Genesi del Potenziale di Riposo o Resting Potential

1. Genesi del Potenziale di Riposo o Resting Potential

2. Importanza funzionale del RP: è enorme La polarizzazione delle membrane cellulari (interno negativo rispetto all’esterno) interferisce (direttamente o indirettamente) con tutti iflussi di particelle dotate di carica elettrica che attraversano la membrana. • In particolare: • Il RP costituisce un’energia potenziale favorevole all’ingresso degli ioni Na+ e Ca2+ • L’ingresso di Ca2+ è un potentesegnale (il Ca2+ è un importante “messaggero intracellulare”) che scatena risposte quali ad es. esocitosi di vescicole contenenti il neurotrasmettitore). • È condizione necessaria perchè le cellule eccitabili possano sviluppare un potenziale d’azione, e perché le cellule muscolari (comprese quelle del cuore) possano contrarsi.

3. In tutte le cellule è possibile misurare una differenza di potenziale a cavallo del plasmalemma

4. Forze agenti sugli ioni • Gradiente di Concentrazione • Campo Elettrico Energia chimica è l’energia contenuta in un gradiente di concentrazione Energia elettrica è l’energia dovuta alle cariche in un campo elettrico

5. 0 - - - - + + + + - - + + K+ K+ K+ K+ K+ - - - - - - + + + + Na+Cl- 100 mM K+Cl- 100 mM + + ΔE ΔC ΔE ΔC ΔE ΔC GENESI DI UN POTENZIALE D’EQUILIBRIO All’equilibrio: flusso dovuto al gradiente di conentrazione = flusso dovuto al potenziale elettrico Si tratta di un equilibrio elettro-chimico

6. + + + + - - - - æ ö [ C ] RT 1 2 + + + + - - - - = ´ ç ÷ 1(es) E ln ç K+ K+ zF [ C ] è ø 2(in) Il potenziale di equilibrio può essere calcolato dall’Equazione di Nernst R= 8.3 J/mol oK =1.98 cal/mol oK (cost. dei gas) T = 293 oK (20 oC) z = +1 (per Na+, K+, H+ etc) z = -1 (per Cl-) z = +2 (per Ca2+ etc) F = 96,500 coulomb (costante di Faraday)

7. La variazione di energia libera ΔG, ovvero il lavoro W associati con il trasporto di uno ione (i) attraverso la membrana possono essere scritti come: Dal momento che lo ione i è elettricamente carico, nel computo di ΔG (o di W) vi è sia una componente chimicaRTln([I]est/[I]int) che una componente elettricazFE. (DGo è la variazione di energia libera standard, dovuta alla composizione molecolare; notare che in questo caso ΔGo=0, non venendo rotti dei legami nè generato calore) All’equilibrio ΔG (ovvero W) è zero e quindi: Pertanto il potenziale di equilibrio dello ione i è: L’equazione di Nernst può essere ricavata in base a considerazioni puramente teoriche

8. Distribuzione di Boltzmann Notare che: • Ovvero, essendo: • qe=carica dell’elettrone=F/N • R=cost. dei gas=kB·N • dove: • kB (cost. di Boltzmann) • N (numero di Avogadro: n. particelle/mole) • F (cost. di Faraday:carica di una mole di elettroni)

9. Un esempio pratico una cellula Supponendo che la membrana di una cellula sia permeabile solo al K+, calcolare il potenziale di membrana

10. Un altro esempio una cellula Supponendo che la membrana di una cellula sia permeabile solo al Na+, calcolare il potenziale di membrana

11. Domanda molto pertinente: visto che il RP si mantiene costante nel tempo (e così pure le concentrazioni ioniche), si può dire che a cavallo della membrana sussiste un equilibrioelettrochimico ? La risposta è NO Infatti, il RP non coincide col potenziale di equilibrio (potenziale di Nernst) per nessuna delle specie ioniche presenti. A 18°C …. conc.extracell. (mM/litro) 20 440 560 2.5 120 120 5 145 110 conc.intracell. (mM/litro) 400 50 40 139 20 3.8 140 5 4 pot. di Eq. (mV) -75 +55 -66 -102 +45 -88 -90 +91 -89 RP (mV) -60 -90 -80 Cellula Assone gigante di Calamaro Fibrocellula muscolare di Rana Neurone di Mammifero  ione K+ Na+ Cl- K+ Na+ Cl— K+ Na+ Cl-

