Il potenziale di membrana - CPRG

La membrana
plasmatica è
composta da:
• un doppio strato di fosfolipidi
• proteine associate alla membrana
• intrinseche
• estrinseche (o periferiche)
Le teste polari dei fosfolipidi
sono idrofile (cercano l’acqua) e
sono quindi rivolte verso l’interno
e l’esterno della cellula a contatto
col le soluzioni acquose
Le code apolari sono
idrofobiche (sfuggono l’acqua) e
sono rivolte verso l’interno della
membrana

Le proteine intrinseche sono
bloccate all’interno della
membrana perché la
porzione che attraversa la
membrana ha residui
aminoacidici apolari che non
possono uscire a contatto
con il mezzo acquoso
si
no
si
Nella maggior parte delle cellule le
proteine intrinseche possono
muoversi in orizzontale
liberamente scorrendo dentro la
membrana
no
Nei neuroni tuttavia la maggior parte delle proteine di membrana
sono fissate in posizione dato che porzioni differenti del neurone hanno
composizione proteica e proprietà differenti

Caratteristiche di permeabilità del doppio strato fosfolipidico
In una membrana artificiale
costituita da soli fosfolipidi:
NB: La scala è logaritmica per
cui quando ad esempio si passa da
10 -8 a 10 -6 la permeabilità
diventa 100 volte maggiore
• Passano facilmente i gas, le
molecole liposolubili e
idrofobiche (O 2 , lipidi)
• Passano più lentamente le
molecole polari (H 2 O, CO 2 )
• Non passano le molecole
cariche (ioni: K + , Na + , Cl - )
• A parità di solubilità nei lipidi le
molecole piccole passano più
facilmente delle grandi (H 2 O
diffonde più rapidamente di
monosaccaridi o aminoacidi)

Che cosa sono gli ioni
Quando un sale, ad esempio cloruro di sodio (NaCl), il comune sale
da cucina, viene disciolto in acqua, le sue molecole si dissociano in ioni
Na + Cl -
Nel sale NaCl il legame chimico è molto forte (in quanto le
cariche opposte di Na + e Cl - si attraggono)
La separazione dei due ioni in soluzione è resa possibile dal fatto che
in sostituzione del legame forte tra Na + e Cl - si formano
tanti legami deboli tra le molecole di acqua e gli ioni (il
cosiddetto guscio di idratazione)

L’acqua infatti è un dipolo cioè
una molecola con una parziale carica
positiva e una parziale carica negativa
in grado quindi di
formare legami H (+)
sia con Na +
(-)
O
che con Cl -
H
H
O
O H H
Na +
O H H
O H H
H (+) O H H
O H H
Cl -
H
H
H
H
O
O

Gli ioni che hanno maggior importanza
per la fisiologia del neurone:
Cationi
carica + verso il catodo
Anioni
carica - verso l’anodo
K + Na + Ca ++ Cl -
Potassio
Cloro
Sodio
Calcio

I canali ionici:
ØPermettono il passaggio degli ioni
ØSono estemamente selettivi (lasciano passare di
solito un solo tipo di ione)
Alcuni canali sono
sempre aperti
Canali
passivi
Altri si aprono e si
chiudono in risposta a
determinati stimoli
Canali ad
accesso
variabile

Ci sono vari tipi di canali ad accesso variabile
Alcuni variano la loro permeabilità a seconda
della presenza all’esterno di messaggeri
chimici (ormoni, neurotrasmettitori)
Est
Int
Alcuni variano la loro permeabilità in risposta ad
un messaggero intracellulare
(II° messaggero)
Alcuni variano la loro permeabilità quando vi è una
variazione del voltaggio
Alcuni variano la loro permeabilità in risposta ad
una sollecitazione meccanica sulla cellula
(mediata dal citoscheletro)

I canali ionici
I canali ionici sono
proteine di membrana
Essi sono troppo
piccoli per essere
studiati con metodi
tradizionali
Tuttavia:
Est
Int
5 nanometri
5 nanometri
6 nanometri
2 nanometri
Appartengono a non più di 3-4 diverse famiglie e i diversi tipi di canali si
assomigliano nella struttura
Sono ben conservati a livello filogenetico: lo stesso canale si può trovare
nella drosophila (moscerino della frutta) o nell’uomo

i 4 livelli strutturali delle proteine:
struttura primaria: aminoacidi legati tra loro da legami peptidici (carbossilicoaminico)
struttura secondaria: distribuzione alfa-elica
struttura terziaria: la proteina assume forma globulare, il polipeptide si piega
su se stesso
struttura quaternaria: peptidi differenti si legano tra loro creando una
proteina di dimensioni maggiori
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I canali ionici sono composti da più sub-unità
(di solito da 4 a 6)
La porzione che attraversa
la membrana ha una
struttura ad α-elica con
aminoacidi polari rivolti
verso il canale e aminoacidi
apolari rivolti verso lo
strato fosfolipidico

