Potenziali di membrana e fisiologia umana: cellule del sangue e pressione

Potenziali di Membrana

Tutte le cellule viventi possiedono e mantengono una concentrazione di ioni diversa all'interno della cellula e nei liquidi extra-cellulari:

• I liquidi extra-cellulari: hanno un'elevata concentrazione di ioni sodio positivi (NA+) e di ioni cloro negativi (CL-) e basse concentrazioni di ioni potassio (K), magnesio (MG+) e calcio (CA+) ;
• I liquidi invece intra-cellulari possiedono elevate concentrazioni di ioni potassio (K+) e di anioni organici non diffusibili di grandi dimensioni come le proteine e altre sostanze.

Gli ioni positivi sono presenti lieve eccesso nel lato esterno della membrana, mentre gli ioni negativi lo sono all'interno. Questo fatto genera tra i due lati della membrana una differenza di carica elettrica, detta "Potenziale di membrana". Tale differenza di cariche viene detta potenziale in quanto è il tipo di energia immagazzinata, appunto l'energia potenziale: ogni volta che le cariche opposte si trovano ai due lati della membrana esse hanno la potenzialità di muoversi l'una verso l'altra. Se la membrana di una cellula mantiene gli ioni con cariche diverse ai lati opposti, essa sia dice "polarizzata", cioè ha:

• Un polo negativo (all' interno)
• Un polo positivo (all'esterno)

L'unità di misura della differenza di potenziale è il milli-volt (mV). Il concetto di potenziale di membrana è alla base del funzionamento dei sistemi cellulari. ossia la capacità di un neurone di trasportare informazioni proprie, quella della cellula muscolare di contrarsi, o di alcune cellule endocrine di secernere specifiche sostanze: Tutto ciò è determinato dall'esistenza di una differenza di potenziale tra i due versanti della membrana cito-plasmatica. La presenza di un potenziale di membrana e sopratutto la possibilità di modificarlo in risposta a precisi eventi (potenziale d'azione) costituiscono per la cellula uno dei più importanti strumenti di trasmissione dei segnali inter-cellulari. Essendo il potenziale di membrana un valore non misurabile in termini assoluti, per convenzione si assume pari a 0 il valore di potenziale all'esterno della cellula, per cui il potenziale di membrana, definito come Vm sarà:

• Vm= Vi - Ve, Vi è il potenziale esistente all'interno della cellula e Ve all'esterno di essa.

Ogni situazione che porta alla diminuzione di di Vm, prende il nome di "depolarizzazione", mentre si chiamerà "iper-polarizzazione" la situazione inversa.

Equazione di Nerst

L'equazione di Nerst consente di prevedere, per ogni ione preso singolarmente il verso con cui lo stesso tenderà a fluire. Infatti, se la differenza di potenziale misurata attraverso la membrana è uguale alla differenza di potenziale calcolata con l'equazione di Nerst, allora lo ione si troverà in equilibrio elettrochimico e non ci sarà alcun flusso netto attraverso la membrana. Infine, nella condizione in cui la differenza di potenziale di membrana misurata è di segno opposto a quella calcolata secondo Nerst, lo ione si troverà in una condizione di totale semi-equilibrio.

Potenziale di Riposo

Tutte le cellule dell'organismo mantengono un potenziale di membrana, ma quelle dei tessuti eccitabili hanno la capacità di generare e condurre potenziali. I tessuti eccitabili sono il tessuto nervoso e il muscolare (scheletrico, liscio e cardiaco). Quando una cellula di un tessuto eccitabile non genera o conduce impulsi si dice a riposo. Si definisce eccitabilità la capacità di una cellula di cambiare lo stato funzionale del potenziale a riposo.Il potenziale di membrana di una cellula che non conduce impulsi si definisce potenziale di membrana a riposo (PRM). Esso si mantiene attorno ai valori medi di circa -70mV (questo valore differisce a seconda che siano cellule nervose, muscolari lisce o scheletriche). I meccanismi che mantengono il potenziale di membrana a riposo determinano piccoli squilibri ionici attraverso la membrana plasmatica, ossia un eccesso di ioni positivi nella superficie esterna. Questo squilibrio di concentrazione è prodotto dai meccanismi di trasporto degli ioni attraverso la membrana stessa. Nella membrana plasmatica, i canali per il passaggio della maggioranza degli anioni sono assenti o chiusi in condizioni di riposo. Non esistono canali che consentono l'uscita delle macromolecole proteiche, gli elementi predominanti nel citoplasma, gli ioni cloro sono intrappolati da un lato della membrana perché i loro canali normalmente sono chiusi. I soli ioni che possono efficacemente attraversare la membrana plasmatica di un neurone sono quindi gli ioni positivi sodio e potassio. In una cellula a riposo rimangono aperti molti canali per il potassio, mentre molti canali per il sodio sono chiusi. Gli ioni potassio che si trovano dentro la cellula possono diffondere con facilità all'esterno, ma le cariche negative dei grandi anioni proteici, che permangono all'interno perché non possono uscire, li richiamano potentemente all'interno. Essi rientrano quindi facilmente perché i loro canali sono aperti in maggior numero. Gli ioni sodio al contrario, rimangono sulla superficie esterna della membrana perché, pur essendo presente un gradiente elettrico e chimico favorevole all'entrata, molti canali sono chiusi. All'interno della cellula permane quindi una maggiore quantità di cariche negative perché gli ioni potassio non bastano a equilibrare gli anioni. Per mantenere il potenziale di membrana a riposo opera anche il meccanismo della "pompa sodio-potassio", che trasporta 3 ioni sodio al di fuori della cellula e 2 ioni potassio in direzione opposta. Poiché la pompa sodio-potassio porta 3 ioni carichi positivamente fuori dalla cellula per ogni 2 che pompa all'interno, essa si definisce elettro-genica cioè provoca uno squilibrio elettrico attraverso la membrana, mantenendo il potenziale elettrico, con l'interno negativo rispetto all'esterno. Tale effetto della pompa contribuisce al mantenimento della differenza di potenziale di membrana a riposo ma ha anche un ruolo preciso nella regolazione del volume della cellula: essa mantiene sotto controllo la concentrazione dei soluti all'interno della cellula, regolando così le forze osmotiche che possono far rigonfiare o raggrinzire le cellule. Il potenziale di membrana a riposo può essere mantenuto finché le caratteristiche di permeabilità della membrana restano costanti e fin quando opera la pompa.

