Samenvatting leerstof selectie premaster Geneeskunde
Hoofdstuk 5 - Luca
Elektrische potentialen bestaan over de membranen van vrijwel alle cellen in het lichaam.
Sommige cellen, zoals zenuw- en spiercellen, genereren snel veranderende elektrochemische
impulsen over hun membranen, om signalen door te geven over de membranen. In andere
celtypen, zoals kliercellen, macrofagen en trilharen, activeren lokale veranderingen in
membraanpotentialen ook veel van de celfuncties.
Basis van membraanpotentialen
Semipermeabel membraan
De kaliumconcentratie is hoog in een
zenuwvezel, maar erg laag buiten het
membraan. Vanwege de grote kalium
concentratiegradiënt van binnen naar
buiten, is er een sterke neiging voor
kaliumionen om naar buiten te diffunderen.
Wanneer dit gebeurt, nemen ze positieve
elektrische lading mee naar buiten: ze
creëren elektropositiviteit buiten het
membraan en elektronegativiteit in het
membraan vanwege de negatieve anionen
die in de cel achterblijven.
Binnen ongeveer 1 milliseconde wordt het
potentiaalverschil tussen de binnenkant en de buitenkant, de diffusiepotentiaal genoemd, groot
genoeg om verdere netto-diffusie van kalium naar buiten te blokkeren, ondanks de hoge
concentratiegradiënt van kaliumionen. In de normale zenuwvezel van zoogdieren is het
potentiaalverschil ongeveer 94 millivolt, met negativiteit binnen in het membraan.
Hetzelfde geldt in plaatje B, met een hoge concentratie natriumionen buiten de cel, waarbij het
membraan selectief permeabel is voor natriumionen. De stroom van natriumionen naar binnen
zorgt voor een positieve verandering in membraanpotentiaal. Nogmaals, de
membraanpotentiaal stijgt hoog genoeg binnen milliseconden om verdere netto diffusie van
natriumionen naar binnen te blokkeren; deze keer is het potentieel in de zenuwvezel van
zoogdieren echter ongeveer 61 millivolt positief in de vezel.
Nerst-vergelijking
We zien dat een concentratieverschil van ionen over een selectief permeabel membraan, onder
geschikte omstandigheden, een membraanpotentiaal kan creëren. Het diffusiepotentiaal over
een membraan dat precies de netto diffusie van een bepaald ion door het membraan
tegenwerkt, wordt de Nernst-potentiaal voor dat ion genoemd. De grootte van de
Nernst-potentiaal wordt bepaald door de verhouding van de concentraties van dat specifieke ion
aan de twee zijden van het membraan. Met de Nernst-vergelijking is te bepalen welk voltage
nodig is, om netto flux van ionen op een equilibrium te houden, ondanks een
concentratieverschil tussen beide zijden van een membraan. Hiermee bepaal je dus
Luca Plekkenpol
, Samenvatting leerstof selectie premaster Geneeskunde
eigenlijk het voltage dat door de
concentratiegradiënt ontstaat, en wat dus
nodig is om het in evenwicht te houden. Hoe
groter deze verhouding, hoe groter de
neiging van het ion om in één richting te diffunderen en dus hoe groter de Nernst-potentiaal die
nodig is om extra netto-diffusie te voorkomen. De volgende vergelijking, de Nernst-vergelijking
genoemd, kan worden gebruikt om de Nernst-potentiaal te berekenen voor elk eenwaardig ion
bij de normale lichaamstemperatuur van 37°C (98,6°F): waarbij EMF de elektromotorische
kracht is en z de elektrische lading van de ion (bijv. +1 voor K+).
De Nernst-potentiaal is van binnen naar buiten.
Ook is het teken van de potentiaal positief (+) als het ion dat van binnen naar buiten diffundeert
een negatief ion is, en is het negatief (-) als het ion positief is. Dus als de concentratie van
positieve kaliumionen aan de binnenkant 10 keer zo groot is als aan de buitenkant, is de log van
10 1, dus de Nernst-potentiaal berekent zich op -61 millivolt in het membraan. Zie video in link
document.
Ionen willen van hoge naar lage concentratie. Dit is door de gradiënt van het ion, de chemische
potentiaal. Om de netto-diffusie op 0 te houden, is er een elektrische potentiaal nodig. Bij een
netto-diffusie van 0 is er een equilibrium-potentiaal bereikt.
