outside cell

Cl-

Na+

K+

Ca2+Ca2+

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FORZE AGENTI SUGLI IONIFORZE AGENTI SUGLI IONI

FORZA CHIMICA

Generata dal gradiente di concentrazione


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FORZAELETTRICA

Generata dal gradiente elettrico


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FORZACHIMICA

Generata dal gradiente di concentrazione

FORZAELETTRICA

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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Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione?


i soli ioni che possono equilibrarsi sonogli ioni K+ che possono spostarsi

attraverso la cellula, ma essendo le dueconcentrazioni uguali non c’è

movimento netto di cariche e quindi ilpotenziale di membrana, che era

inizialmente zero, rimane tale nel tempo.


Principio della Principio della elettroneutralità elettroneutralità delle soluzioni: delle soluzioni: neicompartimenti biologici la concentrazione globale dei cationi deve

essere uguale a quella degli anioni

Per poter capire l’origine del potenziale di membrana cominciamo adanalizzare una situazione molto semplice. Consideriamo per es. unacellula ideale in cui le soluzioni, interna ed esterna siano composte solo dadue ioni il K e il Cl in uguale concentrazione (10 mM) e che la cellula siapermeabile 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 chepossono spostarsi attraverso la cellula, ma essendo le due concentrazioniuguali non c’è movimento netto di cariche e quindi il potenziale dimembrana che era inizialmente 0 rimane tale.

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Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione?ORIGINE DEL POTENZIALE DIORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSORIPOSO

- -

-

+

+

+

INTERNO ESTERNO

Se immaginiamo che la cellula contiene una concentrazione 10 volte piùelevata di K, in queste condizioni gli ioni K intracellulari diffondono

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gli ioni K+ intracellularidiffondono verso l’esternoattraverso i canali aperti

con una probabilità 10 voltemaggiore a quella degli ioni

K+ extracellulari chediffondono verso l’interno

della cellula


- -

-

+

+

+

INTERNO ESTERNO

Se immaginiamo che la cellula contiene una concentrazione 10 volte piùelevata di K in queste condizioni gli ioni K intracellulari diffondono versol’esterno attraverso i canali aperti con una probabilità 10 volte maggiore aquella 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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- -

-

+

+

+

++++++++++

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INTERNO ESTERNO

si genera una ddp elettricotra i due compartimenti,

inizialmente equipotenziali,con polarità positiva nel

compartimento(extracellulare) e negativa

nel compartimento(intracellulare).

La diffusione crea un accumulo di ioni K all’esterno che aumenta la caricapositiva extracellulare. In parallelo diminuisce proporzionalmente la caricapositiva intracellulare che rende l’interno della cellula più negativo rispettoall’esterno.Questo processo determina la perdita della perfetta elettroneutralità dellesoluzioni che si trovano ad avere nel compartimento INTERNO un deficit dicariche + e nel compartimento ESTERNO un eccesso. Di conseguenza sigenera una ddp elettrico tra i due compartimenti, inizialmenteequipotenziali, con polarità positiva nel compartimento (extracellulare) enegativa nel compartimento (intracellulare).

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+

+

++++++++++

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INTERNO ESTERNO

Da questo momento in poi anche leforze elettriche cominciano adavere un’azione importante sugliioni.Infatti, la differenza di potenzialeche si crea a cavallo dellamembrana contrasta il movimentodi ioni K+ verso l’esterno

Da questo momento in poi anche le forze elettriche cominciano ad avereun’azione importante sugli ioni.Infatti la differenza di potenziale che si crea a cavallo della membranacontrasta il movimento di ioni K verso l’esterno

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- -

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+

+

+

++++++++++

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In queste condizioni si diceche lo ione K+ ha raggiuntoil suo equilibrioelettrochimico e ladifferenza di potenziale chesi genera è chiamatapotenziale di equilibrio del K+

