Appunti di Fisiologia generale, Mauro Giorgi

K

E = (0.058 x Log 3.8/120) Volt = -88 mV

Cl

la situazione è molto più complessa Nerst ha fatto una semplificazione aveva parlato di una

membrana che faceva passare un solo ione. Nella realtà le membrane biologiche non fanno

passare un solo ione. Infatti la situazione più vicina alla realtà è il potenziale di diffusione.

Il potenziale di diffusione Due contenitori con qualsiasi concentrazione salina in cui c’è

una membrana di separazione però fa passare sicuramente

meglio uno ione ma fa passare anche l’altro. In questo caso da

tutti e due i lati c’è cloruro di sodio da una parte più

concentrato e dall’altra meno. Nell’esempio A lo ione che

passa meglio è il cloro (freccia grande alta permeabilità) e

tende a dare volume a (2), chimicamente, e rende negativo il

lato (2) rispetto al lato (1). Il cloro tende all’ equilibrio, ma l’equilibrio non si raggiunge mai perché

c’è il sodio che si muove insime a lui molto più lentamente (freccia piccola bassa permeabilità) e

tende a neutralizzare tutte le cariche negative del cloro.

L’equilibrio per un potenziale di diffusione si ha quando non c’è differenza di concentrazione da un

lato e dall’altro né differenza di cariche elettriche. Quindi l’equilibrio per un potenziale di

diffusione è potenziale 0 e concentrazione uguale da tutte e due le parti.

Una cellula ha una differenza di potenziale che dura sempre perché c’è la pompa sodio-potassio

che in continuazione lavora e ristabilisce i gradienti di concentrazione che altrimenti andrebbero

persi con il tempo. Infatti, se la pompa è bloccata sperimentalmente con un inibitore specifico

(ouabaina), si osserva una riduzione del potenziale di membrana.

Questo è quello che accade più o meno nella cellula. Il potassio

si muove e crea differenza elettrica, anche il sodio si muove e

va ad annullare la differenza elettrica del potassio però lui è

più lento e ci mette più tempo. Se gli annulla la differenza

elettrica l’equilibrio del potassio si sposta e ristabilisce una

differenza elettrica. Dopo un po' i gradienti del potassio

finiscono e anche quelli del sodio. Quindi al livello elettrico non c’è niente. Quindi all’inizio c’è

differenza di potenziale poi cala sempre di più fino ad annullarsi.

L’equazione di Goldman

Il contributo di ogni ione al potenziale di membrana non dipende solo dai relativi gradienti

elettrochimici, ma anche dalla permeabilità dela membrana nei loro confronti (è noto che la

permeabilità della membrana K+ è molto più elevata di quella di Na+). Per questo motivo

Goldmman ha proposto un’equazione, che è un’estensione dell’equazione di Nerst, in cui

compaiono i gradienti chimici di Na+, K+ e Cl-, e le relative permeabilità.

Concentrazioni ioniche esterne ed interne rispetto

alla permeabilità di quello specifico ione.

Quindi il potenziale di membrana è determinato prevalentemente dalla diffusione del K+

attraverso i canali passivi della membrana in base al relativo gradiente elettrochimico.

Cosa succede al potenziale della membrana se io cambio la concentrazione di potassio

extracellulare ? L’equazione di Nerst si semplifica molto perché la concentrazione intracellulare è

costante (è 140 rimane fissa) e cambia solo quella extracellulare. Quindi la variabile diventa la

concentrazione di K. V = 0.058 log K+/140 .

Al variare della concentrazione extracellulare come

cambia la differenza di potenziale ? L’equazione di

Nerst ci dà questa retta, i pallini sono i punti

sperimentali (che succede se faccio l’esperimento).

A certe concentrazioni extracelullari, i punti

sperimentali, nella retta, sono perfettamente

coincidenti (ed è per questo che nel passato si

pensava che l’equazione fosse all’equilibrio). Poi si è

visto che la concentrazione extracellulare è a 2.5

molare. Si è visto che i punti inferiori a 2.5 non

seguono più la retta di Nerst. Possiamo dire che

Nerst non descrive bene il fenomeno. Un sistema

che descrive meglio il fenomeno è dato dall’altra

curva che è perfettamente coincidente con la retta, infatti e sovrapposta. È un equazione più

complessa ma funziona meglio con i punti sperimentali. Questa curva è l’equazione di Goldman.

Dove sono presentati tutti e tre gli ioni principali e non solo uno come nel caso di Nerst.

Secondo voi ad una condizione normale di tutte le cellule qual è la permeabilità alla membrana più

alta ? è il potassio cioè esce più di quanto entrino gli altri e condiziona il fatto che l’esterno è

positivo e l’interno è negativo. (Tensione a riposo). Il potenziale è rappresentato

sugli assi cartesiani. In questo caso vedremo come

cambia il potenziale nel tempo. Il potenziale a

riposo, quello descritto da Goldman, è negativo.

In questo caso ci troviamo a -70 (neuroni, muscoli

a -90). Nel tempo questa retta rimane costante,

può cambiare se si modifica il sistema. Se si

introducono cariche positive queste vanno a

neutralizzare le cariche negative interne e quindi

si depolarizza (abbassamento dl potenziale). Invece si Ripolarizza il sistema quando aumento le

cariche negative che sono all’interno.

