Membránový potenciál (též transmembránový potenciál nebo transmembránový potenciální rozdíl nebo transmembránový potenciální gradient) je rozdíl elektrického potenciálu (napětí) v plazmatické membráně buňky. V membránové biofyzice se někdy používá zaměnitelně s buněčným potenciálem, ale je použitelný pro jakoukoli lipidovou dvouvrstvu nebo membránu. Proto každá organela a každý membránový kompartment (například syntetický váček) má transmembránový potenciál (i když velikost tohoto potenciálu může být nulová).
Ve fyzikální terminologii je to napěťový „pokles“ neboli rozdíl v potenciálu mezi jednou stranou dvouvrstvy a její bezprostředně opačnou stranou. Vlastnost nemusí být jednotná v celé buňce nebo prostoru, ale za určitých podmínek se může lišit mezi jednotlivými místy membrány. Lokalizovaná změna potenciálu nastává u synapse nervové buňky, například při otevření iontových kanálů neurotransmitery. Podobně během akčního potenciálu se velikost membránového potenciálu bude měnit v čase a prostoru podél nervového vlákna. Akční potenciály jsou složité časové a prostorové vzorce změny membránového potenciálu. Akční potenciály jsou přechodné výkyvy membránového potenciálu charakterizované iniciací změn membránového potenciálu, které nastartují transmembránový tok nabitých rozpuštěných látek přes napěťově řízené iontové kanály, což následně vede ke změnám membránového potenciálu, které nakonec navrátí membránový potenciál na hodnotu, kterou měl na začátku výkyvu.
Neurální buňky vypálí akční potenciál, když membránový potenciál překročí prahovou hodnotu, což spustí otevření napěťově řízených iontových kanálů. Vytvoření membránového potenciálu uměle umožňuje indukovat i takové vypalování.
Jónský základ klidového potenciálu
V jeho jádru je původem každého klidového membránového potenciálu nějaký druh iontového výměníku nebo transportéru. Jakékoli napětí – včetně membránového potenciálu – je oddělením nábojů přes odporovou bariéru. Typický membránový potenciál buňky vzniká oddělením draselných iontů od intracelulárních nepohyblivých aniontů přes membránu buňky. Aby k tomuto oddělení došlo, musí být nejprve nastaven koncentrační gradient draselných iontů. Zatímco většina popisů geneze membránového potenciálu začíná již existujícími koncentračními gradienty, jako mávnutím kouzelného proutku (zachování energie k čertu!), tyto gradienty musí být vytvořeny vložením energie do systému. Tuto práci vykonávají iontové pumpy/transportéry a/nebo výměníky a obecně je poháněna ATP. V případě standardního membránového potenciálu přes plazmatickou membránu buňky jsou gradienty draslíku (a sodíku) stanoveny NaKATPázou (výměníkem sodno-draslíku). V jiných případech může být například membránový potenciál stanoven okyselením vnitřku membránového prostoru (například protonové pumpy, která vytváří membránový potenciál přes synaptické vezikulární membrány).
Ve své nejjednodušší terminologii lze vysledovat původ energie membránového potenciálu (napětí je koneckonců potenciální energie), tedy:
Sluneční energie → přeměněná rostlinami na cukr → přeměněná glykolýzou na ATP → přeměněná na koncentrační gradient NaKATPázou (sodno-draselná pumpa) → přeměněná na napětí pasivním přenosem K+ přes selektivně propustnou buněčnou membránu.
Vytvoření klidového potenciálu
Buněčné membrány jsou typicky propustné pouze pro podskupinu iontových druhů. Mezi tyto druhy obvykle patří draselné ionty, chloridové ionty, hydrogenuhličitanové ionty a další. Pro zjednodušení popisu iontové báze klidového membránového potenciálu je nejužitečnější uvažovat zpočátku pouze o jednom iontovém druhu a o ostatních uvažovat později. Vzhledem k tomu, že trans-plazmatické membránové potenciály jsou téměř vždy určovány především propustností draslíku, je třeba začít právě tam.
