Che ruolo ha la membrana plasmatica nei potenziali di diffusione?

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1 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

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3 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. 1 2 Consideriamo 2 compartimenti: nel primo abbiamo una soluzione 0.1 N HF 0.1 N HF N di HF, nel secondo HF é N. H + La mobilità di H + >>F - e quando H + diffonde F - non segue altrettanto F - rapidamente. Questo crea una separazione di cariche, ovvero una d.d.p., che può essere >100 mv. 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? 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.

4 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 1 M X B 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 ( G chim ), ma compare anche la tendenza di X+ a muoversi nella direzione opposta da B verso A a causa della ddp ( G el ). La direzione del flusso netto di X+ dipende da quale dei due gradienti è più forte. CA C B Gchim RT ln R= cal K -1 mole -1 T= temperatura assoluta Gel zfv A V B F= cal V -1 mole -1 z= valenza

5 POTENZIALE ELETTROCHIMICO [] X xg )( zf A A()()ln XGXGRT B VV A B [] XB 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.

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7 Equazione di Nerst e calcolo del potenziale d equilibrio per singoli ioni La relazione che esiste all equilibrio tra gradiente chimico e gradiente elettrico fu stabilita dal chimico-fisico tedesco Walter Nerst: Dove: E x = 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 RT E x zf ln [X] [ X ] E I Se consideriamo una temperatura di 18 centigradi e applichiamo la relazione ad uno ione monovalente possiamo semplificare come: Ad esempio, considerando le seguenti concentrazioni [K + ] E = 0.01 M e [K + ] i = 0. 1 M abbiamo che: E k log [. ] [ 01. ] I E quindi x (-1) E k V E x X. z log [ ] [ X ] E

8 equilibrio e di riposo dellemembrane

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11 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.

12 Un solo ione permeante Almeno due ioni permeanti Vm = - RT. ln [i1] zi F [i2] equazione di Nernst potenziale di equilibrio potenziale di diffusione

13 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

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15 I principali fattori che determinano il Potenziale di Riposo Affinché la cellula possegga un potenziale di riposo stabile è necessario che la separazione delle cariche ai lati della membrana sia mantenuto costante. E I Canali Passivi di Membrana Canali Passivi di Membrana Pompa Na + - K + ATP dipendente 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

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17 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.