1

P

otencjał

S

poczynkowy

Po obu stronach błony komórkowej istnieje różnica potencjałów (napię-
cie) tzw.

potencjał błonowy.

Jego wartość odgrywa ważną rolę w pro-

cesach transportu błonowego (np. w kanałach nerkowych), przy

prze-

twarzaniu informacji w neuronach, komórkach receptorowych oraz w
procesach skurczu komórek mięśniowych.

Poniżej pokazano schemat układu do rejestracji potencjałów błonowych.

Budowa elektrody pomiarowej oraz schemat układu do pomiaru poten-

cjałów błonowych ΔV = V

wew

− V

zew

, czyli różnicy potencjałów pomię-

dzy wnętrzem V

wew

i zewnętrzem V

zew

komórki.

szklana elektroda

kapilarna

roztwór KCl

drut srebrny pokryty

chlorkiem srebra

średnica

około 1 µm

ΔV

2

W tabeli zebrano wartości stężeń wybranych jonów

c

W

wewnątrz

i c

Z

na

zewnątrz komórek mięśniowych zwierząt stałocieplnych.

Wnętrze komórki i środowisko zewnętrzne są

elektrycznie skompenso-

wane (obojętne elektrycznie).

Lokalny brak kompensacji występuje

jedynie na powierzchni błony komórkowej.

Rodzaj

jonów

c

W

[mmol/l]

c

Z

[mmol/l]

c

Z

/c

W

Na

+

12

145

12:1

K

+

155

4

1:39

Inne kationy

0

5

Cl

−

4

120

32:1

B

−

155

−

Inne aniony

8

34

1:4

Zmierzony potencjał spoczynkowy: −90 mV

Z definicji pojemności elektrycznej C:

(

Q – ładunek, U – napięcie, S – powierzchnia, d – grubość, ε

r

iε

0

oznaczają odpo-

wiednio względną przenikalność elektryczną i przenikalność elektryczną próżni

)

można wyznaczyć powierzchniową gęstość ładunku.

Do obliczeń przyjmujemy następujące wartości:

 potencjał spoczynkowy U = −90 mV,
 grubość błony d = 7 nm

 względna przenikalność elektryczna błony

ε

r

=

6.

W wyniku obliczeń otrzymujemy:

Zatem na powierzchni 1 μm

2

błony komórkowej występuje nadmiar około

4269

jonów jednowartościowych jednego znaku, odpowiednio ujemnych

po wewnętrznej stronie błony i dodatnich po zewnętrznej.

A ile i jakich jonów jest w

1 μm

3

cytoplazmy i płynu śródkomórko-

wego?

3

Rodzaj jonów

c

W

[mmol/l]

c

Z

[mmol/l]

c

Z

/c

W

N

W

[10

6

/μm

3

]

N

Z

[10

6

/μm

3

]

Na

+

12

145

12:1

7,2

87,3

K

+

155

4

1:39

93,3

2,4

Inne kationy

0

5

0,0

3,0

Cl

−

4

120

32:1

2,4

72,2

B

−

155

−

93,3

0,0

Inne aniony

8

34

1:4

4,8

20,5

Zmierzony potencjał spoczynkowy: −90 mV

Z definicji stężenia molowego c

m

:

gdzie n – liczba moli ładunek, V – objętość, N

A

– liczba Avogadro, N – liczba cząste-

czek.

Korzystając z przedstawionych wyżej danych wartości stężeń poszczegól-
nych jonów, można obliczyć przeciętną liczbę jonów odpowiednio

wew-

nątrz komórki N

W

i na zewnątrz N

Z

. Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli.

R

ozkład jonów

K

+

a potencjał spoczynkowy

Jony

K

+

mogą dosyć swobodnie przechodzić przez błonę:

P

K+

:

P

Cl−

:

P

Na+

=

1 :

0,4 :

0,04

gdzie P − przepuszczalność błony dla odpowiednich jonów w stanie spoczynku.

