Potenziale di membrana a riposo, Fisiologia umana

Potenziale di membrana a riposo

Il potenziale di membrana (PM) a riposo è determinato dalla diseguale distribuzione di ioni sui due versanti della membrana. A valori di PM tra -70 e -60 mV, i canali voltaggio dipendenti del sodio e potassio rimangono chiusi, quindi i flussi ionici responsabili del PM a riposo avvengono attraverso canali passivi. Una membrana cellulare a riposo è permeabile solo al K⁺ grazie alla presenza di canali passivi per questo ione. La concentrazione interna di K⁺ è molto maggiore di quella extracellulare. All'interno vi è anche un'elevata concentrazione di anioni proteici.

Quindi il K⁺, in virtù del gradiente di concentrazione, tende a spostarsi all'esterno: il flusso di cariche positive non si accompagna a un equivalente flusso di cariche negative in quanto gli anioni sono troppo grandi per poter uscire dalla membrana. Questo disaccoppiamento di ioni determina la polarizzazione della membrana, il cui versante interno diventa più negativo. In questo modo si ha l'insorgenza di una forza elettrica che si oppone a quella chimica: il versante interno infatti esercita una forza di attrazione nei confronti dello ione positivo K⁺. Il potassio è spinto quindi all'esterno dalla forza chimica e all'interno da quella elettrica.

A mano a mano che lo ione esce, la forza chimica diventa sempre più debole e quella elettrica più forte fino a un punto in cui le due forze si controbilanciano, una situazione detta equilibrio elettrochimico, in cui il flusso netto dello ione è zero. Il valore di potenziale elettrico al quale si stabilisce questo equilibrio è calcolato mediante l'equazione di Nernst: Ek = [(RT)/(zF)]ln([K]_e/[K]_i) = -75 mV.

• R = costante dei gas perfetti
• T = temperatura in kelvin
• Z = valenza dello ione (+1)
• F = costante di Faraday

Tale valore di potenziale si ottiene solo nel caso di una membrana che in condizioni di riposo è permeabile al solo K⁺. In una cellula eccitabile, il flusso di K⁺ non riesce da solo a spiegare la genesi del PM. Il PM di un neurone non corrisponde a Ek ma a un valore tra -60 e -70 mV: infatti, la membrana della cellula nervosa presenta anche canali passivi per il Na⁺ e Cl^-. Il potenziale di equilibrio del sodio è +55 mV.

È il flusso di entrambe le specie ioniche che contribuisce alla genesi del PM: in condizioni di riposo è altamente permeabile al K⁺ e scarsamente al Na⁺. Vm = (RT/F) ln {(P_k[K]_e + P_na[Na]_e + P_cl[Cl]_e) / (P_k[K]_i + P_na[Na]_i + P_cl[Cl]_i)}. Questa equazione tiene conto sia del gradiente di concentrazione a cavallo della membrana sia della permeabilità che la membrana ha per quella determinata specie.

La [Na]_e è superiore di 10 volte a quella interna perciò tende ad entrare all'interno della cellula sia in virtù della forza chimica che elettrica (infatti l'interno è negativo ed esercita una forza di attrazione sullo ione positivo). Il flusso di ioni risulta comunque assai moderato a causa della scarsa permeabilità della membrana per questo ione. In condizioni di riposo, la permeabilità del sodio è inferiore di circa 20 volte a quella del potassio.

Per quanto la P del Na sia bassa, un po' entra nella cellula, rendendo l'interno meno negativo. La minor negatività rende meno intensa la forza elettrica che si oppone alla fuoriuscita del potassio e la forza chimica spinge il K⁺ ad uscire. Se questo fenomeno perdurasse nel tempo, tenderebbe ad estinguere le diverse concentrazioni ioniche di Na⁺ e K⁺ tra il versante interno ed esterno, responsabile della polarizzazione della membrana a riposo. Tale situazione non si verifica grazie all'intervento della pompa Na/K ATPasi che trasporta ioni contro il loro gradiente di concentrazione.

Grazie all'energia fornita dall'idrolisi di 1 ATP, la pompa estrude 3 ioni Na⁺ scambiandoli con 2 K⁺: così le cariche positive che passano all'esterno sono superiori a quelle che passano all'interno e la membrana viene resa più negativa di quanto non sarebbe sulla base dei soli flussi ionici attraverso i canali passivi. La pompa permette il perdurare di uno stato stazionario, cioè il perdurare di una diseguale distribuzione degli ioni Na⁺ e K⁺ a cavallo della membrana, responsabile della sua polarizzazione a riposo.

In molte cellule nervose ci sono anche canali passivi per il Cl^-: la sua concentrazione esterna è molto superiore a quella interna. Il suo potenziale equilibrio corrisponde al PM a riposo: non contribuisce in maniera significativa alla genesi del PM ma si distribuisce in maniera passiva a cavallo della membrana.

Cellule eccitabili e potenziale d'azione

Alcune cellule dell'organismo, dette cellule eccitabili (neuroni, cellule muscolari e endocrine), sono in grado di produrre, in risposta a uno stimolo, modificazioni del proprio PM caratterizzate da breve durata, velocità finita e forma stereotipata. Questi eventi sono detti potenziali d'azione (PDA) e richiedono l'attivazione e inattivazione coordinata di diverse famiglie di canali ionici voltaggio dipendenti. Sono fenomeni autorigenerativi, cioè sono in grado di propagarsi lungo la fibra nervosa senza un'apparente attenuazione.

Nelle cellule eccitabili, uno stimolo adeguato produce l'apertura di conduttanze di membrana che portano alla variazione del PM, che se supera un valore critico, innesca la generazione di un PDA: la cellula eccitabile per questo deve avere un potenziale di riposo molto negativo e un'alta densità di conduttanze voltaggio-dipendenti. Se non si genera il PDA, l'impulso elettrico rimarrà un evento elettrico localizzato (potenziale graduato o elettronico) che viene fortemente attenuato durante il loro percorso nelle fibre nervose.

In una cellula si può avere la sommazione di un certo numero di potenziali elettronici depolarizzanti tali da spostare a sufficienza il PM dal potenziale di riposo e generare un PDA: questo evento dalla forma stereotipata si propagherà lungo una fibra nervosa fino a raggiungere un'altra cellula su cui l'informazione viene veicolata grazie alla presenza di connessioni.