Il Potenziale di Membrana PDF

IL POTENZIALE DI MEMBRANA  IL MOVIMENTO DEGLI IONI I movimenti ionici attraverso i canali presenti nella membrana sono influenzati da due fattori: Gradiente di concentrazione (diffusione) Forze elettrostatiche Cariche negative dentro la cellula: per lo più sono gruppi fosfato elettrone...

IL POTENZIALE DI MEMBRANA  IL MOVIMENTO DEGLI IONI I movimenti ionici attraverso i canali presenti nella membrana sono influenzati da due fattori: Gradiente di concentrazione (diffusione) Forze elettrostatiche Cariche negative dentro la cellula: per lo più sono gruppi fosfato elettronegativi delle principali macromolecole che si trovano nella cellula (acidi nucleici e proteine). Essendo associate a costituenti strutturali della cellula, queste cariche negative non attraversano la membrana e sono indicati come anioni fissi (A-) Ioni liberi: possono attraversare la membrana (K+, Na+, Cl-, Mg2+, Ca2+ ecc) Ioni K+: presenti numerosi canali leak, sempre aperti per fare passare il K+ Membrana ha elevata permeabilità al K+. K+: 15-30 volte più concentrato dentro che fuori la cellula Ioni Na+: pochi canali leak, sempre aperti per fare passare il Na+ Membrana ha elevata impermeabilità al Na+. Na+ entra nella cellula con trasporto attivo secondario, di tipo simporto (es. trasportatore del glucosio) Na+: 10 volte più concentrato fuori la cellula che dentro Ioni Cl-: presenti canali leak, sempre aperti per fare passare il Cl- Membrana ha elevata permeabilità al Cl-. Passaggio ostacolato dalle cariche negative interne alla cellula (repulsione). Cl- : 10 volte più concentrato fuori la cellula che dentro Ioni Mg2+, Ca2+: loro abbondanza è bassa rispetto ai precedenti ioni per cui i loro spostamenti attraverso la membrana non hanno un effetto negativo sulla distribuzione della cariche elettriche intracellulari ed extracellulari 100 20:1  FORZE AGENTI SUGLI IONI FORZA CHIMICA Generata dal gradiente di concentrazione e spinge gli ioni da zona ad alta concentrazione a zona a bassa concentrazione  FORZE AGENTI SUGLI IONI FORZA CHIMICA Generata dal gradiente di concentrazione e spinge gli ioni da zona ad alta concentrazione a zona a bassa concentrazione  FORZE AGENTI SUGLI IONI FORZA CHIMICA Generata dal gradiente di concentrazione e spinge gli ioni da zona ad alta concentrazione a zona a bassa concentrazione  FORZE AGENTI SUGLI IONI FORZA ELETTRICA Generata dal gradiente elettrico Corrente elettrica: movimento di cariche elettriche Intensità di carica elettrica (I): quantità di cariche elettriche in movimento. Unità misura: ampère (A) Cariche opposte si attraggono. Cariche simili si respingono Movimento netto di Na+ verso il catodo Movimento netto di Cl- verso l’anodo  FORZE AGENTI SUGLI IONI La quantità di corrente elettrica che si sposta dipende da: Potenziale elettrico (voltaggio) (V): la forza esercitata su una particella carica e riflette la differenza di carica tra anodo e catodo. Quando la differenza aumenta, fluisce più corrente Unità misura: volt (V)  FORZE AGENTI SUGLI IONI La quantità di corrente elettrica che si sposta dipende da: Conduttanza elettrica (g): facilità con cui una carica elettrica può migrare da un punto a un altro. Unità misura: Siemens (S) Legge di Ohm: esprime la relazione tra il potenziale elettrico, la conduttanza e la quantità di corrente. Se g = 0: non fluisce corrente Se V = 0: non fluisce corrente I = gV  FORZE AGENTI SUGLI IONI Legge di Ohm: esprime la relazione tra il potenziale elettrico, la conduttanza e la quantità di corrente. I = gV  FORZE AGENTI SUGLI IONI Legge di Ohm: esprime la relazione tra il potenziale elettrico, la conduttanza e la quantità di corrente. I = gV Se g = 0: non fluisce corrente  FORZE AGENTI SUGLI IONI FORZA CHIMICA Generata dal gradiente di concentrazione e spinge le molecole da zona ad alta concentrazione a zona a bassa concentrazione  FORZE AGENTI SUGLI IONI FORZA ELETTRICA Generata dal gradiente elettrico  FORZE AGENTI SUGLI IONI FORZA ELETTRICA FORZA CHIMICA Generata dal gradiente elettrico Generata dal gradiente di concentrazione FORZA ELETTROCHIMICA La combinazione delle forze elettriche e di quelle chimiche ed è la forza totale che agisce su uno ione e lo spinge all’interno o esterno della cellula  FORZE AGENTI SUGLI IONI -80 mV -80 mV La direzione della forza elettrochimica dipende dalla direzione netta delle forze chimiche e di quelle elettriche  FORZE AGENTI SUGLI IONI -80 mV -80 mV La direzione della forza elettrochimica dipende dalla direzione netta delle forze chimiche e di quelle elettriche -80 mV  FORZE AGENTI SUGLI IONI -80 mV -80 mV La direzione della forza elettrochimica dipende dalla direzione netta delle forze chimiche e di quelle elettriche -80 mV -80 mV  IL POTENZIALE DI MEMBRANA Nel citoplasma della cellula, così come nel liquido extracellulare sono disciolti diversi tipi di ioni. La loro concentrazione non è però uguale dai due lati della membrana citoplasmatica Il potenziale di membrana ( Vm ) corrisponde alla differenza di potenziale elettrico tra interno ed esterno della cellula, cioè alla differenza tra interno ed esterno nel numero di cariche positive e negative portate dagli ioni (asimmetrica distribuzione)  IL POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO A riposo, quando il neurone non genera/conduce un impulso elettrico, l’interno di un neurone è elettricamente negativo mentre l’ambiente extracellulare è carico positivamente. Il potenziale di membrana è definito potenziale di riposo  IL POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO Il potenziale di riposo (Vm) è circa -65/-70 mV (millivolt) (il segno – indica che l’interno della cellula è negativo rispetto all’esterno) La membrana è sottile (< 5 nm): gli ioni da un lato della membrana possono interagire con ioni sull’altro lato. La separazione di cariche avviene solo a cavallo della membrana  ORIGINE DEL POTENZIALE DI EQUILIBRIO Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione? INTERNO ESTERNO K+ è 30 volte più - 1 concentrato dentro la cellula + + - - Membrana ha elevata + permeabilità per il K+  ORIGINE DEL POTENZIALE DI EQUILIBRIO Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione? INTERNO ESTERNO Ioni K+ intracellulari diffondono 2 - verso l’esterno attraverso i + + - canali aperti secondo - + gradiente chimico. +  ORIGINE DEL POTENZIALE DI EQUILIBRIO Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione? INTERNO ESTERNO La diffusione crea un accumulo di ioni K+ all’esterno che aumenta la - + - + 3 - + carica positiva extracellulare. + - + + - - + - + In parallelo diminuisce - + + + proporzionalmente la carica - + + positiva intracellulare che - + + + - + rende l’interno della cellula più negativo rispetto all’esterno  ORIGINE DEL POTENZIALE DI EQUILIBRIO Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione? INTERNO ESTERNO Si genera una ddp elettrico tra i due compartimenti: con - + - + 3 - + + polarità positiva