Lezione 10 Fisiologia generale

Potassio: (125 + 7.8) mM = 132.8 mM / 1.06 = 125.3 mM (praticamente non cambia da prima!)

Cloro: (2.4 + 7.8) mM = 10.2 mM / 1.06 = 9.6 mM

L’aumento del 6% del volume riesce a neutralizzare completamente l’aumento di potassio intracellulare,

cosa che non è in grado di fare per il cloruro.

+ -

Il passaggio di 7.8 mM di K /Cl fa aumentare la concentrazione intracellulare di potassio del 6% e, se il

volume aumenta del 6%, l’aumento di concentrazione è perfettamente neutralizzato.

Per quanto riguarda il cloruro, che all’interno della cellula ha una concentrazione bassa, fa aumentare la sua

concentrazione di più del 300%, incremento che l’aumento di volume non riesce a neutralizzare.

È la diversa concentrazione intracellulare dei due ioni che fa sì che lo stesso flusso ionico in ingresso sia

+ -

significativo per il cloruro (ione meno concentrato) e insignificante per il potassio: il passaggio di K /Cl ha

determinato un aumento della concentrazione intracellulare del cloruro ma non del potassio.

Ecco spiegato perché il potenziale di equilibrio del cloruro sia diventato uguale al potenziale di equilibrio del

potassio, e quindi pari a -62 mV.

Come si può calcolare la variazione di volume in una situazione di questo tipo?

Prima di tutto, devo calcolare la nuova concentrazione di cloro una volta che si è raggiuto la nuova

condizione di equilibrio, sempre assumendo che esista un equilibrio di Donnan.

Il potenziale di membrana alla fine del processo, in seguito alla perturbazione, è uguale al potenziale di

equilibrio del potassio. Il nuovo potenziale di membrana è di -62 mV, ed è lo stesso potenziale che io calcolo

istantaneamente quando cambio la concentrazione extracellulare del potassio da 2.5 mM a 10 mM.

Assumendo l’equilibrio di Donnan, posso calcolare la concentrazione intracellulare di cloruro, data dal

rapporto tra concentrazione del potassio extracellulare e la concentrazione del potassio interno, il tutto

moltiplicato per la concentrazione extracellulare del cloro. È riassunto così:

Il potassio e il cloro devono attraversare la membrana necessariamente insieme per il principio

dell’elettroneutralità, e per non avere quindi una separazione significativa di cariche ai due lati della

membrana. Il numero di moli, la variazione di concentrazione millimolare del cloro e del potassio, sono le

stesse all’interno della cellula: la differenza è solo apparente, ed è dovuta all’ingresso di acqua, che

neutralizza l’aumento della concentrazione intracellulare del potassio, ma non quella del cloro.

Ciò significa che i 9.6 mM finali del cloruro derivano dal fatto che, ai 2.4 mM iniziali, si sono aggiunti x

mM che, però, si trova in un volume che non è più quello iniziale (e pari a 1) ma che è aumentato

relativamente di una certa quantità. Lo stesso vale per il potassio.

x = mM/l di soluto che attraversano la membrana

y = volume cellulare relativo al volume iniziale

Faccio un sistema di due equazioni a due incognite e lo risolvo, ottenendo quanto segue:

1.06 rappresenta il volume cellulare alla fine del processo: risulta essere il 6% più grande rispetto al volume

iniziale. + -

7.8 mM rappresenta la concentrazione di ioni K /Cl che entrano all’interno della cellula quando la

concentrazione intracellulare di potassio è aumentata da 2.5 mM a 10 mM,

Questi calcoli ci permettono di dire che, a livello della membrana di una cellula nervosa muscolare, esiste un

equilibrio di Donnan. Più precisamente, ci permettono di interpretare le variazioni che si osservano a cavallo

della membrana di una cellula muscolare in equilibrio di Donnan.

In prima approssimazione, quindi, ci fanno pensare che il potenziale di membrana possa essere spiegato con

l’esistenza di un equilibrio di Donnan.

Si tenga presente che queste concentrazioni intracellulari di potassio e di cloro non sono state misurate ma

sono state assunte per poter giustificare un eventuale equilibrio di Donnan a livello della membrana.

I risultati che vediamo sono compatibili con l’esistenza di un equilibrio di Donnan e ci dicono che il

potenziale di equilibrio del cloruro, e quindi gli ioni cloro, si ridistribuiscono ai due lati della membrana

seguendo la distribuzione degli equilibri del potassio (il potenziale di equilibrio del cloro si adegua al

potenziale di equilibrio del potassio!).

Questa non è una proprietà particolare del potassio e del cloro, ma è una conseguenza del fatto che la

concentrazione degli ioni potassio all’interno della cellula è molto più grande della concentrazione degli ioni

cloruro.

Riassumendo: il potenziale di membrana dipende dalla distribuzione degli ioni potassio e, quindi, dal

potenziale di equilibrio del potassio, mentre gli ioni cloruro si ridistribuiscono adeguandosi alla distribuzione

degli ioni potassio (e quindi al suo potenziale di equilibrio) fino a quando i due potenziali di equilibrio non

risulteranno essere uguali.

Questa conclusione risulta confermata dall’osservazione di cosa

accade quando la concentrazione extracellulare di cloruro viene

cambiata, mentre quella di potassio viene mantenuta inalterata.

In questo secondo esperimento, avremo quindi:

• la temperatura viene mantenuta a 15°C;

• la concentrazione extracellulare di potassio viene

mantenuta costante;

• la concentrazione extracellulare di cloruro passa da 120

mM a 30 mM per un certo tempo.

