Naboj stanične membrane u mirovanju. Akcioni potencijal ekscitabilne ćelije i njegove faze. Električne i fiziološke manifestacije uzbuđenja

»: Potencijal mirovanja je važna pojava u životu svih tjelesnih ćelija i važno je znati kako nastaje. Međutim, ovo je složen dinamičan proces, teško razumljiv u cjelini, posebno za studente osnovnih studija (biološke, medicinske i psihološke specijalnosti) i nespremne čitaoce. Međutim, kada se razmatraju točke, sasvim je moguće razumjeti njegove glavne detalje i faze. Rad uvodi pojam potencijala mirovanja i ističe glavne faze njegovog formiranja koristeći figurativne metafore koje pomažu razumjeti i zapamtiti molekularne mehanizme formiranja potencijala mirovanja.

Membranske transportne strukture - natrijum-kalijum pumpe - stvaraju preduslove za nastanak potencijala mirovanja. Ovi preduslovi su razlika u koncentraciji jona na unutrašnjim i vanjske strane stanične membrane. Zasebno se očituje razlika u koncentraciji za natrij i razlika u koncentraciji za kalij. Pokušaj kalijevih jona (K+) da izjednače svoju koncentraciju na obje strane membrane dovodi do njegovog istjecanja iz ćelije i gubitka pozitivnih električnih naboja zajedno s njima, zbog čega je ukupni negativni naboj unutrašnje površine membrane. ćelija je značajno povećana. Ova "kalijumova" negativnost čini većinu potencijala mirovanja (-60 mV u prosjeku), a manji dio (-10 mV) je negativnost "razmjene" uzrokovana elektrogenošću same pumpe za izmjenu jona.

Hajde da razumemo detaljnije.

Zašto moramo znati šta je potencijal mirovanja i kako nastaje?

Znate li šta je "životinjski elektricitet"? Odakle potiču biostruje u tijelu? Kako živa ćelija, koji se nalazi u vodenoj sredini, može se pretvoriti u "električnu bateriju" i zašto se odmah ne isprazni?

Na ova pitanja možemo odgovoriti samo ako saznamo kako ćelija stvara za sebe razliku u električnim potencijalima (potencijal mirovanja) preko membrane.

Sasvim je očigledno da je za razumevanje načina na koji funkcioniše nervni sistem potrebno prvo razumeti kako funkcioniše njegova zasebna nervna ćelija, neuron. Glavna stvar koja je u osnovi rada neurona je kretanje električnih naboja kroz njegovu membranu i, kao rezultat, pojava električnih potencijala na membrani. Možemo reći da se neuron priprema za svoje nervni rad, u početku pohranjuje energiju u električnom obliku, a zatim je koristi u procesu provođenja i prenošenja nervnog uzbuđenja.

Dakle, naš prvi korak u proučavanju rada nervnog sistema jeste da razumemo kako se električni potencijal pojavljuje na membrani nervnih ćelija. To je ono što ćemo učiniti, i nazvat ćemo ovaj proces formiranje potencijala mirovanja.

Definicija koncepta "potencijala mirovanja"

Normalno, kada je nervna ćelija u fiziološkom mirovanju i spremna za rad, već je prošla kroz preraspodjelu električnih naboja između unutrašnje i vanjske strane membrane. Zbog toga je nastalo električno polje, a na membrani se pojavio električni potencijal - membranski potencijal mirovanja.

Dakle, membrana je polarizirana. To znači da ima različit električni potencijal vanjske i unutrašnje površine. Sasvim je moguće registrovati razliku između ovih potencijala.

Ovo se može provjeriti umetanjem mikroelektrode spojene na uređaj za snimanje u ćeliju. Čim elektroda uđe u ćeliju, ona trenutno stječe određeni konstantni elektronegativni potencijal u odnosu na elektrodu koja se nalazi u tekućini koja okružuje ćeliju. Veličina intracelularnog električnog potencijala u nervnim ćelijama i vlaknima, na primjer, džinovska nervnih vlakana lignje, u mirovanju je oko -70 mV. Ova vrijednost se naziva potencijal membrane mirovanja (RMP). Na svim tačkama aksoplazme ovaj potencijal je praktično isti.
Nozdrachev A.D. itd. Počeci fiziologije.

Još malo fizike. makroskopski fizička tijela, po pravilu su električno neutralni, tj. sadrže jednake količine pozitivnih i negativnih naboja. Moguće je nabiti tijelo stvaranjem u njemu viška nabijenih čestica jedne vrste, na primjer, trenjem o drugo tijelo, u kojem se u ovom slučaju formira višak naelektrisanja suprotnog tipa. Uzimajući u obzir prisustvo elementarnog naboja ( e), ukupni električni naboj bilo kojeg tijela može se predstaviti kao q= ±N× e, gdje je N cijeli broj.

potencijal odmora- ovo je razlika u električnim potencijalima dostupnim na unutrašnjoj i vanjskoj strani membrane kada je stanica u stanju fiziološkog mirovanja. Njegova vrijednost se mjeri iznutra ćelije, negativna je i u prosjeku iznosi -70 mV (milivolti), iako može varirati u različitim ćelijama: od -35 mV do -90 mV.

Važno je uzeti u obzir da u nervni sistem električni naboji nisu predstavljeni elektronima, kao u običnim metalnim žicama, već ionima - hemijskim česticama koje imaju električni naboj. I općenito u vodeni rastvori Ne kreću se elektroni u obliku električne struje, već joni. Zato sve električne struje u ćelijama i njihovom okruženju je jonske struje.

Dakle, unutar ćelije u mirovanju je negativno nabijena, a izvana - pozitivno. To je karakteristično za sve žive stanice, s izuzetkom, možda, eritrocita, koji su, naprotiv, negativno nabijeni izvana. Konkretnije, ispostavilo se da će pozitivni ioni (katjoni Na + i K +) prevladati izvan ćelije, a negativni ioni (anioni organske kiseline, ne mogu se slobodno kretati kroz membranu, poput Na + i K +).

