Appunti di fisiologia Generale I completi

A B

Il termine RT ln([X ] / [X ] ) indica la tendenza dello ione a muoversi da A a B a causa del graziente di

+ +

A B

concentrazione, esprime la differenza di energia potenziale che si stabilisce tra una mole di ioni X nel

compartimento A e una mole di ioni X nel compartimento B in funzione della differenza di concentrazione. Il

termine zF(E - E ) rappresenta la tendenza dello ione a muoversi da A a B a causa del gradiente elettrico,

A B

esprime la differenza di energia potenziale che si stabilisce tra una mole di ioni X nel compartimento A e una

mole di ioni X nel compartimento B in funzione della differenza di potenziale elettrico. Pertanto, Δμ

X

(differenza di potenziale elettrochimico) descrive la differenza di energia potenziale tra una mole di ioni X in A

e una mole di ioni X in B, risultante dalla differenza di concentrazione e di potenziale elettrico. Gli ioni X si

muoveranno spontaneamente dal compartimento con potenziale elettrochimco più alto al compartimento con

potenziale elettrochimico più basso. Quando gli ioni fluiscono da A a B viene dissipata energia.

Quando la forza generata dal gradiente di concentrazione e la forza generata dalla differenza di potenziale

→

elettrico sono uguali ed opposte, allora Δμ = 0 non viene esercitata alcuna forza netta sullo ione. Di

conseguenza non vi sarà alcun movimento netto dello ione e si dirà che lo ione si trova in uno stato di

equilibrio elettrochimico attraverso la membrana.

RT ln([X ] / [X ] ) + zF(E - E ) = 0

+ +

A B A B

Equazione di Goldman-Hodgkin-Katz

Risolvendo per E - E si trova l’equazione di Nerst (valida solo nel caso di ioni che si trovino nello stato di

A B

equilibrio): L’equazione di GOLDMAN-HODGKIN-KATZ permette di

E - E = RT/zF ln([X ] / [X ] )

+ +

A B A B

calcolare Vm (potenziale di membrana a riposo) per una

cellula permeabile a tre specie ioniche: Na , K , Cl , ciascuna

+ + -

Potenziale di membrana

con un suo coefficiente di permeabilità Px.

L’equazione di Goldman-Hodgkin-Kats (GHK) definisce in termini quantitativi il contributo dei diversi ioni

diffusibili al Vm (potenziale di membrana). -

+ +

P [K ] + P [Na ] + P [Cl ]

RT e e i

K Na Cl

= ln

V

m -

+ +

F P [K ] + P [Na ] + P [Cl ]

i i e

K Na Cl

Un esempio di applicazione dell’equazione di GHK:

Dove P è la permeabilità della membrana per lo ione. Il valore di Vm è più vicino al potenziale dello ione

diffusibile per il quale la membrana ha maggiore permeabilità.

= =

P 0 P / P 0.01

Cl Na K

Esiste un equilibrio elettrico, per il quale il numero di cariche positive entranti è uguale al numero di cariche

+ +

1

[

K

]

+

0

.

0

1

[

N

a

]

positive uscenti, ma non esiste un equilibrio chimico. Vi sono infatti flussi netti uscenti di ioni potassio (K ) e

+

R

T e e

= l

n

V

m

flussi netti entranti di ioni sodio (Na ) con progressiva dissipazione dei gradienti di concentrazione.

+ + +

F

1

[

K

]

+

0

.

0

1

[

N

a

]

i i

I flussi passivi non sarebbero in grado di mantenere costante il potenziale di membrana, in quanto si

o:

sostituend

andrebbe incontro a progressivo annullamento del potenziale di diffusione.

= 2.5 mM = 120 mM

[ + +

K ] [Na ]

o o

I trasporti attivi primari, come la pompa Na/K, mantengono dei gradienti per entrambi gli ioni creando flussi

= 140 mM = 10 mM

+ +

[K ] [Na ]

opposti ai flussi passivi. La pompa di scambio Na/K mantiene quindi Vm ad un valore costante evitanto la

i i 9

2.5 + 0.01 120

x

= log

58 mV

V = -92 mV

m 140 + 0.01 10

x Fisiologia Generale I

dissipazione dei gradienti di concentrazione degli ioni. Inoltre è elettrogenica, cioè genera attivamente il

5/10% del potenziale di membrana pompando attivamente 2 K dentro e 3 Na fuori.

+ +

Il potenziale di membrana è quindi da considerarsi come un potenziale di diffusione e viene mantenuto dal

trasporto attivo degli ioni Na e K in direzione opposta ai flussi passivi. Il potenziale di membrana (Vm) può

+ +

variare se varia la permeabilità (Pm) per una specie ionica.

Quando un certo numero di ioni diversi si distribuisce ai lati di una membrana, e tutti sono lontani dal loro

equilibrio elettrochimico, ciascuno tenderà a spostare il potenziale di membrana verso il proprio potenziale di

equilibrio (calcolato in base all’equazione di Nerst. Più permeabile è la membrana a un determinato ione,

maggiore è la forza con cui quello ione tende a portare il potenziale di membrana verso il proprio potenziale

di equilibrio. Potenziale di membrana e segnali elettrici

I segnali elettrici (messaggi) causano variazioni transitorie del potenziale di membrana. Come detto

precedentemente, l’equazione GHK definisce in termini quantitativi il contributo dei diversi ioni diffusibili al

potenziale di membrana e quest’ultimo può variare se varia la permeabilità della membrana (Pm) per una

specie ionica. Vi possono essere diversi stimoli capaci di indurre modificazioni di Vm: possono avvenire

grazie a molecole di segnalazione che agiscono su proteine canale di membrana determinando l’apertura

del canale ionico (canali chemo-dipendenti) oppure grazie a forze meccaniche capaci di modificare lo stato

di canali ionici (canali meccano-sensibili).

