La membrana cellulare e il potenziale di riposo: una presentazione

Facciamo un passo indietro

Semi-integral protein Glycoprotein Phospholipid Glycolipid Carbohydrate radical Phospholipid bilayer Hydrophilic tails Alpha-helix protein Protein channel Peripheral proteins Cholesterol Integral proteins Cytoplasm Cytoskeleton filaments

Polarizzazione della membrana

La membrana è polarizzata e questo avviene grazie alla distribuzione asimmetrica degli ioni tra l'interno e l'esterno della cellula, e questo è mantenuto principalmente dalla pompa sodio-potassio (Na+/K+ ATPasi).

(a) Resting potential 0 mV -70 mV +40 mV Extracellular fluid Na+ Na+ Na+ Na+ K+ Na+ K+ channel Na+ channel Na+ Na+ Na+ Na+ Na Cystoplasm K+ Na+ K+ K+ K+ K+ K+ ATP ADP K+ K+ Na+ K+ Na+ /K+ transporter At the resting potential, all voltage-gated Na+ channels and most voltage-gated K+ channels are closed. The Na+/K+ transporter pumps K+ ions into the cell and Na+ ions out. Na+ Na+ K+

Potenziale di membrana

• La differenza di carica genera un potenziale di membrana, essenziale per numerose funzioni cellulari, come la trasmissione degli impulsi nervosi, la contrazione muscolare e il trasporto di nutrienti. Senza questa proprietà, le cellule non potrebbero comunicare, rispondere agli stimoli o mantenere l'omeostasi

Il potenziale di una cellula a riposo si chiama potenziale di riposo e in un neurone equivale a -70 mV! Dove « - » indica che le cariche negative interne alla membrana sono in eccesso rispetto a quelle del versante esterno

Importanza del potenziale di membrana

1. Il potenziale di membrana è una manifestazione intimamente legata all'attività vitale delle cellule
2. Esso è una riserva di energia, una sorgente di energia potenziale della quale la cellula usufruisce per iniziare le sue attività peculiari Esempio: trasporto attivo secondario, potenziale d'azione o contrattilità muscolare, secrezione di neurotrasmettitori o di alcuni ormoni.
3. Il lavoro del nervo e del muscolo dipendono dal potenziale di membrana.

Origine del potenziale di membrana

Il potenziale di membrana si origina: a) dalla ineguale distribuzione di ioni inorganici (Na+, K+, Cl-) b) dalla dotazione di canali ionici che determinano la permeabilità selettiva della membrana

Fattori responsabili del potenziale di membrana

Distribuzione asimmetrica degli ioni

a) La distribuzione asimmetrica degli ioni tra il liquido intracellulare ed extracellulare Il liquido extracellulare è ricco di ioni sodio (Na+) e cloruro (CI-), mentre quello intracellulare ha elevate concentrazioni di ioni potassio (K+) e proteine cariche negativamente (Pr-).

Permeabilità selettiva della membrana plasmatica

b) La permeabilità selettiva della membrana plasmatica

• La permeabilità selettiva permette il passaggio degli ioni solo attraverso canali di membrana e proteine di trasporto. I canali possono essere:
  • Passivi (leakage): sempre aperti.
  • Attivi (gated): si aprono solo in risposta a determinati stimoli.

Fattori responsabili del potenziale di membrana C

Forze che Influenzano il Potenziale di Membrana

• Forze Passive:
  1. Forza chimica: il gradiente di concentrazione spinge il K+ fuori e il Na+ dentro.
  2. Forza elettrica: il K+ è respinto dalle cariche positive esterne, mentre il Na+ è attratto dalle cariche negative interne.
• Forze attive:
  1. Pompa Na+/K+ ATPasi:
     1. Espelle 3 Na+ fuori e fa entrare 2 K+ dentro.
     2. Mantiene il potenziale di riposo a -70 mV, evitando l'accumulo di Na+ all'interno.

