Pokojový membránový potenciál bunky – definícia, príčiny a význam

Pokojový membránový potenciál bunky – definícia, príčiny a význam: stručný prehľad vzniku záporného potenciálu, úloha iónov a transportných proteínov v bunkovej excitabilite.

Pokojový potenciál bunky je membránový potenciál, ktorý by sa udržiaval, ak by nedochádzalo k akčným potenciálom, synaptickým potenciálom alebo iným aktívnym zmenám membránového potenciálu. Vo väčšine buniek má pokojový potenciál zápornú hodnotu, čo podľa konvencie znamená, že vo vnútri je prebytok záporného náboja v porovnaní s vonkajším. Kľudový potenciál je väčšinou určený koncentráciami iónov v tekutinách na oboch stranách bunkovej membrány a iónovými transportnými proteínmi, ktoré sú v bunkovej membráne. Ako koncentrácie iónov a membránové transportné proteíny ovplyvňujú hodnotu pokojového potenciálu, je uvedené nižšie.

Hlavné príčiny a mechanizmy vzniku pokojového potenciálu

• Ionické gradienty – rozdielne koncentrácie hlavných iónov (K+, Na+, Cl−, Ca2+) medzi vnútrom a vonkajškom bunky vytvárajú elektrický potenciál. Najväčší vplyv má gradient draslíka (K+), pretože bunka je voči K+ relatívne priepustná.
• Permeabilita membrány – pokojový potenciál závisí nielen od koncentrácií, ale aj od relatívnej priepustnosti membrány pre jednotlivé ióny. Kanaliky (napr. K+ „leak“ kanály) umožňujú pasívny tok iónov podľa elektrochemického gradientu.
• Na+/K+-ATPáza (sodno-draslíková pumpa) – aktívny transportér, ktorý vymieňa 3 Na+ von za 2 K+ dovnútra. Tento proces je elektorogénny (prispieva k negatívnejšiemu vnútornému náboju) a zároveň udržiava gradienty potrebné na vznik pokojového potenciálu.
• Nepriepustné anióny (Donnanov efekt) – veľké negatívne molekuly vo vnútri bunky (napr. proteíny, nukleové kyseliny) ovplyvňujú rozdelenie malých iónov a prispievajú k rovnováhe, ktorá vedie k vnútornému negatívnemu náboju.

Výpočet a modely

Pre jeden ión sa používa Nernstova rovnica na výpočet rovnovážneho potenciálu E_ion:
E_ion = (RT / zF) · ln([ion]_vonku / [ion]_vnútri). Pri bežných podmienkach (teplota ≈ 37 °C) sa často uvádza zjednodušená forma: E_ion ≈ (61,5 mV / z) · log10([ion]_vonku / [ion]_vnútri).

Keď sú dôležité viaceré ióny súčasne, používa sa Goldman-Hodgkin-Katzova (GHK) rovnica, ktorá váži koncentrácie podľa relatívnej priepustnosti (permeability) jednotlivých iónov a poskytuje lepší odhad reálneho pokojového potenciálu.

Typické hodnoty v rôznych bunkách

• Neuróny: približne -60 až -80 mV (často okolo -70 mV).
• Svalové bunky (kostrové): približne -85 až -95 mV.
• Kardiomyocyty: približne -80 až -90 mV.
• Niektoré epitelové alebo pečeňové bunky môžu mať menej negatívne hodnoty (napr. -30 až -50 mV) v závislosti od funkcie a priepustností.

Meranie pokojového potenciálu

• Sklenené mikropipety / vnútri-bunka merania – klasická technika, do bunky sa zavedie mikroelektroda a porovnáva sa s referenčnou elektródou v okolí bunky.
• Patch-clamp – moderná metóda, ktorá umožňuje merať prúdy a potenciál v jednej bunke s vysokou presnosťou; existujú režimy na mesaie čistého pokojového potenciálu alebo jednotlivých iónových prúdov.

Význam pokojového potenciálu

• Excitabilita – určuje, ako ľahko bunka dosiahne prah pre vznik akčného potenciálu. Menšia (menej negatívna) hodnota znamená, že bunku stačí menší depolarizačný podnet na aktiváciu.
• Transport látok – elektrochemické gradienty poháňajú sekundárne aktívne transportéry (napr. Na+-závisné cotransportéry), čo je dôležité pre vstup živín a vylučovanie odpadových látok.
• Regulácia objemu buniek – Na+/K+-ATPáza a iónové gradienty pomáhajú udržiavať osmotickú rovnováhu a zabraňujú nadmernému naberaniu vody.
• Signalizácia a metabolizmus – zmeny v membránovom potenciáli ovplyvňujú aktivitu iónových kanálov a prenos signálov, ktoré riadia bunkové odpovede a metabolické procesy.

Klinické a fyziologické súvislosti

• Poruchy elektrolytov – hyperkalémia (vysoké K+ v krvi) vedie k depolarizácii buniek, čo môže zhoršiť excitabilitu srdca a spôsobiť arytmie; hypokaliémia spôsobuje hyperpolarizáciu a slabú kontraktilitu/muskulosvalové symptómy.
• Ischémia – pri nedostatku kyslíka klesá funkcia Na+/K+-ATPázy, vonkajší K+ stúpa, bunky depolarizujú a môže dôjsť k narušeniu funkcie a bunkovej smrti.
• Channelopatie – genetické zmeny v iónových kanáloch (napr. pri dlhom QT syndróme, myotóniách) menia pokojový potenciál alebo reakciu na stimuláciu, čo vedie k chorobným prejavom.
• Liekové a toxické vplyvy – niektoré lieky a toxíny blokujú iónové kanály alebo pumpy a tým menia pokojový potenciál (napr. digitalis inhibuje Na+/K+-ATPázu, anestetiká a niektoré antiseptiká menia membránovú priepustnosť).

Faktory, ktoré môžu zmeniť pokojový potenciál

• Zmena extracelulárnej koncentrácie K+, Na+ alebo Cl−.
• Modulácia počtu alebo aktivity iónových kanálov (fyziologická alebo patologická).
• Poruchy energetiky bunky (ATP nedostatok ovplyvňujúci pumpy).
• Teplota a pH (ovplyvňujúkinetiku kanálov a rovnovážne termodynamické faktory).

Pokojový membránový potenciál je teda výsledkom kombinácie ionických gradientov, selektívnej membránovej priepustnosti a aktívnych transportných mechanizmov. Je kľúčový pre normálnu funkciu nervových, svalových a mnohých iných typov buniek a jeho narušenie môže mať vážne fyziologické a klinické následky.

Hľadajte podľa písmena