Fisiologia - Fisiologia delle cellule eccitabili

Il potenziale di membrana a riposo

La membrana è elettricamente polarizzata e questa polarizzazione, che assume valori sempre negativi ma diversi da tipo cellulare a tipo cellulare, riveste un ruolo di particolare interesse nelle cellule eccitabili.

Le cellule eccitabili sono in grado di andare incontro ad una variazione transitoria rapidissima in senso positivo (depolarizzazione) dei valori del Potenziale di Membrana a Riposo negativo, generando il Potenziale d'Azione.

Anche cellule non-eccitabili possono variare più lentamente il valore del loro Vmin in risposta a stimoli chimici, elettrici, meccanici, infiammatori o metabolici.

Il potenziale di membrana a riposo (Vm) può variare tra valori compresi tra -35 e -100 mV. Viene misurato attraverso uno strumento detto voltmetro. Esso si basa su un'apparecchiatura che entra in contatto con l'elemento che vogliamo misurare attraverso un microelettrodo, il quale deve essere introdotto all'interno del citoplasma.

disomogenea di specieioniche ai lati della membrana è il risultato di meccanismi di trasporto.

1. La pompa Na⁺/K⁺ ATPase genera un gradiente diconcentrazione di ioni K⁺ (extra 3/4 mM -intra 140mM) se ci fosse solo il gradiente di concentrazionedato da questa pompa non avremmo il potenzialenegativo, perciò:
2. La membrana cellulare è ricca di canali passivi delK⁺ canali sempre aperti in grado di far passare K⁺,il potassio è molto concentrato dentro la cellulaperciò questi canali lavorano bene

La pompa Na⁺/K⁺ mantiene una concentrazione diversa di sodio e potassio tra l'interno e l'esterno della cellula. Grazie al consumo di 1 ATP per ciclo, la pompa porta 2K⁺ all'interno e 3 Na⁺ fuori.

Tutto ciò genera un movimento elettrogenico, di fatto muove 3 cariche positive verso l'esterno e solo due verso l'interno. Il movimento netto di cariche è -1, tale effetto elettrogenico è molto modesto.

(2-3 mV). Possiamo apprezzare l'effetto della pompa sodio potassio impalando una cellula con un elettrodo accoppiato ad un voltmetro e misurando un potenziale di riposo, es. -70mV. Applichiamo un agente farmacologico, ad esempio l'ouabaina, che blocca all'istante l'attività della pompa. Il blocco elettrogenico pesa solo di 3 mV. Il grosso dell'attività che caratterizza il potenziale di riposo di una cellula è dato dal gradiente che la pompa Na⁺/K⁺: la sua attività continua fa si che all'interno delle cellule vi sia una concentrazione molto alta di K⁺, circa 140 mM, mentre all'esterno la concentrazione è solo 4 mM. Essa crea anche un gradiente del Na⁺: 145 mM nell'ambiente extracellulare, 12 mM in quello intracellulare. È presente una distribuzione disomogenea anche per altre specie ioniche, per esempio Ca²⁺, Mg²⁺. La maggior parte delle cariche negative all'interno della cellula sono

date dagli amminoacidi negativi e dagli ioni bicarbonato.

Il Vm è negativo perché esiste un gradiente di potassio ai capi della membrana e questa è altamente permeabile agli stessi ioni K⁺.

1. Il gradiente di concentrazione di ioni K⁺ genera una corrente uscente di K⁺ che sottrae cariche positive dall'interno della cellula → il potenziale negativo all'interno della cellula
2. Il potenziale che diventa sempre più negativo all'interno della cellula richiama K⁺ dall'esterno verso l'interno → corrente entrante di K⁺.
3. Gradiente chimico (fa muovere K⁺ verso l'esterno) vs gradiente elettrico (che fa tornare K⁺ dentro la cellula)
4. Gradiente chimico (fa muovere K⁺ verso l'esterno) vs gradiente elettrico (che fa tornare K⁺ dentro la cellula) → il sistema trova il suo equilibrio quando la corrente uscente = corrente entrante di K⁺.

Nel 1888 il chimico-fisico tedesco Walter Nerst definì la

Legge che permette di quantificare il potenziale a cui il K⁺ o qualsiasi altra specie ionica raggiunga l'equilibrio. Tale legge si applica a qualsiasi specie ionica distribuita in modo disomogeneo ai capi della membrana e che presenta una permeabilità attraverso la membrana stessa.

