Potenziale Di Membrana PDF
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Università degli Studi di Padova
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Questo documento contiene informazioni sul potenziale di membrana, un concetto fondamentale in biologia. I dettagli includono gli ioni, le forze chimiche ed elettriche, e l'equazione di Nernst con esempi.
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POTENZIALE DI MEMBRANA li ioni si muovono sia per diffusione semplice (gradiente di concentrazione) sia G per le forze elettrostatiche. Dentro e fuori dalla cellula sono presenti ioni, in concentrazione diversa: all’interno della cellu...
POTENZIALE DI MEMBRANA li ioni si muovono sia per diffusione semplice (gradiente di concentrazione) sia G per le forze elettrostatiche. Dentro e fuori dalla cellula sono presenti ioni, in concentrazione diversa: all’interno della cellula abbiamo molte cariche negative (gruppi fosfato, ATP, acidi nucleici, proteine etc.), e quelle che fanno parte delle cellule sono anioni fissi (A-) e rimangono dentro senza attraversare la membrana; ci sono anche degli ioni liberi, ad esempio K+ (15/30 volte più concentratodentrochefuori),cheriescesempreaentrareeusciredallamembrana; Na+,diecivoltepiùconcentratoall’esterno,peròlamembranaèpocopermeabile e ci sono pochi canali leak, riesce a entrare grazie alle proteine carrier(t rasporto attivosecondariosimporto,ètrasportatoredelglucosio);Cl-,cheriesceapassare abbastanza facilmente perché la membrana è permeabile; altri ioni tipo Mg2+ o Ca2+chenonsbilancianol’equilibriodellecarichetradentroefuoriperviadelleloro quantità quasi irrilevanti. Gliionisimuovonosiaperforzachimica(cioèilgradientediconcentrazione),ealla forzaelettrica(gradienteelettrico):sigeneraunflussodicorrenteelettricaperché le cariche si spostano da dove l’ambiente è più positivo a dove è negativo. L’intensitàdicaricaelettrica(I)èlaquantitàdicaricheelettricheinmovimento el’unitàdimisurasonogliampère,edipendedalvoltaggio(opotenzialeelettrico, quantità di energianecessariaperspostareunaparticelladaunpoloall’altro, è calcolata in volt e dipende dalla differenza di carica tra i due poli) e dalla conduttanza (la facilità con cui sispostanoleparticelle,aumentaseaumenta latemperaturaosecisonopiùioni,l’unitàdimisuraèilsiemens,ilsuocontrario è la resistenza). LEGGE DI OHM: I = gV (se g o V = 0,vuoldirechenonfluisce corrente elettrica; g = 0 quando abbiamo una membrana impermeabile, V = 0 quandononc’èdifferenzadicarichetraipoli).Dallacombinazionediforzachimicae forzaelettricaabbiamolaforzaelettrochimica,laforzatotalecheagiscesulloione e nedetermina la direzione di spostamento. Nelcitoplasmaenelliquidoextracellularecisonodegliioni,nonpresentiperònella stessaconcentrazione,edèquestoadareluogoalpotenzialedimembrana(V m): differenza di cariche elettriche positive e negative tra i due lati della membrana. Quando il neurone è a riposo,ilVmsidicepotenzialeariposoedè -70mV(quindil’internoèpiùnegativodell’esterno),elecarichenonsonodistribuite equamente ma si trovano soprattutto a cavallo della membrana plasmatica. La differenza di carica tra i duelatidellamembranasiformaperchésudiessasono presentimolticanaliionicichepermettonosoloaK+dipassare;all’internodella cellula questa è una particella molto concentrata, perciò a causa della forza chimica esce perché all’esterno della cellula è meno concentrata; di conseguenza l’interno diventa sempre più negativo, mentre l’esterno sempre più positivo; si crea quindi una differenza di potenziale (polarità positiva all’esterno e negativa all’interno); a questopuntointervengonoleforzeelettriche cheimpedisconoaK+dicontinuareafuoriuscire,equindiledueforzedientrata e uscita (quelle dovute al gradiente elettrico e quelle dovute al gradiente di oncentrazione)sonougualieopposte=loioneK+haraggiuntoilsuoequilibrio c elettrochimico, eladifferenzadipotenzialeelettricochecontrastailgradiente di concentrazione viene detto potenziale di equilibrio del K+. Il potenziale di equilibrio di uno ione si calcola con l’equazione di Nernst, che parte dalle concentrazioni interne edesternedellacellula,tuttaviasiapplicasingolarmentea ciascuna specie ionica. Il potenziale di equilibrio di K+ è -80 mV. Se la membrana fosse permeabile solo al potassio, il potenziale di membrana sarebbe uguale