Membraanpotentiaal
Membraan bestaat uit een dubbele lipidenlaag (polaire kop en apolaire staart). Stoffen kunnen door het
membraan heen als ze vetoplosbaar zijn. Om ionen gaat water zitten, hierdoor kan het niet door het
membraan heen, wat de functie van ionkanalen verklaart. Ionkanalen kunnen specifiek of niet-specifiek
zijn.
Drijvende kracht voor passief transport/diffusie (elektrochemische gradiënt)
- Concentratieverschil (chemische gradiënt)
- Elektrische gradiënt
Ionkanalen
- Non-gated → lekkanalen (passief)
- Gating mechanism → dicht, totdat er iets gebeurt (actief; hier kan de permeabiliteit van het
kanaal veranderen).
- Spanningsafhankelijke kanalen
- Ligandgevoelige (receptorgestuurde) kanalen: een ligand is een signaalstof die zich aan
een receptoreiwit moet binden voor een effect → binding zorgt voor verandering in
ruimtelijke structuur van kanaaleiwit; dit zorgt meestal voor opening van het kanaal
maar soms ook voor een vermindering in doorgankelijkheid.
- 2nd messenger geactiveerd
- Mechanisch gestuurd = geactiveerd wanneer membraanreceptor vervormd wordt
(baroreceptoren)
4.1.7 Ionkanalen in een membraan gedragen zich als een draaideur
De kanaaltjes gaan voortdurend open en dicht. Wanneer de doorgankelijkheid van een ion toeneemt
(stimuli), neemt de stroom toe doordat meer kanalen open- en dichtgaan en per kanaal de frequentie en
de duur van de openingsperiodes stijgen → toename totale stroomsterkte door membraan
(permeabiliteit)
Hoe meet je een membraanpotentiaal → Je meet de binnenkant ten opzichte van de buitenkant. De
buitenkant wordt altijd op 0 gesteld. Rustpotentiaal van -70 mV
→ Membraanpotentiaal wordt al veroorzaakt door een heel klein overschot aan positieve/negatieve
lading (1: 500 000)
Ionen
- Natrium = veel extracellulair → chemische gradiënt naar binnen, elektrische gradiënt naar
binnen.
- Verhoging van de permeabiliteit voor Na + (en Ca2+) werkt depolariserend (verlaging
werkt hyperpolariserend)
, - Kalium = veel intracellulair → evenwicht wordt bereikt als er evenveel ionen via chemische als
elektrische gradiënt de cel in en uit gaan → concentratiegradiënt naar buiten en elektrische
gradiënt gaat naar binnen
- Verhoging van de permeabiliteit voor K+ werkt hyperpolariserend (verlaging werkt
depolariserend)
- Chloride = veel extracellulair (maar is wel negatief!) → doet mee als een cel een actief
transportsysteem heeft voor chloride. Chloride heeft geen groot effect want zijn
evenwichtspotentiaal zit dicht bij de rustmembraanpotentiaal.
→ wanneer een cel alleen maar lekkanalen heeft voor een bepaald ion, zal de rustpotentiaal gelijk zijn
aan het evenwichtspotentiaal van dat ion
→ verhoging van de membraanpermeabiliteit voor een ion dat alleen passief wordt getransporteerd,
stabiliseert de rustmembraanpotentiaal zodat die minder gemakkelijk wordt veranderd.
Nernstvergelijking
Evenwichtspotentiaal (1 ion) = de diffusie ten gevolge van het concentratieverschil is even
groot, maar tegengesteld, aan de diffusie ten gevolge van het potentiaalverschil.
Er zijn veel meer lekkanalen voor kalium dan voor natrium, door de hogere permeabiliteit
van kalium ligt de rustpotentiaal/membraanpotentiaal ook meer richting die van kalium (-70 mV)
- Enatrium = + 40mV
- Ekalium = - 90 mV
Goldman-Hodgkin-Katz vergelijking → uitrekenen van (rust)membraanpotentiaal
Actieve Na/K pomp → pompt 3 Na de cel uit en 2 K de cel in voor het handhaven van de
concentratiegradiënt
Actiepotentiaal
4.2.2 De depolarisatiefase wordt in het algemeen veroorzaakt door een toename van de Na+- of Ca2+-
permeabiliteit
De influx van Na+ en Ca2+ zorgt voor depolarisatie, maar er zijn ook verschillen tussen de 2 ionen:
1) Voor Na+ ligt de activeringsdrempel bij -60 mV; voor Ca 2+ is deze wat minder eenduidig maar
voor de kanalen in de hartspier of gladdespiercel ligt deze rond de -40 mV.
