H4: Membraanpotentiaal en actiepotentiaal
In dit hoofdstuk zullen we zien:
Hoe kunnen we verklaren dat bepaalde elektrische signalen worden voortgeleid. Hoe een axon, een
uitloper van een zenuwcel een signaal door kan geven van de ene kant naar de andere kant, om een
spier te doen samentrekken.
1. De cel als elektrisch circuit
1.1 De cel als elektrisch circuit
Elektrische signalen worden in onze neuronen
doorgegeven via axonen, en ontstaan door
veranderingen in ionenstromen en membraanpotentialen.
Op de figuur zie je schematisch een plasmamembraan met een ionenkanaal (hier K+ - kanaal). Zo een K+
kanaal kan 2 conformaties aannemen. Deze kan gesloten zijn en kan openstaan, wanneer deze
gesloten is, kan er niets doorheen en wanneer deze openstaat kan er ionenstroom doorheen, in dit
geval K+. en afhankelijk van membraanpotentiaal en de concentratiegradiënt gaat dat naar buiten of
naar binnen.
Je kan dit tekenen in een elektrisch circuit, B, zien we een plasmamembraan als condensator deze slaat
de ladingen op, + en – lading verschil in de batterij die je daar ziet. Ongelijke verdeling van lading. We
hebben altijd aan één kant een + lading en aan de andere kant een – lading. Deze zoeken elkaar op en
hechten aan elkaar doorheen het membraan
We weten dat er een bepaalde weerstand is doorheen zo een circuit en de weerstand is dus het gene
waar de stroom doorheen moet stromen. En dat kan je vergelijken met A, met een ionenkanaal.
Ionenkanaal is dus de weerstand.
De weerstand is enkel van toepassing als een ionenkanaal openstaat, als deze gesloten is kan er niets
doorheen en kan er geen stroom van ionen doorheen dat ionenkanaal.
wat vinden we terug in een elektrisch circuit?
Het elektrisch circuit stellen we voor als een batterij.
De elektrische spanning is (als we kijken naar membranen) het potentiaalverschil tussen 2 punten, dus
binnen tov buiten.
De elektrische stroom, I = algemene stroom doorheen het membraan, i = stroom doorheen 1 enkel
ionkanaal.
We weten dat wanneer er een potentiaal verschi is tussen 2 ruimtes, zal er + lading naar de regio met
– lading gaan. En de – lading gaat naar de regio met een positiever potentiaal. En die beweging van
lading, noemen we stroom. Dus stroom op 1 punt in een circuit wordt gedefinieerd als de netto
beweging van + lading voorbij dat punt. (stroom door ionentransport). Weerstand is dus een
ionenkanaal met een bepaalde weerstand. R = weerstand doorheen hele membraan, r = weerstand
van 1 enkel ionen kanaal gegeven in Ohm. Je kan ook weerstand uitrdukken en dat is de conductantie.
Iets wat slecht geleid heeft een grote weerstand, dus de conductantie kan je uitrekenen G = 1 / R.
Een ionen kanaal met een hoge conductantie geleid goed, laat veel ionen door, weinig weerstand.
V= elektrische spanning (Volt) (mVolt)
I (of i) = elektrische stroom (Ampere) (pico – ampere of nano-ampere)
R (of r) = weerstand (Ohm)
G (of 𝜸) = conductantie (Siemens) (pico of nano siemens)
, 1.2 Wet van Ohm
V=I*R
V= elektrische spanning (Volt)
I= elektrische stroom (Ampere)
R= weerstand (Ohm)
V=I/G
Elektrische spanning = elektrische stroom / conductantie
1.3 Eigenschappen van elektrische circuits
je ziet de weerstand en de schakelaar die openstaat, kan er niets door het circuit lopen (groen).
Wanneer deze gesloten is kan er een stroom doorheen het circuit gaan en dan meten we dus een
bepaalde stroom (rood) op de grafiek. De beweging van + lading wordt gemeten en de stroom = de
spanning / weerstand.
1.4 Elektrische stroom doorheen plasmamembraan
• Een ionenkanaal is een weerstand met een welbepaalde ionenselectiviteit.
Aangezien ionenkanalen selectief zijn, en niet
zomaar alle ionen doorlaten, zal de richting van de
beweging van de ionen ook afhangen van de
concentratie van de ionen.
Binnen en buiten de cel heb je een andere
concentratie van de ionen, je ziet K+ 140 mM
binnen de cel en 5 mM buiten de cel.
En dat concentratie gradiënt zit omvat in dat evenwichtspotentiaal (EK) (die formule). Dat EK zal dus
bepalen bij welke memrbaanpotentiaal die ionen naar binnen of naar buiten gaan.
, Dit is een heel belangrijke tabel!!!
a
Flux (J):
a Als we kijken naar positieve lading die de
cel inkomt. Dan is dat een inwaartse flux. b
Betekent dat de deeltjes de cel ingaan.