CI- + -30 0 -70 + LIQUIDO EXTRACELLULARE +30 + + + 3 Na+ mV - + + + + + + + + + ++ + + + + Canale passivo del K Pompa di scambio sodio- potassio Canale passivo del Na+ Membrana plasmatica 1 + ADP + - Proteina + ATP - + + + + + + - CITOSOL Proteina lone sodio (Na+) Proteina - Proteina + + lone potassio (K+) + - + I - lone cloruro (CI) + + 2 K+ LEGENDA + + + +Potenziale di Equilibrio di uno ione Cellula permeabile solo al potassio Alta [Na+] Alta [CI] loni K+ O Alta [K+] Alta [A] Nessun potenziale di membrana 0 mV Si sviluppa il potenziale di membrana - + + Forza chimica Forza elettrica Forza chimica O + - + + L'interno della cellula diviene negativo (-) Si stabilisce l'equilibrio EK = - 94 mV + + + + + Forza elettrica e forza chimica si compensano (a) (b) (c) + + 1 + + + + Potenziale O di equilibrio

Potenziale di Equilibrio di uno ione

Cellula permeabile solo al sodio

Alta [Na+] Alta [CI] O O - + Alta [K+] Alta [A ] + + Nessun potenziale di membrana 0 mV Si sviluppa il potenziale di membrana + + + + + O - O Forza chimica Forza elettrica Forza chimica Forza elettrica e forza chimica si compensano (a) (c) O O - - + + + O O - + + O I + + - I O C O Potenziale di equilibrio ENa = +60 mV L'interno della cellula diviene positivo (+) Si stabilisce l'equilibrio (b) O loni Na+ Oloni Na+ Alta [Na+] Alta [CI] Forza chimica per il K+ Alta [K+] Alta [A] Nessun potenzialeO di membrana 0 mV . O Forza chimica per il Na+ O Essendo la membrana più permeabile al potassio, la fuoriuscita di K+ è più rapida dell'ingresso di Na+; si sviluppa pertanto un potenziale di membrana + La forza elettrica ostacola la fuoriuscita di K+ e favorisce l'entrata di Na+ O Forza chimica per il K+ Forza elettrica per il Kto + + Interno della cellula negativo C + O + Forza chimica per il Na+ O Forza elettricao per il Na+ (c) O O O Pompa + Na+/K+ + O - O ATP O + I Potenziale ++ di membrana membrana = - 70 mV 1 + + + + + O O O O O i gradienti di Na+ e K+ costanti (stato stazionario) . O O + + O + + - + + Potenziale di - = - 70 mV + - + + + + O O (a) (b) + L'interno della cellula diviene negativo (-) + I C + La fuoriuscita di K+ diminuisce e l'ingresso di Na+ aumenta. Alla fine il potenziale di membrana si stabilizza (e) (d) O La pompa Na+/K+ contrasta i flussi passivi attraverso la membrana, mantenendo

Generazione e mantenimento del potenziale di membrana

Fase iniziale (a)

1. La cellula ha una concentrazione elevata di K+ e anioni (A-) all'interno, mentre all'esterno ci sono alti livelli di Na+ e CI -.
2. Non c'è ancora una differenza di potenziale (0 mV).
3. La forza chimica spinge K+ fuori dalla cellula e Na+ dentro.

Sviluppo del potenziale di membrana (b)

1. La membrana è più permeabile al K+, quindi i canali passivi permettono la sua fuoriuscita più rapidamente rispetto all'ingresso di Na+.
2. La perdita di K+ carica positivamente l'esterno della cellula, mentre l'interno diventa più negativo.

Interazione delle forze chimiche ed elettriche (c)

1. L'interno negativo della cellula attira i Na+ all'interno e trattiene in parte i K+.
2. Le forze chimiche spingono ancora il K+ fuori e il Na+ dentro, ma la forza elettrica cerca di trattenere il K+ all'interno.

Stabilizzazione del potenziale di membrana (d)

1. La perdita di K+ rallenta, e il movimento degli ioni si stabilizza.
2. Il potenziale di membrana si assesta attorno a -70 mV, che è tipico delle cellule nervose a riposo.

