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Potenziale di membrana

Significato del potenziale di membrana

Il potenziale di membrana è una differenza di potenziale elettrico (tensione elettrica, o voltaggio) esistente tra la faccia extracellulare e quella citoplasmatica della membrana cellulare.

E' presente nelle cellule di tutti gli eucarioti e assume valori che in genere vanno dai -40 mV ai -80 mV (millivolt, millesimi di volt), variando a seconda del tipo di cellula.

E' possibile misurare questa tensione in laboratorio tramite l'utilizzo di microelettrodi collegati ad un Voltmetro.

Il potenziale di membrana dipende da una distribuzione non omogenea delle molecole cariche (ioni) tra lo spazio extracellulare e il citoplasma.

Il versante interno della membrana ha una concentrazione maggiore di cariche negative rispetto al versante esterno.

I principali ioni che concorrono al potenziale di membrana e le loro concentrazioni ai due lati della membrana sono:

Concentrazione millimolare (mM) dei principali ioni

Concentrazione millimolare (mM) dei principali ioni

La pompa di membrana sodio-potassio mantiene un gradiente dei due ioni tra il citoplasmo e lo spazio extracellulare e ad ogni ciclo trasferisce 3 ioni sodio (Na+) dall'interno all'esterno della cellula e 2 ioni Potassio (K+) dall'esterno all'interno.

Sulla membrana sono inoltre presenti canali di diffusione passiva, selettivi per il passaggio degli ioni.

La permeabilità di questi canali è alta per il potassio (K+) e bassa per il sodio (Na+).

Il potenziale di membrana è quindi generato dalla presenza di un gradiente di concentrazione ionico e da una diversa permeabilità della membrana agli ioni, causando una situazione di equilibrio che determina il valore del potenziale.

Generazione del potenziale di membrana

Generazione del potenziale di membrana

Nel lato citoplasmatico vi sono inoltre gli anioni organici, rappresentati per lo più da proteine cariche negativamente (ad una concentrazione di circa 380mM), i quali schermano gli ioni positivi presenti nel citoplasma (come K+), e in aggiunta si addossano al lato citoplasmatico della membrana attirati dagli ioni positivi (come Na+) presenti all'esterno, contribuendo a mantenere una carica netta negativa nel versante citoplasmatico.

Distribuzione dei principali ioni nel versante extracellulare e citoplasmatico

Distribuzione dei principali ioni nel versante extracellulare e citoplasmatico

Principali funzioni del potenziale di membrana

Le funzioni principali del potenziale di membrana sono due.

La prima funzione è paragonabile a quella di una batteria che genera un gradiente elettrochimico, il quale può essere sfruttato dai diversi apparati di membrana.

Le pompe ioniche e i canali di diffusione possono essere considerati come le batterie e i resistori di un circuito elettrico.

La seconda funzione è quella di consentire la trasmissione di un segnale lungo una membrana tramite la propagazione di un potenziale d'azione, ovvero un rapido cambiamento del potenziale di membrana che avviene nelle cellule eccitabili come quelle muscolari o nervose, il quale dipende da un repentino flusso di molecole cariche tra l'interno e l'esterno della cellula.

Nelle cellule eccitabili sono presenti i canali voltaggio-dipendenti, ovvero canali di membrana selettivamente permeabili agli ioni che si aprono e chiudono in base alle variazioni del potenziale elettrochimico, consentendo un temporaneo cambiamento di polarità della membrana.

Variazione del potenziale di membrana durante un potenziale d'azione

Variazione del potenziale di membrana durante un potenziale d'azione

Nella prima fase il potenziale di membrana si trova nel suo stato di riposo, che nelle cellule nervose è di circa -70 mV.

Il potenziale d'azione viene innescato quando giunge uno stimolo depolarizzante con l'entrata di cariche positive.

Lo stimolo deve essere sufficientemente intenso da superare il valore soglia, in questo caso di -55 mV.

Al raggiungimento della soglia vengono aperti i canali voltaggio-dipendenti per il sodio, che essendo più concentrato all'esterno, fluisce nella cellula.

L'ingresso di cariche positive (Na+) inverte il potenziale di membrana da negativo a positivo, portandolo a +40 mV.

A questo punto si aprono i canali voltaggio-dipendenti dello ione potassio (K+), che essendo concentrato nel citoplasma, fuoriesce dalla cellula.

L'uscita di ioni positivi riporta il potenziale di membrana a valori negativi e causa una leggera iperpolarizzazione.

Infine, la pompa sodio-potassio ristabilisce la condizione iniziale rigenerando il gradiente chimico degli ioni ai due lati della membrana.

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