Potenziale di Membrana Notes

Gradiente Elettrico

• Separazione delle cariche: In condizioni normali, il liquido intracellulare ha un leggero eccesso di anioni (cariche negative), mentre il liquido extracellulare ha un leggero eccesso di cationi (cariche positive).
• Distribuzione delle cariche: Queste cariche in eccesso sono raggruppate vicino alla membrana plasmatica.
• Carica netta: La carica netta è indicata con segni (+) e (-) nei due compartimenti (extra- vs. intra-cellulare).

Forze Elettriche

• Direzione della forza elettrica:
  • Per uno ione carico positivamente, la forza elettrica è diretta verso l'interno della cellula quando il potenziale di membrana è negativo.
  • Per uno ione carico negativamente, la forza elettrica è diretta verso l'esterno quando il potenziale di membrana è negativo.
• Influenza del potenziale di membrana:
  • Un potenziale di membrana negativo (e.g., $V_m = -50 mV$) esercita una forza elettrica verso l'interno su ioni positivi.
  • Aumentando l'ampiezza del potenziale di membrana (e.g., $V_m = -100 mV$), aumenta l'ampiezza della forza elettrica.
• Valenza ionica: La forza elettrica è maggiore per ioni con valenza maggiore.
• Entità della carica: La forza aumenta con l'entità della carica.
• Distanza di separazione: La forza aumenta con la diminuzione della distanza di separazione fra le cariche.

Forze Elettrochimiche

• Potenziale di equilibrio del potassio ($E<em>K$): Il potenziale di equilibrio per il potassio è $E</em>K = -94 mV$.
• Equilibrio elettrochimico: Quando il potenziale di membrana ($V<em>m$) è uguale al potenziale di equilibrio ($E</em>K = -94 mV$), la forza elettrochimica è zero.
• Forze opposte:
  • Se $V_m = -70 mV$, la forza elettrica è più piccola della forza chimica, quindi la forza elettrochimica è diretta verso l'esterno.
  • Se $V_m = -100 mV$, la forza chimica è più piccola della forza elettrica, e la forza elettrochimica è diretta verso l'interno della cellula.

Struttura dei Canali Ionici

• Proteine intrinseche: I canali ionici sono proteine intrinseche di membrana.
• Punti di contatto: Formano punti di contatto per le molecole polari tra l'ambiente intra- ed extracellulare.
• Componenti: Sono composti da amminoacidi e subunità, con strutture come l'α-elica.

Funzionamento dei Canali Ionici

• Movimento ionico: Gli ioni ($Na^+$, $K^+$, $Cl^-$) si muovono attraverso i canali aperti.
• Cambiamenti elettrici: Questo movimento causa cambiamenti nelle proprietà elettriche della cellula.
• Recettori e canali ionici: I recettori possono essere associati a canali ionici.
• Stati del canale: I canali oscillano tra stati aperti e chiusi.
• Acetilcolina: Entrambe le subunità α del recettore-canale dell'acetilcolina devono legare il neurotrasmettitore affinché il canale si possa aprire; il complesso ligando-recettore oscilla tra uno stato di apertura e chiusura finché l'acetilcolina legata non si dissocia.

Flusso di Corrente

• Fluttuazioni: Il canale fluttua spontaneamente tra uno stato aperto e uno chiuso.
• Ampiezza della corrente: L'ampiezza della corrente è approssimativamente 2 pA ($2 Imes 10^{-12}$ amps).
• Ioni per secondo: Circa 12.5 milioni di ioni attraversano la membrana per secondo.

Meccanismi di Apertura e Chiusura dei Canali Ionici

• Interazione con ligando: Apertura determinata dall'interazione con un ligando che si associa al canale.
• Fosforilazione: Apertura determinata dalla fosforilazione e chiusura dalla defosforilazione.
• Voltaggio: Apertura determinata dal voltaggio, in risposta a variazioni del potenziale di membrana.
• Stiramento o pressione: Apertura determinata da stiramento o pressione tramite il citoscheletro.

Tipi di Canali e Loro Apertura

• Voltage-gated: Si aprono in risposta a variazioni del potenziale di membrana.
• Ligand-gated: Si aprono (o chiudono) in risposta a uno specifico neurotrasmettitore extracellulare.
• Signal-gated: Si aprono (o chiudono) in risposta a una specifica molecola intracellulare.

Stati del Canale

• Chiuso: Il canale è chiuso.
• Aperto: Il canale è aperto in risposta a depolarizzazione.
• Refrattario: Il canale diventa refrattario.

Interazione Agonista-Antagonista

• Agonista endogeno: Sostanza che attiva il recettore.
• Antagonista reversibile: Blocca il recettore in modo reversibile.
• Antagonista irreversibile: Blocca il recettore in modo irreversibile tramite reazione irreversibile.
• Agonista esogeno: Sostanza esterna che attiva il recettore.

Potenziale di Membrana a Riposo

• Misurazione: Misurato tramite microelettrodo intracellulare e elettrodo extracellulare di riferimento.
• Valore tipico: Il potenziale di membrana a riposo è tipicamente -70 mV.

