Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

18.8: Het rustmembraanpotentiaal
INHOUDSOPGAVE

JoVE Core
Biology

This content is Free Access.

Education
The Resting Membrane Potential
 
Deze voice-over is door de computer gegenereerd
TRANSCRIPT

18.8: The Resting Membrane Potential

18.8: Het rustmembraanpotentiaal

Overview

The relative difference in electrical charge, or voltage, between the inside and the outside of a cell membrane, is called the membrane potential. It is generated by differences in permeability of the membrane to various ions and the concentrations of these ions across the membrane.

The Inside of a Neuron Is More Negative

The membrane potential of a cell can be measured by inserting a microelectrode into a cell and comparing the charge to a reference electrode in the extracellular fluid. The membrane potential of a neuron at rest—that is, a neuron not currently receiving or sending messages—is negative, typically around -70 millivolts (mV). This is called the resting membrane potential. The negative value indicates that the inside of the membrane is relatively more negative than the outside—it is polarized. The resting potential results from two major factors: selective permeability of the membrane, and differences in ion concentration inside the cell compared to outside.

Membrane Permeability

Cell membranes are selectively permeable because most ions and molecules cannot cross the lipid bilayer without help, often from ion channel proteins that span the membrane. This is because the charged ions cannot diffuse through the uncharged hydrophobic interior of membranes. The most common intra- and extracellular ions found in the nervous tissue are potassium (K+), sodium (Na+), chloride (Cl-), and calcium (Ca2+). When a neuron is at rest, potassium (K+) channels are the main type of ion channel that is open—allowing K+ to migrate across the membrane. This permeability, together with the large intracellular concentrations, make the neuron’s resting membrane potential determined mainly by the movement of K+.

Pumps Create Concentration Gradients

Differences in ion concentration between the inside and outside of neurons are primarily due to the activity of the sodium-potassium (Na+/ K+) pump—a transmembrane protein that continuously pumps three Na+ ions out of the cell for every two K+ ions it pumps in. This establishes concentration gradients, with a higher concentration of Na+ ions outside of neurons and a higher concentration of K+ ions inside.

Since the membrane is primarily permeable to K+ at rest—due to the open K+ channels—K+ can diffuse down its concentration gradient to the region of lower concentration, out of the cell. These positive charges leaving the cell, combined with the fact that there are many negatively charged proteins inside the cell, causes the inside to be relatively more negative.

Eventually, outward diffusion of K+ is balanced by the electrostatic repulsion of positive charges accumulating outside the cell, and electrochemical equilibrium is reached. The net effect is the observed negative resting potential. The resting potential is very important in the nervous system because changes in membrane potential—such as the action potential—are the basis for neural signaling.

Beware the Puffer Fish

Pufferfish is not often found on many seafood menus outside of Japan, in part because they contain a potent neurotoxin. Tetrodotoxin (TTX) is a very selective voltage-gated sodium channel blocker that is lethal in minimal doses. The median lethal dose (LD50) for mice is 334 μg/kg, compared to 8.5 mg/kg for potassium cyanide. It has also served as an essential tool in neuroscience research. The toxin blocks the flow of Na+ into the cell when the channel opens. It, therefore, disrupts action potentials—but not the resting membrane potential—and can be used to silence neuronal activity. Its mechanism of action was demonstrated by Toshio Narahashi and John W. Moore at Duke University, working on the giant lobster axon in 1964.

Overzicht

Het relatieve verschil in elektrische lading, of spanning, tussen de binnenkant en de buitenkant van een celmembraan, wordt de membraanpotentiaal genoemd. Het wordt gegenereerd door verschillen in permeabiliteit van het membraan voor verschillende ionen en de concentraties van deze ionen door het membraan.

