Rakumembraani laeng puhkeolekus. Ergutava raku aktsioonipotentsiaal ja selle faasid. Ergutuse elektrilised ja füsioloogilised ilmingud

»: Puhkepotentsiaal on oluline nähtus kõigi keharakkude elus ja oluline on teada, kuidas see tekib. See on aga keeruline dünaamiline protsess, mida tervikuna on raske mõista, eriti bakalaureuseõppe üliõpilastele (bioloogia, meditsiini ja psühholoogia erialad) ja ettevalmistamata lugejatele. Punkt-punktilt vaadeldes on aga täiesti võimalik mõista selle peamisi üksikasju ja etappe. Ettekandes tutvustatakse puhkepotentsiaali mõistet ja tuuakse välja selle kujunemise peamised etapid, kasutades kujundlikke metafoore, mis aitavad mõista ja meeles pidada puhkepotentsiaali kujunemise molekulaarseid mehhanisme.

Membraani transpordistruktuurid - naatrium-kaaliumpumbad - loovad eeldused puhkepotentsiaali tekkeks. Nendeks eeldusteks on ioonide kontsentratsiooni erinevus sise- ja välisküljed rakumembraan. Eraldi ilmnevad naatriumi kontsentratsiooni erinevus ja kaaliumi kontsentratsiooni erinevus. Kaaliumiioonide (K +) katse ühtlustada oma kontsentratsiooni mõlemal pool membraani viib selle lekkimiseni rakust ja positiivsete elektrilaengute kadumiseni koos nendega, mille tõttu tekib membraani sisepinna üldine negatiivne laeng. rakk on oluliselt suurenenud. See "kaalium" negatiivsus moodustab suurema osa puhkepotentsiaalist (keskmiselt -60 mV) ja väiksem osa (-10 mV) on "vahetus" negatiivsus, mis on põhjustatud ioonivahetuspumba enda elektrogeensusest.

Mõistame üksikasjalikumalt.

Miks me peame teadma, mis on puhkepotentsiaal ja kuidas see tekib?

Kas sa tead, mis on "looma elekter"? Kust tulevad organismis biovoolud? Kuidas elav rakk, mis asub veekeskkonnas, võib muutuda "elektriakuks" ja miks see ei tühjene koheselt?

Nendele küsimustele saab vastuse vaid siis, kui saame teada, kuidas rakk tekitab enda jaoks elektriliste potentsiaalide (puhkepotentsiaali) erinevuse läbi membraani.

On üsna ilmne, et närvisüsteemi toimimise mõistmiseks on kõigepealt vaja mõista, kuidas töötab selle eraldiseisev närvirakk, neuron. Peamine, mis neuroni töö aluseks on, on elektrilaengute liikumine läbi selle membraani ja sellest tulenevalt elektripotentsiaalide tekkimine membraanile. Võime öelda, et neuron valmistub selleks närviline töö, salvestab algul energiat elektrilisel kujul ja seejärel kasutab seda närvilise ergastuse juhtimise ja edastamise protsessis.

Seega on meie kõige esimene samm närvisüsteemi toimimise uurimisel mõista, kuidas elektripotentsiaal närvirakkude membraanile ilmub. Seda me teeme ja me nimetame seda protsessi puhkepotentsiaali moodustumine.

Mõiste "puhkepotentsiaal" määratlus

Tavaliselt, kui närvirakk on füsioloogilises puhkeolekus ja valmis töötama, on see juba läbinud elektrilaengute ümberjaotumise membraani sise- ja väliskülje vahel. Tänu sellele tekkis elektriväli ja membraanile ilmus elektripotentsiaal - puhkemembraani potentsiaal.

Seega on membraan polariseeritud. See tähendab, et sellel on erinev välis- ja sisepinna elektripotentsiaal. Nende potentsiaalide erinevust on täiesti võimalik registreerida.

Seda saab kontrollida, sisestades rakku salvestusseadmega ühendatud mikroelektroodi. Niipea kui elektrood rakku siseneb, omandab see koheselt teatud konstantse elektronegatiivse potentsiaali rakku ümbritsevas vedelikus paikneva elektroodi suhtes. Närvirakkude ja kiudude rakusisese elektripotentsiaali suurus, näiteks hiiglane närvikiud kalmaar, rahuolekus on umbes -70 mV. Seda väärtust nimetatakse puhkemembraani potentsiaaliks (RMP). Aksoplasma kõigis punktides on see potentsiaal praktiliselt sama.

Nozdrachev A.D. jne Füsioloogia algus.

Veel natuke füüsikat. makroskoopiline füüsilised kehad, on reeglina elektriliselt neutraalsed, st. need sisaldavad võrdses koguses nii positiivseid kui ka negatiivseid laenguid. Keha saate laadida, tekitades selles ühte tüüpi laetud osakeste ülejäägi, näiteks hõõrdudes teise keha vastu, mille puhul tekib sel juhul liigne vastupidist tüüpi laenguid. Võttes arvesse elementaarlaengu olemasolu ( e), võib mis tahes keha kogu elektrilaengut esitada kui q= ±N× e, kus N on täisarv.

puhkepotentsiaal- see on membraani sise- ja välisküljel saadaolevate elektriliste potentsiaalide erinevus, kui rakk on füsioloogilises puhkeseisundis. Selle väärtust mõõdetakse raku seest, see on negatiivne ja on keskmiselt -70 mV (millivolti), kuigi see võib erinevates rakkudes varieeruda: -35 mV kuni -90 mV.

Oluline on arvestada sellega, et närvisüsteem elektrilaenguid ei esinda elektronid, nagu tavalistes metalljuhtmetes, vaid ioonid - keemilised osakesed, millel on elektrilaeng. Ja üldiselt sisse vesilahused Elektrivoolu kujul ei liigu elektronid, vaid ioonid. Sellepärast kõik elektrivoolud rakkudes ja nende keskkonnas on ioonvoolud.

Seega on puhkeolekus raku sees negatiivselt laetud ja väljaspool positiivselt. See on iseloomulik kõigile elusrakkudele, välja arvatud võib-olla erütrotsüüdid, mis, vastupidi, on väljastpoolt negatiivselt laetud. Täpsemalt selgub, et väljaspool rakku domineerivad positiivsed ioonid (Na + ja K + katioonid) ning negatiivsed ioonid (anioonid orgaanilised happed, ei suuda vabalt läbi membraani liikuda, nagu Na + ja K +).

