EQUILIBRI IONICI E POTENZIALI
TRANSMEMBRANARI
Le cellule viventi sono normalmente cariche
elettricamente, con l'esterno positivo rispetto
all'interno
Potenziale elettrochimico: creato da gradienti di
concentrazione di una sostanza ionizzata (carica
elettricamente), attraverso una membrana: il
gradiente chimico spinge in una direzione e il
gradiente elettrico nell'altra; quando le due
forze si equivalgono, si raggiunge un
POTENZIALE DI EQUILIBRIO
Gradiente di concentrazione (chimico)
Na+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
Gradiente di carica (elettrico)
K+
K+
K+
P- P-
K+
K+
K+
P-
P-
+
K+
K+
P- P-
K+
K+
P-
P-
+
Potenziale
+
di
equilibrio
=
K+
P- P-
P-
K+
P-
K+
P- P-
-
P-
P-
Il POTENZIALE DI EQUILIBRIO è prevedibile
in base alla
EQUAZIONE DI NERNST:
Ea-Eb = -(RT/zF)ln([Xa]/[Xb])
Ea-Eb = (RT/zF)ln([Xb]/[Xa])
Ea-Eb = differenza di potenziale
R = cost. dei gas, F = cost di Faraday, T= temperatura
assoluta, z = valenza.
(RT/zF)ln = 60 log;
Potenziale di equilibrio
Ea-Eb (mV) = 60/z log([Xb]/[Xa])
Il potenziale di equilibrio per uno ione
(Ei) è proporzionale ad una costante e
al rapporto fra le concentrazioni
ioniche di due lati della membrana
Esistono differenze di
concentrazione fra liquido
intra- ed extra- cellulare, in
particolare:
sodio e cloro all'esterno,
proteine e potassio all'interno
Ogni cellula avrà un potenziale di
riposo (Em) che risulta dalla somma
dei potenziali di equilibrio per ogni
ione, calcolabile in base all'equazione
di Nernst, ma corretto per la
permeabilità (gi) della membrana allo
stesso ione
PERMEABILITA’
Capacità di una membrana di far passare una
determinata molecola (inverso = impermeabilità)
CONDUTTANZA (G)
Flusso effettivo di una molecola attraverso una
membrana (dipende da permebilità e ne
costituisce una misura)
Equazione di GOLDMAN
Em = (gK/gt) EK + (gNa/gt) ENa +
(gcl/gt) ECl; gt = gK+gNa+gCl
Nella cellula a riposo gK è circa
10 volte maggiore di gNa e
pertanto il potenziale è vicino a
EK.
Le differenze di
concentrazione sono generate
da pompe metaboliche (in
particolare Na/K-ATPasi), che
possono essere parzialmente
elettrogeniche
POTENZIALE D'AZIONE
E' la prima espressione dell'eccitamento
della cellula eccitabile.
E' un fenomeno con soglia
E' un fenomeno tutto-o-nulla
E' un fenomeno che si propaga
rigenerandosi
E' un fenomeno con un preciso decorso
temporale.
Stimolo: fenomeno
(generalmente elettrico),
naturale o artificiale che può
eccitare la cellula, e provoca
comunque una variazione del
suo potenziale di riposo
Stimolo sotto soglia: provoca
variazioni locali del potenziale,
che si propagano con
decremento e diminuiscono nel
tempo (costanti di spazio e di
tempo).
Stimolo = iniezione cariche positive
+ + +
- - - - - - - - - - - - -
Cellula a riposo
+ + + + + + + + + + + +
d
e
p
o
l
a
r
i
z
z
a
z
i
o
n
e
mv
+30
Sotto soglia
0
-60
soglia
-80
Tempo (millisecondi)
Tutto-o-nulla
Sopra soglia
FASI DEL POTENZIALE D'AZIONE
potenziale di riposo
stimolo efficace (talvolta chiamato
prepotenziale; spesso non distinguibile)
salita rapida con inversione del
potenziale (spike)
ripolarizzazione
Iperpolarizzazione postuma.
Le fasi del potenziale d’azione
ENa
mv
+30
0
Potenziale a punta
(spike)
ripolarizzazione
prepotenziale
-60
-80
EK
iperpolarizzazione
Tempo (millisecondi)
Potenziale di
riposo
MECCANISMI IONICI PREVALENTI
a riposo: membrana (quasi) impermeabile al
sodio
durante il prepotenziale: aumento della
permeabilità al sodio, compensato
dall'aumento della corrente di potassio
durante lo spike: aumento esponenziale della
permeabilità al sodio, che cessa bruscamente
durante la ripolarizzazione: aumento (tardivo)
della permeabilità al potassio.