INTERNO ESTERNO

È facilmente intuibile che il processo potrà raggiungere un equilibrio, in cui iflussi unidirezionali degli ioni da sx a dx e da dx a sx saranno uguali,quando il gradiente di concentrazione e quello elettrico saranno uguali econtrapposti.In queste condizioni si dice che lo ione K ha raggiunto il suo equilibrioelettrochimico e la differenza di potenziale che si genera è chiamatapotenziale di equilibrio del K

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R = costante dei Gas = 8.3143 J/mol K =1.98 cal/mol KF = costante di Faraday = 96485 C/molT = 293 K (20 oC)z = valenza dello ione = +1 (per Na+, K+, H+ etc); -1 (per Cl-); +2 (per Ca2+, ecc.)

POTENZIALE DI EQUILIBRIO

EQUAZIONE DI NERNST

ln x = 2,303 log x

È possibile calcolare in maniera rigorosa il potenziale elettrochimico delloione permeabile K+ all’equilibrio attraverso l’equazione di Nernst.

Indica la tendenza dello ione K+ a muoversi da A aB a causa del gradiente di concentrazione Indica la tendenza dello ione K+ a muoversi da A aB a causa del gradiente elettricoL’equazione di Nernst si può ulteriormente semplificare se si calcola ilrapporto RT/xF per un catione monovalente alla temperatura di 20°C e sitrasformano i logaritmi naturali in logaritmi decimali

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POTENZIALE DI EQUILIBRIOEQUAZIONE DI NERNST

L’equazione di Nernst permette di calcolare il potenziale di equilibrio di unasola specie ionica se si conosce esattamente la sua concentrazione neidue compartimenti cellulari.Inoltre il potenziale di equilibrio sarà positivo se il catione è più concentratonel lato extracellulare, perché il rapporto [X]e/[X]i>1, il segno è invertito se loione 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 fattoredi moltiplicazione è -58 mV per z= -1. Per gli ioni divalenti come il calcio e ilMg che hanno z=+2 il fattore di moltiplicazione è 29 mVPossiamo calcolare i potenziali di equilibrio degli ioni più importanti.È interessante osservare come il potenziale di equilibrio del K è moltonegativo mentre quello del Na è di segno opposto con una differenza nettatra i due di circa 153 mV. I potenziali di equilibrio del Na e del Ca sonoentrambi molto positivi e originano dalla maggiore concentrazione dei dueioni sul lato extracellulare della membrana. Sia il Na che il Ca perraggiungere l’equilibrio entrano nella cellula attraverso i rispettivi canali erendono l’interno più positivo rispetto all’esterno. Si può notare che ilpotenziale di equilibrio degli ioni Cl è negativo in quanto questi ioni sonomaggiormente concentrati nel liquido extracellulare. La loro diffusioneverso l’interno della cellula per raggiungere l’equilibrio rende questo latodella cellula più negativo rispetto all’esterno.

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I coefficienti di permeabilità relative di Na+ e Cl- rispetto a quella del K+

posta uguale a 1 sono nel muscolo rispettivamente:PK+ = 1; PNa+=0.04; PCl-=0,45

POTENZIALE DI DIFFUSIONE

equazione di Goldman-Hodgkin-Katz

Risulta quindi evidente che il valore del potenziale di riposo di una cellula non dipende soloesclusivamente dai gradienti ionici dei vari ioni ai lati della membrana ma dipende anche

dalle proprietà di permeabilità di quest’ultima ai vari ioni.

