Basi ioniche dei potenziali

1. Basi ioniche dei potenziali Tutte le attività del sistema nervoso, dalla generazione dei potenziali di membrana alla trasmissione sinaptica, dipendono strettamente dal flusso dei diversi tipi di ioniattraverso i fluidi come il citoplasma e il liquido extracellulare e attraverso la membrana citoplasmatica • La diffusione • Le forze elettriche Il flusso degli ioni è regolato da due meccanismi:

2. Se in una stanza è riunito un numero consistente di persone e ad un certo punto apriamo la porta di comunicazione col la stanza attigua, le persone tenderanno a distribuirsi equamente nelle due stanze migrando dalla zona a maggior densità a quella a densità minore La diffusione La diffusione regola il movimento di tutte le molecole solubili (e quindi non solo gli ioni) e consiste nello spostamento delle molecole dalla zona dove esse sono più concentrate alla zona dove sono meno concentrate

3. Lo stesso accade quando rendiamo una membrana permeabile agli ioni

4. In una cellula nervosa la diffusione dipende da: • Il gradiente di concentrazione di quella molecola(quanto differente è la concentrazione dai due lati) • La permeabilità della membrana nei confronti di quella molecola • (la temperatura) Nell’esempio precedente la diffusione dipenderebbe 1) da quanto affollata la stanza prima che si apra la porta e 2) da quanto grande è la porta che viene aperta

5. La forze elettriche La forze elettriche influenzano il movimento solamente degli ioni Esse dipendono da: • La differenza di potenziale (o voltaggio) • La conduttanza elettrica (o come spesso si preferisce, dal suo reciproco, la resistenza)

6. Voltaggio o differenza di potenziale (si misura in Volt) Flusso di corrente (si misura in Ampere) Conduttanza (si misura in Siemens) Spesso la legge di Ohm viene espressa rispetto alla resistenza La resistenza è semplicemente il reciproco della conduttanza g =1/R I = V/R Resistenza (si misura in Ohm) Il flusso di corrente in un sistema segue la legge di Ohm I = g x V

7. I = gxV Mediante la legge di Ohm,possiamo prevedere il comportamento di uno ione soggetto a forze elettriche In una cellula nervosa il voltaggio è legato al valore del potenziale di membrana La conduttanza elettrica è invece proporzionale al numero di canali ionici (aperti) presenti nella membrana Se la membrana non è permeabile agli ioni (g = 0) oppure se la differenza di potenziale è nulla (V = 0) non ci sarà flusso di corrente (in entrambi i casi I diventa 0)

8. Ad ogni ciclo, la pompa sodio-potassio - espelle tre ioni Na+ (Sodio) - trasporta all’interno due ioni K+ (Potassio) consumando una molecola di ATP Nei neuroni come in tutte le cellule dell’organismo ci sono grandi differenze nella concentrazione di ciascun ione tra interno ed esterno della cellula La differenza di concentrazione degli ioni tra interno ed esterno della cellula è mantenuto dal lavoro incessante della pompa sodio-potassio (e da quello delle altre pompe, pompa del calcio, pompa del cloro) L’80% dell’ATP consumato dal neurone è dovuto al funzionamento delle pompe ioniche

9. K+ 20:1 K+ Il rapporto scritto sopra la freccia indica quanto maggiormente è concentrato uno ione da un lato rispetto all’altro Na+ 1:10 Na+ La freccia indica la direzione in cui gli ioni sono sospinti dal loro gradiente di concentrazione Cl- 1:11 Cl- 1:10.000 Ca++ Ca++ Ci sono 4 ioni importanti, K+, Na+, Ca++, Cl-. Tre sono più concentrati all’esterno, uno (K+) all’interno

10. La maggior parte dei fenomeni che avvengono nel neurone possono essere spiegati studiando il comportamento di due soli ioni , K+ e Na+ Il potassio, K+ è uno ione positivo (catione). Dato che è molto più concentrato all’interno* tenderà ad uscire rendendo l’interno della cellula ancor piùnegativo Anche il sodio, Na+ è uno ione positivo (catione). Dato che è molto più concentrato all’esterno tenderà ad entrare rendendo l’interno della cellula menonegativo Le variazioni di permeabilità della membrana a questi due ioni sono in grado di determinare grandi cambiamenti nel potenziale di membrana * Studiare le sole forze di diffusione ci da una buona approssimazione. Per essere precisi occorrerebbe tuttavia prendere in considerazione contemporaneamente anche forze elettriche

