Membranski potencijal

Membranski potencijal (ili potencijal mirovanja) postoji na ćelijskoj membrani gotovo svih ćelija. Nastaje usled različite koncenracije jona sa obe strane ćelijske membrane, kao i različite propustljivosti ove membrane za jone. Membranski potencijal je bitan za nastanak i prenošenje nervnih impulsa, kao i za membranski transport.

Osim poslednje dve, koje se javljaju u ekscitabilnim ćelijama (neuroni, mišići i neke sekretorne ćelije u žlezdama), membranski napon u većini neekscitabilnih ćelija takođe može da se promeni kao odgovor na stimuluse iz okoline ili unutarćelijske stimulacije. Potencijal mirovanja postoji zbog razlika u permeabilnostima membrane za jone kalijuma, natrijuma, kalcijuma i hlorida, koji su rezultat funkcionalne aktivnosti različitih jonskih kanala, jonskih transportera i izmenjivača. Konvencionalno, potencijal membrane u mirovanju se može definisati kao relativno stabilna, prizemna vrednost transmembranskog napona u životinjskim i biljnim ćelijama.

Pošto je permeabilnost membrane za kalijum mnogo veća od one za druge jone, i zbog jakog hemijskog gradijenta za kalijum, joni kalijuma teku iz citosola u ekstracelularni prostor noseći pozitivno naelektrisanje, sve dok se njihovo kretanje ne izbalansira nagomilavanjem negativan naboj na unutrašnjoj površini membrane. Opet, zbog visoke relativne permeabilnosti za kalijum, rezultujući membranski potencijal je skoro uvek blizak potencijalu preokretanja kalijuma. Ali da bi se ovaj proces dogodio, mora se prvo postaviti gradijent koncentracije kalijumovih jona. Ovaj posao obavljaju jonske pumpe/transporteri i/ili izmenjivači i uglavnom ga napaja ATP.

Nejednaka distribucija naelektrisanih čestica na spoljašnjoj sredini i unutrašnjoj strani uslovljava potencijalnu razliku između aksoplazme i ekstracelularne tečnosti. U uslovima kada nervna ćelija nije aktivirana, tj. kada se kroz nju kroz nju ne prostire nervni impuls, ova potencijalna razlika se zove potencijal mirovanja. Potencijal mirovanja direktno je izmeren kod mnogih neurona i njegova se vrednost kreće između -60 i -75 mV, pri čemu je ustanovljeno da je unutrašnja strana neuronske membrane tj. strana okrenuta aksoplazmi negativno naelektrisana, dok je spoljašnja strana membrane elektropozitivna.^[1]

Istorija

Luiđi Galvani je utvrdio da između povređene i nepovređene površine mišića postoji potencijalna razlika koju je on nazvao demarkacioni potencijal, odnosno potencijal povrede. Razmatrajući Galvanijeve eksperimente, Julijus Bernstajn je krajem 19. veka i početkom 20. tvrdio da demarkacioni potencijal nije posledica povrede, već da je to potencijalna razlika koja je inače u odsustvu bilo kakve lezije (oštećenja) postoji između unutrašnjosti ekscitabilnih ćelija i spoljašnje sredine tj. između intracelularnog i ekstracelularnog. Bernstajn je izračunao i stvarnu vrednost te potencijalne razlike i dao teorijsko objašnjenje uzroka polarizovanosti nervnih ćelija i mišićnih.^[2]

Danas je sasvim direktno utvrđeno da je membrana svih neurona polarizovana: oko njene spoljašnje i unutrašnje površine se nalaze pozitivno i negativno naelektrisane čestice pri čemu su sa njene spoljašnje strane u višku pozitivne, a unutra negativno naelektrisane ćelije.^[3]

Membranski potencijal izazvan difuzijom

Na+ /K+-ATPaza, kao i efekti difuzije uključenih jona, su glavni mehanizmi za održavanje potencijala mirovanja kroz membrane životinjskih ćelija.

