Meccanismi responsabili del potenziale di membrana a riposo delle cellule

Questo capitolo è vagamente pertinente alla Sezione E(i) del programma primario CICM 2017, che prevede che il candidato all’esame “spieghi i meccanismi di trasporto di sostanze attraverso le membrane cellulari”. Sebbene le parole “potenziale di membrana a riposo” non appaiano mai nei grimori del college, la domanda 14 del secondo articolo del 2017 ha dedicato il 60% dei voti a questa area tematica., Specifiche aree di conoscenza dettagliata attese dagli esaminatori erano la comprensione di “permeabilità selettiva della membrana, gradienti elettrochimici e meccanismi di trasporto attivo”. Oltre a ciò, i tirocinanti dovevano solo “dimostrare la consapevolezza” dell’equazione di Nernst e dell’equazione di Goldman-Hodgkin-Katz.,

La lotta per mantenere una sorta di rilevanza dell’esame e la messa a fuoco dell’argomento è sempre stata una sfida per questo autore, e questo problema diventa più importante ovunque l’attenzione degli esaminatori del college sia percepita come non corrispondente all’apparente importanza dell’argomento del capitolo. Così è con il potenziale di membrana a riposo, che è abbastanza fondamentale per praticamente tutto in biologia medica., Uno sarebbe giustificato nel dire che lo scopo fondamentale di tutta la vita sulla Terra è quello di impedire con forza gli ioni di stabilirsi ad un buon equilibrio elettrochimico su entrambi i lati di una membrana. Tuttavia, per proteggere i candidati all’esame da questo tipo di discorso, le importanti risposte SAQ sono state concentrate in questa scatola grigia.

In sintesi:

Se si ha bisogno di una risorsa autorevole per queste informazioni, si dovrebbe andare ai libri di testo ufficiali del college. Capitolo 1 della 23a edizione di Ganong’s Review of Medical Physiology o Capitolo 5 di Guyton& Hall (il mio è il 13 ° ed) entrambi fanno un lavoro altrettanto approfondito di spiegare questo concetto. Se questa raccomandazione di risorse è per qualche motivo inaccettabile, l’eccellente articolo di Stephen Wright (2004) dovrebbe probabilmente essere il prossimo riferimento più importante, in quanto è un serio tentativo di insegnare all’insegnante, io.,e l’articolo mira a descrivere agli istruttori di fisiologia il modo migliore per spiegare il potenziale di membrana a riposo agli studenti universitari. Oltre a ciò, Molecular Biology of the Cell (4th edition) ha una sezione su questo nel Capitolo 15 (sezione 4) di Harvey Lodish, che è disponibile gratuitamente dal NIH. Infine, se c’è ampio tempo libero, il Cell Physiology Source Book di Nicholas Sperelakis dedica un intero capitolo a questo numero (p. 219-242 della 3a edizione); questa è probabilmente la cosa più vicina a un singolo riferimento definitivo, in quanto copre l’argomento in dettaglio estenuante.,

Definizione del potenziale di membrana a riposo

I commenti dell’esaminatore del college alla domanda 14 del secondo articolo del 2017 menzionavano che “una buona risposta includeva una definizione del potenziale di membrana a riposo”. Come al solito, non esiste una definizione ufficiale e la maggior parte dei libri di testo la definisce come

“la differenza di tensione (carica) attraverso la membrana cellulare quando la cella è a riposo.”

In breve, è la differenza di carica tra l’interno e l’esterno della cella.,

Il tutto “a riposo” componente della definizione deriva dal fatto che la maggior parte dei libri di testo utilizzare questo concetto per il passaggio in una discussione di propagazione del potenziale d’azione, e quindi diventa importante definire in modo esplicito questo potenziale di membrana come “a riposo” stato di una delle cellule eccitabili, rispetto al potenziale di membrana di una cellula che ha appena depolarised.

Quindi, qual è il potenziale di membrana a riposo di una cellula tipica? Ovunque trovi un valore millivolt leggermente diverso., Ad esempio, altrove in questo capitolo il valore “predefinito” per il potenziale di membrana a riposo di una cella “tipica” è elencato come -90 mV.

