Membránový potenciál a jeho změny

Obsah 1 Rozdělení membránových potenciálů 1.1 Klidový membránový potenciál 1.1.1 Jak vzniká KMP? 1.1.2 Jak je to ve skutečnosti… 1.1.3 Shrnutí 1.2 Postsynaptické potenciály (PSP) 1.3 Vedení postsynaptických potenciálů 1.3.1 Excitační a inhibiční postsynaptické potenciály 1.4 Akční potenciál (AP) 1.4.1 Vznik AP 2 Odkazy 2.1 Související články

Membránový potenciál obecně je elektrický potenciál vnitřní strany buněčné membrány vztažený k vnějšímu povrchu buňky a ten je pokládán (z historických souvislostí) za místo s nulovým potenciálem. Jako synonymum lze v tomto případě použít pojem membránové napětí, které je definováno jako rozdíl potenciálů vnitřní a vnější strany (0 V) buněčné membrány. Číselné hodnoty i fyzikální jednotka (Volt) jsou tedy u obou shodné.

Aktuální hodnota membránového potenciálu závisí na:

• aktuální propustnosti membrány pro různé ionty,
• intra- a extracelulární koncentraci iontů, pro které je membrána propustná,
• nedifuzibilních aniontech uvnitř buňky (proteiny),
• efektu Na⁺/K⁺ATPasy.

upravit Rozdělení membránových potenciálů

Membránové potenciály můžeme dělit podle vlastností membrány na:

• pasivní:
  • klidový membránový potenciál (KMP, syn. resting potential RP),
  • postsynaptické potenciály (PSP)
    • excitační (EPSP),
    • inhibiční (IPSP);
• aktivní:
  • akční potenciál (AP).

Aktivní vlastnost membrány znamená, že se vzruch po membráně šíří pomocí napěťově řízených kanálů.

upravit Klidový membránový potenciál

• Mají ho všechny živé buňky.
• Jeho hodnota se pohybuje v rozmezí −50 až −90 mV.

upravit Jak vzniká KMP?

Nyní si zkusíme v několika postupných krocích vysvětlit vznik KMP, zde je několik tezí:

• Buňka žije v existujícím extracelulárním prostředí a od své mateřské buňky přebírá prostředí intracelulární – tudíž nevycházíme „z ničeho“.
• Rozložení iontů na obou stranách membrány je isoosmolární (něco pod 300 mosmol/l) a elektroneutrální.
• Elektrické děje na membráně nemění intra- ani extracelulární koncentrace iontů (jen pro představu: při průběhu AP na axonu o poloměru 10 μm a délce 1 cm dojde k výměně méně než 0,000  01 % všech iontů uvnitř téhož úseku buňky).

Předpokládejme rozložení iontů v těchto koncentracích (ne přísně fyziologických):

	intracelulárně (mmol/l)	extracelulárně (mmol/l)
Na+	15	150
K+	150	5,5
Cl−	9	125
Anionty proteinů−	155	7
HCO3−	1	23,5
Součet kladných nábojů	+165	+155,5
Součet záporných nábojů	−165	−155,5

Pozn.: Zjevně nesedící isoosmolarita je kompenzována přesuny vody a neutrálních molekul přes membránu (močovina, glukóza…)

Teď si představme situaci: buněčná membrána je tvořena pouze fosfolipidovou dvojvrstvou, která je fyziologicky nepropustná pro veškeré ionty:

• membránou neprochází žádné ionty,
• intra- i extracelulární prostředí jsou elektroneutrální,
• výsledek: KMP = 0 V.

Další krok: do fosfolipidové dvojvrstvy umístíme stále otevřené kanály pro K⁺:

• Nyní je relativní propustnost membrány 100 % pro K⁺, elektrochemických dějů se tedy účastní jen K⁺.
• Na každý jednotlivý iont působí v daném okamžiku dvě síly:
  • síla chemická – na základě difuze přechází ionty z míst o větší koncentraci do míst s koncentrací nižší,
  • síla elektrická – elektrické pole vytvořené na membráně pohání ionty podle jejich polarity.
• V okamžiku otevření K⁺ kanálů je následující rozvržení sil působících na K⁺ ionty:
  • KMP = 0 V → elektrická síla je nulová,
  • intracelulární koncentrace K⁺ je asi 30× větší → chemická síla směřuje z buňky.
• Výsledná síla rozpohybuje K⁺ ionty ven z buňky.
• Již průchod nepatrného množství K⁺ z buňky naindukuje na membráně elektrické napětí:
  • fosfolipidová dvojvrstva je izolant, z něhož je vytvořen jakýsi dvoudeskový kondenzátor,
  • průchod iontů lze připodobnit tření ebonitové tyče liščím ohonem,
  • na membráně vzniká elektrické napětí, jehož směr působí vždy proti směru chemické síly („akce vyvolala reakci“);
• Jak velké napětí se na membráně naindukuje? Přesně takové, které vytvoří protiváhu chemické síle a vznikne dynamická rovnováha (stejný počet K⁺ prochází dovnitř i ven).
• Tuto situaci matematicky popsal již v roce 1888 pan Nernst svojí rovnicí: kdeE – membránový potenciál,R – molární plynová konstanta (8,314 J/K/mol),T – teplota v kelvinech (teplota ve °C + 273,15),z – náboj jednoho iontu,F – Faradayova konstanta (96485 C/mol),[X_o], [X_i] – koncentrace daného iontu extra- a intracelulárně.Jestliže dosadíme do Nernstovy rovnice konstanty, náboj iontu se správným znaménkem a koncentrace z tabulky výše, získáme hodnotu KMP. Výsledek: KMP = −90 mV.