Koncentracja jona kalijuma je intracelularno veoma visoka, dok je ekstracelularno niska. Usled toga se javlja veliki koncentracioni gradijent i joni kalijuma prirodno teže da difunduju iz unutražnjosti ćelije u spoljašnju sredinu. Natrijum je glavni jon ekstracelularne sredine, dok ga intracelularno ima samo u niskoj koncentraciji. Joni natrijuma prirodano teže da difunduju u unutrašnjost ćelija.

Ćelijska membrana sadrži dosta jonskih kanala, pre svega natrijumskih i kalijumskih kroz koje se ovi joni mogu kretati. U stanju mirovanja je većina natrijumskih kanala zatvorena, a kalijumskih otvorena. Usled toga je u mirovanju membrana oko 100 puta propustljivija za kalijum nego za natrijum. Zato će joni kalijuma napuštati ćeliju i odlaziti u spoljašnju sredinu noseći sa sobom pozitivno naelektrisanje, tako da će unutar ćelije ostati negativno naelektrisanje u višku. Joni natrijuma takođe difunduju ka unutrašnjosti ćelije noseći sa sobom pozitivno naelektrisanje, ali u dosta manjoj koncentraciji, tako da neće kompenzovati ovu razliku potencijala koja nastaje odlaskom kalijumovih jona. Treba uzeti u obizir i negativne jone, pre svega jone hlora koji se takođe mogu kretati kroz ćelijsku membranu, ali je ona u stanju mirovanja slabo propustljiva za ove jone.

Izračunavanje membranskog potencijala

Pretpostavimo da je ćelijska membrana propustljiva samo za jone kalijuma. Zbog velikog koncentracionog gradijenta oni će se kretati iz unutrašnjosti ćelije prema spoljašnjosti. Joni kalijuma nose sa sobom pozitvno naelektrisanje stvarajući stanje elektropozitivnosti u spoljašnjoj sredini, a elektronegativnosti unutar ćelije. Kako pozitivni potencijal spolja raste, sada on odbija nove kalijimove jone (koji su pozitivno naelektrisani) da difunduju kroz membranu, iako postoji koncentracioni gradijent, jer se javlja električni gradijent koji doprinosi uspostavljanju ravnoteže. Ovaj potencijal potreban da zaustavi dalju difuziju iznosi za kalijumove jone oko 94 mV (kod normalno debelog nervnog vlakna) sa negativošću unutar ćelijske membrane.

Pretpostavimo sada da je ćelijska membrana propustljiva samo za jone natrujuma. Pošto ja njihova koncentracija spolja veća oni teže da difunduju u unutrašnjost ćelije, noseći sa sobom pozitivno naelektrisanje. Difuzija natrijuma stvara elektropozitivnost unutar ćelije, elektrinegativnost spolja. Kako joni natrijuma sve više didfunduju javlja se membranski potencijal koji odbija nove natrijumove jone od dalje difuzije, iako postoji koncentracioni gradijent. Taj potencijal za jone natrijuma iznosi oko 61 mV, sa pozitivnošću unutar ćelijske membrane. Ovaj potencijal, potreban da se zaustavi difuzija (za natrijm i kalijum) se zove Nernstov potencijal.

Nerstov potencijal određuje koncentracija jona sa obe strane ćelijske membrane, što je gradijent veći, veći je i nerstov potencijal. Za izračunavanje ovog potencijala koristi se Nernstova jednačina (za određeni jon pri normalnoj temperaturi od 37 °C):

\Psi (mV)=\ {-61}\log {\frac {iC}{oC}}

Ψ-membranski potencijal

iC-koncentracija jona intracelularno; oC-koncentracija jona ekstracelularno

Kada se uzme u obzir da je koncentracija kalijumovih jona spolja 4 mmol/l a unutra oko 140 mmol/l onda se može izračunati Nerstov potencijal za kalijum i to je -94 mV.

Koncentracija natrijumovih jona je spolja 142 mmol/l, a unutar ćelije 14 mmol/l, Nernstov potencijal za natrijum iznosi +61 mV.

