Membranpotensial

Membranpotensialet beskriver spenningsforskjellen mellom innsiden og utsiden av en celle. I utgangspunktet, i hviletilstand, er dette negativt. Membranpotensial måles i millivolt (mV). I eksiterbare celler kan membranpotensialet endres om cellen blir utsatt for en impuls. Endringen i membranpotensial kalles for et aksjonspotensial, og består først av en rask depolariserings-fase som etterfølges av en repolariserings-fase. Dette skaper elektromagnetiske feltbølger som setter igang en rekke biokjemiske reaksjoner. Disse har viktige fysiologiske funksjoner i nervesystemet, i hjernen og i hjertet.

Forekomst av ioner
Spenningsforskjellen over cellemembranen skyldes at ioner, som er elektrisk ladde partikler, er ulikt fordelt mellom cellevæsken og vevsvæsken utenfor. På grunn av tiltrekningskraften mellom de negativ og positive ladde partiklene, vil det oppstå et elektrisk felt over membranen. De ladde ionene blir liggende inntil veggen på hver sin side, og siden celleveggen er svært tynn (<10 nm) blir kraften på det elektriske feltet svært stor.

De vanligste ionene i og rundt en celle er kalium (K⁺), natrium (Na⁺), kalsium (Ca²⁺) og klor (Cl). Cellemembranen, som består av et dobbeltlag med fosfolipider, er det vi kaller semipermeabel (delvis gjennomtrengelig) og har ulik gjennomtrengelighetsgrad for de ulike typene av ioner.

En celle i hvile er mest gjennomtrengelig for K⁺ ioner. Siden det er høy konsentrasjon av K⁺ inne i cellen, vil det lekke (diffundere) flere av disse ut av cellen enn det lekker Na⁺ inn, noe som gjør at innsiden blir negativ ladet i forhold til utsiden. For å kompenserer for ionelekasjene har cellemembranen et bæreprotein kalt Na⁺-K⁺-pumpen som arbeider mot det elektriske feltet. Den transporter aktivt Na⁺ ut og K⁺ inn. Det krever energi, og skjer ved spalting av det energibærende molekylet ATP (Adenosintrifosfat). Siden likevektspotensialet for K⁺ er bare litt mer negativt en hvilepotensialet, mens Na⁺ er mye mer positivt,  er transporten av Na⁺ ut av cellen mye mer energidrivende en transport av K⁺ inn. Membranpotensialet kan beregnes ved bruk av Goldmans-ligning . Membranpotensialet styrer lukking og åpning av eksiterbare ionekanaler.

Ionepumper
Membranpotensialet, altså spenningsforskjellen, opprettholdes ved hjelp av tre mekanismer kalt ionepumper, eller ionetransportører:

Natrium/kalium-pumpen (Na+/K+-pumpen)
Lekkasjekanaler for kaliumioner (K+)
Negativt ladede proteiner inne i cellen

Na+/K+-pumpen drives av adenosintrifosfat (ATP). Den pumper 3 natriumioner (Na+) ut av cellen og 2 K+ inn i cellen for hvert ATP den bruker. Dette gjør at det oppstår en konsentrasjonsforskjell for Na+ og K+ mellom innsiden og utsiden av membranen.

Lekkasjekanaler i membranen gjør denne gjennomtrengelig (permeabel) for K+. (Disse kanalene kan også slippe igjennom Na+, men bare 1/75 ganger så mye som K+). De tillater at K+ får vandre med konsentrasjonsgradienten sin ut av cellen. Denne migrasjonen begrenses imidlertid av de negativt ladede proteinene inne i cellen:

Negativt ladede proteiner inne i cellen tiltrekker seg K+ (som er positivt ladet). Denne tiltrekningskraften er imidlertid ikke så kraftig som konsentrasjonsforskjellen, og det lekker dermed ut en del K+. Ved at disse lekker ut mot den elektriske gradienten, oppstår det en negativ ladning på innsiden av membranen – cellen er polarisert. Denne polariseringen er hos mennesket på ca. -70 mV.

Aksjonspotensialet

Aksjonspotensialet betegner en krakteristisk endring i membranpotensialet. Det består i opphevelsen av det negative membranpotensialet, som skaper elektromagnetiske feltbølger. Dets eksistens hviler hovedsakelig på to strukturer i cellemembranne, kaliumkanalene og natriumkanalene. Begge er spenningsstyrte og åpnes når membranpotensialet når en viss terskelverdi.

Natriumkanalene åpnes når membranpotensialet når en terskelverdi på ca. -55mV. Dette fører til en strøm av Na+ med konsentrasjonsgradienten inn i cellen, som dermed mister sin negative, indre ladning – cellen blir depolarisert.

Kaliumkanalene åpnes når det oppstår en positiv ladning på innsiden av cellen. De er imidlertid litt tregere, og det rekker å oppstå et positivt membranpotensial før K+ strømmer ut av cellen, med sin konsentrasjongradient, og skaper en negativ repolarisering.

Referanser 

Cellesignalisering
Nevrovitenskap
Elektrokjemi
Membranbiologi