Nüüd peame lihtsalt selgitama, kuidas kõik nii läks. Kuigi loomulikult on ebameeldiv tõdeda, et kõik meie rakud peale erütrotsüütide näivad ainult väliselt positiivsed, aga seest negatiivsed.

Mõiste "negatiivsus", mida me kasutame rakusisese elektripotentsiaali iseloomustamiseks, on meile kasulik puhkepotentsiaali taseme muutuste selgitamise lihtsuse jaoks. Selle mõiste puhul on väärtuslik see, et intuitiivselt on selge: mida suurem on negatiivsus rakus, seda väiksem on negatiivne pool potentsiaal nihutatakse nullist ja mida väiksem on negatiivsus, seda lähemal on negatiivne potentsiaal nullile. Seda on palju lihtsam mõista kui mõista iga kord, mida täpselt tähendab väljend "potentsiaali suurenemine" - absoluutväärtuse (või "mooduli") suurenemine tähendab ülejäänud potentsiaali nihkumist nullist allapoole, kuid lihtsalt "kasv" tähendab potentsiaali nihe nullini. Mõiste "negatiivsus" ei tekita sarnaseid mitmetähenduslikkuse probleeme.

Puhkepotentsiaali kujunemise olemus

Proovime aru saada, kust tuleb närvirakkude elektrilaeng, kuigi keegi neid ei hõõru, nagu teevad füüsikud oma katsetes elektrilaengutega.

Siin ootab teadlast ja üliõpilast ees üks loogilisi lõkse: raku sisemine negatiivsus ei teki sellest, ekstra negatiivsete osakeste ilmumine(anioonid), kuid vastupidi, tänu mõnede positiivsete osakeste kadu(katioonid)!

Kuhu siis positiivselt laetud osakesed rakust lähevad? Tuletan meelde, et need on rakust lahkunud ja väljapoole kogunenud naatriumioonid - Na + - ja kaaliumiioonid - K +.

Raku sees oleva negatiivsuse ilmnemise peamine saladus

Avame selle saladuse kohe ja ütleme, et rakk kaotab osa oma positiivsetest osakestest ja saab negatiivselt laetud kahe protsessi tõttu:

1. alguses vahetab ta oma "oma" naatriumi "võõra" kaaliumi vastu (jah, mõned positiivsed ioonid teiste vastu, sama positiivsed);
2. siis lekivad sealt välja need “nimetatud” positiivsed kaaliumiioonid, millega koos lekivad rakust välja ka positiivsed laengud.

Neid kahte protsessi peame selgitama.

Sisemise negatiivsuse loomise esimene etapp: Na + vahetamine K + vastu

Membraanis närvirakk valgud töötavad pidevalt soojusvaheti pumbad(adenosiintrifosfataas või Na + /K + -ATPaas), mis on membraani sisse lülitatud. Nad muudavad raku "oma" naatriumi väliseks "võõraks" kaaliumiks.

Aga lõppude lõpuks, vahetades ühe positiivse laengu (Na +) teise sama positiivse laenguga (K +) vastu, ei saa rakus positiivsetest laengutest puudust tekkida! Õigesti. Kuid selle vahetuse tõttu jääb rakku väga vähe naatriumioone, sest peaaegu kõik neist on välja läinud. Ja samal ajal täitub rakk kaaliumiioonidega, mis molekulaarpumpade abil sinna pumbati. Kui saaksime maitsta raku tsütoplasma, märkaksime, et vahetuspumpade töö tulemusena muutus see soolasest mõrkjas-soolakas-hapuks, sest naatriumkloriidi soolane maitse asendus üsna keerulise maitsega. . kontsentreeritud lahus kaaliumkloriid. Rakus ulatub kaaliumi kontsentratsioon 0,4 mol / l. Kaaliumkloriidi lahused vahemikus 0,009-0,02 mol / l on magusa maitsega, 0,03-0,04 - mõru, 0,05-0,1 - mõru-soolane ning alates 0,2 ja üle selle - kompleksse maitse, mis koosneb soolasest, mõrkjast ja hapu.

Siin on oluline see naatriumi vahetus kaaliumi vastu - ebavõrdne. Iga antud raku kohta kolm naatriumiooni ta saab kõik kaks kaaliumiiooni. Selle tulemuseks on iga ioonivahetuse sündmusega ühe positiivse laengu kadu. Nii et juba selles etapis kaotab rakk ebavõrdse vahetuse tõttu rohkem "plusse", kui vastutasuks saab. Elektrilises mõttes on see umbes –10 mV negatiivsust rakus. (Kuid pidage meeles, et allesjäänud -60 mV-le peame ikkagi seletuse leidma!)

Vahetuspumpade töö meeldejätmise hõlbustamiseks võib seda piltlikult väljendada järgmiselt: "Rakk armastab kaaliumit!" Seetõttu tõmbab rakk kaaliumi enda poole, hoolimata sellest, et see on seda juba täis. Ja seetõttu vahetab ta selle tulutult naatriumi vastu, andes 3 naatriumiooni 2 kaaliumiiooni vastu. Ja nii kulutab ta sellele vahetusele ATP energiat. Ja kuidas kulutada! Kuni 70% kogu neuronite energiatarbimisest saab kulutada naatrium-kaaliumpumpade tööks. (Seda teeb armastus, isegi kui see pole tõeline!)

Muide, on huvitav, et rakk ei sünni valmis puhkepotentsiaaliga. Ta peab selle ikkagi looma. Näiteks müoblastide diferentseerumise ja liitmise käigus muutub nende membraani potentsiaal –10 kuni –70 mV, s.o. nende membraan muutub negatiivsemaks – see polariseerub diferentseerumise käigus. Ja katsetes multipotentsete mesenhümaalsete stroomarakkudega luuüdi Inimestel kunstlik depolarisatsioon, mis neutraliseerib puhkepotentsiaali ja vähendab rakkude negatiivsust, isegi pärssis (depressiivset) rakkude diferentseerumist.

