Potencjał Spoczynkowy
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.
drut srebrny pokryty
chlorkiem srebra
roztwór KCl
"V
szklana elektroda
kapilarna
średnica
okoÅ‚o 1 µm
Budowa elektrody pomiarowej oraz schemat układu do pomiaru poten-
cjałów błonowych "V = Vwew - Vzew, czyli różnicy potencjałów pomię-
dzy wnętrzem Vwew i zewnętrzem Vzew komórki.
1
W tabeli zebrano wartości stężeń wybranych jonów cW wewnątrz i cZ na
zewnątrz komórek mięśniowych zwierząt stałocieplnych.
Rodzaj cW cZ
cZ/cW
jonów [mmol/l] [mmol/l]
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
Wnętrze komórki i środowisko zewnętrzne są elektrycznie skompenso-
wane (obojętne elektrycznie). Lokalny brak kompensacji występuje
jedynie na powierzchni błony komórkowej.
Z definicji pojemności elektrycznej C:
(Q  Å‚adunek, U  napiÄ™cie, S  powierzchnia, d  grubość, µr iµ0 oznaczajÄ… odpo-
wiednio względną przenikalność elektryczną i przenikalność elektryczną próżni)
można wyznaczyć powierzchniową gęstość ładunku.
Do obliczeń przyjmujemy następujące wartości:
qð potencjaÅ‚ spoczynkowy U = -90 mV,
qð grubość bÅ‚ony d = 7 nm
qð wzglÄ™dna przenikalność elektryczna bÅ‚ony µr = 6.
W wyniku obliczeń otrzymujemy:
Zatem na powierzchni 1 źm2 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 źm3 cytoplazmy i płynu śródkomórko-
wego?
2
Z definicji stężenia molowego cm:
gdzie n  liczba moli ładunek, V  objętość, NA  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 NW i na zewnątrz NZ. Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli.
cW cZ NW NZ
Rodzaj jonów cZ/cW
[mmol/l] [mmol/l] [106/źm3] [106/źm3]
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
Rozkład jonów K+ a potencjał spoczynkowy
Jony K+ mogą dosyć swobodnie przechodzić przez błonę:
+ +
PK : PCl-: PNa = 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-
wnÄ…trz [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 bodz
ca - 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.
3
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:
µ =  96 mV
K
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 wyliczonÄ… z wzoru Nernsta.
Mięsień krawiecki żaby [Adrian R.H., 1956].
"V
płyn fizjologiczny, w którym zmieniano
stężenie jonów potasowych
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.
4
Wkład 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:
[Cl ]Z 20 100
[Cl ]W 1
Potencjał równowagowy dla jonów chloru przyjmuje wartość:
R T [Cl ]W
µ ln 90 mV
Cl
F [Cl ]Z
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.
Bierny 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.
5
Przewodność elektrycznÄ… ºA bÅ‚ony dla jonów A można obliczyć z wzoru:
gdzie: JA = i/S całkowita gęstość prądu jonów A,
d - grubość błony,
U = µ - µA napiÄ™cie powodujÄ…ce przepÅ‚yw jonów = różnicy potencjaÅ‚u
spoczynkowego i potencjału równowagowego dla tych jonów.
StÄ…d: JNa = ºNa"(-90 - 60)/d = -150"ºNa/d
jeÅ›li zaÅ‚ożyć, że ºK:ºNa = 25:1, jak to wynika z przepuszczalnoÅ›ci bÅ‚ony
dla jonów sodowych i potasowych, to w stanie stacjonarnym, gdy:
JNa = -JK
(wtedy potencjał spoczynkowy będzie stały) znajdziemy:
-150" ºNa = -(µ - µK )" ºK Þð (µ - µK ) = 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 zachodzÄ… 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.
6
Transport aktywny
Transportem aktywnym danej substancji nazywamy transport zachodzÄ…-
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.
y
ródłem 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-
szÄ…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 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: ą (112 kDa)
i ² (35 kDa). Miejsce wiÄ…zania ATP znajduje siÄ™ na podjednostce Ä…. 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 z
ródłem 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 ą, 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.
7
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.
NagrodÄ™ 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 źm2. Neuron posiada ich okoÅ‚o 1 miliona.
Duże stężenie
Na+
Duże stężenie
K+
Stan zdefosforylowany pompy. Centra wiążące Na+ eksponowane są do
wnętrza komórki. Następuje przyłączenie 3 kationów Na+.
8
Schemat działania pompy jonowej. Gęstość rozmieszczenia pomp w błonie
neuronu: 100÷200 pomp na 1 źm2. Neuron posiada ich okoÅ‚o 1 miliona.
Duże stężenie
Na+
Duże stężenie
K+
Przyłączenie jonów Na+ zmienia konformację enzymu umożliwiając
przyłączenie ATP.
Schemat działania pompy jonowej. Gęstość rozmieszczenia pomp w błonie
neuronu: 100÷200 pomp na 1 źm2. Neuron posiada ich okoÅ‚o 1 miliona.
Duże stężenie
Na+
Duże stężenie
K+
Przyłączenie ATP.
9
Schemat działania pompy jonowej. Gęstość rozmieszczenia pomp w błonie
neuronu: 100÷200 pomp na 1 źm2. Neuron posiada ich okoÅ‚o 1 miliona.
Duże stężenie
Na+
Duże stężenie
K+
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 źm2. Neuron posiada ich okoÅ‚o 1 miliona.
Duże stężenie
Na+
Duże stężenie
K+
Odłączenie 3 jonów Na+ po zewnętrznej stronie błony zwiększa podat-
ność centrów wiążących K+.
10
Schemat działania pompy jonowej. Gęstość rozmieszczenia pomp w błonie
neuronu: 100÷200 pomp na 1 źm2. Neuron posiada ich okoÅ‚o 1 miliona.
Duże stężenie
Na+
Duże stężenie
K+
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 źm2. Neuron posiada ich okoÅ‚o 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+.
11
Schemat działania pompy jonowej. Gęstość rozmieszczenia pomp w błonie
neuronu: 100÷200 pomp na 1 źm2. Neuron posiada ich okoÅ‚o 1 miliona.
Duże stężenie
Na+
Duże stężenie
K+
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.
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:
qð kontroluje objÄ™tość komórki,
qð jest niezbÄ™dny dla pobudzenia nerwów i mięśni,
qð jest siÅ‚Ä… napÄ™dowÄ… transportu aktywnego cukrów oraz
aminokwasów.
Działanie pompy wymaga:
Øð staÅ‚ego dopÅ‚ywu glukozy i tlenu,
Øð staÅ‚ej resyntezy ATP,
Øð zachowania temperatura ok. 37ºC,
Øð odprowadzania CO2,
Øð odpowiedniego stężenia jonów Mg²+,
Øð odpowiedniego stężenia jonów Na+ i K+.
12
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-
24
aktywny izotop Na+. Następnie badano aktywność płynu fizjologiczne-
go, w którym umieszczono badany neuron. Wyniki ilustrują rysunki.
Zatrucie 0,2 mmol/l
dinitrofenolem
18,3ºC
18,3ºC
0,5ºC
Obniżenie szybkości transportu ak- Obniżenie szybkości transportu ak-
tywnego w wyniku szybkiego obni- tywnego w wyniku zatrucia chemi-
żenia temperatury. cznego, blokującego przemiany e-
nergetyczne w komórce.
Zatrzymanie pompy prowadzi do:
qð zmian w skÅ‚adzie pÅ‚ynu wewnÄ…trzkomórkowego,
qð zmian w skÅ‚adzie pÅ‚ynu zewnÄ…trzkomórkowego, w którym
stężenie Na+ zmniejsza się i zwiększa stężenie K+,
qð utraty przez komórki pewnych wÅ‚aÅ›ciwych,
qð braku reakcji komórek pobudliwych na bodz
ce, prowadzi do ich
niepobudliwości.
W przypadku pompy Na-K występuje bezpośrednie sprzężenie trans-
portu z procesem uwalniania energii - hydrolizÄ… 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.
13
Krew: Komórki nabłonka: Światło jelita:
qðDużo Na+ qðMaÅ‚o Na+ qðPożywienie
qðMaÅ‚o K+ qðDużo K+ qðDużo glukozy
qðDużo Na+
Glut 2
Na+/Glukoza
symport
Na+/K+ ATPaza
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 glucose transpor-
ters).
Przykłady transportu aktywnego:
Øð Transport jonów H+ do soków żoÅ‚Ä…dkowych ([H+]=1 mol/l) z komó-
rek nabłonkowych ściany żołądka ([H+] = 10-7 mol/l),
Øð Transport jonów sodowych i potasowych w komórkach nerwowych
i mięśniowych dla potrzymania potencjału spoczynkowego (pompa
jonowa),
Øð Transport jonów wapniowych w komórkach mięśniowych,
Øð 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 czÄ…stki ATP.
14
K+
Na+
K+ 6 mV
K+ (stężenie)
K+ (potencjał elektryczny)
K+ (aktywnie)
Hydroliza
Na+ (stężenie i potencjał
ATP
elektryczny)
Åšrodowisko
Cytoplazma
zewnętrzne
Na+ (aktywnie)
K+
Na+ BÅ‚ona
Przepływy jonów K+ i Na+ w błonie w stanie spoczynku.
A jak wyglądają przepływ Cl-?
A.L. Hodgkin i A.F. Huxley zaproponowali następujący elektrycz-
ny model dla opisu transportu jonów przez błonę komórkową.
BÅ‚ona (kondensator) jest Å‚adowana przez trzy baterie  sodowÄ… ,  po-
tasowÄ… i  chlorkowÄ… .
Każda z nich ładuje błonę poprzez opór o odpowiednio dobranej war-
tości, zależnej od przepuszczalności błony dla odpowiednich jonów.
W warunkach spoczynku:
+ +
RK : RCl-: RNa = 1 : 2,5 : 25
15
+
Na
150 mV