Vilomembranpotentialen uppkommer genom jonkoncentrationsgradienter och selektiv membranpermeabilitet, medan aktionspotentialen är en regenerativ, tidsordnad förändring av främst Na⁺-, Ca²⁺- och K⁺-konduktanser. Mekanismerna bestämmer cellulär retbarhet, signalfortledning samt excitation–sekretions- och excitation–kontraktionskoppling. De påverkas direkt av elektrolytrubbningar, ischemi, temperatur, channelopatier och jonkanalmodulerande läkemedel.
Grundbegrepp och teckenkonvention
Membranpotentialen, (V_m), definieras som den elektriska potentialen intracellulärt minus potentialen extracellulärt:
[ V_m = V_{\text{in}}-V_{\text{ut}} ]
Extracellulärsidan används konventionellt som referens och sätts till 0 mV. Ett (V_m) på −70 mV innebär således att cellens insida är 70 mV mer negativ än utsidan. Teckenkonventionen måste hållas konsekvent vid tolkning av jämviktspotentialer, strömmar och elektrofysiologiska registreringar.
Vilomembranpotential är den relativt stabila membranpotential som råder när cellen inte är akut exciterad. Depolarisation innebär att (V_m) blir mindre negativt eller mer positivt, exempelvis från −70 till −50 mV. Repolarisation är återgången mot utgångsvärdet efter en depolarisation. Hyperpolarisation innebär att membranet blir mer negativt än den aktuella referensnivån, exempelvis från −70 till −80 mV. Begreppen anger förändringens riktning, inte vilken jon som rör sig.
Trots membranpotentialen är den intracellulära respektive extracellulära bulkvätskan i praktiken elektroneutral: summan av positiva och negativa laddningar är nästan identisk inom varje vätskerum. Spänningen orsakas av att en mycket liten andel av jonerna separeras i tunna laddningsskikt omedelbart intill membranets båda ytor. Över ett 7–8 nm tjockt membran ger 100 mV ett elektriskt fält av storleksordningen
[ E \approx \frac{0,1\ \text{V}}{8\times10^{-9}\ \text{m}} \approx 1,25\times10^7\ \text{V/m}. ]
Det starka lokala fältet påverkar laddade delar av kanalproteiner och möjliggör spänningsberoende gating, utan att cellvätskorna som helhet behöver bära någon betydande nettoladdning.
Membranet som elektrisk barriär och ekvivalent krets
Lipiddubbelskiktets hydrofoba kärna är starkt ogenomtränglig för hydratiserade joner och har därför hög elektrisk resistans. Jonkanaler bildar däremot vattenfyllda porer och fungerar som parallella konduktiva vägar. För varje jon kan membranet modelleras som en konduktans (g_{\text{jon}}) kopplad till ett batteri vars elektromotoriska spänning motsvarar jonens jämvikts- eller reverseringspotential (E_{\text{jon}}).
Den joniska strömmen kan nära en linjär ström–spänningsrelation beskrivas med:
[ I_{\text{jon}}=g_{\text{jon}}(V_m-E_{\text{jon}}) ]
där (V_m-E_{\text{jon}}) är den elektrokemiska drivkraften. Resistans och konduktans är inversa:
[ R=\frac{1}{g}. ]
Flera öppna kanalpopulationer ligger elektriskt parallellt, varför deras konduktanser adderas. Ökad total konduktans sänker membranresistansen och för (V_m) mot den konduktansviktade reverseringspotentialen.
Lipiddubbelskiktet fungerar samtidigt som en kondensator eftersom motsatta laddningar kan lagras på dess båda sidor. Den specifika membrankapacitansen anges vanligen till omkring (1\ \mu\text{F/cm}^2). Kapacitiv ström ges av:
[ I_C=C_m\frac{dV_m}{dt}. ]
En plötslig tillförd ström förändrar därför inte spänningen momentant; först måste membrankapacitansen laddas. För ett passivt membran sker detta exponentiellt med tidskonstanten:
[ \tau=R_mC_m. ]
Efter en tidskonstant har cirka 63 % av den slutliga spänningsförändringen uppnåtts. Hög membranresistans ger större spänningssvar på en given ström och längre tidskonstant. Låg membranresistans, exempelvis när många synaptiska kanaler öppnas, minskar spänningsamplituden och påskyndar förloppet.
