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, glicolipidiPROTEINE: 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 PROTEINEPiù 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 specificheTRASPORTO ATTIVO: crea gradienti di concentrazione; consuma energia;

trasporto attivo secondario (cotrasporto).

DIFFUSIONE

leggi:

1) (x)2 = 2Dt x = distanzat = tempoD = 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/(6r) (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 diffusioneD = coefficiente di diffusioneA = 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.

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: alle molecole liposolubili; alle molecole idrosolubili. Le molecole liposolubili sono permeabili in funzione della loro liposolubilità e seguono le leggi della diffusione.

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 solutoQualunque membrana può comportarsi come semipermeabile nei confronti di alcune molecole e non di altre

soluzione solvente

membrana semipermeabile

010

mmHg

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 idrostaticaPressione 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’equilibrioPotenziali di membrana:•Di riposo•D’azioneFasi del potenziale d’azioneCorrenti ioniche durante il potenziale d’azioneMantenimento dell’omeostasi cellulareConduzione 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

K+

Na+Na+ Na+ Na+ Na+

Na+

K+ K+ K+

K+

K+

Gradiente di concentrazione (chimico)

Gradiente di carica (elettrico)

P-

K+

K+

K+

K+

P-P- P-

P-

K+

K+

K+

K+

P-P- P-

P-

K+

K+

K+

K+

P-P- P-

-

+

P-

K+

P-P- P-

+

- -

+

=

Potenziale

di

equilibrio

Il POTENZIALE DI EQUILIBRIO è prevedibile in base alla

EQUAZIONE DI NERNST:

Ea-Eb = -(RT/zF)ln([Xa]/[Xb])

Ea-Eb = differenza di potenzialeR = cost. dei gas, F = cost di Faraday, T= temperatura assoluta, z = valenza.(RT/zF)ln = 60 log;

Ea-Eb = (RT/zF)ln([Xb]/[Xa])

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’

CONDUTTANZA (G)

Capacità di una membrana di far passare una determinata molecola (inverso = impermeabilità)

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+ voltaggio-dipendenti 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-nullaE' 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

Sotto soglia

Tutto-o-nulla

soglia Sopra soglia

+ + + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - - -

+30

0

-60

-80

mvdepolarizzazione

Tempo (millisecondi)

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.

prepotenziale

Potenziale a punta

(spike)

ripolarizzazione

Potenziale di riposo

Le fasi del potenziale d’azione

0

-60

-80

+30

mv

Tempo (millisecondi)

ENa

EK

iperpolarizzazionePotenziale di riposo

MECCANISMI IONICI PREVALENTIa 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).

0

-60

-80

+30

mv

Tempo (millisecondi)

ENa

EK

Correnti ioniche nel potenziale d’azione

0

-60

-80

+30

mv

prepotenziale

Aumenta INa, ma anche Ik

Potenziale a punta

(spike)

Apertura canali Na+ voltaggio-dipendenti; aumento esponenziale INa

ripolarizzazione

Chiusura canali Na+; apertura canali K+

(rettificazione); uscita K+ per gradiente elettrico e chimico

Potenziale di riposo

La pompa Na/K ristabilisce l’omeostasi

Potenziale di riposo

Canali Na+ chiusi; corrente di K+

Accumulo K+ extracellulare

Potenziale postumo negativo (rallentamento)Potenziale postumo positivo (iperpolarizzazione)

Pompa elettrogenica Na/K accelerata

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)

Voltaggio soglia

0-60-80 mv

ma

La soglia per l’insorgenza del potenziale d’azione

INa Canali voltaggio dipendenti

(esponenziale)

IK Equilibrio di Nernst (lineare)

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

Periodo refrattario assoluto

Periodo refrattario relativo

Periodo supernormale

EK

0

-60

-80

+30

mv

Tempo (millisecondi)

ENa

Eccitabilità normale

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

E

I

Fattore di attivazione

Fattore di inattivazione

polarizzazione

depolarizzazione

Canale Na+ voltaggio-dipendente.

Fattore di attivazione e di inattivazione