Piltlikult öeldes võib seda väljendada järgmiselt: Luues potentsiaali puhkamiseks, "laetakse rakk armastusega". See on armastus kahe asja vastu:

1. raku armastus kaaliumi vastu (seetõttu tirib rakk ta vägisi enda juurde);
2. kaaliumiarmastus vabaduse vastu (seetõttu lahkub kaalium rakust, mis on selle kinni püüdnud).

Oleme juba selgitanud rakkude küllastumise mehhanismi kaaliumiga (see on vahetuspumpade töö) ja kaaliumi rakust lahkumise mehhanismi selgitame allpool, kui läheme edasi rakusisese negatiivsuse tekitamise teise etapi kirjeldusse. Niisiis on membraani ioonvahetipumpade tegevuse tulemus puhkepotentsiaali moodustumise esimeses etapis järgmine:

1. Naatriumi puudus (Na +) rakus.
2. Liigne kaalium (K +) rakus.
3. Nõrga elektripotentsiaali ilmumine membraanile (–10 mV).

Võime öelda nii: esimeses etapis tekitavad membraani ioonpumbad ioonide kontsentratsioonide erinevuse ehk kontsentratsioonigradiendi (erinevus) rakusisese ja rakuvälise keskkonna vahel.

Negatiivsuse loomise teine ​​etapp: K + ioonide lekkimine rakust

Niisiis, mis algab rakus pärast seda, kui selle membraani naatrium-kaaliumvaheti pumbad töötavad ioonidega?

Sellest tuleneva naatriumipuuduse tõttu rakus see ioon pingutab igal võimalusel sisse tormata: lahustunud ained kipuvad alati ühtlustama oma kontsentratsiooni kogu lahuse mahus. Kuid see ei tööta hästi naatriumi puhul, kuna naatriumioonikanalid on tavaliselt suletud ja avanevad ainult siis, kui teatud tingimused: spetsiaalsete ainete (saatjad) mõjul või raku negatiivsuse vähenemisega (membraani depolarisatsioon).

Samas on rakus väliskeskkonnaga võrreldes kaaliumiioone üleliigne – sest membraanipumbad pumpasid selle sunniviisiliselt rakku sisse. Ja ta, püüdes samuti võrdsustada oma keskendumist sees ja väljas, püüab vastupidi kambrist välja tulla. Ja tal see õnnestub!

Kaaliumiioonid K + lahkuvad rakust keemilise kontsentratsioonigradiendi toimel membraani vastaskülgedel (membraan on K +-le palju läbilaskvam kui Na +-le) ja kannavad endaga kaasa positiivseid laenguid. Selle tõttu kasvab raku sees negatiivsus.

Siin on ka oluline mõista, et naatriumi- ja kaaliumiioonid justkui "ei märka" üksteist, nad reageerivad ainult "iseendale". Need. naatrium reageerib naatriumi kontsentratsioonile, kuid "ei pööra tähelepanu" sellele, kui palju kaaliumi on ümber. Ja vastupidi, kaalium reageerib ainult kaaliumi kontsentratsioonile ja "ei märka" naatriumi. Selgub, et ioonide käitumise mõistmiseks on vaja eraldi käsitleda naatriumi- ja kaaliumiioonide kontsentratsioone. Need. eraldi on vaja võrrelda naatriumi kontsentratsiooni rakus sees ja väljaspool ning eraldi kaaliumi kontsentratsiooni rakus sees ja väljaspool, aga naatriumi ei ole mõtet võrrelda kaaliumiga, nagu õpikutes juhtub.

Vastavalt keemiliste kontsentratsioonide võrdsustamise seadusele, mis toimib lahustes, "tahab" naatrium rakku siseneda väljastpoolt; elektrijõud tõmbab ta ka sinna (nagu mäletame, on tsütoplasma negatiivselt laetud). Ta tahab midagi tahta, aga ei saa, kuna normaalses olekus membraan ei läbi seda hästi. Membraanis olevad naatriumioonikanalid on tavaliselt suletud. Kui see siiski pisut siseneb, vahetab rakk selle kohe oma naatrium-kaaliumvahetuspumpade abil välise kaaliumi vastu. Selgub, et naatriumiioonid läbivad rakku justkui transiidina ega jää seal viibima. Seetõttu on naatriumi neuronites alati puudu.

Kuid kaalium võib lihtsalt rakust välja minna! Puur on teda täis ja ta ei suuda teda hoida. See väljub membraanis olevate spetsiaalsete kanalite kaudu - "kaaliumi lekkekanalid", mis on tavaliselt avatud ja vabastavad kaaliumi.

K + -lekkekanalid on pidevalt avatud kl normaalväärtused membraani puhkepotentsiaali ja näitavad membraanipotentsiaali nihke ajal aktiivsuse puhanguid, mis kestavad mitu minutit ja mida täheldatakse kõigil potentsiaaliväärtustel. K + lekkevoolude suurenemine põhjustab membraani hüperpolarisatsiooni, nende mahasurumine aga depolarisatsiooni. ...Kuid lekkevoolude eest vastutava kanalimehhanismi olemasolu, pikka aega jäi küsimärgi alla. Alles nüüd on selgunud, et kaaliumileke on vool läbi spetsiaalsete kaaliumikanalite.

Zefirov A.L. ja Sitdikova G.F. Ergutava raku ioonikanalid (struktuur, funktsioon, patoloogia).

Keemikast elektrini

Ja nüüd – taaskord kõige tähtsam. Peame teadlikult liikumisest liikuma keemilised osakesed liikumisele elektrilaengud.

Kaalium (K +) on positiivselt laetud ja seetõttu eemaldab see rakust lahkudes sellest mitte ainult enda, vaid ka positiivse laengu. Tema taga raku seest membraanini venitada "miinused" - negatiivsed laengud. Kuid erinevalt kaaliumiioonidest ei saa nad läbi membraani imbuda, sest. nende jaoks puuduvad sobivad ioonkanalid ja membraan ei lase neid läbi. Kas mäletate -60 mV negatiivsust, mida me ei selgitanud? See on just see osa puhkemembraani potentsiaalist, mis tekib kaaliumiioonide lekkimisel rakust! Ja see - enamik puhkepotentsiaal.

Sellel puhkepotentsiaali komponendil on isegi spetsiaalne nimi - kontsentratsioonipotentsiaal. kontsentratsioonipotentsiaal - see on osa puhkepotentsiaalist, mis tekib rakusiseste positiivsete laengute defitsiidi tõttu, mis on tekkinud positiivsete kaaliumiioonide lekkimise tõttu rakus.

Noh, nüüd natuke füüsikat, keemiat ja matemaatikat täpsuse armastajatele.

Elektrilised jõud on Goldmani võrrandiga seotud keemiliste jõududega. Selle erijuhtum on lihtsam Nernsti võrrand, mida saab kasutada transmembraanse difusioonipotentsiaali erinevuse arvutamiseks sama liigi ioonide erinevatel kontsentratsioonidel membraani erinevatel külgedel. Seega, teades kaaliumiioonide kontsentratsiooni rakust väljaspool ja sees, saame arvutada kaaliumi tasakaalupotentsiaali E K:

kus E k - tasakaalupotentsiaal, R on gaasi konstant, T on absoluutne temperatuur, F- Faraday konstant, K + ext ja K + ext - ioonide kontsentratsioonid K + vastavalt rakust väljas ja sees. Valem näitab, et potentsiaali arvutamiseks võrreldakse sama tüüpi ioonide - K + kontsentratsioone omavahel.

Täpsemalt, kogu difusioonipotentsiaali lõppväärtus, mis tekib mitut tüüpi ioonide lekkimisel, arvutatakse Goldman-Hodgkin-Katzi valemi abil. See võtab arvesse, et puhkepotentsiaal sõltub kolmest tegurist: (1) iga iooni elektrilaengu polaarsus; (2) membraani läbilaskvus R iga iooni kohta; (3) [vastavate ioonide kontsentratsioonid] membraani sees (int) ja väljaspool (nt). Kalmaari aksoni membraani puhul puhkeolekus on juhtivuse suhe R K: PNa :P Cl = 1:0,04:0,45.

Järeldus

Seega koosneb ülejäänud potentsiaal kahest osast:

1. -10 mV, mis saadakse membraanivaheti pumba "asümmeetrilisest" tööst (pumpab ju rakust välja rohkem positiivseid laenguid (Na +) kui kaaliumiga tagasi).
2. Teine osa on kaalium, mis lekib rakust kogu aeg välja, viies kaasa positiivseid laenguid. Tema panus on peamine: -60 mV. Kokkuvõttes annab see soovitud –70 mV.

Huvitav on see, et kaalium lõpetab rakust väljumise (täpsemalt selle sisend ja väljund on võrdsustatud) alles raku negatiivsuse tasemel –90 mV. Sel juhul keemilised ja elektrilised jõud võrdsustuvad, surudes kaaliumi läbi membraani, kuid suunates selle vastasküljed. Kuid seda takistab naatriumi pidev lekkimine rakku, mis kannab endaga positiivseid laenguid ja vähendab negatiivsust, mille eest kaalium “võitleb”. Selle tulemusena säilib rakus tasakaaluseisund tasemel -70 mV.

Nüüd moodustub lõpuks puhkemembraani potentsiaal.

Na + /K + -ATPaasi skeem illustreerib selgelt Na + "asümmeetrilist" vahetust K + vastu: liigse "plussi" väljapumpamine ensüümi töö igas tsüklis viib membraani sisepinna negatiivse laenguni. See video ei ütle, et ATPaas vastutab vähem kui 20% puhkepotentsiaalist (-10 mV): ülejäänud "negatiivsus" (-60 mV) pärineb rakust lahkumisel K "kaaliumi lekkekanalite" kaudu. ioonid +, püüdes ühtlustada oma kontsentratsiooni rakus ja väljaspool seda.

Kirjandus

1. Jacqueline Fischer-Lougheed, Jian-Hui Liu, Estelle Espinos, David Mordasini, Charles R. Bader jt. al. (2001). Inimese müoblastide liit nõuab funktsionaalsete sissepoole alaldi Kir2.1 kanalite väljendamist. J Cell Biol. 153 , 677-686;
2. Liu J. H., Bijlenga P., Fischer-Lougheed J. jt. (1998). Sisemise alaldi K+ voolu ja hüperpolarisatsiooni roll inimese müoblastide sulandumises. J Physiol. 510 , 467–476;
3. Sarah Sundelacruz, Michael Levin, David L. Kaplan. (2008). Membraani potentsiaal kontrollib mesenhümaalsete tüvirakkude adipogeenset ja osteogeenset diferentseerumist. PLOS ÜKS. 3 , e3737;
4. Pavlovskaja M.V. ja Mamykin A.I. Elektrostaatika. Dielektrikud ja juhid elektriväljas. DC / elektrooniline käsiraamat sisse lülitatud üldine vahetuskurss Füüsika. Peterburi: Peterburi Riiklik Elektrotehnikaülikool;
5. Nozdrachev A.D., Bazhenov Yu.I., Barannikova I.A., Batuev A.S. jt. Füsioloogia algus: õpik keskkoolidele / Toim. akad. PÕRGUS. Nozdrachev. Peterburi: Lan, 2001. - 1088 lk;
6. Makarov A.M. ja Luneva L.A. Elektromagnetismi alused / Tehnikaülikooli füüsika. T. 3;
7. Zefirov A.L. ja Sitdikova G.F. Ergutava raku ioonikanalid (struktuur, funktsioon, patoloogia). Kaasan: Kunst-kohvik, 2010. - 271 lk;
8. Rodina T.G. Toiduainete sensoorne analüüs. Õpik ülikooli üliõpilastele. M.: Akadeemia, 2004. - 208 lk.;
9. Kolman J. ja Rem K.-G. Visuaalne biokeemia. M.: Mir, 2004. - 469 lk;
10. Šulgovski V.V. Neurofüsioloogia põhialused: Õpetusülikooli üliõpilastele. Moskva: Aspect Press, 2000. - 277 lk.

