Movimento degli ioni nel potenziale di membrana

Movimento degli ioni nel potenziale di membrana

Quando la membrana cellulare presenta un voltaggio negativo, significa che l'interno della cellula è più negativo rispetto all'esterno e quindi esiste una differenza di potenziale tra i due lati della membrana.
Un esempio è rappresentato dalle cellule gliali. Le cellule gliali sono cellule presenti nel sistema nervoso e possiedono una caratteristica fondamentale: presentano una grande quantità di canali ionici non gated per il potassio.
Questi canali sono sempre aperti al potenziale di riposo della membrana plasmatica. Di conseguenza, sarà principalmente lo ione potassio a determinare il potenziale di riposo della membrana.

Generazione del potenziale di equilibrio del potassio

Supponiamo inizialmente che non vi sia alcuna differenza di potenziale tra l'interno e l'esterno della membrana cellulare e che la cellula possieda esclusivamente canali ionici per il potassio.
Il potassio presenta una concentrazione circa 20-30 volte superiore all'interno della cellula rispetto all'esterno. Per questo motivo tende a uscire dalla cellula seguendo il proprio gradiente di concentrazione attraverso i canali ionici, che sono presenti in grande quantità e rimangono sempre aperti.
La fuoriuscita del potassio determina la formazione di un "velo" di cariche negative sul versante interno della membrana plasmatica. Questo accumulo di cariche negative è dovuto alla presenza di anioni organici intracellulari che non possono attraversare la membrana.
La perdita di potassio e la permanenza degli anioni intracellulari fanno quindi prevalere le cariche negative sul lato interno della membrana. Man mano che il potassio continua a uscire, l'interno della membrana diventa sempre più negativo.
L'accumulo di cariche negative determina però un secondo effetto: il potassio, oltre a essere spinto verso l'esterno dal gradiente chimico, viene attratto verso l'interno dal gradiente elettrico.
Inizialmente prevale il gradiente di concentrazione, che favorisce l'uscita del potassio, ma progressivamente il gradiente elettrico aumenta fino a controbilanciare il movimento verso l'esterno.
Quando l'uscita del potassio determinata dal gradiente chimico è esattamente bilanciata dall'ingresso del potassio determinato dal gradiente elettrico, la membrana raggiunge il potenziale di Nernst o potenziale d'equilibrio del potassio.
In questa condizione il movimento netto degli ioni potassio è nullo, poiché il flusso in uscita è uguale al flusso in entrata.
Poiché le cellule gliali possiedono principalmente canali per il potassio, il loro potenziale di membrana sarà molto vicino al potenziale d'equilibrio del potassio.

Potenziale di Nernst o potenziale d'equilibrio di uno ione permeante

Il potenziale di Nernst rappresenta il valore del potenziale di membrana al quale il flusso di cariche di uno ione in una direzione è esattamente bilanciato dal flusso di cariche nella direzione opposta.
L'equazione di Nernst permette di calcolare il potenziale d'equilibrio di ogni ione permeante la membrana.
Nell'equazione di Nernst:
R rappresenta la costante dei gas.
T rappresenta la temperatura assoluta.
z rappresenta la carica dello ione considerato.
F rappresenta la costante di Faraday.
Per il potassio:
ek+ = [8,3 × (273+37) / (1 × 96,4)] × 2,303 log10 × ([k+]ex/[k+]in)
I valori utilizzati sono:
273 gradi kelvin corrispondono allo zero assoluto.
37 gradi c rappresentano la temperatura di una cellula di mammifero.
1 rappresenta la valenza dello ione potassio.
96,4 rappresenta la costante di Faraday.
2,303 rappresenta il fattore di conversione tra logaritmo naturale e logaritmo in base 10.
La concentrazione extracellulare di potassio è [k+]ex = 3 mm.
La concentrazione intracellulare di potassio è [k+]in = 135 mm.
Il potenziale di equilibrio del potassio è quindi:
ek+ = 61,5 × log10 (3/135) = -102 mv.
Potenziali di equilibrio dei principali ioni
Per ogni ione che attraversa la membrana plasmatica è possibile calcolare il potenziale di Nernst sostituendo nell'equazione le concentrazioni extracellulari e intracellulari dello ione considerato.
Per il sodio:
ena+ = +56 mv
con [na+]ex = 150 mm e [na+]in = 18 mm.
Per il cloro:
ecl- = -76 mv
con [cl-]ex = 120 mm e [cl-]in = 7 mm.
Per il calcio:
eca2+ = +125 mv
con [ca2+]ex = 1,2 mm e [ca2+]in = 0,0001 mm.
Il valore del potenziale d'equilibrio del calcio è un valore teorico e non fisiologico, poiché non compatibile con le condizioni cellulari reali. Tuttavia deve essere considerato perché, a causa del suo gradiente molto elevato, il calcio tende a entrare nella cellula ogni volta che trova canali aperti.
Per questo motivo devono esistere meccanismi molto efficienti che permettano di riportare il calcio all'esterno della cellula.

Significato del potenziale di Nernst nel movimento degli ioni

Conoscendo il potenziale di Nernst di uno specifico ione è possibile prevedere come quello ione si muoverà in funzione del potenziale della membrana plasmatica.
Ad esempio, il potenziale d'equilibrio del sodio è pari a +56 mv. Se in una membrana cellulare sono presenti canali aperti per il sodio, lo ione tenderà a entrare nella cellula fino a quando il potenziale di membrana non raggiungerà il valore di equilibrio di +56 mv.
Se il potenziale della membrana supera +56 mv, la corrente di sodio non sarà più entrante ma diventerà uscente, poiché lo ione si muove sempre lungo il proprio gradiente elettrochimico e tende a riportare il potenziale della membrana verso il proprio valore di equilibrio.
Per questo motivo il potenziale di Nernst viene anche definito potenziale di inversione.
Il potenziale di inversione rappresenta infatti il valore di potenziale di membrana al quale la direzione del flusso di corrente di uno specifico ione si inverte: una corrente entrante può diventare uscente o viceversa, in funzione dello ione considerato.
Il potenziale di inversione corrisponde quindi al potenziale di Nernst dello ione analizzato.