I nostri compartimenti idrici sono in Equilibrio osmotico ma non chimico

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2 I nostri compartimenti idrici sono in Equilibrio osmotico ma non chimico

3 Concentrazione dei principali ioni I compartimenti del nostro corpo non sono in equilibrio elettrico

4 ELETTRICITA Atomi: entità elettricamente neutre (costituite da Prot+, Elettr.- e Neutroni). La rimozione o addizione di un e- crea una particella carica, ione. Per ogni ione positivo c è uno ione negativo Esempio NaCl Per parlare di elettricità in fisiologia dobbiamo puntualizzare alcuni aspetti..

5 .ELETTRICITA in Fisiologia -Legge della Conservazione della Carica Elettrica: la quantita netta di carica elettrica prodotta in ogni processo è 0. Cioè l organismo in toto è elettricamente neutro -Le cariche opposte si attraggono tra loro -Separare cariche + e - richiede di energia -Se le cariche possono muoversi liberamente le une verso le altre il mezzo si chiama conduttore (H2O); se non possono muoversi le une verso le altre per colpa di un materiale, questo si chiama isolante (doppio strato di fosfolipidi)

6 Tutte le cellule del nostro organismo presentano a livello della loro membrana plasmatica una differenza di potenziale elettrico (ddp) che nel caso delle cellule epiteliali è generalmente diversa per la membrana apicale e basolaterale. Tale ddp è chiamata potenziale di membrana o potenziale di riposo.

7 DIFFERENZA DI POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO: POTENZIALE: indica un gradiente elettrico, passaggio di cariche (sviluppa energia in quanto è un gradiente) RIPOSO:presente in tutte le cellule viventi anche quelle che sembrano prive di attività elettrica DIFFERENZA: è una differenza di CARICA elettrica tra l interno e l esterno.

8 outside inside Con qualche rara eccezione per qualche gruppo di cellule epiteliali, la ddp è negativa verso il citoplasma e positiva verso l esternol della cellula.

9 Il potenziale di membrana corrisponde alla differenza di potenziale elettrico tra interno ed esterno della cellula e cioè alla differenza nel numero delle cariche positive e negative a cavallo della membrana plasmatica (isolante)

10 Il valore della ddp è molto variabile (il segno indica il versante citoplasmatica negativo): globuli rossi cellule epiteliali cellule muscolari e nervose 10mV mv 35 a 70 mv 60 mv (assone gigante di seppia) 70 mv (motoneuroni) 90 mv (fibre muscolari di rana)

11 Solo le cellule muscolari e le cellule nervose sono cellule eccitabili cioè sono in grado di variare il loro potenziale di membrana da valori di riposo a valori più positivi (depolarizzazione) o a valori più negativi (iperpolarizzazione).

12 Per poter misurare il potenziale di membrana occorre una apparecchiatura costituita da : Una serie di micro-elettrodi Un amplificatore del segnale (perché le variazioni sono solo di pochi millivolt) Uno strumento per visualizzare i potenziali (un voltmetro o, più comunemente, un oscilloscopio) Oscilloscopio

13 Viene misurato con il Voltmetro Per convenzione il liquido extracellulare è =0 ma in realtà il LEC non è neutro ma positivo!

14 Basi ioniche dei potenziali Tutte le attività del sistema nervoso, dalla generazione dei potenziali di membrana alla trasmissione sinaptica, dipendono strettamente dal 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 Le forze elettriche

15 Lo stesso accade quando rendiamo una membrana permeabile agli ioni

16 In una cellula la diffusione dipende da: Il gradiente di concentrazione di quella molecola (quanto differente è la concentrazione ai due lati) La permeabilità della membrana nei confronti di quella molecola Nell esempio precedente la diffusione dipenderebbe 1) dalla concentrazione delle molecole nel primo recipiente prima che si apra la porta e 2) da quanto grande è la porta che viene aperta

17 Le forze elettriche Le forze elettriche influenzano il movimento solo degli ioni Esse dipendono da: La differenza di potenziale (o voltaggio) La conduttanza elettrica (o come spesso si preferisce, dal suo reciproco, la resistenza)

18 Il flusso di corrente in un sistema segue la legge di Ohm Flusso di corrente (si misura in Ampere) I = g x V Voltaggio o differenza di potenziale (si misura in Volt) Spesso la legge di Ohm viene espressa rispetto alla resistenza Conduttanza (si misura in Siemens) La resistenza è semplicemente il reciproco della conduttanza g =1/R I = V / R Resistenza (si misura in Ohm)

19 I = g x V I = corrente ionica In una cellula nervosa il voltaggio è legato al valore del potenziale di membrana La conduttanza elettrica è invece proporzionale al numero di canali ionici (aperti) presenti nella membrana (permeabilità) Bassa conduttanza Alta conduttanza

20 Se la membrana non è permeabile agli ioni (g = 0) oppure se la differenza di potenziale è nulla (V =0) non ci sarà flusso di corrente (in entrambi i casi I diventa 0) I = g x V

