Potenziale di membrana: Differenza di potenziale elettrico a cavallodella membrana cellulare dovuta ad una diversa distribuzione ionica aidue lati della membrana. Il potenziale di membrana (negativoall’interno della cellula) nelle cellule eccitabili (cellule nervose emuscolari) prende il nome di potenziale di riposo poiché caratterizzalo stato di riposo.

Valore medio -65 mV, -70 mV con leggere variazioni da cellula a cellula.

Nelle cellule eccitabili si modifica in risposta a stimoli specifici, chedeterminano flussi ionici attraverso la membrana.

La modificazione più importante è il potenziale d’azione, responsabiledella trasmissione dell’informazione da un neurone all’altro e di fenomenicome la contrazione del muscolo scheletrico e cardiaco.

L’esistenza della ddp implica una diseguale distribuzione di caricheelettriche (ioni) tra interno ed esterno, e suggerisce che la membranasi comporti come una barriera con permeabilità selettiva, che separadue soluzioni (liquido intra- ed extracellulare) a composizione chimicadiversa.

Modello per spiegarne l’esistenza Modello per spiegarne l’esistenza del potenziale di membranadel potenziale di membrana

MembranaMembrana semipermeabilesemipermeabile (permeabile(permeabilesolosolo alloallo ioneione KK++)) cheche separasepara iicompartimenticompartimenti intraintra-- eded extracellulariextracellulari aacontenutocontenuto ionicoionico diversodiverso

K+

K+

K+

Cl-

Na+

Na+

Na+

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

_+

Eccesso cariche negative Eccesso cariche positive

Quando la negatività interna è tale da creare una forzaelettrica (gradiente elettrico) che si oppone a quella chimica(gradiente di concentrazione), la tendenza del K+ ad uscire èuguale alla sua tendenza ad entrare.

+_Intracellulare

Extracellulare

Membrana permeabile solo a K+

K+

K+

K+

Il K+ è spinto ad uscire dal gradiente di concentrazione.Il flusso di cariche + non è seguito da un equivalente flusso di cariche -

La differenza di potenziale registrata quando si è raggiunto questoequilibrio è il potenziale di equilibrio per il K+.

Ek

Il potenziale di membrana vienegenerato da:

Esistenza di un gradiente diconcentrazione ionica

Permeabilità selettiva dellamembrana

Il potenziale di equilibrioIl potenziale di equilibrio

Equazione di Nerst: definisce il potenziale di equilibrio di uno ione.

E =R TzF

ln [X]e

[X]i

Alla temperatura di 25C° il rapporto RT/F è 25mV, e il fattore diconversione del logaritmo naturale in logaritmo decimale 2.3

E = 58 log10 [X]i

[X]e

E = potenziale di equilibrio dello ioneR = costante dei gas perfettiT = temperatura assoluta (gradi Kelvin, -273°C)F = Costante di Faraday (numero di Coulomb/mole di carica)z = valenza dello ione con il suo segnoXi = concentrazione interna dello ioneXe= concentrazione esterna dello ione

Con una membrana permeabile solo al K+ il potenziale dimembrana è uguale a Ek

Ek =+58 mV

zlog = - 75 mV

Il potenziale di equilibrio del K+

[K+]est = 20

[K+]int = 400

[K+]est

[K+]int

log20

400

+58 mV1=

Il potenziale di equilibrio del Na+

= 440[Na+]e

[Na+]i = 50

ENa =+58 mV

zlog = +55 mv

[Na+]e

[Na+]i

log440

50

+58 mV1=

Il fatto che il pdm si discosti marcatamente da ENa indica che il flussodi Na+ attraverso la membrana non può essere il principale responsabiledel potenziale di membrana.

Il pdm di una cellula nervosa (-60, -70 mV) si discosta da Ek perché lamembrana cellulare a riposo è permeabile anche al Na+, anche se lapermeabilità per il K+ è 25 volte superiore a quella per il Na+.

DaDa cosacosa dipendedipende ilil potenzialepotenziale didi membranamembrana nellenellecellule cellule nervosenervose??

Il flusso di Na+ e K+ contribuiscono alla genesi delpotenziale di membrana.

La diversa permeabilità della membrana a Na+ e K+

(Pk+) > (PNa+) fa sì che il valore del potenziale dimembrana sia spostato verso Ek.

La pompa ionica Na+/K+ mantiene i gradienti diconcentrazione di questi ioni.

Il pdm è il risultato del flusso di entrambe le specie ioniche.

La corrente di Na+ verso l’interno, determinata da una elevata forzaelettrochimica ed una bassa permeabilità, è esattamente uguale econtraria alla corrente di K+ diretta verso l’esterno, determinata da unamodesta forza elettrochimica e da una elevata permeabilità.

Na+

K+_

+

Gradientechimico

Gradienteelettrico

Permeabilità

Corrente Na+

Corrente K+

Gradienteelettrico

Gradientechimico

iK+ = PK+X

iNa+ = X PNa+

(Vm - EK)

(Vm - ENa)

Equazione di GoldmanEquazione di Goldman

Mette in evidenza come il contributo di ciascuno ione allagenesi del potenziale di membrana (Vm) dipenda sia dalgradiente di concentrazione ai due lati della membrana siadalla permeabilità (P) che la membrana ha per quelladeterminata specie ionica

Quando Vm è determinato da più specie ioniche

Vm =R T

F

Pk [K+]e + PNa [Na+]e + PCl [Cl-]ilnPk [K+]i + PNa [Na+]i + PCl [Cl-]e

Il mantenimento dei gradienti di concentrazione, alla base dellagenesi del pdm, è assicurato dalla pompa Na+/K+-ATPasi, cheportando fuori dalla cellula 3Na+ e dentro 2K+ determina unaleggera negatività (elettrogenica). L’uso di uabaina, inibitore dellapompa, determina dissipazione dei gradienti di concentrazione.

Il pdm a riposo di una cellula eccitabile è determinato da:

Elevata permeabilità della membrana al K+, dovuta allapresenza di canali passivi, che consentono l’uscita di K+

sotto la spinta di un forte gradiente di concentrazionecontrastato dal gradiente elettrico.

Impermeabilità della membrana agli anioni proteici, cherimanendo all’interno della cellula, determinano lapolarizzazione negativa del versante interno dellamembrana.

Scarsa permeabilità della membrana al Na+, che ne riducel’ingresso, nonostante la forte spinta determinata dalgradiente elettrico e di concentrazione.

Azione della pompa Na+/K+ che contrasta il modestoflusso entrante di Na+ e la conseguente fuoriuscita di K+

mantenendo inalterati i rapporti di concentrazione degliioni a cavallo della membrana.