Potenziale di membrana, potenziale d'azione e potenziale graduato

Potenziale di membrana a riposo

Tutte le cellule del nostro organismo hanno la caratteristica di possedere un potenziale di membrana a riposo, cioè una separazione di cariche a cavallo della membrana. Per spiegare l’origine del potenziale di membrana a riposo occorre considerare che il citoplasma e il fluido extracellulare hanno composizioni differenti.

Nel citoplasma e nel fluido extracellulare, che sono a base acquosa, troviamo degli ioni o dei canali in forma ionizzata diversamente distribuiti. All'origine del potenziale di membrana a riposo ci sono le differenti concentrazioni di particelle cariche. La somma del citoplasma di tutte le cellule, quindi del fluido intracellulare, ammonta a 28,1L che equivale al 67%. Quindi, il 67% è rappresentato dal liquido intracellulare, cioè dal citoplasma.

Il citoplasma è ricco in potassio, povero in sodio e calcio libero. È presente una determinata concentrazione di proteine che a pH citoplasmatico sono in forma negativa detti proteinati e troviamo una certa quantità di fosfati. L’osmolarità del fluido intracellulare è 300 milliosmoli.

Fluido extracellulare

All’esterno delle cellule è presente il liquido extracellulare detto anche interstiziale che da un punto di vista macroscopico ammonta a 10,5L, vale a dire al 25%, e questo liquido interstiziale è in equilibrio con il plasma. Il plasma è la parte liquida, non corpuscolata, del sangue. La quantità di plasma ammonta a 3,4L, vale a dire all’8%. Il plasma e il liquido interstiziale costituiscono il fluido extracellulare, liquido presente al di fuori delle cellule.

Nel liquido interstiziale, così come anche nel plasma, la concentrazione del potassio è bassa, la concentrazione di sodio e calcio è abbastanza alta. Queste concentrazioni sono in equilibrio con il plasma, ossia la parte liquida. È presente solamente una differenza tra plasma e liquido interstiziale, ovvero la presenza nel plasma dei proteinati. Nella parte liquida del nostro sangue sono presenti le proteine cariche negativamente che nel liquido interstiziale non sono presenti. Per il resto, la composizione è uguale.

L’osmolarità del liquido interstiziale e del plasma sono uguali tra di loro e sono uguali all’osmolarità del liquido citoplasmatico. Quindi l’osmolarità dei liquidi del nostro organismo è uguale in tutti i tre compartimenti: plasma, liquido interstiziale e liquido citoplasmatico. Ciò che cambia è la concentrazione degli ioni.

Gradiente di concentrazione e gradiente elettrico

A cavallo della membrana plasmatica lo squilibrio chimico degli ioni che abbiamo appena citato è detto gradiente di concentrazione. A causa di questo squilibrio chimico degli ioni esiste un gradiente elettrico, cioè si genera una separazione di carica (equilibrio di Donnan).

Che significa gradiente chimico? Differente concentrazione degli ioni. E gradiente elettrico cosa significa? Significa che la separazione di carica a cavallo della membrana è negativa verso l’interno della cellula. Quindi, dal lato citoplasmatico, a ridosso della membrana, si accumulano cariche negative che molto probabilmente, come diceva Donnan, sono date dai proteinati e dai fosfati che non riescono ad attraversare la membrana ma che si accumulano a ridosso della membrana dal lato citoplasmatico. All’esterno, cioè nel liquido interstiziale, sempre a ridosso della membrana, si accumulano cariche positive. Le cariche positive a cui facciamo riferimento sono rappresentate dagli ioni potassio, calcio, che sono attratte dalle cariche negative che stanno all’interno.

Quindi, il gradiente elettrico altro non è che questa separazione di cariche. Per cui, se nella membrana sono presenti dei canali selettivi al sodio e selettivi al calcio aperti (induco attraverso un meccanismo la loro apertura), che cosa succede a questi ioni? Succede che sia il calcio che il sodio attraversano il canale dall’esterno verso l’interno secondo il gradiente elettrochimico.

Poiché abbiamo il citoplasma ed il liquido extracellulare che sono acqua con sali sciolti ionizzati, per ogni ione presente dobbiamo considerare il gradiente elettrochimico. Se nella membrana sono presenti dei canali al potassio, il potassio si muoverà attraverso il canale dall’interno all’esterno secondo il gradiente elettrochimico.

