Potenziale di Membrana: distribuzione elettroliti e canali ionici

Potenziale di Membrana

Distribuzione degli elettroliti nei compartimenti intra ed extracellulari.

Fluido
extracellulare
Cell
membrane
Fluido
intracellulare
Cannot cross
Size indicates relative concentration.
Na+ CI-
K+ Pr-
Na+
ONa+
O Na+
ATP
K+O
K+
OK+
-Proteins"
cr
-Phosphates"
Ca2+
Membranous
organelles
300 mOsM
300 mOsM

Quando parliamo di ioni dobbiamo tenere conto di un'altra forza in gioco, oltre alla concentrazione,
cioè i campi elettrici. Di fatto, gli ioni sono molecole cariche, quindi quando si spostano, spostano
anche delle cariche - creano delle separazioni di carica - creano a livello delle membrane
biologiche dei campi elettrici, che a loro volta influenzano ulteriormente il movimento delle molecole
(soprattutto se sono cariche) verso l'interno o l'esterno della cellula.

Nell'ambiente extracellulare il catione maggiormente espresso è il Na, che ha un suo contro-ione,
ovvero il Cl-, che è lo ione maggiormente concentrato nei liquidi esterni. Grossolanamente la
quantità di Na è esattamente controbilanciata dalla quantità di Cl, quindi questa soluzione
extracellulare di fatto è neutra dal punto di vista delle cariche.

All'interno della cellula, per azione della Na/K-ATPasi il catione più abbondante è il K+. All'interno
della cellula c'è del cloro, ma la sua concentrazione non è così elevata, per cui normalmente la
carica del K è controbilanciata, dal punto di vista elettrico, da grossi proteinati, cioè le grosse
proteine presenti all'interno della cellula, che tendenzialmente hanno una carica negativa. Dunque,
grossolanamente, anche all'interno della cellula non si registrano alterazioni delle distribuzioni di
questi ioni. Attenzione al fatto che i proteinati sono grandi proteine, quindi, mentre Na, Cl e K si
possono muovere a cavallo delle membrane biologiche se abbiamo dei canali ionici, i grossi
proteinati sono molto grandi e non esistono trasportatori o canali in grado di spostarli. Quindi, questi
proteinati ci sono, contribuiscono ad annullare le cariche dello ione K o di qualunque altro catione,
ma non si possono muovere.

Non abbiamo nette cariche ne nell'ambiente extra che in quello intracellulare, grazie alla selettiva
permeabilità della membrana agli ioni.

Infatti, possiamo andare a misurare non solo la C degli ioni, ma anche la C delle cariche nei
compartimenti intracellulari ed extracellulari, soprattutto a cavallo delle membrane biologiche,
utilizzando degli strumenti particolari.

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Ca2+
DCa2+

Potenziale di membrana a riposo

Lo strumento che usiamo per misurare e verificare se ci sono separazioni di cariche all'interno delle nostre
soluzioni, si chiama voltmetro. Il voltmetro permette di considerare e misurare eventuali differenze di cariche
elettriche che esistono tra due misuratori che sono due elettrodi.

Gli elettrodi sono fondamentalmente dei fili metallici (rame, oro, ecc) a livello dei quali avvengono delle
reazioni specifiche, che portano delle correnti elettriche, e sono inseriti in dei capillari di vetro.

tra l'elettrodo di vetro (che serve solo per spostare i fili) e il filo metallico è presente una soluzione ionica
fondamentale perchè conduce le cariche, quindi fa da mezzo di conduzione tra quello che noi vogliamo
misurare e il filo elettrico.

Il voltmetro va a vedere se c'è separazione di carica, o meglio, se questi due elettrodi leggono delle
differenze di carica. Normalmente abbiamo un elettrodo considerato di registrazione e un secondo
elettrodo definito di misura. Se esiste una differenza di cariche nel punto in cui viene posizionato
l'elettrodo di registrazione e l'elettrodo di misura, allora il voltmetro dovrebbe leggere un valore.

In questa situazione abbiamo una specie di bagnetto all'interno del quale abbiamo inserito la cellula,
immersa in un liquido extracellulare. Consideriamo che questo liquido extracellulare abbia la stessa
composizione ionica del liquido extracellulare che abbiamo visto essere caratteristico bagnare tutte
le cellule del nostro organismo. In questa configurazione, cioè quando l'elettrodo di registrazione e
quello di misura si trovano entrambi nel liquido extracellulare, non misuriamo una differenza di carica
elettrica tra i due elettrodi
- differenza di potenziale nulla.

