Hoofdstuk 4 Membraanpotentiaal
Rustpotentiaal
Door eiwitcomplexen die door de lipidenlagen van het membraan steken is het mogelijk dat
hydrofiele deeltjes door het membraan kunnen. Transport door deze kanalen is veelal passief en
specifiek. Deze specificiteit hangt af van o.a. de grootte en de lading van het ion. De vorm van een
kanaal is niet statisch. Door chemische invloeden, veranderingen van het elektrisch potentiaalverschil
over de membraan, osmotische effecten, temperatuurverandering of rek op een kanaal kan het
kanaal meer of minder verwijden, waardoor de toegankelijkheid toe- of afneemt. De permeabiliteit
van passieve kanalen kan niet veranderen, die van actieve kanalen wel. Een stroom door een passief
kanaal is ook wel een lekstroom, omdat het kanaal zelf er niks aan kan veranderen (voornamelijk K
en in mindere mate Na). Deze kanalen kunnen in twee groepen verdeeld worden;
- Spanningsafhankelijk; (elektrisch gestuurd) als potentiaalverschil over de membraan
verandert, verandert ook de vorm van het molecuul
- Ligand gestuurd; (receptor, chemisch gestuurd) meestal werking van een transmitter, het
effect komt tot stand via een afzonderlijk receptormolecuul op het kanaal
Doordat de meeste ionenkanalen selectief permeabel zijn voor 1 (soms 2) soorten ionen, kan alleen
een negatieve of alleen positieve ionen de membraan passeren door de concentratiegradiënt.
Hierdoor ontstaat er een membraanpotentiaal. Deze ladingsgradiënt vormt een tegenkracht tegen
het concentratieverschil. Uiteindelijk zal er een netto diffusie zijn (evenveel naar binnen als naar
buiten), de evenwichtspotentiaal. Voor het optreden van een evenwichtspotentiaal hoeven er maar
weinig K-ionen naar buiten, het concentratie verschil verandert hierdoor niet meetbaar. Wanneer
een ion de membraan niet kan passeren draagt hij ook niet bij aan het membraanpotentiaal. Er zijn
meerdere situaties mogelijk;
- De concentratieverschillen en permeabiliteit zijn voor beide ionen gelijk; er komt dus
evenveel positieve lading de cel in als dat er uit gaat, zodat er geen potentiaalverschil
optreedt. De ionenstroom zal doorgaan totdat het concentratieverschil is opgeheven.
- De concentratieverschillen voor beide ionen zijn gelijk, maar de permeabiliteit voor kalium is
groter dan voor natrium; de kalium uitstroom zal groter zijn dan de natrium instroom. Het
inwendige van de cel wordt hierdoor negatief geladen t.o.v. de buitenkant. Het
potentiaalverschil werkt de uitstroom van kalium tegen en versterkt de instroom van
natrium. Ten slotte wordt er een potentiaalverschil bereikt dat het permeabiliteitsverschil
compenseert, zodat beide stromen gelijk zijn. Er is nog steeds een netto transport van ionen
dus spreken we van een rustmembraanpotentiaal.
- De concentratieverschillen zijn gelijk, maar de permeabiliteit voor natrium is groter dan voor
kalium; er is een netto positieve lading de cel in, zodat het inwendige van de cel positief
geladen wordt t.o.v. de buitenkant. Ook nu wordt er een rustmembraanpotentiaal bereikt.
Niet-prikkelbare cellen lijken het meest op situatie 2. Voor het handhaven van de concentraties van
kleine anionen is de membraanpotentiaal de drijvende kracht.
Door de activiteit van de Na/K-pomp wordt er een concentratiegradiënt voor deze ionen over de
membraan gehandhaafd. Natrium (+40) en calcium(+100) de cel in, kalium(-90mV) de cel uit. Als de
membraanpotentiaal een van de waarden aanneemt, wordt de netto stroom van het desbetreffende
ion 0. Hoe groter het verschil tussen de membraanpotentiaal en de evenwichtspotentiaal is, des te
sterker is de ionenstroom. Het effect van een ionenstroom op de membraanpotentiaal is altijd in de
richting van het evenwichtspotentiaal. Voor de permeabiliteit van het membraan geldt P K>PNa>PCa. De
rustpotentiaal ligt hierdoor het dichtst bij de evenwichtspotentiaal van kalium. Wanneer P Na
plotseling wordt verhoogd (door prikkeling) gaat er meer Na de cel in en gaat de
membraanpotentiaal richting +40mV (depolariseren). Als de stroom lang genoeg aan houdt kan de
cel zelfs ompolen. Een vermindering van de permeabiliteit heeft hetzelfde effect.
, Voor passief getransporteerde ionen geldt dat de concentratieverdeling over de membraan in
evenwicht is met de membraanpotentiaal en daar ook door wordt bepaald. Wanneer in de
rustsituatie de membraanpermeabiliteit voor deze ionen wordt verhoogd, veranderd de
membraanpotentiaal niet. Dus een verhoging van de membraanpermeabiliteit voor een ion dat
alleen passief wordt getransporteerd, stabiliseert de rustpotentiaal zodat die minder gemakkelijk
wordt veranderd.
Een kanaal is echter niet zo doorlaatbaar. Het kanaal gaat voortdurend open en dicht, waardoor er
korte stroomimpulsjes ontstaan. De stroom is voor ieder kanaal even groot, maar het
openingsmoment en -duur verschillen per soort kanaal. Als de doorgankelijkheid van een ion
toeneemt, neemt de stroom toe doordat meer kanalen open en dichtgaan en de frequentie en de
duur van de openingsperiodes stijgen. Hierdoor neemt de totale stroomsterkte door de membraan
toe.
In prikkelbare cellen kan als reactie op een startsignaal een snelle verandering van de rustpotentiaal
ontstaan. Dit kan een afname van het potentiaalverschil zijn, depolarisatie (minder negatief), of een
toename, hyperpolarisatie. Dit komt tot stand doordat ion kanalen meer of minder doorgankelijk
worden. Kanalen die in niet-geprikkelde toestand gesloten zijn hebben een poortmechanisme.
Hiervoor zijn twee verschillende ‘sleutels’ en kunnen hierdoor in twee groepen verdeeld worden;
- Ligandgevoelige kanalen; een ligand is een signaalstof, waarbij de stof zich aan een
receptoreiwit moet binden voor een effect. Dit effect kan ook uitblijven als de receptor
geblokkeerd wordt, dit gebeurd dan door een antagonist. De binding van een ligand aan de
receptor zorgt voor een verandering van de ruimtelijke structuur van het kanaaleiwit. Het
kanaal gaat hierdoor open of dicht wat uiteindelijk zorgt voor een verandering van de
membraanpotentiaal. Zolang de binding blijft bestaan, blijft ook de structuur van het kanaal.
De binding is echter van korte duur.
- Spanningsafhankelijke kanalen; de doorgankelijkheid is afhankelijk van de
membraanpotentiaal. Er bestaat een kritische potentiaal die overschreden moet worden om
het kanaal te activeren (openen). Het activeringspotentiaal ligt meestal bij een minder
negatieve potentiaal dan de rustpotentiaal en moet er eerst een depolarisatie zijn om het
kanaal te openen. Maar er zijn ook kanalen die door hyperpolarisatie openen. Kanalen
blijven geopend zolang de drempelwaarde is overschreden of inactiveren spontaan. Om het
kanaal weer activeerbaar te krijgen moet de oorspronkelijke potentiaal worden hersteld
(repolarisatie). Spanningsgevoelige kanalen ondergaan vaak ook invloeden van een of meer
liganden die zich aan het kanaaleiwit zelf binden. Dit heeft invloed op de drempelpotentiaal.
De cel wordt gevoeliger of minder gevoelig voor prikkeling.
Actiepotentiaal
Actiepotentiaal plotselinge kortdurende depolarisatie of omkering van de membraanpotentiaal in
reactie op een prikkel. Dit is eerst lokaal, maar wordt aan de omliggende membranen doorgegeven.
Actiepotentialen ontstaan in zenuw-, spier- en kliercellen. Wanneer een vezel elektrisch geprikkeld
wordt, depolariseert het membraan. Hierdoor openen spanningsafhankelijke Na-kanalen. De
instroom van natrium veroorzaakt een snelle verdere depolarisatie, waarbij de membraanpotentiaal
zich in de richting van de Na-evenwichtspotentiaal beweegt. Deze waarde wordt niet gehaald
doordat;
- De tijdsafhankelijke Na-kanalen vanzelf sluiten waardoor de depolarisatie niet verder gaat.
De kanalen kunnen pas opnieuw worden geopend als de rustpotentiaal is hersteld (na
refractiare periode)
- De spanningsafhankelijke K-kanalen openen trager en veroorzaken een versterkte uitstroom,
waardoor de membraan snel polariseert. Zijn niet tijdsafhankelijk dus blijven open totdat
rustmembraanpotentiaal weer is bereikt.
Als de toegevoerde energie niet toereikend is, dan is de prikkel onderdrempelig en gebeurt er niks.
