Resistenza e conduttanza della membrana

In generale, le membrane dei neuroni e di altre cellule eccitabili mostrano sia proprietà elettriche passive che attive. Le proprietà elettriche passive della membrana cellulare possono essere misurate facendo passare un impulso di corrente attraverso la membrana per produrre una lieve perturbazione del potenziale di membrana. A questo scopo, due microelettrodi vengono inseriti in una cellula. Uno di questi, l'elettrodo erogatore di corrente, fornisce una corrente che può essere fatta fluire attraverso la membrana sia in una direzione (dal mezzo extracellulare verso il citosol) sia nella direzione opposta (dal citosol verso il mezzo). L'altro elettrodo quello di registrazione, permette di misurare l'effetto di questa corrente sul potenziale della membrana, Vm. In questo modo, se l'elettrodo è reso positivo, la corrente fluirà, per definizione, direttamente all'elettrodo erogatore di corrente nella cellula e poi fuori dalla stessa attraverso la membrana. Al contrario, se l'elettrodo viene reso negativo, attirerà cariche positive al di fuori della cellula e provocherà un flusso di corrente entrante attraverso la membrana cellulare. In quest'ultimo caso, l'interno negativo della cellula diventa ancora più negativo; questo aumento della differenza di potenziale attraverso la membrana cellulare viene detto iperpolarizzazione, quindi il valore di riposo diminuisce, per esempio da -60 mV a -70 mV. È importante sottolineare che un cambiamento del potenziale di membrana da -70 mV a un valore positivo per esempio +30 mV, non significa che i gradienti di concentrazione degli ioni si siano invertiti. Per avere una significativa variazione del potenziale di membrana, è sufficiente il movimento di pochissimi ioni. Comunque, le membrane neuronali rispondono in modo passivo all'iperpolarizzazione, non producendo altra risposta se non la variazione di potenziale dovuta alla corrente elettrica (dovuta alle leggi di Ohm, vedere successivamente). Quando, invece, tramite l'elettrodo erogatore di corrente, si genera un impulso di corrente che aggiunge cariche positive all'interno della cellula, la differenza di potenziale esistente attraverso la membrana diminuirà dando luogo ad una depolarizzazione della membrana. In tal caso, il potenziale intracellulare diventerà meno negativo (per esempio da -60 mV a -50 mV). All'aumentare della corrente applicata aumenta anche il grado di depolarizzazione.
Comunque, in entrambi i casi, la permeabilità agli ioni delle cellule viene modificata grazie all'apertura e alla chiusura di canali ionici. Quattro sono i principali tipi di canali ionici presenti nel neurone: (1) canali per il Na+, (2) canali per il K+, (3) canali per il Ca2+ e (4) canali per il Cl-. Questi canali ionici possono essere sempre aperti (canali ionici non regolati) oppure possono avere cancelli che si aprono e chiudono in risposta a stimoli particolari (canali ionici regolati). Tra questi ultimi troviamo 3 tipi di canali:
1.Canali ionici regolati meccanicamente, si trovano in recettori sensitivi e si aprono in risposta a stimoli fisici come la pressione o lo stiramento;
2.Canali ionici regolati chimicamente, presenti in tutti i neuroni, rispondono a vari ligandi come neurotrasmettitori e neuromodulatori extracellulari;
3.Canali ionici a voltaggio-dipendenti, che rispondono a variazioni del potenziale di membrana della cellula e per questo svolgono un ruolo importante nella generazione e nella conduzione di segnali elettrici.
Non tutti i canali voltaggio-dipendenti si comportano nello stesso modo. Il  potenziale soglia (o stimolo minimo) a cui avviene l'apertura varia da un tipo all'altro di canale. Comunque, quando i canali ionici si aprono, gli ioni possono entrare o uscire dalla cellula. Il flusso della carica elettrica trasportata da un certo ione viene definita corrente di quel determinato ione, ed è indicata come Iione. Quindi come abbiamo visto prima il movimento di cariche elettriche a cavallo della membrana depolarizza o iperpolarizza la cellula, generando un segnale elettrico. I segnali elettrici possono essere classificati in due tipi fondamentali: potenziali graduati o potenziali d'azione. I potenziali graduati sono segnali a intensità variabile che si estendono per piccole distanze e si smorzano viaggiando lungo la cellula. Se un potenziale graduato in depolarizzazione è abbastanza intenso quando raggiunge la regione di integrazione del neurone, farà partire un potenziale d'azione. I potenziali di azione sono ampie depolarizzazioni di entità costante che possono viaggiare sul neurone per lunghe distanze senza perdere intensità. Per questo hanno la funzione di trasmettere rapidamente segnali a lunga distanza. Quest'ultimi sono anche definiti “fenomeni tutto o nulla”, perché si verificano come depolarizzazioni massimali (se lo stimolo raggiunge la soglia) oppure non si verificano affatto (se lo stimolo è sotto soglia). In generale, quando la polarità di una membrana eccitabile supera un valore soglia si innesca una depolarizzazione rapida ed esplosiva che oltre a depolarizzare completamente la membrana provoca una transitoria inversione di polarità, con l'interno della cellula che diventa positivo rispetto all'esterno, seguito da una rapida ripolarizzazione fino a raggiungere nuovamente il valore del potenziale di riposo. Per illustrare le proprietà generali di un potenziale d'azione, immaginiamo di far passare brevi impulsi di corrente depolarizzante attraverso la membrana di una cellula nervosa. Queste correnti