Questo, ovviamente, è sbagliato. La ragione per cui questa fallacia viene propagata qui è in gran parte dovuta al fatto che Guyton & Hall usa questo valore, e gli esaminatori CICM probabilmente si aspetteranno che i loro candidati all’esame citino da quel libro di testo ufficiale., Tuttavia, per il resto di noi, è importante riconoscere che esiste una gamma piuttosto ampia di diversi valori di potenziale di membrana a riposo, a seconda di quale cellula si sta guardando e della composizione del fluido extracellulare nel suo microambiente immediato. Sperelakis (2001) offre una tabella di valori nel suo libro di testo, che viene riprodotta qui senza alcun permesso specifico (e non è chiaro da quali riferimenti provengano questi valori)., Come potete vedere, il valore Hall di Guyton & (-90 mV) si riferisce probabilmente al miocita muscolare rana, uno strumento preferito dai fisiologi cellulari. Altri libri di testo(ad es. Biologia molecolare della cellula, 4 ° ed) utilizzare -70 mV, riferendosi al neurone umano (di solito segue una discussione sui potenziali d’azione).

Gradienti chimici di ioni attraverso la membrana cellulare

Come già discusso altrove, la composizione del fluido intracellulare è significativamente diversa dalla composizione del fluido extracellulare., Lo schema seguente è preso in prestito da Ling et al (1984), e sebbene i soggetti fossero cellule muscolari di rana, l’essenza generale di questo è probabilmente generalizzabile.

Ignoriamo gli anioni per un momento. Verrà il loro momento. Per ora, diciamo che a causa della differenza tra le concentrazioni di ioni intracellulari ed extracellulari, esiste un gradiente di concentrazione chimica tra i due compartimenti.,

Se la membrana fosse perfettamente impermeabile al trasporto di ioni, non ci sarebbe traffico possibile e gli ioni sodio e potassio rimarrebbero educatamente dalla loro parte della barriera. Sfortunatamente, la membrana è selettivamente permeabile e gli ioni sono in grado di farsi strada.,

Selettività della membrana alla diffusione ionica

Senza uccidere SEO rivisitando materiale disponibile altrove su questo sito, basterà dire che il doppio strato lipidico della membrana cellulare è una barriera non polare e quindi impedisce abbastanza efficacemente lo scambio di sostanze polari tra gli ambienti intracellulari ed extracellulari. La membrana cellulare, quindi, mantiene la sua permeabilità agli ioni mediante diffusione facilitata dalle proteine; cioè i canali ionici consentono il traffico di specie ioniche attraverso la membrana.,

Questo è il prossimo concetto più importante da assorbire: la membrana cellulare non è una struttura totalmente impermeabile agli ioni e si verifica un movimento controllato di ioni attraverso la membrana. Sebbene i canali del sodio esistano, sono pochi-e le cellule animali così tipiche sono principalmente permeabili agli ioni di potassio, a causa della presenza di “canali di perdita”. Questi canali del potassio sono aperti a volte al, a tutte le tensioni potenziali di membrana (cioè questi non sono canali voltaggio-gated), e non hanno leganti gating naturali, né sono influenzati da uno qualsiasi dei convenzionali bloccanti dei canali del potassio., Lesage et al (2000) li descrivono in modo più dettagliato (in sintesi, sono proteine dimeriche del canale a due pori-dominio, note anche come canali K2P, e ci sono circa 15 famiglie di loro attualmente identificate).

Pertanto, la presenza di questi canali consente una continua perdita lenta di potassio nel fluido extracellulare, lungo il gradiente di concentrazione chimica.

Gradiente elettrico attraverso la membrana cellulare

Prima di portare i canali ionici nella discussione, la neutralità elettrica su entrambi i lati della membrana era ben mantenuta.,

In altre parole, le uguali concentrazioni di ioni positivi e negativi su ciascun lato della membrana cellulare significa che la carica di ciascun compartimento è pari a zero volt e quindi non vi è alcuna differenza di potenziale tra i compartimenti.

Ovviamente, con ioni di potassio che perdono attraverso la membrana in una direzione, non può rimanere in quel modo.

Poiché gli ioni di potassio fuoriescono dalla cellula, portano con sé la loro carica positiva., Come conseguenza della perdita di questi ioni di potassio, il fluido intracellulare diventa caricato negativamente rispetto al fluido extracellulare. Pertanto, gli effetti del gradiente di concentrazione chimica attraverso questa membrana semipermeabile creano anche una differenza di potenziale elettrico.