Ect. (vrij logisch, flux volgt de richting van c
de deeltjes)
d
Elektrische stroom (I):
b Wanneer we kijken naar de beweging van
+ geladen ionen, bv. Na+ dat de cel inkomt.
e
Dus een inwaartse flux van + lading wordt
gezien als een inwaartse stroom.
We drukken dat uit als I < 0, een stroom dat kleiner is dan 0.
Een inwaarste stroom van positieve ladingen zorgt ervoor dat de membraanpotentiaal positiever
wordt. Dit noemen we depolarisatie: het positiever worden van de membraanpotentiaal.
Wanneer positieve ionen de cel binnenstromen, neemt de hoeveelheid positieve lading aan de
binnenkant van het celmembraan toe. Hierdoor wordt de membraanpotentiaal positiever.
De stroom waar we hierover spreken is dus, de netto beweging van + lading, voorbij dat punt /
tijdseenheid. Dus bij stroom kijken we naar, in welke richting gaat de + lading.
Inwaarste flux van + ionen = inwaarste stroom
c
Omgekeerd, uitwaarste flux van + ionen = uitwaarste stroom.
De stroom is groter dan 0
Als + ionen de cel verlaten, blijft er meer – lading achter in de cel. Dus negatiever langs de binnenzijde
van het membraan tov de buitenzijde. En zal de membraanpotentiaal dus negatiever worden. De Vm
wordt negatiever en dat noemen we repolarisatie.
d Wanneer we kijken naar inwaartse flux van – ionen, bv. Cl- die de cel instromen, hebben we een + flux,
maar we spreken dan over een uitwaartse stroom. Want elektrische stroom is uitwaarts want voor de
cel is het naar binnenstromen van – lading = het naar buitenstromen van + lading, dus zogezegd =
. We ckijken naar de beweging van + lading en deze is dus uitwaarts, stroom groter dan 0.
Uitwaartse stroom geeft repolarisatie.
Er is inwaartse stroom van + lading, want – lading gaat naar buiten de cel, dus je hebt inwaartse
e
stroom. De stroom is kleiner dan 0, je hebt dus te maken met depolarisatie, je membraanpotentiaal
gaat positiever worden. Het is wel een uitwaarste flux, want daarbij volg je de richting van de deeltjes.
, 1.5 Drijvende kracht
• De drijvende kracht van een ion, zal bepalen in welke richting de stroom zal verlopen.
• De drijvende kracht voor een ion wordt bepaald door de concentratie-gradiënt (vervat in
evenwichtspotentiaal = EX) en door de spanning over de membraan (vervat in
membraanpotentiaal = Vm).
• Drijvende kracht voor ion X = Vm - EX
(Drijvende kracht: Het verschil tussen membraanpotentiaal en de
evenwichtspotentiaal voor een bepaald ion X, en dat zal gaan bepalen of er een
ionenstroom is en welke richting deze opgaat, de cel in of uit).
• De macroscopische stroom gemedieerd door ion X is dan: IX = GX * (Vm – EX)
(GX: membraanconductantie voor ion X)
Stel je kijkt naar K+ ionen dus IK, de totale membraanstroom van K+-ionen, dan kijk je
naar de hele membraan hoe K+ in of uit de cel gaat). Grote I
• De stroom gemedieerd door ion X doorheen een enkel open kanaaltjes is dan:
iX = 𝜸X * (Vm – EX)
(𝛾X: single-channelconductantie, dus de conductantie van 1 ionenkanaal)
Je kan dat ook op microscopisch niveau doen, op 1 ionen kanaal, wil je weten hoe K+
doorheen één ionen kanaal stroom dan kleine i.
• IX (iX) = 0 wanneer Vm = EX !
o Wanneer drijvende kracht voor ion X = 0 is, is er dus ook geen stroom, deze is ook 0.
Er gebeurt niets, geen influx of efflux van dat bepaald ion X.
Want membraanpotentiaal = evenwichtspotentiaal, dus er is evenwicht.
Geen evenwicht in concentratie binnen en buiten de cel, maar evenwicht in de kracht
van het concentratie-gradiënt en de kracht van het elektrisch gradiënt. Die ervoor
zorgt dat er geen influx of efflux is van het ion X, bij die membraanpotentiaal.
1.6 Elektrische stroom doorheen ionenkanalen
Hoe weten we hoe groot de stroom doorheen 1 kanaal is?
Wordt niet in detail uitgelegd, gewoon in grote lijnen zodat je snapt hoe dit in het labo gemeten kan
worden. Eens afbeelding met stroom-spannings diagram proberen snappen (deel 1, H4, 01:19:00).
Ik denk enkel de oefeningen hierover belangrijk niet de theorie. Wel grafiek kunnen tekenen.