Passiv spridning längs dendrit eller axon bestäms dessutom av axial resistans. Stor diameter minskar den interna längsresistansen och förbättrar spridningen, medan låg membranresistans ökar strömläckaget. Längdkonstanten ökar således när membranresistansen är hög eller axial resistans låg. Kapacitansen påverkar främst hur snabbt potentialförändringen utvecklas, medan resistansförhållandena bestämmer hur långt den sprids.
Jonfördelning och upprätthållande av gradienter
Koncentrationsgradienterna över plasmamembranet representerar lagrad fri energi. Typiska värden varierar mellan celltyper och vävnadsrum, men följande storleksordningar är användbara för ett däggdjursneuron:
| Jon | Intracellulärt | Extracellulärt | Dominerande gradient |
|---|---|---|---|
| K⁺ | 140–150 mmol/l | 4–5 mmol/l | Ut ur cellen |
| Na⁺ | 10–15 mmol/l | 140–145 mmol/l | In i cellen |
| Cl⁻ | 5–10 mmol/l | 110–120 mmol/l | Ofta in i cellen kemiskt |
| Fritt Ca²⁺ | cirka 100 nmol/l | 1,2–2 mmol/l | Mycket starkt in i cellen |
Intracellulärt finns proteiner, fosfater och andra impermeabla anjoner. Dessa bidrar till Donnan-effekter: de attraherar diffusibla katjoner och begränsar ansamling av anjoner. En ren Donnan-jämvikt skulle emellertid också gynna osmotiskt vatteninflöde. Levande celler undviker svullnad genom aktiv jontransport, framför allt genom att hålla den intracellulära Na⁺-koncentrationen låg. Elektroneutralitet gäller fortfarande i bulkfasen; impermeabla anjoner balanseras huvudsakligen av intracellulära katjoner och ska inte uppfattas som en stor fri nettoladdning i hela cytoplasman.
Na⁺/K⁺-ATPase är en P-typ-ATPase som per hydrolyserad ATP transporterar 3 Na⁺ ut ur cellen och 2 K⁺ in. Pumpcykeln innefattar Na⁺-bindning intracellulärt, fosforylering och övergång till en utåtvänd konformation, Na⁺-frisättning, K⁺-bindning, defosforylering och återgång till den inåtvända konformationen. Nettot är en positiv laddning utåt per cykel, vilket gör pumpen elektrogen. Dess direkta hyperpolariserande effekt är mindre än K⁺-läckkonduktansens effekt, men pumpen är oumbärlig för gradienternas långtidsstabilitet, cellvolymen och Na⁺-beroende sekundärtransport.
Den låga cytosoliska Ca²⁺-koncentrationen upprätthålls av flera samverkande system. PMCA transporterar Ca²⁺ över plasmamembranet med ATP, SERCA pumpar Ca²⁺ in i endoplasmatiskt eller sarkoplasmatiskt retikel och Na⁺/Ca²⁺-utbytaren utnyttjar Na⁺-gradienten för Ca²⁺-extrusion. Utbytaren transporterar vanligen tre Na⁺ mot en Ca²⁺ och är därmed elektrogen. Vid uttalad depolarisation eller kollapsad Na⁺-gradient kan dess riktning reverseras och bidra till Ca²⁺-inflöde.
Elektrokemisk drivkraft och jämviktspotential
En jon påverkas samtidigt av en kemisk och en elektrisk kraft. Koncentrationsgradienten driver diffusion från hög till låg aktivitet. Det elektriska fältet attraherar katjoner mot negativ potential och anjoner mot positiv potential. För Na⁺ i ett vilande neuron pekar båda komponenterna vanligen inåt: Na⁺ är mer koncentrerat utanför cellen och attraheras dessutom av den negativa insidan. För K⁺ driver koncentrationsgradienten utåt, medan den elektriska kraften verkar inåt.
