Potenziale di Membrana e Funzioni

Potenziale di Membrana

• Il potenziale di membrana è la differenza di potenziale elettrico tra l'interno e l'esterno di una cellula.

Funzioni della Membrana Plasmatica

• La membrana plasmatica definisce l'ambiente intracellulare ed extracellulare.
• Funge da barriera per il movimento libero delle molecole cariche.
• Crea un gradiente elettrochimico.
• Definisce il potenziale di membrana.
• Stabilizza il pH intracellulare.

Proprietà Elettriche delle Membrane Biologiche

• I costituenti strutturali della membrana danno origine alle proprietà elettriche.
• La capacità è determinata dall'impermeabilità agli ioni del doppio strato lipidico.
• L'impermeabilità permette di separare le cariche elettriche.
• La conduttanza è determinata dai canali ionici che consentono il passaggio di ioni inorganici.
• Gli ioni inorganici trasportano cariche attraverso la membrana.
• La capacità della membrana cellulare è circa 1-3 µFarad/cm² nelle membrane biologiche.
• Capacità della membrana cellulare aumenta in proporzione alla costante dielettrica (in media = 3).
• Capacità della membrana cellulare diminuisce in relazione allo spessore della membrana.

Modalità e Proteine di Trasporto

• Le molecole vengono trasportate tramite diffusione semplice, trasporto passivo e trasporto attivo primario.

Trasporto di Ioni

• Il trasporto netto di carica positiva fuori dalla membrana plasmatica è un importante processo cellulare.

Polarizzazione

• L' accumulo di cariche ai lati della membrana crea un potenziale per compiere lavoro.
• Quando il potenziale di membrana (Vm) è diverso da zero, la membrana è polarizzata.
• L'ampiezza del potenziale (es. 70 mV) è proporzionale al numero di cariche positive e negative ai lati della membrana.
• Il segno del potenziale (+ o -) indica quali cariche sono in eccesso all'interno della cellula.

La Membrana come Circuito Elettrico

• La membrana cellulare si comporta come un circuito elettrico equivalente.
• Si compone di un condensatore e una resistenza (conduttanza) disposti in parallelo.
• La membrana può accumulare energia elettrica come un isolante(capacità). -Inoltre, la membrana può condurre energia elettrica attraverso canali (conduttanza).
• La capacità(C) misura l'accumulo di ioni di segno opposto ai lati della membrana ed è misurata in Farad.
• La conduttanza definisce quanto bene un corpo può condurre energia elettrica.
• La conduttanza è misurata in Siemens.

Conduttanza della Membrana

• La conduttanza della membrana per una specie ionica dipende dal numero di canali specifici presenti.
• La permeabilità è la capacità di una membrana di far passare una certa molecola.
• La conduttanza (G) è il flusso effettivo di una molecola attraverso la membrana, dipendente dalla permeabilità.

Potenziale di Membrana a Riposo

• Tutte le cellule, in condizioni di riposo, hanno una differenza di potenziale transmembrana.
• L'interno della cellula è carico negativamente rispetto all'esterno.
• La quantità di cariche separate è piccola e le differenze di potenziale sono misurate in millivolt (mV).
• L'entità del potenziale varia da -5 a -100 mV a seconda del tipo cellulare.
  • Assone gigante di calamaro: -70 mV.
  • Fibra muscolare di rana: -90 mV.
  • Uovo di riccio di mare: -40 mV.

Origine del Potenziale di Membrana

• Distribuzione ineguale degli ioni tra il mezzo intra ed extracellulare.
• Permeabilità selettiva della membrana per gli ioni, dovuta ai canali ionici specifici.
• Presenza di anioni proteici non diffusibili nel liquido intracellulare (LIC).
• Il fluido extracellulare è ricco di Na+ e Cl-.
• L' ambiente citosolico(interno) ha un'elevata concentrazione di K+ e proteine-.
• La permeabilità al K+ è 50-100 volte superiore alla permeabilità al Na+.
• L'entrata di Na+ è inferiore all'uscita di K+ e dipende dai canali ionici aperti.

