Potenziale di membrana: trasporto ionico, equazione di Nernst

Il potenziale di membrana è la differenza di potenziale elettrico presente in una cellula, tra il citosol, che ha cariche negative e lo spazio extracellulare, che ha cariche positive

L’unità fondamentale della vita è la cellula costituita da biomolecole in soluzione acquosa e circondata dalla membrana cellulare che delimita la cellula  in tutti gli organismi viventi, la separa dall’ambiente esterno e ne regola gli scambi con questo.

Uno degli aspetti caratteristici di una cellula è quello di controllare la variazione di ioni attraverso la membrana cellulare. In tutti i tipi di cellule vi è una differenza di potenziale elettrico tra l’interno della cellula e il liquido extracellulare detto potenziale di membrana.

Tale fenomeno si manifesta in tutte le cellule, ma assume particolare importanza, nelle cellule nervose e muscolari. Infatti le variazioni del potenziale di membrana sono usate per codificare e trasmettere le informazioni. I fattori che contribuiscono al potenziale di membrana sono la differenza di concentrazione e la permeabilità di alcuni ioni attraverso la membrana.

Trasporto ionico

Il trasporto ionico di membrana avviene ad opera di particolari proteine dette canali che favoriscono il trasferimento di ioni da un lato all’altro della membrana. Il trasporto ionico può essere passivo quando il trasferimento di ioni avviene dal compartimento dove sono presenti in maggiore concentrazione a quello a concentrazione minore in accordo al gradiente elettrochimico esistente tra i due compartimenti.

Si parla di trasporto ionico attivo quando, grazie a particolari proteine dette pompe ioniche, il trasferimento di ioni avviene dal compartimento dove sono presenti in minore concentrazione a quello a concentrazione maggiore cioè contro il gradiente elettrochimico. L’energia necessaria a far avvenire questo tipo di trasporto viene tratta dall’idrolisi dell’ATP che si trasforma in ADP con cessione di energia.

Ogni membrana presenta una minore o maggiore permeabilità specifica nei riguardi delle varie specie ioniche, la cui conseguenza è la loro diversa distribuzione ai due lati della membrana stessa;  di notevole importanza biologica sono le pompe adibite al trasporto dei cationi Na⁺, K⁺ e  Ca²⁺. 

Potenziale di membrana

Per comprendere come è generato il potenziale di membrana consideriamo una cellula ipotetica in cui solo lo ione K⁺ può attraversare la membrana. Poiché tali ioni si possono muovere sia dall’esterno verso l’interno e viceversa essi si muoveranno in accordo al gradiente elettrochimico esistente. Ovvero dall’interno dove sono contenuti in quantità maggiore verso l’esterno dove sono contenuti in quantità minore.

Quando K⁺ si muove all’esterno della cellula, all’interno di essa rimangono proteine cariche negativamente. Ciò comporta una separazione di cariche attraverso la membrana e quindi un conseguente potenziale di membrana. Sperimentalmente è possibile impedire allo ione potassio di diffondere all’esterno della cellula applicando una carica negativa all’interno di essa che previene allo ione positivo di fuoriuscire dalla membrana.

La carica negativa necessaria è detta potenziale di equilibrio o potenziale di Nernst di K⁺ ed è indicata con E_m.

Equazione di Nernst

Si può usare l’equazione di Nernst, dovuta al chimico tedesco Walther Hermann Nernst  per calcolare con un certo grado di accuratezza il potenziale di membrana. Si ipotizza che all’equilibrio le forze del gradiente di concentrazione che agiscono sugli ioni sono bilanciate da forze elettriche di segno opposto.

L’equazione di Nernst è pertanto:

E_m = – 2.3 RT/zF log [C]_in/[C]_out

Dove:

• E_m è il potenziale di membrana
• R è la costante universale dei gas
• T è la temperatura assoluta
• z è la carica dello ione
• [C]_in e [C]_out sono rispettivamente la concentrazione interna e la concentrazione esterna.

Per cationi monovalenti come K⁺ il fattore 2.3 RT/zF assume valore di circa 60 mV a temperatura biologica; se [C]_in = 150 mM e  [C]_out = 4 mM allora

E_m = – 60 log 150/4 = – 96 mV

Tale valore rappresenta il  potenziale elettrico necessario per far sì che lo ione potassio diffonda al di fuori della cellula secondo il gradiente di concentrazione. Se la concentrazione di ione potassio all’esterno della cellula diventa 40 mM allora E_m assume il valore di circa – 35 mV ovvero è necessaria una energia minore per evitare che lo ione fuoriesca  dalla cellula.

Ciò dimostra che variazioni di concentrazione di ioni al di fuori o all’interno della membrana fanno variare il potenziale di membrana