Forza elettromotrice (“voglia di uno ione di muoversi”)

Il potenziale di membrana ha un certo valore, ma quanto dista questo valore da quello che è il

potenziale all’equilibrio ? Bisogna fare la differenza. Noi possiamo calcolare la forza elettromotrice

per ogni ione ed è data dalla differenza del potenziale di membrana misurato meno il potenziale

all’equilibrio di quello ione. Esempio : (-90 potenziale di membrna del muscolo di rana)

f.e.m.Na = Vm – ENa = – 90 mV – 63 mV = – 153 mV .

f.e.m K = Vm – EK = – 90 mV – (– 102 mV) = +12 mV .

f.e.m Cl = Vm – ECl = – 90 mV – (– 88 mV) = – 2 mV .

Quindi la forza elettromotrice è la differenza tra l’equazione di goldman e l’equazione di Nerst. Il

sodio, in questo caso, ha un potenziale chimico-elettrico, chimico ed elettrico entrante quindi i due

potenzali si sommano e danno un numero grande negativo, direzione interna quindi non è in

equilibrio. Il potassio chimicamente è in uscita elettricamente tende a rimanere dov’è perché il

potenziale elttrico è in direzione opposta. la forza elettromotrice del potassio è piccola quindi è

quasi all’equilibrio ma con possibile uscita. Il cloro rimane in equilibrio.

Lezione 6

Tutte le cellule degli organismi si dividono, da un punto di vista elettrico, in due diversi tipi di

cellule. Cellule eccitabili e cellule non eccitabili . Nelle cellule non eccitabili (es. Globulo rosso) la

risposta è direttamente proporzionale allo stimolo e cessa a cessare dello stimolo e hanno un

potenziale di riposo. Le cellule eccitabili sono tutte le cellule nervose e tutte le cellule muscolari.

Sono cellule che hanno un potenziale a riposo ma, a differenza delle cellule non eccitabili, in più

hanno la possibilità di una variazione del potenziale, che dura pochi millisecondi, e che si chiama

potenziale d’azione. Il potenziale d’azione ce l‘hanno solo le cellule eccitabili. Come facciamo a

capire se una cellula è eccitabile ? Eccitandola .

La parte azzurrina è una soluzione acquosa

tamponata, magari anche ossigenata, chiamata

“ringher”. È isosmotica, isotonica ed è praticamente

un liquido extracellulare. Si possono introdurre

all’interno della cellula dei microelettrodi molto sottili

e quindi introdurre corrente positiva o negativa. Sulla

destra c’è l’apparecchio che registra quello che

succede, a livello elettrico, nella cellula. Facendo

sperimenti di questo tipo, nelle cellule eccitabili, si registra attraverso lo strumento il potenziale

d’azione. In basso a sinistra ci sono gli stimoli che vengono dati per

modificare il potenziale di membrana. Quindi si da una

piccola corrente d1 di bassa intensità però non si ottiene

granchè come risposta cellulare perché avremo una struttura

simile ad una pinna di squalo perché i sistemi elettrici passivi

della cellula fanno in modo che la piccola corrente si

modifichi un pochino. Poi provo a stimolare con intensità

maggiore d2 (stessa durata ma di intensità maggiore), ma

anche con d2 non succede niente (risposta passiva). Con d3

inizia una risposta passiva però poi il potenziale ha una

variazione gigantesca va addirittura a 0 e poi passa lo 0,

diventa positivo e si ha inversione di polarità della membrana

in quel punto della membrana. Si arriva ad un massimo, si ha

uno “Spike”, e poi il sistema ritorna alle condizioni iniziali non prima di essere passato in un

potenziale postumo per iperpolarizzazione e poi lentamente si ritorna alla posizione originale

(potenziale di riposo). Questo sistema si può osservare con l’oscilloscopio. I tempi sono molto

brevi si parla di millisecondi (ms). Il potenziale d’azione non si innesca fino a che non si supera la

soglia (sistema a soglia). Questo è uno dei pochi sistemi biologivi a feedback positivo cioè è un

sistema esplosivo che una volta innescato dà il picco e poi si blocca. Dopo un potenziale d’azione il

sistema rimane refrattario non funziona più, devo aspettare qualche millisecondo perché il

sistema rifunzioni. Esempio : Nel dettaglio abbiamo due tipi di

refrattarietà. Refrattarietà assoluta e quella

relativa. La refrattarietà assoluta non innesca,

in qualsiasi caso, potenziali d’azione ed è data

dal fatto che il canale del sodio, quando è

aperto, si inattiva. Dopo un certo tempo si

innesca quella relativa cioè il sistema

comincia a essere stimolabile però nella

relativa bisogna dare uno stimolo un po' più

intenso perché il potenziale d’azione avvenga.

Nel grafico praticamente la cellula all’interno

ha cambiato di polarità cioè ha superato di

+25 l’esterno, poi successivamente ritorna

alle condizioni iniziali.

Il calamaro ha un assone gigante e presenta un

sistema nervoso semplice. Ha un sistema nervoso teso

alla fuga. Quindi è molto importante che il calamero

riesca a controllare molto bene i muscoli del sifone per

permettere la fuga. Infatti il sistema di comunicazione

tra il sistema nervoso e i muscoli del sifone è

velocissimo e per renderlo velocissimo. Il

prolun