Le cellule nervose e muscolari generano

segnali elettrici principalmente mediante

cambiamenti della permeabilità di

membrana verso gli ioni sodio e potassio.

Gli aumenti di permeabilità sono dovuti alla

attivazione di canali che consentono il

passaggio di ioni attraverso la membrana,

spinti dal proprio gradiente elettrochimico.

Il passaggio delle cariche elettriche,

trasportate dagli ioni, alterano le cariche

elettriche ai lati della membrana, cioè

alterano il voltaggio transmembranario

(Vm).

Dunque, per comprendere come vengono

generati i segnali nervosi è necessario

conoscere la natura dei gradienti ionici

attraverso la membrana cellulare, e come

questi possano influenzare il potenziale di

membrana

POTENZIALI DI DIFFUSIONE

La differenza di potenziale (d.d.p.) che esiste a cavallo della membrana

plasmatica di tutte le cellule rappresenta un caso particolare di un fenomeno

chimico generale, quello dei potenziali di diffusione (o di giunzione).

Quale é la causa dei potenziali di diffusione?

I potenziali di diffusione sono causati dalla differenza nella mobilità di un

dato ione rispetto al suo controione.

HF 0.1 N HF 0.001 N

H+

F-

Consideriamo 2 compartimenti: nel

primo abbiamo una soluzione 0.1 N

di HF, nel secondo HF é 0.001 N.

La mobilità di H+>>F- e quando H+

diffonde F- non segue altrettanto

rapidamente. Questo crea una

separazione di cariche, ovvero una

d.d.p., che può essere >100 mV.

Le membrane biologiche sono caratterizzate da permeabilità selettive

per ogni dato ione, ovvero possono amplificare le differenze di mobilità

(permeabilità) tra un dato ione ed il suo controione, ed in tal modo

generare dei potenziali di diffusione anche nel caso di sali formati da

coppie ione-controione dotate di piccole differenze di mobilità in soluzione

acquosa.

Questo esempio mostra come differenze di concentrazione (con

conseguente diffusione) di specie cariche diano origine a d.d.p. anche in

assenza di una membrana plasmatica.

Che ruolo ha la membrana plasmatica

nei potenziali di diffusione?

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Attraverso la membrana plasmatica di gran parte delle cellule animali esiste una differenza di potenziale (voltaggio). Normalmente il citoplasma è elettronegativo rispetto al mezzo extracellulare. La differenza di potenziale elettrico delle cellule a riposo è detto potenziale transmembranario o di membrana a riposo.

A B

1 M X+

0.1 M X+

- - - -

+ + + +

Se non ci fosse alcuna ddp tra A e B X+ diffonderebbe da A a B comportandosi come una mlecola priva di carica. In questo caso invece rimane la tendenza di X+ a diffondere da A a B sotto la spinta di un gradiente chimico (Gchim), ma compare anche la tendenza di X+ a muoversi nella direzione opposta da B verso A a causa della ddp (Gel). La direzione del flusso netto di X+ dipende da quale dei due gradienti è più forte.

B

A

C

CTRGchim ln

R= 1.987 cal K-1 mole -1

T= temperatura assoluta

BA VVFzGel

F= 23062 cal V -1 mole -1

z= valenza

POTENZIALE ELETTROCHIMICO

BA

B

A

BA VVzFX

XRTXGXGxG

][

][ln)()()(

G > 0 Gli ioni si muovono da A verso B

G < 0 Gli ioni si muovono da B verso A

G = 0 Le due forze sono uguali e opposte, non viene esercitata alcuna forza netta sullo ione. Di conseguenza non vi sarà alcun movimento netto dello ione, e si dirà che lo ione si trova in uno stato di equilibrio elettrochimico attraverso la membrana. E’ possibile in questa situazione formulare l’Equazione di Nernst per ogni ione che si trovi nello stato di equilibrio.