Goldman-Hodgkin-Katz vergelijking
Wanneer een membraan permeabel is voor verschillende ionen, hangt het diffusiepotentiaal dat
zich ontwikkelt af van drie factoren:
(1) de polariteit van de elektrische lading van elk ion;
(2) de permeabiliteit van het membraan (P) voor elk ion; en
(3) de concentratie (C) van de respectievelijke ionen aan de binnenkant (i) en buitenkant (o) van
het membraan.
Dus de volgende formule, de Goldman-vergelijking of de Goldman-Hodgkin-Katz-vergelijking
genoemd, geeft de berekende membraanpotentiaal aan de binnenkant van het membraan
wanneer twee eenwaardige positieve ionen, natrium (Na +) en kalium (K +), en één eenwaardig
negatief ion, chloride (Cl−), zijn betrokken:
Belangrijke punten:
- Natrium-, kalium- en chloride-ionen zijn de belangrijkste ionen die betrokken zijn bij de
ontwikkeling van membraanpotentialen in zenuw- en spiervezels, evenals in de
neuronale cellen. De concentratiegradiënt van elk van deze ionen over het membraan
helpt bij het bepalen van de spanning van de membraanpotentiaal.
- Het kwantitatieve belang van elk van de ionen bij het bepalen van de spanning is
evenredig met de membraanpermeabiliteit voor dat specifieke ion. Als het membraan
geen permeabiliteit heeft voor natrium- en chloride-ionen, wordt het membraanpotentieel
volledig gedomineerd door de concentratiegradiënt van alleen kaliumionen, en het
Luca Plekkenpol
, Samenvatting leerstof selectie premaster Geneeskunde
resulterende potentieel zal gelijk zijn aan het Nernst-potentieel voor kalium. Hetzelfde
geldt voor elk van de andere twee ionen als het membraan selectief permeabel zou
worden voor elk van hen alleen.
- Een positieve ionenconcentratiegradiënt van binnen in het membraan naar buiten
veroorzaakt elektronegativiteit in het membraan. De reden voor dit fenomeen is dat
overtollige positieve ionen naar buiten diffunderen wanneer hun concentratie binnen
hoger is dan buiten het membraan. Deze diffusie draagt positieve ladingen naar buiten,
maar laat de niet-diffundeerbare negatieve anionen aan de binnenkant achter, waardoor
aan de binnenkant elektronegativiteit ontstaat. Het tegenovergestelde effect treedt op
wanneer er een gradiënt is voor een negatief ion. Dat wil zeggen, een
chloride-ionengradiënt van buiten naar binnen veroorzaakt negativiteit in de cel omdat
overtollige negatief geladen chloride-ionen naar binnen diffunderen terwijl de
niet-diffundeerbare positieve ionen aan de buitenkant achterblijven.
- De permeabiliteit van de natrium- en kaliumkanalen ondergaat snelle veranderingen
tijdens de overdracht van een zenuwimpuls, terwijl de permeabiliteit van de
chloridekanalen tijdens dit proces niet veel verandert. Daarom zijn snelle veranderingen
in natrium- en kaliumpermeabiliteit primair verantwoordelijk voor signaaloverdracht in
neuronen.
In sommige cellen verandert de membraanpotentiaal continu. In andere cellen kan een
rustmembraanpotentiaal gemeten worden, zoals aangegeven in de tabel.
De membraanpotentiaal is duidelijk erg dynamisch in exciteerbare cellen zoals neuronen,
waarin actiepotentialen optreden. Maar zelfs in niet-prikkelbare cellen verandert de
membraanpotentiaal (spanning) ook als reactie op verschillende stimuli, die de activiteiten voor
de verschillende ionentransporters, ionenkanalen en membraanpermeabiliteit voor natrium-,
kalium-, calcium- en chloride-ionen veranderen. De rustmembraanpotentiaal is daarom voor
veel cellen slechts een korte tijdelijke toestand.
Elektrochemische drijfkracht
Wanneer meerdere ionen bijdragen aan de membraanpotentiaal, zal de evenwichtspotentiaal
voor elk van de bijdragende ionen verschillen van de membraanpotentiaal, en zal er een
elektrochemische aandrijfkracht (Vdf) zijn voor elk ion wat een netto beweging beweging van het
Luca Plekkenpol