De dan opgeroepen Na-instroom kan gecompenseerd worden door een versterkte K-uitstroom. Als
Rustpotentiaal
Door eiwitcomplexen die door de lipidenlagen van het membraan steken is het mogelijk dat
hydrofiele deeltjes door het membraan kunnen. Transport door deze kanalen is veelal passief en
specifiek. Deze specificiteit hangt af van o.a. de grootte en de lading van het ion. De vorm van een
kanaal is niet statisch. Door chemische invloeden, veranderingen van het elektrisch potentiaalverschil
over de membraan, osmotische effecten, temperatuurverandering of rek op een kanaal kan het
kanaal meer of minder verwijden, waardoor de toegankelijkheid toe- of afneemt. De permeabiliteit
van passieve kanalen kan niet veranderen, die van actieve kanalen wel. Een stroom door een passief
kanaal is ook wel een lekstroom, omdat het kanaal zelf er niks aan kan veranderen (voornamelijk K
en in mindere mate Na). Deze kanalen kunnen in twee groepen verdeeld worden;
- Spanningsafhankelijk; (elektrisch gestuurd) als potentiaalverschil over de membraan
verandert, verandert ook de vorm van het molecuul
- Ligand gestuurd; (receptor, chemisch gestuurd) meestal werking van een transmitter, het
effect komt tot stand via een afzonderlijk receptormolecuul op het kanaal
Doordat de meeste ionenkanalen selectief permeabel zijn voor 1 (soms 2) soorten ionen, kan alleen
een negatieve of alleen positieve ionen de membraan passeren door de concentratiegradiënt.
Hierdoor ontstaat er een membraanpotentiaal. Deze ladingsgradiënt vormt een tegenkracht tegen
het concentratieverschil. Uiteindelijk zal er een netto diffusie zijn (evenveel naar binnen als naar
buiten), de evenwichtspotentiaal. Voor het optreden van een evenwichtspotentiaal hoeven er maar
weinig K-ionen naar buiten, het concentratie verschil verandert hierdoor niet meetbaar. Wanneer
een ion de membraan niet kan passeren draagt hij ook niet bij aan het membraanpotentiaal. Er zijn
meerdere situaties mogelijk;
- De concentratieverschillen en permeabiliteit zijn voor beide ionen gelijk; er komt dus
evenveel positieve lading de cel in als dat er uit gaat, zodat er geen potentiaalverschil
optreedt. De ionenstroom zal doorgaan totdat het concentratieverschil is opgeheven.
- De concentratieverschillen voor beide ionen zijn gelijk, maar de permeabiliteit voor kalium is
groter dan voor natrium; de kalium uitstroom zal groter zijn dan de natrium instroom. Het
inwendige van de cel wordt hierdoor negatief geladen t.o.v. de buitenkant. Het
potentiaalverschil werkt de uitstroom van kalium tegen en versterkt de instroom van
natrium. Ten slotte wordt er een potentiaalverschil bereikt dat het permeabiliteitsverschil
compenseert, zodat beide stromen gelijk zijn. Er is nog steeds een netto transport van ionen
dus spreken we van een rustmembraanpotentiaal.
- De concentratieverschillen zijn gelijk, maar de permeabiliteit voor natrium is groter dan voor
kalium; er is een netto positieve lading de cel in, zodat het inwendige van de cel positief
geladen wordt t.o.v. de buitenkant. Ook nu wordt er een rustmembraanpotentiaal bereikt.
Niet-prikkelbare cellen lijken het meest op situatie 2. Voor het handhaven van de concentraties van
kleine anionen is de membraanpotentiaal de drijvende kracht.
Door de activiteit van de Na/K-pomp wordt er een concentratiegradiënt voor deze ionen over de
membraan gehandhaafd. Natrium (+40) en calcium(+100) de cel in, kalium(-90mV) de cel uit. Als de
membraanpotentiaal een van de waarden aanneemt, wordt de netto stroom van het desbetreffende
ion 0. Hoe groter het verschil tussen de membraanpotentiaal en de evenwichtspotentiaal is, des te
sterker is de ionenstroom. Het effect van een ionenstroom op de membraanpotentiaal is altijd in de
richting van het evenwichtspotentiaal. Voor de permeabiliteit van het membraan geldt P K>PNa>PCa. De
rustpotentiaal ligt hierdoor het dichtst bij de evenwichtspotentiaal van kalium. Wanneer P Na
plotseling wordt verhoogd (door prikkeling) gaat er meer Na de cel in en gaat de
membraanpotentiaal richting +40mV (depolariseren). Als de stroom lang genoeg aan houdt kan de
cel zelfs ompolen. Een vermindering van de permeabiliteit heeft hetzelfde effect.