Sada samo treba da objasnimo kako je sve tako ispalo. Iako je, naravno, neugodno shvatiti da sve naše stanice osim eritrocita samo izvana izgledaju pozitivno, ali iznutra su negativne.

Termin "negativnost", koji ćemo koristiti za karakterizaciju električnog potencijala unutar ćelije, bit će nam koristan zbog jednostavnosti objašnjavanja promjena u nivou potencijala mirovanja. Ono što je vrijedno u ovom terminu je da je sljedeće intuitivno jasno: što je veća negativnost unutar ćelije, to je niža u negativnu stranu potencijal je pomjeren od nule, a što je manja negativnost, negativni potencijal je bliži nuli. Ovo je mnogo lakše razumeti nego svaki put razumeti šta tačno znači izraz „povećanje potencijala“ – povećanje apsolutne vrednosti (ili „modulo“) značiće pomeranje potencijala odmora naniže od nule, ali jednostavno „povećanje“ znači pomak potencijala do nule. Termin "negativnost" ne stvara slične probleme dvosmislenosti.

Suština formiranja potencijala mirovanja

Pokušajmo otkriti odakle dolazi električni naboj nervnih ćelija, iako ih niko ne trlja, kao što to rade fizičari u svojim eksperimentima s električnim nabojima.

Ovdje istraživača i studenta čeka jedna od logičnih zamki: unutrašnja negativnost ćelije ne proizlazi iz pojava dodatnih negativnih čestica(anioni), ali, obrnuto, zbog gubitak nekih pozitivnih čestica(kationi)!

Dakle, gdje idu pozitivno nabijene čestice iz ćelije? Da vas podsjetim da su to joni natrijuma koji su napustili ćeliju i akumulirali se van - Na + - i joni kalija - K+.

Glavna tajna pojave negativnosti unutar ćelije

Hajdemo odmah da otvorimo ovu tajnu i kažemo da ćelija gubi neke od svojih pozitivnih čestica i postaje negativno nabijena zbog dva procesa:

u početku, ona mijenja svoj “sopstveni” natrijum za “strani” kalijum (da, neki pozitivni joni za druge, jednako pozitivni);
onda ovi "imenovani" pozitivni joni kalija istječu iz nje, zajedno s kojima pozitivni naboji istječu iz ćelije.

Ova dva procesa moramo objasniti.

Prva faza stvaranja unutrašnje negativnosti: zamjena Na+ za K+

U membrani nervne ćelije proteini stalno rade izmenjivačke pumpe(adenozin trifosfataza, ili Na + /K + -ATPaza), ugrađena u membranu. Oni mijenjaju "sopstveni" natrijum ćelije u spoljašnji "strani" kalijum.

Ali na kraju krajeva, kada se jedan pozitivan naboj (Na+) zamijeni drugim istog pozitivnog naboja (K+), pozitivnih naboja u ćeliji ne može nedostajati! Ispravno. Ali, ipak, zbog ove razmjene, vrlo malo jona natrijuma ostaje u ćeliji, jer su skoro svi izašli van. A u isto vrijeme, ćelija je prepuna jona kalija, koje su u nju upumpale molekularne pumpe. Kada bismo mogli okusiti citoplazmu ćelije, primijetili bismo da je kao rezultat rada pumpi za izmjenu ona prešla iz slanog u gorko-slano-kiseli, jer je slan okus natrijum hlorida zamijenjen prilično složenim okusom. . koncentrovani rastvor kalijum hlorid. U ćeliji koncentracija kalija dostiže 0,4 mol / l. Rastvori kalijum hlorida u rasponu od 0,009-0,02 mol/l imaju slatki ukus, 0,03-0,04 - gorak, 0,05-0,1 - gorko-slan, a počevši od 0,2 i više - složen ukus, koji se sastoji od slanog, gorkog i kiselo.

Ono što je ovdje važno je to izmjena natrijuma za kalij - nejednaka. Za svaku datu ćeliju tri natrijumova jona ona dobija sve dva jona kalijuma. Ovo rezultira gubitkom jednog pozitivnog naboja sa svakim događajem jonske izmjene. Dakle, već u ovoj fazi, zbog nejednake razmjene, ćelija gubi više „plusova“ nego što dobija zauzvrat. U električnom smislu, ovo iznosi približno -10 mV negativnosti unutar ćelije. (Ali zapamtite da još uvijek moramo pronaći objašnjenje za preostalih -60 mV!)

Da bismo lakše zapamtili rad pumpi izmjenjivača, to se može figurativno izraziti na sljedeći način: "Ćelija voli kalijum!" Zbog toga ćelija vuče kalijum prema sebi, uprkos činjenici da ga je već puna. I stoga, ona ga neprofitabilno mijenja za natrijum, dajući 3 jona natrijuma za 2 jona kalija. I tako troši na ovu razmjenu energiju ATP-a. I kako potrošiti! Do 70% ukupne potrošnje energije neurona može se potrošiti na rad natrijum-kalijum pumpi. (To radi ljubav, čak i ako nije stvarna!)

Inače, zanimljivo je da se ćelija ne rađa sa gotovim potencijalom mirovanja. Ona to još treba da stvori. Na primjer, tokom diferencijacije i fuzije mioblasta, potencijal njihove membrane se mijenja od –10 do –70 mV, tj. njihova membrana postaje negativnija - postaje polarizirana u procesu diferencijacije. I u eksperimentima na multipotentnim mezenhimalnim stromalnim stanicama koštana srž Kod ljudi, umjetna depolarizacija, koja se suprotstavlja potencijalu mirovanja i smanjuje negativnost stanica, čak inhibira (depresivnu) ćelijsku diferencijaciju.