Equazione di Nerst e calcolo del potenziale d’equilibrio per singoli ioni

ERT

zFx ln

[ ]

[X]

X

E

I

Dove:

Ex= Potenziale di equilibrio per lo ione X;

R= costante dei gas

T= temperatura assoluta (Kelvin)

Z= valenza dello ione

F= costante di Faraday

[X]i =Concentrazione intracellulare dello ione X

[X]E= Concentrazione extracellulare dello ione X

La relazione che esiste all’equilibrio tra gradiente chimico e gradiente elettrico fu stabilita dal chimico-fisico tedesco Walter Nerst:

Se consideriamo una temperatura di 18° centigradi e applichiamo la

relazione ad uno ione monovalente possiamo semplificare come:

EX

Xx z

E

I

0 058.[ ]

[ ]log

Ad esempio, considerando le seguenti concentrazioni [K+]E= 0.01 M e [K+]i= 0. 1 M

abbiamo che:

EkE

I

0 058

1

0 01

01.

[ ]

[ ]log

.

.

quindi Ek 0058. V

0058. x (-1)

equilibrio e di riposo dellemembrane

Il citoplasma contiene proteine, polifosfati organici e altre sostanze ionizzate che non possono attraversare la membrana plasmatica. Al pH fisiologico, quasi tutti questi ioni intracellulari indiffusibili sono negativi. Le caratteristiche dello stato stazionario di questo insieme di ioni diffusibili e non diffusibili sono descritte dall' EQUILIBRIO DI GIBBS-DONNAN.

Vm = - RT

zi F

. ln [i1]

[i2]

potenziale di equilibrio

Un solo ione

permeante

Almeno due ioni permeanti

potenziale di diffusione

equazione di

Nernst

In sistemi multionici il potenziale di membrana

risultante considera i potenziali di equilibrio dei

singoli ioni pesati per la loro conduttanza relativa

(Equazione di conduttanza della membrana) o per

il loro coefficiente di permeabilità (Equazione di

Goldman, o di campo costante).

(L di Ohm: I = V/R) dove g= 1/R

Ina = gna (Vm – Ena)

Ik = gK (Vm – Ek)

Allo stato stazionario:

Ina + Ik = 0

gna (Vm – Ena) + gK (Vm – Ek) = 0

gnaVm – gnaEna + gkVm – gkEk= 0

Vm(gna + gk) = gnaEna + gkEk

Risolvendo per Vm, si ha

Vm = Ena . gna + Ek . gk equazione di

gna + gk conduttanza

della membrana

I principali fattori che determinano il Potenziale di Riposo

Canali Passivi di Membrana

Pompa Na+-K+ ATP dipendente

I

E

Affinché la cellula possegga un potenziale di riposo stabile è necessario che la separazione delle cariche ai lati della membrana sia mantenuto costante.

Canali Passivi di Membrana

Questo processo comporta la dissipazione del gradiente ionico (… riducendo il potenziale di membrana).

Pompa Na+-K+ ATP dipendente La pompa Na+-K+ ATP

dipendente ripristina il gradiente ionico “pompando” attivamente (idrolisi di ATP) 3Na+/2K+ rispettivamente all’esterno e all’interno della cellula.

La cellula raggiunge lo stato stazionario quando il Vm sarà tale che la corrente entrante netta dei canali passivi sarà pari a quella uscente generata dalla pompa Na+-K+ ATP dipendente

Il potenziale transmembranario di riposo nelle cellule nervose e muscolari scheletriche è dovuto principalmente alla diffusione degli ioni secondo i gradienti dei loro potenziali elettrochimici. Questi gradienti vengono mantenuti grazie al pompaggio attivo degli ioni. Inoltre essendo la Na-K ATPasi elettrogenica contribuisce anche direttamente al potenziale di riposo (5mV). In altri tipi di cellule il contributo è maggiore. Anche la presenza di anioni non diffusibili nel citoplasma contribuisce al potenziale di riposo della membrana per circa -10 mV.