Il potenziale di membrana mitocondriale, noto come Δψm, è fondamentale per l’accumulo di energia durante la fosforilazione ossidativa. Questo potenziale è generato dalle pompe protoniche. Insieme al gradiente protonico, il potenziale di membrana mitocondriale costituisce il potenziale transmembrana degli ioni idrogeno, che viene utilizzato per la produzione di ATP.
Il potenziale della membrana mitocondriale è determinato dalle reazioni redox che si verificano durante il ciclo di Krebs ed agisce come una forma intermedia di accumulo di energia utilizzata dall’ATP sintasi per produrre ATP. Di solito, le cellule mantengono livelli stabili di ATP e potenziale di membrana mitocondriale, che è considerato un requisito per il corretto funzionamento delle cellule. Tuttavia, possono verificarsi fluttuazioni limitate di entrambi questi fattori in risposta all’attività fisiologica normale.
Secondo recenti scoperte, il potenziale di membrana mitocondriale non solo contribuisce alla sintesi di ATP, ma è anche un fattore determinante per la vitalità dei mitocondri coinvolti nel processo di eliminazione delle mitocondri danneggiate. Quando si verifica un danno mitocondriale, diversi eventi come cambiamenti nella morfologia, nel potenziale di membrana e nella permeabilità al calcio, la riduzione degli esteri fosfato di membrana e il disaccoppiamento della fosforilazione ossidativa, influenzano la normale funzione della cellula nel suo insieme e possono portare 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.
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, noti anche come le centrali elettriche delle cellule, svolgono un ruolo essenziale nella fisiologia delle cellule. Nelle cellule eucariotiche, la maggior parte dell’energia cellulare viene prodotta nei mitocondri tramite un processo chiamato fosforilazione ossidativa. Durante questo processo, gli elettroni vengono trasferiti dai donatori di elettroni agli accettori di elettroni, come l’ossigeno.
La catena di trasporto degli elettroni nel mitocondrio 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 fondamentale per valutare la funzionalità dei mitocondri. Infatti, le disfunzioni mitocondriali sono state associate a varie patologie.
Attualmente sono disponibili diversi coloranti fluorescenti che possono attraversare la membrana cellulare, come il 3, 3′-diexilossacarbocianina ioduro [DiOC6(3)], la rodamina-123 (Rh123), i tetrametil rodamina esteri metilici ed etilici (TMRM e TMRE) e il JC-1. Questi coloranti sono solitamente composti cationici lipofili che si bilanciano attraverso le membrane seguendo l’equazione di Nernst, accumulandosi quindi nello spazio della matrice della membrana mitocondriale in modo inversamente proporzionale al potenziale di membrana mitocondriale.
I mitocondri più polarizzati, ovvero quelli con un interno più negativo, accumuleranno una maggiore quantità di colorante cationico, mentre i mitocondri con un interno meno negativo ne accumuleranno meno. L’accumulo di colorante fluorescente nei mitocondri può essere quindi rilevato otticamente utilizzando tecniche come la microscopia e la fotocamera CCD, la microscopia confocale o multifotone, la citometria a flusso o il lettore di piastre fluorescenti. Questo permette di valutare almeno in modo qualitativo o comparativo le differenze di potenziale mitocondriale nelle condizioni sperimentali.