2) Na+-kanalen hebben sneller hun maximale geleidingsvermogen bereikt dan Ca 2+-kanalen (en zijn
dus sneller). Dit verklaart waarom in cellen met relatief weinig of geen inbreng van Na +-ionen,
zoals gladdespiercellen en kliercellen, de depolarisatie trager is dan in zenuw- of
skeletspiercellen, waarin de instroom van Na +-ionen de hoofdrol vervult.
,
, Betekenis van de drempel
- Bij de drempelwaarde is er meer natriumstroom dan de kalium-uitstroom. Als je maar genoeg
natriumkanalen in één keer opent vindt er depolarisatie plaats omdat er meer natrium is dan
dat er kalium afgevoerd kan worden.
- Snellere depolarisatie door verlagen van de drempelwaarde door hogere extracellulaire
natriumconcentratie.
- Alles of niets verschijnsel = er moet genoeg prikkeling zijn voor het overschrijden van de
drempelwaarde, anders vindt er geen actiepotentiaal plaats. Door een te kleine depolarisatie
kan de versterkte K+-uitstroom de geactiveerde Na+-stroom compenseren. Hierdoor komt er
geen netto positieve lading de cel binnen en zal de stimulus niet voor een actiepotentiaal
zorgen.
Spanningsafhankelijke Na+ kanalen openen sneller dan
spanningsafhankelijke K- kanalen. Snellere depolarisatie door positieve
feedback controle (regeneratieve stroom) van Na+. Aan de positieve
feedback komt een einde door het optreden van tijdsafhankelijke
inactivering (kanaal sluit uit zichzelf). Veel Na kanalen open dus
membraanpotentiaal in richting van Ena.
Direct na een actiepotentiaal volgt de refractaire periode, waarin een
actiepotentiaal niet of moeilijker opgewekt kan worden. Als een kanaal geïnactiveerd is kan die niet
geopend worden.
→ K-kanalen worden niet inactief.
4.2.4 In een experiment kunnen de ionenstromen afzonderlijk worden gemeten
Voltage clamp-methode = door opgelegde depolarisatie kunnen alle ionen afzonderlijk worden
bestudeerd (geleidingsvermogen).
Bevindingen
1) Na+-kanalen = wordt snel geopend door depolarisatie maar
geleidingsvermogen neemt al snel af door spontane
sluiting (inactivering) → tijdsafhankelijke inactivering
2) K+-kanalen = opening duurt langer, maar houdt de gehele
depolarisatie aan → spanningsafhankelijke inactivering
Intermezzo 4.4 Enkele kanaalstroom en totale membraanstroom
De vergelijking wordt nu:
Membraan bestaat uit een dubbele lipidenlaag (polaire kop en apolaire staart). Stoffen kunnen door het
membraan heen als ze vetoplosbaar zijn. Om ionen gaat water zitten, hierdoor kan het niet door het
membraan heen, wat de functie van ionkanalen verklaart. Ionkanalen kunnen specifiek of niet-specifiek
zijn.
Drijvende kracht voor passief transport/diffusie (elektrochemische gradiënt)
- Concentratieverschil (chemische gradiënt)
- Elektrische gradiënt
Ionkanalen
- Non-gated → lekkanalen (passief)
- Gating mechanism → dicht, totdat er iets gebeurt (actief; hier kan de permeabiliteit van het
kanaal veranderen).
- Spanningsafhankelijke kanalen
- Ligandgevoelige (receptorgestuurde) kanalen: een ligand is een signaalstof die zich aan
een receptoreiwit moet binden voor een effect → binding zorgt voor verandering in
ruimtelijke structuur van kanaaleiwit; dit zorgt meestal voor opening van het kanaal
maar soms ook voor een vermindering in doorgankelijkheid.
- 2nd messenger geactiveerd
- Mechanisch gestuurd = geactiveerd wanneer membraanreceptor vervormd wordt
(baroreceptoren)
4.1.7 Ionkanalen in een membraan gedragen zich als een draaideur
De kanaaltjes gaan voortdurend open en dicht. Wanneer de doorgankelijkheid van een ion toeneemt
(stimuli), neemt de stroom toe doordat meer kanalen open- en dichtgaan en per kanaal de frequentie en
de duur van de openingsperiodes stijgen → toename totale stroomsterkte door membraan
(permeabiliteit)
Hoe meet je een membraanpotentiaal → Je meet de binnenkant ten opzichte van de buitenkant. De
buitenkant wordt altijd op 0 gesteld. Rustpotentiaal van -70 mV
→ Membraanpotentiaal wordt al veroorzaakt door een heel klein overschot aan positieve/negatieve
lading (1: 500 000)
Ionen
- Natrium = veel extracellulair → chemische gradiënt naar binnen, elektrische gradiënt naar
binnen.