Ponadto ich stężenie wewnątrz

[K

+

]

W

komórki jest większe niż na ze-

wnątrz

[K

+

]

Z

:

Pod wpływem różnicy stężeń (potencjałów chemicznych) jonów

K

+

na-

stępuje

ich wypływ

z komórki. Konsekwencją wypływu jest ładowanie

środowiska zewnętrznego ładunkiem dodatnim, co jest

przyczyną ko-

lejnego bodźca

− różnicy potencjałów elektrycznych − wywołującej

wsteczny przepływ K

+

.

Wypływający z komórki strumień K

+

stopniowo maleje (maleje różnica

stężeń) z kolei strumień K

+

wpływający

do komórki stopniowo

narasta

(rośnie różnica potencjałów). Po pewnym czasie strumienie K

+

wypły-

wający z komórki i wpływający do niej stają się równe.

4

Od tego momentu wartość różnicy potencjałów nie ulega już dalszej
zmianie. Tę różnicę potencjałów nazywamy

potencjałem równo-

wagi

dla jonów potasowych.

Wyraża się on wzorem Nernsta:

Dla koncentracji jonów takiej jak w komórce mięśniowej ssaków

1:39

potasowy potencjał równowagowy wynosi:

ε

K

= –

96 mV

Jest to wartość

niższa

od tej rejestrowanej jako bonowy potencjał spo-

czynkowy w tych komórkach.

Eksperymentalnie wykazano, że stężenie jonów K

+

na zewnątrz komór-

ki wpływa na wartość potencjału spoczynkowego (błonowego).
Doświadczenie Adriana:

Zależność potencjału błonowego od zewnątrz-
komórkowej koncentracji potasu.
Linia ciągła pokazuje zależność potencjału ró-
wnowagowego wyliczoną z wzoru Nernsta.
Mięsień krawiecki żaby [Adrian R.H., 1956].

Małe zmiany koncentracji potasu w płynie
międzykomórkowym zmieniają w istotny
sposób błonowy potencjał spoczynkowy, a
zatem i funkcjonowanie komórek.

Dla dużych stężeń [K

+

]

zew,

potasowy potencjał równowagowy dobrze opisuje war-

tość potencjału spoczynkowego.
Dla stężeń fizjologicznych K

+

(3,5

7 mmol/l) rejestrowany potencjał błonowy

jest mniej ujemny

niż to wynika z wzoru Nernsta.

ΔV

płyn fizjologiczny, w którym zmieniano

stężenie jonów potasowych

5

Z

W

[Cl ]

20 100

[Cl ]

1

W

Cl

Z

[Cl ]

ln

[Cl ]

R T

F

ε

90 mV

W

kład jonów

Cl

−

do potencjału spoczynkowego

Jony Cl

−

mogą dosyć swobodnie przechodzić przez błonę w stanie spo-

czynku. Ponadto stężenie jonów Cl

−

wewnątrz komórki jest mniejsze

niż na zewnątrz:

Potencjał równowagowy dla jonów chloru przyjmuje wartość:

Jest to wartość równa tej rejestrowanej, jako potencjał spoczynkowy
w tych komórkach.

Rozkład

Cl

−

ustala się w zależności od stężenia

K

+

(równowaga Donnana). Kon-

centracja

K

+

w komórce nie może zmieniać się w szerokich granicach − gdyż

jony te kompensują ujemny ładunek anionów białkowych. Stężenie

K

+

wew-

nątrz komórki nie może być regulowane przez potencjał spoczynkowy. Ale
koncentracja

Cl

−

tak. Można więc powiedzieć, że podstawową przyczyną uje-

mnego potencjału wnętrza komórki jest zawartość anionów białkowych. W ko-
mórkach, których błony mają zbliżoną przepuszczalność dla

K

+

i

Cl

−

właśnie te

jony w podobnym stopniu biorą udział w utworzeniu potencjału spoczynkowe-
go.

B

ierny transport jonów

Na

+

Potasowy potencjał równowagowy jest bardziej ujemny niż obserwowa-
ny potencjał spoczynkowy. Różnica ta wywołana jest biernym napływem
Na

+

do wnętrza komórki. Jony sodu napływają do wnętrza komórki mi-

mo małej dla nich przepuszczalności błony w stanie spoczynku.
Napływowi

Na

+

do wnętrza komórki sprzyja zarówno gradient ich stę-

żenia, jak i różnica potencjałów elektrycznych w błonie.

