Potentialul membranar de repaus

1. Echilibrul de membrana

Cercetarile efectuate in cadrul unei categorii mari de celule au pus in evidenta o distributie inegala a ionilor de o parte si alta a membranei celulare. Aceasta genereaza o asimetrie electrica, in sensul ca membrana este polarizata pozitiv in exterior si negativ in interior, ceea ce determina existenta unei diferente de potential electric intre cele doua fete ale membranei.

In stare stationara se atinge echilibrul de membrana, cand se stabileste o relatie bine determinata intre toti parametrii biosistemului: potential chimic, potential electric, presiune etc.

Echilibrul de membrana este determinat de o serie de factori dependenti de caracteristicile membranei si de particularitatile mediilor de dispersie despartite de membrana celulara.

Astfel, mediile intra- si extracelular contin diferite tipuri de particule: ioni atomici, ioni moleculari, molecule mici difuzibile prin membrana. Insa, mediul intracelular cuprinde si anioni proteici nedifuzibili prin membrana, ceea ce determina o diferenta de potential intre cele doua fete ale membranei, data de relatia lui Nernst, deci apare o asimetrie a ionilor difuzibili.

De asemenea, si transportul activ, impunand un raport bine stabilit al concen­tratiilor, duce la aparitia unei diferente de potential intre cele doua fete ale membranei.

Membranele au permeabilitati diferite pentru speciile ionice. Astfel, ionul ce difuzeaza mai usor prin membrana, impune un gradient de potential electric, care va accelera difuzia ionului de semn contrar, asa incat la echilibru nu se egalizeaza concentratiile si nu se anuleaza diferenta de potential.

Transportul pasiv prin difuzie si osmoza tind sa antreneze sistemul spre echilibru termodinamic, insa transportul activ, prin procese cuplate, indeparteaza sistemul de echilibrul termodinamic, plasandu-l intr-o stare stationara.

In concluzie, prin actiunea factorilor amintiti mai sus se atinge echilibrul de membrana, care corespunde unei stari stationare si impune in cele doua compartimente intracelular si extraxcelular:

egalizarea potentialului elctrochimic, deci anularea transportului net de solvit prin membrana;

neutralitatea electrica a solutiilor, si

izotonicitatea sistemelor disperse, deci anularea fluxului osmotic.

2. Determinarea potentialului membranar de repaus

Diferenta de potential ce se creeaza la nivelul membranei celulare, in stare stationara, datorata concentratiilor diferite de sarcini electrice pe fetele membranei, se numeste potential de repaus (V_R). El reprezinta suma potentialelor de echilibru ale principalelor specii ionice aflate in mediul intra- si extracelular, si este o masura a starii de polarizare a membranei.

Prin definitie, diferenta de potential transmembranar este data de expresia:

V_R = V_i - V_e (8.1)

unde: V_i - potentialul pe fata interna a membranei (potential intracelular)

V_e - potential pe fata externa a membranei (potential extracelular)

Deoarece V_i < 0 si V_e > T V_R < 0, deci potentialul de repaus este negativ, avand o plaja de valori cuprinse intre -100 mV si -40 mV.

Teoretic, potentialul membranar de repaus se poate calcula cu relatia Goldman - Hodgkin - Kats , obtinuta din conditia de anulare a transportului net pentru toate speciile ionice:

unde: - concentratiile cationilor,respectiv anionilor

- permeabilitatea membranei pentru cationul j, respectiv pentru anionul j

e, i - fata externa, respectiv interna a membranei.

Relatia este scrisa pentru ioni monovalenti.

Daca se tine cont ca principalii ioni ce intervin in echilibrul membranar sunt Na⁺, K⁺,Cl^-, relatia Goldman - Hodgkin - Kats devine:

(8.3)

Observatie: Prin conventie, potentialul lichidului interstitial este considerat nul, fiind luat ca referinta. Deci, potentialul fetei interne a membranei este egal cu diferenta de potential transmembranar, astfel ca sintagma "potential membranar" este corecta si reprezinta potent­ialul fetei interne (citoplasmatice) a membranei.