aquellodelpotassio,mainveceintervieneanchelaforzaelettrochimica. Invece,pertrovarelaforzadiconduzioneionica(chedeterminainchedirezione si spostano gli ioni) è necessario svolgere la sottrazione tra il potenziale di membrana (Vm) e il potenziale di equilibrio di uno ione (Eion).Ilpotenzialedi membrana quindi dipende dai gradienti di concentrazione ionica tra intra ed extracellulare, generati e mantenuti dalla pompa sodio-potassio (pompa elettrogenica,generaunadifferenzadiconcentrazioniioniche,creaunambiente elettronegativosfruttandol’ATP),edaunadisegualepermeabilitàagliionidella membranaplasmatica(lapermeabilitàèlacapacitàditransitodegliioniattraverso alcuni canali specifici). Mentre l’equazione di Nernst permette di calcolare il potenziale di equilibrio di un singolo ione, l’equazione di Goldman prende in considerazione gli ionielapermeabilitàdellamembranaaquelloione(piùèaltala permeabilità a uno ione, più questo ione contribuiscealpotenzialedimembranadi una cellula a riposo). Quando abbiamo il potenziale a riposo, la membrana è polarizzata (cioè l’interno è più negativo); quando la cellula passa da un valore negativoaunomenonegativo,sidepolarizza;quandopassadaunonegativoauno piùnegativosiiperpolarizza.Ilcervellohadeimodiperlimitarequestiprocessi,che influenzano il potenziale d’azione: la barriera emato-encefalica (limita il movimento di K+ nel cervello) e gli astrociti (che tamponano K+ e loespellonoin maniera più diffusa). Il potenziale d’azione è un impulso nervoso, è un susseguirsi di fasi rapide e transitorie di alterazione del valore di potenziale di membrana; funziona nella stessa maniera per tutte le specie. Si genera nel cono d’emergenza (segmento iniziale dell’assone) a causa di un rapido ingresso di sodio, rappresenta una depolarizzazione (entra Na+) che avviene quando si raggiunge una soglia di eccitazione (-50 mV), e viene condotto lungo tutto l’assone grazie ai canali ionici voltaggio-dipendenti: inizialmente si apronosoloalcunideicanalivoltaggio dipendentidiNa+,cosìsidepolarizzafinoalvaloresoglia(faseascendente),aquel punto se ne aprono moltialtrieavvieneunarapidadepolarizzazionefinoacirca +50 mV (potenziale a punta), aquestopuntoicanalidelNa+sidisattivanoesi aprono invece quelli del K+ e la membrana inizia a ripolarizzarsi (f ase discendente); aquestopuntoesconoK+,ilpotenzialediventapiùnegativoche a riposo, avviene quindi iperpolarizzazione (-70 mV); ora si chiudono anche i canalidelK+,elapompasodio-potassioristabilisceilpotenzialedimembrana a riposo (fase di recupero). La legge di Ohm esprime la relazione tra il potenziale elettrico, la conduttanza e la quantità di corrente; la forza che muoveK+sidefiniscecomeladifferenzatrailrealepotenzialedimembranaeil otenziale di equilibrio (Vm-Ek, quindi Ik = gk(Vm-Ek), dove Ik è la corrente p elettricadiK+,gkèlaconduttanzaelettricadiK+,Vmèilpotenzialedimembranae Ek è il potenziale di equilibrio; quindi Ik fluisce fino a che Vm è diverso da Ek). NOTA:icanalivoltaggio-dipendentidelNa+sonoformatidaunasolaproteinachesi ripiega formando 4 domini, ognuno a sua volta costituito da 6 segmenti alfa-elica transmembrana, ilsegmento5e6delimitanoilporoacquoso,el’ansatraidueèil filtro di selettività; il segmento 4 invece contiene degli amminoacidi che fanno da sensori di voltaggio,chepercepisconol’intensitàdelcampoelettrico;questocanale ha una condizione di refrattarietà (cioè anche se c’è lo stimolo non si apre perun determinato periodo di tempo, enonfaentrareNa+);esisteunperiodorefrattario assoluto, che c’è quando i canali del Na+ non si deattivano fino a che il potenziale non è di nuovo negativo, e un periodo refrattario relativo, in cui il potenziale di membrana rimane iperpolarizzato fino a che non si chiudono i canali del K+ (serve quindi una maggiore corrente depolarizzante per portare il potenziale d’azione al valore soglia). NOTA2: per concetti chiave vedi slides 73-76. Ilpotenzialed’azioneèuntuttoonulla:sidevearrivarealmenoalvaloresoglia,e viene innescato quasi sempre uguale a se stesso (cioè l’ampiezza è sempre la stessa); l’intensità dello stimolo determina la frequenza di scarica, non l’ampiezza (se aumenta l’intensitàdiunostimolol’ampiezzadellascaricarimanela stessa, ma aumenta la frequenza). I neuroni non si comportano tutti allo stesso modo:lecellulestellatehannounafrequenzacostantepertuttaladuratadello stimolo, le