Membranpotential - Membrane potential

Skillnader i koncentrationerna av joner på motsatta sidor av ett cellmembran leder till en spänning som kallas membranpotentialen . Typiska värden för membranpotential ligger i intervallet –40 mV till –70 mV. Många joner har en koncentrationsgradient över membranet, inklusive kalium (K ⁺ ), som har en hög koncentration inuti och en låg koncentration utanför membranet. Natrium (Na ⁺ ) och klorid (Cl ^- ) joner har höga koncentrationer i den extracellulära regionen och låga koncentrationer i den intracelluläraregioner. Dessa koncentrationsgradienter ger potentiell energi för att driva bildandet av membranpotentialen. Denna spänning upprättas när membranet har permeabilitet för en eller flera joner. I det enklaste fallet, som illustreras här, om membranet selektivt är permeabelt för kalium, kan dessa positivt laddade joner diffundera ner koncentrationsgradienten till utsidan av cellen och lämna efter sig okompenserade negativa laddningar. Denna separering av laddningar är det som orsakar membranpotentialen. Observera att systemet som helhet är elektroneutralt. De okompenserade positiva laddningarna utanför cellen, och de okompenserade negativa laddningarna inuti cellen, ställer sig fysiskt upp på membranytan och lockar varandra över lipiddubbelskiktet . Således är membranpotentialen fysiskt belägen endast i membranets omedelbara närhet. Det är separationen av dessa laddningar över membranet som är grunden för membranspänningen. Detta diagram är bara en approximation av de joniska bidragen till membranpotentialen. Andra joner inklusive natrium, klorid, kalcium och andra spelar en mindre liten roll, även om de har starka koncentrationsgradienter, eftersom de har mer begränsad permeabilitet än kalium. Nyckel : Blå pentagoner - natriumjoner; Lila rutor - kaliumjoner; Gula cirklar - kloridjoner; Orange rektanglar-membranomträngliga anjoner (dessa härrör från en mängd olika källor inklusive proteiner). Den stora lila strukturen med en pil representerar en transmembran kaliumkanal och riktningen av nettokaliumrörelse.

Membranpotential (även transmembranpotential eller membranspänning ) är skillnaden i elektrisk potential mellan insidan och utsidan av en biologisk cell . För cellens utsida varierar typiska värden för membranpotential, normalt angiven i enheter på milli volt och betecknade som mV, från –40 mV till –80 mV.

Alla djurceller omges av ett membran som består av ett lipid -tvåskikt med proteiner inbäddade i det. Membranet tjänar som både en isolator och en diffusionsbarriär för att rörelsen av joner . Transmembranproteiner , även kända som jontransportör eller jonpumpproteiner , driver aktivt joner över membranet och etablerar koncentrationsgradienter över membranet, och jonkanaler gör att joner kan röra sig över membranet nerför dessa koncentrationsgradienter. Jonpumpar och jonkanaler motsvarar elektriskt en uppsättning batterier och motstånd som sätts in i membranet och skapar därför en spänning mellan membranets två sidor.

Nästan alla plasmamembran har en elektrisk potential över sig, med insidan vanligtvis negativ med avseende på utsidan. Membranpotentialen har två grundläggande funktioner. Först tillåter den en cell att fungera som ett batteri, vilket ger kraft för att driva en mängd olika "molekylära enheter" inbäddade i membranet. För det andra, i elektriskt exciterbara celler som neuroner och muskelceller , används den för att överföra signaler mellan olika delar av en cell. Signaler genereras genom att öppna eller stänga jonkanaler vid en punkt i membranet, vilket ger en lokal förändring av membranpotentialen. Denna förändring i det elektriska fältet kan snabbt avkännas av antingen intilliggande eller mer avlägsna jonkanaler i membranet. Dessa jonkanaler kan sedan öppna eller stänga till följd av den potentiella förändringen och återge signalen.

I icke-exciterbara celler och i exciterbara celler i deras baslinjetillstånd hålls membranpotentialen vid ett relativt stabilt värde, kallat vilopotential . För neuroner varierar typiska värden för vilopotentialen från –70 till –80 millivolt; det vill säga att det inre av en cell har en negativ baslinjespänning på lite mindre än en tiondel av en volt. Öppning och stängning av jonkanaler kan orsaka en avvikelse från vilopotentialen. Detta kallas en depolarisering om den inre spänningen blir mindre negativ (säg från –70 mV till –60 mV), eller en hyperpolarisering om den inre spänningen blir mer negativ (säg från –70 mV till –80 mV). I exciterbara celler kan en tillräckligt stor depolarisering framkalla en aktionspotential , där membranpotentialen förändras snabbt och signifikant under en kort tid (i storleksordningen 1 till 100 millisekunder), vilket ofta vänder sin polaritet. Handlingspotentialer genereras genom aktivering av vissa spänningsstyrda jonkanaler .

Hos neuroner är de faktorer som påverkar membranpotentialen olika. De inkluderar många typer av jonkanaler, varav några är kemiskt grindade och några av dem är spänningsstyrda. Eftersom spänningsstyrda jonkanaler styrs av membranpotentialen, medan membranpotentialen i sig påverkas av samma jonkanaler, uppstår återkopplingsslingor som möjliggör komplex tidsmässig dynamik, inklusive oscillationer och regenererande händelser som aktionspotentialer.

Fysisk grund

Membranpotentialen i en cell kommer slutligen från två faktorer: elektrisk kraft och diffusion. Elektrisk kraft uppstår från den ömsesidiga attraktionen mellan partiklar med motsatta elektriska laddningar (positiva och negativa) och den ömsesidiga avstötningen mellan partiklar med samma typ av laddning (både positiva eller båda negativa). Diffusion uppstår från partiklarnas statistiska tendens att omfördela från regioner där de är mycket koncentrerade till områden där koncentrationen är låg.

