Il potenziale di membrana a riposo · 2020. 9. 8. · Tutte le cellule (non solo le cellule...
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Il potenziale di membrana a riposo PSICOBIOLOGIA LEZIONE NR 12
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Il potenziale di membrana a riposo
PSICOBIOLOGIA LEZIONE NR 12
L’elettrofisiologia intra-cellulare
Un campo di studio che nasce dalle ricerche di Young, Hodgkin& Huxley.
Si basa sull’idea che l’ambiente esterno ed interno della cellula siano due compartimenti distinti caratterizzati da un’elevata conduttività elettrica, separati da una membrana con una elevata resistenza elettrica.
E’ pertanto possibile misurare la differenza di potenziale elettrico (differenza di voltaggio) proprio come si fa nei circuiti elettrici, grazie al Voltmetro.
Volt = unità di misura della differenza di potenziale
Ampere = intensità della corrente elettrica
La misurazione del potenziale di membrana
Potenziale di membrana a riposo
La misurazione del potenziale di membrana
Grazie alla tecnica del patch (regione cellulare contenuta nel diametro della micropipetta) clamp è possibile studiare ed analizzare il flusso di ioni attraverso pochi od addirittura un singolo canale ionico.
Tutte le cellule (non solo le cellule eccitabili) hanno un potenziale di riposo (resting): una carica elettrica attraverso la membrana plasmatica, con l’interno della cellula negativo rispetto all’esterno. Il valore del potenziale di riposo varia, ma nelle cellule eccitabili si aggira tra -90 e -70 mV.
La misurazione del potenziale di membrana
La misurazione del potenziale di membrana
R = costante dei Gas
T= temperatura in gradi Kelvin
F = costante di Faraday (96500 coulomb/grammo equivalente di carica)
Ln = logaritmo naturale
Pna, PK, PCl = permeabilità della membrana agli ioni in questione
[…] = concentrazioni interne ed esterne
L’equazione di Goldman
Consente di calcolare il valore del potenziale di membrana a riposo in funzione delle variabili che ne determinano il valore,quali la concentrazione e la resistenza della membrana.
ERT
zFx ln
[ ]
[X]
X
E
I
La relazione che esiste all’equilibrio tra gradiente chimico e gradiente elettrico fu stabilita dal chimico-fisico tedesco WalterNernst, grazie alla sua formula che consente di calcolare il potenziale di equilibrio del singolo ione, ovvero il valore delpotenziale di membrana nella condizione di massima permeabilità della membrana per quello ione
R= costante dei gas
T= temperatura assoluta (Kelvin)
z= valenza dello ione
F= costante di Faraday (96500 coulomb/grammo equivalente di carica)
[X]i = Concentrazione intracellulare dello ione X
[X]E= Concentrazione extracellulare dello ione X
La misurazione del potenziale di membrana
L’equazione di Nernst
Equilibrio elettrochimico
Equilibrio elettrochimico
Disequilibrio elettrochimico
Disequilibrio elettrochimico
La misurazione del potenziale di membrana
L’equazione di Nernst consente di calcolare il valore di equilibrio elettrochimico del singolo ione. Nel caso del neurone èpossibile osservare un forte disequilibrio a carico del Sodio e del Calcio.
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I neuroni sono in grado di sfruttare i gradienti di concentrazione e quindi le cariche elettrostatiche degli ioni a valle e amonte della loro membrana plasmatica per generare e trasmettere lungo la membrana stessa e tra cellule diverse gli stimoli nervosi
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I neuroni sono in grado di sfruttare i gradienti di concentrazione e quindi le cariche elettrostatiche degli ioni a valle e amonte della loro membrana plasmatica per generare e trasmettere lungo la membrana stessa e tra cellule diverse gli stimoli nervosi
Cosa accade alla membrana quando è permeabile ad un solo ione?
Nessuna differenza di potenziale
Cosa accade alla membrana quando è permeabile ad un solo ione?
Nessuna differenza di potenziale
Cosa accade alla membrana quando è permeabile ad un solo ione?
Cosa accade alla membrana quando è permeabile ad un solo ione?
Cosa accade alla membrana quando è permeabile ad un solo ione?
Si raggiunge l’equilibrio elettrochimico:
La forza dovuta al gradiente di concentrazione eguaglia la forza
dovuta al gradiente elettrico.FLUSSO NETTO NULLO.
Due forze agiscono su una particella carica:
La FORZA DI DIFFUSIONE,generata dal gradiente di
concentrazione
La FORZA ELETTRICA,generata dal gradiente
elettrico
La concomitanza di queste due forze spinge il flusso ionico all’interno o all’esterno della cellula.