Jämviktspotentialen (E_{\text{jon}}) är den membranpotential där dessa krafter exakt balanserar varandra för en viss jon. Nettoströmmen genom en idealiskt selektiv öppen kanal är då noll. Nernsts ekvation är:
[ E_{\text{jon}}=\frac{RT}{zF}\ln \left(\frac{[\text{jon}]{\text{ut}}}{[\text{jon}]{\text{in}}}\right) ]
där (R) är gaskonstanten, (T) absolut temperatur, (z) jonens valens och (F) Faradays konstant. Vid 37 °C kan den för en monovalent jon skrivas:
[ E_{\text{jon}}\approx\frac{61,5\ \text{mV}}{z} \log_{10}\left(\frac{[\text{jon}]{\text{ut}}}{[\text{jon}]{\text{in}}}\right). ]
För en anjon ger det negativa (z)-värdet omvänt tecken. Temperaturförändring påverkar proportionalitetsfaktorn och därmed beräknad jämviktspotential.
| Jon | Typisk jämviktspotential |
|---|---|
| (E_K) | cirka −90 mV |
| (E_{Na}) | cirka +60 mV |
| (E_{Ca}) | cirka +120 mV |
| (E_{Cl}) | ofta nära −70 mV, starkt cellberoende |
Strömriktningen bestäms av (V_m-E_{\text{jon}}). Elektrofysiologiskt definieras vanligen utåtgående positiv ström som positiv. För en katjon innebär positiv ström nettoutflöde och negativ ström inflöde. Vid (V_m=-70) mV och (E_{Na}=+60) mV är drivkraften −130 mV, alltså en kraftig inåtgående Na⁺-ström. Vid (E_K=-90) mV är drivkraften +20 mV och K⁺-strömmen går utåt. För Cl⁻ krävs särskild omsorg: en positiv konventionell ström kan motsvara Cl⁻-inflöde, eftersom inåtgående negativ laddning är elektriskt ekvivalent med utåtgående positiv laddning.
Flera permeabla joner: Goldman–Hodgkin–Katz
Nernsts ekvation beskriver jämvikt för en enda jon. Ett biologiskt membran är samtidigt permeabelt för flera joner, och vilopotentialen motsvarar därför inte exakt någon enskild jämviktspotential. För monovalenta K⁺, Na⁺ och Cl⁻ kan Goldman–Hodgkin–Katz ekvation skrivas:
[ V_m=\frac{RT}{F}\ln \left( \frac{ P_K[K^+]{\text{ut}}+ P{Na}[Na^+]{\text{ut}}+ P{Cl}[Cl^-]{\text{in}} }{ P_K[K^+]{\text{in}}+ P_{Na}[Na^+]{\text{in}}+ P{Cl}[Cl^-]_{\text{ut}} } \right). ]
Permeabiliteterna (P) viktar respektive koncentrationsgradient. Cl⁻-koncentrationerna står omvänt jämfört med katjonernas eftersom Cl⁻ har negativ valens. Om (P_K) är mycket större än (P_{Na}) och (P_{Cl}) hamnar (V_m) nära (E_K). Ökad Na⁺-permeabilitet flyttar potentialen mot (E_{Na}), medan ökad Cl⁻-permeabilitet för potentialen mot (E_{Cl}).
GHK-ekvationen bygger på ett konstant elektriskt fält, ungefär linjärt spänningsfall över membranet, oberoende jonflöden och stationärt tillstånd där den sammanlagda nettoströmmen är noll. Det betyder inte att varje enskild jon befinner sig i jämvikt. Vid vilopotential kan exempelvis Na⁺ kontinuerligt läcka in och K⁺ ut, medan aktiva transporter över tid återställer gradienterna.
Beräkningen är en approximation. Jonaktivitet är termodynamiskt relevant snarare än nominell koncentration, och aktivitetsskillnader kan vara betydelsefulla i koncentrerade eller proteinrika lösningar. Lokala jonansamlingar nära membranet, flervärda joner, kanalernas mättnad, jon–joninteraktioner, icke-linjära ström–spänningskurvor och aktiv transport kan ge avvikelser. Under snabba aktionspotentialer förändras dessutom permeabiliteterna tidsberoende, varför en statisk GHK-beräkning inte ensam beskriver kinetiken.
