Bioelektrik

Bioelektrik pada Membran sel

Bioelektrik berkaitan dengan proses transport membran sel yang mengendalikan pembentukan dan disipasi gradien ion. Aksi potensi adalah bentuk informasi yang digunakan oleh membran elektrik  untuk mengontrol aktivitas sel (isyarat kalsium, kontraktilitas otot) dan mendukung atau menekan komunikasi antar sel (pelepasan sinyal molekul kimia, hormon, neurotransmitter).

Bagian I: sifat listrik pada membran

§     Asal Usul Potensi Membran

Membran biologis merupakan isolator listrik karena struktur phospholipid bilayer  dan kedap ion, kecuali saluran ion tertentu sementara terbuka. Pada kenyataannya sel-sel, beberapa jenis ion yang berbeda, masing-masing dengan gradien sendiri berkontribusi terhadap pemisahan muatan. Saat istirahat, sel-sel yang paling memiliki potensi sekitar -40 ke-80mV menunjukkan bahwa mereka didominasi oleh K atau permeabilitas Cl (lihat tabel).

ION	INTRASELULER	EKSTRASELULER	GRADIEN	POTENSI NERNST
Na+	12mM	145mM	12 lipat	+67mV
K+	155mM	4 mM	0,0026 lipat	-98 mV
Ca2+	0.001 mM	1,5 mM	15.000 lipat	+129mV
Cl-	4 mM	123 mM	29 lipat	-90 mV

Sedangkan gradien ion adalah hasil dari pompa yang bergerak, ion melintasi membran dalam bentuk ATP tergantung (misalnya Na / K-ATPase). Pemisahan muatan adalah hasil dari saluran ion selektif digunakan untuk acara isyarat yang cepat atau stabilisasi tegangan berkepanjangan (kondisi istirahat). Membran difusi adalah dua langkah proses perpindahan ion dari satu kompartemen air ke yang lain  dan di dalam inti hidrofobik dari lapisan ganda fosfolipid. Contohnya minyak-air koefisien (bergerak masuk dan keluar dari lapis rangkap) dan terjadi  difusi. Koefisien dalam bilayer tersebut penting karena mencakup seluruh hanya ketebalan membran sel, jarak sekitar 4-6 nm. Gradien Ion dapat dimanipulasi dan diukur dengan elektroda yang melekat pada generator arus dan volt meter oleh jenis percobaan ringkasnya dikenal sebagai elektrofisiologi. Hukum Ohm menggambarkan hubungan antara parameter:

Hukum Ohm

E = RI atau I = GE

Dimana:

§      potensial membran (E)

§      hambatan (R)

§      arus membran (I)

§      konduktans (G)

Potensi kesetimbangan untuk spesies ion tunggal di selaput tipis yang memisahkan dua kompartemen dengan konsentrasi tidak sama digambarkan oleh potensi Nernst:

Keseimbangan Potensi Nernst

E (eq) = [RT / zF] ln {C (eks) / C (int)}

Dimana:

§      Konstanta Gas (R)

§      Suhu (T)

§      Jumlah Ion (z)

§      Konstanta Faraday (F)

§      Konsentrasi Ekstraselular (C eks)

§      Konsentrasi Intraselular ( C Int)

Note: Seperti potensi pada membran semi-permeabel. Pertimbangkan spesies ion, misalnya K + selalu datang dengan anion menetralkan muatannya.

Persamaan tegangan paling dasar yang sesuai dengan hubungan antara gradien ion dan potensi membran (dalam neuron dan sel-sel otot) adalah Persamaan Tegangan Goldman-Hodgkin-Katz (GHK) yang mengkuantifikasi hubungan antara permeabilitas tegangan keseimbangan, dan konsentrasi Na, K, dan ion Cl. Contohnya makromolekul yang dibebankan (= poli-elektrolit) seperti protein atau asam nukleat di salah satu sisi membran.

