Membran potansiyeli

Hücrenin karşılıklı çeperlerindeki iyon konsantrasyonlarındaki farklılıklar çeper potansiyeli denilen potansiyel farka sebep olur. Genellikle bu potansiyel +40 mV ile -70mV aralığında olur. Birçok iyon çeperler arası karşıdan karşıya geçmeye meyillidir. Örneğin potasyum (K+) içeride yüksek konsantrasyonda, dışarıda düşük konsantrasyonda bulunur. Sodyum(Na+) ve klorür (Cl−) iyonları da hücre dışı bölgelerde yüksek konsantrasyonda bulunurken, hücre içi bölgelerde düşük konsantrasyonlarda bulunur. Bu eğilim de potansiyel enerjinin çeper potansiyelini oluşturmasına sebep olur. Bu voltaj zar bir ya da daha fazla iyona karşı geçirgen olduğunda üretilir. Bu resimde gösteridiği gibi en basit hâliyle, membran potasyuma geçeçirgense bu pozitif yüklü iyonlar yoğunluk eğimini difüze ederek hücre dışına doğru yönlendirebilir. Yükler birbirinden ayrılır ve bu yük ayrılığı membran potansiyeline sebep olur. Bu esnada tüm sistem elektro-nötr olmalıdır. Dışarıdaki pozitif yükler ve içerideki negatif yükler membran üzerinde fiziksel bir çizgi oluşturup lipit katmanının ardından birbirlerini çeker. Bu yüzden membran potansiyeli fiziksel olarak hücre zarının yakın çevresinde oluşur. Membran voltajının temeli bu ayrılan yüklü paçacıklardır. Ayrıca bu diyagram membran potansiyelin sadece iyonik kısmını göstermektedir. Sodyum, klorür, kalsiyum gibi başka iyonların, güçlü yoğunluklara sahip olmalarına rağmen, potasyuma göre daha sınırlı geçirgenlikleri olduğu için membran potansiyelinde çok küçük rolleri vardır. Anahtar: Mavi beşgen -- sodyum iyonlarını; Mor kareler -- potasyum iyonlarını; Sarı daireler -- klorür iyonlarını; Turuncu dikdörtgenler -- membran anyonlarını gösterir. Oklu büyük mor yapı ise zarlar arası potasyum kanallarını ve net potasyum akışının yönünü göstermektedir.
Çeper potansiyeli (zar voltajı olarak da bilinir) biyolojik hücrenin içi ve dışı arasındaki elektrik potansiyel farkıdır. Dış kısım için bu potansiyel değeri genellikle -40 mV ile -80 mV arasındadır.
Bütün hayvan hücreleri içinde protein bulunduran çift katlı lipit katmanının oluşturduğu hücre zarıyla sarılıdır ve bu zar iyon hareketlerine karşı yalıtkan bir difüzyon bariyeri görevi görür. İyon taşıyıcı proteinler iyonları aktif olarak hücre duvarının içine iter ve duvar boyunca bir yoğunluk meyiline sebep olur. İyon kanalları iyonların bu meyil doğrultusunda  duvar boyunca ilerlemesine izin yardımcı olur. İyon kanalları ve taşıyıcıları elektriksel olarak pil ve direnç takımına eşdeğerdir. Bu yüzden duvarın iki tarafında potansiyel fark oluşur.
Neredeyse hiçbir hücrenin (hayvan, bitki ve mantar hücreleri de dâhil) zar potansiyeli sıfır değildir. Genellikle hücrenin iç tarafı dış tarafa göre negatiftir ve -40 mV ile -80 mV arasında değişen bir voltaja sahiptir. Zar voltajının iki temel fonksiyonu vardır. Birincisi, hücre duvarının içindeki moleküler araçlara güç vererek hücrenin pil işlevi görmesini sağlar. İkincisi, nöronlar ve kas hücreleri gibi elektriksel olarak uyarılabilen hücrelerde, hücrenin farklı parçaları arasındaki iletim sinyalleri olarak kullanılır. Bu sinyaller iyon kanallarının açılması ya da kapanmasıyla oluşan potansiyel değişiklik sayesinde üretilir. Elektrik alandaki bu değişiklik uzaktaki iyon kanallarını bile etkileyebilir ve onların da açılıp kapanarak sinyal üretmesine sebep olabilir.
Uyarılamayan hücrelerde ve uyarılabilen hücrelerin temel durumlarında, zar potansiyeli neredeyse sabittir ve bu duruma dingin potansiyel denir. Nöronların dingin potansiyeli genellikle -70, -80 milivolt aralığındadır ve iç tarafındaki negatif temel voltajı o voltajın onda birinden daha azdır. İyon kanallarının açılıp kapanması, dingin potansiyel durumundan çıkılmasına sebep olabilir. Eğer iç taraftaki potansiyel arttıysa (örneğin -70 mV, -60 mV arası) buna depolarizasyon (kutupsuzlaşma), eğer azaldıysa (örneğin -70 mV, -80 mV arası) buna hiperpolarizasyon denir. Uyarılabilen hücrelerde, çok büyük depolarizasyonlar kutupların ters dönmesine sebep olan, zar potansiyelini çok hızlı ve art arda değiştirebilen (milisaniyenin yüzde biri gibi) aksiyon potansiyeline sebep olabilir. Aksiyon potansiyeli voltaja duyarlı iyon kanallarının aktifleşmesiyle üretilir.
Nöronlarda zar potansiyeline etki eden faktörler değişkendir. Oldukça fazla sayıda iyon kanalı bulundururlar ve bunlardan bazıları kimyasala, bazıları voltaja duyarlıdır. Voltaja duyarlı iyon kanalları membran potansiyeli tarafından kontrol edildiği için, membran potansiyelinin kendisi de bu kanallardan etkilendiğinde, geri besleme döngüsü aksiyon potansiyeli gibi titreşen  ve yeniden üretilebilir kompleks temporal dinamiklerin artışına sebep olur.