Diagram znázorňující progresi vývoje membránového potenciálu z koncentračního gradientu (u draslíku). Zelené šipky značí čistý pohyb K+ po koncentračním gradientu. Červené šipky značí čistý pohyb K+ díky membránovému potenciálu. Diagram je zavádějící v tom, že zatímco koncentrace draselných iontů mimo buňku se zvyšuje, jen malé množství K+ potřebuje projít membránou, aby se vytvořil membránový potenciál s velikostí dostatečně velkou, aby se zabránilo tendenci draselných iontů pohybovat se po koncentračním gradientu.
Počet iontů zapojených do vytváření klidového potenciálu
Možná jste si všimli, že ve výše uvedeném diagramu, zatímco červená šipka (s délkou úměrnou napětí) rostla, zelená šipka (s délkou úměrnou koncentračnímu gradientu) se výrazně neměnila. Jak je to možné? Pokud K+ opouští buňku, nebude to poškozovat buňku intracelulárního K+, čímž se sníží koncentrační gradient? Odpověď na druhou otázku je „nic moc“, koncentrační gradient se příliš nerozptyluje. Jak je to tedy možné? Pro odpověď na tuto otázku je třeba pochopit, že počet draselných iontů, které musí membránou procházet, je ve skutečnosti poměrně malý. Je to proto, že membránový potenciál se vyskytuje pouze těsně vedle membrány. Membránový potenciál je uložen v membránové kapacitanci, která fyzicky představuje pouze náboje v přímém kontaktu s povrchy membrány. Napětí přes kondenzátor je membránový potenciál (viz akční potenciál pro příklad membránového RC obvodu). Když to víme, stačí vypočítat, kolik proudu musí protéct k vybití membránové kapacity, aby se vypočítal počet nábojů, které musí protéct přes membránu, aby se napětí kondenzátoru (membránový potenciál) změnilo řekněme o 100 mV.
Kapacitní proud, který proudí do kondenzátoru nebo z kondenzátoru za účelem změny membránového potenciálu amplitudy dV, je dán rovnicí:
Ic = C dV/dt (kapacitní proud = kapacita krát změna napětí v čase).
Pro výpočet zadní strany obálky si stanovme okamžitou změnu napětí 100 mV (tj. dt=0; tím se zbavíme časové proměnné a rovnici zjednodušíme na:
Rovnovážný potenciál je membránové napětí, při kterém je konkrétní iont v rovnováze. Rovnovážný potenciál (také nazývaný reverzní potenciál nebo Nernstův potenciál) je membránové napětí, při kterém napěťová síla přesně vyrovnává koncentrační gradientovou sílu (viz výše), tedy napětí, při kterém jsou vnitřní a vnější toky iontu vyrovnány (čistý proud = nula), nebo v rovnováze. Rovnovážný potenciál konkrétního iontu je označován notací Eion. V předchozí části byl popsán rovnovážný potenciál specificky pro draselné ionty, ale každý permeantní iont bude mít rovnovážný potenciál, který je určen koncentračním gradientem pro tento iont napříč membránou. Pro draslík je EK typicky kolem −80 mV. Pro sodík je ENa typicky kolem +60 mV. Všimněte si, že znaménka ENa a EK jsou opačná. Je to proto, že koncentrační gradient pro draslík je směrován ven z buňky, zatímco koncentrační gradient pro sodík je směrován do buňky.
Je důležité porozumět rovnovážným potenciálům, abychom pochopili, proč je membránový potenciál tam, kde je, za všech okolností.
Resting potential revisited
Klidový potenciál buňky může být co nejdůkladněji pochopen z hlediska rovnovážných potenciálů. V příkladovém diagramu výše byl modelové buňce dán pouze jeden permantový iont (draslík). V tomto případě by klidový potenciál této buňky byl stejný jako rovnovážný potenciál draslíku.
