Potencjał spoczynkowy, czyli co się dzieje w neuronie, gdy niby nic się nie dzieje

Dziś wracam do bardzo ważnej kategorii tematycznej, czyli do podstaw działania neuronów. O budowie pisałam kilka tygodni temu, więc zachęcam do zapoznania się z moimi podsumowaniami na temat budowy ciała neuronu, dendrytów, aksonu i na temat ogólnych informacji o neuronach. Jeśli chodzi z kolei nie o budowę, a o funkcjonowanie komórek nerwowych, to nie bez kozery pewien post nazwałam „Potencjał błonowy – bez niego nie zrozumiesz przewodzenia impulsów nerwowych„. Otóż taka jest prawda, że jeśli chcemy zrozumieć mechanizmy, jakie wydarzają się w błonie neuronów (m.in. potencjał spoczynkowy, czy takie, które prowadzą do przekazywania impulsów nerwowych), to musimy naprawdę zrozumieć, czym jest potencjał błonowy. Zachęcam do zapoznania się z całą treścią tamtego wpisu. Jeśli jednak z jakiegoś powodu nie możesz tego zrobić w tym momencie, to zapraszam na przypominające akapity.

Potencjał błonowy – przypomnienie

Neurony mają ważną cechę, którą jest pobudliwość. Oznacza to, że mają możliwość reagowania na bodźce, a dokładniej: mogą odbierać pobudzenie i przekazywać je dalej w formie swojego rodzaju prądu elektrycznego. Istnieją różne typy pobudzeń, ale najpopularniejszym przykładem jest pobudzenie, które może się rozprzestrzeniać. Nazywamy je impulsem nerwowym, a bardziej fachowo: potencjałem czynnościowym. Potencjał czynnościowy gwarantuje przekazywanie informacji pomiędzy neuronami i jest mega istotnym mechanizmem. Nie da się go jednak wytłumaczyć bez zrozumienia, czym w ogóle jest potencjał błonowy i co się dzieje w okolicy błony komórkowej neuronu, kiedy teoretycznie nic się nie dzieje.

Potencjał błonowy to po prostu różnica pomiędzy naładowaniem elektrycznym po obu stronach błony komórkowej, przy czym różnicę tę mierzymy po stronie wewnętrznej. Dodam, że zazwyczaj patrzymy na aksolemę, czyli błonę komórkową aksonu.

Potencjał spoczynkowy

Zacznę może od definicji – potencjał spoczynkowy (ang. resting potential) to taka wartość potencjału błonowego, przy której równoważą się siły działające na jony mogące przemieszczać się przez błonę. Siły, które mają wpływ na te jony to siły dyfuzji, siły elektrostatyczne oraz siły aktywnego transportu. No dobra, definicja jest niby dość prosta, ale nie jest łatwa. Rozbierzmy ją zatem na czynniki pierwsze w kontekście 3 typów jonów, które mogą przemieszczać się w poprzek aksolemy.

Jony, o których będziemy mówić to dodatnie jony potasowe, sodowe oraz ujemne jony chlorkowe. Dla tych trzech rodzajów jonów obecne są w błonie kanały, przez które owe jony mogą się przemieszczać (więcej o kanałach jonowych pisałam w tym wpisie). Na rysunku poniżej pewnie zauważysz też tajemnicze A- w kółeczku. Symbolizuje to aniony organiczne, czyli ujemne jony, które nie mogą przedostać się przez błonę komórkową. Są zatem uwięzione po wewnętrznej stronie i to głównie z ich winy wewnętrzna strona błony aksonalnej w spoczynku jest naładowana ujemnie.

Siła dyfuzji

Siła dyfuzji to taka siła, która oddziałuje na jon „pchając” go w stronę mniejszego stężenia. Ma na celu wyrównać „zagęszczenie” cząsteczek. Zatem na przykładzie jonów potasowych – jest ich więcej po wewnętrznej stronie błony, więc kierunek (a właściwie to zwrot) siły dyfuzji jest skierowany „na zewnątrz”, czyli w stronę środowiska zewnątrzkomórkowego. Z kolei jonów sodowych, jak i jonów chlorkowych więcej jest po stronie zewnętrznej, zatem siła dyfuzji dla tych jonów skierowana jest do wnętrza komórki. Zachęcam do zerknięcia na ilustrację powyżej i odszukania strzałek narysowanych przerywaną linią.