De binnenkant van een neuron is negatiever

De membraanpotentiaal van een cel kan worden gemeten door een micro-elektrode in een cel te plaatsen en de lading te vergelijken met een referentie-elektrode in de extracellulaire vloeistof. De membraanpotentiaal van een neuron in rust - dat wil zeggen, een neuron dat momenteel geen berichten ontvangt of verzendt - is negatief, meestal rond -70 millivolt (mV). Dit wordt het rustmembraanpotentiaal genoemd. De negatieve waarde geeft aan dat de binnenkant van het membraan relatief negatiever is dan de buitenkant - het is gepolariseerd. Het rustpotentieel is het resultaat van twee belangrijke factoren: selectieve permeabiliteit van het membraan en verschillen in ionconcentratietration in de cel vergeleken met buiten.

Membraandoorlaatbaarheid

Celmembranen zijn selectief permeabel omdat de meeste ionen en moleculen de lipidedubbellaag niet zonder hulp kunnen passeren, vaak van ionkanaaleiwitten die het membraan overspannen. Dit komt omdat de geladen ionen niet kunnen diffunderen door het ongeladen hydrofobe binnenste van membranen. De meest voorkomende intra- en extracellulaire ionen die in het zenuwweefsel worden aangetroffen, zijn kalium (K + ), natrium (Na + ), chloride (Cl - ) en calcium (Ca 2+ ). Wanneer een neuron in rust is, zijn kaliumkanalen (K + ) het belangrijkste type ionkanaal dat open is, waardoor K + door het membraan kan migreren. Deze permeabiliteit, samen met de grote intracellulaire concentraties, zorgen ervoor dat de rustmembraanpotentiaal van het neuron voornamelijk wordt bepaald door de beweging van K + .

Pompen creëren concentratiegradiënten

Verschillen in ionenconcentratie tussen de inside en buiten de neuronen zijn voornamelijk te wijten aan de activiteit van de natrium-kaliumpomp (Na + / K + ) - een transmembraaneiwit dat continu drie Na + -ionen uit de cel pompt voor elke twee K + -ionen die erin worden gepompt. vestigt concentratiegradiënten, met een hogere concentratie van Na + -ionen buiten neuronen en een hogere concentratie van K + -ionen binnenin.

Omdat het membraan in rust voornamelijk permeabel is voor K + - vanwege de open K + kanalen - kan K + zijn concentratiegradiënt naar beneden diffunderen naar het gebied met de lagere concentratie, uit de cel. Deze positieve ladingen die de cel verlaten, gecombineerd met het feit dat er veel negatief geladen eiwitten in de cel zitten, zorgen ervoor dat de binnenkant relatief negatiever is.

Uiteindelijk wordt de diffusie naar buiten van K + gecompenseerd door de elektrostatische afstoting van positieve ladingen die zich buiten de cel ophopen, eene elektrochemisch evenwicht is bereikt. Het netto-effect is het waargenomen negatieve rustpotentieel. Het rustpotentieel is erg belangrijk in het zenuwstelsel omdat veranderingen in membraanpotentiaal - zoals het actiepotentiaal - de basis vormen voor neurale signalering.

Pas op voor de kogelvis

Kogelvis wordt niet vaak aangetroffen op veel vismenu's buiten Japan, deels omdat ze een krachtig neurotoxine bevatten. Tetrodotoxine (TTX) is een zeer selectieve spanningsafhankelijke natriumkanaalblokker die in minimale doses dodelijk is. De mediane letale dosis (LD50) voor muizen is 334 μg / kg, vergeleken met 8,5 mg / kg voor kaliumcyanide. Het heeft ook gediend als een essentieel instrument in neurowetenschappelijk onderzoek. Het toxine blokkeert de stroom Na + in de cel wanneer het kanaal opengaat. Het verstoort daarom actiepotentialen - maar niet het rustmembraanpotentieel - en kan worden gebruikt om neuronale activiteit tot zwijgen te brengen. Het werkingsmechanisme werd aangetoond door Toshio Narahashi and John W. Moore van Duke University, waar hij in 1964 aan de gigantische kreeftaxon werkte.


Aanbevolen Lectuur

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter