Potenziali di membrana; potenziale di riposo e d'azione. Premesse indispensabili

1. Potenziali di membrana; potenziale di riposo e d'azione. Premesse indispensabili

2. MEMBRANA PLASMATICA - MEMBRANE DEGLI ORGANELLI • COMPOSIZIONE: bistrato fosfolipidico contenente enzimi, recettori, antigeni; proteine integrali ed estrinseche. • LIPIDI: fosfolipidi, colesterolo, glicolipidi • PROTEINE: asimmetria funzionale (pompe ioniche) • TRASPORTO SENZA ATTRAVERSAMENTO DI MEMEBRANA : Fagocitosi, pinocitosi, esocitosi: formazione di vacuoli, fusione delle membrane anche fra vacuoli (possibile formazione di canali temporanei)

3. TRASPORTO MEDIATO DA PROTEINE Più rapido; cinetica di saturazione; specificità; inibizione competitiva; possibile inibizione da altri fattori; • TRASPORTO (DIFFUSIONE ) FACILITATO: non avviene contro gradiente (non consuma energia), ma è operato da proteine specifiche • TRASPORTO ATTIVO: crea gradienti di concentrazione; consuma energia; • trasporto attivo secondario (cotrasporto).

4. DIFFUSIONE leggi: 1) (x)2 = 2Dt  x = distanza t = tempo D = coefficiente di diffusione il tempo necessario per percorrere la distanza x è proporzionale a D; il tempo di diffusione è inversamente proporzionale al quadrato della distanza.

5. 2) D = kT/(6r) (equazione di STOKES EINSTEIN) • kT = energia cinetica media • r = raggio molecolare •  = viscosità del mezzo Il coefficiente di diffusione D è proporzionale alla temperatura e inversamente proporzionale al raggio della molecola e alla viscosità del mezzo. Per molecole con PM (peso molecolare) > a 300 D è inversamente proporzionale a ( 3 PM) e a (2 PM) per le molecole più piccole

6. DIFFUSIONE ATTRAVERSO UNA MEMBRANA • 3) J= DA*(c/  x) (prima legge di FICK) • J = velocità netta di diffusione • D = coefficiente di diffusione • A = area della membrana •  c = gradiente di concentrazione •  x = spessore della membrana • La velocità netta di diffusione attraverso una membrana è proporzionale al coefficiente di diffusione, all'area della membrana e al gradiente di concentrazione; è inversamente proporzionale allo spessore della membrana.

7. PERMEABILITA' DELLA MEMBRANA: alle molecole liposolubili; alle molecole idrosolubili. • Le molecole liposolubili sono permeabili in funzione della loro liposolubilità e seguono le leggi della diffusione. • Le molecole idrosolubili attraversano la membrana solo se sono molto piccole (acqua), altrimenti la membrana è impermeabile, così come lo è per le molecole ionizzate. Per l'ingresso di queste molecole sono necessari trasportatori, in genere rappresentati da proteine (es. canali ionici, trasportatori di zuccheri e amino acidi).

8. PERMEABILITA' DELLA MEMBRANA: all’acqua. • La membrana cellulare è normalmente permeabile all’acqua, perché contiene specifiche proteine (aquaporine) che ne consentono il passaggio. • In alcuni casi la permeabilità all’acqua è regolata: es. ormone antidiuretico (ADH)

9. OSMOSI: si verifica quando due ambienti contenenti molecole in soluzione sono separati da una membrana semipermeabile E’ semipermeabile una membrana che consenta il passaggio del solvente, non del soluto Qualunque membrana può comportarsi come semipermeabile nei confronti di alcune molecole e non di altre

10. membrana semipermeabile soluzione solvente

11. mmHg 0 10

12. PRESSIONE OSMOTICA (PO) è la pressione che si oppone al passaggio del solvente ed è uguale e contraria alla forza di attrazione delle molecole del soluto su quelle del solvente. La PO è proporzionale alla differenza nel numero assoluto di particelle presenti in ogni ambiente, non al gradiente di concentrazione. A parità di concentrazione (in peso) sono più attive le molecole più piccole (sono più numerose) e quelle dissociate (gli ioni aumentano il numero di particelle).

13. ESEMPIO PRATICO: • Una soluzione somministrata in vena deve essere iso-osmotica rispetto al plasma, altrimenti può danneggiare le cellule del sangue. • Soluzione salina (NaCl): 0.9% (9 grammi/litro) • Soluzione glucosata: 5% (50 gramm/litro)

14. Esistono anche soluzioni iperosmotiche, che vengono somministrate molto lentamente per non danneggiare il sangue e servono per riassorbire acqua dagli spazi interstiziali. L’acqua riassorbita verrà eliminata dai reni

15. CONSEGUENZE FISIOLOGICHE DEI FENOMENI OSMOTICI • Le membrane cellulari si comportano come semipermeabili nei confronti delle molecole di cui non consentono il passaggio (sono permeabili all'acqua): in un ambiente povero di soluti (ipoosmotico) le cellule si rigonfiano, mentre si raggrinzano in ambiente iperosmotico.

16. CONSEGUENZE FISIOLOGICHE DEI FENOMENI OSMOTICI • Nell’organismo avvengono continui ed importanti scambi di acqua. Le forze che spostano l’acqua sono: • Pressione idrostatica • Pressione osmotica

17. COMPARTIMENTI LIQUIDI DELL’ORGANISMO • Acqua 60% • Intracellulare 60% (25 l) • Extracellulare (15 l; comprende il plasma – 3.5 l) • Transcellulare (membrane speciali: articolazioni, occhio …)

19. Fenomeni da comprendere e imparare: • Potenziali d’equilibrio • Potenziali di membrana: • Di riposo • D’azione • Fasi del potenziale d’azione • Correnti ioniche durante il potenziale d’azione • Mantenimento dell’omeostasi cellulare • Conduzione del potenziale d’azione

20. Potenziali di membrana

21. EQUILIBRI IONICI E POTENZIALI TRANSMEMBRANARI Le cellule viventi sono normalmente cariche elettricamente (differenza di potenziale), 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

22. Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ Gradiente di concentrazione (chimico) + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + Gradiente di carica (elettrico)

23. K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ P- P- P- P- P- P- P- P- P- P- P- P- P- P- P- P- + + Potenziale di equilibrio + = - - -

24. 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;

25. 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 logaritmo del rapporto fra le concentrazioni ioniche ai due lati della membrana

26. Esistono differenze di concentrazione fra liquido intra- ed extra- cellulare, in particolare: sodio e cloro all'esterno, proteine e potassio all'interno

27. 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

28. PERMEABILITA’ Capacità di una membrana di far passare una determinata molecola (inverso = impermeabilità) CONDUTTANZA (G) Flusso effettivo di una molecola attraverso una membrana (dipende dalla permebilità e ne costituisce una misura)

29. Potenziale di membrana: 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.

30. Le differenze di concentrazione sono generate da pompe metaboliche (in particolare Na/K-ATPasi), che possono essere parzialmente elettrogeniche (creano differenze di potenziale)

31. I canali ionici più importanti per i potenziali d’azione sono quello per il Na+ e quello per il K+. In particolare, il canale per il Na+ è voltaggio-dipendente e si chiude progressivamente con la polarizzazione della membrana (negativa all’interno), quindi gNa è piccola a riposo

32. Poiché la pompa Na+/K+ è elettrogenica (porta fuori più Na+ e porta dentro meno K+), a mano a mano che si instaurano i gradienti di concentrazione, la membrana si polarizza diventando negativa all’interno (ci sono meno cariche positive). Questo fa chiudere i canali per il Na+voltaggio-dipendenti e gNa è piccola

33. I canali per il K+ sono in larga misura non voltaggio-dipendenti e rimangono aperti nella membrana polarizzata, quindi gK è elevata (nella membrana a riposo)

34. POTENZIALE D'AZIONE E' la prima espressione dell'eccitamento della cellula eccitabile. E' un fenomeno consoglia E' un fenomeno tutto-o-nulla E' un fenomeno che si propaga rigenerandosi E' un fenomeno con un preciso decorso temporale.