21 Il potenziale di membrana a riposo in una cellula nervosa corrisponde a 60 mv.

22 ? Come si origina il potenziale di membrana? Il potenziale di membrana si origina come conseguenza: della diversa distribuzione degli ioni ai due lati della membrana della maggiore permeabilità della membrana per alcuni ioni rispetto ad altri

23 La freccia indica la direzione in cui gli ioni sono sospinti dal loro gradiente di concentrazione K + K+ Na + 20:1 1:10 Na + Il rapporto scritto sopra la freccia indica quanto maggiormente è concentrato uno ione da un lato rispetto all altro Cl - 1:11 Cl - Ci sono 3 ioni importanti, K +, Na +, Cl -. Due sono più concentrati all esterno, uno (K + ) all interno

24 Nei neuroni come 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 - trasporta verso l esterno tre ioni Na + - trasporta verso l interno due ioni K + consumando una molecola di ATP

25 La cellula a riposo è volte più permeabile al K+ che al Na+

26 Equilibrio di Gibbs-Donnan La comprensione di quanto avviene nella membrana cellulare parte dalla descrizione del più comune degli equilibri ionici passivi: l equilibrio di Gibbs-Donnan. Questo equilibrio passivo si verifica poiché all interno delle cellule ci sono gli anioni proteici che non possono attraversare la membrana K+ Cl- equilibrio

27 1 2 K+ Pr- Differenza di potenziale elettrico

28 Potenziale di equilibrio per uno ione

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32 ? Se si aggiunge un canale Cl-, come si muove il Cl- lungo i gradienti di concentrazione ed elettrico? Il potenziale di equilibrio del Cl- sarà positivo o negativo? Cl- in entrata per grad conc Cl- in uscita per grad elettr -88mV

33 In molti casi il gradiente elettrico può spingere uno ione in una direzione mentre il gradiente di concentrazione lo sospinge in direzione opposta Ad esempio a riposo (Vm = -60 mv) sia la diffusione che le forze elettriche tendono a spingere dentro il sodio Viceversa all apice di un potenziale d azione (Vm = +30 mv) diffusione e le forze elettriche tendono entrambe a spingere fuori il potassio

34 Quando queste le due forze si equivalgono, un ugual numero di ioni entra ed esce dalla cellula e si ha quindi un equilibrio. Il potenziale di membrana a cui questo avviene si chiama potenziale di equilibrio per uno ione

35 Genesi del Potenziale di Equilibrio del SODIO negativo N.B. poiché il quantitativo di ioni Na che devono attraversare la membrana per generare il potenziale +60 è molto piccolo rispetto alla quantità di Na presente all interno e all esterno della cellula, il radiente di concentrazione non cambia in maniera significativa

36 Genesi del Potenziale di Equilibrio del Potassio negativo Diffusione per gradiente chimico Escono cariche + Forza Chimica (costante) e elettrica (cambia)

37 Il potenziale di equilibrio di uno ione (E ione ), conoscendone la concentrazione interna ([ione] i ) ed esterna ([ione] e ), può essere calcolato tramite l'equazione di Nerst: R=costante dei gas E= RT ZF log e ione e ione i T=temperatura assoluta Z=valenza dello ione F= costante di Faraday Z=+1 per Na+ K+ Z=-1 per Cl- Z=+2 per Ca2+

38 Concentrazioni ioniche sui due lati della membrana IONE CONC ESTERNA CONC INTERNA C EST/ C INT E ione K + 5 mm 100 mm 1: Na mm 15 mm 10: Cl mm 13 mm 11.5:1-88 Ca 2+ 2 mm mm 10000:

39 A 20 C questa espressione per K+ diventa: E K+ = 58 log [K+]e =-102 mv [K+]i Il potenziale di equilibrio per uno ione (E( m ) è proporzionale ad una costante e al rapporto fra le concentrazioni ioniche di due lati della membrana Allo stesso modo si possono calcolare i potenziali di equilibrio per Na+ e Cl- che sono: E Na+ = +60 mv E Cl- = -88 mv

40 Perché il potenziale di riposo del neurone è 70 mv? In una cellula permeabile ad un solo ione, il potenziale di membrana coincide con il potenziale di equilibrio dello ione A - K + Cl - Na +

41 Il potenziale di membrana a riposo però non è la media aritmetica dei 3 potenziali di equilibrio anche se il suo valore è molto più vicino al potenziale di equilibrio del K+ e molto lontano dal potenziale di equilibrio del Na+. Questo significa che in condizioni di riposo il Na+ ha due gradienti molto forti che lo spingono dall esterno all interno della cellula e se non ci fosse la pompa del Na+/K+ che lo riporta fuori ben presto si raggiungerebbe il suo potenziale di equilibrio.