Spänning

Elektriska fält (pilar) och konturer av konstant spänning skapad av ett par motsatt laddade objekt. Det elektriska fältet är i rät vinkel mot spänningskonturerna, och fältet är starkast där avståndet mellan konturerna är det minsta.

Spänning, som är synonymt med skillnaden i elektrisk potential , är förmågan att driva en elektrisk ström över ett motstånd. Faktum är att den enklaste definitionen av en spänning ges av Ohms lag : V = IR, där V är spänning, I är ström och R är motstånd. Om en spänningskälla som ett batteri placeras i en elektrisk krets, ju högre spänning källan är desto större ström kommer den att driva över det tillgängliga motståndet. Den funktionella betydelsen av spänningen ligger endast i potentiella skillnader mellan två punkter i en krets. Idén om en spänning vid en enda punkt är meningslös. Det är konventionellt inom elektronik att tilldela en spänning på noll till något godtyckligt valt element i kretsen och sedan tilldela spänningar för andra element mätt i förhållande till den nollpunkten. Det finns ingen betydelse i vilket element som väljs som nollpunkt - funktionen hos en krets beror endast på skillnaderna inte på spänningar i sig . Men i de flesta fall och enligt konvention tilldelas nollnivån oftast till den del av en krets som är i kontakt med marken.

Samma princip gäller spänning i cellbiologi. I elektriskt aktiv vävnad kan potentialskillnaden mellan två punkter mätas genom att sätta in en elektrod vid varje punkt, till exempel en inuti och en utanför cellen, och ansluta båda elektroderna till ledningarna för vad som i huvudsak är en specialiserad voltmeter. Enligt konvention tilldelas nollpotentialvärdet till cellens utsida och tecknet på potentialskillnaden mellan utsidan och insidan bestäms av insidans potential i förhållande till den yttre nollan.

I matematiska termer börjar definitionen av spänning med begreppet ett elektriskt fält E , ett vektorfält som tilldelar en storlek och riktning till varje punkt i rymden. I många situationer, är det elektriska fältet en konservativ fält , vilket innebär att det kan uttryckas som gradient av en skalär funktion V , det vill säga E = -∇ V . Detta skalärfält V kallas spänningsfördelning. Observera att definitionen möjliggör en godtycklig integrationskonstant - det är därför absoluta spänningsvärden inte är meningsfulla. I allmänhet kan elektriska fält endast behandlas som konservativa om magnetfält inte påverkar dem signifikant, men detta tillstånd gäller vanligtvis bra för biologisk vävnad.

Eftersom det elektriska fältet är spänningsfördelningens gradient, innebär snabba spänningsförändringar inom ett litet område ett starkt elektriskt fält; å andra sidan, om spänningen förblir ungefär densamma över ett stort område, måste de elektriska fälten i den regionen vara svaga. Ett starkt elektriskt fält, motsvarande en stark spänningsgradient, innebär att en stark kraft utövas på alla laddade partiklar som ligger inom området.

Joner och krafterna som driver deras rörelse

Joner (rosa cirklar) kommer att flöda över ett membran från den högre koncentrationen till den lägre koncentrationen (ner en koncentrationsgradient), vilket orsakar en ström. Detta skapar dock en spänning över membranet som motsätter sig jonernas rörelse. När denna spänning når jämviktsvärdet stannar tvåbalansen och jonflödet.

Elektriska signaler inom biologiska organismer drivs i allmänhet av joner . De viktigaste katjonerna för åtgärdspotentialen är natrium (Na ⁺ ) och kalium (K ⁺ ). Båda dessa är envärda katjoner som bär en enda positiv laddning. Åtgärdspotentialer kan också innefatta kalcium (Ca ²⁺ ), vilket är en tvåvärd katjon som bär en dubbel positiv laddning. Den klorid anjon (Cl ^- ) spelar en viktig roll i aktionspotentialer i vissa alger , men spelar en obetydlig roll i aktionspotentialer i de flesta djur.

Joner korsar cellmembranet under två influenser: diffusion och elektriska fält . Ett enkelt exempel där två lösningar - A och B - separeras av en porös barriär illustrerar att diffusion kommer att säkerställa att de så småningom blandas till lika lösningar. Denna blandning sker på grund av skillnaden i deras koncentrationer. Regionen med hög koncentration kommer att spridas ut mot regionen med låg koncentration. För att utöka exemplet, låt lösning A ha 30 natriumjoner och 30 kloridjoner. Låt också lösning B endast ha 20 natriumjoner och 20 kloridjoner. Om vi ​​antar att barriären tillåter båda typerna av joner att resa genom den, då uppnås ett stabilt tillstånd där båda lösningarna har 25 natriumjoner och 25 kloridjoner. Om emellertid den porösa barriären är selektiv till vilken joner släpps igenom, bestämmer diffusion ensam inte den resulterande lösningen. För att återgå till föregående exempel, låt oss nu konstruera en barriär som endast är permeabel för natriumjoner. Nu får endast natrium diffundera över barriären från dess högre koncentration i lösning A till den lägre koncentrationen i lösning B. Detta kommer att resultera i en större ackumulering av natriumjoner än kloridjoner i lösning B och ett mindre antal natriumjoner än kloridjoner i lösning A.

Detta innebär att det finns en nettopositiv laddning i lösning B från den högre koncentrationen av positivt laddade natriumjoner än negativt laddade kloridjoner. På samma sätt finns det en negativ negativ laddning i lösning A från den högre koncentrationen av negativa kloridjoner än positiva natriumjoner. Eftersom motsatta laddningar lockar och liknande laddningar stöter bort, påverkas jonerna nu också av elektriska fält såväl som diffusionskrafter. Därför kommer positiva natriumjoner att vara mindre benägna att resa till den nu mer positiva B-lösningen och förbli i den nu mer negativa A-lösningen. Den punkt där krafterna hos de elektriska fälten helt motverkar kraften på grund av diffusion kallas jämviktspotential. Vid denna tidpunkt är nettoflödet för den specifika jonen (i detta fall natrium) noll.