Metodi di studio dei canali ionici
La sequenza degli amminoacidi ci può dare molte
informazioni
La struttura secondaria ci
può dare informazione sulla
forma del canale
La mappa di idrofobicità
ci da indizi sulla struttura e
sulla funzione dei canali
È anche possibile causare mutazioni mirate in certe porzioni del
canale per vedere qual è la funzione di quella porzione

Patch-clamp
È possibile studiare il
comportamento elettrico
di un solo canale per
mezzo del metodo del
patch-clamp

Immunocitochimica
È possibile ottenere anticorpi che rispondono selettivamente ad un
canale ionico o a sue porzioni
Questi anticorpi vengono poi marcati (con radioattivo o con coloranti
speciali) e si va a vedere dove gli anticorpi si vanno ad attaccare a livello
di una cellula o di un tessuto

Il potenziale di membrana
Nel citoplasma della cellula, così come nel liquido extracellulare
sono disciolti diversi tipi di ioni. La loro concentrazione non è però
uguale dai due lati della membrana citoplasmatica
Il potenziale di membrana ( Vm ) corrisponde alla differenza
di potenziale elettrico tra interno ed esterno della cellula, cioè alla
differenza tra interno ed esterno nel numero di cariche positive e
negative portate dagli ioni
I segnali trasmessi da sistema nervoso sono costituiti
da rapide variazioni del potenziale di membrana delle
cellule nervose

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 ioni
attraverso i fluidi come il citoplasma e il liquido
extracellulare e attraverso la membrana
citoplasmatica
Il flusso degli ioni è
regolato da due
meccanismi:
• La diffusione
• Le forze elettriche

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
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

Lo stesso accade quando rendiamo una
membrana permeabile agli ioni

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
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

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)

la legge di Ohm
relazione tra la differenza di potenziale ai capi di un
conduttore elettrico e la corrente che lo attraversa

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

Mediante la legge di Ohm, possiamo prevedere il
comportamento di uno ione soggetto a forze elettriche
I = g x V
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)

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 mantenuta dal lavoro incessante della pompa sodio-potassio
(e da quello delle altre pompe, pompa del calcio, pompa del cloro)

Ad ogni ciclo, la pompa sodio-potassio
- espelle tre ioni Na + (Sodio)
- trasporta all’interno due ioni K + (Potassio)
consumando una molecola di ATP
L’80% dell’ATP consumato dal neurone è dovuto al funzionamento
delle pompe ioniche

Il rapporto scritto sopra la
freccia indica quanto
maggiormente è
concentrato uno ione da un
lato rispetto all’altro
La freccia indica la direzione
in cui gli ioni sono sospinti
dal loro gradiente di
concentrazione
K + K +
Na +
Cl - 20:1
Ca ++
1:10
1:11
1:10.000
Na +
Cl -
Ca ++

Ci sono 4 ioni importanti:
K + , Na + , Ca ++ , Cl -
Tre sono più concentrati all’esterno,
uno (K + ) all’interno

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 più negativo
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 meno negativo
Le variazioni di permeabilità della membrana a
questi due ioni sono in grado di determinare
grandi cambiamenti nel potenziale di membrana

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

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
+
+
+
+
+
+
+ +
Gradiente di
concentrazione
Gradiente
elettrico
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)
+
+
+
+ +
+ +
-
-
+
+
+

Gradiente di
concentrazione
Gradiente
elettrico
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
+
+
+
+
+ +
-
-
-
+
+
+
+
+

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.

Ex =
RT
zF
ln
[X]e
[X]i
Ex potenziale di equilibrio
R costante dei gas
T temperatura (in Kelvin)
z carica ione
F costante di Faraday

EK =
61,54 mV
x ln
1
20
= -80 mV
nei neuroni a riposo, il K + è venti volte più concentrato
all’interno della cellula e il suo potenziale di equilibrio
(E K ) calcolato con l’equazione di Nernst, è di –80 mV.
Al contrario Na + è dieci volte più concentrato fuori e il suo
potenziale di equilibrio (E Na ) calcolato con
l’equazione di Nernst, è di +62 mV.

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.