Potencial mirovanja celice: definicija, vzroki in pomen

Počivalni potencial celice je membranski potencial, ki bi se ohranil, če ne bi bilo akcijskih potencialov, sinaptičnih potencialov ali drugih aktivnih sprememb membranskega potenciala. V večini celic ima potencial mirovanja negativno vrednost, kar po dogovoru pomeni, da je v celici presežek negativnega naboja v primerjavi z zunanjostjo. Potencial mirovanja določajo predvsem koncentracije ionov v tekočinah na obeh straneh celične membrane in beljakovine za prenos ionov, ki so v celični membrani. Kako koncentracije ionov in membranski transportni proteini vplivajo na vrednost potenciala mirovanja, je opisano v nadaljevanju.

Kaj je potencial mirovanja in kako ga merimo

Potencial mirovanja je električni potencialna razlika med notranjostjo celice in zunanjo tekočino, ko celica ni aktivirana. Izraža se v milivoltih (mV). Meri se z mikroelektrodami (intracelularno vstavljenimi elektrodami) ali z metodo patch-clamp, ki omogoča zelo natančno določanje membranskega potenciala in ionskih tokov.

Glavni vzroki za nastanek potenciala mirovanja

Razlika v koncentracijah ionov: Najpomembnejši so kalijevi (K+), natrijev (Na+) in kloridni (Cl-) ioni. Tipično je znotraj celice visoka koncentracija K+ in nizka koncentracija Na+, zunaj pa obratno.
Selektivna prepustnost membrane: Membrana je v mirovanju bolj prepustna za K+ kot za Na+. Posledica večjega pobega K+ iz celice je notranji negativni naboj.
Ion in transportni proteini: Ionni kanali (zlasti tako imenovani "leak" K+ kanali) in pompa Na+/K+ ATPaza aktivno vzdržujejo koncentracijske razlike. Na+/K+ pumpa transportira 3 Na+ ven in 2 K+ v celico, kar prispeva tudi k majhnemu neposrednemu negativnemu naboju membrane.
Elektrokemijske sile: Vsak ionu ustreza ravnotežni potencial (opisano z Nernstovo enačbo), vendar je končni membranski potencial rezultat součinka več ionov hkrati (opisano z Goldman-Hodgkin-Katzovo enačbo).

Osnovne fizikalne enačbe (na kratko)

Nernstova enačba za en tip iona pove, kateri membranski potencial bi izenačil kemični in električni gradient za ta ion (odvisna je od razmerja zunanje/intracelularne koncentracije, temperature in valence ione).
Goldman-Hodgkin-Katzova (GHK) enačba upošteva sočasno prepustnost membrane za več ionov in daje napoved vrednosti membranskega potenciala, ki temelji na koncentracijah in relativnih prepuščanjih za Na+, K+ in Cl-.

Tipične vrednosti potenciala mirovanja

Nevroni: približno -60 do -75 mV (pogosteje okoli -70 mV).
Skeletne mišične celice: približno -80 do -90 mV.
Srčne miokardne celice: približno -80 do -90 mV v mirovanju.
Vrednosti se razlikujejo glede na vrsto celice in fiziološko stanje.

Pomen potenciala mirovanja

Vpliv na excitabilnost: Višina (večja negativnost) potenciala mirovanja določa, kako blizu je celica pragu za sprožitev akcijskega potenciala. Depolarizacija (manj negativen potencial) poveča verjetnost sproženja akcijskega potenciala.
Transport snovi: Membranski potencial vpliva na elektrogeno difuzijo in aktivne transportne mehanizme, ki prenašajo naboje ali nabite molekule preko membrane.
Ohranjanje volumna celice: Ionni transport in potencial igrata vlogo pri uravnavanju osmotskega ravnovesja in s tem celičnega volumna.
Metabolična poraba energije: Sprožno vzdrževanje koncentracijskih razlik (predvsem s Na+/K+ ATPazo) porablja ATP; zato je potencial mirovanja povezan tudi z energijskim stanjem celice.

Kaj spremeni potencial mirovanja (patološki in fiziološki dejavniki)

Spremembe koncentracij ionov: Npr. povečana zunajcelična koncentracija K+ (hiperkalemija) zmanjša negativnost potenciala mirovanja (depolarizacija) in lahko povzroči mišične in srčne motnje. Spremembe Na+ in Cl- imajo prav tako pomembne učinke.
Zdravila in toksini: Nekatera zdravila odpirajo ali zapirajo ionne kanale (npr. diuretiki, anestetiki, antiaritmiki), kar spreminja membransko prepustnost in potencial mirovanja.
Hormoni in signalne poti: Regulacija kanalov preko fosforilacije ali vezave ligandov lahko modulira prepuščanje ionov in s tem počivalni potencial.
Poškodbe membrane: Fizikalne ali kemijske poškodbe membrane lahko spremenijo njeno prepustnost in porušijo normalni potencial mirovanja.

Meritve in uporaba v raziskavah

Merjenje potenciala mirovanja je osnova za študije živčne in mišične fiziologije, farmakologije ionnih kanalov ter klinične diagnostike (npr. elektrofiziološke preiskave srca). Metode, kot so intracellularne mikroelektrode in patch-clamp tehnika, omogočajo natančne meritve in razumevanje ionskih tokov, ki stojijo za spremembami potenciala mirovanja.

Zaključek

Potencial mirovanja je temeljni fiziološki parameter celic, ki izhaja iz koncentracijskih razlik ionov, selektivne prepustnosti membrane in delovanja transportnih proteinov. Ima ključno vlogo pri nadzoru excitable celic, prenosu signalov, uravnavanju volumna in porabi energije. Razumevanje mehanizmov, ki določajo počivalni potencial, je zato pomembno tako za osnovno biologijo kot za klinično medicino.