Puhkemembraani potentsiaal (MPS) on potentsiaalide erinevus membraani välis- ja sisekülje vahel tingimustes, mil rakk ei ole erutatud. Raku tsütoplasma laetakse ekstratsellulaarsele vedelikule negatiivselt anioonide ja katioonide ebaühtlase jaotumise tõttu membraani mõlemal küljel. Potentsiaalide erinevus (pinge) jaoks mitmesugused rakud on väärtusega -50 kuni -200 mV (miinus tähendab, et raku sees on negatiivselt laetud kui väljaspool). Puhkemembraani potentsiaal esineb kõigi rakkude membraanidel - ergutavatel (närvid, lihased, sekretoorsed rakud) ja mitteärkveleeruvatel.

MPS on vajalik rakkude, näiteks lihas- ja närvirakkude erutatavuse säilitamiseks. See mõjutab ka kõigi laetud osakeste transporti mis tahes rakutüübis: soodustab anioonide passiivset transporti rakust välja ja katioonide rakku.

Membraanipotentsiaali moodustamine ja säilitamine pakuvad erinevad tüübid ioonpumbad (eelkõige naatrium-kaaliumpump või naatrium-kaalium-ATPaas) ja ioonkanalid (kaalium-, naatrium-, kloriidioonikanalid).

Puhkepotentsiaali registreerimine

Puhkepotentsiaali registreerimiseks kasutatakse spetsiaalset mikroelektrooditehnikat. Mikroelektrood on õhuke pikliku otsaga klaastoru, mille läbimõõt on alla 1 µm ja mis on täidetud elektrolüüdilahusega (tavaliselt kaaliumkloriid). Võrdluselektroodiks on ekstratsellulaarses ruumis paiknev hõbedane klooritud plaat, mõlemad elektroodid on ühendatud ostsilloskoobiga. Esiteks asuvad mõlemad elektroodid rakuvälises ruumis ja nende vahel pole potentsiaalivahet, kui sisestada salvestav mikroelektrood läbi membraani rakku, siis ostsilloskoop näitab hüppepotentsiaali nihet kuni ca -80 mV. Seda potentsiaali nihet nimetatakse puhkemembraani potentsiaaliks.

Puhkepotentsiaali kujunemine

Puhkemembraanipotentsiaali tekkimiseni viivad kaks tegurit: esiteks erinevad erinevate ioonide kontsentratsioonid raku väliselt ja seespoolt ning teiseks on membraan poolläbilaskev: osad ioonid võivad sellest läbi tungida, teised mitte. Mõlemad nähtused sõltuvad spetsiaalsete valkude olemasolust membraanis: kontsentratsioonigradiendid loovad ioonpumbad ja ioonkanalid tagavad ioonide membraani läbilaskvuse. kriitilist rolli membraanipotentsiaali moodustamisel mängivad kaasa kaaliumi, naatriumi ja kloori ioonid. Nende ioonide kontsentratsioonid on nähtavad membraani mõlemal küljel. Imetaja neuroni jaoks on K + kontsentratsioon rakus sees 140 mmol ja väljaspool ainult 5 mM, Na + kontsentratsioonigradient on peaaegu vastupidine – 150 mmol väljas ja 15 mM sees. Sellist ioonide jaotust säilitab plasmamembraanis olev naatrium-kaaliumpump, valk, mis kasutab ATP energiat K + rakku pumpamiseks ja sealt Na + allalaadimiseks. Samuti on kontsentratsioonigradient teiste ioonide jaoks, näiteks kloriidanioon Cl -.

Kaaliumi ja naatriumi katioonide kontsentratsioonigradiendid on keemiline vorm potentsiaalne energia. Ioonkanalid osalevad energia muundamisel elektrienergiaks – poorid moodustuvad spetsiaalsete transmembraansete valkude kuhjumisel. Kui ioonid hajuvad läbi kanali, kannavad nad elektrilaenguühikut. Mis tahes positiivsete või negatiivsete ioonide liikumine läbi membraani tekitab membraani mõlemal küljel pinge või potentsiaalide erinevuse.

MPS-i loomisega seotud ioonikanalitel on selektiivne läbilaskvus, see tähendab, et need võimaldavad tungida ainult teatud tüüpi ioonidel. Puhkeseisundis oleva neuroni membraanis on avatud kaaliumikanalid (need, mis peamiselt lasevad läbi ainult kaaliumi), enamik naatriumikanaleid on suletud. K+ ioonide difusioon läbi kaaliumikanalite on membraanipotentsiaali tekitamiseks kriitiline. Kuna K + kontsentratsioon on raku sees palju suurem, soodustab keemiline gradient nende katioonide väljavoolu rakust, mistõttu hakkavad tsütoplasmas domineerima anioonid, mis ei suuda läbida kaaliumikanaleid.

Kaaliumiioonide väljavoolu rakust piirab membraanipotentsiaal ise, kuna teatud tasemel piirab negatiivsete laengute kuhjumine tsütoplasmas katioonide liikumist rakust väljapoole. Seega on MPS-i esinemise peamiseks teguriks kaaliumiioonide jaotus elektriliste ja keemiliste potentsiaalide toimel.

Tasakaalupotentsiaal

Selleks, et määrata teatud iooni liikumise mõju läbi poolläbilaskva membraani membraanipotentsiaali kujunemisele, ehitatakse mudelsüsteeme. Selline mudelsüsteem koosneb anumast, mis on kunstliku poolläbilaskva membraaniga jagatud kaheks rakuks, millesse on põimitud ioonkanalid. Igasse lahtrisse saab sukeldada elektroodi ja mõõta potentsiaalide erinevust.

Vaatleme juhtumit, kui tehismembraan on läbilaskev ainult kaaliumi jaoks. Mudelsüsteemi membraani mõlemale poolele luuakse neuronile sarnane kontsentratsioonigradient: tsütoplasmale vastavasse rakku (siserakk) asetatakse 140 mM kaaliumkloriidi (KCl) lahus. vastab interstitsiaalvedeliku(välimine rakk) - 5 mmol lahus KCl. Kaaliumiioonid difundeeruvad kontsentratsioonigradienti mööda läbi membraani välisrakku. Kuid kuna anioonid Cl - tungivad läbi membraani, ei saa siserakus tekkida liigset negatiivset laengut, mis takistab katioonide väljavoolu. Kui sellised mudelneuronid jõuavad tasakaaluseisundisse, on keemilise ja elektrilise potentsiaali toime tasakaalus ning K + täielikku difusiooni ei täheldata. Membraanipotentsiaali väärtust, viinkae sellistes tingimustes, nimetatakse konkreetse iooni tasakaalupotentsiaaliks (E ioon). Kaaliumi tasakaalupotentsiaal on ligikaudu -90 mV.