Slikovito rečeno, to se može izraziti na sljedeći način: Stvaranjem potencijala za odmor, ćelija se „nabija ljubavlju“. To je ljubav za dve stvari:

ljubav ćelije prema kalijumu (dakle, ćelija ga na silu vuče k sebi);
ljubav prema kalijumu prema slobodi (dakle, kalijum napušta ćeliju koja ga je zarobila).

Mehanizam zasićenja ćelije kalijumom smo već objasnili (ovo je rad izmenjivačkih pumpi), a mehanizam napuštanja kalijuma iz ćelije objasnićemo u nastavku, kada pređemo na opis druge faze stvaranja unutarćelijske negativnosti. Dakle, rezultat aktivnosti membranskih pumpi ionskog izmjenjivača u prvoj fazi formiranja potencijala mirovanja je sljedeći:

Nedostatak natrijuma (Na+) u ćeliji.
Višak kalijuma (K+) u ćeliji.
Pojava slabog električnog potencijala na membrani (–10 mV).

Možemo reći ovo: u prvoj fazi, jonske pumpe membrane stvaraju razliku u koncentraciji jona, odnosno koncentracijski gradijent (razliku), između unutarćelijske i ekstracelularne sredine.

Druga faza stvaranja negativnosti: curenje K+ jona iz ćelije

Dakle, šta počinje u ćeliji nakon što njene membranske pumpe izmjenjivača natrijum-kalijum rade sa jonima?

Zbog nastalog nedostatka natrijuma unutar ćelije, ovaj ion teži u svakoj prilici juri unutra: otopljene tvari uvijek teže da izjednače svoju koncentraciju u cijelom volumenu otopine. Ali ovo ne funkcioniše dobro za natrijum, pošto su natrijum jonski kanali obično zatvoreni i otvoreni samo kada određenim uslovima: pod uticajem posebnih supstanci (transmitera) ili sa smanjenjem negativnosti u ćeliji (depolarizacija membrane).

Istovremeno, u ćeliji postoji višak jona kalijuma u odnosu na spoljašnju sredinu – jer su ga membranske pumpe na silu upumpale u ćeliju. A on, takođe nastojeći da izjednači svoju koncentraciju iznutra i izvana, teži, naprotiv, izađi iz ćelije. I uspeva!

Kalijum ioni K+ napuštaju ćeliju pod dejstvom hemijskog gradijenta koncentracije na suprotnim stranama membrane (membrana je mnogo propusnija za K+ nego za Na+) i sa sobom nose pozitivne naboje. Zbog toga negativnost raste unutar ćelije.

Ovdje je također važno shvatiti da ioni natrijuma i kalija, takoreći, "ne primjećuju" jedni druge, oni reagiraju samo "na sebe". One. natrijum reaguje na koncentraciju natrijuma, ali "ne obraća pažnju" na to koliko je kalijuma u blizini. Suprotno tome, kalij reagira samo na koncentraciju kalija i "ne primjećuje" natrij. Ispostavilo se da je za razumijevanje ponašanja jona potrebno odvojeno razmotriti koncentracije natrijevih i kalijevih jona. One. potrebno je posebno porediti koncentraciju natrijuma unutar i van ćelije i posebno koncentraciju kalijuma unutar i izvan ćelije, ali nema smisla porediti natrijum sa kalijumom, kako se to dešava u udžbenicima.

Prema zakonu izjednačavanja hemijskih koncentracija, koji deluje u rastvorima, natrijum "želi" da uđe u ćeliju izvana; tamo ga vuče i električna sila (kao što se sjećamo, citoplazma je negativno nabijena). On želi nešto, ali ne može, jer opna u svom normalnom stanju to ne prolazi dobro. Kanali natrijum jona prisutni u membrani su normalno zatvoreni. Ako ipak malo uđe, tada ga ćelija odmah zamjenjuje za vanjski kalij uz pomoć svojih pumpi za izmjenu natrijuma i kalija. Ispostavilo se da ioni natrijuma prolaze kroz ćeliju kao da su u tranzitu i ne zadržavaju se u njoj. Stoga, natrijuma u neuronima uvijek nedostaje.

Ali kalijum jednostavno može lako izaći iz ćelije! Kavez ga je pun, a ona ga ne može zadržati. Izlazi kroz posebne kanale u membrani - "kanale za curenje kalijuma", koji su normalno otvoreni i oslobađaju kalijum.

K + -kanali curenja su stalno otvoreni na normalne vrednosti membranski potencijal mirovanja i pokazuju nalete aktivnosti tokom pomaka membranskog potencijala, koji traju nekoliko minuta i zapažaju se pri svim vrijednostima potencijala. Povećanje K+ struja curenja dovodi do hiperpolarizacije membrane, dok njihovo potiskivanje dovodi do depolarizacije. ...Međutim, postojanje mehanizma kanala odgovornog za struje curenja, dugo vremena ostala u pitanju. Tek sada je postalo jasno da je curenje kalija struja kroz posebne kalijumove kanale.
Zefirov A.L. i Sitdikova G.F. Jonski kanali ekscitabilne ćelije (struktura, funkcija, patologija).

Od hemijskih do električnih

A sada – još jednom ono najvažnije. Moramo svjesno krenuti od kretanja hemijske čestice na pokret električnih naboja.

Kalijum (K+) je pozitivno nabijen, pa stoga, kada napusti ćeliju, iz nje izvlači ne samo sebe, već i pozitivan naboj. Iza njega se od unutrašnjosti ćelije do membrane protežu "minusi" - negativni naboji. Ali oni ne mogu prodrijeti kroz membranu - za razliku od jona kalija - jer. za njih ne postoje odgovarajući jonski kanali, a membrana ih ne propušta. Sjećate li se negativnosti od -60 mV koju nismo objasnili? To je upravo dio potencijala membrane mirovanja, koji nastaje curenjem jona kalija iz ćelije! I to - večina potencijal odmora.

