Flussi ionici transmembranari

 

I meccanismi con cui uno ione può superare la barriera costituita dalla membrana cellulare sono due: 1-la diffusione attraverso canali ionici.

2-il trasporto mediato.

In relazione a queste due modalità i flussi ionici vengono distinti in:

a) flussi passivi (secondo gradiente)

b) flussi attivi (anche contro gradiente), ad opera di una pompa ionica o per trasporto attivo secondario.

 

Il flusso transmembranale dipende dall’intensità della “forza spingente” e dal coefficiente di permeabilità per lo ione considerato. Dal punto di vista elettrico la maggiore o minore facilità con cui uno ione può attraversare la membrana cellulare può essere espressa, anzichè come coefficiente di permeabilità, come conduttanza ionica della membrana.

 

Esistono canali chemio-dipendenti in cui il passaggio dallo stato di pervietà a quello di impervietà è operato dalla combinazione della molecola-canale con una molecola messaggera che può giungere a contatto della membrana, in alcuni casi dal lato extracellulare, in altri dal lato intracellulare.

Esistono anche canali voltaggio-dipendenti in cui il passaggio da uno stato all’altro è operato da una variazione del potenziale di membrana esistente a cavallo della membrana. Si fa l’ipotesi che le “gates” siano portatrici di una carica elettrica che le rende sensibili alle variazioni del campo elettrico esistente a cavallo della membrana. Gli stati possibili in un canale ionico sono tre: lo stato chiuso, lo stato aperto e lo stato inattivato il quale interviene quando l’azione elettrica o chimica che ne ha determinato l’attivazione continua ad agire in modo prolungato ed intenso.

Nella membrana di particolari cellule eccitabili dei recettori sensoriali che operano la “conversione” dello stimolo in un segnale elettrico, esistono anche canali ionici il cui stato dipende da azioni di altro tipo, quali sono i diversi “stimoli” ai quali i recettori sensoriali devono rispondere. Tra questi ci sono i canali ionici meccano-sensibili i quali si trovano, ad esempio, nei recettori sensoriali tattili. Sono di regola canali cationici. In modo analogo funzionano i canali foto-sensibili; in essi però lo stimolo determina il passaggio del canale dallo stato aperto allo stato chiuso.

 

La comprensione di quanto avviene nella membrana cellulare parte dalla descrizione del più comune degli equilibri ionici passivi: l’equilibrio di Gibbs-Donnan. Questo equilibrio passivo si verifica poiché all’interno delle cellule ci sono gli anioni proteici che non possono attraversare la membrana. Quando abbiamo un lato con ioni non diffusibili l’equilibrio è caratterizzato da una minore concentrazione degli ioni diffusibili aventi lo stesso segno di quello non diffusibile, e da una maggiore concentrazione degli ioni diffusibili di segno opposto. In un equilibrio elettrochimico, quale è quello di Gibbs-Donnan, poiché restano costanti le concentrazioni ioniche tra i due lati della membrana, il passaggio di ogni singolo ione (K⁺ o Cl^-) dall’uno all’altro compartimento dovrà essere compensato dal passaggio di un uguale ione in senso opposto; dall’altro canto, affinché anche la differenza di potenziale tra i due lati della membrana resti costante è necessario che al passaggio di ogni K⁺ nell’uno o nell’altro senso corrisponda il passaggio consensuale di un Cl^-. Dal momento che la probabilità congiunta che un K⁺ ed un Cl^- passino simultaneamente da (1) a (2) sarà proporzionale al prodotto [Cl^-]₁·[K⁺]₁ delle loro concentrazioni in (1). Poiché all’equilibrio i flussi ionici netti sono nulli e la differenza di potenziali costante, i due prodotti devono essere uguali, cioé:

 

[Cl^-]₁·[K⁺]₁=[Cl^-]₂·[K⁺]₂

 

Significa che in condizioni di equilibrio,

 i prodotti delle concentrazioni degli ioni diffusibili aventi opposto segno sono uguali ai due lati.

 

Può anche essere così espressa:  [K⁺]₁/[K⁺]₂=[Cl^-]₂/[Cl^-]₁=K  dove la costante K dipende dalla concentrazione K dello ione non diffusibile. Tanto maggiore è la costante tanto maggiore è l’inuguaglianza di distribuzione degli ioni diffusibili tra i due lati. Un’altra conseguenza che viene da questo equilibrio è che la concentrazione totale degli ioni  diffusibili è maggiore nel compartimento (1) che nel compartimento (2).

All’equilibrio il lavoro (Wc) che sarebbe richiesto per trasferire attraverso la membrana una mole di ciascun ione contro il gradiente di concentrazione, deve essere uguale al lavoro (We) richiesto per trasferire, in senso opposto, la stessa mole  contro il gradiente elettrico.

 

W_e=zFV_m   W_c=RT lnC_o/C_i

 

Da queste si ricava l’equazione di Nernst:  V_m=RT/F lnC₀/C_i

La differenza di potenziale voluta dall’equazione di Nernst, per un dato rapporto tra le  concentrazioni che un qualunque ione diffusibile (j) ha ai due lati delle membrana, è detto potenziale di equilibrio per quello ione e viene di solito indicato con il simbolo (Ej). Da notare che non compare il coefficiente di permeabilità della membrana nei riguardi degli ioni.

Se consideriamo il potenziale di membrana uguale a -90 mV fatta eccezione per il Cl^-, il cui potenziale di equilibrio (-88mV) è molto vicino a questo valore, per gli ioni K⁺ (-102 mV) e Na⁺ (+45 mV) il potenziale di membrana differisce notevolmente dai rispettivi potenziali di equilibrio voluti dall’equazione di Nernst. Se la permeabilità della membrana fosse uguale per i due cationi, e quindi (g_Na=g_K), la corrente in entrata (I_Na) dovrebbe essere molto più intensa di quella in uscita (I_K) e ciò (in assenza di altri fattori) comporterebbe un rapido decadimento del potenziale di membrana essendo l’ingresso di cariche positive largamente maggiore dell’uscita. In realtà non solo nella membrana delle fibre muscolari, ma in  quella di tutte le cellule, g_K è molto maggiore di g_Na (circa 10 volte), quanto basta per compensare la disuguaglianza tra le “forze spingenti”. Quindi si realizza una situazione di equilibrio elettrico (non di equilibrio elettrochimico) in cui il potenziale di membrana potrà mantenersi costante finché le concentrazioni dei due ioni ai due lati vengano mantenute anch’esse costanti da qualche meccanismo ® la pompa ATP-asica.

 

 

E’ possibile in definitiva calcolare il potenziale di membrana tenendo conto della permeabilità della membrana ai diversi ioni. L’equazione, nota come equazione di Goldman, riferita ai tre ioni K⁺, Na⁺, Cl^-, è la seguente:

 

 

E_m in altri termini assumerà un valore intermedio tra i potenziali d’equilibrio (E_Na, E_K ed E_Cl), valore che sarà più vicino a quello dello ione con coefficiente (P) più elevato.