Mirovni i akcioni membranski potencijal

Mirovni membranski potencijal

Ukoliko uzmememo u obzir da je ćelijska membrana u stanju mirovanja propustljiva za više različitih jona (što je slučaj u stvarnosti) tada Nerstov potencijal ne zavisi samo od koncentracionog gradijenta datih jona, već i od permeabilnosti membrane za svaki jon i polarnosti njegovog naelektrisanja. Permeabilnost ćelijske membrane je u ovom stanju mirovanja najveća za jone kalijuma (oko 100 puta veća nego za jone natrijuma), tako da joni kalijuma najvećim delom određuju mirovni membranski potencijal. Za izračunavanje ovog potencijala koristi se Goldmanova jednačina. Ona uzima u obzir najbitnije jone: natrijum, kalijum i hlorid koji učestvuju u stvaranju membranskog potencijala i predstavlja proširenje Nernstove. Jednačina glasi:

\Psi (mV)=\ {-61}\log {\frac {C(Na)\cdot iP(Na)+C(K)\cdot iP(K)+C(Cl)\cdot oP(Cl)}{C(Na)\cdot oP(Na)+C(K)\cdot oP(K)+C(Cl)\cdot iP(Cl)}}

Ψ-membranski potencijal
C-koncentracija jona: Na-natrijum; K-kalijum; Cl-hlorid
i-unutra (intracelularno)
o-spolja (ekstracelularno)
P-permeabilitet membrane

Upotrebom Goldmanove jednačine dobijamo vrednost mirovnog membranskog potencijala od -86 mV. Ovoj vrednosti treba dodati i doprinos natrijumsko-kalijumske pumpe, koja ispumpa napolje 3 natrijumova jona, a ubaci u ćeliju 2 kalijumova jona što stvara potencijal od oko -4 mV (jer se više jona izbaci nego ubaci u ćeliju).

Tako da bi ukupni mirovni membranski potencijal u debelim nervnim vlaknima i mišićnim ćelijama bio oko -90 mV.

Akcioni potencijal

Nervni signali se prenose putem akcionog potencijala. Akcioni potencijal nastaje naglom promenom potencijala mirovanja. Ovaj proces se zove depolarizacija. Akcioni potencijal obično traje kratko i završava se vraćanjem potencijala u stanje potencijala mirovanja-repolarizacija.

Depolarizacija predstavlja naglu promenu mirovnog potencijala. U tom trenutku se otvaraju brzi natrijumski i spori kalcijumski kanali, a zatvaraju kalijumski tako da pozitivni joni natrijuma i kalcijuma ulaze velikom brzinom u ćeliju. Sada je propustljivost membrane za jone natrijuma oko 5 000 puta veća nego za jone kalijuma. Oni nose sa sobom pozitivno naelektrisanje, tako da potencijal unutar ćelije postaje pozitivniji.

Kada se ove vrednosti sada unesu u Goldmanovu jednačinu dobija se vrednost akcionog potencijala oko 0 mV (nekad malo manje, nekad više).

Natrijumski kanali se ubrzo zatvaraju, a kalijumski ponovo otvaraju čime se potencijal vraća u pređašnje stanje. Ovaj proces je repolarizacija.

Jonska osnova potencijala mirovanja

Na osnovu podataka dobijenih merenjem amplitude demarkacionog potencijala, kao i na osnovu biohemijskih analiza neuronske protoplazme. Bernstajn je izneo pretpostavku da je u mirovanju neuronska membrana preambilna za pozitivno naelektrisane jone kalijuma koji se mogu kroz nju difundovati, a da je nepropustljiva za druge jone. Nejednaka distribucija jona na dvema stranama membrane nervne ćelije uslovila bi potencijalnu razliku, odnosno membranski potencijal.^[4]