Postoji čak i poseban naziv za ovu komponentu potencijala mirovanja - potencijal koncentracije. potencijal koncentracije - ovo je dio potencijala mirovanja, nastao deficitom pozitivnih naboja unutar ćelije, nastalih zbog curenja pozitivnih jona kalija iz nje.

Pa, sad malo fizike, hemije i matematike za ljubitelje tačnosti.

Električne sile su povezane sa hemijskim silama Goldmanovom jednačinom. Njegov poseban slučaj je jednostavnija Nernstova jednadžba, koja se može koristiti za izračunavanje razlike potencijala transmembranske difuzije na osnovu različitih koncentracija jona iste vrste na različitim stranama membrane. Dakle, znajući koncentraciju kalijevih jona izvan i unutar ćelije, možemo izračunati potencijal ravnoteže kalija E K:

gdje E k - ravnotežni potencijal, R je gasna konstanta, T je apsolutna temperatura, F- Faradayeva konstanta, K + ext i K + ext - koncentracije jona K + izvan i unutar ćelije, respektivno. Formula pokazuje da se za izračunavanje potencijala međusobno uspoređuju koncentracije jona istog tipa - K +.

Tačnije, konačna vrijednost ukupnog difuzionog potencijala, koji nastaje curenjem nekoliko vrsta jona, izračunava se pomoću Goldman-Hodgkin-Katz formule. Uzima u obzir da potencijal mirovanja zavisi od tri faktora: (1) polariteta električnog naboja svakog jona; (2) propusnost membrane R za svaki ion; (3) [koncentracije odgovarajućih jona] unutar (int) i izvan membrane (ex). Za membranu aksona lignje u mirovanju, omjer provodljivosti je R K: PNa :P Cl = 1:0,04:0,45.

Zaključak

Dakle, potencijal ostatka se sastoji od dva dijela:

−10 mV, koji se dobijaju "asimetričnim" radom pumpe membranskog izmenjivača (na kraju krajeva, ona ispumpava više pozitivnih naelektrisanja (Na +) iz ćelije nego što pumpa nazad sa kalijumom).
Drugi dio je kalijum koji cijelo vrijeme curi iz ćelije, noseći pozitivne naboje. Njegov doprinos je glavni: −60 mV. Sve u svemu, ovo daje željenih −70 mV.

Zanimljivo je da će kalij prestati napuštati ćeliju (tačnije, njegov ulaz i izlaz su izjednačeni) tek na nivou negativnosti ćelije od -90 mV. U ovom slučaju, hemijske i električne sile će se izjednačiti, gurajući kalij kroz membranu, ali ga usmjeravajući na suprotne strane. Ali to ometa konstantno curenje natrijuma u ćeliju, što sa sobom nosi pozitivne naboje i smanjuje negativnosti za koje se kalijum „bori“. I kao rezultat, u ćeliji se održava ravnotežno stanje na nivou od -70 mV.

Sada je konačno formiran membranski potencijal mirovanja.

Shema Na + /K + -ATPaze jasno ilustruje "asimetričnu" razmjenu Na + za K +: ispumpavanje viška "plusa" u svakom ciklusu enzimske operacije dovodi do negativnog naboja unutrašnje površine membrane. Ono što ovaj video ne kaže je da je ATPaza odgovorna za manje od 20% potencijala mirovanja (-10 mV): preostala "negativnost" (-60 mV) dolazi od napuštanja ćelije kroz "kanale curenja kalijuma" K. joni +, nastojeći izjednačiti njihovu koncentraciju unutar i izvan ćelije.

Književnost

Jacqueline Fischer-Lougheed, Jian-Hui Liu, Estelle Espinos, David Mordasini, Charles R. Bader, et. al (2001). Fuzija ljudskih mioblasta zahtijeva ekspresiju funkcionalnih kanala Kir2.1 ispravljača prema unutra. J Cell Biol. 153 , 677-686;
Liu J.H., Bijlenga P., Fischer-Lougheed J. et al. (1998). Uloga K+ struje unutrašnjeg ispravljača i hiperpolarizacije u fuziji humanih mioblasta. J Physiol. 510 , 467–476;
Sarah Sundelacruz, Michael Levin, David L. Kaplan. (2008). Membranski potencijal kontroliše adipogenu i osteogenu diferencijaciju mezenhimalnih matičnih ćelija. PLOS ONE. 3 , e3737;
Pavlovskaya M.V. i Mamykin A.I. Elektrostatika. Dielektrici i provodnici u električnom polju. DC / Elektronski priručnik uključen opšti kurs fizike. St. Petersburg: St. Petersburg State Electrotechnical University;
Nozdrachev A.D., Bazhenov Yu.I., Barannikova I.A., Batuev A.S. i dr. Počeci fiziologije: udžbenik za srednje škole / Ed. akad. HELL. Nozdrachev. Sankt Peterburg: Lan, 2001. - 1088 str.;
Makarov A.M. i Luneva L.A. Osnovi elektromagnetizma / Fizika na Tehničkom univerzitetu. T. 3;
Zefirov A.L. i Sitdikova G.F. Jonski kanali ekscitabilne ćelije (struktura, funkcija, patologija). Kazan: Art-cafe, 2010. - 271 str.;
Rodina T.G. Senzorna analiza prehrambenih proizvoda. Udžbenik za studente. M.: Akademija, 2004. - 208 str.;
Kolman J. i Rem K.-G. Vizuelna biohemija. M.: Mir, 2004. - 469 str.;
Shulgovsky V.V. Osnove neurofiziologije: Tutorial za studente. Moskva: Aspect Press, 2000. - 277 str.