In dit hoofdstuk zullen we zien:
Hoe kunnen we verklaren dat bepaalde elektrische signalen worden voortgeleid. Hoe een axon, een
uitloper van een zenuwcel een signaal door kan geven van de ene kant naar de andere kant, om een
spier te doen samentrekken.
1. De cel als elektrisch circuit
1.1 De cel als elektrisch circuit
Elektrische signalen worden in onze neuronen
doorgegeven via axonen, en ontstaan door
veranderingen in ionenstromen en membraanpotentialen.
Op de figuur zie je schematisch een plasmamembraan met een ionenkanaal (hier K+ - kanaal). Zo een K+
kanaal kan 2 conformaties aannemen. Deze kan gesloten zijn en kan openstaan, wanneer deze
gesloten is, kan er niets doorheen en wanneer deze openstaat kan er ionenstroom doorheen, in dit
geval K+. en afhankelijk van membraanpotentiaal en de concentratiegradiënt gaat dat naar buiten of
naar binnen.
Je kan dit tekenen in een elektrisch circuit, B, zien we een plasmamembraan als condensator deze slaat
de ladingen op, + en – lading verschil in de batterij die je daar ziet. Ongelijke verdeling van lading. We
hebben altijd aan één kant een + lading en aan de andere kant een – lading. Deze zoeken elkaar op en
hechten aan elkaar doorheen het membraan
We weten dat er een bepaalde weerstand is doorheen zo een circuit en de weerstand is dus het gene
waar de stroom doorheen moet stromen. En dat kan je vergelijken met A, met een ionenkanaal.
Ionenkanaal is dus de weerstand.
De weerstand is enkel van toepassing als een ionenkanaal openstaat, als deze gesloten is kan er niets
doorheen en kan er geen stroom van ionen doorheen dat ionenkanaal.
wat vinden we terug in een elektrisch circuit?
Het elektrisch circuit stellen we voor als een batterij.
De elektrische spanning is (als we kijken naar membranen) het potentiaalverschil tussen 2 punten, dus
binnen tov buiten.
De elektrische stroom, I = algemene stroom doorheen het membraan, i = stroom doorheen 1 enkel
ionkanaal.
We weten dat wanneer er een potentiaal verschi is tussen 2 ruimtes, zal er + lading naar de regio met
– lading gaan. En de – lading gaat naar de regio met een positiever potentiaal. En die beweging van
lading, noemen we stroom. Dus stroom op 1 punt in een circuit wordt gedefinieerd als de netto
beweging van + lading voorbij dat punt. (stroom door ionentransport). Weerstand is dus een
ionenkanaal met een bepaalde weerstand. R = weerstand doorheen hele membraan, r = weerstand
van 1 enkel ionen kanaal gegeven in Ohm. Je kan ook weerstand uitrdukken en dat is de conductantie.
Iets wat slecht geleid heeft een grote weerstand, dus de conductantie kan je uitrekenen G = 1 / R.
Een ionen kanaal met een hoge conductantie geleid goed, laat veel ionen door, weinig weerstand.
V= elektrische spanning (Volt) (mVolt)
I (of i) = elektrische stroom (Ampere) (pico – ampere of nano-ampere)
R (of r) = weerstand (Ohm)
G (of 𝜸) = conductantie (Siemens) (pico of nano siemens)
, 1.2 Wet van Ohm
V=I*R
V= elektrische spanning (Volt)
I= elektrische stroom (Ampere)
R= weerstand (Ohm)
V=I/G
Elektrische spanning = elektrische stroom / conductantie
1.3 Eigenschappen van elektrische circuits
je ziet de weerstand en de schakelaar die openstaat, kan er niets door het circuit lopen (groen).
Wanneer deze gesloten is kan er een stroom doorheen het circuit gaan en dan meten we dus een
bepaalde stroom (rood) op de grafiek. De beweging van + lading wordt gemeten en de stroom = de
spanning / weerstand.
1.4 Elektrische stroom doorheen plasmamembraan
• Een ionenkanaal is een weerstand met een welbepaalde ionenselectiviteit.
Aangezien ionenkanalen selectief zijn, en niet
zomaar alle ionen doorlaten, zal de richting van de
beweging van de ionen ook afhangen van de
concentratie van de ionen.
Binnen en buiten de cel heb je een andere
concentratie van de ionen, je ziet K+ 140 mM
binnen de cel en 5 mM buiten de cel.
En dat concentratie gradiënt zit omvat in dat evenwichtspotentiaal (EK) (die formule). Dat EK zal dus
bepalen bij welke memrbaanpotentiaal die ionen naar binnen of naar buiten gaan.
, Dit is een heel belangrijke tabel!!!
a
Flux (J):
a Als we kijken naar positieve lading die de
cel inkomt. Dan is dat een inwaartse flux. b
Betekent dat de deeltjes de cel ingaan.