Vilomembranpotentialens uppkomst och normalvariation
Vid vila dominerar ofta K⁺-konduktansen genom tvåpordomänkanaler, K2P, och i vissa celler inåtriktande K⁺-kanaler, Kir. K⁺ diffunderar ut längs koncentrationsgradienten och gör cellens insida negativ tills den elektriska kraften motverkar fortsatt utflöde. Eftersom membranet samtidigt har ett mindre Na⁺-läckage hamnar (V_m) vanligen mindre negativt än (E_K).
Cl⁻-konduktansens effekt beror på (E_{Cl}), som regleras av bland annat K⁺–Cl⁻-kotransportören KCC2 och Na⁺–K⁺–2Cl⁻-kotransportören NKCC1. Om (E_{Cl}) ligger nära vilopotentialen stabiliserar öppna Cl⁻-kanaler spänningen där och minskar membranresistansen. Na⁺/K⁺-ATPaset ger ett direkt elektrogent bidrag genom nettotransport av positiv laddning utåt, men dess viktigaste funktion är att motverka det långsamma gradientläckaget.
| Celltyp | Typisk vilomembranpotential |
|---|---|
| Neuron | −60 till −75 mV |
| Skelettmuskelfiber | omkring −90 mV |
| Ventrikulär hjärtmyocyt | −85 till −90 mV |
| Glatt muskelcell | ungefär −40 till −60 mV |
| Många epitelceller | cirka −30 till −60 mV |
Skillnaderna avspeglar kanaluttryck, jontransport, cellens funktionella tillstånd och extracellulär miljö. Ett vilande värde ska därför inte betraktas som en universell normalpunkt. Pacemakerceller har exempelvis ingen stabil vilopotential, och glatt muskulatur kan uppvisa långsamma vågor eller spontana depolarisationer.
Jonkanalers selektivitet och gating
Jonkanaler kan klassificeras efter den signal som reglerar deras öppning:
| Kanaltyp | Gatingstimulus | Exempel eller funktion |
|---|---|---|
| Läckkanal | Konstitutiv eller svagt reglerad aktivitet | K2P, vilokonduktans |
| Ligandstyrd | Extracellulär ligand | Nikotinreceptor, GABA(_A)-receptor |
| Spänningsstyrd | Förändrat (V_m) | Naᵥ, Caᵥ, Kᵥ |
| Mekanokänslig | Membranspänning eller kraft | Beröring, hörsel, baroreception |
| Intracellulärt ligandstyrd | Ca²⁺, ATP eller cykliska nukleotider | K(_{\text{ATP}}), Ca²⁺-aktiverade K⁺-kanaler |
En kanal kan vara stängd, öppen eller inaktiverad. En stängd men aktiverbar kanal kan öppnas av rätt stimulus. En inaktiverad kanal leder inte ström och kan vanligen inte öppnas förrän den återhämtats genom tid och repolarisation. Skillnaden är central för refraktäritet och tillståndsberoende läkemedelsblockad.
Selektiviteten skapas i porens selektivitetsfilter, där laddade grupper, karbonylsyren och porgeometri stabiliserar vissa joner bättre än andra. En K⁺-kanal kompenserar exempelvis energetiskt för K⁺-jonens dehydratisering men passar sämre för den mindre Na⁺-jonen. Makroskopisk konduktans beror på antalet kanaler, deras enkelkanalskonduktans och öppningssannolikhet:
[ g_{\text{total}}=N\cdot\gamma\cdot P_o, ]
där (N) är kanalantalet, (\gamma) enkelkanalskonduktansen och (P_o) öppningssannolikheten.
I Naᵥ-, Caᵥ- och många Kᵥ-kanaler fungerar positivt laddade S4-segment som spänningssensorer. Depolarisation förändrar det elektriska fältet över membranet, förskjuter sensorerna och kopplas mekaniskt till poröppning. Naᵥ-kanaler aktiveras mycket snabbt men övergår därefter till ett tids- och spänningsberoende inaktiverat tillstånd. Fördröjd Kᵥ-aktivering ger i stället en senare utåtgående ström och bidrar till repolarisation.
