Il potenziale, o differenza di potenziale, si verifica quando c’è una differenza di carica elettrica tra due punti. Questa differenza di carica è solitamente dovuta ad una concentrazione di ioni di carica opposta in ogni punto. Il potenziale d’azione si verifica quando si verifica un cambiamento improvviso e netto nella differenza di potenziale attraverso la membrana di una cellula nervosa che si propaga lungo la lunghezza della cellula.
Quando un impulso nervoso non viene trasmesso, l’interno della cellula nervosa ha una carica negativa e l’esterno una carica positiva. Si dice che sia nel suo stato di riposo, quindi la differenza di potenziale in questo momento è il potenziale di riposo. La differenza di carica è dovuta alla quantità di ioni che si trovano all’interno e intorno alla cellula. Nel caso delle cellule nervose, la differenza di potenziale è dovuta agli ioni sodio e potassio.
Tutti gli impulsi nervosi sono di natura ionica. Quando la cellula nervosa è a riposo, ci sono diverse concentrazioni di ioni potassio e sodio su entrambi i lati della membrana. Questa differenza è mantenuta dalle pompe sodio-potassio nella membrana. Questa pompa pompa ioni sodio fuori dalla cellula e ioni potassio dentro.
Gli ioni potassio e sodio si diffondono attraverso la membrana a causa della differenza di concentrazione su entrambi i lati. Gli ioni di potassio possono diffondersi facilmente fuori dalla cellula, ma la membrana è relativamente impermeabile agli ioni di sodio che si diffondono all’interno. Il risultato complessivo è che l’interno della cellula nervosa ha una carica negativa rispetto all’esterno della cellula.
Quando la cellula nervosa viene stimolata e viene avviato un impulso, la situazione si capovolge momentaneamente. L’interno della cellula diventa positivo e l’esterno negativo. Questa improvvisa inversione del potenziale di riposo che accompagna l’impulso è il potenziale d’azione. Un potenziale d’azione è estremamente breve, quindi un impulso è in realtà un’onda di depolarizzazione, o potenziali d’azione, che passa lungo la cellula.
Durante un impulso, la membrana cellulare diventa permeabile agli ioni sodio. Gli ioni sodio hanno una concentrazione molto elevata al di fuori della membrana, quindi si diffondono rapidamente nella cellula. Questo avviene molto rapidamente e inverte il potenziale di riposo. Con così tanti ioni positivi ora trovati all’interno della cellula, l’interno ha una carica positiva rispetto all’esterno.
Gli ioni sodio sono in grado di entrare nella cellula attraverso i canali ionici. Quando la cellula è a riposo, i canali ionici rimangono chiusi e impediscono agli ioni sodio di entrare nella cellula. Quando sono stimolati da un impulso, si aprono e consentono l’afflusso degli ioni sodio. In questo modo, i potenziali d’azione e gli impulsi si autopropagano. Il potenziale d’azione in un’area della membrana stimola l’area successiva provocando l’apertura dei canali ionici. Questo a sua volta inizia un potenziale d’azione, che poi stimola l’area successiva e così via.
Quando gli ioni sodio entrano nella cellula, gli ioni potassio se ne vanno. Questo è l’inizio del processo di recupero in cui l’interno della cellula inizia a recuperare la sua carica negativa. Dopo che il potenziale d’azione è passato e si è spostato lungo la membrana cellulare, i canali ionici si chiudono e la membrana diventa impermeabile agli ioni sodio. La pompa sodio-potassio pompa ancora una volta gli ioni sodio fuori e gli ioni potassio dentro, con conseguente ripristino del potenziale di riposo.