Sarnase katse saab läbi viia naatriumi puhul, paigaldades rakkude vahele membraani, mis tungib ainult selle katiooni jaoks, ja asetades naatriumkloriidi lahuse kontsentratsiooniga 150 mM välimisse rakku ja 15 mM sisemisse rakku. Naatrium liigub sisekambrisse ja selle oluline potentsiaal on ligikaudu 62 mV.

Ioonide arv, mis peavad elektripotentsiaali tekitamiseks difundeeruma, on väga väike (umbes 10–12 mol K + 1 cm 2 membraani kohta), sellel asjaolul on kaks olulist tagajärge. Esiteks tähendab see, et membraani läbivate ioonide kontsentratsioon püsib stabiilsena nii raku sees kui ka väljaspool seda isegi pärast seda, kui nende liikumine on andnud elektripotentsiaali. Teiseks ei riku ioonide vähesed voolud läbi membraani tsütoplasma ja rakuvälise vedeliku kui terviku elektrilist neutraalsust, vaid ainult plasmamembraaniga vahetult külgnevas piirkonnas, ainult selleks, et tuvastada potentsiaal.

Nernsti võrrand

Konkreetse iooni, näiteks kaaliumi, tasakaalupotentsiaali saab arvutada Nernsti võrrandi abil, mis näeb välja järgmine:

kus R on universaalne gaasikonstant, T on absoluutne temperatuur (Kelvini skaalal), z on iooni laeng, F on Faraday arv, o, i on vastavalt kaaliumi kontsentratsioon rakust väljas ja sees. Kuna kirjeldatud protsessid toimuvad kehatemperatuuril - 310 ° K ja kümnendlogaritmid arvutuses on seda lihtsam kasutada kui looduslikke, see võrrand teisendatakse järgmiselt:

Asendades Nernsti võrrandis K + kontsentratsiooni, saame kaaliumi tasakaalupotentsiaali, mis on -90 mV. Kuna nullpotentsiaal on võetud väliskülg membraan, siis miinusmärk tähendab, et tasakaalulise kaaliumipotentsiaali tingimustes on sisemine stornmembraan suhteliselt elektronegatiivsem. Sarnaseid arvutusi saab teha naatiumi tasakaalupotentsiaali kohta, mis on 62 mV.

Goldmani võrrandid

Kuigi kaaliumioonide tasakaalupotentsiaal on -90 mV, on neuroni MPS mõnevõrra vähem negatiivne. See erinevus peegeldab väikest, kuid pidevat Na + ioonide voolu läbi membraani puhkeolekus. Kuna naatriumi kontsentratsioonigradient on vastupidine kaaliumi omale, liigub Na + rakku ja nihutab membraani sisemuse netolaengu positiivne pool. Tegelikult on neuroni MPS vahemikus -60 kuni -80 mV. See väärtus on E K-le palju lähemal kui E Na-le, sest puhkeolekus on palju kaaliumikanalid ja väga vähe naatriumi. MPS-i teket mõjutab ka kloriidioonide liikumine. 1943. aastal tegi David Goldaman ettepaneku parandada Nernsti võrrandit nii, et see kajastaks erinevate ioonide mõju membraanipotentsiaalile, see võrrand võtab arvesse suhteline läbilaskvus membraanid igat tüüpi ioonide jaoks:

kus R on universaalne gaasikonstant, T on absoluutne temperatuur (Kelvini skaalal), z on iooni laeng, F on Faraday arv, [ioon] o, [ioon] i on ioonide kontsentratsioon sees ja rakkude sees on P membraani suhteline läbilaskvus vastava iooni jaoks. Laengu väärtust selles võrrandis ei säilitata, kuid seda võetakse arvesse - kloori puhul on välised ja sisemised kontsentratsioonid vastupidised, kuna selle laeng on 1.

Puhkemembraani potentsiaali väärtus erinevate kudede jaoks

• Eraldatud lihased -95 mV;
• Silumata lihased -50 mV;
• Astroglia vahemikus -80 kuni -90 mV;
• Neuronid -70 mV.

Naatrium-kaaliumpumba roll MPS-i moodustamisel

Puhkemembraani potentsiaal saab eksisteerida ainult ioonide ebaühtlase jaotumise korral, mille tagab naatrium-kaaliumpumba töö. Lisaks toodab see valk ka elektrogeenset jõudu – kannab 3 naatriumkatiooni vastutasuks 2 raku sees liikuva kaaliumiiooni vastu. Seega vähendab Na + -K + -ATPaas MPS-i 5-10 mV võrra. Selle valgu aktiivsuse pärssimine toob kaasa membraanipotentsiaali ebaolulise (5-10 mV võrra) hetkelise suurenemise, mille järel see eksisteerib mõnda aega üsna stabiilsel tasemel, samal ajal kui Na + ja K + kontsentratsioonigradiendid jäävad alles. Seejärel hakkavad need gradiendid membraani ioonide tungimise tõttu vähenema ja mõnekümne minuti pärast kaob membraani elektripotentsiaal.

Raku välispinna ja selle puhkeasendis oleva tsütoplasma vahel on potentsiaalide erinevus umbes 0,06-0,09 V ja rakupind on tsütoplasma suhtes elektropositiivselt laetud. Seda potentsiaalset erinevust nimetatakse puhkepotentsiaal või membraanipotentsiaal. Täpne mõõtmine puhkepotentsiaal on võimalik ainult intratsellulaarse voolu suunamiseks mõeldud mikroelektroodide, väga võimsate võimendite ja tundlike salvestusseadmete - ostsilloskoopide abil.

Mikroelektrood (joonis 67, 69) on õhuke klaasist kapillaar, mille otsa läbimõõt on umbes 1 mikron. See kapillaar on täidetud soolalahus, kastke sellesse metallelektrood ja ühendage see võimendi ja ostsilloskoobiga (joonis 68). Niipea, kui mikroelektrood läbistab rakku katva membraani, kaldub ostsilloskoobikiir algsest asendist allapoole ja seab uuele tasemele. See näitab potentsiaalsete erinevuste olemasolu rakumembraani välis- ja sisepinna vahel.

Kõige täielikum seletus puhkepotentsiaali tekke kohta on nn membraaniioonide teooria. Selle teooria kohaselt on kõik rakud kaetud membraaniga, millel on erinevate ioonide ebavõrdne läbilaskvus. Sellega seoses on raku sees tsütoplasmas 30-50 korda rohkem kaaliumiioone, 8-10 korda vähem naatriumioone ja 50 korda vähem kloriidioone kui pinnal. Puhkeolekus on rakumembraan kaaliumiioonidele rohkem läbilaskev kui naatriumiioone. Positiivselt laetud kaaliumiioonide difusioon tsütoplasmast raku pinnale välispind membraanid on positiivselt laetud.

Seega kannab puhkeasendis raku pind positiivset laengut, samas kui membraani sisekülg osutub negatiivselt laetuks kloriidioonide, aminohapete ja muude suurte orgaaniliste anioonide tõttu, mis membraani praktiliselt ei tungi (joonis 1). 70).

tegevuspotentsiaal

Kui mingi närvi- või lihaskiu lõik puutub kokku piisavalt tugeva stiimuliga, siis tekib selles piirkonnas erutus, mis väljendub membraanipotentsiaali kiires kõikumises ja nn. tegevuspotentsiaal.

Aktsioonipotentsiaali saab registreerida kas peale asetatud elektroodide abil välispind kiud (rakuväline plii) või tsütoplasmasse viidud mikroelektrood (rakusisese plii).

Ekstratsellulaarse salvestusega võib leida, et ergastatud ala pind on väga lühike periood, mõõdetuna sekundituhandikes, laetakse puhkeala suhtes elektronegatiivselt.

Aktsioonipotentsiaali põhjuseks on membraani ioonide läbilaskvuse muutus. Ärrituse korral suureneb rakumembraani läbilaskvus naatriumioonide jaoks. Naatriumioonid kipuvad rakku sisenema, kuna esiteks on nad positiivselt laetud ja neid tõmbavad elektrostaatilised jõud, teiseks on nende kontsentratsioon rakusisene madal. Puhkeolekus oli rakumembraan naatriumioonide suhtes läbimatu. Ärritus muutis membraani läbilaskvust ning positiivselt laetud naatriumioonide vool raku väliskeskkonnast tsütoplasmasse ületab oluliselt kaaliumiioonide voolu rakust väljapoole. Tulemusena sisepind membraan saab positiivselt laetud ja välimine positiivselt laetud naatriumioonide kadumise tõttu negatiivselt. Sel hetkel registreeritakse aktsioonipotentsiaali tipp.

Naatriumioonide membraani läbilaskvuse suurenemine jätkub väga pikka aega lühikest aega. Pärast seda toimuvad rakus taastumisprotsessid, mille tulemusel membraani läbilaskvus naatriumioonide jaoks taas väheneb ja kaaliumiioonide läbilaskvus suureneb. Kuna kaaliumiioonid on ka positiivselt laetud, siis rakust väljudes taastavad nad algse suhte raku sees ja väljas.

Naatriumiioonide kuhjumist korduva ergastusega raku sees ei toimu, sest naatriumiioone evakueeritakse sealt pidevalt spetsiaalse biokeemilise mehhanismi, mida nimetatakse "naatriumpumbaks", toimel. Samuti on andmeid kaaliumioonide aktiivse transpordi kohta "naatrium-kaaliumpumba" abil.

Seega on membraaniooniteooria järgi bioelektriliste nähtuste tekkes määrava tähtsusega rakumembraani selektiivne läbilaskvus, mis põhjustab raku pinnal ja sees erineva ioonilise koostise ning sellest tulenevalt erineva laengu. need pinnad. Tuleb märkida, et paljud membraaniioonide teooria sätted on endiselt vaieldavad ja vajavad edasiarendamist.

Avastamise ajalugu

1902. aastal esitas Julius Bernstein hüpoteesi, mille kohaselt rakumembraan võimaldab K + ioonidel rakku siseneda ja need akumuleeruvad tsütoplasmas. Puhkepotentsiaali arvutamine Nernsti võrrandi järgi kaaliumelektroodi jaoks langes rahuldavalt kokku lihase sarkoplasma ja keskkonna vahelise mõõdetud potentsiaaliga, mis oli umbes -70 mV.

Yu. Bernsteini teooria kohaselt, kui rakk on ergastatud, kahjustub selle membraan ja K + ioonid voolavad rakust välja mööda kontsentratsioonigradienti, kuni membraanipotentsiaal muutub. null. Seejärel taastab membraan oma terviklikkuse ja potentsiaal naaseb puhkepotentsiaali tasemele. Selle väite, mis on pigem tegevuspotentsiaal, lükkasid Hodgkin ja Huxley 1939. aastal ümber.

Bernsteini teooriat puhkepotentsiaali kohta kinnitas Kenneth Stewart Cole (Kenneth Stewart Cole), mõnikord kirjutatakse tema initsiaalid ekslikult K.C. Cole, tänu oma hüüdnimele Casey ("Kacy"). PP ja PD on kujutatud Cole'i ​​ja Curtise kuulsal illustratsioonil, 1939. Sellest joonisest sai Biofüüsika Seltsi membraanibiofüüsika rühma embleem (vt joonist).

Üldsätted

Selleks, et potentsiaalide erinevus membraanil säiliks, on vajalik, et erinevate ioonide kontsentratsioonides rakus ja väljaspool rakku oleks teatav erinevus.

Ioonide kontsentratsioonid skeletilihaste rakus ja rakuvälises keskkonnas

Enamiku neuronite puhkepotentsiaal on umbes -60 mV - -70 mV. Mitteerututavate kudede rakkudel on membraanil ka potentsiaalide erinevus, mis on erinevate kudede ja organismide rakkudel erinev.

Puhkepotentsiaali kujunemine

PP moodustatakse kahes etapis.