Valori Medi delle Concentrazioni Ionici

Valori medi delle concentrazioni dei principali ioni all'esterno e all'interno della cellula: Na+ Esterno 120 mMoli/litro Interno = 10 mMoli/litro K+ Esterno 4-5 mMoli/litro Interno = 140 mMoli/litro CI- Esterno 110 mMoli/litro Interno = 5-10 mMoli/litro

Equilibrio di Gibbs-Donnan

• Quando una membrana si trova a separare due soluzioni in cui sono contenuti ioni diffusibili e non diffusibili (o parzialmente diffusibili), non ci si può aspettare che questi ioni si dispongano simmetricamente rispetto ala membrana, semplicemente assecondando il loro gradiente di concentrazione; infatti, essi debbono tener conto anche del gradiente elettrico vigente tra i due lati della membrana. Esso permette di definire la distribuzione degli ioni attraverso la membrana in presenza di un anione non diffusibile.

Potenziale d'Azione (Spike)

A differenza del potenziale di riposo, che presenta un valore fisso nel tempo, il potenziale d'azione è costituito da una variazione rapida del potenziale di membrana, con ritorno veloce al valore precedente la sua forma e la sua durata dipendono dal tessuto eccitabile. Normalmente i potenziali d'azione sono molto veloci nei neuroni (circa 2ms) e nel muscolo striato scheletrico (circa 5 ms), risultando invece più lenti (circa 200ms) e con una forma caratteristica (a plateau) nel muscolo striato cardiaco. Nervi e muscoli sono tessuti eccitabili, cioè sono in grado di generare e propagare segnali elettrici. Alla base della trasmissione di un impulso vi è una modificazione del potenziale di membrana che viene definito potenziale d'azione: Alla base del potenziale d'azione vi è un considerevole e transitorio aumento della permeabilità al sodio. In seguito ad uno stimolo, il potenziale di membrana subisce una sorta di sussulto, ascendendo transitoriamente verso valori più positivi (depolarizzazione) e cambiando di segno per un istante. Nel processo di ritorno verso il suo valore di riposo, il potenziale assume per breve tempo valori più negativi del normale. Questa brevissima oscillazione del potenziale è chiamata potenziale d'azione, ed il segnale che viene trasmesso a lunga distanza entro il sistema nervoso.

Caratteristiche del Potenziale d'Azione

• La soglia: lo stimolo soglia è lo stimolo depolarizzante di densità minima in grado di generare un potenziale d'azione in un neurone.
• La legge del tutto o nulla: In un neurone il potenziale d'azione o è generato e si sviluppa in tutta la sua ampiezza, se lo stimolo raggiunge o supera la soglia, oppure non è generato affatto, se l'ampiezza dello stimolo è inferiore alla soglia.
• La refrattarietà: una volta generato un potenziale d'azione, un neurone, viene a trovarsi in uno stato di refrattarietà:
  • Periodo di refrattarietà assoluta: nessuno stimolo per quanto intenso è in grado di generare un secondo potenziale d'azione.
  • Periodo di refrattarietà relativa: un secondo stimolo, a condizione che sia sufficientemente più intenso di quello soglia, è in grado di generare un secondo potenziale d'azione.

Proprietà del Potenziale

1. Il potenziale d'azione insorge in seguito ad una depolarizzazione. Essa è prodotta da uno stimolo esterno, come lo stiramento muscolare nel caso del neurone sensitivo del riflesso patella, oppure dall'azione di qualche altro neurone.
2. Per potere scatenare un potenziale d'azione, la depolarizzazione deve raggiungere un valore soglia. Se la depolarizzazione che subisce il potenziale di membrana è piccola, non si avrà alcun potenziale d'azione. In genere il potenziale d'azione insorge quando la membrana si depolarizza in 10-20 mV.
3. I potenziali d'azione sono un evento tutto o nulla: raggiunge il valore soglia l'ampiezza del potenziale d'azione non dipende più dallo stimolo. Sia l'ampiezza che la forma del potenziale d'azione sono predeterminati; l'evento o si verifica per intero (quando la depolarizzazione raggiunge il valore soglia) o non si manifesta affatto (quando la depolarizzazione non raggiunge il valore soglia).
4. Il potenziale d'azione si propaga lungo la cellula nervosa senza subire alcun decremento. In qualsiasi punto dell'assone si effettua la registrazione, l'ampiezza e la forma del potenziale d'azione non cambia.