Citologia 14 - Potenziale di membrana
Il potenziale di membrana è la differenza di potenziale elettrico tra il versante intracitoplasmatico (interno) della membrana e quello extracitoplasmatico (esterno).
Normalmente questo potenziale si aggira attorno a -70mV. Questo potenziale non è sempre costante ed in alcune cellule (es. nervose, muscolari etc.) può aumentare rapidamente per poi riabbassarsi. La varizione di breve durata della differenza di potenziale della membrana è chiamata potenziale di azione.
0. Fase di riposo : La cellula ha un potenziale di membrana a riposo pari a circa -70mV (pu`o variare da -60 a -90 mV in base al tipo di cellula ed il tessuto) per questo motivo si definisce “polarizzata”
In queste condizioni si ha una diversa concentrazione di ioni tra l’interno e l’esterno della cellula, c’è una maggiore concentrazione di Cl- (ione Cloro) all’esterno della membrana che compensa le cariche negative degli anioni proteici (P-) presenti nel versante intracitoplasmatico.
Le principali cariche positive sono invece Na+ (ione sodio) e K+ (ione potassio). La pompa responsabile della creazione del gradiente chimico prende il nome di pompa Na+/K+.
La continua azione della pompa sodio-potassio porta nella cellula 2 K+ ogni 3 Na+ pompati fuori.
Per differenza di gradiente chimico, gli ioni Na+ hanno una tendenza ad entrare all’interno della cellula mentre gli ioni K+ hanno una tendenza ad uscire da essa. La membrana cellulare è per definizione impermeabile al sodio e al
potassio, però nonostante ciò una piccola quantità di ioni K+ escono dalla cellula per diffusione facilitata grazie a dei canali ionici specifici per K+ .
1Mediante il rilascio di ioni K+, l’ambiente intracellulare diventa negativo, rispetto invece all’ambiente extracellulare che acquisendo cariche positive diventa a sua volta positivo.
Ovviamente non esce tutto il potassio che rimane comunque più concentrato all’interno della cellula. I -70mV a riposo rappresentano proprio il potenziale elettrico che equilibra il gradiente chimico che altrimenti spingerebbe fuori ancora altro potassio.
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Il passaggio del Na+ è 50-100 volte più lento
Stimoli depolarizzanti:
L’equilibrio elettrochimico può essere perso in seguito a stimoli meccanici o termici, dal legame di una particolare sostanza ad un recettore o dalla attivazione di alcune proteine chinasi (in grado di fosforilare altre proteine). Questi stimoli agiscono mediante due tipi di canali:
● canali K+ : chiudendosi impediscono la fuoriuscita di cariche positive (K+), causando quindi una minore negatività dell’ambiente interno rispetto a quello esterno;
● canali Na+ : tramite l’apertura di questi canali entrano cariche positive (Na+) secondo gradiente sia chimico (c’è più sodio fuori che dentro) che elettrico (l’esterno della cellula è positivo mentre l’interno è negativo).
Se questo stimolo è abbastanza intenso (apre o chiude molti canali) da ridurre la differenza di potenziale della membrana a -55mV si innescano una serie di eventi che portano alla depolarizzazione completa della membrana. Se questo stimolo invece è debole e verrà ignorato. Questa è detta legge del tutto o nulla
.
1. Fase di depolarizzazione : Quando il potenziale della membrana sale a -55mV (meno negativo rispetto ai -70mV del potenziale di riposo) si aprono i canali del sodio controllati dal voltaggio. Gli ioni Na+ entrano all’interno della cellula per la forte differenza di concentrazione. Si spostano talmente tanti ioni Na+
all’interno che il potenziale della membrana non solo viene dissipato ma addirittura invertito (ora ci sono più cariche positive all’interno della cellula che all’esterno).
Il potenziale sale fino ad un massimo di +35mV, dopodichè i canali del sodio controllati da voltaggio si inattivano.
I canali del sodio possono trovarsi in tre stati:
● Chiuso: quando il potenziale di membrana è <
-55mV (interno rispetto all’esterno). Gli ioni Na+ non possono passare in questo stato. Uno stimolo depolarizzante (che porta ad un aumento delle cariche positive all’interno della cellula) è in grado di portarlo nella sua conformazione aperta e di scatenare quindi la depolarizzazione della cellula
● Aperto: quando il potenziale di membrana è tra -55mV e +35mV. In questo stato il
canale lascia passare gli ioni Na+
● Inattivo: quando il potenziale di membrana è > +35mV. Il canale non lascia passare il sodio ma, a differenza dello stato “chiuso”, uno stimolo depolarizzante non è in grado di far aprire il canale. Per questo motivo è impossibile la sovrapposizione di due onde di depolarizzazione ma è necessario che si ripolarizzi la membrana prima che parta una seconda.
In questa fase quindi i canali del sodio sono chiusi e non è possibile riaprirli con un ulteriore stimolo. La cellula si trova quindi in uno stato definito di refrattarietà assoluta
2. Fase di ripolarizzazione: Durante la depolarizzazione si so sono aperti anche dei canali del potassio . Questi canali sono però molto lenti e si
2aprono con un certo ritardo rispetto a quelli del sodio.
Questi canali permettono una fuoriuscita di potassio molto maggiore di quella consentita dai pochi canali presenti durante la fase di riposo.
La cellula perde quindi le cariche positive degli ioni K+
ripristinando il suo potenziale di -70mV (ma non il suo equilibrio chimico normale).
3. Fase di iperpolarizzazione : A causa del fatto che i canali del potassio non si richiudono tutti
contemporaneamente alcuni di essi continuano a far uscire ioni K+ anche dopo il ripristino del potenziale di -70 mV, raggiungendo un potenziale ancora più negativo fino al valore limite di -93 mV. Questa ulteriore polarizzazione della membrana (oltre i -70 mV) è detta
“fase di iperpolarizzazione”. In questa fase il potenziale è più basso di quello di riposo ed uno stimolo per avviare una nuova depolarizzazione durante questa fase (raggiungendo i -55mV) dovrà essere molto più intenso di quello normalmente sufficiente per raggiungere la soglia dei -55mV. Per questo motivo questa fase è definita refrattarietà relativa.
In realtà, la fase di iperpolarizzazione si arresta attorno ai -80 mV per l’intervento (già in questa fase) della pompa Na+/K+.
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