membranpotential

Over en cellemembran er der sædvanligvis en spændingsforskel på mellem -0,005 og -0,09 volt. Celler, der deler sig, fx en ægcelle, har den laveste værdi og celler, der ikke, eller kun meget sjældent deler sig, fx visse nerve- og muskelceller, har de højeste værdier. I en typisk nervecelle er membranpotentialet omkring -0,07 volt; det samme som -70 millivolt (mV).

Et membranpotential på -70 mV lyder ikke af meget, men spændingsforskellen ligger over en cellemembran, der kun er 5 nanometer tyk, og det betyder, at styrken af det elektriske felt over membranen er 70 mV divideret med 5 nanometer. Det svarer til 14 millioner volt per meter, og det er et stærkere elektrisk felt, end der forekommer i forbindelse med et lyn.

De stærke elektriske kræfter, der ligger over cellemembranen, virker på de molekyler, der sidder i membranen og kan derfor påvirke en lang række biologiske processer.

Et eksempel er den vedvarende kontraktion (tonus) i glatte muskelceller i blodkar, hjerte og fordøjelseskanal. Disse celler kan trække sig sammen uden at danne aktionspotentialer. Når de glatte muskelceller depolariserer, dvs membranpotentialet ændrer sig i en positiv retning, så øges tonus i musklerne. Dette sker, fordi det ændrede elektriske felt igangsætter processer i cellemembranerne, som får koncentrationen af calcium til at stige inde i muskelcellen, og det udløser øget tonus af musklerne.

I de seneste år er det blevet klart, at membranpotentialet også påvirker:

• normale cellers vækstcyklus og deling,
• cancercellers deling,
• bruskcellens kontrol af sit volumen under forskellige belastninger i det led, hvori den sidder,
• udskillelse af insulin fra beta-celler i bugspytkirtlen
• bevægeligheden af celler involveret i sårheling
• dannelsen af pigment i melanocytter

Listen er langt fra udtømmende, og forskningsfeltet er i rivende udvikling. Regulatoriske membranproteiner som G-proteiner, G-protein-koblede receptorer, transportproteiner og andre membranproteiner er følsomme over for ændringer i membranpotentialet, og det må forudses, at listen over effekter af membranpotentialet vil vokse betydeligt i omfang og detaljering.

Membranpotentialet skyldes fordelingen af ioner i og uden for cellen samt cellemembranens egne egenskaber. Væsken på begge sider af cellemembranen består hovedsagelig af en vandig opløsning af en række små ioner. Inde i cellen er der desuden større molekyler, først og fremmest proteiner og nukleinsyrer. De store molekyler kan ikke passere cellemembranen, men er fanget intracellulært. De er en del af det maskineri, der karakteriserer en levende celle.

I det følgende vises det først, hvor mange kaliumioner, der er i en simpel celle med et kendt rumfang. Dernæst vises det, hvor stor en elektrisk ladning, der skal forlade denne celle, for at skabe et membranpotential på -70 mV, og til slut beregnes, hvor mange kaliumioner ud af den samlede mængde, det svarer til.

Hvor mange kaliumioner er der i cellen?

Hvis cellen er kugleformet og har en radius på 0,01 millimeter, så er rumfanget af den ca. 4,2 × 10^-12 liter. Formlen for rumfang af en kugle er 4/3 × π × r³, hvor r er radius af cellen.

I en celle med et rumfang på 4,2 × 10^-12 liter intracellulærvæske og med en koncentration af kaliumion på 135 millimolær er der altså 0,135 × 4,2 × 10^-12 mol kaliumion = 5,67 × 10^-13 mol kaliumion.

Hvor stor en ladning skal forlade cellen for at skabe membranpotentialet?

Det fald i koncentrationen af K⁺ inde i cellen, der skal til for at skabe et membranpotential på -70 mV, kan beregnes ud fra membranens elektriske kapacitet (også kaldet kapacitans), som er evnen til at opbevare elektrisk ladning.

Cellemembraners kapacitet er gennem eksperimenter målt til 1 mikrofarad per kvadratcentimeter membranareal. En farad er en coulomb (ladning) per volt (potentialforskel).

Når den kugleformede celle har en radius på 0,01 mm er arealet af cellemembranen ca. 1,26 × 10^-5 kvadratcentimeter. Formlen for areal af en kugles overflade er 4 π r².

Dette areal vil have en kapacitet på 1 × 1,26 x 10^-5 mikrofarad, der er det samme som 1,26 × 10^-11 farad

Sammenhængen mellem kapacitet, spændingsforskel og ladning er:

• kapacitet × spændingsforskel = ladning

For at ændre potentialet over en membran med kapaciteten 1,26 × 10^-11 farad fra 0 mV til -70 mV skal der bruges:

1,26 × 10^-11 farad × 0,07 volt = 8,7 × 10^-13 coulomb

Hvor mange kaliumioner svarer denne ladning til?

Hvert mol K⁺ indeholder en ladning på 96.485 coulomb (Faradays konstant), så 8,7 × 10^-13 coulomb svarer til 8,7 × 10^-13 / 96.485 mol kaliumion; det samme som 9 × 10^-18 mol kaliumion.

Hvor stor en del af kaliumionerne har så forladt cellen, når membranpotentialet er blevet -70 mV?

For at skabe et membranpotentialet på -70 millivolt i en celle, der indeholder 5,67 × 10^-13 mol kaliumion, så skal 9 ×10^-18 mol kaliumion forlade cellen. Det svarer til 0,0016 % af kaliumionerne eller 16 kaliumioner ud af hver 1 million kaliumioner. Det er så få kaliumioner, at koncentrationen af K⁺ i cellen ikke ændrer sig væsentligt.

Ved et membranpotential på -70 mV vil der være en smule lækage af K⁺ ud af cellen og en lige så stor lækage af Na⁺ ind i cellen. Membranpotentialet er stabilt, fordi antallet af ladninger på de to sider af membranen forbliver de samme. Tabet af K⁺ fra cellen og stigningen af antallet af Na⁺ skal imidlertid kompenseres. Det sker ved hjælp af en ionpumpe. Det er den såkaldte natrium-kalium-ATPase, også kaldet natrium-kalium-pumpen, der er et af de proteiner, der er integreret i cellemembranen (membranprotein).

Natrium-kalium-pumpen transporterer to kaliumioner ind i cellen og tre natriumioner ud af cellen under forbrug af energi i form af ATP i hver pumpecyklus. Aktiviteten af pumpen reguleres blandt andet af koncentrationerne af Na⁺ og K⁺. Pumpen går i gang, hvis koncentrationen af Na⁺ stiger intracellulært, og koncentrationen af K⁺ stiger ekstracellulært.

Pumpen transporterer en positiv ladning mere ud end ind i cellen, og derfor gør den membranpotentialet mere negativt. Det er imidlertid kun nogle få millivolt. Det kan vises ved at stoppe pumpen med oubain, der er i familie med de digitalisglykosider, der anvendes til behandling af hjertesygdomme. Oubain gør kun membranpotentialet 2-5 mV mere positivt.

Det er vigtigt at understrege, at cellers negative membranpotential primært skyldes fordelingen af K⁺ og Na⁺ på de to sider af membranen og de ionkanaler i membranen, der tillader de to ioner at passere, og ikke natrium-kalium-ATPasen, der blot opretholder status quo i ionkoncentrationer.

Der er en sidegevinst ved natrium-kalium-ATPasen, idet fjernelsen af en ekstra natriumion fra intracellulærrummet trækker vand med ud af cellen. Det kompenserer for den effekt, de store molekyler inde i cellen har på vandtransport over membranen. De har nemlig en osmotisk effekt og trækker vand ind i cellen. Hvis ikke natrium-kalium-ATPasen pumpede en ekstra natriumion ud sammen med vand i hver pumpecyklus, så ville cellen svulme op og til sidst sprænges.

Membranpotentialer findes også i kunstige membraner. Kunstige membraner bruges for eksempel til at efterligne og studere biologiske membraner.

• Læs mere om membranpotential (kemi)

Den tyske fysiolog Julius Bernstein (1839-1917) formulerede i 1902 sin Membrantheorie ('membranteori'), hvor han som den første postulerede, at membranpotentialet skyldes, at celler er omgivet af en hinde, der selektivt lader kaliumioner passere. Membranpotentialet blev studeret intensivt i nerve- og muskelceller gennem første halvdel af 1900-tallet og dette kulminerede med, at de to briter, biofysiker Alan Hodgkins og fysiolog Andrew Huxleys, redegjorde for, hvorledes membranpotentialet ændrer sig i forbindelse med aktionspotentialet.

Natrium-kalium-ATPasen og dens betydning blev beskrevet af den danske læge og fysiolog Jens Christian Skou i 1957.

• aktionspotential
• cellemembran
• natrium-kalium-ATPase