PotencjałSpoczynkowy
Po obu stronach błony komórkowej istnieje różnica potencjałów (napięcie)
tzw. potencjał błonowy. Jego wartość odgrywa ważną rolę w procesach
transportu błonowego (np. w kanałach nerkowych), przy przetwarzaniu
informacji w neuronach, komórkach receptorowych oraz w
procesach skurczu komórek mięśniowych.

Poniżej pokazano schemat układu do rejestracji potencjałów błonowych.


Układ do pomiaru potencjału błonowego, czyli .V =Vwew - Vzew.

Wnętrze komórki ma zazwyczaj potencjał niższy niż jej powierzchnia
zewnętrzna.


W tabeli zebrano wartość stężeń jonów wewnątrz i na zewnątrz komótabeli zebrano wartość stężeń jonów wewnątrz i na zewnątrz komórek
mięśniowych zwierząt stałocieplnych.

Rodzaj
jonów
cW
[mmol/l]
cZ
[mmol/l]
cZ/cW
Na+ 12 145 12:1
K+ 155 4 1:39
Cl- 3,8 120 32:1
B- 155 -
Zmierzony potencjał spoczynkowy: -90 mV
Wnętrze komórki i środowisko zewnętrzne są elektrycznie skompensowane
(obojętne
elektrycznie). Lokalny brak kompensacji występuje
jedynie na powierzchni błony komórkowej.

Jeśli potencjał spoczynkowy wynosi -90 mV, grubość błony 7 nm oraz względna
przenikalność elektryczna .r =
6 to, na powierzchni 1 µm2 bÅ‚ony komórkowej
występuje nadmiar około 4200 jonów jednowartościowych jednego
znaku.

A jak wygląda rozkład jonów wewnątrz i na zewnątrz komórki?
W 1 µm3 wewnÄ…trz:
100 106 K+, 10 106 Na+, 2,2 106 Cl. , 107,8 106 B.
W 1 µm3 zewnÄ…trz:
2 106 K+, 108 106 Na+, 110 106 Cl. 0
Rozkład jonów K+ a potencjał spoczynkowy
Jony K+
mogą dosyć swobodnie przechodzić przez błonę. Ponadto ich
stężenie wewnątrz komórki jest większe niż na zewnątrz:

ZW[K]1[K]20100
.
..
.

Pod wpływem różnicy stężeń (potencjałów chemicznych) jonów potasu nastęwpływem różnicy stężeń (potencjałów chemicznych) jonów potasu następuje
ich wypływ z komórki. Konsekwencją wypływu jest ładowanie środowiska
zewnętrznego ładunkiem dodatnim, co jest przyczyną kolejnego bodźca - różnicy
potencjałów elektrycznych - wywołującej przepływ K+
w przeciwnym kierunku.


Wypływający
z komórki strumień K+ stopniowo maleje (maleje różnica stężeń)
strumień K+
wpływający
do komórki stopniowo narasta (rośnie różnica potencjałów).
Po pewnym czasie strumienie K+
wypływający z komórki i wpływający

do niej stają się równe. Od tego momentu wartość różnicy potencjałów
nie ulega już dalszej zmianie. Tę różnicę potencjałów nazywamy potencjałem
równowagi
dla jonów potasowych.

Wyraża się on wzorem Nernsta:

ZWln[K]
[K]KRTF.
.
.
...............
Dla koncentracji jonów takiej jak w komórce mięśniowej ssaków 1:39

potasowy potencjał równowagowy wynosi:

Jest to wartość niższa
od tej rejestrowanej jako potencjał spoczynko


wy w tych komórkach.

Eksperymentalnie wykazano, że stężenie jonów K+
na zewnątrz komórki
wpływa na wartość potencjału spoczynkowego (błonowego).
Doświadczenie Adriana:


Zależność potencjału błonowego od zewnątrzkomórkowej
koncentracji potasu. Linia ciągła
pokazuje zależność potencjału równowagowego
wyliczoną z wzoru Nernsta. Mięsień krawiecki
żaby [Adrian R.H., 1956].

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

Z[K]
58139logK.
...............

Dla dużych stężeń [K+]potasowy potencjał

zew,

równowagowy dobrze opisuje wartość potencjału
spoczynkowego.
Dla stężeń fizjologicznych K+
(3,5 7 mmol/l)
rejestrowany potencjał błonowy jest mniej ujemny
niż to wynika z wzoru Nernsta.


Z[K]
58139logK.
...............
Wkład jonów Cl- do potencjału spoczynkowego

Jony Cl- mogą dosyć swobodnie przechodzić przez błonę w stanie spoczynku.
Ponadto stężenie jonów Cl- wewnątrz komórki jest mniejsze
niż na zewnątrz:

ZW[Cl]20100[Cl]1
.
.
.
.
Potencjał równowagowy dla jonów chloru przyjmuje wartość:

WClZ[Cl]
ln[Cl]
RTF.
.
.
................
-90mV
Jest to wartość
równa
tej rejestrowanej, jako potencjał
spoczynkowy
w tych komórkach.

Rozkład Cl- ustala się w zależności od stężenia K+
(równowaga Donnana). Koncentracja
K+
w komórce nie może
zmieniać
siÄ™
w szerokich granicach - gdyż
jony te kompensują ujemny ładunek anionów białkowych. Stężenie K+
wewnÄ…trz
komórki nie może być regulowana przez potencjał spoczynkowy. Ale
koncentracja Cl- tak. Można więc powiedzieć, że podstawową przyczyną ujemnego
potencjału wnętrza komórki jest zawartość anionów białkowych. W komórkach,
których błony mają zbliżoną przepuszczalność dla K+
i Cl- właśnie te
jony w podobnym stopniu biorą udział w utworzeniu potencjału spoczynkowe


go.


Bierny transport jonów Na+

Potasowy potencjał równowagowyjestbardziejujemnyniż obserwowany
potencjał spoczynkowy. Różnica ta wywołana jest biernym napływem
Na+
do wnętrza komórki. Jony sodu napływają do wnętrza komórki mimo
małej dla nich przepuszczalności błony w stanie spoczynku.

Napływowi Na+
do wnętrza komórki sprzyja zarówno gradient ich stężenia
jak i różnica potencjałów elektrycznych w błonie.
Jeśli w doświadczeniu Adriana w płynie fizjologicznym zastąpić jony Na+
innymi
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:


ZW[Na]515[Na]1
.
.
.
.
Potencjał równowagowy dla jonów sodu przyjmuje wartość:

ZWNa[Na]
ln[Na]
RTF.
.
.
................
+60mV
Jest to wartość przeciwna do tej rejestrowanej jako potencjał spo-
czynkowy w tych komórkach.

Przewodność elektryczną .A błony dla jonów A można zdefiniować wzorem:


AAA
()
Jd...
.
.
.
gdzie:
JA - całkowita gęstość prądu jonówA,
d - grubość błony,
.A - potencjał równowagowy dla tych jonów,
. - potencjał spoczynkowy.

StÄ…d: JNa =
.Na•(-90 -
60)/d =
-150•.Na/d

jeśli założyć, że .K:.Na =
25:1, jak to wynika z przepuszczalności błony
dla jonów sodowych i potasowych, to w stanie stacjonarnym, gdy:

JNa =
-JK

(wtedy potencjał spoczynkowy będzie stały) znajdziemy:

-150• .Na =
-(. -
.K)• .K(. -
.K) =
150/25 =
6 mV

Zatem to niewielka przepuszczalność błony dla jonów sodowych jest
przyczyną podwyższenia potencjał błonowego w porównaniu z wartością
równowagowego potencjału potasowego.

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


Rośnie
ciśnienie
osmotyczne wewnÄ…trz
komórki. Wywołuje
to napływ
wody do wnętrza, co powoduje kolejny spadek stężenia
jonów
potasowych.
W końcu
prowadzi to do pękania
(lizy) komórki.

Procesy takie nie zachodzÄ…
w normalnych (fizjologicznych)
warunkach. Jednak w skrajnej anoksii i/lub przy skrajnych niedostatkach
energetycznych taki scenariusz będzie
miał
miejsce.

Wskazuje to, że
komórka
nie znajduje siÄ™
w stanie równowagi,a stężenie
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 aktywnego.


Transport aktywny
Transportem aktywnym danej substancji nazywamy transport zachodzÄ…cy
w kierunku przeciwnym niż
ich bierny, samoistny przepływ,
wymaga
zatem nakładu
energii. Zachodzi on z udziałem
wyspecjalizowanych
struktur błonowych
(białek
integralnych) sprzęgających
transport
z procesem uwalniania energii. Źródłem
energii często
jest hydroliza
ATP i dlatego białka
biorÄ…ce
udział
w tym procesie traktowane sÄ…
jako
enzymy posiadajÄ…ce
własności
ATPazy.

Transport aktywny odbywa siÄ™
wbrew różnicy
stężeń
danej substancji
(w stronÄ™
większego
stężenia) stąd
białka
biorÄ…ce
udział
w tym transporcie
często
nazywane sÄ…
"pompami".

Dobrze poznanym przykładem
jest pompa sodowo-potasowa (Na+/K+
ATPaza).
Transportuje ona Na+
z wnętrza
komórki
na zewnątrz, jednocześnie
przenoszÄ…c
K+
w kierunku przeciwnym (antyport). Hydroliza jednej czÄ…steczki
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 jonów
zachodzÄ…cy
zarówno
podczas spoczynku komórki, jak i w czasie trwania
potencjału
czynnościowego
po pewnym czasie prowadziłby
do wyrównania
stężeń
jonów
sodu i potasu wewnÄ…trz
i na zewnÄ…trz
komórki.


Pompa sodowo-potasowsodowo-potasowa
(Na+/K+
ATPaza) to ważny
enzym uczestniczÄ…cy
w aktywnym transporcie kationów
sodu (Na+) i potasu (K+). Ma
on podstawowe znaczenie dla wszystkich żywych
komórek,
utrzymujÄ…c
potencjał
błonowy
i objętość
komórki. Za badania nad tą
czÄ…steczkÄ…
Jens C. Skou otrzymał
nagrodÄ™
Nobla z chemii w 1997 r.

Pompa sodowo-potasowa składa
siÄ™
z dwóch
podjednostek: .
(112 kDa)
i ß
(35 kDa). Miejsce wiÄ…zania
ATP znajduje siÄ™
na podjednostce .. Na
tej podjednostce, na powierzchni skierowanej do płynu
śródkomórkowego,
z


najdujÄ…
siÄ™
również
miejsca wiÄ…zania
steroidów
kardiotonicznych (np.: digitoksygenina),
które
hamujÄ…
aktywność
pompy przez blokowaniedefosforylacji.
Hydroliza ATP jest źródłem
energii dla tego enzymu, koniecznej do

pompowania jonów
sodu i potasu.
ATP-aza jest fosforylowana przez ATP w obecności
jonów
Na+
i Mg+2. Do podjednostki
., która
jest zwiÄ…zana
z ATP wiÄ…zane
sÄ…
trzy jony sodu. Następnie
ATP

ulega hydrolizie, a uwolniona energia prowadzi do zmiany konformacji białka,
co pozwala na przetransportowanie jonów
sodu na zewnÄ…trz
komórki,
gdzie
jony Na+
zostajÄ…
uwolnione z kompleksu. Następuje
teraz zwiÄ…zanie
dwóch
jonów
potasu K+
,a następnie
defosforylacja -
wywołująca
ponownÄ…
zmianÄ™
konformacji, pozwalajÄ…cÄ…
na przeniesienie jonów
potasu do wnętrza
komórki.
Tu uwolnienie jonów
następuje
po przyłączeniu
czÄ…steczki
ATP.

Jens Christian Skou
(ur.
8.
X.
1918
r.
w
Lemvig)
-
duński
chemik.
Laureat
Nagrody
Nobla
w
dziedzinie
chemii
w
1997
roku
za
odkrycie
enzymu
pompy
sodowo-
potasowej
(Na+/K+
ATP-azy).


W
1944
r.
ukończył
studia
medyczne
na
Uniwersytecie
Kopenhaskim,
w
1947
r.
rozpoczÄ…Å‚
pracÄ™
na
Uniwersytecie
w
Aarhus,
a
w
1954
r.
obronił
doktorat.
Obecnie
jest
tam
profesorem
emerytowanym.


NagrodÄ™
Nobla
razem
z
nim
otrzymali
Paul
D.
Boyer
i
John
E.
Walker
(za
ATP).



Hipotetyczny schemat działanischemat działania
pompy jonowej. Gęstość
rozmieszczenia
pomp w błonie
neuronu: 100÷200 pomp na 1 µm2. Neuron posiada ich okoÅ‚o
1
miliona.


Stan zdefosforylowany. Centrum wiążące
Na+
eksponowane jest do wnętrza
komórki. Przyłączenie
Na+
zmienia konformacjÄ™
enzymu umożliwiając
jego fosforylacjÄ™.


Fosforylacja wywołuje
przemieszczenie centrum wiążącego
Na+
na zewnętrzną
stronÄ™
błony
oraz zwiększa
podatność
centrum wiążącego
K+
.


Przyłączenie K+
wywołuje defosforylację enzymu i powrót do wyjściowej
konformacji. Towarzyszy temu przeniesienie K+
do wnętrza komórki,
zmiana powinowactwa centrów wiążących K+
i Na+
. Uwolnienie potasu
i wiÄ…zanie sodu.

Fosforylacja zależna od Na+
i defosforylacja zależna od K+
sÄ… krytycznymi
reakcjami enzymu.

Cykl enzymatyczny trwa ok. 10 ms. Pojedyncza ATP-aza kosztem hydrolizy
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 aktywności
Na+/K+-ATP-azy:

.
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 CO2,
•
odpowiedniego stężenia jonów Mg2+
,
•
odpowiedniego stężenia jonów Na+
iK+
.

Aktywny transport znakowanego sodu z wnętrza komórki.
Doświadczenie A.L. Hodgkina dowodzi, że obniżenie szybkości resyntransport znakowanego sodu z wnętrza komórki.
Doświadczenie A.L. Hodgkina dowodzi, że obniżenie szybkości resyntezy
ATP hamuje transportu Na+
(można podejrzewać, że iK+).

Obniżenie szybkości transportu
aktywnego w wyniku obniżenia

temperatury.


Obniżenie szybkości transportu

aktywnego w wyniku zatrucia
chemicznego.


Zatrzymanie pompy prowadzi do:

.
zmianskładu płynu wewnątrzkomórkowego,
.
zmianskładu płynu zewnątrzkomórkowego, w którym stężenie
Na+
zmniejsza się i zwiększa stężenie K+
,
.
utraty przez komórki właściwych im własności,
.
braku reakcji komórek na bodźce, do ich niepobudliwości.
W przypadku pompy Na-K występuje bezpośrednie sprzężenie transportu
z procesem uwalniania energii - hydrolizÄ… ATP - i dlatego transport
ten nazywamy "aktywnym
pierwotnym".

Jeśli pomiędzy procesem uwalniania energii a transportem
istnieją mechanizmy pośredniczące, to taki transport nazywamy aktywnym
wtórnym. Przykładem transportu wtórnego jest proces resorpcji
glukozy w jelitach - gdzie aktywnie transportowana pierwsza substancja
np. Na+
tworzy gradient potencjału elektrochemicznego, który warunkuje
transport innej substancji, np. cukru, aminokwasu, zgodnie z
tym gradientem.


Proces resorpcji glukozy w jelitach. Aktywnie transportowany Na+
(do
osocza) tworzy w komórkach
nabłonka
jelit, gradient potencjału
elektrochemicznego,
który
warunkuje transport glukozy z jelit do komórek
nabłonka
zgodnie z gradientem jej stężenia. Ale odbywa się
to na
drodze symportu.

Przykłady
transportu aktywnego:

•
Transport jonów
H+
do soków
żołądkowych
([H+]=1 mol/l)z komórek
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 mogÄ…
być
nieelektrogenne (przenoszÄ…
tyle samo jonów
sodu i potasu w jednym
cyklu). IstniejÄ…
też
pompy elektrogenne (na przykład
w komórkach
nerwowych,
mięśniowych,
komórkach
mięśnia
sercowego) przenoszÄ…ce
3 jony sodu oraz
dwa jony potasu kosztem hydrolizy jednej czÄ…stki
ATP.


Przepływy jonów K+
i Na+
w błonie w stanie spoczynku.

A.L. Hodgkin i A.F. Huxley zaproponowali elektryczny model zastępczy
dla opisu transportu jonów przez błonę komórkową. Wartości
oporów spełniają w stanie spoczynku relację: