POTENZIALE DI MEMBRANA

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1 POTENZIALE DI MEMBRANA 1

2 POTENZIALE DI RIPOSO Tutte le cellule (non solo le cellule eccitabili) hanno un potenziale di riposo (resting): una carica elettrica attraverso la membrana plasmatica, con l interno della cellula negativo rispetto all esterno. Il valore del potenziale di riposo varia, ma nelle cellule eccitabili si aggira tra 90 e 70 mv. Per poter misurare una ddp ai capi di una membrana cellulare occorrono due elettrodi conduttori (uno di misura e uno di riferimento) che permettono di misurare separatamente il potenziale intracellulare e quello extracellulare e di farne la differenza. Inizialmente, se i due elettrodi sono immersi nella soluzione esterna, non si misurerà nessuna ddp in quanto gli ioni sono distribuiti uniformemente in tutta la soluzione. Quando però il microelettrodo misuratore penetra leggermente attraverso la membrana cellulare venendo in contatto con la soluzione intracellulare, l oscilloscopio segna bruscamente una variazione negativa verso il basso del potenziale di membrana 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 osservano significative variazioni ad indicare che il mezzo intracellulare è sostanzialmente isopotenziale e che tutta la caduta è a cavallo della membrana plasmatica. 2

3 ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO a) Ineguale distribuzione delle specie ioniche tra il liquido extracellulare e quello intracellulare: CATIONI Na K Ca (M) 10 3 (M) ANIONI INTRA (mm) EXTRA (mm) Cl A

4 ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO a) Differente permeabilità della membrana ai diversi tipi di ioni: Allo stato di riposo, gli ioni potassio (K ) possono attraversare la membrana facilmente, mentre ioni cloro (Cl ), sodio (Na ) e calcio (Ca 2 ) presentano molte difficoltà. Le grosse molecole proteiche si comportano come ioni carichi negativamente (A ) e non attraversano la membrana A K K Cl Cl Na Ca 2 Inside cell Na Ca 2 Outside cell 4

5 FORZE AGENTI SUGLI IONI FORZA CHIMICA Generata dal gradiente di concentrazione 5

6 FORZE AGENTI SUGLI IONI FORZA ELETTRICA Generata dal gradiente elettrico 6

7 FORZE AGENTI SUGLI IONI FORZA CHIMICA Generata dal gradiente di concentrazione FORZA ELETTRICA Generata dal gradiente elettrico La concomitanza di queste due forze (POTENZIALE ELETTROCHIMICO, E) spinge il flusso ionico all interno o all esterno della cellula 7

8 ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione? i soli ioni che possono equilibrarsi sono gli ioni K che possono spostarsi attraverso la cellula, ma essendo le due concentrazioni uguali non c è movimento netto di cariche e quindi il potenziale di membrana, che era inizialmente zero, rimane tale nel tempo. Principio della elettroneutralità delle soluzioni: nei compartimenti biologici la concentrazione globale dei cationi deve essere uguale a quella degli anioni Per poter capire l origine del potenziale di membrana cominciamo ad analizzare una situazione molto semplice. Consideriamo per es. una cellula ideale in cui le soluzioni, interna ed esterna siano composte solo da due ioni il K e il Cl in uguale concentrazione (10 mm) e che la cellula sia permeabile 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 che possono spostarsi attraverso la cellula, ma essendo le due concentrazioni uguali non c è movimento netto di cariche e quindi il potenziale di membrana che era inizialmente 0 rimane tale. 8

9 ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione? INTERNO ESTERNO Se immaginiamo che la cellula contiene una concentrazione 10 volte più elevata di K, in queste condizioni gli ioni K intracellulari diffondono 9

10 ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione? INTERNO ESTERNO gli ioni K intracellulari diffondono verso l esterno attraverso i canali aperti con una probabilità 10 volte maggiore a quella degli ioni K extracellulari che diffondono verso l interno della cellula Se immaginiamo che la cellula contiene una concentrazione 10 volte più elevata di K in queste condizioni gli ioni K intracellulari diffondono verso l esterno attraverso i canali aperti con una probabilità 10 volte maggiore a quella degli ioni K extracellulari che diffondono verso l interno della cellula. Quindi si muoveranno spinti da un gradiente di potenziale chimico 10