Graderade potentialer och integrering
Receptorpotentialer, generatorpotentialer och postsynaptiska potentialer är amplitudgraderade. Deras storlek beror på stimulus, aktiverad konduktans, drivkraft och membranets passiva egenskaper. De sprids elektrotoniskt och avtar med avstånd eftersom en del axial ström läcker genom membranet. Till skillnad från aktionspotentialer regenereras de inte nödvändigtvis av spänningsstyrda kanaler.
Potentialens polaritet bestäms av kanalernas reverseringspotential, inte enbart av vilken jonkanal som öppnas. En blandad katjonkanal med reverseringspotential nära 0 mV depolariserar ett neuron från −70 mV. En K⁺-kanal för potentialen mot (E_K), medan en Cl⁻-kanal för den mot (E_{Cl}). Samma kanal kan därmed få olika effekt i celler med olika jontransport och vilopotential.
Temporal summation uppstår när upprepade potentialer kommer innan föregående svar hunnit avklinga; en lång tidskonstant underlättar detta. Spatial summation innebär att strömmar från flera synapser sammanfaller. Dendriternas diameter, förgrening, lokala membranresistans och aktiva kanaler filtrerar signalerna, så synapsens anatomiska position påverkar dess effekt vid axonets initialsegment.
Inhibition kan vara hyperpolariserande eller shuntande. En ökad Cl⁻- eller K⁺-konduktans sänker membranresistansen och reducerar därmed amplituden hos samtidiga excitatoriska strömmar. Cl⁻-ström kan vara depolariserande om (E_{Cl}) ligger över vilopotentialen, men ändå inhibitorisk om reverseringspotentialen ligger under aktionspotentialtröskeln och konduktansökningen klampar membranet nära detta värde.
Aktionspotentialens initiering och faser
I neuron initieras aktionspotentialen vanligen i axonets initialsegment, där Naᵥ-kanaldensiteten är hög. Depolariserande lokalströmmar från soma och dendriter för membranet mot tröskeln, ofta omkring −55 mV. Tröskeln är dock inte ett fixerat universellt värde utan beror på vilopotential, föregående aktivitet, Naᵥ-kanalernas tillgänglighet, temperatur och samtidiga K⁺- och läckströmmar.
När den inåtgående Na⁺-strömmen blir större än de motverkande utåtströmmarna uppstår positiv återkoppling: depolarisation öppnar fler Naᵥ-kanaler, vilket ger mer Na⁺-inflöde och ytterligare depolarisation. Membranpotentialen stiger snabbt och passerar 0 mV till ett överslag på ungefär +30–40 mV. Händelsen följer allt-eller-intet-principen lokalt: en subtrösklig retning ger ingen full aktionspotential, medan supratröskliga retningar ger ungefär samma amplitud.
Toppen når inte (E_{Na}), som ofta ligger omkring +60 mV. Redan under uppåtfasen börjar Naᵥ-kanaler inaktiveras, samtidigt som fördröjda Kᵥ-kanaler öppnas. Minskande Na⁺-konduktans och ökande utåtgående K⁺-ström avbryter depolarisationen. K⁺-utflödet driver därefter repolarisationen mot (E_K).
Eftersom K⁺-kanalerna stängs långsammare än membranet repolariseras kvarstår en förhöjd K⁺-konduktans efter impulsen. Detta ger efterhyperpolarisation. När K⁺-konduktansen avtar återför läckströmmarna membranet till vilopotentialen. Na⁺/K⁺-ATPaset återställer successivt de små jonmängder som omfördelats under många impulser, men pumpen orsakar inte den snabba repolarisationen efter varje enskild aktionspotential.
Refraktäritet, retbarhet och frekvenskodning
Den absoluta refraktärperioden varar vanligen cirka 1–2 ms i neuron. Under denna tid kan ingen ny normal aktionspotential framkallas oavsett stimulus, eftersom en stor andel Naᵥ-kanaler befinner sig i inaktiverat tillstånd. Återhämtning kräver repolarisation och tid; det räcker inte att tillföra en starkare depolariserande ström.