Se spostiamo l'elettrodo di registrazione all'interno della cellula, sul voltmetro viene registrata una
differenza di potenziale
- nell'ambiente intracellulare si registra una separazione di carica tra ambiente intra ed
extracellulare, cioè registriamo una differenza di potenziale.

Questa differenza di potenziale è la linea verticale del grafico, che giunge fino ad un valore negativo
di -70mV.
- ddp tra ambiente extra e intracellulare = - 70mV

L'aspetto interessante è che se spostiamo l'elettrodo ancora di più all'interno della cellula, sarà
misurata sempre la stessa ddp (-70mV).
- La separazione di carica/l'accumulo di cariche non avviene all'interno della cellula, ma solo
all'interfaccia a livello della membrana plasmatica, perchè le variazioni si osservano solo nel
momento in cui l'elettrodo passa dall'ambiente extra all'intracellulare e poi non si modifica più.

Questa ddp che misuriamo tra i due elettrodi prende il nome di "ddp di membrana".
"potenziale" = perchè rappresenta una forma di energia che può essere potenzialmente utilizzata per
compiere lavoro, inteso come spostamento di ioni o segnale elettrico.

Inoltre viene definito "ddp di membrana a riposo", perchè in queste condizioni la cellula non è
stimolata, è una differenza di membrana che continueremmo a misurare in ogni momento in cui
abbiamo la cellula in questo bagnetto, ed è stabile nel tempo.

• Esattamente come la C di ioni, anche la presenza di una ddp di membrana negativa verso
  l'interno della cellula, è una caratteristica di tutte le cellule.
• In tutte le cellule del corpo umano, se fossimo in grado di misurare il potenziale di membrana
  Un elettrodo di registrazione
  è posto dentro la cellula.
  Ingresso
  -30
  0
  .70
  +30
  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 Vm
  Uscita
  =
  L'elettrodo
  di riferimento viene posto
  nel bagno e gli viene
  dato un valore di 0 mV.
  +40
  +20
  Potenziale di membrana (mV)
  0
  -20
  Differenza di potenziale di
  membrana
  -40
  -60
  -80
  Potenziale di riposo della cellula
  -- 100
  Inserimento elettrodo nella cellula
  -120
  Tempo (ms)
  usando questo sistema di
  elettrodi, misureremmo sempre
  una ddp con un valore sempre
  negativo, che però cambia da
  cellula a cellula.
• Tutte le cellule presentano un
  potenziale di membrana a riposo,
  ma il suo valore è variabile: da
  -40 a -90 con il citoplasma
  sempre negativo rispetto
  all'ambiente extracellulare.
  Fisiologica
  Cellula
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Caratteristiche del potenziale di membrana

• Tutte le cellule presentano un potenziale di membrana a riposo

Quindi, caratteristiche importanti del potenziale:

• È sempre negativo all'interno della membrana plasmatica.
• Pur essendo all'interno dello stesso sistema corporeo, il suo valore
  cambia da cellula a cellula.
• Compreso tra -40 e -90 mV, con il citoplasma negativo rispetto
  all'ambiente extracellulare.

Cellula
Pot. di membrana
Assone gigante
- 70 mV
Fibra muscolare
- 90 mV
Globulo rosso
- 10 mV
Neurone di gatto
- 80 mV
Uovo di riccio
- 40 mV

Il potenziale di membrana è legato alle specie ioniche presenti nelle soluzioni.

Forze agenti sugli ioni

• Gradiente di Concentrazione
• Campo Elettrico

Energia chimica
energia dovuta ad un gradiente di concentrazione
Outside
Inside
C.
Membrane
Energia elettrica
energia dovuta alle cariche che si muovono
in un campo elettrico
+
+

Dipendenza del potenziale elettrico di membrana

Da cosa dipende il potenziale elettrico di membrana?
Gli elementi fondamentali per generare un potenziale elettrico di membrana sono due:

• Diversa C degli ioni a cavallo della membrana plasmatica
• Permeabilità selettiva della membrana agli ioni

Diversa concentrazione degli ioni

1. Diversa C degli ioni a cavallo della membrana plasmatica
Questa viene definita condizione necessaria ma non sufficiente. In altre parole, se non abbiamo un
gradiente di C di ioni, è difficile che si possa creare un potenziale elettrico di membrana.
- Tra ambiente extra e intracellulare devono esistere degli ioni presenti in C diverse.

0 mV
D
Artificial
cell
Na+
K+
cr
Pr
Perchè è definita cellula artificiale? Perchè la sua membrana
biologica è impermeante a tutti gli ioni presenti sia all'esterno che
all'interno della cellula, quindi nessuno ione può passare, il che rende
la cellula in analisi artificiale.
Le C degli ioni mostrati sono però gli stessi che troviamo in un
sistema biologico: K+ e proteinati all'interno, Na e CI all'esterno.
- È un sistema in equilibrio elettrico ma in disequilibrio chimico.

Se inseriamo due elettrodi, quello di registrazione nella cellula e quello di misura nel bagnetto, non
misureremmo nessuna ddp elettrico a cavallo della membrana biologica.
- È fondamentale che ci sia una differenza di C, ma non è l'unico elemento necessario per generare
un potenziale di membrana.
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Permeabilità selettiva della membrana

2. Permeabilità selettiva della membrana agli ioni
Membrane permeable to K+ only
k+
Diffusion down
concentration
gradient
Pr
Na+
CI
Questa situazione è più tipica delle membrane cellulari. In virtù della
presenza di canali ionici e di trasportatori, le membrane biologiche
solo selettivamente permeabili agli ioni.
La cellula rappresentata si avvicina già di più alla realtà: la membrana è particolare perchè, in questa
cellula che è ancora un po' artificiale all'aspetto, presenta infatti una permeabilità agli ioni K che
possono muoversi tra esterno e interno della cellula passando dalla membrana stessa, ma non
possono farlo tutte le altre specie.
- La membrana è permeabile solo al K.

Questo sistema però è inizialmente in un disequilibrio chimico, perchè il K è all'interno della cellula,
ma non si trova all'esterno.
- Inevitabilmente, siccome abbiamo una permeabilità di membrana, lo ione K mosso dal suo
gradiente di C, tenderà ad uscire dalla cellula. Questa volta lo può fare perchè è dotata di canali
ionici.

Attenzione: la molecola è dotata di carica, quindi man mano che esce sposterà cariche del K che si
andranno ad accumulare sul lato extracellulare.

Se la membrana fosse permeabile ad ogni specie ionica, molto probabilmente, i proteinati si
sposterebbero anche loro perchè vedrebbero un campo elettrico che si sta creando. Questa cosa
però non può succedere, sia in questa cellula artificiale, sia in quelle vere (biologiche).
- Il K si può muovere, ma non può essere seguito dai proteinati. Anche Na e CI hanno un gradiente
di C in questa situazione, ma non possono attraversare la membrana plasmatica.

Pertanto, ogni volta che il K diffonde ed esce all'esterno della cellula, si forma a livello della
membrana plasmatica una separazione di carica, tale per cui abbiamo nell'ambiente extracellulare
un accumulo di cariche positive, mentre all'interno abbiamo un accumulo di cariche negative.
- Se inserissimo anche qui i due elettrodi, misureremmo una ddp che prende il nome di potenziale
di diffusione. Il potenziale di diffusione è dovuto alla diffusione dello ione.

Attenzione: cosa fa questa separazione di carica?
Il K, secondo il suo gradiente di C, tende ad uscire, e portare delle cariche positive sul lato
extracellulare; i proteinati non possono seguirlo e quindi abbiamo una separazione di carica a
cavallo della membrana.
- Si forma un campo elettrico positivo all'esterno che, nel momento in cui si forma, dato che è
dotato di carica positiva, avrà funzione di impedire l'ulteriore distribuzione e diffusione del K
all'esterno, cioè si oppone ad un ulteriore diffusione del K.
- Abbiamo un accumulo di cariche positive che respingono il K.

Quindi:
- il K secondo il suo gradiente di C tende a muoversi verso l'esterno
- nel momento in cui si sposta si crea un campo positivo all'esterno
- questo campo tende a respingere il K, rallentando la sua diffusione verso l'esterno.
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