Esimene aste: tühise (-10 mV) negatiivsuse teke rakusise Na + ebavõrdse asümmeetrilise vahetuse tõttu K + vastu vahekorras 3:2. Selle tulemusena lahkub rakust naatriumiga rohkem positiivseid laenguid kui naaseb sinna tagasi kaalium. See naatrium-kaaliumpumba omadus, mis vahetab need ioonid läbi membraani koos ATP energia kuluga, tagab selle elektrogeensuse.

Membraani ioonivaheti pumpade töö tulemused PP moodustamise esimeses etapis on järgmised:

1. Naatriumioonide (Na +) defitsiit rakus.

2. Kaaliumioonide (K +) liig rakus.

3. Nõrga elektripotentsiaali ilmumine membraanile (-10 mV).

Teine etapp: olulise (-60 mV) negatiivsuse tekitamine rakus, mis on tingitud K + ioonide lekkimisest sellest läbi membraani. Kaaliumioonid K + lahkuvad rakust ja võtavad sealt välja positiivsed laengud, viies negatiivse -70 mV-ni.

Niisiis on membraani puhkepotentsiaal positiivsete elektrilaengute defitsiit rakus, mis tuleneb sellest positiivsete kaaliumiioonide lekkimisest ja naatrium-kaaliumpumba elektrogeensest toimest.

Vaata ka

Märkmed

Lingid

Dudel J., Ruegg J., Schmidt R. et al. Inimese füsioloogia: 3 köites. Per. inglise keelest / toimetanud R. Schmidt ja G. Thevs. - 3. - M .: Mir, 2007. - T. 1. - 323 illustratsioonidega. Koos. - 1500 eksemplari. - ISBN 5-03-000575-3

Wikimedia sihtasutus. 2010 .

puhkepotentsiaal

Membraanid, sealhulgas plasmamembraanid, on laetud osakestele põhimõtteliselt läbimatud. Tõsi, membraan sisaldab Na + /K + -ATPaasi (Na + /K + -ATPaas), mis kannab aktiivselt Na + ioone rakust vastutasuks K + ioonide vastu. See transport sõltub energiast ja on seotud ATP (ATP) hüdrolüüsiga. Tänu “Na +, K + -pumba” tööle säilib Na + ja K + ioonide mittetasakaaluline jaotus raku ja keskkonna vahel. Kuna ühe ATP molekuli lõhenemine tagab kolme Na + iooni (rakust välja) ja kahe K + iooni (rakku) ülekande, on see transport elektrogeenne, st raku tsütoplasma on raku suhtes negatiivselt laetud. rakuväline ruum.

Elektrokeemiline potentsiaal. Raku sisu on rakuvälise ruumi suhtes negatiivselt laetud. Peamine põhjus elektrilise potentsiaali membraanile (membraanipotentsiaal Δψ, on spetsiifiliste ioonikanalite olemasolu. Ioonide transport kanalite kaudu toimub piki kontsentratsioonigradienti või membraanipotentsiaali toimel. Ergastamata voolus rakus on osa K + kanalitest avatud olekus ja K + ioonid difundeeruvad pidevalt kohast kuni keskkond(mööda kontsentratsioonigradienti). Rakust lahkudes kannavad K + ioonid ära positiivse laengu, mis tekitab puhkepotentsiaal võrdne ligikaudu -60 mV-ga. Erinevate ioonide läbilaskvuskoefitsientide põhjal on näha, et Na + ja Cl - läbilaskvad kanalid on enamasti suletud. Fosfaadiioonid ja orgaanilised anioonid, näiteks valgud, ei pääse praktiliselt läbi membraanide. Kasutades Nernsti võrrandit, saab näidata, et membraanipotentsiaali määravad eelkõige K + ioonid, mis annavad peamise panuse membraani juhtivusse.

ioonkanalid. Membraanidel on Na +, K +, Ca 2+ ja Cl - ioone läbilaskvad kanalid. Need kanalid on enamasti suletud olekus ja avanevad vaid lühikest aega. Kanalid jagunevad pingega seotud (või elektriliselt ergastavateks), näiteks kiireteks Na + kanaliteks, ja ligandiga seotud (või kemoergastavateks), näiteks nikotiinilisteks kolinergilisteks kanaliteks. Kanalid on integraalsed membraanivalgud, mis koosnevad paljudest alaühikutest. Sõltuvalt membraanipotentsiaali muutusest või vastastikmõjust vastavate ligandide, neurotransmitterite ja neuromodulaatoritega võivad retseptorvalgud olla ühes kahest konformatsioonilisest olekust, mis määrab kanali läbilaskvuse ("avatud" - "suletud" - jne).

Närvirakk keemilise signaali (harvemini elektriimpulsi) toimel viib välimuseni tegevuspotentsiaal. See tähendab, et puhkepotentsiaal -60 mV hüppab +30 mV peale ja naaseb 1 ms pärast algsele väärtusele. Protsess algab Na+ kanali avanemisega. Na + ioonid sööstavad rakku (mööda kontsentratsioonigradienti), mis põhjustab membraanipotentsiaali märgi lokaalse pöördumise. Sel juhul suletakse Na + kanalid koheselt, st Na + ioonide vool rakku kestab väga lühikest aega. Seoses membraanipotentsiaali muutumisega avanevad pingega juhitavad K + kanalid (mõne ms) ja K + ioonid sööstavad vastassuunas, rakust välja. Selle tulemusena omandab membraani potentsiaal oma algse väärtuse ja isegi ületab seda lühikeseks ajaks puhkepotentsiaal. Pärast seda muutub see uuesti erutavaks.

Ühe impulsiga läbib membraani väike osa Na + ja K + ioonidest ning mõlema iooni kontsentratsioonigradientid säilivad (rakus on K + tase kõrgem ja väljaspool Na + tase kõrgem rakk). Seega, kui rakk saab uusi impulsse, võib membraanipotentsiaali märgi lokaalse ümberpööramise protsessi korrata mitu korda. Aktsioonipotentsiaali levimine üle närviraku pinna põhineb asjaolul, et membraanipotentsiaali lokaalne ümberpööramine stimuleerib naaberpingepõhiste ioonikanalite avanemist, mille tulemusena ergastus levib närviraku kujul. depolarisatsioonilaine kogu rakku.