Het rustmembraanpotentiaal

Overzicht

Het relatieve verschil in elektrische lading, of spanning, tussen de binnenkant en de buitenkant van een celmembraan, wordt de membraanpotentiaal genoemd. Het wordt gegenereerd door verschillen in permeabiliteit van het membraan voor verschillende ionen en de ionenconcentraties aan beide kanten van het membraan.

De binnenkant van een neuron is negatiever

Het membraanpotentiaal van een cel kan worden gemeten door een micro-elektrode in een cel te plaatsen en de lading te vergelijken met een referentie-elektrode in de extracellulaire vloeistof. Het membraanpotentiaal van een neuron in rust – dat wil zeggen, een neuron dat momenteel geen informatie ontvangt of verzendt – is negatief, meestal rond de -70 millivolt (mV). Dit wordt het rustmembraanpotentiaal genoemd. De negatieve waarde geeft aan dat de binnenkant van het membraan relatief negatiever is dan de buitenkant – het is gepolariseerd. Het rustpotentiaal is het resultaat van twee belangrijke factoren: selectieve permeabiliteit van het membraan en verschillen tussen de ionconcentraties in de cel en daarbuiten.

Membraanpermeabiliteit

Celmembranen zijn selectief doorlaatbaar omdat de meeste ionen en moleculen niet zonder hulp de lipidedubbellaag kunnen passeren. Daarom zijn er vaak ionkanaaleiwitten die het membraan overspannen. Dit komt omdat de geladen ionen niet kunnen diffunderen door het ongeladen hydrofobe binnenste van membranen. De meest voorkomende intra- en extracellulaire ionen die in het zenuwweefsel worden aangetroffen, zijn kalium (K ⁺ ), natrium (Na ⁺ ), chloride (Cl ^– ) en calcium (Ca ²⁺ ). Wanneer een neuron in rust is, zijn kaliumkanalen (K ⁺ ) open, waardoor K ⁺ door het membraan kan migreren. Deze permeabiliteit, en de hoge intracellulaire concentratie van K ⁺, zorgen ervoor dat de rustmembraanpotentiaal van het neuron voornamelijk wordt bepaald door de beweging van K ⁺ .

Pompen creëren concentratiegradiënten

Verschillen in ionenconcentratie tussen de binnen- en buitenkant van neuronen zijn voornamelijk te wijten aan de activiteit van de natrium-kaliumpomp (Na ⁺ / K ⁺ ) – een transmembraaneiwit dat continu drie Na ⁺ -ionen uit de cel pompt voor elke twee K ⁺ -ionen die erin worden gepompt. Hierdoor ontstaat een concentratiegradiënt: er is een hogere concentratie van Na ⁺ -ionen buiten de neuron en een hogere concentratie van K ⁺ -ionen binnenin.

Omdat het membraan in rust voornamelijk permeabel is voor K ⁺ – K ⁺ kanalen zijn open – kan K ⁺ met zijn concentratiegradiënt naar buiten diffunderen waar een lagere concentratie van K ⁺ is. Doordat positieve ladingen de cel verlaten en er veel negatief geladen eiwitten in de cel zitten, wordt de binnenkant van de cel relatief negatiever.

Uiteindelijk wordt de diffusie naar buiten van K ⁺ gecompenseerd door de elektrostatische afstoting van positieve ladingen buiten de cel, waardoor een elektrochemisch evenwicht ontstaat. Het netto-effect is het waargenomen negatieve rustpotentiaal. Het rustpotentiaal is erg belangrijk in het zenuwstelsel omdat veranderingen in membraanpotentiaal – zoals het actiepotentiaal – de basis vormen voor neurale signalering.

Pas op voor de kogelvis

De kogelvis wordt niet vaak aangetroffen op veel vismenu's buiten Japan, omdat ze een krachtig neurotoxine bevatten. Tetrodotoxine (TTX) is een zeer selectieve spanningsafhankelijke natriumkanaalblokker die in minimale doses dodelijk is. De letale-dosismediaan (LD50) voor muizen is 334 μg / kg, vergeleken met 8,5 mg / kg voor kaliumcyanide. Het dient ook als een essentieel instrument in neurowetenschappelijk onderzoek. Het toxine blokkeert de stroom Na ⁺ in de cel wanneer het Na ⁺-kanaal opengaat. Het verstoort daarom actiepotentialen – maar niet het rustmembraanpotentieel – en kan worden gebruikt om neuronale activiteit stil te leggen. Het werkingsmechanisme werd aangetoond door Toshio Narahashi en John W. Moore van Duke University, toen hij in 1964 aan de gigantische axon van kreeften werkte.