Na osnovu kasnijih preciznijih biohemijskih analiza sadržine aksoplazme, posebno gigantskih nervnih vlakana sipe, ustanovljeno je da između unutrašnje sadržine nervne ćelije i ekstracelularne tečnosti zaista postoje značajne razlike u pogledu koncentracije pojedinih jona. Joni kalijuma su koncentrisani u unutrašnjosti ćelije, a u ekstraceluluranoj tečnosti se nalazi više natrijuma i hlora. U aksoplazmi se osim kalijuma nalazi i veća količina negativno naelektrisanih ogranskih anjona kojih inače nema u spoljašnjoj sredini.^[4]

*Koncentracija elektrolita sa dve strane membrane aksona sipe*
Vrsta jona	Instracelularna mM/kg H2O	Ekstracelularna mM/kg H2O	Odnos između ekstra i intracelularne koncentracije
K	400	20	1/20
Na	50	440	9/1
Cl	50	550	11/1
A	350	0	/

Razlika u rasporedu jona na dvema stranama membrane uslovljena je specifičnom lipidno-proteinskom strukturom neuronske membrane. Ona je u stvari nepermeabilna barijera kroz koju se joni mogu kretati samo kroz retko raspoređene pore (otvore) za čiji naziv se koristi i termin jonski kanal. Jonski kanali su specijalizovani proteini koji propuštaju pojedine jone na osnovu njihovih osobina, među njima i njihove veličine. Kanali su specijalizovani za jednu vrstu jona koji kroz njih slobodno prolaze.^[5]

Jonske kanale otvara samo efikasni stimulus, odnosno promena potencijala membrane. Jonski kanali čije otvaranje zavisi od promene membranskog potencijala nazivaju se voltažno-zavisni jonski kanali. Pored ovih jonskih kanala na određenim mestima na membrani, postoji i druga kategorija kanala koje otvaraju hemijske materije, odnosno neurotransmiteri. Ti jonski kanali nazivaju se kanali zavisni od neurotransmitera.^[5]

Merenje membranskog potencijala

Za merenje membranskog potencijala potrebno je postaviti dve mikroelektrode na dve različite strane ćelijske membrane. Zbog samih dimenzija ćelija ovaj proces je teško izvodljiv u praksi. Mala pipeta napunjena rastvorom kalijum hlorida uvuče se kroz ćelijsku membranu u unutrašnjost ćelije ili nervnog vlakna (jednostavnije). Druga elektroda, indiferentna mikroelektroda se postavlja u ekstracelularnu tečnost i putem malog voltmetra se meri membranski potencijal.

Vidi još

Akcioni potencijal

Literatura

Arthur C. Guyton John E. Hall Medicinska fiziologija savremena administracija Beograd. 1999. ISBN 978-86-387-0599-3.

^ Pašić, Mira (2003). Fiziologija nervnog sistema. Beograd: Centar za primenu psihologiju. str. 35.
^ Pašić, Mira (2003). Fiziologija nervnog sistema. Beograd: Centar za primenjenu psihologiju. str. 34.
^ Pašić, Mira (2003). Fiziologija nervnog sistema. Beograd: Centar za primenu psihologiju. str. 35.
^ ^a ^b Pašić, Mira (2003). Fiziologija nervnog sistema. Beograd: Centar za primenu psihologiju. str. 37.
^ ^a ^b Pašić, Mira (2003). Fiziologija nervnog sistema. Beograd: Centar za primenu psihologiju. str. 38.

[:0-1] Pašić, Mira (2003). Fiziologija nervnog sistema. Beograd: Centar za primenu psihologiju. str. 35.

[2] Pašić, Mira (2003). Fiziologija nervnog sistema. Beograd: Centar za primenjenu psihologiju. str. 34.

[:02-3] Pašić, Mira (2003). Fiziologija nervnog sistema. Beograd: Centar za primenu psihologiju. str. 35.

[:12-4] Pašić, Mira (2003). Fiziologija nervnog sistema. Beograd: Centar za primenu psihologiju. str. 37.

[:22-5] Pašić, Mira (2003). Fiziologija nervnog sistema. Beograd: Centar za primenu psihologiju. str. 38.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]