Plasmamembran

Cellmembranet, även kallat plasmamembran eller plasmalemma, är ett semipermeabelt lipid -tvåskikt som är gemensamt för alla levande celler. Den innehåller en mängd biologiska molekyler, främst proteiner och lipider, som är involverade i en mängd olika cellulära processer.

Varje cell är innesluten i ett plasmamembran , som har strukturen av ett lipiddubbelskikt med många typer av stora molekyler inbäddade i det. Eftersom det är tillverkat av lipidmolekyler har plasmamembranet i sig en hög elektrisk resistivitet, med andra ord en låg inneboende permeabilitet för joner. Vissa av molekylerna inbäddade i membranet kan emellertid antingen aktivt transportera joner från ena sidan av membranet till den andra eller tillhandahålla kanaler genom vilka de kan röra sig.

I elektrisk terminologi fungerar plasmamembranet som ett kombinerat motstånd och en kondensator . Motstånd uppstår från det faktum att membranet hindrar laddningarnas rörelse över det. Kapacitans härrör från det faktum att lipiddubbelskiktet är så tunt att en ansamling av laddade partiklar på ena sidan ger upphov till en elektrisk kraft som drar motsatt laddade partiklar mot den andra sidan. Kapacitansen hos membranet är relativt opåverkad av molekylerna som är inbäddade i det, så det har ett mer eller mindre invariant värde uppskattat till cirka 2 μF/cm ² (den totala kapacitansen för en membranlapp är proportionell mot dess yta). Konduktansen hos ett rent lipiddubbelskikt är å andra sidan så lågt att det i biologiska situationer alltid domineras av konduktansen hos alternativa vägar som tillhandahålls av inbäddade molekyler. Således är membranets kapacitans mer eller mindre fixerad, men motståndet är mycket varierande.

Tjockleken på ett plasmamembran uppskattas till cirka 7-8 nanometer. Eftersom membranet är så tunt krävs det inte en mycket stor transmembranspänning för att skapa ett starkt elektriskt fält inom det. Typiska membranpotentialer i djurceller är i storleksordningen 100 millivolt (det vill säga en tiondel av en volt), men beräkningar visar att detta genererar ett elektriskt fält nära det maximala som membranet kan upprätthålla - det har beräknats att en spänning skillnad som är mycket större än 200 millivolt kan orsaka dielektrisk nedbrytning , det vill säga böjning över membranet.

Underlättad diffusion och transport

Underlättad diffusion i cellmembran, som visar jonkanaler och bärarproteiner

Motståndet hos ett rent lipidskikt mot jonernas passage över det är mycket högt, men strukturer inbäddade i membranet kan kraftigt förbättra jonrörelsen, antingen aktivt eller passivt , via mekanismer som kallas förenklad transport och underlättad diffusion . De två typerna av struktur som spelar de största rollerna är jonkanaler och jonpumpar , båda vanligtvis bildade av sammansättningar av proteinmolekyler. Jonkanaler tillhandahåller passager genom vilka joner kan röra sig. I de flesta fall är en jonkanal permeabel endast för specifika typer av joner (till exempel natrium och kalium men inte klorid eller kalcium), och ibland varierar permeabiliteten beroende på jonrörelsens riktning. Jonpumpar, även kända som jontransportörer eller bärarproteiner, transporterar aktivt specifika typer av joner från ena sidan av membranet till den andra, ibland med hjälp av energi från metaboliska processer för att göra det.

Jonpumpar

Natriumkaliumpumpen använder energi från ATP för att byta natrium mot kaliumjoner över membranet.

Jonpumpar är integrerade membranproteiner som utför aktiv transport , dvs använder cellulär energi (ATP) för att "pumpa" jonerna mot deras koncentrationsgradient. Sådana jonpumpar tar in joner från ena sidan av membranet (minskar dess koncentration där) och släpper ut dem på andra sidan (ökar dess koncentration där).

Jonpumpen som är mest relevant för åtgärdspotentialen är natrium-kaliumpumpen , som transporterar tre natriumjoner ut ur cellen och två kaliumjoner in. Som en konsekvens är koncentrationen av kaliumjoner K ⁺ inuti neuron ungefär 20-faldig större än den yttre koncentrationen, medan natriumkoncentrationen utanför är ungefär nio gånger större än inuti. På liknande sätt har andra joner olika koncentrationer inuti och utanför neuronet, såsom kalcium , klorid och magnesium .

Om talen för varje jontyp var lika skulle natrium-kaliumpumpen vara elektriskt neutral, men på grund av tre-mot-två-utbytet ger det en nettorörelse av en positiv laddning från intracellulär till extracellulär för varje cykel, vilket bidrar till en positiv spänningsskillnad. Pumpen har tre effekter: (1) den gör natriumkoncentrationen hög i det extracellulära utrymmet och lågt i det intracellulära utrymmet; (2) det gör kaliumkoncentrationen hög i det intracellulära rummet och låg i det extracellulära utrymmet; (3) det ger det intracellulära utrymmet en negativ spänning med avseende på det extracellulära utrymmet.

Natriumkaliumpumpen är relativt långsam i drift. Om en cell initialiserades med lika stora koncentrationer av natrium och kalium överallt, skulle det ta timmar innan pumpen upprättade jämvikt. Pumpen arbetar konstant, men blir gradvis mindre effektiv när koncentrationerna av natrium och kalium som är tillgängliga för pumpning minskar.