Skutečná buňka je však složitější, má propustnost pro mnoho iontů. Každý z těchto permeantních iontů bude přispívat něčím k klidovému potenciálu. Pro lepší pochopení uvažujme buňku, která má pouze dva permeantní ionty, draslík a sodík. Uvažujme případ, kdy tyto dva ionty mají stejný koncentrační gradient směrovaný opačným směrem (ve skutečnosti blízký skutečnému případu). Dále uvažujme, že membránová propustnost pro oba ionty je stejná. K+ opouštějící buňku bude mít tendenci táhnout membránový potenciál směrem k EK. Na+ vstupující do buňky bude mít tendenci táhnout membránový potenciál směrem k ENa. Vzhledem k podmínce, že propustnost pro oba ionty je stejná, membránový potenciál skončí na konci přetahované Na/K na půli cesty mezi ENa a EK. ENa bývá kolem +60 mV, zatímco EK bývá kolem −80 mV. Takže oba rovnovážné potenciály jsou od sebe vzdáleny 140 mV. Na půli cesty mezi nimi tedy bude ENa: 70 mV od jednoho nebo −10 mV. Membrána za stanovených podmínek bude odpočívat na −10 mV. Všimněte si, že i když je membránový potenciál na −10 mV stabilní, není to rovnovážná podmínka, protože ani jeden z přispívajících iontů není v rovnováze. Tento membránový potenciál je podporován kontinuálním K efluxem a Na přítokem.
Blíže skutečnému případu reálného klidového potenciálu je to, že propustnost Na se nerovná propustnosti K, ale spíše je okolo 5% propustnosti K. Membránový potenciál tedy nebude přímo v EK, ale spíše depolarizován z EK množstvím přibližně 5% ze 140 mV rozdílu mezi EK a ENa. Tedy klidový potenciál buňky bude okolo −73 mV (opět ne v rovnováze, ale stabilní).
Všechny ostatní hodnoty membránového potenciálu
Z hlediska biofyziky není na klidovém membránovém potenciálu nic zvláštního. Je to pouze membránový potenciál, který vyplývá z membránových propustností, které převládají, když buňka odpočívá. V každém daném okamžiku existují dva faktory pro iont, které určují, jak velký vliv bude mít tento iont na membránový potenciál buňky.
Intuitivně je to snadno pochopitelné. Je-li hnací síla vysoká, pak je iont „tlačen“ přes membránu silně (přesněji řečeno: difúzuje jedním směrem rychleji než druhým). Je-li propustnost vysoká, bude pro iont snazší difúzovat přes membránu. Ale co jsou „hnací síla“ a „propustnost“?
Takže v klidové membráně je sice hnací síla draslíku nízká, ale jeho propustnost je velmi vysoká. Sodík má obrovskou hnací sílu, ale téměř žádnou klidovou propustnost.
Uvažujme však jiný případ – vrchol akčního potenciálu. Zde je propustnost pro Na vysoká a propustnost pro K relativně nízká. Membrána se tak pohybuje do blízkosti ENa a daleko od EK.
Čím více iontů je permeantních, tím složitější je předpovídat membránový potenciál. To však lze provést pomocí Goldmanovy-Hodgkinovy-Katzovy rovnice. Prostým zapojením koncentračních gradientů a propustnosti iontů v kterémkoli okamžiku v čase lze určit membránový potenciál v daném okamžiku. GHK rovnice v podstatě říká, že v kterémkoli okamžiku bude hodnota membránového potenciálu váženým průměrem rovnovážných potenciálů všech permeantních iontů. „Vážení“ je relativní propustnost iontů napříč membránou.
Je toho opravdu velmi málo, co člověk potřebuje vědět, aby pochopil membránový potenciál buňky za jakýchkoli podmínek.
Zatímco buňky vydávají energii na transport iontů a vytvářejí transmembránový potenciál, využívají tento potenciál na oplátku na transport dalších iontů a metabolitů, jako je cukr. Transembránový potenciál mitochondrií pohání produkci ATP, což je společná měna biologické energie.
Buňky mohou čerpat energii, kterou uchovávají v klidovém potenciálu, aby poháněly akční potenciály nebo jiné formy excitace. Tyto změny membránového potenciálu umožňují komunikaci s ostatními buňkami (jako s akčními potenciály) nebo iniciují změny uvnitř buňky, což se děje ve vajíčku, když je oplodněno spermií.
V neuronálních buňkách začíná akční potenciál přívalem sodíkových iontů do buňky sodíkovými kanály, což vede k depolarizaci, zatímco zotavení zahrnuje příval draslíku ven draslíkovými kanály. Oba tyto toky vznikají pasivní difuzí.