produrranno depolarizzazioni passive fino a quando la loro intensità non sarà sufficientemente grande da depolarizzare la membrana al suo valore soglia (di solito -30/-50 mV), superato il quale verrà innescato un potenziale d'azione . Si dice corrente di soglia quella corrente di stimolazione la cui intensità è giusto sufficiente per portare la membrana al potenziale soglia e avviare un potenziale d'azione. Una volta raggiunto il potenziale soglia la depolarizzazione diventa rigenerativa; cioè l'evento si autosostiene ed il potenziale di membrana continua a variare senza bisogno di un ulteriore stimolazione. Via via che l'interno della cellula acquisisce ioni positivi, il potenziale di membrana diventa progressivamente meno negativo fino a raggiungere lo zero e portarsi a valori positivi (inversione di polarità). Questa brevissima inversione di potenziale viene chiamata eccedenza o overshoot. Questa descritta fino ad esso risulta essere la fasce ascendente del potenziale d'azione. La fase discendente del potenziale d'azione corrisponde, invece, a un aumento della permeabilità al potassio. I suoi canali cominciano ad aprirsi in risposta alla depolarizzazione mentre quelli per il sodio cominciano a chiudersi. Quindi il potassio fuoriesce dalla cellula quindi il potenziale di membrana diventa più negativo, provocando la fase discendente de potenziale d'azione e portando la cellula verso il suo potenziale di riposo. Comunque, quando l'intervallo che separa due potenziali di azione si riduce, il secondo potenziale di azione diventa progressivamente più piccolo e non insorge affatto se uno stimolo cade troppo presto dopo il primo potenziale d'azione. Durante questo periodo di refrattarietà assoluta il neurone non è in grado di rispondere ad uno stimolo indipendentemente dalla sua intensità. Dopo questo periodo, la membrana entra in un periodo di refrattarietà relativa, durante il quale il potenziale soglia è più elevato del normale ma uno stimolo sufficiente può provocare un potenziale d'azione. In generale, comunque, la refrattarietà durante e subito dopo il potenziale d'azione impedisce la fusione degli impulsi e permette la propagazione di impulsi separati. Questi periodi di refrattarietà comunque sono collegati fisicamente all'inattivazione e attivazione rispettivamente dei canali per il sodio e per il calcio.

Il doppio strato lipidico delle membrane, impermeabile agli ioni, agendo come un isolate che separa due strati di ioni carichi, conferisce alla membrana una capacità elettrica. I canali ionici, attraverso cui passano le cariche elettriche, dotano invece la membrana di una propria conduttanza elettrica. Queste due proprietà elettriche della membrana possono essere convenientemente rappresentate tramite un circuito equivalente in cui un condensatore è collegato in parallelo con una resistenza. La resistenza rappresenta la conduttanza dei canali ionici mentre il condensatore rappresenta la capacità del doppio strato lipidico. Quindi, come ben si può capire, la resistenza di una membrana è una misura della sua impermeabilità agli ioni mentre la conduttanza è una misura della sua permeabilità agli ioni. In presenza di un dato voltaggio transmembrana, tanto minore sarà la resistenza della membrana (cioè, tanto maggiore la sua conduttanza), quanto maggiore sarà il numero di ioni carichi che attraversano la membrana tramite i canali ionici nell'unità di tempo. La relazione esistente tra la corrente, la resistenza ed il voltaggio attraverso una membrana è data dalla legge di Ohm, la quale afferma che la variazione di voltaggio causata da una corrente che fluisce attraverso la membrana è direttamente proporzionale alla corrente moltiplicata per la resistenza della membrana:                                             ΔVm = ΔI x R
dove ΔVm è la variazione di voltaggio, ΔI è la corrente (in ampere) attraverso la membrana e R è la resistenza elettrica (in ohm, Ω) della membrana. La resistenza d'ingresso di una cellula (cioè la resistenza totale incontrata dalla corrente che fluisce verso l'interno o l'esterno della cellula) varia in funzione dell'area, A, della sua membrana, in quanto la membrana di una cellula grande conterrà normalmente un numero di canali maggiori rispetto ad una cellula più piccola. A questo scopo di definisce la resistenza specifica, Rm, della membrana, come:
Rm = R x A
dove A è l'area della membrana e Rm è la resistenza per unità di area della membrana. Riarrangiando la legge di Ohm possiamo ottenere    Rm = ΔVm/ΔI         e sostituendo:
Rm = (ΔVm/ΔI) x A
dove il rapporto ΔVm/ΔI è in Ohm e l'area in centimetri quadrati, dunque Rm sarà espressa in ohm x cm2. Il reciproco della resistenza R, è la conduttanza, g (la cui unità di misura è il siemens S):
gm = 1/R
Sostituendo questa espressione nella legge di Ohm, avremo:
ΔVm = ΔI/gingresso
Il reciproco della resistenza specifica di una membrana è la conduttanza specifica, gm. La conduttanza dipende fortemente dalla permeabilità ionica della membrana. Inoltre per una data specie ionica la conduttanza è definita in base alla legge do Ohm come la corrente trasportata da quella specie ionica divisa per la forza elettrica agente sulla specie ionica stessa:
gx = Ix/femx
dove gx è la conduttanza della membrana per la specie ionica X, Ix è la corrente trasportata da X e femx rappresenta la forza elettromotrice che agisce su X. Quindi anche se la membrana è potenzialmente permeabile allo ione X, la conduttanza gx, dipende ovviamente dalla presenza e dalla concentrazione di questo ione in soluzione.