Canali del Potassio e Potenziale di Membrana

• Canali chiusi: Se i canali del potassio sono chiusi, la differenza di potenziale è nulla nonostante le differenze di concentrazione ionica.
• Canali aperti: Aprendo i canali del potassio, la diffusione degli ioni potassio genera una differenza di potenziale pari al potenziale di equilibrio $E_K$.

Gradienti e Potenziale di Equilibrio

• Gradiente elettrochimico: Il potassio è in equilibrio elettrochimico quando, per una differenza di potenziale elettrico ($E<em>A - E</em>B$) di -60 mV, il gradiente elettrico e il gradiente di concentrazione si bilanciano.

Equazione di Nernst

• L'equazione di Nernst descrive il potenziale di equilibrio per un singolo ione: $E<em>A - E</em>B = frac{RT}{zF} Log frac{[X]<em>A}{[X]</em>B}$ Dove:
  • $R$ è la costante dei gas.
  • $T$ è la temperatura in Kelvin.
  • $z$ è la valenza ionica.
  • $F$ è la costante di Faraday.
  • $[X]<em>A$ e $[X]</em>B$ sono le concentrazioni ioniche nei compartimenti A e B.
  • $frac{RT}{F} = 23.523 + 0.087 T(°C)$

Distribuzione degli Ioni e Potenziale di Equilibrio

• Assone gigante di calamaro:
  • $K^+$: Citoplasma 400 mM, Liquido extracellulare 20 mM, Potenziale di equilibrio -75 mV.
  • $Na^+$: Citoplasma 50 mM, Liquido extracellulare 440 mM, Potenziale di equilibrio +55 mV.
  • $Cl^-$: Citoplasma 52 mM, Liquido extracellulare 560 mM, Potenziale di equilibrio -60 mV.
  • Anioni organici ($A^-$): Citoplasma 385 mM.

Concentrazioni Ioniche nel Muscolo Scheletrico

• Concentrazioni extracellulari (mM):
  • $Na^+$: 145
  • $K^+$: 4
  • $Ca^{2+}$: 1.5
  • $Cl^-$: 123
• Concentrazioni intracellulari (mM):
  • $Na^+$: 12
  • $K^+$: 155
  • $Ca^{2+}$: $10^{-4}$
  • $Cl^-$: 4.2
• Rapporti di concentrazione:
  • $[Na^+]<em>e/[Na^+]</em>i$: 12
  • $[K^+]<em>e/[K^+]</em>i$: 0.026
  • $[Ca^{2+}]<em>e/[Ca^{2+}]</em>i$: 15,000
  • $[Cl^-]<em>e/[Cl^-]</em>i$: 29

Gradienti e Voltaggio

• Potenziale di equilibrio:
  • $E_{Na} = +60 mV$
  • $E_K = -90 mV$
• Potenziale a riposo: -70 mV

Modelli Cellulari

• Cellula permeabile solo al potassio: Il potassio si muove fuori dalla cellula secondo gradiente chimico, creando un interno negativo e generando una forza elettrica che attrae il potassio dentro. All'equilibrio, la forza elettrica bilancia la forza chimica, e il potenziale di equilibrio è $E_K = -94 mV$.
• Cellula permeabile solo al sodio: Il sodio si muove dentro la cellula secondo gradiente chimico, rendendo l'interno positivo. La forza elettrica risultante spinge il sodio fuori. All'equilibrio, il potenziale di equilibrio è $E_{Na} = +60 mV$.
• Cellula permeabile a sodio e potassio: Il potassio esce più velocemente del sodio che entra, sviluppando un potenziale di membrana negativo. La forza elettrica ostacola l'uscita di potassio e favorisce l'entrata di sodio. La pompa sodio/potassio mantiene i gradienti ionici costanti, stabilizzando il potenziale di membrana a -70 mV.

Pompa Sodio/Potassio ATPasi

• Funzionamento: La pompa trasporta 3 $Na^+$ fuori dalla cellula e 2 $K^+$ dentro, utilizzando ATP.

Equazioni di Nernst e Goldman

• Equazione di Nernst:
  $E<em>x = frac{RT}{zF} Ln frac{[X]</em>o}{[X]_i}$
• Equazione di Goldman:
  $V<em>m = frac{RT}{F} Ln frac{P</em>K[K^+]<em>o + P</em>{Na}[Na^+]<em>o + P</em>{Cl}[Cl^-]<em>i}{P</em>K[K^+]<em>i + P</em>{Na}[Na^+]<em>i + P</em>{Cl}[Cl^-]_o}$
  Dove $P$ rappresenta la permeabilità per ciascun ione.

Fattori che Influenzano il Potenziale di Membrana

• Permeabilità della membrana a $Na^+$ e $K^+$.
• Potenziali di equilibrio di $Na^+$ e $K^+$.
• Numero di canali aperti per $Na^+$ e $K^+$.
• Gradienti di concentrazione di $Na^+$ e $K^+$.
• Trasporto attivo di $Na^+$ fuori e $K^+$ dentro la cellula.
• Attività della pompa $Na^+/K^+$.