Appunti sul Potenziale di Membrana

Gradiente Elettrico

• Il gradiente elettrico è determinato dalla separazione delle cariche ai due lati della membrana plasmatica.

• 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).

• Questi eccessi di carica si concentrano vicino alla membrana.

• La carica netta è indicata dai segni + e - nei due compartimenti.

Forze Elettriche

• Uno ione carico positivamente che attraversa la membrana citoplasmatica è spinto verso l'interno dalla forza elettrica se il potenziale di membrana è negativo.

• Uno ione carico negativamente che attraversa la membrana citoplasmatica è spinto verso l'esterno dalla forza elettrica se il potenziale di membrana è negativo.

• L'aumento dell'ampiezza del potenziale di membrana aumenta l'ampiezza della forza elettrica.

• La forza elettrica è maggiore per gli ioni con valenza maggiore.

• La forza elettrica aumenta con l'entità della carica.

• La forza elettrica aumenta con la diminuzione della distanza di separazione fra le cariche.

Forze Chimiche ed Elettrochimiche

• Le forze elettriche, chimiche ed elettrochimiche agiscono sugli ioni potassio (K^+) che attraversano la membrana citoplasmatica.

• Il potenziale di equilibrio per il potassio (E_K) è -94 mV.

• Quando il potenziale di membrana (Vm) è uguale al potenziale di equilibrio (EK = -94 mV), la forza elettrochimica è zero.

• Quando il potenziale di membrana è -70 mV, la forza elettrica è più piccola della forza chimica, e la forza elettrochimica è diretta verso l'esterno.

• Quando il potenziale di membrana è -100 mV, la forza chimica è più piccola di quella elettrica, e la forza elettrochimica è diretta verso l'interno della cellula.

Struttura dei Canali Ionici

• I canali ionici sono proteine intrinseche di membrana che formano punti di contatto per le molecole polari tra l'ambiente intra- ed extracellulare.

• Essi sono composti da subunità e α-eliche, e contengono aminoacidi come serina e leucina.

Funzionamento dei Canali Ionici

• I canali ionici possono essere aperti o chiusi, permettendo il movimento di ioni come Na^+, K^+, Cl^-, e Ca^{2+} attraverso la membrana.

• Il movimento degli ioni attraverso i canali aperti cambia le proprietà elettriche della cellula.

Recettori-Canale

• Un esempio di recettore-canale è il recettore dell'acetilcolina (ACh) nella placca motrice.

• Entrambe le subunità α del recettore devono legare l'acetilcolina affinché il canale si apra.

• Una volta formato il complesso ligando-recettore, esso oscilla tra uno stato di apertura e chiusura fino a quando l'acetilcolina si dissocia.

Fluttuazioni dei Canali Ionici

• I canali ionici fluttuano spontaneamente tra uno stato aperto e uno chiuso.

• L'ampiezza della corrente attraverso un singolo canale di potassio è approssimativamente 2 pA (2 Imes 10^{-12} amps), che corrisponde a 12.5 milioni di ioni che attraversano la membrana al secondo.

Meccanismi di Apertura e Chiusura dei Canali Ionici

• Apertura determinata dall'interazione con un ligando.

• Apertura determinata dalla fosforilazione.

• Apertura determinata dal voltaggio (variazione del potenziale di membrana).

• Apertura determinata da stiramento o pressione.

Tipi di Canali Ionici

• Canali voltaggio-dipendenti.

• Canali ligando-dipendenti.

• Canali meccano-sensibili (tension-gated).

• Canali regolati da segnali intracellulari (signal-gated).

Stati dei Canali Voltaggio-Dipendenti

• Chiuso.

• Aperto.

• Refrattario.

Modulazione dei Canali Ionici

• Agonisti endogeni ed esogeni possono influenzare l'apertura dei canali.

• Antagonisti reversibili e irreversibili possono bloccare i canali.

Potenziale di Membrana a Riposo

• Il potenziale di membrana a riposo è misurato tramite microelettrodi intracellulari e un elettrodo di riferimento extracellulare.

• Il valore tipico del potenziale di membrana a riposo è di -70 mV.

Canali del Potassio e Potenziale di Membrana

• Se una membrana separa due compartimenti con diverse concentrazioni ioniche ed è permeabile solo al potassio, si genera una differenza di potenziale.

• L'apertura dei canali del potassio permette la diffusione degli ioni K^+ generando un potenziale di equilibrio E_K. Quest'ultimo si crea quando il potassio fluisce dal compartimento a maggiore concentrazione verso quello a minore concentrazione, generando una differenza di potenziale che si oppone all'ulteriore flusso.

Equilibrio Elettrochimico e Gradiente

• Quando il potassio (K^+) è in equilibrio elettrochimico attraverso una membrana, per una differenza di potenziale elettrico (EA - EB) di -60 mV, si ha un gradiente elettrico (freccia rossa) opposto al gradiente di concentrazione (freccia gialla).