Potentialul membranar de repaus este legat in mod evident de metabolismul celular, deoarece lipsa oxigenului, scaderea temperaturii si aplicarea de inhibitori metabolici generali determina reducerea valorii V_R pana la disparitia totala. Metabolismul energetic mentine compozitii ionice diferite intre mediul interstitial si citoplasmatic, potentialul de repaus fiind tocmai expresia electrica a acestei distributii ionice diferite.

Concentratia ionilor Na⁺ si K⁺ este mentinuta de pompa Na⁺/K⁺, care compenseaza fluxurile pasive ale ionilor respectivi. Pentru ionii Cl^- nu exista un pompaj activ, ei se vor distribui in cele doua compartimente in mod pasiv, respectand echilibrul electrochimic.

Daca se introduc in relatia (9.3) valorile masurate ale concentratiilor si permeabilitatilor ionilor Na⁺, K⁺, Cl^- se obtin valorile potentialului de repaus pentru diferite celule si diverse specii.

Tabelul contine pentru doua tipuri de celule valori ale concentratiilor ionilor K⁺, Na⁺ si Cl^- in cele doua medii citoplasmatic si interstitial, potentialele de echilibru electrochimic ale celor trei ioni V_K, V_Na, V_Cl calculate cu relatia lui Nernst si potentialul membranar de repaus calculat cu relatia Goldman-Hodgkin-Kats.

Din tabel se poate constata ca potentialele de echilibru electrochimic V_K si V_Cl sunt de acelasi semn cu potentialul de repaus V_R, avand valori apropiate de acesta. Aceasta inseamna ca permeabilitatea membranei celulare pentru ionul K⁺ este foarte mare, iar pentru ionul Cl^- are o distributie pasiva, adica fluxul ionilor de clor datorat gradientului de potential este compensat de cel datorat gradientului de concentratie. In schinb, V_Na este foarte diferit de V_R, avand valori pozitive, ceea ce indica o permeabilitate a membranei extrem de redusa pentru Na⁺.

Tabel Concentratii ionice, potentiale de echilibru electrochimic si     potential de repaus

Experimental, potentialul membranar de repaus poate fi masurat cu ajutorul unor microelectrozi ce se introduc in celula. Un microelectrod este format dintr-o pipeta cu varf efilat, cu diametru de 0,5 mm, umpluta cu solutie saturata de KCl si avand in interior un electrod de argint. Strapungerea membranei de catre microelectrod nu produce o lezare considerabila. Scurtcircuitarea intre citoplasma si lichidul interstitial nu are loc, deoarece membrane se strange in jurul varfului pipetei datorita tensiunii interficiale.

Montajul pentru masurarea potentialului de repaus trebuie sa contina un milivoltmetru cu impedanta de intrare mare. Potentialul masurat este negativ, valoarea lui depinzand de tipul celulei, compozitia mediului extracelular si de starea functionala a celulei. Din cauza valorilor foarte mici ale biocurentilor si potentialelor, sistemul de masurare presupune utilizarea de amplificatoare sau comparatoare, precum si a unor metode electronice diverse (Fig. 8.1).

Fig. Principiul de masurare a potentialului membranar;

1,2 - microelectrozi, SC - sistem comparator.

In Tabelul 8.2. sunt prezentate valori ale potentialului membranar de repaus in functie de tipul celulei si de conditiile de masurare.   

Tabelul 8.2. Valori ale V_R pentru diferite tipuri de celule

Se constata ca valorile potentialului membranar de repaus V_R calculate cu relatia Goldman-Hodgkin-Kats sunt in buna concordanta cu datele experimentale. Diferentele ce apar sunt datorate existentei in concentratii mici a unor alti ioni, cum ar fi Mg²⁺, Ca²⁺ etc, cu rol important in realizarea functiei anumitor celule si tesuturi.