Potenziale di membrana e potenziale d'azione di trasporto

Potenziale di membrana

Tutte le cellule del nostro organismo presentano a livello della loro membrana plasmatica una differenza di potenziale elettrico che è chiamata potenziale di membrana.

Composizione ionica e funzionamento della membrana

Normalmente all’esterno della cellula è presente un’alta concentrazione di Na⁺, Cl^- e Ca²⁺, mentre K⁺ prevale all'interno della cellula. Dato che gli ioni presentano una propria carica elettrica (positiva o negativa), ogni compartimento deve presentare una certa elettroneutralità, ossia un'uguale concentrazione di ioni carichi negativamente o positivamente. In caso contrario, si genererebbe un potenziale di membrana, che è in grado di influenzare:

• Funzionamento delle strutture proteiche di membrana
• Movimento degli ioni attraverso la membrana

Il potenziale di membrana è quindi una differenza di potenziale elettrico misurata tra il versante interno e quello esterno della membrana plasmatica. Normalmente, questo potenziale si aggira attorno a -70 mV.

Cellule eccitabili e potenziale d'azione

Questo potenziale non è sempre costante e in alcune cellule, come quelle muscolari e nervose (note come cellule eccitabili), può aumentare rapidamente per poi riabbassarsi. Tale fenomeno permette a queste cellule di contrarsi oppure di comunicare mediante la propagazione degli impulsi. Questi fenomeni di eccitabilità coinvolgono anche le cellule beta del pancreas e le cellule cromaffini della midollare del surrene, che impiegano questi impulsi per regolare, rispettivamente, la secrezione dell’insulina e il rilascio di adrenalina e noradrenalina. La variazione di breve durata della differenza di potenziale della membrana è chiamata potenziale d’azione.

Misura del potenziale di membrana

Per poter misurare il potenziale di membrana occorre un’apparecchiatura costituita da:

• Micro-elettrodi
• Un amplificatore del segnale (perché le variazioni sono solo di pochi millivolt)
• Voltmetro
• Uno strumento per visualizzare i potenziali

Una cellula viene posta in una soluzione fisiologica. Un elettrodo di registrazione è posto dentro la cellula, mentre l’elettrodo di riferimento viene posto nella soluzione fisiologica e gli viene dato un valore di 0 mV. Il voltmetro misura la differenza di carica elettrica tra l’interno della cellula e la soluzione che la circonda: questo valore è la differenza di potenziale di membrana o V_m.

Misurazione su cellule a riposo

Una cellula a riposo (neurone, fibrocellula, miocita cardiaco, cellula beta-pancreatica, cellula cromaffine) viene immersa in una soluzione fisiologica. L’elettrodo di riferimento esterno è immerso nella soluzione assieme al microelettrodo. Inizialmente, tra i due elettrodi non esiste alcuna differenza di potenziale in quanto gli ioni positivi e negativi sono distribuiti uniformemente in tutti i punti della soluzione esterna (V_m = 0 mV). Quando, però, il microelettrodo viene mosso in direzione della cellula e penetra leggermente attraverso la membrana, venendo in contatto con la soluzione intracellulare, lo strumento segna bruscamente una variazione negativa verso il basso di V_m (V_m < 0 mV), indicando un valore potenziale negativo. Ripetendo la misura su più cellule si nota che i valori di V_m variano tra i -40 mV e i -90 mV a seconda del tipo di cellula. Inoltre, il valore del potenziale è stabile e non cambia significativamente se l’elettrodo penetra più profondamente all’interno della cellula, indicando che il potenziale cellulare è un fenomeno di superficie che coinvolge solo la membrana plasmatica e non gli altri componenti cellulari.

• Esiste una differenza di potenziale stabile tra l’interno e l’esterno della cellula a riposo
• Il potenziale di una cellula a riposo è sempre negativo
• I valori del potenziale di membrana variano tra -40 e -90mV
• Il potenziale a riposo rappresenta una fonte di energia fondamentale per la generazione dei segnali elettrici transmembrana

Come si genera il potenziale di membrana?

Il potenziale di membrana si origina come conseguenza:

• Dell’esistenza di un disequilibrio ionico tra ambiente intra ed extracellulare (c’è una diversa distribuzione degli ioni ai due lati della membrana).
• Della maggiore permeabilità della membrana per alcuni ioni rispetto ad altri. Quindi la distribuzione diseguale di ioni cruciali tra il versante interno ed esterno della membrana e il loro movimento selettivo attraverso di esse sono responsabili delle proprietà elettriche della membrana.

Normalmente, a riposo:

• Il versante interno è negativo
• Il versante esterno è positivo
• Il potenziale di membrana a riposo rappresenta una forma di energia potenziale.

Gli ioni coinvolti nella generazione del potenziale di membrana sono:

• C’è una maggiore concentrazione di ione cloro Cl^- all’esterno della membrana che compensa le cariche negative degli ioni proteici P presenti nel versante interno.
• Le principali cariche positive sono invece sodio Na⁺ e ioni potassio K⁺.

La pompa responsabile della creazione del gradiente minimo prende il nome di: pompa Na⁺ | K⁺ ATPasi. La sua continua azione porta nella cellula 2K⁺ ogni 3Na⁺ pompati fuori. Ogni 2 cariche positive che il versante interno acquisisce vengono espulse 3 cariche positive. Questo ha l’effetto di polarizzare la membrana negativamente: ad ogni azione della pompa il versante interno perde una carica positiva.

Gradiente chimico e potenziale di equilibrio

Per la differenza di gradiente chimico, gli ioni Na⁺ tendono ad entrare all’interno della cellula, mentre gli ioni K⁺ hanno una tendenza ad uscire, creando un accumulo di cariche positive nell’ambiente extracellulare. In parallelo, diminuisce la carica positiva all’interno della cellula, rendendo l’ambiente extracellulare più negativo. Si genera, in questo modo, una differenza di potenziale, avendo un ambiente intracellulare più negativo rispetto a quello extracellulare, e raggiunge l’equilibrio quando il suo valore è sufficientemente elevato da annullare ogni movimento netto di K⁺ da un lato e dall’altro della cellula. In queste condizioni si dice che lo ione K⁺ ha raggiunto il suo equilibrio elettrochimico e la differenza di potenziale che si genera è chiamato potenziale di equilibrio del K⁺. Se il potenziale di membrana non è uguale al potenziale di equilibrio si genera una forza elettromotrice (f.e.m) uguale alla differenza tra il potenziale di membrana ed il potenziale equilibrio di K⁺. f.e.m = V_m − E_K.

Si ricorda che la membrana cellulare è per definizione impermeabile al sodio e al potassio, ma oltre ai meccanismi di trasporto attivo, una piccola quantità di Na⁺ e K⁺ può attraversare passivamente la membrana attraverso specifici canali proteici. Generalmente è molto più facile per Na⁺ che per K⁺ perché esistono molti più canali aperti per il traffico passivo di K⁺ che per Na⁺ (al potenziale di riposo la membrana è più permeabile a K⁺ che Na⁺).

Ovviamente non esce tutto il potassio che rimane comunque più concentrato all’interno della cellula. Il potenziale di membrana a riposo rappresenta una forma di energia potenziale fondamentale per la generazione di segnali elettrici transmembranali.

Potenziale di equilibrio di uno ione

Il potenziale di equilibrio si genera quando la membrana è impermeabile ad almeno una delle specie ioniche presenti e permeabile ad almeno un’altra che sia in concentrazione ineguale ai due lati della membrana. Questo tipo di potenziale richiede che gli ioni presenti nelle soluzioni ai due lati della membrana si trovano all’equilibrio elettrochimico tra i due ambienti. Il potenziale di equilibrio di uno ione è la differenza di potenziale elettrico necessaria a mantenere in equilibrio concentrazioni differenti della specie ionica considerata (il gradiente elettrico controbilancia il gradiente chimico).

Per ogni ione è possibile misurare con precisione il valore di potenziale al quale lo ione si troverà in equilibrio tra i due ambienti. Il flusso netto attraverso la membrana è quindi nullo.

L’equazione di Nernst permette di calcolare il potenziale di equilibrio di uno ione a partire dalle concentrazioni. Si applica singolarmente a ciascuna specie ionica. Per uno ione α:

E = (RT/ZF) ln(X₁/X₂)

• R = costante dei gas
• T = temperatura assoluta di Kelvin
• Z = valenza dello ione
• F = costante di Faraday (vale 25,2 mV a T=20 °C)
• C₁ e C₂ = concentrazioni

Potenziali di equilibrio degli ioni

• E_Na = 58 mV log([Na⁺]_e / [Na⁺]_i)
• E_K = 58 mV log([K⁺]_e / [K⁺]_i)
• E_Ca = 29 mV log([Ca²⁺]_e / [Ca²⁺]_i)
• E_Cl = -58 mV log([Cl^-]_i / [Cl^-]_e)

Nell’equazione di Nernst semplificata permette di calcolare il potenziale di equilibrio di una sola specie ionica se si conosce esattamente la concentrazione dello ione nei due compartimenti. In una cellula permeabile ad un solo ione, il potenziale di membrana coincide con il potenziale di equilibrio dello ione.

V_m = E_x

Sistemi multiionici

In sistemi multiionici il potenziale di membrana viene definito un potenziale di diffusione. Differentemente dal potenziale di equilibrio che dipende solo dalle concentrazioni degli ioni, il potenziale di membrana tiene conto anche della diversa permeabilità che essa ha nei confronti degli ioni che la attraversano. Pertanto, l’equazione che permette di determinare il potenziale di membrana in condizioni di riposo è l’equazione di Goldman: oltre a tenere conto dei valori delle concentrazioni ioniche degli ioni principali che attraversano la membrana tiene conto anche dei rispettivi coefficienti di permeabilità ρ.

V_m = (RT/F) ln [(P_K[K⁺]_e + P_Na[Na⁺]_e + P_Cl[Cl^-]_i) / (P_K[K⁺]_i + P_Na[Na⁺]_i + P_Cl[Cl^-]_e)]

L’equazione di Goldman pone in evidenza un aspetto molto importante per la generazione di segnali elettrici: grazie all’esistenza di potenziali di equilibrio molto diversi fra loro, è possibile raggiungere potenziali di riposo molto diversi, se la membrana è molto permeabile K⁺ e poco al Na⁺ passa ad uno stato in cui è poco permeabile al K⁺ e molto al Na⁺, generando potenziali di membrana che cambiano nel tempo. Per far sì che si verifichino queste condizioni, devono esserci due caratteristiche:

• L’esistenza di gradienti stabili di concentrazione per i vari ioni, mantenuti dal lavoro continuo delle pompe ioniche.
• La possibilità di aprire e chiudere canali ionici nel tempo e quindi di cambiare la permeabilità.

Il potenziale di membrana V_m assumerà un valore intermedio tra i potenziali di equilibrio dei diversi ioni e sarà più vicino a quello dello ione con coefficiente ρ più elevato e più lontano da quello dello ione con coefficiente ρ più basso.

Proprietà elettriche passive della membrana

La membrana plasmatica può essere paragonata ad un condensatore ed è possibile descrivere il comportamento elettrico di una cellula rappresentandola come un circuito elettrico. Immaginando la cellula in una soluzione fisiologica nella quale sono posizionati due elettrodi di vetro: uno di corrente per stimolare (a sinistra) e uno di potenziale per registrare l’attività (a destra). Se attraverso l’elettrodo di sinistra si fanno passare brevi impulsi di corrente (I) crescenti e di bassa intensità, prima in un senso e poi nell’altro, si osserva che la cellula risponde con segnali prima iperpolarizzanti e poi depolarizzanti. Si dice che la cellula risponde allo stimolo linearmente (passivamente).

Le modalità con cui si generano le variazioni del potenziale di membrana in risposta ai flussi di corrente dipendono dalle proprietà elettriche della membrana.

Capacità elettrica

Il doppio strato fosfolipidico delle membrane, impermeabili agli ioni, agendo come un isolante che separa due strati di ioni carichi, conferisce alla membrana una capacità elettrica (C_m).