- Verhoging van de permeabiliteit voor Na + (en Ca2+) werkt depolariserend (verlaging
werkt hyperpolariserend)
, - Kalium = veel intracellulair → evenwicht wordt bereikt als er evenveel ionen via chemische als
elektrische gradiënt de cel in en uit gaan → concentratiegradiënt naar buiten en elektrische
gradiënt gaat naar binnen
- Verhoging van de permeabiliteit voor K+ werkt hyperpolariserend (verlaging werkt
depolariserend)
- Chloride = veel extracellulair (maar is wel negatief!) → doet mee als een cel een actief
transportsysteem heeft voor chloride. Chloride heeft geen groot effect want zijn
evenwichtspotentiaal zit dicht bij de rustmembraanpotentiaal.
→ wanneer een cel alleen maar lekkanalen heeft voor een bepaald ion, zal de rustpotentiaal gelijk zijn
aan het evenwichtspotentiaal van dat ion
→ verhoging van de membraanpermeabiliteit voor een ion dat alleen passief wordt getransporteerd,
stabiliseert de rustmembraanpotentiaal zodat die minder gemakkelijk wordt veranderd.
Nernstvergelijking
Evenwichtspotentiaal (1 ion) = de diffusie ten gevolge van het concentratieverschil is even
groot, maar tegengesteld, aan de diffusie ten gevolge van het potentiaalverschil.
Er zijn veel meer lekkanalen voor kalium dan voor natrium, door de hogere permeabiliteit
van kalium ligt de rustpotentiaal/membraanpotentiaal ook meer richting die van kalium (-70 mV)
- Enatrium = + 40mV
- Ekalium = - 90 mV
Goldman-Hodgkin-Katz vergelijking → uitrekenen van (rust)membraanpotentiaal
Actieve Na/K pomp → pompt 3 Na de cel uit en 2 K de cel in voor het handhaven van de
concentratiegradiënt
Actiepotentiaal
4.2.2 De depolarisatiefase wordt in het algemeen veroorzaakt door een toename van de Na+- of Ca2+-
permeabiliteit
De influx van Na+ en Ca2+ zorgt voor depolarisatie, maar er zijn ook verschillen tussen de 2 ionen:
1) Voor Na+ ligt de activeringsdrempel bij -60 mV; voor Ca 2+ is deze wat minder eenduidig maar
voor de kanalen in de hartspier of gladdespiercel ligt deze rond de -40 mV.
2) Na+-kanalen hebben sneller hun maximale geleidingsvermogen bereikt dan Ca 2+-kanalen (en zijn
dus sneller). Dit verklaart waarom in cellen met relatief weinig of geen inbreng van Na +-ionen,
zoals gladdespiercellen en kliercellen, de depolarisatie trager is dan in zenuw- of
skeletspiercellen, waarin de instroom van Na +-ionen de hoofdrol vervult.
,
, Betekenis van de drempel
- Bij de drempelwaarde is er meer natriumstroom dan de kalium-uitstroom. Als je maar genoeg
natriumkanalen in één keer opent vindt er depolarisatie plaats omdat er meer natrium is dan
dat er kalium afgevoerd kan worden.
- Snellere depolarisatie door verlagen van de drempelwaarde door hogere extracellulaire
natriumconcentratie.
- Alles of niets verschijnsel = er moet genoeg prikkeling zijn voor het overschrijden van de
drempelwaarde, anders vindt er geen actiepotentiaal plaats. Door een te kleine depolarisatie
kan de versterkte K+-uitstroom de geactiveerde Na+-stroom compenseren. Hierdoor komt er
geen netto positieve lading de cel binnen en zal de stimulus niet voor een actiepotentiaal
zorgen.
Spanningsafhankelijke Na+ kanalen openen sneller dan
spanningsafhankelijke K- kanalen. Snellere depolarisatie door positieve
feedback controle (regeneratieve stroom) van Na+. Aan de positieve
feedback komt een einde door het optreden van tijdsafhankelijke
inactivering (kanaal sluit uit zichzelf). Veel Na kanalen open dus
membraanpotentiaal in richting van Ena.
Direct na een actiepotentiaal volgt de refractaire periode, waarin een
actiepotentiaal niet of moeilijker opgewekt kan worden. Als een kanaal geïnactiveerd is kan die niet
geopend worden.
→ K-kanalen worden niet inactief.
4.2.4 In een experiment kunnen de ionenstromen afzonderlijk worden gemeten
Voltage clamp-methode = door opgelegde depolarisatie kunnen alle ionen afzonderlijk worden
bestudeerd (geleidingsvermogen).
Bevindingen
1) Na+-kanalen = wordt snel geopend door depolarisatie maar
geleidingsvermogen neemt al snel af door spontane
sluiting (inactivering) → tijdsafhankelijke inactivering
2) K+-kanalen = opening duurt langer, maar houdt de gehele
depolarisatie aan → spanningsafhankelijke inactivering
Intermezzo 4.4 Enkele kanaalstroom en totale membraanstroom
De vergelijking wordt nu:
