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Il Potenziale di Membrana è la differenza di carica tra il versante interno e quello esterno della membrana plasmatica; una cellula che possiede un potenziale di membrana è chiamata polarizzata. La differenza di carica elettrica è dovuta a flussi di ioni che entrano ed escono dalla cellula grazie a proteina che formano dei Canali Ionici. Quando sono aperti permettono a specifici ioni di diffondere spontaneamente dalla zona a maggiore concentrazione verso la zona a minore concentrazione. Quando il neurone è a riposo il potenziale è chiamato Potenziale di Riposo: l’interno del neurone è elettricamente negativo mentre l’ambiente extracellulare è carico positivamente. La separazione di cariche elettriche di segno opposto è una forma di energia potenziale che si può misurare in millivolt. Nei neuroni il potenziale di riposo della membrana vaia tipicamente tra i -60mV e i -70mV. Il potenziale di riposo è determinato dalla diversa concentrazione degli ioni ai due lati della membrana, il liquido interstiziale è ricco di ioni sodio Na+ e di ioni cloro Cl-, nel citoplasma i principali ioni sono di potassio K+ e fosfati legati a macromolecole organiche.

Vi sono tre particolari proteine nella membrana che regolano la concentrazione del sodio e del potassio: i canali del potassio, i canali del sodio e la pompa sodio-potassio.
Il flusso di ioni potassio; poiché la concentrazione di K+ dentro la cellula è molto più alta di quella esterna e poiché la membrana possiede moltissimi canali per il potassio gli ioni K+ diffondono all’esterno della cellula. Il versante interno della membrana diventa sempre più negativo e il versante esterno sempre più positivo, questo flusso è responsabile del potenziali di riposo.
Il flusso di ioni sodio: la permeabilità della membrana al sodio è molto bassa perché i canali del sodio sono pochi ciononostante gli ioni Na+ tendono a diffondere verso il citoplasma.
Il ruolo della pompa sodio-potassio: le perdite di Na+ verso l’interno e di K+ verso l’esterno vengono compensate dall’attività della pompa sodio-potassio, una proteina che trasporta attivamente gli ioni Na+ all’esterno scambiandoli con ioni K+ che riversa all’interno. Ha bisogno di ATP per svolgere il proprio lavoro.
Oltre ai canali ionici esistono altri tipi di proteine canale: quelli regolati dal voltaggio o voltaggio-dipendenti, che si aprono o si chiudono in risposta a cambiamenti del potenziale di membrana; i canali regolati chimicamente che si aprono o si chiudono in seguito al legame di un messaggero chimico; i canali regolati meccanicamente che si aprono o si chiudono in risposta all’applicazione di una forza meccanica sulla membrana plasmatica.
Se si aprono i canali voltaggio-dipendenti per il sodio lo ione Na+ diffonde all’interno della cellula rendendo meno negativo il potenziale di membrana e lo fa diventare positivo quando si scatena il potenziale d’azione, in questo caso la membrana si dice Depolarizzata; se si aprono i canali voltaggio-dipendenti per il potassio lo ione K+ diffonde all’esterno rendendo ancora più negativo l’interno della cellula, in questo caso la membrana si dice Iperpolarizzata.

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