Correnti ioniche nel potenziale d’azione
ENa
mv
+30
Potenziale a punta
(spike)
0
+;
Chiusura
canali
+Na
Canali
Na
chiusi;
Apertura canali+
apertura
canali
K K+
+ corrente
+ di
Accumulo
Na
voltaggioK
La
Pompa
pompa
elettrogenica
Na/KI , ma
(rettificazione);
Aumenta
Na
extracellulare
dipendenti;
ristabilisce
Na/K
accelerata
+
l’omeostasi
uscita
anche
K per
I
aumento k
gradiente elettrico
esponenziale INa
e chimico
ripolarizzazione
-60
-80
EK
prepotenziale
Potenziale di
riposo
Tempo (millisecondi)
Potenziale
Potenzialepostumo
postumonegativo
positivo
(rallentamento)
(iperpolarizzazione)
Potenziale di
riposo
RUOLO DEI CANALI IONICI: si
tratta di proteine intrinseche di
membrana, il cui comportamento (che
regola la permeabilità) dipende dal
voltaggio della membrana (canali
voltaggio-dipendenti). A riposo (-90
mV) i canali per il potassio sono
prevalentemente aperti e quelli per il
sodio prevalentemente chiusi.
Esistono anche canali regolati
chimicamente, attraverso recettori:
ROC (receptor-operated channels)
ma
INa
IK
Voltaggio soglia
-80
-60
0
mv
TUTTO-O-NULLA: il potenziale
d'azione per una stessa cellula, a
parità di condizioni ambientali, è
sempre uguale. Per questa ragione
viene definito "impulso": la funzione
della cellula dipende dalla presenza o
assenza del potenziale d'azione, non
dalla sua ampiezza e la funzione è
modulata dal numero di impulsi
nell'unità di tempo (frequenza di
scarica).
VARIAZIONI DI ECCITABILITA'
DURANTE IL P.d'A.
una volta superata la soglia e fino a
circa i 2/3 della ripolarizzazione la
cellula non può essere nuovamente
eccitata (PERIODO REFRATTARIO
ASSOLUTO)
In seguito può rispondere a stimoli di
intensità maggiore (PERIODO
REFRATTARIO RELATIVO).
ENa
mv
Periodo refrattario assoluto
+30
0
-60
Periodo refrattario relativo
Periodo supernormale
-80
EK
Eccitabilità normale
Tempo (millisecondi)
ECCEZIONI ALLE REGOLE SOPRA
ESPOSTE: effetto di variazioni del
potenziale di riposo molto lente:
accomodazione.
CONDUZIONE DEL POTENZIALE D'AZIONE
Il P.d'A. può insorgere in un punto qualunque
di una cellula o fibra nervosa
All'esterno della membrana, quel punto
diventa elettronegativo rispetto ai punti
contigui; all'interno diventa positivo
Poiché la resistenza elettrica lungo la
membrana non è infinita, si instaurano
correnti elettriche dallo stesso lato della
membrana: le
CORRENTI ELETTROTONICHE
Correnti elettrotoniche
-90 mv
-60 mv
+
+
A
+
+
+
+
+ +
- - +
- - +
+ +
B
- - + + +
+ + +
- - -
- - + +
B
+ +
- - -
A
B
+
+
+
+
+
+
+
+++
+
+
B
-90 mv
-60 mv
Le CORRENTI ELETTROTONICHE
all'esterno spostano cariche positive
verso il punto eccitato, e all'interno
verso i punti contigui (essendo un
ambiente ionico in cui sono in gioco
cationi, sono questi, che hanno carica
positiva, che si spostano).
Le correnti elettrotoniche non
attraversano la membrana e non
richiedono variazioni di
permeabilità, ma le provocano nei
punti contigui, propagando lo stato
di eccitamento, cioè lo
spostamento del potenziale verso il
valore soglia.
Le correnti elettrotoniche sono
graduate (non tutto-o-nulla), si
propagano con decremento, ed hanno
costante di tempo e di spazio. Il
potenziale d'azione viene generato nei
punti contigui quando viene superato il
valore soglia.
VELOCITA' DI PROPAGAZIONE
Le correnti elettrotoniche si propagano con la
velocità della corrente elettrica (300.000
m/s), che è virtualmente infinita per le
distanze da percorrere
il P. d'A. si propaga con velocità finita, perché
è una risposta biologica ad un fenomeno fisico.
La velocità di propagazione dipende dalla
resistenza longitudinale ed è tanto più elevata
quanto più grande è la cellula o più grossa la
fibra.
VELOCITA' DI PROPAGAZIONE NELLE
FIBRE MIELINICHE
la presenza della guaina mielinica in molte
fibre nervose aumenta molto la velocità di
conduzione, perchè questa avviene a salti
(conduzione saltatoria), fra le interruzioni
della guaina (nodi di Ranvier).
La PROPAGAZIONE FRA CELLULE
CONTIGUE è possibile solo quando
esistono punti a bassa resistenza
(giunzioni strette) fra le cellule.
Conduzione saltatoria
PRINCIPALI CELLULE ECCITABILI: le
caratteristiche del P. d'A. sono parzialmente
diverse per ogni tipo di cellula e verranno
indicate di volta in volta.
NEURONI (centrali e periferici)
MUSCOLO STRIATO (scheletrico)
MUSCOLO CARDIACO
MUSCOLO LISCIO (visceri e vasi)