Forze elettriche e chimiche

La chimica del potassio che si spinge il potassio dall’interno all’esterno e la forza elettrica sono opposte. Quindi, il potassio è spinto all’esterno dal gradiente chimico ma la sua spinta è controbilanciata da quella elettrica perché all’esterno è presente la carica positiva (carica positiva e carica positiva si respingono).

Quando andiamo a considerare il movimento degli ioni attraverso la membrana, dobbiamo considerare le due forze e fare ogni volta il bilancio, ovvero andare a vedere la forza elettromotrice che spinge lo ione. Per forza elettromotrice intendiamo la somma vettoriale di gradiente chimico e gradiente elettrico.

Stabilità del potenziale di membrana a riposo

Il potenziale di membrana a riposo è un valore stabile nel tempo. In determinate circostanze, il valore può variare ma dopo un certo tempo ritorna al valore del potenziale di riposo originale. Come è stato calcolato? È stato calcolato isolando le cellule ed utilizzando dei micro-elettrodi. In particolare, occorre inserire molto delicatamente un micro-elettrodo all’interno della cellula in modo tale da attraversare la membrana plasmatica senza lederla. L’altro micro-elettrico invece viene posto all'interno di un liquido in cui le cellule isolate vengono sospese. Naturalmente, la composizione del liquido sarà molto simile alla composizione ionica dei liquidi extracellulari. In questa situazione, in cui i due micro-elettrodi sono collegati al voltometro ed il voltometro a sua volta è collegato ad uno oscilloscopio che permette di visualizzare, è stato misurato il potenziale di membrana a risposo.

Esempi di potenziale di membrana

• Il potenziale di membrana a risposo dei neuroni (cellule del sistema nervoso) ammonta a -70 millivolt, negativo all’interno e positivo all’esterno.
• Il potenziale di membrana delle cellule pacemaker del cuore non è stabile ma ammonta generalmente a -60 millivolt.
• Il potenziale di membrana a risposo delle cellule muscolari scheletriche ammonta a -90 millivolt.

Quindi, il potenziale di membrana di membrana a riposo può variare come numero andando da una cellula ad un’altra, ma non varia mai come segno. All’interno è negativo mentre all’esterno è positivo. Quanto è negativo dipende dal tipo di cellula. Ad esempio, è presente una parte delle cellule dell’intestino il cui potenziale di membrana a risposa ammonta a -25 millivolt, molto più basso rispetto a quello delle altre cellule ma nonostante questo l'interno è sempre negativo.

Determinanti del potenziale di membrana a riposo

Da cosa dipende la separazione di carica, quindi il potenziale di membrana a riposo? Il potenziale di membrana a riposo dipende dai gradienti di concentrazione degli ioni a cavallo della membrana, quindi ai due lati della membrana, ma anche dalla permeabilità della membrana nei confronti degli ioni. La permeabilità non è altro che la velocità con cui gli ioni attraversano la membrana che prende in considerazione le caratteristiche dello ione ma anche le caratteristiche della membrana.

Dire che un doppio strato lipidico è più permeabile ad uno ione rispetto ad un altro significa che quella membrana ha più canali per quello ione, a cui è più permeabile. La permeabilità della membrana nei confronti dei vari ioni è traducibile con il numero dei canali per quello ione. Questo perché gli ioni non attraversano tranquillamente la membrana in quanto gli ioni sono idrofili mentre la membrana è idrofobica, ma la attraversano mediante i canali.

Gli ioni attraversano i canali secondo la legge di Fick, quindi è una diffusione facilitata dalla presenza del canale. Esistono diversi tipi di canale. Nel caso del potenziale di membrana a riposo, a quali canali facciamo riferimento sapendo che il potenziale di membrana è un parametro costante per tutta la vita della cellula, un parametro che istante per istante viene regolato (monitorato)? Al potenziale di membrana a riposo partecipano i canali di leakage in quanto gli ioni devono diffondere. Quindi, quando dico che il potenziale di membrana a risposo dipende dalla permeabilità della membrana sto dicendo che dipende dal numero dei canali di leakage per quello ioni o per quelli ioni che sono presenti a livello della membrana.