11 ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione? INTERNO ESTERNO si genera una ddp elettrico tra 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 carica positiva extracellulare. In parallelo diminuisce proporzionalmente la carica positiva intracellulare che rende l interno della cellula più negativo rispetto all esterno. Questo processo determina la perdita della perfetta elettroneutralità delle soluzioni che si trovano ad avere nel compartimento INTERNO un deficit di cariche e nel compartimento ESTERNO un eccesso. Di conseguenza si genera una ddp elettrico tra i due compartimenti, inizialmente equipotenziali, con polarità positiva nel compartimento (extracellulare) e negativa nel compartimento (intracellulare). 11

12 ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione? INTERNO ESTERNO Da questo momento in poi anche le forze elettriche cominciano ad avere un azione importante sugli ioni. Infatti, la differenza di potenziale che si crea a cavallo della membrana contrasta il movimento di ioni K verso l esterno Da questo momento in poi anche le forze elettriche cominciano ad avere un azione importante sugli ioni. Infatti la differenza di potenziale che si crea a cavallo della membrana contrasta il movimento di ioni K verso l esterno 12

13 ORIGINE DEL POTENZIALE DI RIPOSO Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione? INTERNO ESTERNO In queste condizioni si dice che lo ione K ha raggiunto il suo equilibrio elettrochimico e la differenza di potenziale che si genera è chiamata potenziale di equilibrio del K È facilmente intuibile che il processo potrà raggiungere un equilibrio, in cui i flussi unidirezionali degli ioni da sx a dx e da dx a sx saranno uguali, quando il gradiente di concentrazione e quello elettrico saranno uguali e contrapposti. In queste condizioni si dice che lo ione K ha raggiunto il suo equilibrio elettrochimico e la differenza di potenziale che si genera è chiamata potenziale di equilibrio del K 13

14 POTENZIALE DI EQUILIBRIO EQUAZIONE DI NERNST R = costante dei Gas = J/mol K =1.98 cal/mol K F = costante di Faraday = C/mol T = 293 K (20 o C) z = valenza dello ione = 1 (per Na, K, H etc); 1 (per Cl ); 2 (per Ca 2, ecc.) ln x = 2,303 log x È possibile calcolare in maniera rigorosa il potenziale elettrochimico dello ione permeabile K all equilibrio attraverso l equazione di Nernst. Indica la tendenza dello ione K a muoversi da A a B a causa del gradiente di concentrazione Indica la tendenza dello ione K a muoversi da A a B a causa del gradiente elettrico L equazione di Nernst si può ulteriormente semplificare se si calcola il rapporto RT/xF per un catione monovalente alla temperatura di 20 C e si trasformano i logaritmi naturali in logaritmi decimali 14

15 POTENZIALE DI EQUILIBRIO EQUAZIONE DI NERNST L equazione di Nernst permette di calcolare il potenziale di equilibrio di una sola specie ionica se si conosce esattamente la sua concentrazione nei due compartimenti cellulari. Inoltre il potenziale di equilibrio sarà positivo se il catione è più concentrato nel lato extracellulare, perché il rapporto [X]e/[X]i>1, il segno è invertito se lo ione 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 fattore di moltiplicazione è 58 mv per z= 1. Per gli ioni divalenti come il calcio e il Mg che hanno z=2 il fattore di moltiplicazione è 29 mv Possiamo calcolare i potenziali di equilibrio degli ioni più importanti. È interessante osservare come il potenziale di equilibrio del K è molto negativo mentre quello del Na è di segno opposto con una differenza netta tra i due di circa 153 mv. I potenziali di equilibrio del Na e del Ca sono entrambi molto positivi e originano dalla maggiore concentrazione dei due ioni sul lato extracellulare della membrana. Sia il Na che il Ca per raggiungere l equilibrio entrano nella cellula attraverso i rispettivi canali e rendono l interno più positivo rispetto all esterno. Si può notare che il potenziale di equilibrio degli ioni Cl è negativo in quanto questi ioni sono maggiormente concentrati nel liquido extracellulare. La loro diffusione verso l interno della cellula per raggiungere l equilibrio rende questo lato della cellula più negativo rispetto all esterno. 15

