Concetti Chiave
- Le leggi biofisiche regolano il passaggio degli ioni nei canali ionici aperti, influenzando la corrente misurabile attraverso di essi.
- Durante l'apertura del canale ionico, la corrente di singolo canale è tipicamente di pochi pA, corrispondente a milioni di ioni trasportati al secondo.
- La relazione corrente-voltaggio (I-V) descrive come la corrente varia con il potenziale applicato, mostrando spesso comportamenti non lineari nei canali ionici.
- La conduttanza di singolo canale, che misura la permeabilità, varia significativamente tra diversi canali, influenzando il trasporto ionico.
- Il gradiente di concentrazione ai lati della membrana ha un forte impatto sul flusso ionico e sulla conduttanza, determinando la corrente di singolo canale.
Leggi biofisiche dei canali ionici
In questa sezione ci occupiamo delle leggi biofisiche che governano il passaggio degli ioni attraverso un canale ionico che risiede nello stato aperto. Una misura di quanto permeante è un canale a un certo ione si ottiene registrando la corrente attraverso il canale in presenza dello ione considerato ai due lati della membrana, e applicando diversi potenziali di membrana.
Corrente e flusso ionico
Nei periodi in cui il canale ionico è aperto si osserva una corrente tra i due elettrodi non nulla, indice del fatto che gli ioni presenti in soluzione stanno attraversando il canale. In condizioni vicine a quelle fisiologiche si osserva di solito una corrente di singolo canale di qualche pA. Calcoliamo ora il flusso di ioni (moli che attraversano il canale nell’unità di tempo) corrispondente a questa corrente.
i= q/Δt=mol z F/Δt=z F f
q=carica trasportata nel tempo Δt. mol=moli trasportate nel tempo Δt. z valenza dello ione. F=costante di Faraday (carica di una mole di ioni a valenza unitaria). f=flusso di ioni.
Da questa relazione se ne deduce che se il canale è permeabile a ioni monovalenti, e presenta una corrente di 10 pA, allora il flusso è pari a
f=10−¹²/10000 = 10−¹⁶ mol/s, che corrisponde a 10−16 6.023 1023 ~ 106 ioni/s. Quindi i canali ionici trasportano milioni di ioni al secondo.
Relazione corrente-voltaggio
La corrente che passa attraverso il canale varia al variare della differenza di potenziale applicato. In altri termini la corrente di singolo canale dipende dal gradiente elettrico che si stabiliste attraverso il canale. Prendendo l’ampiezza di corrente ai vari potenziali è possibile costruire una relazione corrente-voltaggio (I-V), che ne caso mostrato appare lineare, come ci si aspetterebbe per un perfetto conduttore ohmico. Più in generale, però, i canali raramente rispettano in pieno la relazione di Ohm. Al contrario, più spesso presentano relazioni I-V non perfettamente lineari, specialmente in presenza di concentrazioni diverse di ione permeante ai due lati della membrana.
Conduttanza e variabilità dei canali
Una misura di quanto permeante è un canale è data dalla sua conduttanza di singolo canale, definita come la pendenza della relazione I-V, ovvero come il rapporto tra la variazione di corrente e la corrispondente variazione di potenziale che è servita per generarla. Esiste una notevole variabilità nella conduttanza di singolo canale osservata per i canali ionici. A esempio, tra i canali K, alcuni, soprattutto i voltaggio-dipendenti, presentano conduttanze di singolo canale molto piccole, nell’ordine di 1 pS, mentre altri, come i canali BK, hanno invece conduttanze ben 200 volte superiori.
Influenza del gradiente di concentrazione
Un altro importante parametro che influenza il flusso attraverso il canale, quindi la sua conduttanza unitaria, è il gradiente di concentrazione ai lati della membrana plasmatica. Come mostrato nel pannello A, se la concentrazione di ione permeante sul lato extracellulare viene ridotta ad un terzo, allora la corrente di singolo canale a un determinato potenziale cambia. In generale si osserva che il flusso, f, ionico attraverso un canale dipende sia dal gradiente elettrico che dal gradiente chimico imposto ai lati della membrana.Il pannello in basso mostra inoltre che le concentrazioni ioniche controllano anche il potenziale al quale la corrente di singolo canale si annulla, potenziale al quale viene dato il nome di potenziale di inversione VIN.
Domande da interrogazione
- Qual è il metodo per misurare la permeabilità di un canale ionico?
- Qual è l'ordine di grandezza della corrente di singolo canale in condizioni fisiologiche?
- Come varia la corrente attraverso un canale ionico in relazione al potenziale applicato?
- Cosa determina la conduttanza di singolo canale di un canale ionico?
- Qual è l'influenza del gradiente di concentrazione sul flusso ionico attraverso un canale?
La permeabilità di un canale ionico si misura registrando la corrente attraverso il canale in presenza dello ione considerato ai due lati della membrana e applicando diversi potenziali di membrana.
In condizioni fisiologiche, la corrente di singolo canale è solitamente di qualche pA, corrispondente a un flusso di circa 10^(-16) mol/s, che equivale a milioni di ioni trasportati al secondo.
La corrente che passa attraverso il canale varia al variare della differenza di potenziale applicato, e la relazione corrente-voltaggio (I-V) può apparire lineare, anche se i canali raramente seguono perfettamente la legge di Ohm.
La conduttanza di singolo canale è definita come la pendenza della relazione I-V, ovvero il rapporto tra la variazione di corrente e la corrispondente variazione di potenziale, e presenta una notevole variabilità tra diversi tipi di canali.
Il flusso ionico attraverso un canale dipende sia dal gradiente elettrico che dal gradiente chimico ai lati della membrana, e varia anche in base alle concentrazioni ioniche, che influenzano il potenziale di inversione VIN.
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