Di conseguenza, non faccio riferimento ai canali voltaggio-dipendenti, ai canali ligando-dipendenti in quanto sono dei canali che vengono attivati e controllati da un ligando, da un voltaggio, dalla temperatura, dalla luce, ecc. Questi sono eventi che determinano una situazione non costante ma una situazione temporanea. Invece, il potenziale di membrana è sostenuto dai canali di leakage.

Se attraverso i canali di leakage (canali passivi sempre aperti) gli ioni possono passare secondo gradiente elettrochimico seguendo la legge di Fick, teoricamente dovrebbero raggiungere l’equilibrio in quanto Fick ci dice che è presente un movimento netto di ioni fino a quando le due concentrazioni non si dissipano (potenziale di membrana si dissipa), però questo non succede nella nostra cellula. Quindi, quando lo ione raggiunge l’equilibrio il potenziale di membrana non si dissipa. Che cosa interviene a mantenere i gradienti?

Elementi che mantengono il potenziale di membrana a riposo

Alla base del potenziale di membrana di riposo emergono tre elementi:

• La diversa concentrazione degli ioni
• La presenza di canali di leakage
• La presenza delle pompe che mantengono quei gradienti. Perché se i gradienti non vengono mantenuti, alla fine si arriva ad una situazione di equilibrio che non è evidentemente il potenziale di membrana a riposo.

Esempio pratico

Prendiamo in considerazione un becker diviso in due compartimenti. Nel primo compartimento è contenuta una concentrazione di cloruro di potassio 1 molare e nel secondo compartimento è presente una concentrazione di cloruro di sodio sempre 1 molare. Quindi, le concentrazioni dei due sali che si dissociano in acqua sono uguali.

Per semplicità, immaginiamo che la membrana che separa i due ambienti sia caratterizzata solo da canali selettivi al potassio. Quando il canale è chiuso, ovviamente non si realizza nessun flusso ionico. Ma quando il canale si apre succede che il potassio si muoverà dal primo ambiente al secondo ambiente secondo gradiente di concentrazione. In questo modo il secondo ambiente si arricchisce di cariche positive in quanto le cariche positive del potassio che sta passando dal primo ambiente al secondo ambiente si sommano alle cariche positive del sodio già presenti nel secondo ambiente. Il primo ambiente invece si impoverisce delle cariche positive. Ma le cariche positive del potassio si accumulano a ridosso della membrana dal lato due attratte dalle cariche negative del cloruro (che non è in grado di passare) che rimane intrappolato nel primo ambiente.

Quando i canali selettivi al potassio sono chiusi, l’ago del voltometro si trova in corrispondenza dello zero, ma in seguito all’apertura di questi canali selettivi al potassio, si crea un flusso di ioni potassio che determina uno spostamento dell’ago del voltometro verso valori negativi nel primo ambiente. È grazie al flusso degli ioni, utilizzando i canali di leakage, che si viene a creare a cavallo della membrana una separazione di cariche. Questo è possibile perché esistono dei canali nella membrana e perché la membrana è permeabile ad alcuni ioni. Quindi, il potenziale di membrana è dovuto al passaggio di alcuni ioni attraverso la membrana.

Ad un certo punto però il flusso netto del potassio si arresterà perché nel lato uno restano gli ioni cloruro e quindi si viene a creare una carica negativa che impedisce ad altri ioni potassio di passare nel secondo ambiente. Quindi, il flusso degli ioni potassio ad un certo punto si arresta perché si è venuta a creare una differenza di potenziale negativa dal lato uno che trattiene gli ioni potassio. Quindi, si è venuta a creare una situazione di equilibrio elettrochimico. La carica negativa generata dal flusso degli ioni potassio dal primo ambiente al secondo ambiente è ad un certo punto all’equilibrio ed è uguale e opposta al gradiente chimico che spingeva gli ioni potassio dal primo ambiente al secondo ambiente. In altre parole, il flusso del potassio ad un certo punto raggiunge l’equilibrio.

Raggiungere l’equilibrio significa che il gradiente elettrico negativo dal lato uno è uguale ed opposto al gradiente chimico del potassio che lo spinge verso il secondo ambiente. Quindi, ad un certo punto il flusso netto degli ioni potassio non si arresta quando ha raggiunto uguali concentrazioni nel primo e nel secondo ambiente, ma quando il gradiente elettrico che è negativo dal lato uno è uguale e opposto a quello chimico del potassio.