nel - + + - - + - compartimento extracellulare + - + + + e negativa nel compartimento - + + - + intracellulare. + + - +  ORIGINE DEL POTENZIALE DI EQUILIBRIO Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione? INTERNO ESTERNO L’eccesso di cariche positive contrasta il movimento di ioni - + - + 4 - + + K+ verso l’esterno (forze + - + - elettriche agiscono sugli - + - + - + + ioni). + + - + - + + + - +  ORIGINE DEL POTENZIALE DI EQUILIBRIO Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione? INTERNO ESTERNO La forza dovuta al gradiente elettrico - + - + 5 - + + - + + eguaglia la forza - - + - + dovuta al gradiente di - + + + - + + concentrazione - + + + - +  ORIGINE DEL POTENZIALE DI EQUILIBRIO Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione? INTERNO ESTERNO La forza dovuta al gradiente elettrico - + - + 5 - + + - + + eguaglia la forza - - + - + dovuta al gradiente di - + + + - + + concentrazione - + + + - + FORZA DI DIFFUSIONE E FORZA ELETTRICA SONO UGUALI E OPPOSTE  ORIGINE DEL POTENZIALE DI EQUILIBRIO Cosa accade quando la membrana è permeabile solo ad uno ione? INTERNO ESTERNO Movimento netto di K+ cessa Lo ione K+ ha raggiunto il suo - + - + 5 - + + equilibrio elettrochimico e - + + - - + - la differenza di potenziale + + - + + elettrico che equilibra il - + + - + gradiente di concentrazione + + - + è chiamata potenziale di equilibrio del K+  EQUAZIONE DI NERST Potenziale di equilibrio di uno ione = differenza di potenziale elettrico necessaria a mantenere in equilibrio concentrazioni differenti della specie ionica considerata. Equazione di Nerst: permette di calcolare il potenziale d’equilibrio di uno ione a partire dalle concentrazioni interne ed esterne alla cellula L’equazione di Nerst si applica singolarmente a ciascuna specie ionica Equazione di Nerst definisce il potenziale di equilibrio di uno ione Equazione di Nerst definisce il potenziale di equilibrio di uno ione z = +1 (per Na+, K+, H+ etc) z = -1 (per Cl-) z = +2 (per Ca2+etc) Equazione di Nerst definisce il potenziale di equilibrio di uno ione  Membrana permeabile solo al Potassio Se la membrana cellulare fosse permeabile solo al potassio, il potenziale di membrana coinciderebbe proprio con il potenziale di equilibrio del potassio (-80 mV) La quantità di ioni che attraversano la membrana è proporzionale alla differenza tra il potenziale di membrana e il potenziale di equilibrio. Vm – Eion = forza di conduzione ionica (forza che muove gli ioni) Potenziale di membrana = Potenziale di equilibrio -80 mV -80 mV  -80 mV -80 mV Potenziale di membrana meno negativo (- 70 mV) del potenziale di equilibrio (- 80 mV) Forza di conduzione ionica (forza elettrochimica): (Vm- Ek). (-70 – (-80) = (- 70 + 80) = + 10 -80 mV Potenziale di membrana = Potenziale di equilibrio -80 mV -80 mV Potenziale di membrana meno negativo (- 70 mV) del potenziale di equilibrio (- 80 mV) -80 mV Potenziale di membrana più negativo (- 100 mV) del potenziale di equilibrio (- 80 mV) -80 mV (Vm- E): (-100 – (-80) = (- 100 + 80) = - 20 Però, il potenziale di membrana a riposo è – 65/-70 mV e non -80 mV come Ek. Il potenziale di membrana non corrisponde al potenziale di equilibrio di ciascuna specie ionica diffusibile calcolata mediante l’equazione di Nerst a partire dale loro concentrazioni intra-ed extracellulari.  