Under den relativa refraktärperioden har en del Naᵥ-kanaler återhämtats, men kvarstående K⁺-konduktans och efterhyperpolarisation gör tröskeln svårare att nå. En starkare retning kan då utlösa en impuls. Refraktäriteten begränsar maximal impulsfrekvens och bidrar till att separera enskilda aktionspotentialer tidsmässigt.
Stimulusintensitet kodas huvudsakligen som impulsfrekvens och rekrytering, inte som större amplitud hos varje aktionspotential. Starkare eller mer långvarig depolarisation förkortar tiden till nästa tröskelpassage, inom de gränser som kanalernas återhämtning sätter.
Vid långsamt stigande depolarisation kan accommodation uppstå: Naᵥ-kanaler hinner delvis inaktiveras samtidigt som K⁺-konduktanser aktiveras, så tröskeln nås inte trots betydande depolarisation. Vid uttalad och långvarig depolarisation kan cellen gå in i depolarisationsblock. Membranet är då depolariserat men inexcitabelt eftersom Naᵥ-kanalerna inte återgår från inaktiverat till stängt, aktiverbart tillstånd.
Fortledning längs axon
En aktionspotential skapar lokala kretsströmmar. Positiv laddning sprids intracellulärt från det aktiva membransegmentet till intilliggande vilande segment och återvänder genom extracellulärrummet. När nästa segment når tröskeln öppnas dess Naᵥ-kanaler och aktionspotentialen regenereras. Därför avtar inte impulsens amplitud på samma sätt som en rent passiv potential.
Från ett normalt initieringsställe går fortledningen funktionellt framåt, eftersom membranet bakom impulsen är refraktärt. Om ett axon stimuleras artificiellt mitt på kan impulsen däremot fortledas i båda riktningarna från stimuleringspunkten. Enkelriktningen är alltså en följd av initieringsplats och refraktäritet, inte av att axonmembranet i sig endast kan leda åt ett håll.
| Egenskap | Omyeliniserat axon | Myeliniserat axon |
|---|---|---|
| Fortledning | Kontinuerlig | Saltatorisk mellan Ranviers noder |
| Typisk hastighet | cirka 0,5–2 m/s | upp till cirka 100–120 m/s |
| Aktivt membran | Längs hela axonet | Främst vid noder |
| Kapacitiv laddning | Stor membranyta | Begränsad till noder och små internodala bidrag |
| Energiförbrukning | Relativt hög per längdenhet | Lägre per fortledd sträcka |
Större axondiameter minskar axial resistans och ökar fortledningshastigheten. Myelin ökar effektiv membranresistans och minskar effektiv kapacitans, så lokalströmmen sprids längre och laddar nästa nod snabbare. Nodavståndet måste vara tillräckligt långt för effektiv saltatorisk spridning men tillräckligt kort för att nästa nod säkert ska nå tröskeln.
Sänkt temperatur bromsar kanalernas gating och fortledningen. Demyelinisering ökar kapacitiv belastning och strömläckage, förkortar längdkonstanten och kan orsaka tidsmässig dispersion eller komplett ledningsblock. Detta är centralt vid exempelvis multipel skleros och demyeliniserande polyneuropatier.
Aktionspotentialer i olika exciterbara vävnader
Neuronets och skelettmuskelcellens aktionspotential är kort och har en snabb Na⁺-dominerad uppåtfas följd av K⁺-medierad repolarisation. I nervterminalen öppnar depolarisationen spänningsstyrda Ca²⁺-kanaler; lokal Ca²⁺-ökning aktiverar exocytosmaskineriet och frisätter neurotransmittor. I skelettmuskel leds potentialen in i T-tubuli, där spänningssensorer kopplas till Ca²⁺-frisättning från sarkoplasmatiskt retikel och initierar kontraktion.