Jeśli w doświadczeniu Adriana w płynie fizjologicznym zastąpić jony Na

+

inny-

mi

większymi jonami dodatnimi (cholina), to potencjał błonowy przyjmie war-

tość równowagowego potencjału potasowego, nawet przy niskich stężeniach
potasu na zewnątrz komórki.

Stężenie jonów

Na

+

wewnątrz komórki jest mniejsze niż na zewnątrz:

Potencjał równowagowy dla jonów sodu przyjmuje wartość:

Jest to wartość przeciwna do tej rejestrowanej jako potencjał spo−
czynkowy w tych komórkach.

6

Przewodność elektryczną

κ

A

błony dla jonów A można obliczyć z wzoru:

gdzie: J

A

= i/S całkowita gęstość prądu jonów A,

d − grubość błony,
U = ε − ε

A

napięcie powodujące przepływ jonów = różnicy potencjału

spoczynkowego i potencjału równowagowego dla tych jonów.

Stąd:

J

Na

=

κ

Na

∙(−90 − 60)/d = −150∙κ

Na

/d

jeśli założyć, że

κ

K

:κ

Na

=

25:1,

jak to wynika z przepuszczalności błony

dla jonów sodowych i potasowych, to w stanie stacjonarnym, gdy:

J

Na

= −J

K

(wtedy potencjał spoczynkowy będzie stały) znajdziemy:

−150∙ κ

Na

= −(ε − ε

K

)∙ κ

K



(ε − ε

K

) = 150/25 = 6 mV

Przyczyną większej wartości potencjału błonowego w porównaniu z warto-

ścią równowagowego potencjału potasowego, jest

niewielka

przepuszczal-

ność błony dla jonów sodowych, jest niewielki ich prąd dokomórkowy.

Istnienie ciągłego napływu sodu do wnętrza komórki oraz wypływu
potasu prowadzi jednak do niestabilności takiego układu.

Rośnie ciśnienie osmotyczne

wewnątrz komórki. Wywołuje to

napływ

wody do wnętrza

, co powoduje kolejny spadek stężenia jonów potaso-

wych. W końcu prowadzi to do

pękania

(lizy) komórki.

Procesy takie nie zachodzą w normalnych (fizjologicznych)

warunkach. Jednak w skrajnej

anoksii

i/lub przy

skrajnych niedostat-

kach energetycznych

taki scenariusz będzie miał miejsce.

Wskazuje to, że komórka nie znajduje się w stanie równowagi, a stę-
żenie jonów sodowych dalekie jest od stanu równowagi. Istniejący w
komórce i otoczeniu rozkład stężeń jonów sodowych i potasowych jest
wynikiem transportu: biernego, biernego ułatwionego oraz aktywne-
go.

7

T

ransport aktywny

Transportem aktywnym danej substancji nazywamy transport zachodzą-
cy w kierunku przeciwnym niż ich bierny, samoistny przepływ,

wyma-

ga zatem nakładu energii.

Zachodzi on z udziałem wyspecjalizowanych

struktur błonowych (białek integralnych) sprzęgających transport z pro-
cesem uwalniania energii.
Źródłem energii często jest hydroliza ATP i dlatego białka biorące u-
dział w tym procesie traktowane są jako enzymy posiadające własno-
ści ATPazy.

Transport aktywny odbywa się wbrew różnicy stężeń danej substancji
(w stronę większego stężenia) stąd białka biorące udział w tym tran-
sporcie często nazywane są

„pompami”.

Dobrze poznanym przykładem jest pompa sodowo−potasowa (Na

+

/K

+

ATPaza).

Transportuje ona Na

+

z wnętrza komórki na zewnątrz, jednocześnie przeno-

sząc K

+

w kierunku przeciwnym (antyport). Hydroliza jednej cząsteczki ATP

dostarcza energii koniecznej do transportu trzech Na

+

i dwóch K

+

. Działanie

pompy sodowo−potasowej ma olbrzymie znaczenie dla utrzymania stałości
stężeń tych jonów, zwłaszcza w komórkach pobudliwych. Bierny transport jo-
nów zachodzący zarówno podczas spoczynku komórki, jak i w czasie trwania
potencjału czynnościowego po pewnym czasie prowadziłby do wyrównania
stężeń jonów sodu i potasu wewnątrz i na zewnątrz komórki.

