Nota: Una mini-lezione di 18 minuti su questo argomento può essere visualizzata alla fine di questa pagina.
Se un voltmetro è collegato ai due terminali di una batteria, una differenza di tensione sarà misurata attraverso i due terminali. Allo stesso modo, se un voltmetro viene utilizzato per misurare la tensione attraverso la membrana cellulare (all’interno rispetto all’esterno) di un cardiomiocita, si scoprirà che l’interno della cellula ha una tensione negativa (misurata in millivolt; mV) rispetto all’esterno della cellula (a cui si fa riferimento come 0 mV)., In condizioni di riposo, questo è chiamato potenziale di membrana a riposo. Con un’adeguata stimolazione della cellula, questa tensione negativa all’interno della cellula (potenziale di membrana negativo) può diventare transitoriamente positiva a causa della generazione di un potenziale d’azione. I potenziali di membrana derivano da una separazione di cariche positive e negative (ioni) attraverso la membrana, simile alle piastre all’interno di una batteria che separano cariche positive e negative.,
il potenziale di Membrana nelle cellule sono determinati principalmente da tre fattori: 1) la concentrazione di ioni all’interno e all’esterno della cellula; 2) la permeabilità della membrana cellulare a quelle di ioni (cioè, agli ioni di conduttanza) attraverso specifici canali ionici; e 3) dall’attività di elettrogeniche pompe (ad esempio, Na+/K+-Atpasi e Ca++ trasporto pompe) che mantengono la concentrazione di ioni attraverso la membrana.,
Le cellule cardiache, come tutte le cellule viventi, hanno diverse concentrazioni di ioni attraverso la membrana cellulare, le più importanti delle quali sono Na+, K+, Cl-e Ca++ (vedi figura a destra). Ci sono anche proteine caricate negativamente all’interno della cellula a cui la membrana cellulare è impermeabile. In una cellula cardiaca, la concentrazione di K + è alta all’interno della cellula e bassa all’esterno. Di conseguenza, c’è un gradiente chimico affinchè K+ si diffonda dalla cellula., La situazione opposta si trova per Na + e Ca++ dove i loro gradienti chimici (alte concentrazioni esterne, basse concentrazioni interne) favoriscono una diffusione verso l’interno.
Potassium di potassio
Per capire come viene generato un potenziale di membrana, si consideri innanzitutto un’ipotetica cellula in cui K+ è l’unico ion attraverso la membrana diverso dalle grandi proteine caricate negativamente all’interno della cellula., Poiché la cellula ha canali di potassio attraverso i quali K+ può muoversi dentro e fuori dalla cellula, K+ diffonde il suo gradiente chimico (fuori dalla cellula) perché la sua concentrazione è molto più alta all’interno della cellula che all’esterno. Poiché K + (uno ion caricato positivamente) si diffonde fuori dalla cellula, lascia dietro di sé proteine caricate negativamente. Ciò conduce ad una separazione delle cariche attraverso la membrana e quindi ad una differenza di potenziale attraverso la membrana. Sperimentalmente è possibile impedire che il K + si diffonda fuori dalla cella., Ciò può essere ottenuto applicando una carica negativa all’interno della cella che impedisce al K+ caricato positivamente di lasciare la cella. La carica negativa attraverso la membrana che sarebbe necessaria per opporsi al movimento di K + verso il basso il suo gradiente di concentrazione è chiamato il potenziale di equilibrio per K + (EK; Potenziale di Nernst)., Il potenziale di Nernst per K+ può essere calcolato come segue:
(dove i = 150 mM e o = 4 mM; e z=1 perché K+ è monovalente)
L’EK rappresenta il potenziale elettrico necessario per impedire a K+ di diffondersi fuori dalla cella, lungo il suo gradiente chimico. Se la concentrazione esterna di K+ fosse aumentata da 4 a 40 mm, il gradiente chimico che spinge K+ fuori dalla cella sarebbe ridotto, e quindi il potenziale di membrana richiesto per mantenere l’equilibrio elettrochimico (EK) sarebbe meno negativo secondo la relazione Nernst., In questo esempio, l’EK diventa -35 mV quando la concentrazione esterna di K + è di 40 mm. In altre parole, quando K+ è elevato di 10 volte all’esterno della cella, il gradiente chimico che spinge K+ fuori dalla cella è ridotto e quindi è necessaria una tensione meno negativa per mantenere K+ dalla diffusione fuori dalla cella.