Ect. (vrij logisch, flux volgt de richting van c
de deeltjes)
d
Elektrische stroom (I):
b Wanneer we kijken naar de beweging van
+ geladen ionen, bv. Na+ dat de cel inkomt.
e
Dus een inwaartse flux van + lading wordt
gezien als een inwaartse stroom.
We drukken dat uit als I < 0, een stroom dat kleiner is dan 0.
Een inwaarste stroom van positieve ladingen zorgt ervoor dat de membraanpotentiaal positiever
wordt. Dit noemen we depolarisatie: het positiever worden van de membraanpotentiaal.
Wanneer positieve ionen de cel binnenstromen, neemt de hoeveelheid positieve lading aan de
binnenkant van het celmembraan toe. Hierdoor wordt de membraanpotentiaal positiever.
De stroom waar we hierover spreken is dus, de netto beweging van + lading, voorbij dat punt /
tijdseenheid. Dus bij stroom kijken we naar, in welke richting gaat de + lading.
Inwaarste flux van + ionen = inwaarste stroom
c
Omgekeerd, uitwaarste flux van + ionen = uitwaarste stroom.
De stroom is groter dan 0
Als + ionen de cel verlaten, blijft er meer – lading achter in de cel. Dus negatiever langs de binnenzijde
van het membraan tov de buitenzijde. En zal de membraanpotentiaal dus negatiever worden. De Vm
wordt negatiever en dat noemen we repolarisatie.
d Wanneer we kijken naar inwaartse flux van – ionen, bv. Cl- die de cel instromen, hebben we een + flux,
maar we spreken dan over een uitwaartse stroom. Want elektrische stroom is uitwaarts want voor de
cel is het naar binnenstromen van – lading = het naar buitenstromen van + lading, dus zogezegd =
. We ckijken naar de beweging van + lading en deze is dus uitwaarts, stroom groter dan 0.
Uitwaartse stroom geeft repolarisatie.
Er is inwaartse stroom van + lading, want – lading gaat naar buiten de cel, dus je hebt inwaartse
e
stroom. De stroom is kleiner dan 0, je hebt dus te maken met depolarisatie, je membraanpotentiaal
gaat positiever worden. Het is wel een uitwaarste flux, want daarbij volg je de richting van de deeltjes.
, 1.5 Drijvende kracht
• De drijvende kracht van een ion, zal bepalen in welke richting de stroom zal verlopen.
• De drijvende kracht voor een ion wordt bepaald door de concentratie-gradiënt (vervat in
evenwichtspotentiaal = EX) en door de spanning over de membraan (vervat in
membraanpotentiaal = Vm).
• Drijvende kracht voor ion X = Vm - EX
(Drijvende kracht: Het verschil tussen membraanpotentiaal en de
evenwichtspotentiaal voor een bepaald ion X, en dat zal gaan bepalen of er een
ionenstroom is en welke richting deze opgaat, de cel in of uit).
• De macroscopische stroom gemedieerd door ion X is dan: IX = GX * (Vm – EX)
(GX: membraanconductantie voor ion X)
Stel je kijkt naar K+ ionen dus IK, de totale membraanstroom van K+-ionen, dan kijk je
naar de hele membraan hoe K+ in of uit de cel gaat). Grote I
• De stroom gemedieerd door ion X doorheen een enkel open kanaaltjes is dan:
iX = 𝜸X * (Vm – EX)
(𝛾X: single-channelconductantie, dus de conductantie van 1 ionenkanaal)
Je kan dat ook op microscopisch niveau doen, op 1 ionen kanaal, wil je weten hoe K+
doorheen één ionen kanaal stroom dan kleine i.
• IX (iX) = 0 wanneer Vm = EX !
o Wanneer drijvende kracht voor ion X = 0 is, is er dus ook geen stroom, deze is ook 0.
Er gebeurt niets, geen influx of efflux van dat bepaald ion X.
Want membraanpotentiaal = evenwichtspotentiaal, dus er is evenwicht.
Geen evenwicht in concentratie binnen en buiten de cel, maar evenwicht in de kracht
van het concentratie-gradiënt en de kracht van het elektrisch gradiënt. Die ervoor
zorgt dat er geen influx of efflux is van het ion X, bij die membraanpotentiaal.
1.6 Elektrische stroom doorheen ionenkanalen
Hoe weten we hoe groot de stroom doorheen 1 kanaal is?
Wordt niet in detail uitgelegd, gewoon in grote lijnen zodat je snapt hoe dit in het labo gemeten kan
worden. Eens afbeelding met stroom-spannings diagram proberen snappen (deel 1, H4, 01:19:00).
Ik denk enkel de oefeningen hierover belangrijk niet de theorie. Wel grafiek kunnen tekenen.