Na

+

/K

+

ATPaza ma podstawowe znaczenie dla funkcjonowania wszys-

tkich żywych komórek, utrzymując stałą wartość potencjału błono-
wego i objętość komórki. Za badania nad tą cząsteczką Jens C. Skou
otrzymał nagrodę Nobla z 1997 r.

Pompa sodowo−potasowa składa się z dwóch podjednostek:

α

(112 kDa)

i

β

(35 kDa).

Miejsce wiązania ATP znajduje się na podjednostce α.

Na

tej podjednostce, na powierzchni skierowanej do płynu śródkomórkowego, z-
najdują się również miejsca wiązania steroidów kardiotonicznych (np.: digit-
oksygenina), które hamują aktywność pompy przez blokowanie defosforylacji.

Hydroliza ATP jest źródłem energii dla tego enzymu, koniecznej do
pompowania jonów sodu i potasu.

ATPaza jest

fosforylowana

przez ATP w obecności jonów

Na

+

i

Mg

+

2

.

Do podje-

dnostki

α

, która jest związana z ATP wiązane są trzy jony sodu. Następnie ATP

ulega

hydrolizie,

a uwolniona energia prowadzi do zmiany konformacji białka,

co pozwala na przetransportowanie jonów sodu na zewnątrz komórki, gdzie
jony

Na

+

zostają uwolnione z kompleksu. Następuje teraz związanie dwóch jo-

nów potasu

K

+

,

a następnie

defosforylacja

− wywołująca ponowną zmianę

konformacji, pozwalającą na przeniesienie jonów potasu do wnętrza komórki.
Tu uwolnienie jonów następuje po przyłączeniu cząsteczki ATP.

8

Jens Christian

Skou

(ur. 8. X. 1918 r. w Lemvig) − duński chemik. Laureat na-

grody Nobla w dziedzinie chemii w 1997 roku za odkrycie enzymu, pompy sodo-

wo-potasowej (Na

+

/K

+

ATP-azy).

W 1944 roku ukończył studia medyczne na Uniwersytecie Kopenhaskim, w 1947 r.

rozpoczął pracę na Uniwersytecie w Aarhus, a w 1954 r. obronił doktorat.
Obecnie jest tam profesorem emerytowanym.
Nagrodę Nobla razem z nim otrzymali Paul D. Boyer i John E. Walker (za ATP).

Schemat działania pompy jonowej

. Gęstość rozmieszczenia pomp w błonie

neuronu: 100÷200 pomp na 1 μm

2

. Neuron posiada ich około 1 miliona.

Stan zdefosforylowany pompy. Centra wiążące Na

+

eksponowane są do

wnętrza komórki. Następuje przyłączenie 3 kationów Na

+

.

Duże stężenie

Na

+

Duże stężenie

K

+

9

Przyłączenie jonów Na

+

zmienia konformację enzymu umożliwiając

przyłączenie ATP.

Schemat działania pompy jonowej

. Gęstość rozmieszczenia pomp w błonie

neuronu: 100÷200 pomp na 1 μm

2

. Neuron posiada ich około 1 miliona.

Duże stężenie

Na

+

Duże stężenie

K

+

Przyłączenie ATP.

Schemat działania pompy jonowej

. Gęstość rozmieszczenia pomp w błonie

neuronu: 100÷200 pomp na 1 μm

2

. Neuron posiada ich około 1 miliona.

Duże stężenie

Na

+

Duże stężenie

K

+

10

Fosforylacja wywołuje przemieszczenie centrów wiążących Na

+

na zew-

nętrzną stronę błony.

Schemat działania pompy jonowej

. Gęstość rozmieszczenia pomp w błonie

neuronu: 100÷200 pomp na 1 μm

2

. Neuron posiada ich około 1 miliona.