ORIGINE DEL POTENZIALE DI MEMBRANA Il potenziale di membrana dipende da: Gradienti di concentrazione ionica tra ambiente intracellulare ed extracellulare, generati e mantenuti dalla POMPA SODIO- POTASSIO (pompa elettrogenica: genera una differenza delle concentrazioni ioniche. Espelle 3 Na+ e fa entrare 2 K+)  ORIGINE DEL POTENZIALE DI MEMBRANA Il potenziale di membrana dipende da: Diseguale permeabilità agli ioni da parte della membrana plasmatica. Per permeabilità si intende la capacità di transito degli ioni attraverso canali ionici specifici.  RIEPILOGO Genesi del potenziale di membrana  EQUAZIONE DI GOLDMAN Il potenziale di membrana è calcolabile mediante l’equazione di Goldman P indica il coefficiente di permeabilità degli ioni in gioco Gli ioni contribuiscono in maniera diversa al potenziale di membrana di una cellula a riposo. Nel neurone I canali del K+ sono predominanti e questo contribuisce notevolmente al potenziale di membrana La membrana è circa 40 volte più permeabile agli ioni K+ che agli ioni Na+. K+ pesa di più nell’equazione per determinare il potenziale di riposo (- 65/-70 mV)  IL POTENZIALE DI MEMBRANA Quando siamo nella condizione di potenziale a riposo, la membrana si dice che è POLARIZZATA (presenta una differenza di carica elettrica tra l'interno e l'esterno della cellula). voltaggio- dipendente  IL POTENZIALE DI MEMBRANA Quando siamo nella condizione di potenziale a riposo, la membrana si dice che è POLARIZZATA Quando la cellula passa da un valore negativo (il potenziale di riposo) ad uno meno negativo si dice che si depolarizza (più ione Na+ entra all’interno) voltaggio- dipendente  IL POTENZIALE DI MEMBRANA Quando siamo nella condizione di potenziale a riposo, la membrana si dice che è POLARIZZATA Quando la cellula passa da un valore negativo (il potenziale di riposo) ad uno ancor più negativo si dice che si iperpolarizza (più ione K+ esce all’esterno) voltaggio- dipendente La membrana è circa 40 volte più permeabile agli ioni K+ che agli ioni Na+. Un aumento della concentrazione esterna del K+ causa una depolarizzazione della membrana Si sono evoluti meccanismi che regolano la concentrazione di K+ [K+] extracellulare mel cervello. Barriera emato-encefalica (limita movimento del K+ nel fluido extracellulare del cervello) Astrociti (hanno canali per il K+ che entra nella cellula e viene eliminato su un’ampia area della rete dei processi degli astrociti)  IL POTENZIALE D’AZIONE In seguito a uno stimolo, il potenziale di riposo della membrana viene modificato. Se lo stimolo raggiunge un certo valore di soglia si scatena un potenziale d’azione (impulso nervoso) che consiste in una sequenza di fasi che invertono il valore del potenziale di membrana in maniera rapida e transitoria.  IL POTENZIALE D’AZIONE Cono di emergenza Il potenziale si genera nel segmento iniziale dell’assone (cono di emergenza) Il potenziale d’azione è generato da un repentino fluire di ioni sodio all’interno dell’assone Rappresenta un’inversione drastica del potenziale di membrana che avviene quando si raggiunge la soglia di eccitazione (~ -50 mV). Viene condotto lungo l’assone grazie all’azione dei canali ionici voltaggio- dipendenti  40 Canali del Na+ voltaggio-dipenden1 Canali del Na+  40 Per effetto dello stimolo, i canali del Na+ si aprono, la membrana Canali del Na+ voltaggio-dipendenti Canali del Na+ subisce una lieve depolarizzazione.  