La differenza relativa nella carica elettrica, o voltaggio, tra l’interno e l’esterno di una membrana cellulare, è chiamata potenziale della membrana. È generato da differenze nella permeabilità della membrana a vari ioni e dalle concentrazioni di questi ioni attraverso la membrana.
Il potenziale di membrana di una cellula può essere misurato inserendo un microelettrodo in una cellula e confrontando la carica con un elettrodo di riferimento nel fluido extracellulare. Il potenziale di membrana di un neurone a riposo, cioè un neurone che attualmente non riceve o invia messaggi, è negativo, tipicamente intorno a -70 millivolt (mV). Questo è chiamato il potenziale della membrana a riposo. Il valore negativo indica che l’interno della membrana è relativamente più negativo rispetto all’esterno, è polarizzato. Il potenziale di riposo deriva da due fattori principali: permeabilità selettiva della membrana e differenze nella concentrazione di ioni all’interno della cellula rispetto all’esterno.
Le membrane cellulari sono permeabili selettivamente perché la maggior parte degli ioni e delle molecole non può attraversare il bistrato lipidico senza aiuto, spesso da proteine del canale ionico che attraversano la membrana. Questo perché gli ioni caricati non possono diffondersi attraverso l’interno idrofobico non caricato delle membrane. Gli ioni intra ed extracellulari più comuni che si trovano nel tessuto nervoso sono il potassio(K)), il sodio(Na), il cloruro (Cl–) e il calcio (Ca2). Quando un neurone è a riposo, i canali di potassio(K)sono il tipo principale di canale ionico che è aperto, permettendo a K– di migrare attraverso la membrana. Questa permeabilità, insieme alle grandi concentrazioni intracellulari, rende il potenziale di membrana a riposo del neurone determinato principalmente dal movimento diK.
Le differenze nella concentrazione di ioni tra l’interno e l’esterno dei neuroni sono principalmente dovute all’attività della pompa sodio-potassio(Na, /K) , una proteina transmembrana che pompa continuamente treioni Na fuori dalla cellula per ogni due K: ioni all’interno. Questo stabilisce gradienti di concentrazione, con una maggiore concentrazione di ioni di Na, al di fuori dei neuroni e una maggiore concentrazione diioni K all’interno.
Dal momento che la membrana è principalmente permeabile a K, a riposo, a causa deicanali K aperti, Kpuò diffondere il suo gradiente di concentrazione nella regione di minore concentrazione, fuori dalla cellula. Queste cariche positive che lasciano la cellula, combinate con il fatto che ci sono molte proteine caricate negativamente all’interno della cellula, fa sì che l’interno sia relativamente più negativo.
Alla fine, la diffusione esterna diK è bilanciata dalla repulsione elettrostatica di cariche positive che si accumulano al di fuori della cellula e si raggiunge l’equilibrio elettrochimico. L’effetto netto è il potenziale di riposo negativo osservato. Il potenziale di riposo è molto importante nel sistema nervoso perché i cambiamenti nel potenziale della membrana, come il potenziale di azione, sono la base per la segnalazione neurale.
Il pesce palla non si trova spesso in molti menu di pesce al di fuori del Giappone, in parte perché contengono una potente neurotossina. La tetrodotossina (TTX) è un bloccante del canale di sodio molto selettivo che è letale in dosi minime. La dose letale mediana (LD50) per i topi è di 334 g/kg, rispetto agli 8,5 mg/kg per il cianuro di potassio. Ha anche servito come strumento essenziale nella ricerca sulle neuroscienze. Quando si apre il canale, la tossina blocca il flusso di Nanella cella. Pertanto, interrompe i potenziali di azione, ma non il potenziale della membrana a riposo, e può essere utilizzato per silenziare l’attività neuronale. Il suo meccanismo d’azione è stato dimostrato da Toshio Narahashi e John W. Moore alla Duke University, lavorando sull’assone di aragosta gigante nel 1964.
