Nyugalmi potenciál (sejtek): definíció, okok és ionok szerepe
Nyugalmi potenciál (sejtek): mi az, mi okozza, és hogyan befolyásolják az ionok és membrántranszporterek — világos, gyakorlati magyarázat és példák.
A sejt nyugalmi potenciálja az a membránpotenciál, amely akkor maradna fenn, ha nem lennének akciós potenciálok, szinaptikus potenciálok vagy más aktív változások a membránpotenciálban. A legtöbb sejtben a nyugalmi potenciál negatív értékű, ami a konvenció szerint azt jelenti, hogy a külsőhöz képest a sejt belsejében többlet negatív töltés van. A nyugalmi potenciált leginkább a sejtmembrán két oldalán lévő folyadékokban lévő ionkoncentrációk és a sejtmembránban lévő iontranszportfehérjék határozzák meg. Az alábbiakban ismertetjük, hogy az ionok koncentrációja és a membrán transzportfehérjék hogyan befolyásolják a nyugalmi potenciál értékét.
Mi határozza meg a nyugalmi potenciált?
A nyugalmi potenciál több tényező együttes eredménye, köztük:
- Ionkoncentrációk a sejt belseje és külseje között (különösen K+, Na+, Cl- és Ca2+).
- Membránpermeabilitás az egyes ionokra: azok az ionok, amelyek számára a membrán alapból átjárhatóbb (például K+ sok sejtnél), nagyobb mértékben befolyásolják a potenciált.
- Ioncsatornák és szivárgó (leak) csatornák, amelyek passzívan engedik át az ionokat.
- Aktív transzporterek, például a Na+/K+-ATPáz, amelyek fenntartják a koncentrációgrádienseket (és közvetetten a potenciált).
Az ionok szerepe és az egyensúlyi potenciál
Minden ionra kiszámítható egy elméleti egyensúlyi potenciál (Nernst-potential), amely azt az elektromos feszültséget adja meg, amely a kémiai koncentrációkülönbséget kiegyenlítené. Egyszerűsítve a Nernst-egyenlet 37 °C körül:
Eion ≈ (61,5 / z) · log10([ion]out / [ion]in) mV, ahol z az ion töltése.
Példák:
- K+ (kálium): sok sejtben a belső koncentráció magas, ezért K+ egyensúlyi potenciálja általában erősen negatív (pl. -80 — -90 mV izom- és egyes sejttípusokban). Mivel a nyugalmi membránpermeabilitás gyakran leginkább K+-ra jellemző, a nyugalmi potenciál közel áll K+ egyensúlyi potenciáljához.
- Na+ (nátrium): a külső koncentráció nagy; Na+ egyensúlyi potenciálja pozitív (pl. +50 — +70 mV). Ha nő a Na+-permeabilitás, a membrán depolarizálódik (pozitívabb lesz).
- Cl- (klorid): Cl- szerepe függ attól, hogy a klorid egyensúlyi potenciálja hol van a nyugalmi potenciálhoz képest; például fejlődő neuronokban a Cl- eloszlás miatt a GABA serkentő hatású lehet.
- Ca2+ (kalcium): belső koncentrációja nagyon alacsony; bár egyensúlyi potenciálja nagyon pozitív, nyugalmi állapotban a membrán Ca2+-permeabilitása általában kicsi, így kisebb közvetlen szerepe van a nyugalmi potenciál alakításában, de fontos jelátvivőként működik.
Goldman–Hodgkin–Katz (GHK) egyenlet
A nyugalmi potenciál tényleges értéke egyszerre több ion koncentrációjától és permeabilitásától függ; ezt írja le a Goldman–Hodgkin–Katz feszültségegyenlet. Röviden: az ionok egyensúlyi potenciáljainak és permeabilitásának súlyozott átlagaként tekinthető a membránpotenciál. Ez magyarázza, miért tartja magát a potenciál a K+-hoz közel, ha K^+-permeabilitás a legnagyobb, de eltolódhat Na^+ vagy Cl^- változások irányába, ha azok permeabilitása megnő.
Na+/K+-pumpa és az elektrogén hatás
A Na+/K+-ATPáz aktívan szállít ki 3 Na+-t és visz be 2 K+-t sejtbe, ami egyrészt fenntartja a koncentrációgrádienseket, másrészt kis mértékben elektrogén (közvetlenül néhány millivolttal hozzájárul a negatív potenciálhoz). A pumpa nélkül a gradiens idővel elsimulna, és a sejt depolarizálódna.
Hogyan változtatható meg a nyugalmi potenciál?
- Ha megnő a K+-permeabilitás (pl. több K+-szivárgás), a sejt hyperpolarizálódik (negatívabb lesz).
- Ha megnő a Na+-permeabilitás vagy csökken a K+-gradiens, a sejt depolarizálódik (pozitívabb lesz), ami közelebb viheti a sejtet a küszöbértékhez és akciós potenciál kiváltásához.
- Külső K+-szint emelkedése (hiperkalémia) depolarizálja a sejteket; külső K+ csökkenése (hipokalémia) hyperpolarizálhat.
Élettani jelentőség és kórélettan
A nyugalmi potenciál alapvető a idegi ingerületvezetéshez, izomkontrakcióhoz és általában a sejtek elektrofiziológiai működéséhez. Elmeszületett vagy szerzett eltérések (pl. ioncsatorna-mutációk, ion-egyensúly zavara, ischaemia) excitabilitásbeli rendellenességekhez, görcsökhöz, szívritmuszavarokhoz vagy más működési zavarokhoz vezethetnek.
Mérése és jellemző értékek
A nyugalmi potenciált éles mikroelektródákkal vagy patch-clamp technikával mérik. Tipikus értékek:
- Neurális sejtek: kb. -60 … -75 mV (sejttípustól függően)
- Vázizom- és szívizomsejtek: gyakran még negatívabb, pl. -80 … -90 mV
Összefoglalás
A nyugalmi potenciál a sejtmembrán két oldalán lévő ionok koncentrációjának és a membrán ionpermeabilitásának dinamikus egyensúlya. Különösen a K+-gradiens és a K+-permeabilitás határozza meg erősen a legtöbb sejtben tapasztalt negatív nyugalmi potenciált, de a Na+, Cl- és aktív transzporterek (például Na+/K+-ATPáz) is nélkülözhetetlenek a potenciál fenntartásában és szabályozásában.
Keres