Equilibrio di gradienti elettrochimici attraverso la membrana cellulare

Normalmente, una perdita di molecole attraverso una membrana culminerebbe in equilibrio, cioè dove le molecole si equilibrano in concentrazioni uguali su entrambi i lati della membrana., Tuttavia, questo non può accadere in questo caso, perché gli ioni di potassio sono caricati positivamente. Man mano che fuoriescono dalla cellula, il fluido intracellulare diventerà progressivamente sempre più caricato negativamente e alcuni ioni di potassio saranno attratti nella cellula dalle forze di attrazione elettrostatica. Ci sono, quindi, due forze opposte che agiscono sugli ioni di potassio attraverso questa membrana.,

Si potrebbe quindi immaginare come il flusso di ioni di potassio che fuoriesce dalla cellula rallenta e alla fine diventa bilanciato con il flusso di ioni di potassio nella cellula. Si potrebbe anche usare il termine equilibrio elettrochimico per descrivere questo equilibrio. In effetti, se si fosse inclini alla matematica hardcore, si potrebbe essere interessati a una sorta di rappresentazione matematica formale di questo equilibrio. In questa fase, il gemito candidato esame CICM deve prendere confidenza con l’equazione di Nernst.,

L’equazione di Nernst

Questa è la relazione delle forze elettriche e chimiche che agiscono su qualsiasi specie ionica attraverso una membrana semipermeabile. È attribuito a Walther Hermann Nernst, uno scienziato tedesco occhialuto cui altri risultati inclusi lo sviluppo di alcune armi chimiche relativamente inefficaci per i tedeschi durante la prima guerra mondiale, e diventando uno dei pochi studiosi a ricevere un premio Nobel pur rimanendo ufficialmente riconosciuto come un criminale di guerra.,

Si può trovare una discussione più scientifica dell’equazione di Nernst nell’articolo di Stephen Wright (2004), che è libero da questo tipo di digressioni.

Fondamentalmente, questa versione dell’equazione ti dà un valore (VK) che è la differenza di potenziale (in volt) che si oppone alla forza di un gradiente di concentrazione chimica per gli ioni carichi. è usato qui perché il potassio è lo ion di interesse in questa discussione. Sostituendo i valori per costanti e valori noti(ad es., la valenza degli ioni di potassio, 1+, il corpo e la temperatura in gradi Kelvin) si può semplificare questa equazione in qualcosa che si spera sia più suscettibile di essere memorizzati dal mezzo impazzito CICM esame candidato:

Se si dovesse sostituire comunemente valori attesi per l’intracellulare ed extracellulare concentrazioni di potassio, abbiamo potuto capire che cosa una differenza di potenziale sarebbe generato attraverso la membrana. Wright (2004) utilizza un gradiente 10:1 (cioè, 100 mmol intracellulare e 10 mmol extracellulare) a scopo illustrativo; dove il gradiente è 10:1 la differenza di potenziale raggiunta all’equilibrio è di circa 61 millivolt. Questa differenza di potenziale è il “potenziale di Nernst” per ogni dato ion, e aumenta ogni volta che il rapporto delle concentrazioni aumenta (cioè maggiore è la differenza di concentrazione, maggiore è il potenziale di Nernst richiesto per mantenere l’equilibrio elettrochimico).

In questa fase, è importante ricordare che l’entità del flusso ionico effettivo attraverso la membrana è in realtà piuttosto piccola., I diagrammi colorati potrebbero suggerire che gli ioni di potassio stanno spruzzando selvaggiamente fuori dalla cellula, e i canali di “perdita” di potassio implicano almeno che c’è un tasso misurabile di ioni che si diffondono costantemente dal fluido intracellulare, ma in realtà la massa molare di potassio che si fa strada attraverso quei canali K2P è così piccola che non può essere misurata con alcun metodo convenzionale. La ragione di ciò è la carica relativamente grande di ogni singolo ion: ogni 1 mmol di monovalente K+ trasporta circa 100 coulomb di carica., Senza entrare nel dettaglio eccessivo, si può riassumere dicendo che per generare una differenza di potenziale di 60 mV su un centimetro quadrato di superficie cellulare, 6 × 10-13 mol di ioni di potassio devono attraversare la membrana – una quantità così piccola che nessuno strumento terrestre può misurarla.