35. Stimolo: fenomeno (generalmente elettrico), naturale o artificiale che può eccitare la cellula (se raggiunge la soglia), e provoca comunque una variazione del suo potenziale di riposo

36. Stimolo sotto soglia: provoca variazioni locali del potenziale, che si propagano con decremento e diminuiscono nel tempo (costanti di spazio e di tempo).

37. + + + - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + depolarizzazione mv +30 0 soglia -60 -80 Tempo (millisecondi) Stimolo = iniezione cariche positive Cellula a riposo Sotto soglia Tutto-o-nulla Sopra soglia

38. 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.

39. Le fasi del potenziale d’azione ENa Potenziale a punta (spike) mv +30 ripolarizzazione 0 prepotenziale -60 iperpolarizzazione Potenziale di riposo -80 Tempo (millisecondi) EK Potenziale di riposo

40. MECCANISMI IONICI PREVALENTI a riposo: membrana (quasi) impermeabile al sodio (corrente di K+ verso l’esterno e verso l’interno) durante il prepotenziale: aumento della permeabilità al sodio (corrente di Na+ verso l’interno), compensato dall'aumento della corrente di K+ verso l’esterno durante lo spike: aumento esponenziale della permeabilità al sodio (e della corrente di Na+), che cessa bruscamente durante la ripolarizzazione: aumento (tardivo) della permeabilità al potassio (corrente di K+ verso l’esterno).

41. Correnti ioniche nel potenziale d’azione ENa Chiusura canali Na+; apertura canali K+ (rettificazione); uscita K+ per gradiente elettrico e chimico Canali Na+ chiusi; corrente di K+ Potenziale a punta (spike) Apertura canali Na+ voltaggio-dipendenti; aumento esponenziale INa Accumulo K+ extracellulare Pompa elettrogenica Na/K accelerata Aumenta INa, ma anche Ik mv mv +30 +30 0 0 ripolarizzazione Potenziale postumo negativo (rallentamento) Potenziale postumo positivo (iperpolarizzazione) -60 -60 prepotenziale Potenziale di riposo -80 -80 Tempo (millisecondi) EK La pompa Na/K ristabilisce l’omeostasi Potenziale di riposo

42. 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 canaliregolati chimicamente, attraverso recettori: ROC (receptor-operated channels)

43. ma INa Canali voltaggio dipendenti (esponenziale) IK Equilibrio di Nernst (lineare) Voltaggio soglia -80 -60 0 mv La soglia per l’insorgenza del potenziale d’azione

44. 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).

45. 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).

46. Significato: In un preparato sperimentale: si aumenta l’intensità dello stimolo Nella realtà fisiologica: l’eccitazione proveniente da altre cellule (attraverso sinapsi) deve essere maggiore

47. ENa Periodo refrattario assoluto mv +30 0 Periodo refrattario relativo -60 Periodo supernormale -80 Eccitabilità normale Tempo (millisecondi) EK

48. ECCEZIONI ALLE REGOLE SOPRA ESPOSTE: effetto di variazioni del potenziale di riposo molto lente: accomodazione. I canali Na+ voltaggio dipendenti si inattivano prima di aprirsi; lo spike diminuisce e la cellula può diventare ineccitabile.

49. I canali Na+ voltaggio dipendenti possono trovarsi in tre diverse condizioni: • Attivi ma chiusi (a riposo, polarizzazione) • Aperti (spike) • Inattivi (apice dello spike; periodo refrattario assoluto)

50. Modello di funzionamento dei canali voltaggio-dipendenti polarizzazione depolarizzazione Fattore di attivazione E Fattore di inattivazione I