Duże stężenie

Na

+

Duże stężenie

K

+

Odłączenie 3 jonów Na

+

po zewnętrznej stronie błony zwiększa podat-

ność centrów wiążących K

+

.

Schemat działania pompy jonowej

. Gęstość rozmieszczenia pomp w błonie

neuronu: 100÷200 pomp na 1 μm

2

. Neuron posiada ich około 1 miliona.

Duże stężenie

Na

+

Duże stężenie

K

+

11

Przyłączenie K

+

wywołuje defosforylację enzymu i powrót do wyjścio-

wej konformacji.

Schemat działania pompy jonowej

. Gęstość rozmieszczenia pomp w błonie

neuronu: 100÷200 pomp na 1 μm

2

. Neuron posiada ich około 1 miliona.

Duże stężenie

Na

+

Duże stężenie

K

+

Towarzyszy temu przeniesienie 2 jonów K

+

do wnętrza komórki oraz

zmiana powinowactwa centrów wiążących K

+

i Na

+

.

Schemat działania pompy jonowej

. Gęstość rozmieszczenia pomp w błonie

neuronu: 100÷200 pomp na 1 μm

2

. Neuron posiada ich około 1 miliona.

Duże stężenie

Na

+

Duże stężenie

K

+

12

Następuje uwolnienie K

+

i możliwym staje się ponowne związanie Na

+

.

W ten sposób pompa, kosztem energii uwolnionej w wyniku rozpadu ATP,
przeniosła trzy jony sody z wnętrza komórki do płynu śródkomórkowe-
go i dwa jony potasu w kierunku przeciwnym. W obu wypadkach trans-
port odbywał się w kierunku większych stężeń odpowiednich jonów.

Schemat działania pompy jonowej

. Gęstość rozmieszczenia pomp w błonie

neuronu: 100÷200 pomp na 1 μm

2

. Neuron posiada ich około 1 miliona.

Duże stężenie

Na

+

Duże stężenie

K

+

Fosforylacja zależna od Na

+

i defosforylacja zależna od K

+

są krytyczny-

mi reakcjami enzymu.

Cykl enzymatyczny trwa

ok.

10 ms. Pojedyncza ATPaza kosztem hydro-

lizy jednej cząsteczki ATP transportuje, przy maksymalnej prędkości
100 obrotów na s, w ciągu sekundy 300 Na

+

i 200 K

+

.

Gradient sodowo−potasowy utrzymywany dzięki enzymatycznej a-
ktywności Na

+

/K

+

−ATPazy:



kontroluje objętość komórki,



jest niezbędny dla pobudzenia nerwów i mięśni,



jest siłą napędową transportu aktywnego cukrów oraz
aminokwasów.

Działanie pompy wymaga:



stałego dopływu glukozy i tlenu,



stałej resyntezy ATP,



zachowania temperatura ok. 37ºC,



odprowadzania CO

2

,



odpowiedniego stężenia jonów Mg²

+

,



odpowiedniego stężenia jonów Na

+

i K

+

.

13

Aktywny transport znakowanego sodu z wnętrza komórki.
Doświadczenie A.L. Hodgkina dowodzi, że obniżenie szybkości resyn-
tezy

ATP hamuje transportu Na

+

(można podejrzewać, że i K

+

).

W doświadczeniu tym do wnętrza komórki (neuronu) wprowadzono radio-

aktywny izotop

24

Na

+

. Następnie badano aktywność płynu fizjologiczne-

go, w którym umieszczono badany neuron. Wyniki ilustrują rysunki.

Obniżenie szybkości transportu ak-

tywnego w wyniku szybkiego obni-

żenia temperatury.

Obniżenie szybkości transportu ak-

tywnego w wyniku zatrucia chemi-

cznego, blokującego przemiany e-

nergetyczne w komórce.

18,3ºC

18,3ºC

0,5ºC

Zatrucie 0,2 mmol/l

dinitrofenolem

Zatrzymanie pompy prowadzi do:

 zmian w składzie płynu wewnątrzkomórkowego,
 zmian w składzie płynu zewnątrzkomórkowego, w którym

stężenie Na

+

zmniejsza się i zwiększa stężenie K

+

,

 utraty przez komórki pewnych właściwych,
 braku reakcji komórek pobudliwych na bodźce, prowadzi do ich

niepobudliwości.