, Voor passief getransporteerde ionen geldt dat de concentratieverdeling over de membraan in
evenwicht is met de membraanpotentiaal en daar ook door wordt bepaald. Wanneer in de
rustsituatie de membraanpermeabiliteit voor deze ionen wordt verhoogd, veranderd de
membraanpotentiaal niet. Dus een verhoging van de membraanpermeabiliteit voor een ion dat
alleen passief wordt getransporteerd, stabiliseert de rustpotentiaal zodat die minder gemakkelijk
wordt veranderd.
Een kanaal is echter niet zo doorlaatbaar. Het kanaal gaat voortdurend open en dicht, waardoor er
korte stroomimpulsjes ontstaan. De stroom is voor ieder kanaal even groot, maar het
openingsmoment en -duur verschillen per soort kanaal. Als de doorgankelijkheid van een ion
toeneemt, neemt de stroom toe doordat meer kanalen open en dichtgaan en de frequentie en de
duur van de openingsperiodes stijgen. Hierdoor neemt de totale stroomsterkte door de membraan
toe.
In prikkelbare cellen kan als reactie op een startsignaal een snelle verandering van de rustpotentiaal
ontstaan. Dit kan een afname van het potentiaalverschil zijn, depolarisatie (minder negatief), of een
toename, hyperpolarisatie. Dit komt tot stand doordat ion kanalen meer of minder doorgankelijk
worden. Kanalen die in niet-geprikkelde toestand gesloten zijn hebben een poortmechanisme.
Hiervoor zijn twee verschillende ‘sleutels’ en kunnen hierdoor in twee groepen verdeeld worden;
- Ligandgevoelige kanalen; een ligand is een signaalstof, waarbij de stof zich aan een
receptoreiwit moet binden voor een effect. Dit effect kan ook uitblijven als de receptor
geblokkeerd wordt, dit gebeurd dan door een antagonist. De binding van een ligand aan de
receptor zorgt voor een verandering van de ruimtelijke structuur van het kanaaleiwit. Het
kanaal gaat hierdoor open of dicht wat uiteindelijk zorgt voor een verandering van de
membraanpotentiaal. Zolang de binding blijft bestaan, blijft ook de structuur van het kanaal.
De binding is echter van korte duur.
- Spanningsafhankelijke kanalen; de doorgankelijkheid is afhankelijk van de
membraanpotentiaal. Er bestaat een kritische potentiaal die overschreden moet worden om
het kanaal te activeren (openen). Het activeringspotentiaal ligt meestal bij een minder
negatieve potentiaal dan de rustpotentiaal en moet er eerst een depolarisatie zijn om het
kanaal te openen. Maar er zijn ook kanalen die door hyperpolarisatie openen. Kanalen
blijven geopend zolang de drempelwaarde is overschreden of inactiveren spontaan. Om het
kanaal weer activeerbaar te krijgen moet de oorspronkelijke potentiaal worden hersteld
(repolarisatie). Spanningsgevoelige kanalen ondergaan vaak ook invloeden van een of meer
liganden die zich aan het kanaaleiwit zelf binden. Dit heeft invloed op de drempelpotentiaal.
De cel wordt gevoeliger of minder gevoelig voor prikkeling.
Actiepotentiaal
Actiepotentiaal plotselinge kortdurende depolarisatie of omkering van de membraanpotentiaal in
reactie op een prikkel. Dit is eerst lokaal, maar wordt aan de omliggende membranen doorgegeven.
Actiepotentialen ontstaan in zenuw-, spier- en kliercellen. Wanneer een vezel elektrisch geprikkeld
wordt, depolariseert het membraan. Hierdoor openen spanningsafhankelijke Na-kanalen. De
instroom van natrium veroorzaakt een snelle verdere depolarisatie, waarbij de membraanpotentiaal
zich in de richting van de Na-evenwichtspotentiaal beweegt. Deze waarde wordt niet gehaald
doordat;
- De tijdsafhankelijke Na-kanalen vanzelf sluiten waardoor de depolarisatie niet verder gaat.
De kanalen kunnen pas opnieuw worden geopend als de rustpotentiaal is hersteld (na
refractiare periode)
- De spanningsafhankelijke K-kanalen openen trager en veroorzaken een versterkte uitstroom,
waardoor de membraan snel polariseert. Zijn niet tijdsafhankelijk dus blijven open totdat
rustmembraanpotentiaal weer is bereikt.
Als de toegevoerde energie niet toereikend is, dan is de prikkel onderdrempelig en gebeurt er niks.
De dan opgeroepen Na-instroom kan gecompenseerd worden door een versterkte K-uitstroom. Als