Jonpumpar påverkar endast effektpotentialen genom att fastställa det relativa förhållandet mellan intracellulära och extracellulära jonkoncentrationer. Åtgärdspotentialen innebär främst öppning och stängning av jonkanaler, inte jonpumpar. Om jonpumparna stängs av genom att ta bort sin energikälla, eller genom att lägga till en hämmare som ouabain , kan axonen fortfarande avfyra hundratusentals åtgärdspotentialer innan deras amplituder börjar förfalla betydligt. I synnerhet spelar jonpumpar ingen signifikant roll vid repolarisering av membranet efter en åtgärdspotential.

En annan funktionellt viktig jonpump är natrium-kalciumbytaren . Denna pump fungerar på ett konceptuellt sätt som natriumkaliumpumpen, förutom att den i varje cykel byter ut tre Na ⁺ från det extracellulära utrymmet mot ett Ca ⁺⁺ från det intracellulära utrymmet. Eftersom nettoflödet av laddning är inåt, går denna pump i själva verket "nedför" och kräver därför ingen energikälla förutom membranspänningen. Dess viktigaste effekt är att pumpa ut kalcium utåt-det tillåter också ett inåtflöde av natrium och därigenom motverka natrium-kaliumpumpen, men eftersom de totala natrium- och kaliumkoncentrationerna är mycket högre än kalciumkoncentrationerna, är denna effekt relativt oviktig. Natriumkalciumbytarens nettoresultat är att intracellulära kalciumkoncentrationer i viloläge blir mycket låga.

Jonkanaler

Trots de små skillnaderna i deras radier går joner sällan genom "fel" kanal. Till exempel passerar natrium- eller kalciumjoner sällan genom en kaliumkanal.

Jonkanaler är integrerade membranproteiner med en por genom vilken joner kan färdas mellan extracellulärt utrymme och cellinre. De flesta kanaler är specifika (selektiva) för en jon; till exempel kännetecknas de flesta kaliumkanaler av 1000: 1 selektivitetsförhållande för kalium över natrium, även om kalium- och natriumjoner har samma laddning och skiljer sig endast något i sin radie. Kanalporen är vanligtvis så liten att joner måste passera genom den i en filordning. Kanalens porer kan vara antingen öppna eller stängda för jonpassage, även om ett antal kanaler visar olika sub-konduktansnivåer. När en kanal är öppen, tränger joner genom kanalen ner i transmembrankoncentrationsgradienten för just den jonen. Hastigheten för jonflöde genom kanalen, det vill säga enkanals strömamplitud, bestäms av den maximala kanalkonduktansen och den elektrokemiska drivkraften för den jonen, vilket är skillnaden mellan membranpotentialens momentana värde och reverseringspotentialens värde .

Avbildning av den öppna kaliumkanalen, med kaliumjonen visad i lila i mitten, och väteatomer utelämnade. När kanalen stängs blockeras passagen.

En kanal kan ha flera olika tillstånd (motsvarande proteinets olika konformationer ), men varje sådant tillstånd är antingen öppet eller stängt. I allmänhet motsvarar slutna tillstånd antingen en sammandragning av poren - vilket gör den oöverkomlig för jonen - eller en separat del av proteinet, som stoppar poren. Till exempel genomgår den spänningsberoende natriumkanalen inaktivering , där en del av proteinet svänger in i poren och förseglar det. Denna inaktivering stänger av natriumströmmen och spelar en kritisk roll i åtgärdspotentialen.

Jonkanaler kan klassificeras efter hur de reagerar på sin omgivning. Till exempel är de jonkanaler som är involverade i åtgärdspotentialen spänningskänsliga kanaler ; de öppnas och stängs som svar på spänningen över membranet. Ligand-gated kanaler utgör en annan viktig klass; dessa jonkanaler öppnas och stängs som svar på bindningen av en ligandmolekyl , såsom en signalsubstans . Andra jonkanaler öppnas och stängs med mekaniska krafter. Ytterligare andra jonkanaler - såsom sensoriska neurons - öppnar och stänger som svar på andra stimuli, såsom ljus, temperatur eller tryck.

Läckagekanaler

Läckagekanaler är den enklaste typen av jonkanal, genom att deras permeabilitet är mer eller mindre konstant. De typer av läckagekanaler som har störst betydelse i neuroner är kalium- och kloridkanaler. Även dessa är inte helt konstanta i sina egenskaper: För det första är de flesta av dem spänningsberoende i den meningen att de leder bättre i en riktning än den andra (med andra ord, de är likriktare ); för det andra kan några av dem stängas av av kemiska ligander trots att de inte kräver ligander för att fungera.

Ligand-gated kanaler

Ligandgated kalciumkanal i slutna och öppna tillstånd

Ligand-gated jon kanaler är kanaler vars permeabilitet ökar kraftigt när någon typ av kemisk ligand binder till proteinstrukturen. Djurceller innehåller hundratals, om inte tusentals, typer av dessa. En stor delmängd fungerar som neurotransmittorreceptorer - de förekommer på postsynaptiska platser och den kemiska liganden som grindar dem frigörs av den presynaptiska axonterminalen . Ett exempel på denna typ är AMPA -receptorn , en receptor för signalsubstansen glutamat som vid aktivering tillåter passage av natrium- och kaliumjoner. Ett annat exempel är GABA _A -receptorn , en receptor för signalsubstansen GABA som vid aktivering tillåter passage av kloridjoner.

Neurotransmittorreceptorer aktiveras av ligander som uppträder i det extracellulära området, men det finns andra typer av ligandgrindade kanaler som styrs av interaktioner på den intracellulära sidan.

Spänningsberoende kanaler

Spänningsstyrda jonkanaler , även kända som spänningsberoende jonkanaler , är kanaler vars permeabilitet påverkas av membranpotentialen. De bildar en annan mycket stor grupp, där varje medlem har en särskild jonselektivitet och ett särskilt spänningsberoende. Många är också tidsberoende-med andra ord, de reagerar inte direkt på en spänningsförändring utan bara efter en fördröjning.

En av de viktigaste medlemmarna i denna grupp är en typ av spänningsstyrd natriumkanal som ligger till grund för åtgärdspotentialer-dessa kallas ibland Hodgkin-Huxley-natriumkanaler eftersom de ursprungligen kännetecknades av Alan Lloyd Hodgkin och Andrew Huxley i deras Nobelprisvinnande studier av fysiologin av åtgärdspotentialen. Kanalen stängs vid vilans spänningsnivå, men öppnas plötsligt när spänningen överskrider ett visst tröskelvärde, vilket möjliggör en stor tillströmning av natriumjoner som ger en mycket snabb förändring av membranpotentialen. Återhämtning från en åtgärdspotential är delvis beroende av en typ av spänningsstyrd kaliumkanal som stängs vid vilspänningsnivån men öppnas som en följd av den stora spänningsförändringen som produceras under åtgärdspotentialen.

Omvänd potential

Den återföring potential (eller jämviktspotential ) av en jon är värdet av transmembranspänning, vid vilken diffusiva och elektriska krafter motvikt, så att det inte finns någon netto jonflöde över membranet. Detta innebär att transmembranspänningen exakt motsätter sig jonens diffusionskraft, så att jonens nettoström över membranet är noll och oföränderlig. Reverseringspotentialen är viktig eftersom den ger spänningen som verkar på kanaler som är genomträngliga för den jonen - med andra ord ger den spänningen som jonkoncentrationsgradienten genererar när den fungerar som ett batteri .

Jämviktspotentialen för en viss jon är vanligtvis betecknad med notationen E _-jon . Jämviktspotentialen för någon jon kan beräknas med hjälp av Nernst -ekvationen . Till exempel kommer reverseringspotentialen för kaliumjoner att vara följande:

${\ displaystyle E_ {eq, K^{+}} = {\ frac {RT} {zF}} \ ln {\ frac {[K^{+}] _ {o}} {[K^{+}] _ {i}}},}$

var

• E _{ekv, K ⁺} är jämviktspotentialen för kalium, mätt i volt
• R är den universella gaskonstanten , lika med 8,314 joule · K ⁻¹ · mol ⁻¹
• T är den absoluta temperaturen , mätt i kelvin (= K = grader Celsius + 273,15)
• z är antalet elementära laddningar för jonen i fråga som är involverad i reaktionen
• F är Faraday -konstanten , lika med 96 485 coulombs · mol ⁻¹ eller J · V ⁻¹ · mol ⁻¹
• [K ⁺ ] _o är den extracellulära koncentrationen av kalium, mätt i mol · m ⁻³ eller mmol·l ⁻¹
• [K ⁺ ] _i är den intracellulära koncentrationen av kalium

Även om två olika joner har samma laddning (dvs K ⁺ och Na ⁺ ) kan de fortfarande ha mycket olika jämviktspotentialer, förutsatt att deras yttre och/eller inre koncentrationer skiljer sig åt. Ta till exempel jämviktspotentialerna för kalium och natrium i neuroner. Kaliumjämviktspotentialen E _K är −84 mV med 5 mM kalium utanför och 140 mM inuti. Å andra sidan är natriumjämviktspotentialen, E _Na , cirka +66 mV med cirka 12 mM natrium inuti och 140 mM utanför.

Förändringar i membranpotential under utveckling

En neurons vilande membranpotential förändras faktiskt under utvecklingen av en organism. För att en neuron så småningom ska kunna anta sin fulla vuxenfunktion måste dess potential regleras tätt under utvecklingen. När en organism utvecklas genom utveckling blir vilomembranpotentialen mer negativ. Glialceller differentieras och förökas också när utvecklingen utvecklas i hjärnan . Tillsatsen av dessa glialceller ökar organismens förmåga att reglera extracellulärt kalium . Minskningen av extracellulärt kalium kan leda till en minskning av membranpotentialen med 35 mV.

Cell excitabilitet

Cell excitabilitet är förändringen i membranpotential som är nödvändig för cellulära svar i olika vävnader. Cell excitabilitet är en egenskap som induceras under tidig embriogenes. En cells upphetsning har också definierats som den lätthet med vilken ett svar kan utlösas. Vilopotentialen och tröskelpotentialerna utgör grunden för cellens excitabilitet och dessa processer är grundläggande för generering av graderade och åtgärdspotentialer.

De viktigaste regulatorerna för cell excitabilitet är de extracellulära elektrolytkoncentrationerna (dvs. Na ⁺ , K ⁺ , Ca ²⁺ , Cl ^- , Mg ²⁺ ) och associerade proteiner. Viktiga proteiner som reglerar cellens excitabilitet är spänningsstyrda jonkanaler , jontransportörer (t.ex. Na+/K+-ATPas , magnesiumtransportörer , syra-bas-transportörer ), membranreceptorer och hyperpolarisationsaktiverade cykliska nukleotid-gateda kanaler . Till exempel är kaliumkanaler och kalciumavkännande receptorer viktiga regulatorer för excitabilitet i neuroner , hjärtmyocyter och många andra exciterbara celler som astrocyter . Kalciumjon är också den viktigaste andra budbäraren vid exciterande cellsignalering . Aktivering av synaptiska receptorer initierar långvariga förändringar i neuronal excitabilitet. Sköldkörtel , binjurar och andra hormoner reglerar också cellens excitabilitet, till exempel progesteron och östrogen modulerar myometriell glattmuskelcells excitabilitet.

Många celltyper anses ha ett upphetsbart membran. Exciterande celler är neuroner, myocyter (hjärt-, skelett-, släta ), vaskulära endotelceller , pericyter , juxtaglomerulära celler , interstitiella celler i Cajal , många typer av epitelceller (t.ex. betaceller , alfaceller , deltaceller , enteroendokrina celler , pulmonala neuroendokrina celler , pinealocyter ), glialceller (t.ex. astrocyter), mekanoreceptorceller (t.ex. hårceller och Merkelceller ), kemoreceptorceller (t.ex. glomusceller , smakreceptorer ), några växtceller och eventuellt immunceller . Astrocyter visar en form av icke-elektrisk excitabilitet baserad på intracellulära kalciumvariationer relaterade till uttrycket av flera receptorer genom vilka de kan detektera den synaptiska signalen. I neuroner finns det olika membranegenskaper i vissa delar av cellen, till exempel ger dendritisk excitabilitet neuroner förmågan att sammanfalla detektering av rumsligt separerade ingångar.

Ekvivalent krets

Ekvivalent krets för ett membran, bestående av en fast kapacitans parallellt med fyra vägar som var och en innehåller ett batteri i serie med variabel konduktans

Elektrofysiologer modellerar effekterna av jonkoncentrationsskillnader, jonkanaler och membrankapacitans i termer av en ekvivalent krets , som är avsedd att representera de elektriska egenskaperna hos en liten bit membran. Motsvarande krets består av en kondensator parallellt med fyra vägar som var och en består av ett batteri i serie med variabel konduktans. Kapacitansen bestäms av egenskaperna hos lipiddubbelskiktet och måste fastställas. Var och en av de fyra parallella vägarna kommer från en av huvudjonerna, natrium, kalium, klorid och kalcium. Spänningen för varje jonisk väg bestäms av jonets koncentrationer på varje sida av membranet; se avsnittet Reversal potential ovan. Konduktansen för varje jonisk väg vid vilken tidpunkt som helst bestäms av tillstånden för alla jonkanaler som är potentiellt permeabla för den jonen, inklusive läckagekanaler, ligand-gated kanaler och spänningsstyrda jonkanaler.

Minskad krets erhållen genom att kombinera de jonspecifika vägarna med hjälp av Goldman-ekvationen

För fasta jonkoncentrationer och fasta värden för jonkanalkonduktans kan ekvivalentkretsen ytterligare reduceras med hjälp av Goldman -ekvationen enligt nedan, till en krets som innehåller en kapacitans parallellt med ett batteri och konduktans. I elektriska termer är detta en typ av RC-krets (resistans-kapacitanskrets), och dess elektriska egenskaper är mycket enkla. Från och med ett utgångsläge försvinner strömmen över antingen konduktansen eller kapacitansen med en exponentiell tidskurs, med en tidskonstant på τ = RC , där C är kapacitansen för membranplåstret, och R = 1/g _nät är nettomotståndet. För realistiska situationer ligger tidskonstanten vanligtvis i intervallet 1–100 millisekunder. I de flesta fall sker förändringar i konduktansen hos jonkanaler på en snabbare tidsskala, så en RC -krets är inte en bra approximation; emellertid är differentialekvationen som används för att modellera en membranplåster vanligtvis en modifierad version av RC -kretsekvationen.

Vilande potential

När cellens membranpotential går under en lång tid utan att förändras nämnvärt kallas det vilopotential eller vilspänning. Denna term används för membranpotentialen hos icke-exciterbara celler, men också för membranpotentialen hos exciterbara celler i frånvaro av excitation. I exciterbara celler är de andra möjliga tillstånden graderade membranpotentialer (med variabel amplitud), och åtgärdspotentialer, som är stora, allt-eller-ingenting stiger i membranpotential som vanligtvis följer en bestämd tidsförlopp. Exciterande celler inkluderar neuroner , muskelceller och vissa sekretoriska celler i körtlar . Även i andra typer av celler kan membranspänningen emellertid genomgå förändringar som svar på miljömässiga eller intracellulära stimuli. Exempelvis verkar depolarisering av plasmamembranet vara ett viktigt steg i programmerad celldöd .

Interaktionerna som genererar vilopotentialen modelleras av Goldman -ekvationen . Detta liknar formen som Nernst -ekvationen som visas ovan, eftersom den är baserad på laddningarna för jonerna i fråga, liksom skillnaden mellan deras inre och yttre koncentrationer. Det tar emellertid också hänsyn till plasmamembranets relativa permeabilitet för varje jon i fråga.

${\ displaystyle E_ {m} = {\ frac {RT} {F}} \ ln {\ vänster ({\ frac {P _ {\ mathrm {K}} [\ mathrm {K} ^{+}] _ {\ mathrm {out}}+P _ {\ mathrm {Na}} [\ mathrm {Na} ^{+}] _ {\ mathrm {out}}+P _ {\ mathrm {Cl}} [\ mathrm {Cl} ^{ -}] _ {\ mathrm {in}}} {P _ {\ mathrm {K}} [\ mathrm {K} ^{+}] _ {\ mathrm {in}}+P _ {\ mathrm {Na}} [ \ mathrm {Na} ^{+}] _ {\ mathrm {in}}+P _ {\ mathrm {Cl}} [\ mathrm {Cl} ^{-}] _ {\ mathrm {out}}}} \ höger )}}}$

De tre joner som förekommer i denna ekvation är kalium (K ⁺ ), natrium (Na ⁺ ) och klorid (Cl ^- ). Kalcium utelämnas, men kan tillsättas för att hantera situationer där det spelar en betydande roll. Som en anjon behandlas kloridtermerna annorlunda än katjontermerna; den intracellulära koncentrationen finns i täljaren och den extracellulära koncentrationen i nämnaren, som är omvänd från katjontermerna. P _i står för den relativa permeabiliteten hos jontyp i.

I huvudsak uttrycker Goldman -formeln membranpotentialen som ett vägt genomsnitt av reverseringspotentialerna för de enskilda jontyperna, viktade med permeabilitet. (Även om membranpotentialen förändras cirka 100 mV under en åtgärdspotential, förändras inte koncentrationerna av joner i och utanför cellen signifikant. De förblir nära sina respektive koncentrationer när membranet då har vilopotential.) I de flesta djurceller är permeabilitet för kalium är mycket högre i viloläge än permeabiliteten för natrium. Som en konsekvens är vilopotentialen vanligtvis nära kaliumomvändningspotentialen. Genomsläppligheten för klorid kan vara tillräckligt hög för att vara signifikant, men till skillnad från de andra jonerna pumpas inte klorid aktivt och ekvilibreras därför med en reverseringspotential mycket nära vilopotentialen som bestäms av de andra jonerna.

Värden på vilande membranpotential i de flesta djurceller varierar vanligtvis mellan kaliumomvändningspotentialen (vanligtvis cirka -80 mV) och cirka -40 mV. Vilopotentialen i exciterbara celler (som kan producera åtgärdspotentialer) är vanligtvis nära -60 mV -mer depolariserade spänningar skulle leda till spontan generering av åtgärdspotentialer. Omogna eller odifferentierade celler visar mycket varierande värden för vilspänning, vanligtvis betydligt mer positiva än i differentierade celler. I sådana celler korrelerar vilopotentialvärdet med differentieringsgraden: odifferentierade celler kan i vissa fall inte visa någon transmembranspänningsskillnad alls.

Underhåll av vilopotentialen kan vara metaboliskt dyrt för en cell på grund av dess krav på aktiv pumpning av joner för att motverka förluster på grund av läckagekanaler. Kostnaden är högst när cellfunktionen kräver ett särskilt depolariserat värde av membranspänning. Till exempel kan vilopotentialen i dagsljusanpassade blommor ( Calliphora vicina ) fotoreceptorer vara så höga som -30 mV. Denna förhöjda membranpotential gör att cellerna kan reagera mycket snabbt på visuella ingångar; kostnaden är att underhåll av vilopotentialen kan konsumera mer än 20% av den totala cellulära ATP: n .

Å andra sidan medför den höga vilopotentialen i odifferentierade celler inte nödvändigtvis en hög metabolisk kostnad. Denna uppenbara paradox löses genom att undersöka ursprunget till denna vilopotential. Litet differentierade celler kännetecknas av extremt högt ingångsmotstånd, vilket innebär att få läckagekanaler är närvarande vid detta skede av cellens liv. Som ett uppenbart resultat blir kaliumpermeabilitet liknande den för natriumjoner, vilket placerar vilopotential mellan reverseringspotentialerna för natrium och kalium som diskuterats ovan. De minskade läckströmmarna innebär också att det finns ett litet behov av aktiv pumpning för att kompensera, därför låga metaboliska kostnader.

Graderade potentialer

Som förklarats ovan bestäms potentialen vid vilken punkt som helst i cellens membran av jonkoncentrationsskillnaderna mellan de intracellulära och extracellulära områdena och av membranets permeabilitet för varje jontyp. Jonkoncentrationerna förändras normalt inte särskilt snabbt (med undantag för Ca ²⁺ , där baslinjen intracellulär koncentration är så låg att även en liten tillströmning kan öka den med storleksordningar), men jonernas permeabiliteter kan förändras i en bråkdel av en millisekund, som ett resultat av aktivering av ligand-gated jon kanaler. Förändringen i membranpotential kan vara antingen stor eller liten, beroende på hur många jonkanaler som aktiveras och vilken typ de är, och kan vara antingen lång eller kort, beroende på den tid som kanalerna förblir öppna. Förändringar av denna typ kallas graderade potentialer , i motsats till åtgärdspotentialer, som har en fast amplitud och tidsförlopp.

Som kan härledas från Goldman -ekvationen som visas ovan, förskjuter effekten av att öka ett membrans permeabilitet till en viss typ av jon membranpotentialen mot reverseringspotentialen för den jonen. Således förskjuter öppning av Na ⁺ -kanaler membranpotentialen mot Na ⁺ -omvändningspotentialen, som vanligtvis är cirka +100 mV. Likaså öppnar K ⁺ kanaler skiftar membranpotentialen mot ca -90 mV, och öppna Cl ^- kanaler skiftar den mot ca -70 mV (vilopotential hos de flesta membraner). Således skiftar Na ⁺ -kanaler membranpotentialen i en positiv riktning, K ⁺ -kanaler förskjuter den i en negativ riktning (utom när membranet hyperpolariseras till ett värde som är mer negativt än K ⁺ -omvändningspotentialen), och Cl ^- kanaler tenderar att skifta det mot vilopotentialen.

Graf som visar en EPSP, en IPSP och summeringen av en EPSP och en IPSP

Graderade membranpotentialer är särskilt viktiga i neuroner , där de produceras av synapser - en tillfällig förändring i membranpotential som produceras genom aktivering av en synaps av en enda graderad eller åtgärdspotential kallas en postsynaptisk potential . Neurotransmittorer som verkar för att öppna Na ⁺ -kanaler får vanligtvis membranpotentialen att bli mer positiv, medan neurotransmittorer som aktiverar K ⁺ -kanaler vanligtvis får den att bli mer negativ; de som hämmar dessa kanaler tenderar att ha motsatt effekt.

Om en postsynaptisk potential anses vara excitatorisk eller hämmande beror på reverseringspotentialen för jonerna i den strömmen och tröskeln för cellen att avfyra en åtgärdspotential (cirka –50mV). En postsynaptisk ström med en reverseringspotential över tröskel, såsom en typisk Na ⁺ -ström, anses vara excitatorisk. En ström med en reverseringspotential under tröskelvärdet, såsom en typisk K ⁺ -ström, anses vara hämmande. En ström med en reverseringspotential över vilopotentialen, men under tröskeln, kommer inte i sig att framkalla åtgärdspotentialer, utan kommer att producera subtröskelmembranpotentialoscillationer . Således producerar signalsubstanser som verkar för att öppna Na ⁺ -kanaler excitatoriska postsynaptiska potentialer , eller EPSP, medan neurotransmittorer som verkar för att öppna K ⁺ eller Cl ^- kanaler normalt producerar hämmande postsynaptiska potentialer , eller IPSP. När flera typer av kanaler är öppna inom samma tidsperiod summeras deras postsynaptiska potentialer (läggs ihop).

