Biologia e Fisiologia - Potenziali di Membrana - AA 2024/2025 PDF

BIOLOGIA E FISIOLOGIA Lez. 3.1: Potenziali di Membrana e Segnali Elettrici Artoni - AA 2024/2025 Contenuti ionici LEC e LIC Artoni - AA 2024/2025  Prncipi da ricordare...

BIOLOGIA E FISIOLOGIA Lez. 3.1: Potenziali di Membrana e Segnali Elettrici Artoni - AA 2024/2025 Contenuti ionici LEC e LIC Artoni - AA 2024/2025  Prncipi da ricordare Legge della conservazione della carica elettrica: la quantità netta di carica elettrica prodotta in qualsiasi processo è zero. L’organismo è elettricamente neutro Cariche opposte si attraggono: Separare cariche positive da cariche negative richiede energia (oppure lavoro? fatto da chi? Come è immagazzinata principalmente l’energia nei sistemi biologici?). Quando cariche positive e negative possono muoversi liberamente le une verso le altre, il materiale attraverso cui si muovono è detto conduttore (e.g., acqua), altrimenti isolante. Il doppio strato fosfolipidico della membrana cellulare è un buon isolante. -> Date due cariche a distanza d, come calcolo l’energia potenziale del sistema, acquisita (o persa) spostando le cariche a distanza d’? Artoni - AA 2024/2025 Il potenziale di membrana Artoni - AA 2024/2025 Creazione di un potenziale di membrana in un sistema artificiale Artoni - AA 2024/2025 Raggiungimento dell’equilibrio elettrochimico Artoni - AA 2024/2025  Il potenziale di equilibrio: l’equazione di Nerst Il potenziale di membrana ricavato dale formule riferito a differenza interno esterno (interno – esterno), è il potenziale che si oppone esattamente al gradiente di concentrazione dello ione. Ei: Potenziale di equilibrio di ione “i” R: costante dei GAS 8.314 [J/(mol K)] T: temperatura assoluta (K) F: costante di Farday ~96485 (C/mol), prodotto per la costante di Avogadro e la quantità elementare espressa in couloumb z: valenza dello ione (K+, Na+ : z = 1), (Cl-, HCO3- : z = -1); e per Ca2+? e Cl-? ln/log: logaritmo naturale/logaritmo decimale. log = 2.303 ln 2.303 RT/F Q: Come determinare la [K+]: concentrazione dello ione a 37°C direzione del flusso ionico? Q: Se l’interno cellula fosse più R: considerando il gradiente negativo (e viceversa) come elettrochimico (non solamente sarebbe la concentrazione di chimico o elettrico) K+? Artoni - AA 2024/2025 Il potenziale di membrana a riposo Quando un potenziale di membrana a riposo (Em o Vm) è determinato da 2 o più specie ioniche, l’influenza esercitata da ciascuna specie non dipende soltanto dalle concentrazioni dei diversi ioni all’interno ed all’esterno della cellula, ma anche dalla permeabilità p della membrana verso gli ioni considerati La permeabilità di una membrana verso un certo ione è una proprietà intrinseca della membrana stessa: misura la facilità con cui quello ione riesce ad attraversare la membrana (m/s) I fattori che influenzano il potenziale di membrana a riposo sono: 1. gradienti di concentrazione 2. permeabilità della membrana per un determinato ione 𝐸𝑚 = −70 𝑚𝑉 𝐸𝑘 = −90 𝑚𝑉 𝑝𝐾+ ≫ 𝑝𝑁𝑎+ Esempio di cellule permeabili solamente a uno ione K+ Na+ Artoni - AA 2024/2025 Equilibrio con Na+ e K+ L’eq. di Nerst varrebbe solo se le membrana fosse permeabile a un solo ione  Equazione di Goldman-Hodkin-Katz Prestare attenzione ai segni e ai pedici. Risultato: -70mV Perchè per il Cl- concentrazioni interne ed esterne sono invertite tra numeratore e denominatore nell’equazione? Ipotesi: 1. Il campo elettrico transmembranario decresce in maniera lineare (teoria del campo costante); esempio ipotesi campo conservativo 2. le concentrazioni degli ioni a livello dell’interfaccia tra il mezzo liquido e la membrana fosfolipidica raggiungono immediatamente un equilibrio di distribuzione ai lati della membrana; 3. gli ioni, nel loro passaggio attraverso la membrana (e in particolare attraverso i canali ionici), non si influenzano reciprocamente Se una cellula ha uguale permeabilità agli ioni sodio e potassio, il potenziale di membrana a riposo della cellula risulterà più o meno negativo di –70 mV? Simulatore: https://www.azps.life/s/ngswin.zip  Variazioni del potenziale di membrana Il potenziale di membrana può cambiare in seguito all’apertura o alla chiusura di canali ionici. Se si aprono i canali del potassio la cellula si depolarizza o iperpolarizza? Se si aprono i canali del sodio la cellula si depolarizza o iperpolarizza?  Legge di Ohm 𝑽 = 𝑹𝑰 𝑽 𝑰 = = 𝑽𝒈 𝑹 La conduttanza di uno ione, chiamata g, rappresenta l’inverso della resistenza al flusso di ioni (cariche) attraverso canali specifici, e misura la permeabilità per quel determinato ione. Unità di misura 1/Ohm = Siemens L’equazione di Goldman è valida all’equilibrio, non dice nulla riguardo alla velocità con cui varia Vm in risposta ad un cambiamento di permeabilità e non serve a determinare l’intensità delle singole correnti di Na+, K+, Cl- Circuito elettrico equivalente Batterie ( gradienti di Condensatori (la capacità Elementi conduttori o concentrazioni degli ioni della membrana plasmatica di resistenze (canali ionici) considerati ) custodire cariche elettriche)  Canali come conduttori/resistori e batterie in serie Il flusso delle correnti nei canali ionici è promosso sia dalle forze chimiche che dalle forze elettriche  Canali come conduttori/resistori e batterie in serie 𝜸𝑲 𝑽𝒎 - 𝜸𝑲 𝑬𝒌 = 𝜸𝑲 𝑽𝒎 − 𝑬𝒌 = 𝒊𝒌 Mebrana e circuito RC equivalente 𝐶𝑚 = ~ 1𝜇𝐹/𝑐𝑚2 𝑅𝑚 = ~ 10 ÷ 10000 Ω𝑐𝑚2 𝜏 = ~ 10𝜇𝑠 ÷ 10 𝑚𝑠