Potencijal membrane mirovanja (MPS) je razlika potencijala između vanjske i unutrašnje strane membrane u uvjetima kada stanica nije pobuđena. Citoplazma ćelije je negativno nabijena vanćelijskoj tekućini zbog neravnomjerne raspodjele anjona i kationa na obje strane membrane. Razlika potencijala (napon) za razne ćelije ima vrijednost od -50 do -200 mV (minus znači da je unutar ćelije negativno nabijena nego van). Membranski potencijal mirovanja javlja se na membranama svih ćelija – ekscitatornih (nervi, mišići, sekretorne ćelije) i onih koje nisu u budnom stanju.

MPS je neophodan za održavanje ekscitabilnosti ćelija kao što su mišićne i nervne ćelije. Takođe utiče na transport svih naelektrisanih čestica u bilo kojoj vrsti ćelije: promoviše pasivni transport anjona iz ćelije i kationa u ćeliju.

Formiranje i održavanje membranskog potencijala obezbjeđuje različite vrste jonske pumpe (posebno natrijum-kalijum pumpa ili natrijum-kalijum ATPaza) i jonski kanali (jonski kanali kalijuma, natrijuma, hlorida).

Registracija potencijala mirovanja

Za registraciju potencijala mirovanja koristi se posebna mikroelektrodna tehnika. Mikroelektroda je tanka staklena cijev sa izduženim krajem, manjeg od 1 µm u prečniku, napunjena rastvorom elektrolita (obično kalijum hlorida). Referentna elektroda je srebrna klorirana ploča smještena u ekstracelularnom prostoru, obje elektrode su spojene na osciloskop. Prvo, obje elektrode se nalaze u ekstracelularnom prostoru i između njih nema razlike potencijala, ako unesete mikroelektrodu za snimanje kroz membranu u ćeliju, tada će osciloskop pokazati pomak potencijala skoka do oko -80 mV. Ovaj pomak potencijala naziva se potencijal membrane mirovanja.

Formiranje potencijala mirovanja

Dva faktora dovode do pojave membranskog potencijala mirovanja: prvo, koncentracije različitih jona se razlikuju izvana i unutar ćelije, i drugo, membrana je polupropusna: neki ioni mogu prodrijeti kroz nju, drugi ne. Oba ova fenomena zavise od prisustva posebnih proteina u membrani: gradijenti koncentracije stvaraju jonske pumpe, a jonski kanali obezbeđuju propusnost membrane za jone. kritičnu ulogu joni kalija, natrijuma i hlora igraju ulogu u formiranju membranskog potencijala. Koncentracije ovih jona vidljive su na obje strane membrane. Za neuron sisara, koncentracija K+ je 140 mmol unutar ćelije i samo 5 mM izvana, gradijent koncentracije Na+ je skoro suprotan - 150 mmol spolja i 15 mM unutra. Ovu distribuciju jona održava natrijum-kalijum pumpa u plazma membrani, protein koji koristi energiju ATP-a za pumpanje K+ u ćeliju i preuzimanje Na+ iz nje. Postoji i gradijent koncentracije za druge ione, na primjer, kloridni anion Cl -.

Gradijent koncentracije kalijevih i natrijevih kationa je hemijski oblik potencijalna energija. Ionski kanali su uključeni u pretvaranje energije u električnu energiju – pore se formiraju akumulacijom posebnih transmembranskih proteina. Kada ioni difundiraju kroz kanal, oni nose jedinicu električnog naboja. Svako neto kretanje pozitivnih ili negativnih jona kroz membranu će stvoriti napon, ili potencijalnu razliku, na obje strane membrane.

Jonski kanali uključeni u uspostavljanje MPS-a imaju selektivnu permeabilnost, odnosno dozvoljavaju prodiranje samo određenog tipa jona. U membrani neurona u mirovanju, kalijevi kanali su otvoreni (oni koji uglavnom propuštaju samo kalijum), većina natrijumovih kanala je zatvorena. Difuzija K+ jona kroz kalijumove kanale je kritična za stvaranje membranskog potencijala. Pošto je koncentracija K+ mnogo veća unutar ćelije, hemijski gradijent pospešuje odliv ovih kationa iz ćelije, pa u citoplazmi počinju da dominiraju anjoni koji ne mogu da prođu kroz kalijumove kanale.

Odliv kalijevih jona iz ćelije ograničen je samim membranskim potencijalom, jer će na određenom nivou akumulacija negativnih naelektrisanja u citoplazmi ograničiti kretanje kationa van ćelije. Dakle, glavni faktor u nastanku MPS je distribucija jona kalijuma pod dejstvom električnih i hemijskih potencijala.

Potencijal ravnoteže

Da bi se utvrdio uticaj kretanja određenog jona kroz polupropusnu membranu na formiranje membranskog potencijala, grade se modelni sistemi. Takav modelni sistem sastoji se od posude podijeljene na dvije ćelije umjetnom polupropusnom membranom u koju su ugrađeni jonski kanali. U svaku ćeliju se može uroniti elektroda i može se izmjeriti razlika potencijala.

Razmotrimo slučaj kada je umjetna membrana propusna samo za kalij. Na obje strane membrane modelnog sistema stvara se koncentracijski gradijent sličan onom neurona: 140 mM rastvor kalijum hlorida (KCl) se stavlja u ćeliju koja odgovara citoplazmi (unutrašnjoj ćeliji), u ćeliju odgovara intersticijske tečnosti(spoljna ćelija) - 5 mmol rastvor KCl. Ioni kalija će difundirati kroz membranu u vanjsku ćeliju duž gradijenta koncentracije. Ali budući da anioni Cl - prodiru kroz membranu, u unutrašnjoj ćeliji ne može nastati višak negativnog naboja, što će spriječiti odljev kationa. Kada takvi modelni neuroni dostignu ravnotežno stanje, djelovanje kemijskog i električnog potencijala će biti uravnoteženo i neće se primijetiti potpuna difuzija K+. Vrijednost membranskog potencijala, viinkae u takvim uvjetima, naziva se ravnotežni potencijal za određeni ion (E ion). Potencijal ravnoteže za kalij je približno -90 mV.