Tuto celou situaci si také můžeme přehrát pro další ionty – pokud by byla membrána teoreticky propustná ze 100 % (umístěním specifických iontových kanálů) jen pro Na⁺, resp. Cl⁻, vznikly by tyto KMP:

100% propustná membrána pro:	intracelulárně (mmol/l)	extracelulárně (mmol/l)	KMP (mV)
K+	150	5,5	−90
Na+	15	150	62
Cl	9	125	−71

• Tyto KMP se také označují jako rovnovážné potenciály pro jednotlivé ionty E_K⁺, E_Na⁺, E_Cl⁻.

upravit Jak je to ve skutečnosti…

Membrána není ve skutečnosti ze 100 % propustná pouze pro jeden iont. Reálná propustnost klidové membrány je:

	relativní propustnost
K+	90 %
Na+	3 %
Cl−	7 %

Tuto skutečnost již nelze popsat pomocí Nernstovy rovnice. Řešení nabízí Goldmannova rovnice, která z Nernstovy vychází a zohledňuje relativní propustnosti pro jednotlivé ionty:

kde P_x − relativní propustnost pro daný iont. Jednotlivé náboje iontů z_x jsou již započítány, proto po zlogaritmování jsou hodnoty [Cl⁻] oproti kationtům převrácené.

Dosazením propustností z tabulky dostáváme jakýsi „kompromis“ mezi rovnovážnými potenciály jednotlivých iontů (do jaké míry – propustnosti – jednotlivý iont ovlivní celek).

Výsledek: KMP = −73 mV.

Avšak ve skutečnosti je KMP o něco nižší díky elektrogennímu efektu Na⁺/K⁺ATPasy. Činnost Na⁺/K⁺ATPasy – poměr 2 K⁺ dovnitř vs. 3 Na⁺ ven – způsobuje další posun napětí o cca 5 až 10 mV směrem k negativnějším hodnotám. Na⁺/K⁺ATPasa udržuje rovnovážný stav koncentrací iontů – je tedy z dlouhodobého hlediska důležitá pro udržení klidového potenciálu na membráně zejména u vzrušivých buněk (neurony, svalová vlákna), i když by se bez ní obešly i několik hodin v plné funkci.

upravit Shrnutí

• Membrána je fosfolipidová dvojvrstva, izolant.
• KMP je vlastností každé živé buňky (−50 až −90 mV).
• KMP vzniká díky:
  • nepropustnosti fosfolipidové dvojvrstvy pro ionty,
  • nedifuzibilním aniontům proteinů uvnitř buňky,
  • rozdílné klidové propustnosti membrány pro jednotlivé ionty (Goldmann),
  • elektrogenním efekt Na+/K+ ATPasy.
• Každý iont má svůj rovnovážný potenciál (Nernst), ke kterému se membránové napětí přiblíží, stoupne-li jeho relativní propustnost (Goldmann).

upravit Postsynaptické potenciály (PSP)

Postsynaptické potenciály vznikají v místě postsynaptické membrány (předpokládejme dendrit neuronu) změnou relativní propustnosti membrány pro ionty, která je dána otevřením určitých chemicky řízených kanálů. Dochází k vychýlení KMP buď k negativnějším hodnotám (hyperpolarizace) nebo k hodnotám pozitivnějším (depolarizace).

K hyperpolarizaci vede otevření chemicky řízených kanálů pro:

• K⁺: relativní propustnost membrány pro K⁺ se v tomto úseku zvýší a hodnota KMP se více posune k hodnotě E_K⁺ (−90 mV),
• Cl⁻: obdobně dochází k posunu KMP směrem k hodnotě E_Cl⁻ (−71 mV).

