Il potenziale di riposo è la differenza di tensione attraverso una membrana cellulare, ed è talvolta indicato come tensione di riposo. Alcuni tipi di cellule, come i neuroni e le cellule muscolari, utilizzano il potenziale di riposo per attuare cambiamenti all’interno della cellula e del corpo. I potenziali d’azione, la contrazione muscolare e l’instaurazione o la modifica dei processi di equilibrio nella cellula coinvolgono tutti il potenziale di riposo della membrana.
Ci sono diverse concentrazioni di ioni nel citosol, o all’interno della cellula, così come all’interno di diversi compartimenti cellulari e organelli. Poiché gli ioni sono carichi positivamente o negativamente, creano una differenza di carica tra questi diversi compartimenti, formando una differenza di potenziale elettrico. Spesso, le cellule vorranno mantenere questa differenza attraverso una membrana utilizzando pompe e canali ionici proteici. Quando viene mantenuta una differenza di potenziale elettrico, si parla di potenziale di riposo.
Gli ioni più coinvolti nella creazione e nel mantenimento di una tensione di riposo per una membrana sono gli ioni sodio (Na) e potassio (K). In genere, la concentrazione di K+ è maggiore all’interno della cellula che all’esterno, mentre la concentrazione di Na+ è maggiore all’esterno della cellula che all’interno. Questa differenza è mantenuta da una pompa proteica di membrana chiamata Na+/K+-ATPasi, che utilizza l’adenosina trifosfato (ATP) come energia per mantenere le concentrazioni relative. La pompa incorpora tre ioni Na+ nella cellula per ogni due ioni K+ che esporta, conferendo all’interno della cellula una carica più negativa. Questo potenziale di riposo è particolarmente importante per i neuroni, che utilizzano la differenza di voltaggio per attivare i potenziali d’azione.
Nei neuroni e in altre cellule del sistema nervoso, viene generato un potenziale d’azione quando il potenziale di riposo è disturbato. Il potenziale d’azione inizia con un afflusso di ioni Na+ nella cellula attraverso determinati canali ionici, che crea una depolarizzazione del potenziale di membrana una volta raggiunta una certa soglia. Qui viene generato il potenziale d’azione e il segnale elettrico viene trasmesso attraverso il neurone. Dopo il picco di Na+, si aprono più canali ionici voltaggio-dipendenti, rilasciando K+ dalla cellula, un passaggio nel potenziale d’azione è noto come iperpolarizzazione, in cui il potenziale di membrana scende al di sotto della normale tensione di riposo. La cellula quindi ristabilisce il suo potenziale di riposo utilizzando la Na+/K+-ATPasi nel processo di ripolarizzazione.
Anche gli ioni calcio (Ca) sono importanti per mantenere il potenziale di membrana a riposo nelle cellule muscolari. Gli ioni Ca2+ sono immagazzinati in un organello chiamato reticolo sarcoplasmatico, che contiene pompe proteiche per mantenere alte concentrazioni di Ca2+ all’interno del compartimento. Quando viene detto a una cellula muscolare di contrarsi, un segnale elettrico attiva il reticolo sarcoplasmatico utilizzando il potenziale di riposo. Il compartimento è quindi in grado di aprirsi, rilasciando ioni Ca2+ nella cellula, che si legano alle fibre che permettono al muscolo di contrarsi.