Proprietà osmotiche delle cellule: stato stazionario ionico

Applicando i principi fisici di cui abbiamo appena parlato, possiamo analizzare come le membrane regolano finemente le concentrazioni ioniche ai due lati della membrana. Lo ione più concentrato nel citosol è lo ione potassio, K+, che eccede di 20-30 volte la sua concentrazione nel liquido extracellulare. Viceversa le concentrazioni intracellulari di Na+ e Cl- sono tipicamente inferiori (circa un decimo o meno) a quelle extracellulari. Un'altra importante generalizzazione è che la concentrazione intracellulare di Ca2+ è regolata in modo da risultare diversi ordini di grandezza al di sotto della concentrazione extracellulare. Questa differenza è dovuta ad un meccanismo di trasporto attivo che espelle il Ca2+ dalla cellula ed in parte al fatto che il calcio intracellulare si trova sequestrato all'interno di organelli come i mitocondri. Per questo, la concentrazione del Ca2+ nel citosol è generalmente inferiore a 10-6 M. La permeabilità delle membrane cellulari al K+ è circa 30 volte superiore a quella del Na+. La permeabilità al Cl- è invece più variabile: in alcune cellule è simile a quella del K+ mentre in altre è più bassa. Per capire come l'equilibrio di Donnan possa contribuire a determinare le caratteristiche della cellula bisogna considerare che: (1) la carica netta negativa esistente all'interno della cellula è in gran parte dovuta ai gruppi carbossilici presenti su molecole come proteine e peptidi, e queste cariche devono essere bilanciate da contro-ioni carichi positivamente come Na+, K+ e Ca2+; (2) per non andare incontro a lisi, la cellula deve pompare al di fuori il Na+, il Ca2+ ed alcuni ioni con la stessa intensità alla quale essi entrano. Ciò permette di mantenere costante la concentrazione intracellulare del Na+, circa un ordine di grandezza al di sotto della sua concentrazione extracellulare. Quindi, la differente distribuzione degli ioni, rappresenta uno stato stazionario, una condizione che richiede un continuo dispendio energetico.