Equilibrio delle forze

In altre parole, è presente una forza chimica che spinge il potassio ad andare nel secondo ambiente ed una forza elettrica che lo trattiene in uno. Nel caso del potassio attraverso la membrana, l’equilibrio è dato da due forze: elettrica e chimica che sono uguali ed opposte. Queste due forze comportano un equilibrio elettrico ma non un equilibrio chimico perché il potassio resterà sempre più concentrato nel primo ambiente e meno nel secondo ambiente. Questa è la situazione propria di una cellula. Il primo ambiente rappresenta l’ambiente citoplasmatico mentre il secondo ambiente rappresenta quello extra-citoplasmatico.

Riassunto del concetto

L’apertura del canale determina il passaggio del potassio dal primo ambiente al secondo ambiente mediante gradiente chimico. Però ad un certo punto questo flusso del potassio si arresta. Si arresta perché dal lato uno comincia a diventare importante la carica negativa degli ioni cloruro che non sono in grado di passare. Quindi, gli ioni potassio vengono in parte trattenuti. Per questo motivo il flusso netto del potassio si interrompe perché la forza elettrica negativa dal lato uno uguaglia quella chimica che tende a far spostare il potassio dal secondo ambiente al primo ambiente.

Lo ione potassio raggiunge il suo equilibrio (flusso netto uguale a zero) quando la forza elettrica è uguale e opposta a quella chimica che lo tenderebbe a far passare. Questo è l’equilibrio elettrico, ma questo equilibrio non implica l’equilibrio chimico perché il primo ambiente resterà sempre più concentrato in ioni potassio rispetto al secondo ambiente. Il primo ambiente a cavallo della membrana è carica negativa ed è più concentrata degli ioni potassio.

Il citoplasma delle cellule è più ricco di potassio? Sì. Ha cariche negative? Sì, le cariche negative dei proteinati e dei fosfati che non possono attraversare la membrana. Quindi, il potenziale di membrana è negativo ed è quella situazione in cui esiste un equilibrio elettrico ma non un equilibrio chimico degli ioni. È presente l’equilibrio elettrico perché non c’è flusso netto degli ioni e non c’è l’equilibrio chimico perché gli ioni sono diversamente distribuiti.

Questo concetto, che abbiamo espresso per il potassio, dobbiamo applicarlo anche per il sodio e per tutti gli altri ioni. Questo implica che la nostra membrana ha canali di leakage non solo per il potassio ma anche per il sodio, per il calcio e per altri ioni. Ciò che distingue una specie ionica da un’altra è il numero dei canali. Il numero di canali di leakage per il potassio è molto più elevato rispetto al numero di canali di leakage per il sodio e per il calcio. La membrana di una cellula, in condizioni di riposo, è molto più permeabile al potassio rispetto che al sodio e al calcio proprio perché il numero di canali di leakage per il potassio è più elevato.

La differenza di potenziale ΔV, quando un solo ione permea (potassio), sarà uguale a RT/zT per ΔC. Questa è l’equazione di Nerst che esprime per ogni singolo ione il suo gradiente chimico che è correlato al gradiente elettrico. Quindi, ΔV è la differenza di potenziale che quello ione genera a cavallo di una membrana quando esiste una differenza di concentrazione dello stesso ione.

Il flusso netto dello ione è zero quando ΔV è uguale e opposto al logaritmo naturale di ΔC. Questo non significa quindi che la concentrazione dello ione a cavallo della membrana sia uguale.

RTΔV = lnΔCzF

equazione di Nerst

Allora forse il potenziale di membrana a riposo sarà uguale al potenziale di equilibrio dello ione o degli ioni? Purtroppo le cose non stanno così.

Conclusioni sulla tabella degli ioni

Di questa tabella consideriamo la cellula di un mammifero. Gli ioni che prendiamo in considerazione sono gli ioni più abbondanti che attraversano la membrana, quelli che contribuiscono in maniera significativa al potenziale di membrana a riposo: sodio, potassio e cloruro.

Nella tabella sono riportate anche le concentrazioni degli ioni corrispondenti nell’ambiente extracellulare e nell’ambiente intracellulare. Il potassio è più concentrato all’interno e viceversa il sodio. Se vado ad applicare la legge di Nerst, la legge per la quale il singolo ione raggiunge l’equilibrio, vedo che per il potassio il potenziale di membrana è -90, per il sodio +91, per il cloruro è -89.