16 POTENZIALE DI DIFFUSIONE EQUAZIONE DI NERNST equazione di GoldmanHodgkinKatz Risulta quindi evidente che il valore del potenziale di riposo di una cellula non dipende solo esclusivamente dai gradienti ionici dei vari ioni ai lati della membrana ma dipende anche dalle proprietà di permeabilità di quest ultima ai vari ioni. I coefficienti di permeabilità relative di Na e Cl rispetto a quella del K posta uguale a 1 sono nel muscolo rispettivamente: P K = 1; P Na =0.04; P Cl =0,45 e L equazione di Nernst è in grado di predirre il potenziale di riposo di una cellula solo se quest ultima è permeabile ad una sola specie ionica. Questa chiaramente non è una condizione fisiologica accettabile. Nel caso dei neuroni e di altre cellule eccitabili l equazione di Nernst predice a riposo un potenziale di circa 90 mv se le cellule sono permeabili solo al K. In realtà 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, sono coinvolti nel mantenere il potenziale di riposo della cellula. Per es. le cellule a riposo sono debolmente permeabili al Na che è maggiormente concentrato all esterno e può entrare nella cellula e rendere il potenziale di membrana più positivo. Risulta quindi evidente che il valore del potenziale di riposo di una cellula non dipende solo esclusivamente dai gradienti ionici dei vari ioni ai lati della membrana ma dipende anche dalle proprietà di permeabilità di quest ultima ai vari ioni. E c è una equazione che permette di calcolare il potenziale di membrana di una cellula permeabile a più ioni quando si conoscono le loro permeabilità attraverso la membrana e questa è l equazione di Goldman o equazione di GoldmanHodgkinKatz. Nelle cellule di mammifero Na, K e Cl sono i tre ioni che maggiormente influenzano il potenziale di membrana a riposo, per cui nella sua forma generale 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 Vm approssima maggiormente il potenziale di equilibrio dello ione che ha la 16

17 POTENZIALE DI DIFFUSIONE equazione di GoldmanHodgkinKatz e Una piccola quantità di ioni Na fluiscono nella cellula rendendo l interno della cellula meno negativo di quanto sarebbe se il Na venisse totalmente escluso. Ulteriore Na che entra nella cellula viene pompato fuori dalla Na/K ATPasi. Contemporaneamente gli ioni K che sono usciti dalla cellula vengono pompati dentro sempre dalla stessa pompa. La pompa contribuisce al potenziale di membrana portando fuori 3 Na per ogni 2K che porta dentro la cellula. Poiché la Na/KATPasi favorisce il mantenimento del gradiente elettrico, è definita pompa elettrogenica. 17

18 Come mai il Potenziale di membrana e le concentrazioni ioniche sono COSTANTI nel tempo? La risposta é nell'attività dell Na /K ATPasi di membrana che: 1) espellendo Na entrato passivamente e ricaptando K, mantiene costanti nel tempo le differenze di concentr. ioniche e di conseguenza indirettamente il pot. di membrana K Na 3Na 2K 2) essendo elettrogenica (scambia 3 ioni Na con 2 ioni K) può essa stessa generare un potenziale elettrico attivo che si addiziona a quello di diffusione di Na e K Con il passare del tempo, la concentrazione intracellulare di ioni sodio e potassio non cambia perché la pompa Na/KATPasi mantiene la concentrazione di Na e di K a livelli stabili. Na che entra nella cellula viene pompato fuori dalla Na/KATPasi. Contemporaneamente gli ioni K che sono usciti dalla cellula vengono pompati dentro sempre dalla stessa pompa. La pompa contribuisce al potenziale di membrana portando fuori 3 Na per ogni 2K che porta dentro la cellula. Poiché la Na/KATPasi favorisce il mantenimento del gradiente elettrico, è definita pompa elettrogenica. Finchè i gradienti di concentrazione rimangono stabili e le permeabilità ioniche della membrana plasmatica non cambiano, anche il potenziale elettrico transmembrana a riposo rimarrà costante. 18

19 RIEPILOGO genesi del potenziale elettrico della membrana cellulare La fuoriuscita di K diminuisce e l ingresso di Na accelera. Alla fine il potenziale di membrana si stabilizza 19