Andra värden

Ur biofysikens synvinkel är vilande membranpotential bara membranpotentialen som härrör från membranpermeabiliteten som dominerar när cellen vilar. Ovanstående ekvation av vägda genomsnitt gäller alltid, men följande tillvägagångssätt kan lättare visualiseras. Vid varje givet ögonblick finns det två faktorer för en jon som avgör hur stort inflytande den jonen kommer att ha över cellens membranpotential:

1. Den jonen är drivkraften
2. Den jonens permeabilitet

Om drivkraften är hög, "jonas" jonen över membranet. Om permeabiliteten är hög blir det lättare för jonen att diffundera över membranet.

• Drivkraft är den elektriska nettokraft som är tillgänglig för att flytta den jonen över membranet. Det beräknas som skillnaden mellan den spänning som jonen "vill" ha vid (dess jämviktspotential) och den faktiska membranpotentialen ( E _m ). Så formellt sett är drivkraften för en jon = E _m - E _jon
• Till exempel, vid vår tidigare beräknade vilopotential på −73 mV, är drivkraften på kalium 7 mV: (−73 mV) - (−80 mV) = 7 mV. Drivkraften på natrium skulle vara (−73 mV) - (60 mV) = −133 mV.
• Permeabilitet är ett mått på hur lätt en jon kan passera membranet. Det mäts normalt som (elektrisk) konduktans och enheten, siemens , motsvarar 1 C · s ⁻¹ · V ⁻¹ , det vill säga en coulomb per sekund per volt potential.

Så, i ett vilande membran, medan drivkraften för kalium är låg, är dess permeabilitet mycket hög. Natrium har en enorm drivkraft men nästan ingen vilopermeabilitet. I detta fall bär kalium cirka 20 gånger mer ström än natrium, och har därmed 20 gånger mer inflytande över E _m än vad natrium gör.

Tänk dock på ett annat fall - toppen av åtgärdspotentialen. Här är permeabiliteten för Na hög och K permeabiliteten relativt låg. Sålunda membranet rör sig till i närheten av E _Na och långt från E _K .

Ju fler joner som är genomsläppliga desto mer komplicerat blir det att förutsäga membranpotentialen. Detta kan dock göras med hjälp av ekvationen Goldman-Hodgkin-Katz eller ekvationen för vägda medel. Genom att ansluta koncentrationsgradienterna och jonernas permeabiliteter när som helst i tid kan man bestämma membranpotentialen vid det ögonblicket. Vad GHK -ekvationerna betyder är att värdet på membranpotentialen när som helst kommer att vara ett vägt genomsnitt av jämviktspotentialerna för alla permeantjoner. "Viktningen" är jonernas relativa permeabilitet över membranet.

Effekter och konsekvenser

Medan celler förbrukar energi för att transportera joner och upprätta en transmembranpotential, använder de denna potential i sin tur för att transportera andra joner och metaboliter som socker. Mitokondriernas transmembranpotential driver produktionen av ATP , som är den gemensamma valutan för biologisk energi.

Celler kan dra på den energi de lagrar i vilopotentialen för att driva åtgärdspotentialer eller andra former av excitation. Dessa förändringar i membranpotentialen möjliggör kommunikation med andra celler (som med åtgärdspotentialer) eller initierar förändringar inuti cellen, vilket sker i ett ägg när det befruktas av en sperma .

I neuronala celler börjar en åtgärdspotential med en rusning av natriumjoner in i cellen genom natriumkanaler, vilket resulterar i depolarisering, medan återhämtning innebär en utåtgående kaliumrytning genom kaliumkanaler. Båda dessa flöden sker genom passiv diffusion .

Se även

• Bioelektrokemi
• Elektrokemisk potential
• Goldman ekvation
• Membranbiofysik
• Mikroelektrodgrupp
• Saltatorisk ledning
• Ytpotential
• Gibbs – Donnan -effekt
• Synaptisk potential

Anteckningar

Referenser

Vidare läsning

• Alberts et al. Cellens molekylära biologi . Garland Publishing; 4: e Bk & Cdr -upplagan (mars, 2002). ISBN  0-8153-3218-1 . Grundnivå.
• Guyton, Arthur C., John E. Hall. Lärobok i medicinsk fysiologi . WB Saunders Company; 10: e upplagan (15 augusti 2000). ISBN  0-7216-8677-X . Grundnivå.
• Hille, B. Ionic Channel of Excitable Membranes Sinauer Associates, Sunderland, MA, USA; 1: a upplagan, 1984. ISBN  0-87893-322-0
• Nicholls, JG, Martin, AR och Wallace, BG From Neuron to Brain Sinauer Associates, Inc. Sunderland, MA, USA 3rd Edition, 1992. ISBN  0-87893-580-0
• Ove-Sten Knudsen. Biologiska membran: transportteori, potentialer och elektriska impulser . Cambridge University Press (26 september 2002). ISBN  0-521-81018-3 . Kandidatnivå.
• National Medical Series for Independent Study. Fysiologi . Lippincott Williams & Wilkins. Philadelphia, PA, USA 4: e upplagan, 2001. ISBN  0-683-30603-0

externa länkar

• Cellmembranets funktioner
• Nernst/Goldman ekvationssimulator
• Nernst Equation Calculator
• Goldman-Hodgkin-Katz ekvationsräknare
• Elektrokemisk drivkraftsberäknare
• Ursprunget till den vilande membranpotentialen - Online interaktiv handledning (Flash)