Le diverse concentrazioni degli ioni liberi all’interno della cellula
La natura delle cariche negative intracellulari corrisponde per la maggior parte ai gruppi fosfato elettronegativi delle principali macromolecole che compongono la cellula:
• Acidi nucleici• Proteine fosforilate• ATP• Nucleotidi mono-, di- e tri-fosfati
Tutte queste strutture conferiscono larga parte dell’elettronegatività stabile della cellula, in quanto per natura non possono abbandonare il citoplasma, essendo associate a costituenti strutturali ed obbligati.
Per tale ragione vengono definiti come anioni fissi (A-). In contrapposizione agli ioni liberi (Na+, K+, Cl-, Mg2+, Ca2+ etc…) che invece possono muoversi velocemente attraverso la membrana plasmatica qualora venga loro fornito un passaggio (canale ionico).
L’elettronegatività causata dagli anioni fissi all’interno della cellula, rende quest’ultimo fortemente attrattivo per i cationi liberi e fortemente repulsivo per gli anioni liberi
Potassio+
Gli ioni potassio rappresentano un buon esempio di equilibrio rispetto alle concentrazioni interne ed esterne della cellula (ioni che entrano = ioni che escono).Questo è possibile grazie all’azione sia della pompa Na+/K+ che fa entrare il potassio, sia della presenza di molteplici canali leak o resting per il potassio, perennemente aperti. che ne consentono l’uscita per diffusione facilitata secondo gradiente di concentrazione.
In altre parole si può definire la membrana plasmatica come altamente permeabile agli ioni K+.
Nonostante questo, la concentrazione del potassio è più alta all’interno della cellula perché la maggior parte degli ioni potassio rimane attratta dalla forte carica negativa dell’ambiente intracellulare. In altri termini, solo gli ioni K+ ineccesso sui cui la forza di attrazione elettrostatica operata dall’ambiente citoplasmatico non ha effetto, riescono ad uscire dalla cellula secondo gradiente.
Sodio+
Nel caso degli ioni Na+, la loro esclusione dall’ambiente intra-cellulare ad opera della pompa Na+/K+ non è controbilanciata dalla presenza di canali costantemente aperti, e l’unico sodio che riesce ad entrare lo fa grazie ad alcuni trasportatori di membrana che operano co-trasporto attivo secondario, utilizzando il gradiente di Na+ come forma di energia.
In altri termini, la membrana plasmatica è altamente impermeabile agli ioni Na+.
Il risultato di questa impermeabilità è la generazione di due diverse concentrazioni di Na+ altamente sbilanciate fra interno ed esterno (circa 10 volte).
Cloro-
Per quanto concerne gli ioni Cl-, le concentrazioni e quindi l’equilibrio relativo fra interno ed esterno è paragonabile alla situazione descritta per il K+, sebbene a valori invertiti.Infatti anche il Cl- può attraversare facilmente la membrana grazie alla presenza di canali resting sempre aperti.Tuttavia rispetto al K+, l’ingresso secondo gradiente è ostacolato dalla carica generale negativa dell’ambiente intracellulare.In condizioni normali questo ione si distribuisce quindi attorno alla membrana.
Il calcio è un importante secondo messaggero cellulare (canali metabotropi) per tali ragioni la sua concentrazione all’interno della cellula è mantenuta molto bassa grazie all’azione di pompe per il Ca2+ che eliminano questi ioni appena la loro concentrazione sale oltre un determinato livello, così da poter utilizzare l’aumento di calcio come segnale per una serie di processi:
Calcio+
Gli ioni Mg2+, sono invece essenziali per numerosi fenomeni connessi con l’attività enzimatica e con il metabolismo degli acidi nucleici. Per esempio la presenza del Mg2+ è necessaria all’assemblaggio della sub-unità minore e maggiore dei ribosomi, nonché per l’attività dei vari enzimi ed è implicata nell’attività dei recettori NMDA.
Magnesio+
Le pompe ioniche, al contrario dei canali ionici, mobilizzano gli ioni attraverso la membrana plasmatica contro il loro gradiente elettrochimico, e quindi con un trasporto di tipo attivo effettuato grazie ad una continua spesa energetica.Le pompe ioniche sono molteplici, ma per il neurone la più importante fra queste è senza dubbio la pompa Na+/K+, detta anche ATPasi Na+/K+ -dipendente.
La pompa sodio-potassio
La notevole importanza di questa pompa è resa evidente dal fatto che il suo funzionamento richiede circa il 25% del fabbisogno totale di ATP cellulare dell’intero organismo in fabbisogno di riposo, e nei neuroni questa percentuale sale a circa il 70%.La funzione principale di tale pompa è il mantenimento dell’omeostasi cellulare attraverso la regolazione del bilancio osmotico e la costruzione del gradiente transmembrana degli ioni Na+.