Na (dari) = Cl (dari) & Na (dalam) = Cl (dalam) + ZP (dalam)

Rasio Donnan
Na (dari) / Na (dalam) = Cl (dalam) / Cl (dari)

Note: proses transportasi biologis tidak pada kesetimbangan kimia melainkan mengikuti kestabilan. Contohnya pada Homeostatis. Konsep penting lain yang perlu diingat ketika menganalisis fenomena bioelectric adalah perbedaan antara proses makroskopis dan mikroskopis.

§     Aksi Potensi

Aksi potensi adalah hasil dari aliran ion melalui arus gated tegangan. Sebuah potensial aksi dapat diinduksi ketika perubahan potensial membran elektronik mencapai ambang batas yang diperlukan untuk memicu potensial aksi.

Tabel Potensi Membran

JENIS	PERKEMBANGBIAKAN	FUNGSI	KETERANGAN
ELEKTROTONIC	Pasif	Waktu dan equilibrium	Amplitudo
AKSI POTENSI	aktif	Aktivasi dan inaktivasi kinetik	Frekuensi

Salah satu fitur yang paling penting dari potensial aksi adalah kinetika depolarisasi dan hyperpolarization. Pada dasarnya, seluruh proses tergantung pada kemampuan protein membran tertentu untuk mengalami perubahan konformasi dalam merubah kekuatan medan listrik. Perubahan konformasi ini sebagai fungsi dari tegangan yang dikenal sebagai gating tegangan dan mempengaruhi aktivasi (membuka pori) dan inaktivasi (penutupan pori) dari saluran ini. Jelas bahwa kedua proses ini tidak sesuai satu sama lain dan membentuk suatu sistem loop feedforward dan umpan balik dinamis mendorong potensi perubahan seperti gelombang sepanjang membran aksonal. Siklus Hodgkin menjelaskan seperti sistem self-referensial dinamis sebagai upstroke saluran Na tergantung dari potensial aksi. arus Inward dibawa oleh ion natrium menyebabkan membran depolarize. Arus Na akan berkontribusi untuk hyperpolarization membran dalam kaitannya dengan arus K. Waktu eksponensial dinyatakan sebagai (tau) konstanta waktu yang sebanding dengan resistansi dan kapasitansi.

t = RC

Semakin kecil resistansi (saluran ion banyak yaitu terbuka) dan semakin kecil kapasitansi (sirkuit arus lokal) muatan cepat / kinetika pelepasan.

V = V (eq) exp {-t/RC)

§     Arus Membran

Arus Membran adalah hasil dari pembukaan kanal ion selektif yang menyebabkan ion mengalir di seluruh membran sel. Aliran ini bersifat spontan karena semua jenis ion didistribusikan merata antar kompartemen seluler dan ekstraseluler. Ketika arus diaktifkan, ion selalu akan mulai menyebar melalui pori-pori di kedua arah, meskipun lebih banyak ion akan mengalir dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah (seperti menuruni bukit). Difusi ion ini merupakan bagian penting dari bioelektrik untuk mempertahankan potensi tidak aktif dan menghasilkan potensial aksi. Hal ini juga digunakan untuk beberapa pengangkutan zat terlarut sekunder yang dapat tinggi konsentrasinya dari  di dalam atau di luar sesuai dengan kebutuhan metabolisme. Energi kimia digunakan untuk menjaga pembentukan dan penggunaan potensi membran dan gradien ion.

Hampir semua transporter melibatkan fluks ion melintasi membran. Meskipun tingkat fluks bagus melalui saluran ion, gradien ion tidak hilang dengan cepat karena saluran ion tetap terbuka hanya untuk milidetik pada suatu waktu. Saluran ion membentuk peptida dari mikroorganisme tetapi juga hewan yang digunakan sebagai mekanisme pertahanan. Contohnya adalah bakteri Gramicidin A, mellittin racun lebah, magainins kulit katak antimikroba, dan defensin usus, peptida ionophoric hewan yang berfungsi sebagai garis pertama pertahanan terhadap bakteri patogen.