Sličan eksperiment se može izvesti i za natrij tako što se između stanica ugradi membrana koja prodire samo za ovaj kation, te se u vanjsku ćeliju stavi otopina natrijevog klorida koncentracije 150 mM, a u unutrašnju 15 mM. Natrijum će se pomeriti u unutrašnju ćeliju, a njegov značajan potencijal biće približno 62 mV.

Broj jona koji moraju difundirati da bi generirali električni potencijal je vrlo mali (otprilike 10 -12 mol K+ po 1 cm 2 membrane), ova činjenica ima dvije važne posljedice. Prvo, to znači da koncentracije iona koje mogu proći kroz membranu ostaju stabilne izvan i unutar ćelije, čak i nakon što njihovo kretanje obezbijedi električni potencijal. Drugo, oskudni tokovi jona kroz membranu ne narušavaju električnu neutralnost citoplazme i ekstracelularne tečnosti u cjelini, samo u području neposredno uz plazma membranu, samo da bi se uspostavio potencijal.

Nernstova jednadžba

Potencijal ravnoteže za određeni jon, kao što je kalij, može se izračunati pomoću Nernstove jednadžbe, koja izgleda ovako:

gdje je R univerzalna plinska konstanta, T je apsolutna temperatura (na Kelvinovoj skali), z je naboj jona, F je Faradejev broj, o, i su koncentracija kalija izvan i unutar ćelije, respektivno. Budući da se opisani procesi odvijaju na tjelesnoj temperaturi - 310 ° K, i decimalni logaritmi u računanju je lakše koristiti od prirodnih, ova jednadžba se pretvara na sljedeći način:

Zamjenom koncentracije K+ u Nernstovoj jednadžbi, dobijamo ravnotežni potencijal za kalij, koji iznosi -90 mV. Pošto je uzet nulti potencijal vanjska strana membrane, tada znak minus znači da je u uslovima ravnotežnog kalijum potencijala unutrašnja Storn membrana relativno elektronegativnija. Slični proračuni se mogu napraviti za ravnotežni potencijal Nacijuma, koji iznosi 62 mV.

Goldmanove jednačine

Iako je ravnotežni potencijal za jone kalija -90 mV, MPS neurona je nešto manje negativan. Ova razlika odražava mali, ali konstantan protok Na + jona kroz membranu u mirovanju. Budući da je gradijent koncentracije za natrij suprotan onom za kalij, Na + se kreće u ćeliju i pomjera neto naboj na unutarnjoj strani membrane na pozitivnu stranu. U stvari, MPS neurona je od -60 do -80 mV. Ova vrijednost je mnogo bliža E K nego E Na, jer u mirovanju mnogo kalijumski kanali i vrlo malo natrijuma. Kretanje hloridnih jona takođe utiče na uspostavljanje MPS. Godine 1943. David Goldaman je predložio poboljšanje Nernstove jednadžbe tako da odražava utjecaj različitih jona na potencijal membrane, ova jednačina uzima u obzir relativna propusnost membrane za svaku vrstu jona:

gdje je R univerzalna plinska konstanta, T je apsolutna temperatura (na Kelvinovoj skali), z je naboj jona, F je Faradejev broj, [ion] o, [ion] i su koncentracije jona unutar i unutar ćelija, P je relativna permeabilnost membrane za odgovarajući ion. Vrijednost naboja u ovoj jednadžbi nije sačuvana, ali se uzima u obzir - za klor su vanjske i unutrašnje koncentracije obrnute, jer je njegov naboj 1.

Vrijednost membranskog potencijala mirovanja za različita tkiva

Razdvojeni mišići -95 mV;
Neizglađeni mišići -50 mV;
Astroglia od -80 do -90 mV;
Neuroni -70 mV.

Uloga natrijum-kalijum pumpe u formiranju MPS

Potencijal membrane mirovanja može postojati samo pod uvjetom neravnomjerne raspodjele iona, što se osigurava radom natrijum-kalijum pumpe. Osim toga, ovaj protein ima i elektrogenu snagu – prenosi 3 katjona natrijuma u zamjenu za 2 jona kalija koji se kreću unutar ćelije. Dakle, Na + -K + -ATPaza smanjuje MPS za 5-10 mV. Potiskivanje aktivnosti ovog proteina dovodi do neznatnog (za 5-10 mV) trenutnog povećanja membranskog potencijala, nakon čega će on postojati neko vrijeme na prilično stabilnom nivou, a gradijenti koncentracije Na+ i K+ ostaju. Nakon toga, ovi gradijenti će se početi smanjivati, zbog prodiranja membrane do jona, a nakon nekoliko desetina minuta električni potencijal na membrani će nestati.

Između vanjske površine ćelije i njene citoplazme u mirovanju postoji razlika potencijala od oko 0,06-0,09 V, a površina ćelije je elektropozitivno naelektrisana u odnosu na citoplazmu. Ova potencijalna razlika se zove potencijal odmora ili membranski potencijal. Precizno merenje potencijal mirovanja moguć je samo uz pomoć mikroelektroda dizajniranih za intracelularno odvođenje struje, vrlo moćnih pojačala i osjetljivih uređaja za snimanje - osciloskopa.

Mikroelektroda (sl. 67, 69) je tanka staklena kapilara, čiji vrh ima prečnik od oko 1 mikron. Ova kapilara je ispunjena fiziološki rastvor, u njega uronite metalnu elektrodu i spojite je na pojačalo i osciloskop (slika 68). Čim mikroelektroda probije membranu koja pokriva ćeliju, snop osciloskopa odstupa nadole od prvobitnog položaja i postavlja se na novi nivo. Ovo ukazuje na postojanje razlike potencijala između vanjske i unutrašnje površine ćelijske membrane.