Forza Chimica e Elettrica

• Forza chimica (Fc), Pressione= nRT
• L'equazione di Nernst calcola il potenziale di equilibrio per un singolo ione.
• Forza elettrica (Fe), Fe = zFEm

Potenziale Elettrochimico

• Il potenziale elettrochimico è la combinazione della forza chimica e della forza elettrica agenti su uno ione.
• All'equilibrio elettrochimico, ∆μ = 0.

Potenziale di Equilibrio

• Ek è il valore del potenziale di membrana al quale gli ioni potassio sono in equilibrio elettrochimico.
• La concentrazione interna del potassio è MOLTO maggiore della concentrazione esterna.
• Nelle cellule, Vm è meno negativo del potenziale di equilibrio del potassio, ma ci si avvicina.

Forza Elettromotrice

• Se la differenza di potenziale misurata a cavallo della membrana è differente dal potenziale di equilibrio del potassio.
• Esiste una forza elettromotrice data dalla differenza dei due potenziali.
• Es: -70mV - (-90mV) = +20mV, che tende a far uscire il potassio.
• Le cellule NON sono permeabili solo al potassio. -Si devono considerare sia le differenze di concentrazione e le permeabilità relative per più specie ioniche.

Equilibrio del Sodio

• Considerando le concentrazioni reali del sodio (15/150).
• ENa= +60mV.
• Questo valore è molto lontano da Vm.
• La forza elettromotrice per il Na è: -70mV – (+60mV) = -130 mV,che tende a fare entrare il sodio.
• Ogni cellula avrà un potenziale di riposo (Em).
• Il potenziale di riposo risulta dalla somma dei potenziali di equilibrio per ogni ione.
• Il potenziale di riposo è calcolabile tramite l'equazione di Nernst. -L'equazione di Nernst va corretta per la conduttanza (Gi) della membrana allo stesso ione.
• Conduttanza (G): flusso effettivo di una molecola attraverso una membrana.
• La conduttanza dipende dalla permeabilità e ne costituisce una misura.

Equazione di Goldman

• L'equazione di Goldman descrive il potenziale di membrana considerando la permeabilità a più ioni.
• In un neurone a riposo, la permeabilità al potassio è 1..
• In un neurone a riposo, la permeabilità al sodio è 0.04..
• In un neurone a riposo, la permeabilità al cloruro è 0.45.
• La conduttanza (g) della membrana agli ioni è una misura del passaggio di ciascuna specie ionica attraverso i canali.
• Si calcola l'inverso della resistenza (R). Conoscendo le concentrazioni ioniche e le permeabilità, si può calcolare l'effettivo potenziale di membrana.
• Vm è in gran parte dovuto al movimento di potassio verso l'esterno della cellula, secondo il suo gradiente.
• Il potenziale di membrana NON corrisponde al potenziale di equilibrio del potassio.
• Questo accade perché sono aperti anche canali del sodio che diffondono all'interno, annullando in parte l'effetto del potassiio.
• Normalmente il cloruro si trova in equilibrio elettrochimico (Ecl=Vm) e può venire ignorato.

Azione della Pompa Sodio-Potassio

• Il 20% della Vm è dovuto all'azione diretta della pompa Na/K ATPasi.
• La pompa è elettrogenica e trasporta una carica netta positiva fuori dalla membrana plasmatica(3Na+ out/ 2K+ in).
• L'80% è dovuto diffusione passiva degli ioni Na+ e K+.
• Il mantenimento della differenza di concentrazione tra LIC ed LEC è sempre dovuto al lavoro della pompa Na/K ATPasi, che dà un contributo indiretto.
• In un neurone a riposo, la permeabilità al K+ è 1 e a Na+ è 0.04.
• Ogni ione si muoverà secondo il proprio gradiente, e il K+ darà il contributo maggiore.
• Il potenziale di riposo di una cellula è determinato dalla distribuzione asimmetrica degli ioni nei due ambienti intra ed extra-cellulare e dalla differente conduttanza alle diverse specie ioniche.
• In un neurone vi sono un numero di canali del potassio aperti 10 volte maggiore rispetto a quelli del sodio e del cloro

Il potenziale di membrana è la differenza di potenziale elettrico tra l'interno e l'esterno di una cellula. La membrana plasmatica funge da barriera, creando un gradiente elettrochimico e stabilizzando il pH intracellulare. Le proprietà elettriche derivano dalla capacità e dalla conduttanza determinate dai lipidi e dai canali ionici.