W przypadku pompy Na−K występuje bezpośrednie sprzężenie trans-
portu z procesem uwalniania energii − hydrolizą ATP − i dlatego trans-
port ten nazywamy

„aktywnym pierwotnym”.

Jeśli pomiędzy procesem uwalniania energii a transportem

istnieją mechanizmy pośredniczące, to taki transport nazywamy

akty-

wnym wtórnym.

Przykładem transportu wtórnego jest proces resorpcji

glukozy w jelitach − gdzie aktywnie transportowana pierwsza substan-
cja np. Na

+

tworzy gradient potencjału elektrochemicznego, który wa-

runkuje transport innej substancji, np. cukru, aminokwasu, zgodny z
jej gradientem stężenia.

14

Proces resorpcji glukozy w jelitach.

Aktywny transport Na

+

(z komórek nabłonka do osocza) obniża jego stę-

żenie w komórkach nabłonka jelit; zwiększa się gradient stężenia sodu

pomiędzy światłem jelita a komórkami nabłonka. Wspomniany gradient

stężenia Na

+

warunkuje transport glukozy z jelit do komórek nabłonka

zgodnie z gradientem stężenia glukozy. Odbywa się on na drodze sym-

portu jednoczesnego transportu sodu i glukozy. Następnie, znów zgod-

nie z gradientem stężenia, glukoza przenoszona jest z komórek nabłon-

ka do osocza za pomocą przenośnika

Glut 2

(akronim

glu

cose

t

ranspor-

ters).

Krew:



Dużo Na

+



Mało K

+

Światło jelita:



Pożywienie



Dużo glukozy



Dużo Na

+

Komórki nabłonka:



Mało Na

+



Dużo K

+

Na

+

/K

+

ATPaza

Na

+

/Glukoza

symport

Glut 2

Przykłady transportu aktywnego:

 Transport jonów H

+

do soków żołądkowych ([H

+

]=1 mol/l) z komó-

rek nabłonkowych ściany żołądka ([H

+

] = 10

−7

mol/l),

 Transport jonów sodowych i potasowych w komórkach nerwowych

i mięśniowych dla potrzymania potencjału spoczynkowego (pompa
jonowa),

 Transport jonów wapniowych w komórkach mięśniowych,
 Aktywny transport sodu w kanalikach nerkowych.

Praca transportu aktywnego jest duża, np. w stanie spoczynku komórka mięśniowa
zużywa około 20% energii metabolizmu na podtrzymanie transportu aktywnego.
Pompy mogą być

nieelektrogenne

(przenoszą tyle samo jonów sodu i potasu w je-

dnym cyklu). Istnieją też pompy elektrogenne (na przykład w komórkach nerwo-
wych, mięśniowych, komórkach mięśnia sercowego) przenoszące 3 jony sodu oraz
dwa jony potasu kosztem hydrolizy jednej cząstki ATP.

15

Przepływy jonów K

+

i Na

+

w błonie w stanie spoczynku.

A jak wyglądają przepływ Cl

−

?

K

+

Na

+

K

+

Cytoplazma

Środowisko

zewnętrzne

Błona

K

+

(stężenie)

Hydroliza

ATP

Na

+

(aktywnie)

K

+

6 mV

K

+

(potencjał elektryczny)

Na

+

(stężenie i potencjał

elektryczny)

K

+

(aktywnie)

Na

+

Na

+

150

mV

A.L. Hodgkin i A.F. Huxley

zaproponowali następujący elektrycz-

ny model dla opisu transportu jonów przez błonę komórkową.

Błona (kondensator) jest ładowana przez trzy baterie „sodową”, „po-
tasową” i „chlorkową”.
Każda z nich ładuje błonę poprzez opór o odpowiednio dobranej war-
tości, zależnej od przepuszczalności błony dla odpowiednich jonów.
W warunkach spoczynku:

R

K+

:

R

Cl−

:

R

Na+

=

1 :

2,5 :

25