Potenziale di membrana mitocondriale

Il potenziale di membrana mitocondriale (Δψm) generato dalle pompe protoniche è una componente essenziale nel processo di accumulo di energia durante la fosforilazione ossidativa. Il potenziale di membrana mitocondriale, unitamente al gradiente protonico, forma il potenziale transmembrana degli ioni idrogeno che viene sfruttato per produrre ATP.

Il potenziale della membrana mitocondriale risulta dalle trasformazioni redox associate all’attività del ciclo di Krebs e funge da forma intermedia di accumulo di energia che viene utilizzata dall’ATP sintasi per produrre ATP. Normalmente, le cellule mantengono livelli stabili di ATP intracellulare e potenziale di membrana mitocondriale, e si ritiene che questa stabilità sia un requisito per il normale funzionamento cellulare  sebbene vi siano fluttuazioni limitate di entrambi questi fattori che possono verificarsi riflettendo la normale attività fisiologica.

meccanismo di azione
meccanismo di azione

Secondo recenti scoperte, il potenziale di membrana mitocondriale può essere utilizzato non solo per la sintesi di ATP ma è anche un fattore che determina la vitalità dei mitocondri che partecipano al processo di eliminazione dei mitocondri danneggiati. In caso di danno mitocondriale, eventi come i cambiamenti della morfologia, del potenziale di membrana e della permeabilità allo ione calcio, la riduzione degli esteri fosfato di membrana e l’accoppiamento della fosforilazione ossidativa, influenzano la normale funzione dell’intera cellula e portano all’insorgenza di malattie.

Differenza di potenziale di membrana mitocondriale

Una delle più importanti trasformazioni energetiche che avvengono nelle cellule utilizzano la membrana come condensatore, con conseguente accumulo di energia come potenziale transmembrana. Le reazioni di raccolta di energia, come quelle coinvolte nella fotosintesi, pompano protoni attraverso la membrana. Nel loro ritorno attraverso la membrana, questi protoni vengono poi sfruttati per sintetizzare ATP e trasportare composti contro il loro gradiente di concentrazione.

polarizzazione
polarizzazione

La differenza di potenziale di membrana mitocondriale varia a seconda delle membrane biologiche. Ad esempio nel caso dei globuli rossi umani detti eritrociti il valore va da -10 a – 14 eV, nel calamaro è di – 60 eV, nei topi è di – 120 eV fino ad arrivare a – 140 eV nella Nitella, genere di alghe verdi carofite della famiglia delle Caracee.  I valori negativi indicano che il compartimento esterno è più positivo di quello interno.

I mitocondri sono il sito della respirazione aerobica, producendo ATP tramite fosforilazione ossidativa mentre i protoni scorrono lungo il loro gradiente elettrochimico attraverso l’ATP sintasi. Questo potenziale di membrana negativo attraverso la membrana mitocondriale interna rappresenta un parametro biofisico fondamentale centrale per la vita cellulare.

Misurazione

I mitocondri, comunemente indicati come centrali elettriche della cellula, svolgono un ruolo vitale nella fisiologia cellulare. La maggior parte dell’energia cellulare nelle cellule eucariotiche viene generata nei mitocondri attraverso la fosforilazione ossidativa, durante la quale gli elettroni vengono trasferiti dai donatori di elettroni agli accettori di elettroni come l’ossigeno.

La catena di trasporto degli elettroni mitocondriale crea un gradiente elettrochimico attraverso una serie di reazioni redox. Questo gradiente elettrochimico guida la sintesi di ATP e genera il potenziale di membrana mitocondriale che è un parametro chiave per valutare la funzione mitocondriale infatti  le disfunzioni mitocondriali sono state associate a patologie di diverso genere.

colorante
colorante

Sono attualmente disponibili diversi coloranti fluorescenti permeabili alla membrana cellulare, come 3, 3′-diexilossacarbocianina ioduro [DiOC6(3)], rodamina-123 (Rh123), tetrametil rodamina esteri metilici ed etilici (TMRM e TMRE) e JC-1. per misurare i cambiamenti nel potenziale di membrana mitocondriale. Questi  coloranti sono tipicamente composti cationici lipofili che si equilibrano attraverso le membrane seguendo l’equazione di Nernst, accumulandosi così nello spazio della matrice della membrana mitocondriale in modo inversamente proporzionale al potenziale di membrana mitocondriale.

I mitocondri più polarizzati ovvero dove l’interno è più negativo accumuleranno più colorante cationico, mentre i mitocondri in cui l’interno è meno negativo accumuleranno meno colorante. L’accumulo di colorante fluorescente nei mitocondri viene quindi rilevato otticamente mediante microscopia e fotocamera CCD, microscopia confocale o multifotone, citometria a flusso o lettore di piastre fluorescenti, consentendo così valutazioni almeno qualitative o comparative di differenza di potenziale mitocondriale nelle condizioni sperimentali.

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