cellule piramidali invece emettono una rapida serie di scariche all’inizio mentre poi rallenta anche se lo stimolo non diminuisce, una sottocategoriadicellulepiramidaliemettedeiburst,cioègruppettidiscaricheseguite da una pausa. Mutazioni di amminoacidi nei canali ionici possono avere grandi conseguenze, ad esempio l’epilessia generalizzata con crisi febbrili: si verifica perchécisonodellemodificazionigeneticheneicanalidelsodio,chesichiudono piùlentamenteeperciòilpotenzialed’azionehaunaduratamaggiore,andando ainterferireconlenormalifunzionidell’organismo.Cisonoanchedellesostanzeche vanno a interferire con il normale funzionamento del potenziale d’azione: la tetradotossina, viene prodotta dal pesce palla e blocca il canale del Na+, bloccando il potenziale d’azione, e in dosi eccessive causa blocchi circolatori e respiratori e paralisi; la batracotossina, prodotta dalla rana dorata, blocca in manierapermanenteicanalidelsodio,causandoparalisiemorteperchéinterrompe latrasmissionedegliimpulsinervosiaimuscoli;glianesteticilocali,chebloccanola conduzione nervosa di una specifica parte del corpo, e abbiamo ad esempio la lidocaina, che si lega proprio all’internodell’assone(nelsegmento6deldominio 4)einterferisce con il flusso del sodio bloccandoi potenziali d’azione. Latrasmissionedelpotenzialed’azionedalpuntoincuisigenerano,cioèilcono di emergenza, fino alla terminazione sinaptica, si chiama propagazione o conduzione. Il potenziale d’azione è una rapida variazione del potenziale di membrana per un segmento della membrana cellulare, e questa variazione si trasmette lungo tutto l’assone (rapida depolarizzazione della membrana assonica). Quandoc’èlagenerazionedipotenzialed’azioneinunpuntoc’èunadifferenza i potenziale tra quel punto e i sitiadiacenti:lecorrentielettronicheall’esterno d dell’assone spostano cariche positive verso il punto eccitato, mentre lecorrenti elettroniche interne spostano cariche positive verso i punti contigui carichi negativamente (ciò avviene per gradienti di concentrazione), e si verifica così depolarizzazionedellamembrana.Lecarichepositivegeneranocosìunacorrente che sipuòpropagaresoloavalle,perchéamonteicanalidelNa+sonoinuna condizione di refrattarietà e non riescono ad aprirsi di nuovo per generare nuovo potenziale; il potenziale d’azione si autorigenera e viaggia in direzione anterograda (dal soma al terminale assonico), e ha quindi una conduzione ortodromica. Durante la propagazione non c’è attenuazione del segnale, il potenzialenonsiscatenainmanierasimultaneaintuttalacellula,maviaggiaa unavelocitàda1a100m/s,duracirca2ms,lavelocitàmediadipropagazione è 10 m/s, e possiamo così calcolarelalunghezzadeltrattodimembranacoinvolto dal potenziale. La corrente elettrotonica decade con la distanza a causa della sia della resistenza al flusso da parte del citoplasma, sia perché una parte di questa corrente finisce sempre dentroicanaliionicidell’assoneaperti,quindi si dissipa sia a causa di una resistenza interna, sia a causa di una resistenza esterna = la velocità di conduzione del potenziale d’azione aumenta all’aumentare della resistenza di membrana e al diminuire dellaresistenzaassiale(all’aumentare deldiametrodell’assone,perchéquestodiminuiscelaresistenzainternadell’assone, visto che la resistenza è inversamente proporzionale all’area trasversale della sezione) (NOTA: negli invertebrati c’è una propagazione continua di potenziale d’azione perché i loro assoni non hanno la guaina mielinica). Nell’uomo, abbiamo una guaina mielinica,nelSNCdaglioligodendrociti(unasolacellulaavvolgepiù assoni), nel SNP abbiamo le cellule di Schwann (molte cellule avvolgono un assone), agisce quindi come una guaina che tappa i buchi di un tubo; in questo modo abbiamo una propagazione saltatoria,incuiilpotenzialed’azione“salta”in corrispondenzadeinodidiRanvier(dovesonoicanali),equestapropagazionepuò raggiungere, nei tratti guainizzati, anche la velocità di 100 m/s erichiedeunminor consumo di ATP. La sclerosi multipla colpisce la guainadegliassonidelSNC: nella mielina si formano delle placche simili a cicatrici, e questi danni possono colpire soprattutto nervi ottici, midollo spinale, e cervelletto(sclerosi=indurimento, multipla perché varie zone): le cariche così si dissipano, la velocità di conduzione diminuisce e quindil’impulso nervoso arriva in ritardo.