Najpotpunije objašnjenje nastanka potencijala mirovanja je takozvana teorija membranskih jona. Prema ovoj teoriji, sve ćelije su prekrivene membranom koja ima nejednaku propusnost za različite jone. S tim u vezi, unutar ćelije u citoplazmi ima 30-50 puta više jona kalijuma, 8-10 puta manje jona natrijuma i 50 puta manje jona klorida nego na površini. U mirovanju, ćelijska membrana je propusnija za jone kalijuma nego za jone natrijuma. Difuzija pozitivno nabijenih kalijevih jona iz citoplazme na površinu stanice daje vanjska površina membrane su pozitivno nabijene.

Dakle, površina stanice u mirovanju nosi pozitivan naboj, dok se unutrašnja strana membrane ispostavlja negativno nabijena zbog kloridnih iona, aminokiselina i drugih velikih organskih aniona, koji praktički ne prodiru kroz membranu (Sl. 70).

akcioni potencijal

Ako je dio živčanog ili mišićnog vlakna izložen dovoljno jakom stimulusu, tada nastaje ekscitacija u ovom području, koja se manifestira u brzoj fluktuaciji membranskog potencijala i naziva se akcioni potencijal.

Akcioni potencijal se može registrovati ili pomoću elektroda koje se primenjuju na vanjska površina vlakna (ekstracelularna elektroda) ili mikroelektroda uvedena u citoplazmu (intracelularna elektroda).

Ekstracelularnim snimanjem može se ustanoviti da je površina pobuđenog područja vrlo kratak period, mjereno u hiljaditim dijelovima sekunde, postaje elektronegativno nabijen u odnosu na područje mirovanja.

Uzrok akcionog potencijala je promjena ionske permeabilnosti membrane. Kada je iritirana, povećava se propusnost ćelijske membrane za jone natrija. Joni natrija imaju tendenciju da uđu u ćeliju, jer su, prvo, pozitivno nabijeni i privučeni su elektrostatičkim silama, a drugo, njihova koncentracija unutar ćelije je niska. U mirovanju, ćelijska membrana je bila nepropusna za jone natrijuma. Iritacija je promijenila propusnost membrane, a protok pozitivno nabijenih jona natrijuma iz vanjskog okruženja ćelije u citoplazmu značajno premašuje protok kalijevih jona iz ćelije prema van. Kao rezultat unutrašnja površina membrana postaje pozitivno nabijena, a vanjska membrana postaje negativno nabijena zbog gubitka pozitivno nabijenih iona natrija. U ovom trenutku se bilježi vrhunac akcionog potencijala.

Povećanje propusnosti membrane za jone natrijuma nastavlja se jako dugo kratko vrijeme. Nakon toga u ćeliji se odvijaju procesi oporavka, što dovodi do toga da se propusnost membrane za jone natrija ponovo smanjuje, a za kalijeve ione povećava. Budući da su joni kalija također pozitivno nabijeni, kada napuste ćeliju, oni obnavljaju prvobitni odnos izvan i unutar ćelije.

Akumulacija jona natrijuma unutar ćelije uz ponovljenu ekscitaciju ne dolazi jer se joni natrijuma konstantno evakuišu iz nje usled dejstva posebnog biohemijskog mehanizma zvanog "natrijum pumpa". Postoje i podaci o aktivnom transportu jona kalijuma uz pomoć "natrijum-kalijum pumpe".

Dakle, prema teoriji membranskih jona, selektivna permeabilnost ćelijske membrane je od odlučujućeg značaja za nastanak bioelektričnih fenomena, što uzrokuje različit ionski sastav na površini i unutar ćelije, a samim tim i različit naboj ove površine. Treba napomenuti da su mnoge odredbe teorije membranskih jona još uvijek diskutabilne i da ih je potrebno dalje razvijati.

Istorija otkrića

Julius Bernstein je 1902. iznio hipotezu prema kojoj ćelijska membrana omogućava ionima K+ da uđu u ćeliju, a oni se akumuliraju u citoplazmi. Proračun potencijala mirovanja prema Nernstovoj jednačini za kalijevu elektrodu se na zadovoljavajući način poklopio sa izmjerenim potencijalom između mišićne sarkoplazme i okoline, koji je iznosio oko -70 mV.

Prema teoriji Yu. Bernsteina, kada je ćelija pobuđena, njena membrana je oštećena i K+ joni izlaze iz ćelije duž gradijenta koncentracije sve dok membranski potencijal ne postane nula. Tada membrana obnavlja svoj integritet, a potencijal se vraća na nivo potencijala mirovanja. Ovu tvrdnju, više od akcionog potencijala, pobili su Hodgkin i Huxley 1939. godine.

Bernsteinovu teoriju o potencijalu mirovanja potvrdio je Kenneth Stewart Cole, ponekad su njegovi inicijali pogrešno napisani kao K.C. Cole, zbog svog nadimka, Casey ("Kacy"). PP i PD su prikazani na čuvenoj ilustraciji Colea i Curtisa, 1939. Ovaj crtež je postao amblem Membrane Biophysics Group Biophysical Society (vidi ilustraciju).

Opće odredbe

Da bi se potencijalna razlika održala na membrani, potrebno je da postoji određena razlika u koncentraciji različitih jona unutar i izvan ćelije.

Koncentracije jona u ćeliji skeletnih mišića i u ekstracelularnoj sredini

Potencijal mirovanja za većinu neurona je oko -60 mV - -70 mV. Ćelije neekscitabilnih tkiva takođe imaju potencijalnu razliku na membrani, koja je različita za ćelije različitih tkiva i organizama.

