Potenziali di membrana

Potenziali di membrana

Il potenziale di membrana a riposo

Tutte le cellule in condizioni di riposo presentano una differenza di potenziale transmembrana, con l'interno della cellula carico negativamente rispetto all'esterno: è il potenziale di membrana. Per convenzione, al liquido extracellulare è assegnato un voltaggio uguale a zero e la polarità del potenziale di membrana (positiva o negativa) è stabilita in base al segno della carica in eccesso all'interno della cellula. L'entità del potenziale di membrana a riposo varia da circa -5 fino a -100 mV, in base al tipo di cellula. Nei neuroni è generalmente compreso tra -40 e -90 mV.

Il potenziale di membrana a riposo esiste a causa di un lieve eccesso di cariche negative all'interno della cellula e di un eccesso di cariche positive all'esterno. Le cariche di segno opposto sono attratte elettricamente pertanto le cariche in eccesso si raccolgono in un sottile strato contro le superfici interne ed esterne della membrana plasmatica.

L'ampiezza del potenziale di membrana a riposo dipende da due fattori:

• Differenza di permeabilità ai diversi ioni
• Differenza di concentrazione di determinati ioni ai due lati della membrana

Per capire meglio come le differenze di concentrazione di Na e K creino i potenziali di membrana, consideriamo prima ciò che avviene quando la membrana è permeabile solo a uno ione. Poniamo che la membrana abbia solo canali per il K; se questi canali sono aperti, K⁺ diffonderà lungo il suo gradiente di concentrazione da dentro a fuori dalla membrana. I canali per il Na⁺ sono chiusi quindi non passa. Dopo che alcuni ioni K⁺ si sono spostati fuori dalla cellula, questa avrà un eccesso di carica positiva, lasciando un eccesso di carica negativa al di fuori di essa. Quindi è stata creata una differenza di potenziale transmembrana.

Man mano che gli ioni si spostano, la differenza di potenziale elettrico di membrana inizia a influire sul movimento degli ioni K⁺: la carica negativa intracellulare tende ad attirarli di nuovo dentro la cellula e la carica positiva extracellulare tende a respingerli. Finché il flusso di ioni dovuto al gradiente di concentrazione di K⁺ è superiore al flusso causato dal potenziale di membrana, si verificherà un flusso netto di K⁺ da dentro a fuori la cellula e il potenziale di membrana aumenterà progressivamente.

Il potenziale di membrana a cui questi due flussi diventano uguali in ampiezza ma di direzione opposta è chiamato potenziale d'equilibrio per quel tipo di ione. Al potenziale di equilibrio per uno ione non vi è movimento netto dello ione poiché i flussi opposti sono uguali e il potenziale non subirà ulteriori cambiamenti.

L'ampiezza del potenziale di equilibrio (in mV) per ciascun tipo di ione dipende dal gradiente di concentrazione transmembrana di quello ione; più grande è il gradiente di concentrazione, maggiore è il potenziale di equilibrio perché, per bilanciare il movimento causato dalla differenza di concentrazione, sarebbe necessario un maggior movimento di ioni guidato elettricamente.

L'equazione di Nernst descrive il potenziale d'equilibrio per ogni specie ionica, cioè il potenziale elettrico necessario per bilanciare un dato gradiente di concentrazione ionica, in modo che il flusso dello ione sia nullo.

Equazione di Nernst → E = 61/z log (C_{ione out}/C_in)

Possiamo quindi calcolarci il potenziale di equilibrio per il Na⁺ e per il K⁺, i quali sono rispettivamente +60 mV e -90 mV. Pertanto Na⁺ e K⁺ tenderanno a portare il potenziale di membrana a questi valori.

Per calcolare la forza che agisce su uno ione si usa la formula E_r – E_x dove E_r è il potenziale di membrana a riposo e E_x è il potenziale di equilibrio di un determinato ione:

• Na⁺: E_r – E = -70 - (+60) = -130 mV

Quindi Na⁺ ha una forte tendenza a...