La pompa sodio-potassio

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1 a.a. 2005/2006 Laurea Specialistica in Fisica Corso di Fisica Medica 1 La pompa sodio-potassio 14/3/2006

2 Efficienza del cuore Dipende dall ordinata sequenza di eccitazione e di contrazione che procede da atri a ventricoli Rapidi cambiamenti della permeabilità della membrana cellulare a differenti tipi di ioni La modifica di concentrazione intra/extra cellulare provoca un potenziale d azione Stesso meccanismo che avviene in tutte le cellule attraverso la membrana cellulare con meccanismi sia attivi che passivi effettuano scambi di sostanze nutritive e di rifiuto tra interno ed esterno

3 Schema della cellula

4 Perfusione della cellula Differenti concentrazioni ioniche tra ambienti intra ed extra cellulari Na Na Cl Cl Dentro: alta - - concentrazione K K K K, bassa per Na Cl - Na Cl - e Na K Cl - K Fuori: alta K concentrazione K Na Cl - e Na, bassa per K Na Cl - Na

5 Flusso di ioni 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 che regola il movimento di tutte le molecole solubili ossia spostamento delle molecole dalla zona dove esse sono più concentrate alla zona dove sono meno concentrate Le forze elettriche che si generano (pila!)

6 Diffusione Flusso degli ioni è se si toglie il separatore se abbiamo una membrana permeabile agli ioni

7 Parametri per la diffusione In una cellula la diffusione dipende da: Il gradiente di concentrazione della molecola (quanto differente è la concentrazione dai due volumi separati dalla membrana) La permeabilità della membrana nei confronti di quella molecola La temperatura Il potenziale di riposo di una cellula dipende dalla differente permeabilità della membrana ai due ioni in questione

8 La forze elettriche Influenzano il movimento solo degli ioni e dipendono da: La differenza di potenziale V La conduttanza elettrica σ o, come spesso si preferisce dal suo reciproco, resistenza R Il flusso di corrente in un sistema segue la legge di Ohm I = V / R = σ V (in una cellula nervosa) il voltaggio è legato al valore del potenziale di membrana la conduttanza elettrica σ è proporzionale ai canali ionici (aperti) presenti nella membrana

9 Non c è flusso di corrente Corrente se la membrana non è permeabile agli ioni (σ = 0) se la differenza di potenziale è nulla (V =0) non passa corrente flusso di corrente

10 Pompa Na /K 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 - espelle tre ioni Na - trasporta all interno due ioni K consumando energia mediante la distruzione di una molecola di ATP (adenosina trifosfato)

11 Funzionamento La freccia indica la direzione in cui gli ioni sono sospinti dal loro gradiente di concentrazione Il rapporto indica quanto maggiormente è concentrato uno ione da un lato rispetto all altro K K 20:1 Na Cl - 1:10 1:11 Ca 1: Na Cl - Ca

12 Permeabilità La maggior parte dei fenomeni che avvengono (ad es. nei neuroni) possono essere spiegati dal comportamento dei due soli ioni K e Na Il potassio K èmolto più concentrato all interno e tenderà ad uscire rendendo l interno della cellula ancor più negativo Anche il sodio Na è uno ione positivo: è molto più concentrato all esterno e tenderà ad entrare rendendo l interno della cellula meno negativo Variazioni di permeabilità dei due ioni creano grandi cambiamenti del potenziale di membrana

13 Potenziale di equilibrio Il gradiente elettrico può sospingere uno ione in una direzione mentre il gradiente di concentrazione lo sospinge in direzione opposta Quando queste due forze si equivalgono, un ugual numero di ioni entra ed esce dalla cellula e si ha quindi l equilibrio gradiente di concentrazione gradiente elettrico Il potenziale di membrana a cui questo avviene si chiama potenziale di equilibrio per lo ione

14 Funzionamento Si supponga ad esempio che inizialmente uno ione sia molto più concentrato da un lato della membrana e che non vi sia alcuna differenza di potenziale tra i due lati - - Inizialmente lo ione si muoverà in direzione del lato dove è meno concentrato vanno via via accumulandosi da quel lato sempre più cariche positive (che saranno invece sottratte dall altra parte)

15 Risultato La differenza di potenziale andrà aumentando e inizierà a ri-sospingere lo ione dentro la cellula gradiente di concentrazione gradiente elettrico All equilibrio le due forze si equivalgono senza che si sia raggiunta né ugual concentrazione dai due lati né neutralità elettrica

16 Equazione di Nernst Per una data specie di ioni il valore della d.d.p. generato dalle differenze di concentrazione dai due lati della membrana vale: V i = (R T / Z i H) ln (c e / c i ) R costante dei gas perfetti T valore della temperatura assoluta Z i valenza della specie ionica i esima H (costante di Nernst = C/mole) c e concentrazione ionica extracellulare c i concentrazione ionica intracellulare

17 Potenziale di membrana Il potenziale di membrana V m è uguale alla differenza di potenziale tra esterno e interno e cioè alla differenza nel numero delle cariche dalle due parti della membrana plasmatica La concentrazione ionica è data dal numero di ioni per unità di volume mol/m 3 = meq/lt (*) V K = -103 mv per lo ione potassio V Na = 69 mv per lo ione sodio V Cl = -88 mv per lo ione cloro (*) un Equivalente (Eq) è il peso atomico (espresso in grammi) diviso per la valenza

18 Neurone Qual è il potenziale di riposo di un neurone? La pompa sodio-potassio mantiene in continuazione Na una differente concentrazione K di K e Na tra interno ed esterno della cellula Il sodio, concentrato all esterno, tende ad entrare il potassio, concentrato all interno, tende ad uscire Nella membrana sono presenti dei canali per il potassio sempre aperti (canali passivi per il K )

19 Calcolo A causa di ciò, a riposo quando in pratica non vi sono altri canali aperti vi è una uscita lenta ma costante di ioni K i quali portano all esterno cariche positive rendendo negativo l interno della cellula L uscita di ioni K si arresta quando le forze elettriche iniziano a ri-sospigere il potassio dentro la cellula l esterno è positivo e le cariche positive si respingono Il valore del potenziale di membrana è 85 mv

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