La pompa sodio-potassio
La pompa sodio-potassio
Dal punto di vista strutturale la pompa Na+/K+ è composta da 2 sub-unità alpha e beta.La subunità alpha lega l’ATP, gli ioni Na+ e K+ e inoltre contiene i siti di fosforilazione che regolano il funzionamento della pompa stessa.La subunità beta è responsabile della localizzazione della pompa sulla membrana plasmatica e dell’attivazione dell’unità alpha.
La pompa sodio-potassio
Il funzionamento della pompa può essere schematizzato secondo un modello basato sull’acquisizione sequenziale di modificazioni conformazionali, ciascuna delle quali è conseguenza della precedente e causa della successiva.Queste modificazioni, indotte da una serie di fosforilazioni e defosforilazioni la pompa si apre in modo alterno verso l’interno e verso l’esterno per poi tornare alla configurazione iniziale, pronta per eseguire un nuovo ciclo di funzionamento.
Durante ciascun ciclo, la pompa estrude dall’interno della cellula 3 ioni Na+ e vi fa entrare 2 ioni K+, ricavando l’energia perentrambi i trasporti contro-gradiente, attraverso la degradazione di una molecola di ATP in ADP.
La pompa sodio-potassio
1) Nella configurazione iniziale aperta verso l’interno, la pompa lega 3 ioni Na+
2) Il legame con i 3 ioni, attiva la capacità enzimatica di legare 1 ATP ed autofosforilarsi rilasciando un ADP.
3) La condizione di fosforilazione, induce un cambiamento conformazionale che consiste nella chiusura della pompa sul versante intra-cellulare e la contemporanea apertura sul versante opposto. Allo stesso tempo i legami e l’affinità della pompa con gli ioni Na+ si riduce e questi vengono rilasciati all’esterno del citoplasma.
4) Il rilascio dei 3 ioni Na+, permette ai 2 ioni K+ di legarsi al versante esterno della pompa facendo si che il fosfato sul versante interno si stacchi sotto forma di fosfato inorganico (defosforilazione). Questo evento induce un secondo cambiamento conformazionale che chiude la pompa all’esterno ri-aprendola all’interno e rilasciando i due ioni K+.
La pompa sodio-potassio
Riassumendo: ad ogni ciclo la pompa, consumando 1 ATP, causa la fuoriuscita di 3 ioni Na+ ed immette 2 ioni K+.
Quindi, se consideriamo solo le cariche elettriche, il risultato complessivo si può riassumere nella perdita netta di una carica elettrica positiva nell’ambiente intra-cellulare OPPURE nell’aumento nel citoplasma di una carica elettrica negativa.
Per tale ragione, la pompa Na+/K+ è definita elettrogenica, cioè generatrice di una differenza di potenziale tra cariche elettriche intra- ed extra-cellulari. Tuttavia il contributo della pompa alla differenza di potenziale fra i due comportamenti è pari solo al 10%
In conclusione, la condizione di elettronegatività dell’ambienteintra-cellulare rispetto all’esterno ha importanti conseguenze perquanto concerne la distribuzione delle cariche elettriche negliimmediati dintorni dei due versanti della membrana plasmatica.
Tale condizione causa un addensamento di cariche elettrichepositive sulla facciata esterna della membrana e questoaddensamento richiama cariche elettriche negative all’interno.
Pertanto le due facce della membrana sono ricoperte di caricheopposte che si attraggono ma che non possono annullarsi per viadella separazione della membrana.
Se analizziamo la natura di queste cariche, appare chiaro che lecariche positive sulla faccia esterna non possano essere altro cheioni Na+, che dei tre ioni principali (Na, K e Cl) sono gli unici inforte disequilibrio elettrochimico ed una forte concentrazionenell’ambiente extra-cellulare.
Il potenziale a riposo
Riassumendo:
• L’interazione degli ioni liberi più abbondanti (Na+, K+ e Cl-) con gli anioni fissi, contribuisce nel costituire un ambiente intracellulare più elettronegativo dell’ambiente extracellulare
• Mentre gli anioni fissi sono non diffusibili, la membrana è altamente permeabile al K+ e al Cl- che si trovano in condizioni pressoché di equilibrio, e scarsamente permeabile al Na+ facendo si che questo sia in un forte stato di disequilibrio elettrochimico, attivamente mantenuto grazie alla pompa Na+/K+.
• Un improvvisa apertura dei canali ionici per il Na+ può causare una immediata ed imponente alterazione delle distribuzioni trans-membrana degli ioni e quindi del bilancio complessivo extra- intra-cellulare.