• Equazione di Nernst: EA - EB = -60 mV Imes log frac{[X]A}{[X]B}.

Equazione di Nernst

• L'equazione di Nernst è usata per calcolare il potenziale di equilibrio per un determinato ione:
  V = frac{RT}{zF} Imes ln frac{C1}{C2}

• Dove frac{RT}{F} = 23.523 + 0.087 Imes T (°C).

Ioni non in Equilibrio

• Se lo ione bicarbonato (HCO3^-) non è in equilibrio elettrochimico attraverso la membrana, con EA - EB = +100 mV, e la forza elettrica necessaria fosse +60 mV, ci sarà un flusso netto di HCO3^- da B verso A.

Distribuzione degli Ioni nell'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

• Na^+: Extracellulare 145 mM, Intracellulare 12 mM, Rapporto [Ione]e/[Ione]i = 12

• K^+: Extracellulare 4 mM, Intracellulare 155 mM, Rapporto [Ione]e/[Ione]i = 0.026

• Ca^{2+}: Extracellulare 1.5 mM, Intracellulare 10^{-4} mM, Rapporto [Ione]e/[Ione]i = 15.000

• Cl^-: Extracellulare 123 mM, Intracellulare 4.2 mM, Rapporto [Ione]e/[Ione]i = 29

Gradienti e Voltaggio

• Il gradiente di concentrazione e il gradiente elettrico influenzano il movimento degli ioni sodio (Na^+) e potassio (K^+).

• Il potenziale di membrana a riposo è tipicamente -70 mV, mentre i potenziali di equilibrio per sodio e potassio sono +60 mV e -90 mV, rispettivamente.

Potenziale di Membrana: Caso Semplice

• Cellula 1 (permeabile solo al potassio):

  • Alta concentrazione di K^+ e anioni organici (A^-) all'interno.

  • Alta concentrazione di Na^+ e Cl^- all'esterno.

  • Il potassio esce dalla cellula seguendo il gradiente chimico.

  • L'interno della cellula diventa negativo, creando una forza elettrica che si oppone all'ulteriore fuoriuscita di potassio.

  • Si stabilisce l'equilibrio quando la forza elettrica e la forza chimica si compensano (E_K = -94 mV).

Potenziale di Membrana: Caso 2

• Cellula 2 (permeabile solo al sodio):

  • Alta concentrazione di Na^+ e Cl^- all'esterno.

  • Bassa concentrazione di Na^+ e Cl^- all'interno.

  • Il sodio entra nella cellula seguendo il gradiente chimico.

  • L'interno della cellula diventa positivo, creando una forza elettrica che si oppone all'ulteriore ingresso di sodio.

  • Si stabilisce l'equilibrio quando la forza elettrica e la forza chimica si compensano (E_{Na} = +60 mV).

Potenziale di Membrana a Riposo: Caso 3

• Cellula 3 (permeabile sia al sodio che al potassio, ma più permeabile al potassio):

  • Il potassio esce dalla cellula più velocemente di quanto il sodio entri, rendendo l'interno negativo.

  • La forza elettrica ostacola la fuoriuscita di potassio e favorisce l'entrata di sodio.

  • Si stabilisce un potenziale di membrana a riposo di -70 mV.

  • La pompa sodio/potassio (Na+/K+-ATPasi) mantiene i gradienti di concentrazione di sodio e potassio.

Pompa Sodio/Potassio (Na+/K+-ATPasi)

• La pompa sodio/potassio trasporta 3 ioni sodio (Na^+) fuori dalla cellula e 2 ioni potassio (K^+) dentro la cellula utilizzando ATP.

• Questo processo aiuta a mantenere il potenziale di membrana a riposo.

Equazioni di Nernst e Goldman

• Equazione di Nernst: Ex=fracRTzFlnfrac[X]o[X]iEx=fracRTzFlnfrac[X]o[X]i​

• Equazione di Goldman: Vm=fracRTFlnfracPK[K+]o+PNa[Na+]o+PCl[Cl−]iPK[K+]i+PNa[Na+]i+PCl[Cl−]oVm=fracRTFlnfracPK[K+]o+PNa[Na+]o+PCl[Cl−]iPK[K+]i+PNa[Na+]i+PCl[Cl−]o​
  

• Versione semplificata dell'equazione di Goldman:
  V = frac{RT}{F} Imes ln frac{P{Na} [Na^+]o + PK [K^+]o + P{Cl} [Cl^-]i}{P{Na} [Na^+]i + PK [K^+]i + P{Cl} [Cl^-]o}

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Fattori che Influenzano il Potenziale di Membrana

• Permeabilità della membrana al sodio e al potassio.

• Numero di canali per il sodio e il potassio aperti.

• Gradienti di concentrazione del sodio e del potassio.

• Trasporto attivo del sodio all'esterno e del potassio all'interno della cellula (pompa Na+/K+).

• Potenziale di equilibrio del sodio e del potassio.