e

EQUAZIONE DI NERNST

L’equazione di Nernst è in grado di predirre il potenziale di riposo di unacellula solo se quest’ultima è permeabile ad una sola specie ionica.Questa chiaramente non è una condizione fisiologica accettabile. Nel casodei neuroni e di altre cellule eccitabili l’equazione di Nernst predice a riposoun potenziale di circa -90 mV se le cellule sono permeabili solo al K. Inrealtà 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, sonocoinvolti nel mantenere il potenziale di riposo della cellula. Per es. le cellule a riposo sono debolmente permeabili al Na che èmaggiormente concentrato all’esterno e può entrare nella cellula e rendereil potenziale di membrana più positivo. Risulta quindi evidente che il valoredel potenziale di riposo di una cellula non dipende solo esclusivamente daigradienti ionici dei vari ioni ai lati della membrana ma dipende anche dalleproprietà di permeabilità di quest’ultima ai vari ioni.E c’è una equazione che permette di calcolare il potenziale di membrana diuna cellula permeabile a più ioni quando si conoscono le loro permeabilitàattraverso la membrana e questa è l’equazione di Goldman o equazione diGoldman-Hodgkin-Katz.Nelle cellule di mammifero Na, K e Cl sono i tre ioni che maggiormenteinfluenzano il potenziale di membrana a riposo, per cui nella sua formagenerale 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 Vmapprossima maggiormente il potenziale di equilibrio dello ione che ha lapermeabilità relativa maggiore rispetto agli altri. Se la membrana non èpermeabile a un determinato ione (P=0) il contributo di quello ione è nullo ei suoi termini sono omessi nell’equazione.Gli ioni potassio hanno la permeabilità di gran lunga maggiore rispetto aglialtri ioni. Se poniamo la permeabilità del potassio uguale a 1 i coefficienti dipermeabilità relative di sodio e cloro saranno rispettivamente di 0,04 e 0,45.Di conseguenza, il potenziale di membrana a riposo cellulare è più vicinoall’Ek di -90 mV che all’ENa=+60 mV.

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POTENZIALE DI DIFFUSIONEequazione di Goldman-Hodgkin-Katz

e

Una piccola quantità di ioni Na fluiscono nella cellula rendendo l’internodella cellula meno negativo di quanto sarebbe se il Na venisse totalmenteescluso. Ulteriore Na che entra nella cellula viene pompato fuori dalla Na/K-ATPasi. Contemporaneamente gli ioni K che sono usciti dalla cellulavengono pompati dentro sempre dalla stessa pompa. La pompacontribuisce al potenziale di membrana portando fuori 3 Na per ogni 2K cheporta dentro la cellula. Poiché la Na/K-ATPasi favorisce il mantenimento delgradiente elettrico, è definita pompa elettrogenica.

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Come mai il Potenziale di membrana e le concentrazioni ioniche sonoCOSTANTI nel tempo ?

La risposta é nell'attività dell Na+/K+ATPasi di membrana che:

K+

Na+

- - -+ + +

3Na+

2K+

1) espellendo Na+ entrato passivamente e ricaptando K+, mantiene costanti nel tempo ledifferenze di concentr. ioniche e di conseguenza indirettamente il pot. di membrana

--- +++

- - -++ +- - -

+ + +

2) essendo elettrogenica (scambia 3 ioni Na con 2 ioni K) può essa stessa generare unpotenziale elettrico attivo che si addiziona a quello di diffusione di Na+ e K+

Con il passare del tempo, la concentrazione intracellulare di ioni sodio epotassio non cambia perché la pompa Na+/K+-ATPasi mantiene laconcentrazione 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 vengonopompati dentro sempre dalla stessa pompa. La pompa contribuisce alpotenziale di membrana portando fuori 3 Na per ogni 2K che porta dentro lacellula. Poiché la Na/K-ATPasi favorisce il mantenimento del gradienteelettrico, è definita pompa elettrogenica.Finchè i gradienti di concentrazione rimangono stabili e le permeabilitàioniche della membrana plasmatica non cambiano, anche il potenzialeelettrico transmembrana a riposo rimarrà costante.

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RIEPILOGO genesi del potenziale elettrico della membrana cellulare

La fuoriuscita di K+

diminuisce el’ingresso di Na+

accelera. Alla fine ilpotenziale dimembrana si stabilizza

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