Ruolo della pompa Na+/K+ ATPasi (e)

1. La pompa Na+/K+ usa ATP per mantenere il gradiente ionico:
   1. Espelle 3 Na+ fuori dalla cellula.
   2. Riporta 2 K+ dentro.
2. Questo impedisce la dissipazione del potenziale di membrana e mantiene lo stato stazionario.

L'immagine mostra il bilanciamento tra la diffusione passiva degli ioni e l'azione attiva della pompa sodio-potassio per garantire il potenziale di riposo della membrana

Potenziale di equilibrio per uno ione specifico

Come si può descrive il potenziale di equilibrio per uno ione specifico? Ovvero il valore a cui la forza chimica (gradiente di concentrazione) e la forza elettrica si bilanciano impedendo il movimento netto dell'ione. Esiste un modello matematico che descrive il potenziale di equilibrio di uno ione attraverso la membrana cellulare

Equazione di Nernst

L'equilibrio si raggiunge quando il lavoro (Wc) speso per trasferire una Mole di ione contro gradiente di concentrazione sarà uguale al lavoro speso per trasferire una mole contro gradiente Elettrico (We). We = Wc We = z FEi Wc = RT In [i]. [i]¡ z FEi = RT In [ilo E = RT In[i]. ZiF [i]; E¡ è il potenziale per lo ione X (misurato come potenziale di membrana interno rispetto all'esterno) [i]o è la concentrazione dello ione X fuori dalla cellula [i]i è la concentrazione dello ione X dentro la cellula Zi è la valenza dello ione X R costante dei gas T temperatura assoluta (modula l'energia cinetica degli ioni) F costante di Faraday - indica la carica elettrica tot di una mole di elettroni

Equazione di Nernst

Ex = 61 mV ln [Xo] z [Xi] Valori di riferimento per l'assone gigante di calamaro Concentration (mM) Intracellular Extracellular Ratio Extracellular/ Intracellular Veg (mV) eq Preparation Ion Squid axon) K+ 400 20 0.05 -75.5 (V = - 70 mV) Na+ 50 440 8.80 +54.8 Cl- 40 560 14.00 -66.5

Applicazione al potenziale di membrana

• Per ogni ione (es. K+, Na+, CI-), possiamo calcolare il potenziale di equilibrio.
• Il potenziale di riposo della membrana (-70 mV nei neuroni) è vicino al potenziale di K+, perché la membrana è più permeabile a K+ rispetto ad altri ioni.

Calcolo del potenziale di membrana

E davvero possibile calcolare il Potenziale di membrana con l'equazione di Nernst? · Nella realtà le cellule viventi non sono permeabili ad un solo ione · Si deve pertanto usare l'equazione di Goldman

Equazione di Goldman (GHK) o equazione di campo costante

È una rielaborazione delle equazioni di Nernst per le tre specie ioniche, Na+ , K+ , Cl- , ma tiene conto anche della permeabilità (P) della membrana per ciascun ione. AEG == G RT F In PK+CK+0 + PNa + CNa Na Na + + Pc-CCI- I PK+CK+I K + PNa + CNa Na + Na I + Pc-Ccr-º

Lo ione Na+ tende ad entrare nella cellula, ma la membrana è poco permeabile al Na+ Lo ione K+ esce dalla cellula, perchè la membrana è permeabile al K+ Il rapporto di permeabilità tra K+ e Na+ è 100:1 Di conseguenza: potenziale di membrana a riposo è dovuto principalmente al K+

Variazioni del potenziale di membrana

Qualsiasi stimolo che alteri la permeabilità della membrana agli ioni K+ o Na+ può causare una variazione significativa con effetto immediato nella cellula Uno stimolo che

• apre i canali cancello del Na+ induce un ingresso di cariche positive nella cellula che genera una depolarizzazione della membrana
• apre i canali cancello del K+ fa si che gli ioni lascino la cellula e il potenziale di membrana passa da - 70 mV a - 80 mV, provocando una iperpolarizzazione della membrana