Per resistenza della membrana si intende l’inverso della conduttanza elettrica (gm = 1/Rm) e dipende dalla

densità e dalla pervietà dei canali ionici.

Per capacità della membrana si intende il potere del doppio strato fosfolipidico di accumolare cariche ai due

versanti della membrana. Potenziale locale

I potenziali locali sono tipici di ogni cellula, hanno ampiezza modesta, sono graduali (variabili in ampiezza e

durata) e si propagano con decremento solo a breve distanza (1/2 mm).

La variazione del potenziale di membrana è un messaggio elettrico ricco di informazioni che describe

caratteristiche di intensità e persistenza dello stimolo o perturbazioni ambientali.

Il potenziale locale è graduale, cioè può variare in ampiezza e durata. L’ampiezza del potenziale locale è

proporzionale all’intensità dello stimolo. Ad esempio, se cambia il numero i canali chemo/meccano-sensibili

che si aprono si ha una minore o maggiore variazione di Pm. Anche la durata del potenziale locale è

variabile: la perturbazione elettrica persiste fino a quando è presente lo stimolo che ha determinato il

cambiamento di permeabilità della membrana (finchè è presente la molecola di segnalazione, lo stimolo

meccanico eccetera).

La variazione del potenziale cresce linearmente con l’aumentare dell’intensità di corrente che fluisce

attraverso i canali (vie di conduttanza), coerentemente con la legge di Ohm (V = I x R). La resistenza nella

PROPRIETA’ ELETTRICHE PASSIVE

membrana (Rm) dipende dalla densità dei canali ionici pervi.

della MEMBRANA

La conduttanza (1/R) della membrana, cioè la densità dei canali pervi,

determina la pendenza della retta.

L’ampiezza della variazione di potenziale si riduce con l’aumentare della

distanza dal punto di applicazione dello stimolo, la perturbazione si

legge di Ohm: V = I*R

propaga quindi con decremento e per questo motivo il potenziale locale

trasmette informazioni su brevi distanze ed è più utile per la comunicazione

intracellulare.

La conduttanza (1/R) della membrana 10

(densità dei canali pervi) determina la

pendenza della retta Fisiologia Generale I

La membrana plasmatica funge da isolante imperfetto mentre il citoplasma da conduttore, per questo parte

della corrente passa attraverso le vie a bassa resistenza (canali) con riduzione progressiva dell’intensità di

corrente (sempre per la legge di Ohm, riducendo l’intensità si riduce anche il potenziale di membrana).

La costante di spazio (λ = 1/2 mm) definisce le proprietà di membrana come conduttore: è la distanza alla

quale la differenza di potenziale di membrana decade al 37% del valore misurato nel punto di iniezione della

corrente.

PROPRIETA’ ELETTRICHE PASSIVE della

Maggiore è il rapporto Rm/Rin minore è la perdita di corrente attraverso la membrana e maggiore è la

MEMBRANA :COSTANTE di SPAZIO

costante di spazio. La membrana è assimilabile ad un conduttore elettrico imperfetto le cui

λ definisce le proprietà

caratteristiche dipendono dai suoi elementi costitutivi: dal doppio strato

della membrana come conduttore

fosfolipidico dipende la capacità, mentre dai canali ionici la resistenza. Le

CELLULE ECCITABILI e SEGNALI ELETTRICI

proprietà passive Rm e Cm determinano la velocità di insorgenza della

∆ Vm

Distanza alla quale decade

variazione del potenziale di membrana e la propagazione del potenziale

37%

al del valore misurato nel

locale per via elettrotonica. Insorgenza, evoluzione e propagazione della

punto di iniezione della corrente

perturbazione elettrica dipendono da queste proprietà elettriche passive

Quando la membrana depolarizza

della membrana.

oltre un certo valore si ha una

Potenziale d’azione

brusca variazione di conduttanza

Il potenziale d’azione è tipico di cellule eccitabili come le cellule nervose e le cellule muscolari.

Anche in questo caso la risposta cresce linearmente con l’intensità dello stimolo, ma solo per basse intensità

di corrente, seguendo la legge di Ohm (V = I x R). Quando la membrana depolarizza oltre ad un certo valore

si ha una brusca variazione di conduttanza. λ = 1 - 2 mm

In questo caso il potenziale dipende dalle proprietà attive delle cellule eccitabili,

ad esempio dai canali ionici voltaggio dipendenti il cui stato di apertura dipende

dal valore del potenziale trans-membranario.

Per soglia si intende il valore di Vm che è necessario raggiungere poichè insorga un potenziale d’azione.

Superata la soglia si ha una rapida inversione del potenziale di membrana (depolarizzazione, fase di salita),

simile nei diversi tipi di potenziale d’azione. La risposta è indipendente dall’intensità e durata dello stimolo (in

termini di ampiezza e durata “tutto o nulla”) e per ogni tipo di cellula eccitabile il potenziale d’azione ha

sempre la stessa ampiezza e durata. Successivamente si ha la fase di ripolarizzazione, nella quale il

potenziale di membrana ritorna più o meno verso il valore di riposo e poi si ha una breve iperpolarizzazione

prima che il potenziale di membrana torni al valore di riposo (po