Fisiologia generale - potenziali

Potenziale di membrana

Le cellule si comportano come dispositivi elettrici; anche alcuni organelli, in particolare i mitocondri, si comportano in questa maniera. Partiamo ipotizzando che ci siano alcuni ioni più concentrati fuori o dentro la cellula e la membrana non sia permeabile allo stesso modo a tutti gli ioni. I principali ioni che determinano i fenomeni elettrici sono lo ione potassio (K⁺), lo ione cloruro (Cl^-) e lo ione sodio (Na⁺). C'è un altro tipo di ione che non determina fenomeni elettrici ma subisce dinamiche che sono conseguenza di tali proprietà, e questo è lo ione calcio (Ca²⁺).

Il potenziale di membrana si definisce come il potenziale elettrico che si verifica a cavallo della membrana cellulare. I due lati della membrana si comportano come i poli di una pila, di un generatore di forza elettrica. Esistono due tipi di potenziale:

Potenziale di equilibrio

Il potenziale di equilibrio è il potenziale di membrana che si genera quando una membrana è impermeabile ad almeno una specie ionica in soluzione e permeabile ad almeno un'altra specie ionica. Le concentrazioni degli ioni devono essere diverse nei due lati della membrana. Si arriva quindi poi ad un potenziale di equilibrio e c'è un potenziale di membrana che si mantiene all'infinito.

Potenziale di diffusione

Il potenziale di diffusione si crea quando la membrana è permeabile a più ioni in maniera diversa. Gli ioni devono avere diverse concentrazioni nei due lati della membrana. Gli ioni tendono a fluire continuamente e mentre avviene il processo diffusivo, si genera un potenziale elettrico che però tenderà ad estinguersi.

Esempio di potenziale di equilibrio

Abbiamo un contenitore diviso da una membrana semipermeabile. In soluzione abbiamo ioni K⁺ e ioni Cl^- con concentrazioni diverse nei due lati del contenitore. Immaginiamo che la membrana sia solo permeabile a K⁺ e non a Cl^-. Passerà quindi solo potassio, ma così facendo un lato si impoverisce di cariche positive e l'altro lato di conseguenza si arricchisce di cariche positive. A questo punto si forma una forza elettrica che tende a riportare gli ioni potassio indietro. Questa forza elettrica in parole povere contrasta la forza chimica che fa muovere gli ioni per questioni di concentrazioni differenti. Si arriverà perciò ad un punto di equilibrio in cui forza chimica ed elettrica saranno uguali e il sistema si arresta. Tutto il processo precedente però ha portato a uno squilibrio di cariche e quindi ci sarà nella membrana un potenziale definito per l'appunto potenziale di equilibrio.

L'equazione di Nernst fornisce il potenziale di equilibrio di uno ione:

E_i = V_m = RT/z_iF ln [C_o]/[C_i]

L'unità di misura è il Volt.