Siła elektrostatyczna

Siła elektrostatyczna to siła wytwarzająca się pomiędzy jonem, a otaczającym je środowiskiem. Zatem jeśli jon naładowany jest dodatnio (czyli jest to kation), to będąc w środowisku elektrododatnim będzie przez to środowisko odpychany. Można sobie to wyobrazić jak dwa magnesy, które przykładamy dodatnimi biegunami. Jon dodatni będzie chciał uciec do „drugiego bieguna” czyli do środowiska elektroujemnego, które znajduje się po przeciwnej stronie błony. Zatem siła elektrostatyczna działająca na jony dodatnie (potasowe oraz sodowe) będzie działać w kierunku wnętrza komórki. Z kolei siła ta działająca na jony chlorkowe, które są ujemne, działać będzie w stronę środowiska zewnątrzkomórkowego. Kolejny raz zerknij, proszę, na powyższą ilustrację i poszukaj strzałek oznaczających siłę elektrostatyczną.

Siła aktywnego transportu, czyli pompa sodowo-potasowa

No dobra, do rozpracowania definicji została nam ostatnia składowa, czyli siła aktywnego transportu. Rolę tej siły (w kontekście potencjału spoczynkowego neuronu) przejmuje pompa sodowo-potasowa. Jej nazwa brzmi jak jakiś przyrząd mechaniczny, ale tak naprawdę to jest to po prostu enzym, czyli białko o specjalnych właściwościach. Przy energii z ATP i ADP zmienia ona konformację przestrzenną, czyli swoje ułożenie, kształt i przy okazji transportuje pewne jony.

W skrócie, działanie tej pompy polega na tym, że z wnętrza wyłapuje ona trzy jony sodowe i wyrzuca je do środowiska zewnątrzkomórkowego, a że nie lubi mieć „pustych przebiegów”, to ze środowiska zewnątrzkomórkowego wychwytuje dwa jony potasowe i transportuje je do wewnątrz. Zdaję sobie sprawę z tego, że moje wytłumaczenie tego mechanizmu jest mocno kolokwialne, ale chodzi o to, żeby każdy zrozumiał (:

Działanie pompy sodowo-potasowej tłumaczy zatem, czemu jonów sodowych jest więcej w środowisku zewnątrzkomórkowym, pomimo tego, że obie siły (dyfuzji i elektrostatyczna) działają ze zwrotem skierowanym do wnętrza. Zatem można z tego wnioskować, że działanie pompy jest intensywne.

Podsumowanie

No to super – jesteśmy już wyposażeni w wiedzę, która pozwala nam zrozumieć, jak wygląda stan spoczynku w neuronie, a właściwie w jego błonie. Ważne, żeby pamiętać, że nawet w stanie spoczynku jony się przemieszczają. Nie jest to tak burzliwy transport jonów, jak podczas przekazywania impulsu nerwowego, wiadomo.

Okej, to w takim razie jeszcze raz – czym jest potencjał spoczynkowy? Jest to taka konkretna wartość potencjału błonowego, czyli takie konkretne napięcie błony, przy którym równoważą się siły dyfuzji, siły elektrostatyczne i siły aktywnego transportu działające na te jony, które mogą przemieszczać się w poprzek błony. Czyli to taka różnica między naładowaniem wewnętrznej i zewnętrznej strony aksolemy, przy której wszystkie omawiane siły (działające na jony sodowe, potasowe i chlorkowe) się równoważą. Dla neuronów potencjał spoczynkowy wynosi między -60 a -70 mV (minus pokazuje, że wnętrze jest elektroujemne). Aha – i „mV” to miliwolty, czyli jednostka napięcia 😉

Dla ostatecznego zobrazowania przetłumaczyłam na polski całkiem fajną grafikę z Wikimedia Commons, która pokazuje szerszą perspektywę potencjału spoczynkowego w wycinku podłużnego przekroju aksonu. Zwróć jednak uwagę na to, że nie ma tu oznaczonych sił, tylko są same stężenia. Strzałkę „potencjał czynnościowy” omówimy w ciągu kilku najbliższych tygodni.