42 NB: Il potenziale di riposo di una cellula non dipende direttamente dall azione della pompa sodio-potassio, che si limita a mantenere concentrazioni disuguali di K+ e Na+ ai due lati della membrana ma dal gradiente elettrico (le pompe contribuiscono solo per il 10% al potenziale di riposo trasportando attivamente 3 Na+ contro 2 K+; poiché Na+ e K+ sono entrambe ioni positivi questo trasferimento diseguale genera una separazione di cariche e quindi un potenziale, con l esterno della cellula che diviene relativamente più positivo rispetto all interno). interno pompa sodio-potassio POMPA ELETTROGENICA

43 ? Come si modifica il potenziale di membrana a riposo di una cellula trattata con ouabina un inibitore della Na+ K+ ATPasi? Nel tempo il Na+ entrerebbe all interno della cellula e il potenziale di membrana a riposo diventerebbe più positivo

44 Ogni cellula avrà un potenziale di riposo (E( m ) che risulta dalla somma dei potenziali di equilibrio per ogni ione, calcolabile in base all'equazione di Nerst,, ma corretto per la permeabilità (g i ) della membrana allo stesso ione

45 Equazione di Goldman Em = RT ln P K [K+]e + P Na [Na+]e + P Cl [Cl-]i zf P K [K+]i P Na [Na+]i P Na P Cl [Cl-]e P Cl L equazione di Goldman viene usata per calcolare il potenziale di membrana che risulta dal contributo di tutti gli ioni che possono attraversare la membrana. L equazione considera le permeabilità di membrana in quanto uno ione può contribuire al potenziale di membrana solo se la membrana è permeabile ad esso; inoltre il suo contributo al potenziale di membrana è proporzionale alla sua capacità di attraversare la membrana. Con l equazione di Goldman possiamo calcolare i potenziali di membrana in base alle concentrazioni ioniche e prevedere i cambiamenti che il potenziale subirà se queste concentrazioni cambiano

46 ? Quale ione contribuisce di più al potenziale di membrana in condizioni di riposo? Lo ione a cui la membrana è più permeabile K+

47 ? Il potenziale di membrana in assenza di stimolazione rimane costante. Come è possibile spiegare questo fenomeno considerando che ogni ione tenta di raggiungere il suo potenziale di equilibrio? Pompe Na+/K+ ATPasi

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49 ? Cl - Em = - 60mV flusso netto del Na+ in entrata Na + A - K + Em = - 20mV depolarizzazione

50 ? Cl - Em = - 60mV flusso netto del K+ in uscita Na + A - K + Em = - 90mV iperpolarizzazione

51 ? Cl - Em = - 60mV flusso netto del Cl- in entrata Na + A - K + Em = - 90mV iperpolarizzazione

52 ? Cl - Em = - 90mV flusso netto del K+? Na + A - K + Grad conc prevale sul grad elettr

53 ? Cl - Em = - 120mV flusso netto del K+? Na + A - K + Grad elettr prevale sul grad conc

54 ? Cl - Em = + 10mV flusso netto del K+? Na + K + I due gradienti hanno la stessa direzione A -

55 ? Cl - Na + Em = - 90mV flusso netto del Na+? K + I due gradienti hanno la stessa direzione A -

56 ? Cl - Na + Em = + 10mV flusso netto del Na+? A - K + Grad conc prevale sul grad elettr

57 ? Cl - Na + Em = + 60mV flusso netto del Na+? A - K + Grad elettr prevale sul grad conc

58 Quale sarà la forza che spinge uno ione da una parte o dall altra altra della cellula? Forza Elettromotrice

59 Forza Elettromotrice f.e.m. = Vm (potenziale di membrana) -Eeq (potenziale di equilibrio) Una f.e.m. negativa spinge gli ioni ad entrare nella cellula Una f.e.m. positiva spinge gli ioni ad uscire dalla cellula

60 f.e.m. = Vm (-70) -Eeq (K) f.e.m. = (-90) f.e.m. = = +20 Le due forze non coincidono perfettamente e la forza chimica (concentrazione) prevale su quella elettrica Una f.e.m. positiva spinge gli ioni ad uscire dalla cellula

61 f.e.m. = Vm (-70) -Eeq (Na( Na) f.e.m. = (60) f.e.m. = = -130 Le due forze sono concordi Una f.e.m. negativa spinge gli ioni ad entrare nella cellula

62 Conclusione Il Na+ che entra riduce la carica negativa presente all interno della cellula abbassando la forza elettroica e permettendo così che la forza chimica che agisce sul K+ prevalga su questa, ciò permette un flusso di K+. Quindi il flusso di K+ è una conseguenza del flusso del Na+. In altre parole se la carica all interno della cellula non diventasse un po più positiva a causa dell entrata del Na+, la forza elettrica verso il K+ sarebbe più forte e non lo lascerebbe uscire

63 Ma non dimentichiamoci che: I ione = g ione (Vm-Eeq( Vm-Eeq) Questo ci spiega perché c è un flusso di K maggiore rispetto al Na (la membrana è 20 volte + permeabile al K+)

64 Piccole variazioni del potenziale di membrana agiscono come segnali nei tessuti non eccitabili come le cellule endocrine Es: cellule beta del pancreas e rilascio di insulina

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