Il potenziale di riposo per un miocita ventricolare è di circa -90 mV, che è vicino al potenziale di equilibrio per K+ quando la concentrazione extracellulare di K+ è di 4 mm., Poiché il potenziale di equilibrio per K + è -96 mV e il potenziale di membrana a riposo è -90 mV, esiste una forza motrice elettrochimica netta (differenza tra potenziale di membrana e potenziale di equilibrio) di 6 mV che agisce sul K+. Il potenziale di membrana è più positivo del potenziale di equilibrio, quindi la forza motrice netta è verso l’esterno a causa del fatto che K+ ha una carica positiva. Poiché la cella di riposo ha una permeabilità finita a K + e la presenza di una piccola forza motrice esterna netta che agisce su K+, c’è una lenta perdita verso l’esterno di K+ dalla cella., Se K + continuasse a fuoriuscire dalla cella, il suo gradiente chimico andrebbe perso nel tempo; tuttavia, una pompa Na+/K+-ATPasi riporta il K + nella cella e quindi mantiene il gradiente chimico K+.
Ioni sodio e calcio
Poiché la concentrazione di Na+ è più alta al di fuori della cellula, questo ion diffonde il suo gradiente chimico nella cellula. Sperimentalmente, questa diffusione interna di Na + può essere prevenuta applicando una carica positiva all’interno della cellula., Quando questo cambiamento positivo controbilancia la forza di diffusione chimica che guida Na + nella cellula, non ci sarà movimento netto di Na+ nella cellula, e Na+ sarà quindi in equilibrio elettrochimico., Il potenziale di membrana necessaria per produrre questo equilibrio elettrochimico è chiamato il potenziale di equilibrio per il Na+(ENa), ed è calcolato come:
(dove i = 20 mM o = 145 mM; e z=1 perchè il Na+ è monvalent)
Il positivo ENa significa che per l’equilibrio interiore diretto chimica gradiente di Na+, l’interno della cellula deve essere +52 mV per evitare di Na+ dal diffondere nella cella., Con un potenziale di membrana a riposo di -90 mV, non c’è solo una grande forza motrice chimica, ma anche una grande forza motrice elettrica che agisce su Na+ esterno per farlo diffondere nella cellula. La differenza tra il potenziale di membrana e il potenziale di equilibrio (-142 mV) rappresenta la forza elettrochimica netta che guida Na+ nella cella al potenziale di membrana a riposo. A riposo, tuttavia, la permeabilità della membrana a Na+ è molto bassa, quindi solo una piccola quantità di Na+ perde nella cellula., Durante un potenziale d’azione, la membrana cellulare diventa più permeabile a Na+, che aumenta l’ingresso di sodio nella cellula attraverso i canali del sodio. Al picco del potenziale d’azione in una cellula cardiaca (ad esempio, miocita ventricolare), il potenziale di membrana è di circa +20 mV. Pertanto, mentre il potenziale di riposo è lontano dall’EN, il picco del potenziale d’azione si avvicina all’EN., Poiché una piccola quantità di Na + entra nella cella a riposo e una quantità relativamente grande di Na+ entra durante i potenziali d’azione, è necessaria una pompa Na+/K+-ATPasi per trasportare Na+ fuori dalla cella (in cambio di K+) al fine di mantenere il gradiente chimico per Na+.
Simile a Na+, c’è una grande differenza di concentrazione di Ca++ attraverso la membrana cellulare. Pertanto, Ca++ si diffonde nella cellula attraverso i canali del calcio. Applicando l’equazione di Nernst a concentrazioni di calcio esterne ed interne di 2,5 mM e 0.,0001 mm, rispettivamente, si traduce in un potenziale di equilibrio di +134 mV come mostrato di seguito.
Questo valore include anche il fatto che Ca++ è un catione bivalente anziché monovalente; pertanto, la costante -61 nell’equazione precedente è divisa per 2 perché z = 2 (z = numero di cariche). Poiché il potenziale di equilibrio è molto più positivo del potenziale di membrana a riposo, c’è una forza elettrochimica netta che cerca di guidare Ca++ nella cellula, che si verifica quando i canali del calcio sono aperti.,
La discussione di cui sopra mostra come i cambiamenti nella concentrazione di singoli ioni attraverso la membrana possono alterare il potenziale di membrana. Tuttavia, per comprendere appieno come più ioni influenzano il potenziale di membrana e, in definitiva, come il potenziale di membrana cambia durante i potenziali d’azione, è necessario imparare come i cambiamenti nella permeabilità ionica della membrana, cioè i cambiamenti nella conduttanza ionica, influenzano il potenziale di membrana., Inoltre, le pompe ioniche elettrogene come la pompa Na + / K + – ATPasi contribuiscono al potenziale di membrana mentre trasportano ioni attraverso la membrana per mantenere le concentrazioni di ioni attraverso la membrana.
La seguente è una mini-lezione sui potenziali della membrana cardiaca (18,3 minuti):