12. 1 1 1 2 2 2 Na+Cl- 100 mM K+Cl- 100 mM + + + + - - - - - - + + K+ K+ Na+ Na+ - - + + + + + - - - pK>pNa pK>pNa fK>fNa fK=fNa GENESI DI UN POTENZIALE DI DIFFUSIONE Si genera quando la membrana è permeabile in misura diversa alle varie specie ioniche t1 t2 • Il suo raggiungimento comporta: • Equilibrio elettrico ma squilibrio elettrochimico • Flusso netto non nullo delle varie specie ioniche • Un potenziale di diffusione non si mantiene indefinitivamente

13. Confronto tra potenziale d’equilibrio e di diffusione • Potenziale di equilibrio: • Le specie ioniche diffusibili sono all’equilibrio elettrochimico (vale l’equazione di Nernst) • Il potenziale di membrana coincide con il potenziale di equilibrio di ciascuna specie ionica diffusibile (Vm=Ei) • Il potenziale di equilibrio si mantiene indefinitamente • Potenziale di diffusione: • Le specie ioniche diffusibili non sono all’equilibrio elettrochimico (non vale l’equazione di Nernst) • Il potenziale di membrana non coincide con il potenziale di equilibrio di alcuna delle specie ioniche diffusibili (Vm≠Ei) • Il potenziale di diffusione non si mantiene indefinitamente

14. Supponiamo a scopo didattico che la pompa trasferisca attivamente ai due lati della membrana Na+ e K+ in uguale misura (in un rapporto 1:1), che cioè non sia elettrogenica. Supponiamo anche di partire da una condizione iniziale in cui la pompa sia inattiva, e che il compartimento intra- e quello extracellulare contengano lo stesso numero di ioni Na+ e K+, ad esempio 10.000. • Immaginiamo ora che la pompa incominci ad operare (A1), e che in 1 sec essa trasferisca 1.000 ioni Na+ in un senso e 1.000 ioni K+ in senso opposto. Il trasferimento di questi ioni creerà due gradienti di concentrazione uguali (2000 K+ in eccesso al versante interno e 2000 Na+ al versante esterno), ma nongenererà di per sé alcuna ddp a cavallo della membrana; infatti la carica netta trasportata a cavallo della membrana dalla pompa è nulla. Però si saranno stabiliti due gradienti di concentrazione, ed essendo PK=100∙PNa, per ogni Na+ che entra usciranno 100 K+ (A)2. Questiflussi passivisìche creeranno una ddp: infatti essi determineranno un iniziale deficit di 99 carichepositive all’interno. • NB qui si vede bene da dove viene il RP: se fosse PK=PNa, non ci sarebbe alcun pdd !

15. Cl- Pr- Na+ Riassumendo Il potenziale di riposo è una conseguenza di una permanente differenza di concentrazione ionica ai due capi della membrana • Questa è prodotta da: • una membrana selettivamente permeabile (potenziale di diffusione) • un trasporto attivo degli ioni Na+ e K+

16. esterno Cl- gNa Na+ gK gCl K+ ENa EK ECl interno Pertanto, un canale e il gradiente di concentrazione dello ione permeante che lo attraversa possono essere rappresentati da un punto di vista elettrico come costituiti rispettivamente da un resistore e da una batteriain serie Se sulla membrana esistono più canali ciascuno selettivo per un certo ione, il circuito elettrico equivalente sarà del tipo:

17. Si è visto che la membrana plasmatica con il suo corredo di canali ionici e di ioni diversamente concentrati ai suoi lati, è assimilabile ad un conduttore elettrico dotato di batterie e resistori Nell’esempio a lato il circuito simula una membrana dotata di canali selettivi per K+ e Na+ Vm E’ possibile applicare la legge di Ohm: dove: gi ≡conduttanza della membrana per lo ione i (Vm-Ei ) ≡ d.d.p. elettrochimico che muove lo ione i (driving force) Quindi: Pertanto il potenziale di membrana sarà: Studiando il potenziale di diffusione abbiamo visto che a un certo istante il flusso di K+ è uguale e contrario al flusso di Na+, ovvero la somma delle correnti IK e INa è nulla: equilibrio elettricoINa+ IK = 0

18. Gramicidina A in un bilayer lipidico e acqua • Antibiotico peptidico • 15 amino acidi, alfa elica • Il canale è formato da un dimero testa-testa • Forma un poro nella parete cellulare dei batteri e fa uscire cationi monovalenti (K+, Na+). • [Il potenziale di membrana si annulla e il battere muore!]