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

K+

Na+Na+ Na+ Na+ Na+

Na+

K+ K+ K+

K+

K+

Gradiente di concentrazione (chimico)

Gradiente di carica (elettrico)

P-

K+

K+

K+

K+

P-P- P-

P-

K+

K+

K+

K+

P-P- P-

P-

K+

K+

K+

K+

P-P- P-

-

+

P-

K+

P-P- P-

+

- -

+

=

Potenziale

di

equilibrio

Il POTENZIALE DI EQUILIBRIO è prevedibile in base alla

EQUAZIONE DI NERNST:

Ea-Eb = -(RT/zF)ln([Xa]/[Xb])

Ea-Eb = differenza di potenzialeR = cost. dei gas, F = cost di Faraday, T= temperatura assoluta, z = valenza.(RT/zF)ln = 60 log;

Ea-Eb = (RT/zF)ln([Xb]/[Xa])

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’

CONDUTTANZA (G)

Capacità di una membrana di far passare una determinata molecola (inverso = impermeabilità)

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-nullaE' 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

Sotto soglia

Tutto-o-nulla

soglia Sopra soglia

+ + + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - - -

+30

0

-60

-80

mvdepolarizzazione Tempo (millisecondi)

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.

prepotenziale

Potenziale a punta

(spike)

ripolarizzazione

Potenziale di riposo

Le fasi del potenziale d’azione

0

-60

-80

+30

mv

Tempo (millisecondi)

ENa

EK

iperpolarizzazionePotenziale 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 bruscamentedurante la ripolarizzazione: aumento (tardivo) della permeabilità al potassio.

0

-60

-80

+30

mv

Tempo (millisecondi)

ENa

EK

Correnti ioniche nel potenziale d’azione

0

-60

-80

+30

mv

prepotenziale

Aumenta INa, ma anche Ik

Potenziale a punta

(spike)

Apertura canali Na+ voltaggio-dipendenti; aumento esponenziale INa

ripolarizzazione

Chiusura canali Na+; apertura canali K+

(rettificazione); uscita K+ per gradiente elettrico e chimico

Potenziale di riposo

La pompa Na/K ristabilisce l’omeostasi

Potenziale di riposo

Canali Na+ chiusi; corrente di K+

Accumulo K+ extracellulare

Potenziale postumo negativo (rallentamento)Potenziale postumo positivo (iperpolarizzazione)

Pompa elettrogenica Na/K accelerata

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)

INa

IK

Voltaggio soglia

0-60-80 mv

ma

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).

Periodo refrattario assoluto

Periodo refrattario relativo

Periodo supernormale

Eccitabilità normale

EK

0

-60

-80

+30

mv

Tempo (millisecondi)

ENa

Eccitabilità normale

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

- - -- - -- - -

+ + +

+ + +

+ + +- - -

+ + +

- - -+ + +

- - -+ + +

+ - -+ - -- - +

+ +

+ +

+ +- - +

+ + - - -+ +

- - - + +

AB B

AB B

-90 mv -90 mv

-60 mv -60 mv

Correnti elettrotoniche

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.

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

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.

MUSCOLO LISCIO (visceri e vasi)

MUSCOLO CARDIACO

MUSCOLO STRIATO (scheletrico)

NEURONI (centrali e periferici)