Depolarizaci způsobí otevření chemicky řízených kanálů pro:

• Na⁺: zvýšení propustnosti membrány pro Na⁺ způsobí úměrný vzestup hodnoty KMP (E_Na⁺ je 62 mV).

upravit Vedení postsynaptických potenciálů

Vznik postsynaptického potenciálu vyvolá na membráně rozdíl napětí mezi místem jeho vzniku a zbývající membránou, kde je stále původní hodnota KMP. Rozdíl napětí vyvolá tok elektrického proudu, který se snaží tuto nerovnováhu zrušit. Jelikož membrána dendritů neobsahuje napěťově řízené kanály, šíří se proudy po membráně „jako po drátě“ všemi směry od místa vzniku postsynaptického potenciálu, mluvíme o pasivním vedení.

Co znamená „jako po drátě“? Pro představu: doprostřed vodiče („drát“) na několik ms přiložíte zdroj elektrického napětí:

• tento napěťový impuls samozřejmě dorazí zároveň na oba konce vodiče,
• jeho velikost bude menší než ta původní (proudové ztráty pro elektrický odpor vodiče),
• rychlost šíření bude blízká rychlosti světla.

Vše má tedy své výhody i nevýhody – šíření téměř rychlostí světla je vykoupeno ztrátou velikosti původního PSP kvůli vysokému odporu membrány, tento úbytek napětí se nazývá dekrement, jedná se tedy o vedení s dekrementem.

upravit Excitační a inhibiční postsynaptické potenciály

Neuron je miniaturní rozhodovací jednotka, která v určitém okamžiku přijímá vstupní informace jako PSP ze svých dendritů, vyhodnotí je a jako svoji odpověď buď vyšle nebo nevyšle akční potenciál (AP). AP je možné vyvolat pouze tam, kde membrána obsahuje napěťově řízené kanály pro Na⁺. Takovým místem je iniciální segment, kde dochází k prostorové i časové sumaci všech PSP. K vyvolání AP je třeba v tomto místě depolarizovat membránu asi o 10 mV, proto PSP rozdělujeme na:

• excitační postsynaptické potenciály EPSP – vychýlení KMP k hodnotám pozitivnějším (depolarizace) – pro vyvolání AP,
• inhibiční postsynaptické potenciály IPSP – vychýlení KMP k negativnějším hodnotám (hyperpolarizace) – proti vyvolání AP.

Pro vyvolání AP u neuronu nestačí jednotlivé EPSP.

upravit Akční potenciál (AP)

Akční potenciál je funkčním projevem „aktivní membrány“ a spolu s postsynaptickými potenciály se podílí na přenosu informací. Již výše zmíněný pojem „aktivní membrána“ znamená morfologickou výjimečnost – přítomnost napěťově řízených kanálů, bez kterých není možný ani vznik ani šíření AP.

Které buňky mají "aktivní membránu"?

• Neurony: v místě iniciálního segmentu a axonu,
• příčně pruhované svalové buňky,
• vlákna kosterních svalů,
• kardiomyocyty: převodní i pracovní.

V následujícím textu budeme pracovat na příkladu „učebnicového“ neuronu.

Časový průběh změn membránového napětí AP dělíme na tyto fáze:

• vznik AP,
• depolarizace,
• repolarizace,
• hyperpolarizace,
• návrat KMP.

upravit Vznik AP

Pro vznik AP musí být splněny tyto podmínky:

• dostatečný počet napěťově řízených kanálů v klidovém stavu, které čekají na svoji aktivaci,
• nadprahový podnět – depolarizace (posun KMP ke kladnějším hodnotám) membrány v daném místě a čase na spouštěcí hodnotu (velikost napětí, které změní konformaci kanálů a ty se otevřou – asi 10 mV).

Vznik AP se řídí pravidlem „vše nebo nic“ – tzn. že AP buď vznikne nebo ne. Z hlediska přenosu informace se tedy jedná o kódování signálu v binární soustavě jako u počítače, nabývá hodnoty 0 nebo 1 („true“ nebo „false“). Všechny AP u jedné buňky tedy mají stejnou velikost, neexistují žádné mezistupně – AP větší či menší.

In vivo vzniká nadprahový podnět časovou a prostorovou sumací EPSP a IPSP, tím se neuron za aktuálních podmínek „rozhodne“, jak naloží s těmito vstupními informacemi.

V experimentu byla „vzrušivost“ membrány studována drážděním membrány speciální mikroelektrodou, dráždící proud vyvolával depolarizaci membrány a bylo sledováno, za jakých podmínek dojde k depolarizaci membrány na spouštěcí úroveň. Vystupují zde 2 proměnné:

• velikosti dráždícího proudu,
• čas.

Nepřímoúměrná závislost velikosti dráždícího proudu na čase vedla k vytvoření pojmů reobáze a chronaxie, které míru „vzrušivosti“ membrány popisují.

upravit Odkazy

upravit Související články

• Membránový potenciál/hints
• Akční potenciál
• Akční potenciál versus postsynaptický potenciál
• Význam akčního a postsynaptického potenciálu

Článek neobsahuje vše, co by měl. Můžete se přidat k jeho autorům a doplnit jej. O vhodných změnách se lze poradit v diskusi.