Si registrano le variazioni del potenziale durante il processo.

All’inizio, il potenziale di membrana è -97 mV e passa a -75 mV

quando il la concentrazione del cloro passa da 120 mM a 30 mM.

Mantenendo la concentrazione a 30 mM, si osserva che si

ristabilisce una condizione di equilibrio quando il potenziale di membrana è ritornato, lentamente (in qualche

decina di minuti), al valore del potenziale iniziale di controllo, ossia -97 mV.

In definitiva, l’effetto del cambiamento del cloruro sul potenziale di membrana è risultato solo un

cambiamento transitorio: il potenziale di membrana si è ristabilito al valore iniziale di -97 mV.

Come si può giustificare questa variazione?

Viene effettuata la stessa analisi che abbiamo giusto

osservato.

Inizialmente e alla temperatura di 15°C, abbiamo un

potenziale di membrana pari a -97 mV, giustificato

dalla stessa distribuzione di concentrazioni ioniche

che abbiamo visto nel caso precedente. All’interno

della cellula abbiamo 125 mM di potassio e 2.4 mM

di cloruro. Se applichiamo l’equazione di Nernst con

la temperatura a 15°C, troveremo che il potenziale di

equilibrio del potassio e il potenziale di equilibrio

del cloro risulterà essere -97 mV.

Subito dopo il cambiamento della concentrazione del cloruro extracellulare, il potenziale di membrana passa

a -75 mV: questo ci indica che la membrana è permeabile a entrambi gli ioni in quanto, se osserviamo il

potenziale di equilibrio dei due ioni, noto che quello del potassio non è cambiato (è sempre pari a -97 mV)

mentre quello del cloro risulta ora essere pari a -63 mV.

Ciò significa che, a cavallo della membrana, ci dovrebbe essere una differenza di potenziale di -63 mV per

impedire un flusso netto di ioni cloro attraverso essa: -63 mV è il potenziale che garantisce che questa

distribuzione di ioni ai lati della membrana sia una distribuzione di equilibrio.

In realtà, il potenziale di membrana è di -75 mV: né il cloruro né il potassio sono distribuiti all’equilibrio, in

quanto questo valore non corrisponde con il valore dei singoli potenziali di equilibrio dei due ioni.

Cosa significa avere per il cloro un potenziale di equilibrio di -63 mV, quando invece il potenziale di

membrana è -75 mV?

Significa che, all’interno della cellula, c’è una negatività in eccesso rispetto a quella necessaria per

mantenere questa distribuzione. Questa negatività in eccesso esercita su uno ione negativo un effetto di

repulsione elettrostatica: lo ione cloro esce dalla cellula, attraversando quindi la membrana in uscita, anche

se la concentrazione extracellulare risulta essere maggiore di quella intracellulare in quanto abbiamo un

potenziale interno più negativo di quello che ci dovrebbe essere.

Il valore intermedio del potenziale di membrana di -75 mV ci indica, inoltre, che la membrana è permeabile

ad entrambi gli ioni: il potassio può uscire seguendo il cloruro, o per insufficiente negatività del potenziale

di membrana.

Infatti, la concentrazione intracellulare (125 mM) ed extracellulare (2.5 mM) di potassio può essere

mantenuta quando il potenziale di membrana è -97 mV: la negatività interna è sufficientemente grande da

trattenere il potassio all’interno della cellula, impedendone la sua uscita. Tuttavia, poiché in questo caso il

potenziale di membrana è di -75 mV, questa attrazione elettrostatica del potassio all’interno della cellula

viene a mancare e il potassio può uscire e seguire il cloruro nel suo movimento.

+ -

La fuoriuscita di K /Cl è accompagnata dal flusso osmotico di acqua (dall’uscita di acqua) e dalla

diminuzione conseguente del volume intracellulare, pari al 1.5%. Riducendosi del 1.5%, diventa il 98.5% di

quello iniziale, e questa riduzione permette la neutralizzazione della fuoriuscita del potassio: esce la stessa

+ -

quantità di K /Cl , che calcoleremo poi essere pari a -1.81 mM.

Questi -1.81 mM, che ridurrebbero la concentrazione intracellulare di potassio a 123.19 mM, non lo fanno in

realtà perché sono accompagnati da una fuoriuscita di acqua che ridurrebbe il volume al 98.5% di quello

iniziale. La concentrazione finale di potassio, dopo che si è ristabilita l’equilibrio in seguito alla fuoriuscita

di acqua, è esattamente la stessa di quella iniziale.

Per quanto riguarda il cloruro, invece, la fuoriuscita di 1.81 mM di cloro rappresenta circa il 75% della

quantità di cloro che si trova all’interno della cellula: la fuoriuscita di acqua, che riduce il volume soltanto

del 1.5%, non può neutralizzare una riduzione di concentrazione del 75%. La concentrazione di cloro

all’interno della cellula diminuisce, e il valore che assume è quello necessario a far sì che i due potenziali di

equilibrio dei singoli ioni risultino essere uguali tra loro e al potenziale di membrana, pari adesso -97 mV.

Si ristabilisce un equilibrio di Donnan: è l’ipotesi di partenza che queste modifiche siano dovute

all’alterazione di un equilibrio di Donnan che, però, viene ristabilito.

Apparentemente, è soltanto il cloro a cambiare la propria concentrazione intracellulare, mentre il potassio no;

ma questo è dovuto esclusivamente al fatto che, essendo la concentrazione di potassio più elevata all’interno

+ -

della cell