Prendiamo in considerazione la membrana di un astrocita, permeabile solo per il potassio: temperatura potassio extracellulare Potenziale che si crea all'interno del potassio della cellula per la perdita di cariche positive (ioni K⁺)

Forma semplificata dell'equazione di Nernst

La condizione W = W si trova ad uno specifico valore del potenziale elettrico della C Emembrana EK -> simbolo che si utilizza per indicare il potenziale di equilibrio del potassio

Basta aumentare la concentrazione di potassio all'esterno per avere un potenziale di equilibrio meno negativo. Un astrocita ha solo le conduttanze passive per il potassio. Nel sistema nervoso centrale ogni qual volta che i neuroni vanno

In intensa attività elettrica una delle problematiche da affrontare è il buffering del potassio. L'aumento del potassio extracellulare potrebbe portare ad una pericolosa positivizzazione del potenziale di riposo dei neuroni. I neuroni potrebbero avere attacchi epilettici a seguito dell'incapacità di controllare i valori di concentrazione del potassio extracellulare.

Potenziale d'azione: rapida depolarizzazione della membrana, breve istante in cui la membrana del neurone assume un'altissima permeabilità allo ione Na⁺. La membrana assume la tendenza (di fatto non lo raggiunge) ad avvicinarsi al potenziale di equilibrio del sodio.

A. Cellula permeante solo per il K⁺ (es. cellula gliale). Il Vm= EK⁺.

B. Se vi sono anche canali passivi per il Na⁺ (es. cellula neuronale) entrano ioni Na⁺ favoriti dal gradiente elettrochimico spingendo il Vm a valori più positivi. Vm=-65 mV.

C. Visto che il Vm si è allontanato dal VeqK⁺,

questo tende ad uscire. L'equilibrio viene raggiunto con il flusso verso l'est. di K⁺ che bilancia quello verso l'interno di Na⁺. Il perdurare di questo fenomeno tenderebbe ad estinguere le differenze di concentrazioni ioniche di K⁺ e Na⁺ annullando la polarizzazione di membrana, se non ci fosse la continua azione della pompa Na⁺/K⁺.

Infatti l'applicazione di ouabaina (bloccante pompa Na/K) porta il Vm dei neuroni a zero in circa 1 ora. 17

Tipicamente tutte le cellule hanno permeabilità passive più complesse - sono passivamente permeabili a diverse specie ioniche, almeno 3.

Lo scenario più tipico è quello che troviamo a livello della membrana dei neuroni: essa è caratterizzata da un'abbondante espressione di canali passivi per il potassio (sono i più abbondanti), troviamo anche numerosi canali passivi per il cloro ed una piccola, ma rilevante, quantità di canali passivi per il sodio.

Queste sono le

Proporzioni di permeabilità passive di queste 3 specie ioniche che caratterizza la membrana neuronale: P : P : P = 1 : 0.03 : 0.45 (K : Na : Cl)

La presenza di una permeabilità per il sodio bassa incide comunque notevolmente sul potenziale di riposo finale perché il sodio tende a spingere il potenziale di membrana della cellula verso il proprio potenziale di equilibrio. Il potenziale di equilibrio del sodio è +58, molto lontano dal potenziale negativo a riposo di una cellula.

Cloro e potassio lavorano di fatto nella stessa direzione, perché il potenziale di equilibrio del potassio con una concentrazione di potassio esterno intorno a -90 è quello del cloro -70/-75. Entrambi lavorano spingendo il potenziale ad un valore decisamente negativo.

Il valore di permeabilità del sodio spinge nella direzione diametralmente opposta, sarà il potenziale di membrana di una cellula con questo rapporto di permeabilità passive un po' più positivo.

(depolarizzato) di una cellula che abbia solo permeabilitàpassiva per cloro e potassio. Per poter calcolare il potenziale di riposo di una cellula che ha tutte questeconduttanze passive per sodio, potassio e cloro dobbiamo utilizzare l’equazione di Goldman-Hodgkin-Katz (detta anche equazione GHK): È un’implementazione dell’equazione di Nernst dove troviamo i parametri dipermeabilità che moltiplicano i valori di concentrazione delle specie ioniche, sia alnumeratore che al denominatore.

IL POTENZIALE D’AZIONE E LA SUA CONDUZIONE

Eccitabilità una cellula è definita eccitabile quando è in grado di generare potenzialid’azione.

Tipiche cellule eccitabili: Neuroni: segnale elettrico che propagandosi lungo la fibra nervosa consente la trasmissione di messaggi elettrici (informazione). 18Fibrocellule muscolari, scheletriche e cardiache: innescano il processo della contrazione muscolare.

Alcune cellule endocrine: innescano