Formiranje potencijala mirovanja

PP se formira u dvije faze.

prva faza: stvaranje zanemarljive (-10 mV) negativnosti unutar ćelije zbog nejednake asimetrične izmjene Na + za K + u omjeru 3:2. Kao rezultat toga, više pozitivnih naboja napušta ćeliju s natrijem nego što se vraća u nju sa kalijum. Ova osobina natrijum-kalijum pumpe, koja ove ione razmenjuje kroz membranu uz trošenje ATP energije, obezbeđuje njenu elektrogenost.

Rezultati rada membranskih pumpi za jonsko izmjenjivanje u prvoj fazi formiranja PP su sljedeći:

1. Nedostatak jona natrijuma (Na+) u ćeliji.

2. Višak jona kalijuma (K+) u ćeliji.

3. Pojava slabog električnog potencijala na membrani (-10 mV).

druga faza: stvaranje značajne (-60 mV) negativnosti unutar ćelije zbog curenja K+ jona iz nje kroz membranu. Ioni kalija K+ napuštaju ćeliju i uzimaju pozitivne naboje iz nje, dovodeći negativne na -70 mV.

Dakle, potencijal membrane mirovanja je deficit pozitivnih električnih naboja unutar ćelije, koji nastaje zbog istjecanja pozitivnih jona kalija iz nje i elektrogenog djelovanja natrijum-kalijum pumpe.

vidi takođe

Bilješke

Linkovi

Dudel J., Ruegg J., Schmidt R. et al. Ljudska fiziologija: u 3 toma. Per. s engleskog / uredili R. Schmidt i G. Thevs. - 3. - M.: Mir, 2007. - T. 1. - 323 sa ilustracijama. With. - 1500 primjeraka. - ISBN 5-03-000575-3

Wikimedia fondacija. 2010 .

potencijal odmora

Membrane, uključujući plazma membrane, u principu su neprobojne za nabijene čestice. Istina, membrana sadrži Na + /K + -ATPazu (Na + /K + -ATPazu), koja aktivno prenosi Na + ione iz ćelije u zamjenu za K + ione. Ovaj transport je energetski ovisan i povezan je sa hidrolizom ATP-a (ATP). Zbog rada “Na +, K + -pumpe” održava se neravnotežna distribucija Na+ i K+ jona između ćelije i okoline. Budući da cijepanje jedne molekule ATP osigurava prijenos tri Na + jona (iz ćelije) i dva K+ jona (u ćeliju), ovaj transport je elektrogeni, odnosno ćelijska citoplazma je negativno nabijena u odnosu na ekstracelularnog prostora.

Elektrohemijski potencijal. Sadržaj ćelije je negativno nabijen u odnosu na ekstracelularni prostor. Glavni razlog za pojavu električnog potencijala na membrani (membranski potencijal Δψ, je postojanje specifičnih ionskih kanala. Transport jona kroz kanale se odvija po gradijentu koncentracije ili pod dejstvom membranskog potencijala. U nepobuđenom ćelije, dio K+ kanala je u otvorenom stanju i K+ joni stalno difundiraju od do okruženje(duž gradijenta koncentracije). Napuštajući ćeliju, ioni K+ odnose pozitivan naboj koji stvara potencijal odmora jednako približno -60 mV. Iz koeficijenata propusnosti različitih jona vidi se da su kanali propusni za Na + i Cl - uglavnom zatvoreni. Fosfatni joni i organski anioni, kao što su proteini, praktično ne mogu proći kroz membrane. Pomoću Nernstove jednadžbe može se pokazati da je membranski potencijal prvenstveno određen K+ jonima, koji daju glavni doprinos provodljivosti membrane.

jonski kanali. Membrane imaju kanale propusne za jone Na+, K+, Ca 2+ i Cl-. Ovi kanali su najčešće u zatvorenom stanju i otvoreni samo na kratko. Kanali se dijele na naponsko-pobuđene (ili električno ekscitabilne), na primjer, brze Na + kanale, i ligandno-pobuđene (ili kemoekscitabilne), na primjer, nikotinske holinergičke kanale. Kanali su integralni membranski proteini sastavljeni od mnogih podjedinica. U zavisnosti od promene membranskog potencijala ili interakcije sa odgovarajućim ligandima, neurotransmiterima i neuromodulatorima, receptorski proteini mogu biti u jednom od dva konformaciona stanja, što određuje propusnost kanala („otvoreno“ – „zatvoreno“ – itd.).

Nervna ćelija pod dejstvom hemijskog signala (ređe električnog impulsa) dovodi do pojave akcioni potencijal. To znači da potencijal mirovanja od -60 mV skače na +30 mV i nakon 1 ms se vraća na prvobitnu vrijednost. Proces počinje otvaranjem Na+ kanala. Na + joni jure u ćeliju (duž gradijenta koncentracije), što uzrokuje lokalni preokret predznaka membranskog potencijala. U tom slučaju se Na + kanali odmah zatvaraju, odnosno protok Na + jona u ćeliju traje vrlo kratko. U vezi sa promjenom membranskog potencijala otvaraju se naponski kontrolirani K+ kanali (na nekoliko ms), a ioni K+ jure u suprotnom smjeru, van ćelije. Kao rezultat, membranski potencijal poprima svoju prvobitnu vrijednost, pa čak i prelazi za kratko vrijeme potencijal odmora. Nakon toga ponovo postaje uzbudljiv.

U jednom impulsu mali dio jona Na+ i K+ prođe kroz membranu, a gradijenti koncentracije oba jona su očuvani (nivo K+ je veći u ćeliji, a nivo Na+ je veći izvan ćelija). Stoga, kako stanica prima nove impulse, proces lokalnog preokretanja predznaka membranskog potencijala može se ponoviti mnogo puta. Širenje akcionog potencijala preko površine nervne ćelije zasniva se na činjenici da lokalni preokret membranskog potencijala stimuliše otvaranje susednih naponsko ograničenih jonskih kanala, usled čega se ekscitacija širi u obliku val depolarizacije na cijelu ćeliju.