Fase ascendente 40 Quando la depolarizzazione raggiunge il valore soglia (-50 Canali del Na+ voltaggio-dipenden1 mV), i canali voltaggio-dipendenti Canali del Na+ del Na+ nel cono di emergenza (dove ci sono canali del Na+ voltaggio-dipendenti) si aprono per circa 1 msec. Na+ si riversa dentro (FASE ASCENDENTE)  Fase ascendente 40 Si accentua la depolarizzazione fino ad invertire il potenziale di Canali del Na+ voltaggio-dipendenti Canali del Na+ membrana (~ +40 mV) (FASE ASCENDENTE). Si ha il PICCO del potenziale d’azione (potenziale a punta)  Fase discendente 40 Si inattivano i canali del Na+ e si aprono i canali voltaggio- Canali del Na+ voltaggio-dipenden1 Canali del Na+ dipendenti del K+ e la membrana inizia a ripolarizzarsi (FASE DISCENDENTE)  Fase discendente 40 iperpolarizzazione Escono K+. Il potenziale diventa Canali del Na+ voltaggio-dipenden1 più negativo che a riposo (~ -70 Canali del Na+ mV): iperpolarizzaizone.  Fase discendente 40 Fase di recupero Si chiudono canali voltaggio- Canali del Na+ voltaggio-dipendenti voltaggio-dipenden1 Canali del Na+ dipendenti del K+, e la pompa Na+ - K+ ristabilisce potenziale di membrana a riposo (FASE DI RECUPERO)  IL POTENZIALE D’AZIONE NELLA TEORIA Il movimento di K+ attraverso la membrana è una corrente elettrica (Ik) Il numero dei canali del K+ è proporzionale alla conduttanza elettrica (gk) La forza che muove K+ si definisce come la differenza tra il reale potenziale di membrana e il potenziale di equilibrio: Vm - Ek Legge di Ohm: esprime la relazione tra il potenziale elettrico, la conduttanza e la quantità di corrente. Se g = 0: non fluisce corrente Se V = 0: non fluisce corrente I = gV  IL POTENZIALE D’AZIONE NELLA TEORIA Il movimento di K+ attraverso la membrana è una corrente elettrica (Ik) Il numero dei canali del K+ è proporzionale alla conduttanza elettrica (gk) La forza che muove K+ si definisce come la differenza tra il reale potenziale di membrana e il potenziale di equilibrio: Vm - Ek Ik = gk (Vm – Ek) (Ik fluisce finchè Vm ≠ Ek)  IL POTENZIALE D’AZIONE NELLA TEORIA Il movimento di K+ attraverso la membrana è una corrente elettrica (Ik) Il numero dei canali del K+ è proporzionale alla conduttanza elettrica (gk) La forza che muove K+ si definisce come la differenza tra il reale potenziale di membrana e il potenziale di equilibrio: Vm - Ek Iion = gion (Vm – Eion) Immaginiamo un neurone ideale: K+ più concentrato dentro, Na + più concentrato fuori i canali del K+ inizialmente chiusi Interno cellula gk = 0 (no conduttanza) Ik = 0 Si aprono i canali del K+ gk > 0 (conduttanza) K+ esce dalla cellula (il movimento di K+ costituisce una corrente elettrica) Si aprono i canali del K+ gk > 0 (conduttanza) K+ esce dalla cellula (il movimento di K+ costituisce una corrente elettrica) K+ esce dalla cellula fino a che Vm = Ek Non più flusso netto di K+ (al punto di equilibrio entra ed esce un ugual numero di ioni K+ )  Ora ho Vm = Ek = - 80 mV ENa = + 62 mV (Vm – ENa) = (- 80 – (+ 62) = - 80 - 62 = - 142 mV Forza che spinge Na+ DENTRO la cellula  Ora ho Vm = Ek = - 80 mV ENa = + 62 mV (Vm – ENa) = (- 80 – (+ 62) = - 80 - 62 = - 142 mV Forza che spinge Na+ DENTRO la cellula Si aprono canali del Na+: gNa >> gK Na+ entra nella cellula fino che Vm si avvicina a Ena (+ 62 mV) (depolarizzazione del neurone)  Ora ho Vm = Ek = - 80 mV ENa = + 62 mV (Vm – ENa) = (- 80 – (+ 62) = - 80 - 62 = - 142 mV Forza che spinge Na+ DENTRO la cellula Si aprono canali del Na+: gNa >> gK Na+ entra nella cellula fino che Vm si avvicina a Ena (+ 62 mV) (depolarizzazione del neurone) Si chiudono canali del Na+ e si aprono canali del K+: gK >> gNa (iperpolarizzazione) K+ esce dalla cellula fino che Vm arriva a Ek (-80 mV) (iperpolarizzazione del neurone) CANALE VOLTAGGIO-DIPENDENTE DEL Na + Un sola proteina che si ripiega più volte formando 4 domini. Ogni dominio ha 6 segmenti alfa–elica transmembrana  CANALE VOLTAGGIO-DIPENDENTE DEL Na + II S5 e S6 delimitano il poro idrofilico (o acquoso). L’ansa tra S5 e S6 dei 4 domini formano il filtro di selettività  CANALE VOLTAGGIO-DIPENDENTE DEL Na + Una ragione (S4) contiene amminoacidi elettricamente carichi che agiscono da sensori del voltaggio. Percepiscono l’intensità del campo elettrico.  Il canale del Na+ una condizione di refrattarietà: transitoria incapacità di riaprirsi nuovamente anche al perdurare dello stimolo (per occlusione temporanea del lume del poro). Na+ smette di entrare. Chiuso con potenziale di riposo (-65/-70 mV) Canale voltaggio-dipendente del Na+ Si apre quando si raggiunge valore Ina@vazione con membrana soglia (depolarizzazione) depolarizzata Aperto per 1 msec  CONCETTI CHIAVE SOGLIA: è il potenziale di membrana al quale i canali voltaggio-dipendenti per il Na+ si aprono in quantità sufficiente da permettere che la permeabilità ionica relativa della membrana favorisca il sodio rispetto al potassio FASE ASCENDENTE: quando il potenziale di membrana è negativo , c’è una considerevole forza di spinta che agisce su Na+, per cui Na+ entra nella cellula attraverso i canali voltaggio-dipendenti causando una rapida depolarizzazione  CONCETTI CHIAVE FASE DISCENDENTE: I canali voltaggio-dipendenti del Na+ si inattivano. I canali voltaggio-dipendenti del K+ si aprono (con ritardo di 1 msec). La membrana è fortemente depolarizzata e K+ esce dalla cellula IPERPOLARIZZAZIONE: L’apertura dei canali voltaggio-dipendenti del K+ si somma alla permeabilità al K+ della membrana a riposo. Esce K+ e il potenziale di membrana si sposta verso Ek causando l’iperpolarizzazione della membrana fino a che i canali voltaggio-dipendenti del K+ si chiudono  CONCETTI CHIAVE PERIODO REFRATTARIO ASSOLUTO: I canali voltaggio-dipendenti del Na+ non possono essere de-inattivati fino a che il potenziale diventa negativo e consente un nuovo potenziale di azione PERIODO REFRATTARIO RELATIVO: Il potenziale di membrana rimane iperpolarizzato fino a che i canali voltaggio-dipendenti del K+ si chiudono. Di conseguenza, serve una maggiore corrente depolarizzante per portare il potenziale di azione al livello di soglia. Durante il periodo refrattario relativo si possono generare PA aumentando l’intensità dello stimolo Il periodo refrattario assouto limita la massima frequenza di scarica di un neurone che è di circa 500-1000 impulsi al secondo (1000 Hertz) inattivano  Il potenziale d’azione è una risposta “tutto o nulla” Se uno stimolo è abbastanza forte per produrre un potenziale d’azione questo produrrà un potenziale d’azione della STESSA GRANDEZZA, indipendentemente dalla forza dello stimolo che lo ha generato Il potenziale d’azione compare sempre con intensità caratteristica (ad esempio sempre +40mV) Nel sistema nervoso la codifica dell’ intensità di un segnale (se uno stimolo è forte o debole) non è data dall’ampiezza del potenziale d’azione ma dalla sua frequenza Stimolazione debole Se si aumenta l’intensità della stimolazione, il potenziale d’azione Stimolazione intensa compare sempre con un’ampiezza caratteristica Tuttavia aumentando l’intensità della stimolazione, aumenta la frequenza con cui i potenziale d’azione si susseguono Il periodo refra