Ventrikulära arbetsmyocyter har en betydligt längre aktionspotential på cirka 200–300 ms:
| Fas | Huvudsaklig elektrisk händelse |
|---|---|
| 0 | Snabb Na⁺-medierad depolarisation |
| 1 | Tidig partiell repolarisation |
| 2 | Platå genom balans mellan Ca²⁺-inflöde och K⁺-utström |
| 3 | Tilltagande K⁺-dominerad repolarisation |
| 4 | Stabil vilopotential, främst genom K⁺-konduktans |
Platån förlänger refraktärperioden och förhindrar tetanisk kontraktion. Ca²⁺-inflöde genom L-typkanaler utlöser ytterligare Ca²⁺-frisättning från sarkoplasmatiskt retikel och kopplar aktionspotentialen till kontraktionskraften.
Sinus- och AV-nodceller saknar stabil fas 4. Spontan diastolisk depolarisation skapas av samverkan mellan hyperpolarisationsaktiverad (I_f), minskande K⁺-utström och Caᵥ-strömmar. Uppåtfasen är huvudsakligen Ca²⁺-beroende och därför långsammare än i arbetsmyocyter. Autonom modulering av (I_f), Ca²⁺-strömmar och K⁺-strömmar ändrar pacemakerfrekvensen.
I glatt muskulatur och vissa sekretoriska celler är aktionspotentialerna ofta mer Ca²⁺-dominerade, långsammare och variabla. Ca²⁺ fungerar då både som laddningsbärare och intracellulär signal för kontraktion eller sekretion. Sensoriska receptorceller kan i stället producera graderade receptorpotentialer som styr neurotransmittorfrisättning kontinuerligt; en separat afferent nervfiber omvandlar därefter signalen till en aktionspotentialfrekvens.
Mätmetoder och experimentella felkällor
Vid klassisk intracellulär registrering förs en fin mikroelektrod genom membranet och potentialen jämförs med en extracellulär referenselektrod. I current clamp injiceras en definierad ström medan (V_m) registreras; metoden används för vilopotential, inputresistans, tröskel och aktionspotentialer. I voltage clamp hålls (V_m) vid ett kommenderat värde och den ström som krävs för detta mäts, vilket möjliggör separation av tids- och spänningsberoende joniska strömmar.
Patch-clamp använder en glaspipett som bildar en högresistent tätning mot membranet:
| Konfiguration | Exponerad eller registrerad del | Typisk användning |
|---|---|---|
| Cell-attached | Intakt membranpatch | Enkelkanalsaktivitet med relativt bevarad cell |
| Whole-cell | Elektrisk åtkomst till hela cellen | Helcellsström eller (V_m) |
| Inside-out | Cytoplasmatiska sidan badexponerad | Intracellulära ligander och fosforylering |
| Outside-out | Extracellulära sidan badexponerad | Snabb applicering av neurotransmittorer |
| Perforated patch | Porbildare ger elektrisk åtkomst | Minskat bortfall av cytosoliska komponenter |
Mätningen kan påverkas av vätskeövergångspotential, junction potential, mellan lösningar med olika jonmobilitet. Om den inte korrigeras förskjuts rapporterad vilopotential, tröskel och reverseringspotential. Pipettens serieresistans orsakar spänningsfel när stora strömmar passerar, eftersom den verkliga membranpotentialen avviker från kommandospänningen. Snabba Na⁺-strömmar är särskilt känsliga.
Otillräcklig space clamp uppstår när hela cellen inte hålls vid samma spänning, exempelvis i stora eller starkt förgrenade neuron. Elektrod- och membrankapacitans kan maskera snabba strömmar, medan felaktig läcksubtraktion kan skapa eller eliminera strömkomponenter. Whole-cell-läge dialyserar gradvis cytoplasman mot pipettlösningen och kan avlägsna second messengers eller störande proteiner. Temperatur, pH samt icke-fysiologiska intra- och extracellulära jonkoncentrationer ändrar dessutom kanalernas kinetik, drivkraft och beräknade reverseringspotentialer.