Nel discutere di questo, ci siamo finora concentrati sugli ioni di potassio come se fossero gli unici ioni che attraversano la membrana., Il potassio è il più grande contributore al potenziale di membrana a riposo, ma ci sono molti altri ioni all’interno e all’esterno della cellula e la membrana cellulare è (almeno leggermente) permeabile a tutti loro. Per questo motivo, l’equazione di Nernst è una rappresentazione imperfetta dell’equilibrio elettrochimico totale sulla superficie della membrana cellulare.,”8754542295″>Ion species

Nernst potential K+ – 94 mV Na+ + 60 mV Ca2+ + 130 mV Cl- – 80 mV

So, what is the overall effect of all these ions and their electrochemical concentration gradients?, È necessaria un’equazione molto più carnosa, qualcosa che tenga conto di tutte le altre specie ioniche.,h2>La Goldman-Hodgkin-Katz Equazione

Ovviamente, quando si inizia a parlare di una selezione di diversi ioni, molti altri fattori devono essere presi in considerazione:

• Valenza di tali ioni
• La polarità della loro carica elettrica (finora ho avuto a che fare solo con carica positiva di potassio)
• Diverse concentrazioni di questi ioni all’interno e all’esterno della cella
• Diversa permeabilità della membrana per ogni specie ioniche

Per conto di tutti questi, ovviamente alcuni mutanti versione dell’equazione di Nernst sarà richiesto., Questa è l’equazione Goldman-Hodgkin-Katz.

La differenza principale tra questa e l’equazione di Nernst è la presenza di ioni aggiuntivi e l’aggiunta della variabile P, che è la costante di permeabilità della membrana. Se quella costante di permeabilità fosse zero per tutto ciò che non è il potassio, allora tutti quegli altri ioni scomparirebbero matematicamente dall’equazione e tornerebbero a sembrare una normale equazione di Nernst.,

Contributo di specie ioniche all’equilibrio elettrochimico

In effetti, quegli altri ioni potrebbero anche scomparire, per tutta l’influenza che esercitano sul potenziale di membrana a riposo. La permeabilità della membrana per gli ioni di potassio è di ordini di grandezza maggiore rispetto ad altri ioni. Per le cellule “normali” bagnate nel fluido extracellulare “normale”, il rapporto tra la concentrazione di potassio è di circa 35:1, per cui Guyton & Hall cita un potenziale Nernst di -94 mV.,

Ora, quando aggiungi il contributo del sodio (che ha un potenziale Nernst di +61 mV), la combinazione dei due ti porta solo a un potenziale intracellulare di -86 mV, cioè non si muove davvero. Questo perché la permeabilità della membrana al sodio è così scarsa che il movimento del sodio nella cellula è minimo, rispetto al movimento del potassio fuori dalla cellula.

Guyton & Hall menziona anche che l’ATPasi Na + / K + svolge un ruolo minore nell’origine del potenziale di membrana a riposo., Pompando 2 ioni di potassio nella cellula mentre pompano 3 ioni di sodio, ogni volta che i cicli della pompa rimuovono una carica positiva dal fluido intracellulare, aumentando così il potenziale intracellulare negativo. Secondo quel libro di testo, il contributo di questo fenomeno al potenziale totale di membrana a riposo è il cambiamento da -86 mV a -90 MV, cioè una concentrazione abbastanza minore. Questi numeri provengono probabilmente da studi come Miura et al (1978)., I ricercatori hanno bloccato l’ATPasi Na + / K + delle fibre di Purkinje canine usando ouabain e hanno scoperto che il potenziale di membrana a riposo è cambiato da – 83.6 mV a 78.8 MV come risultato di questo effetto.

Quindi, che dire del cloruro? L’apparente attenzione ingiusta su sodio e potassio nella discussione del gradiente elettrochimico sembra ignorare completamente l’esistenza di ioni cloruro. Questo è in realtà abbastanza ragionevole., Nella maggior parte delle cellule di mammifero non ci sono pompe di cloruro attive e la concentrazione di cloruro intracellulare ed extracellulare è distribuita passivamente secondo l’equazione di Goldman-Hodgkin-Katz. La carica extracellulare negativa respinge gli ioni cloruro caricati negativamente, e quindi ci si potrebbe aspettare che ce ne siano meno all’interno della cellula. Questo è vero: con un potenziale di membrana di circa -90 mV e una concentrazione di cloruro extracellulare di circa 100 mmol/L, la concentrazione di cloruro intracellulare dovrebbe essere di circa 5,0 mmol/L (Sperelakis, 2001 – p.224).