Saat ini aktivitas dari saluran berdistribusi dan regulasi yang telah dijelaskan dari beberapa sistem protein yang dapat belajar di tingkat unit tunggal. Rekaman saluran tunggal telah memungkinkan karakterisasi rinci sifat kinetik dan pembukaan dan penutupan protein. Resolusi tinggi analisis struktur telah menguatkan keberadaan saluran, saluran struktur, mekanisme gating, selektivitas ion, unsur-unsur penginderaan tegangan, dan ligan situs mengikat (misalnya di mana neurotransmitter dapat mengikat dan mengaktifkan saluran tersebut).

I = g (E-En) = N g Po (E-En)

Dimana:

·        membran (I),

·         jumlah saluran/arus (N)

·        konduktansi membran (g)

·        konduktansi saluran tunggal(g)

·        kemungkinan terbuka saluran tunggal (Po)

·        potensial membran (E)

·        potensi Nernst dari spesies ion selektif untuk saluran (En)

Note: bereaksi terhadap perubahan tekanan atau suhu dan berfungsi sebagai mechanosensing atau suhu merasakan unsur-unsur (misalnya di nosisepsi, persepsi rasa sakit fisiologis).

Bagian II: Bagian Alur Ion

§     ARUS KINETIK

Proses aktivasi dan inaktivasi adalah hasil dari perubahan struktural di saluran Na dan K yang menanggapi perubahan dalam kekuatan medan listrik dari potensial membran berubah. Unsur-unsur struktur protein ini disebut sebagai sensor tegangan yang mengandalkan stimulus untuk komponen struktural lainnya yang disebut gerbang aktivasi dan inaktivasi. Urutan asam amino yang berbeda yang berbeda dan Na-K saluran dapat menjelaskan perbedaan dalam perilaku gating (kinetika) dari saluran ini. Potensi transmembran lokal dipengaruhi oleh biaya mobile di dekatnya, sementara jumlah biaya mobile permukaan dipengaruhi oleh potensi lokal. Akibatnya, konsentrasi ion lokal dapat turun sementara di bawah batas resolusi peralatan elektrofisiologinya modern (sekitar 0.1pA).

§     ION SELEKTIFITAS

Semua saluran ion menunjukkan selektivitas dan lebih memilih ion tertentu sementara yang lain menolak. Tidak ada saluran memiliki selektivitas mutlak untuk spesies ion tunggal.

1.      Saluran bisa ukuran selektif mana ukuran mengacu pada ion terhidrasi kecualian adalah connexin.

2.      Saluran bisa kation atau anion mekanisme menggunakan selektif penyaringan elektrostatik. Contohnya reseptor asetilkolin nikotinat.

3.      Saluran ion kebanyakan ion selektif sehingga mereka dapat membedakan antara natrium, kalium, atau ion kalsium, semua kation.

§     Transmisi Sinapsis

Aksi potensi dihasilkan sel tubuh di mana mereka membentuk kontak dengan innervating sel melalui tombol synapsis. Kimia sinapsis menghasilkan potensi endplate disebut miniatur yang merupakan hasil dari sebuah pulsa tunggal acara exocytotic. Kompleksitas neuronal kombinasi menggunakan signaling sinapsis rangsang dan penghambatan memang besar dan jumlah sinaps aktif atau seberapa kuat mereka dapat sinyal dapat dimodifikasi oleh mekanisme umpan balik metabolik. Variabilitas dikenal sebagai plastisitas sinaptik dan dipanggil dalam model pembelajaran dan memori. Mekanisme kopling metabolisme dan listrik yang tidak sepenuhnya dipahami khususnya mengenai kemampuan dari sambungan banyak celah untuk meningkatkan arus informasi searah.

§      ALUR DAN PENYAKIT

Gangguan fungsi saluran dapat menjadi penyebab banyak penyakit. Voltage gated saluran ion berkontribusi aritmia di jantung karena keterlibatan mereka dalam membentuk potensi tindakan dan pola penembakan neuron dan sel-sel otot. Siklus ini berakhir dengan gelombang-T yang merupakan karakteristik dari repolarisasi dari ventrikel.