Fysiologisk variation och klinisk relevans
Extracellulärt K⁺ påverkar (E_K) och därmed vilopotentialen kraftigt. Vid hyperkalemi blir K⁺-gradienten mindre och (E_K) mindre negativt, vilket depolariserar membranet. En måttlig initial depolarisation kan föra cellen närmare tröskeln och öka retbarheten. Om depolarisationen blir uttalad eller långvarig inaktiveras däremot en växande andel Naᵥ-kanaler, uppåtfasens hastighet minskar och vävnaden blir inexcitabel. Kliniska följder är muskelsvaghet, ledningshinder och potentiellt livshotande arytmier.
Hypokalemi gör vanligen (E_K) mer negativt och kan hyperpolarisera cellen, men hjärtelektrofysiologin påverkas även genom minskade repolariserande K⁺-strömmar. Resultatet kan bli förlängd repolarisation, ektopisk aktivitet och ökad risk för ventrikulär arytmi. Sambandet mellan serum-K⁺ och retbarhet är därför inte en enkel linjär relation mellan hyperpolarisation och skydd.
Na⁺-rubbningar påverkar framför allt gradienten och därmed aktionspotentialens drivkraft när förändringarna är uttalade, medan deras neurologiska konsekvenser ofta till stor del förmedlas av osmotiska volymförändringar. Extracellulärt Ca²⁺ påverkar kanalernas ytladdningsskärmning och tröskel: lågt Ca²⁺ ökar neuronal och neuromuskulär retbarhet och kan ge parestesier, tetani och kramper. pH påverkar kanalproteinernas protonering; alkalos ökar bland annat den kliniska effekten av minskat joniserat Ca²⁺, medan acidos ofta hämmar flera kanalströmmar.
Vid ischemi minskar ATP-produktionen. Na⁺/K⁺-ATPasets funktion sviktar, extracellulärt K⁺ ansamlas och cellerna depolariseras. Samtidigt kan glutamatfrisättning, Na⁺- och Ca²⁺-inflöde samt reverserad Na⁺/Ca²⁺-transport driva Ca²⁺-överbelastning och celldöd. Hypotermi bromsar kanalernas kinetik och fortledning; feber kan däremot öka retbarheten och utlösa manifestationer av temperaturkänsliga channelopatier.
| Exempel | Molekylär förändring | Elektrofysiologisk konsekvens |
|---|---|---|
| SCN1A-relaterad epilepsi | Ofta nedsatt Naᵥ1.1-funktion i inhibitoriska interneuron | Minskad inhibition och nätverkshyperexcitabilitet |
| SCN4A-periodisk paralys | Förändrad Naᵥ1.4-gating | Ihållande depolarisation och muskulär inexcitabilitet |
| KCNQ1-relaterat långt QT | Minskad (I_{Ks}) | Fördröjd ventrikulär repolarisation |
| KCNH2-relaterat långt QT | Minskad hERG-medierad (I_{Kr}) | Förlängd aktionspotential och torsaderisk |
Lokalanestetika blockerar Naᵥ-kanaler från kanalens intracellulära sida och binder med högre affinitet till öppna eller inaktiverade tillstånd. Blockaden blir därför användnings- och frekvensberoende: snabbt aktiva nociceptiva fibrer påverkas mer än sällan aktiva fibrer. Följden är reducerad Na⁺-ström, långsammare uppåtfas och till slut fortledningsblock.
K({\text{ATP}})-kanalöppnare ökar K⁺-konduktansen, för membranet mot (E_K) och minskar öppningen av spänningsstyrda Ca²⁺-kanaler. I kärlens glatta muskulatur ger detta hyperpolarisation och vasodilatation. Samma grundprincip används fysiologiskt i metabol koppling: K({\text{ATP}})-kanaler länkar cellens ATP/ADP-förhållande till membranpotential, Ca²⁺-inflöde och sekretion eller kontraktion.
Källor
- Membrane potential
- Membranpotential
- Category:Membrane potential
- Membrane potential
- Bild: File:Membrane Ions.png — Rcchang16, CC BY-SA 4.0
- Bild: File:Membrane Potential Diagram (Resting State).svg — JacksonDineen, CC BY 4.0
- Bild: File:Postsynaptic membrane potential temporal summation.svg — Laurens R. Krol, CC0
- Bild: File:Action potential schematic.svg — Laurens R. Krol, CC0