11. Approfondimento 1 Potenziale di equilibrio per uno ione In molti casi il gradiente elettrico può sospingere uno ione in una direzione mentre il gradiente di concentrazione lo sospinge in direzione opposta Quando queste due forze si equivalgono, un ugual numero di ioni entra ed esce dalla cellula e si ha quindi un equilibrio. Il potenziale di membrana a cui questo avviene si chiama potenziale di equilibrio per uno ione

12. Si supponga ad esempio che inizialmente uno ione sia molto più concentrato da un lato della membrana e che non vi sia alcuna differenza di potenziale tra i due lati + + + + + + + + + + - Inizialmente lo ione si muoverà in direzione del lato dove è meno concentrato. Tuttavia man mano che lo ione passa, andranno accumulandosi da quel lato sempre più cariche positive (che saranno invece sottratte dall’altra parte) + + + + - + + + + La differenza di potenziale andrà aumentando e inizierà a ri-sospingere lo ione dentro la cellula - + + + - + + + - + All’equilibrio le due forze si equivarranno senza che si possa mai raggiungere né ugual concentrazione dai due lati, né neutralità elettrica + - + + + + Gradiente di concentrazione Gradiente elettrico

13. Il potenziale di equilibrio per uno ione in una data cellula può essere calcolato mediante una equazione, l’equazione di Nernst, e dipende essenzialmente dalle concentrazioni interna ed esterna di quello ione. Ad esempio nei neuroni a riposo, il K+ è venti volte più concentrato all’interno della cellula e il suo potenziale di equilibrio (EK) calcolato conl’equazione di Nernst, è di –80 mV. Al contrario Na+ è dieci volte più concentrato fuori e il suo potenziale di equilibrio (ENa) calcolato conl’equazione di Nernst, è di +62 mV. Non è necessario studiare nel dettagliol’equazione di Nernst

14. In molti casi le forze elettriche e la diffusione spingono uno ione nella stessa direzione Ad esempio a riposo (Vm = -65 mV) sia la diffusione che le forze elettriche tendono a sospingere dentro il sodio Viceversa all’apice di un potenziale d’azione (Vm = +40 mV) diffusione e le forze elettriche tendono entrambe a sospingere fuori il potassio Il potenziale di membrana (indicato con Vm)è uguale alla differenza di potenziale tra esterno e interno e cioè alla differenza nel numero delle cariche dalle due parti della membrana plasmatica.

15. Na+ K+ Il sodio, concentrato all’esterno, tende ad entrare mentre il potassio, concentrato all’esterno, tende ad uscire Approfondimento 2 Perché il potenziale di riposo del neurone è –65 mV? La pompa sodio-potassio mantiene in continuazione una differenza di concentrazione di K+ e Na+ tra interno ed esterno della cellula

16. Nella membrana sono presenti dei canali per il potassio sempre aperti (canali passivi per ilK+) A causa di ciò, a riposo (quando praticamente non vi sono altri canali aperti) vi è una uscita lenta ma costante di ioniK+ i quali portano all’esterno cariche positive rendendo negativol’interno della cellula L’ uscitadi ioniK+ si arresta quando le forze elettriche iniziano a ri-sospingere il potassio dentro la cellula (l’esterno è positivo e le cariche positive si respingono) . Nella maggior parte dei neuroni questo avviene attorno al valore del potenziale di membrana di circa –65 mV

17. NB: Il potenziale diriposo di una cellula non dipende direttamente dall’azione della pompa sodio-potassio, che si limita a mantenere concentrazioni disuguali di K+ e Na+ ai due lati della membrana. Essa dipende invece dalla differente permeabilità della membrana ai due ioni in questione Esiste un modo preciso per calcolare il potenziale di membrana a riposo (o in qualsiasi altro momento dell’attività del neurone) conoscendo 1) le concentrazioni Interne ed Esterne di ciascun ione (K+, Na+ ecc.) 2) la permeabilità della membrana a ciascun ione in quel momento. Questo modo è mediantel’equazione di Goldman. Non è necessario studiare nel dettagliol’equazione di Goldman