Potenziale di membrana e pompe a trasporto attivo
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Potenziale di membrana e pompe a trasporto attivo

Il potenziale elettrico di membrana e l'eccitabilità cellulare. Le pompe a trasporto attivo ed i meccanismi di funzionamento.

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In quasi tutte le cellule dell'organismo è possibile rilevare dei potenziali elettrici a livello di membrana. Alcune cellule sono eccitabili, ossia in grado di generare impulsi elettrochimici a livello membranario. In altre cellule, il potenziale di membrana, ha importanti compiti di regolazione (es. cellule ghiandolari, macrofagi ecc.). Un potenziale di membrana viene generato in particolari condizioni e quando vi sia una differenza nella concentrazione di ioni attraverso una membrana semipermeabile.
Per misurare il potenziale di riposo della membrana è possibile inserire un microelettrodo all'interno della cellula ed uno al suo esterno, misurandone la differenza. Nel caso, ad esempio, delle cellule del muscolo sartorio di rana, l'elettrodo intracellulare misura un'elettronegatività di circa 90 mV rispetto all'elettrodo esterno. Diremo dunque che, il potenziale di riposo della membrana è 90 mV. Attraverso la membrana è possibile, con l'ausilio di elettrodi, far passare un impulso di corrente, che può essere depolarizzante (se vi è una riduzione della differenza di potenziale es. da –90 a –60) o iperpolarizzante (se vi è un aumento della differenza di potenziale es. da –60 a –90).
Le grosse fibre nervose, quando sono in fase di riposo, hanno un potenziale di membrana di circa –90 millivolt, ossia l'interno della fibra è 90millivolt più negativo rispetto al liquido extracellulare. Per comprendere meglio questi fenomeni sarà utile ripetere brevemente le caratteristiche della pompa sodio-potassio descritta precedentemente. Tutte le membrane cellulari sono provviste di pompa sodio potassio.

Tale pompa trasporta continuamente sodio all'esterno della cellula e potassio al suo interno, in ogni fase 3 ioni sodio vengono espulsi e 2 ioni potassio vengono fatti entrare, generando una carica negativa all'interno della cellula. Tale pompa è in grado di stabilire elevati gradienti di concentrazione fra esterno ed interno della cellula.
Nella membrana sono tuttavia presenti anche delle proteine canale denominate canali passivi sodio-potassio in grado di far transitare passivamente ioni potassio e sodio, senza utilizzo di ATP (come per le pompe poc'anzi viste). Tali proteine tendono ad essere fino a cento volte più permeabili al sodio che al potassio.
Il potenziale di riposo della membrana origina per una serie di fattori:

  • Contributo del potenziale di diffusione del potassio, secondo la formula di Nernst (E=(mV)= 61 +/- log concentraz. est/concentr. int), ossia partendo dal presupposto che l'unico movimento di ioni attraverso la membrana sia la diffusione di ioni potassio, questi tenderanno a diffondere verso l'interno sino a raggiungere il rapporto di 35:1 rispetto all'esterno. Concentrazione per la quale il livello di potenziale di membrana è in grado di impedire la diffusione di ulteriori ioni attraverso la membrana in ambedue i sensi. A questa concentrazione infatti, la carica positiva all'esterno della cellula respinge verso l'interno eventuali ioni aventi la medesima carica, come nel caso dello ione potassio. Se tale fattore fosse l'unico ad influenzare il potenziale di membrana, quest'ultimo sarebbe pari a –94mV all'interno della fibra
  • Contributo della diffusione del sodio attraverso la membrana della fibra nervosa: una piccolissima diffusione di ioni sodio attraverso i canali passivi di diffusione contribuisce alla variazione di potenziale intra/extra cellulare. Aggiungendo questo elemento al nostro calcolo (con l'ausilio della formula di Goldman), e tenendo conto della scarsa diffusione del sodio tramite questo mezzo, otterremo una variazione di potenziale all'interno della fibra di 86mV
  • Contributo della pompa sodio potassio. Il continuo funzionamento di questa pompa, contribuisce ulteriormente a determinare il potenziale di riposo della membrana. Il suo funzionamento, già sufficientemente spiegato, tende a far perdere continuamente cariche positive all'interno della membrana, contribuendo in misura di –4mV alla sua negatività rispetto all'esterno, che sarà dunque di 90mV.
    All'interno delle fibre del muscolo liscio e in molti neuroni del SNC, tale potenziale è inferiore (generalmente compreso fra –40 e –60 mV)