Citologia - potenziale di membrana e il potenziale d'azione

Cos'è il potenziale di membrana?

È un potenziale elettrico che si misura con strumenti (misuratori di potenziale molto sensibili). Tipicamente nelle cellule vive si inserisce un elettrodo all'interno della cellula praticando un piccolo buco sulla membrana plasmatica in modo tale che l'elettrodo penetri dentro il citoplasma. L'altro elettrodo si mantiene al di fuori. Si misura quindi la differenza di potenziale tra i due lati della membrana plasmatica. La differenza di potenziale tipicamente è tale che all'interno della cellula esiste una maggiore carica negativa, quindi un potenziale di membrana negativo (in generale -60/-70 mV).

A cosa è dovuto questo potenziale di membrana?

È dovuto allo ione potassio. Questo è un esperimento su soluzioni saline di potassio separate da un doppio strato lipidico. Si usa cloruro di potassio perché il maggiore ione negativo presente all'esterno delle cellule è lo ione cloro (c'è anche quello bicarbonato ma da questo punto di vista il cloro ha un ruolo più importante).

Se si prendono due soluzioni con concentrazione diversa di potassio e si separano da un doppio strato lipidico (membrana impermeabile agli ioni) ciò che si osserverà è che tra le due parti del contenitore non esiste alcuna differenza di potenziale. Questo è ovvio perché gli ioni potassio e gli ioni cloruro si neutralizzano a vicenda pure essendo diversa la concentrazione del sale.

Il ruolo dei canali "leaky"

Prendiamo dei specifici canali per il potassio, i cosiddetti canali "leaky" (questi sono un tipo di canali per il potassio che sono presenti nelle cellule umane), i quali non sono canali che lasciano passare qualunque cosa: sono canali selettivi che tipicamente possono esistere sia chiusi che aperti. Regolano la permeabilità al potassio ma anche nello stato più chiuso non sono completamente impermeabili e lasciano passare del potassio, come un rubinetto che gocciola (da ciò il termine 'leaky').

Questi canali sono i canali del potassio diffusi sulla membrana plasmatica di tutte le cellule umane e sono i maggiori responsabili della formazione del potenziale di membrana. Se si dispongono i "leaky" sul doppio strato lipidico che separa i due contenitori questi fanno passare il potassio secondo il gradiente di concentrazione, ovvero passa il potassio dalla metà dove è più concentrato a dove è meno concentrato.

A un certo punto dove era originalmente una soluzione KCl si formeranno ioni cloruro che non potendo passare dall'altra parte non saranno neutralizzati dallo ione potassio. Quindi la parte destra si caricherà negativamente. Viceversa a sinistra ci sarà un accumulo di ioni potassio non neutralizzati e perciò si caricherà positivamente. Quello che si crea è un gradiente elettrico opposto a quello chimico. Opposto perché uno ione potassio è caricato positivamente e viene attratto dalle cariche positive e respinto da quelle positive. Dunque lo ione potassio tenderà a fluire verso la parte dove è più concentrato perché attratto da cariche negative. Ovviamente lo ione continuerà a cercare di andare laddove è meno concentrato. Esisterà una situazione di equilibrio dinamico in quanto mantenuta da flussi di ioni di potassio che viaggiano verso la soluzione più negativa oppure verso la soluzione meno concentrata.

Questa situazione ricapitolata in vitro con questo esperimento, riproduce la situazione della membrana plasmatica, il potenziale di membrana delle cellule umane. Il potenziale che si raggiunge in questo esperimento è -98mV. Nelle cellule umane ci sono altre cose che cambiano leggermente il potenziale di membrana (per esempio la pompa Na+/K+), per cui il potenziale di membrana è circa -70mV.

Il potenziale di riposo e l'equazione di Nernst

Il potenziale di riposo della membrana plasmatica è dovuto quindi prevalentemente al flusso di ioni potassio. È calcolabile la differenza di potenziale sulla base della concentrazione esterna e interna del potassio usando l'equazione di Nernst. Questo potenziale è sempre negativo perché la concentrazione di potassio è sempre più bassa all'esterno (il rapporto sarà sempre inferiore a 1 e il logaritmo sarà sempre negativo).

Come funzionano i canali potassio?

I canali potassio sono costituiti da 4 subunità (o catene polipeptidiche o proteine) che sono dotate di vari domini trans membrana. Ci sono due tipi di subunità, quella di destra ha 6 domini trans membrana, quella a sinistra ne ha 2. Queste subunità si combinano a formare il tipo di struttura rappresentato. In quest'immagine è rappresentato tridimensionalmente il canale. Come si vede le subunità sono conformate ad alfa elica e si conformano attorno a un poro centrale e in mezzo al canale è presente una cavità.

Nella parte più esterna che volge verso lo spazio extracellulare è presente un filtro di selettività dovuto alle due subunità (come si vede in figura), che garantiscono la selettività del canale per lo ione potassio, rendendo termodinamicamente difficile al sodio e al calcio di passare attraverso questo canale, nonché allo ione H+ che si presenta come H30+. La selettività del canale dipende in parte dalla carica, in parte dalla grandezza dello ione e in parte dipende dalla idratazione dello ione.