Capacità elettrica (C_m): capacità del doppio strato fosfolipidico di generare una differenza di potenziale ai capi della membrana in conseguenza all’accumulo di cariche.

= ε · ε₀/d

• ε₀ = costante di elettrica nel vuoto
• ε = costante di elettrica dei capi
• d = spessore del doppio strato fosfolipidico

Resistenza

Altra proprietà elettrica passiva della membrana è la resistenza (R_m).

Resistenza (R_m): resistenza specifica di membrana e dipende dal numero di canali ionici passivi (aperti a riposo) per unità di superficie. Rappresenta l’ostacolo al trasporto degli ioni attraverso la membrana ed è la misura dell’impermeabilità della membrana agli ioni. La resistenza è l’inverso della conduttanza (o permeabilità): è la misura della permeabilità agli ioni.

R_m = 1/g_m

Maggiore è il numero di canali ionici, maggiore è la conduttanza e minore è la resistenza di membrana. Le variazioni del potenziale di membrana V_m determinate dall’iniezione di correnti seguono la legge di Ohm.

ΔV = I · R_m

• ΔV = corrente attraverso la membrana
• R_m = resistenza
• I = variazione di voltaggio

Lo stimolo di corrente I_m cambia rapidamente da zero al suo valore massimo, mentre la risposta della cellula V_m è molto più lenta, il potenziale di membrana raggiunge il suo massimo dopo qualche millisecondo che è il tempo necessario perché il condensatore si carichi, delocalizzando cariche opposte sulle sue armature. La lentezza della risposta è proporzionale al valore di R_m e di C_m.

Costante di tempo della membrana

Resistenza R_m e capacità C_m sono poi legate tra loro dalla relazione:

τ_m = C_m · R_m

τ_m è la costante di tempo della membrana, ossia il tempo necessario di risposta caratteristico del circuito e ci indica con quale velocità viene raggiunto il potenziale. In conclusione, le proprietà passive di una membrana associate ad R_m e C_m condizionano gli andamenti temporali delle risposte elettriche delle cellule e permettono di ottenere variazioni positive o negative dei potenziali di membrana ogni qualvolta fluisce corrente ionica attraverso la membrana.

Come si stimola una cellula?

La stimolazione di una cellula può essere effettuata in vari modi:

• Può provenire dall’organismo stesso (ossia da cellule capaci di interagire con ligandi esterni e che generano potenziali d’azione)
• Può provenire da cellule adiacenti (come nel caso delle giunzioni GPP o nel caso particolare delle cellule del miocardio, dove lo stimolo viene generato all’interno delle cellule stesse).

La stimolazione può essere apportata dall’esterno con la tecnica del current-clamp: è una tecnica per cui si blocca la corrente all’interno della cellula, fissandone un valore e lasciando variare il potenziale di membrana. La tecnica si avvale dell’uso di due microelettrodi, uno di stimolazione e uno di registrazione: il microelettrodo di registrazione permette di misurare le variazioni del potenziale di membrana al passaggio di un impulso di corrente ottenuto da un generatore “esterno” e “iniettato” nella cellula tramite il microelettrodo di stimolazione.

Potenziale d'azione

Le membrane non rispondono solo passivamente a stimoli elettrici ma possono generare risposte attive, chiamate potenziali d’azione. La capacità di una cellula di rispondere ad uno stimolo elettrico con una risposta che non è proporzionale allo stimolo stesso e procede in maniera indipendente dallo stimolo è detta eccitabilità. Le cellule eccitabili sono le cellule nervose (neuroni) e cellule muscolari. Il potenziale di membrana di tali cellule non è sempre costante, ma può aumentare rapidamente per poi riabbassarsi. La rapida variazione del potenziale di membrana è il potenziale d’azione che segue cronologicamente lo stimolo ma evolve in modo completamente indipendente da esso. Rappresenta una risposta attiva della cellula e può essere concepito sia come segnale trasmissibile da una cellula all’altra, sia come input per l’azione cellulare.