2 1 Мембранний потенціал спокою коротко - фізіологія - наука - каталог статей - шлях Дарго

Навіщо нам потрібно знати, що таке потенціал спокою?

Що таке "тварина електрику"? Звідки в організмі беруться "біоструми"? Як жива клітина, яка перебуває у водному середовищі, може перетворитися в "електричну батарейку"?

- На ці питання ми зможемо відповісти, якщо дізнаємося, як клітина за рахунок перерозподілу електричних зарядів створює собі електричний потенціал на мембрані.

Як працює нервова система? З чого в ній все починається? Звідки в неї береться електрику для нервових імпульсів?

- На ці питання ми також зможемо відповісти, якщо дізнаємося, як нервова клітина створює собі електричний потенціал на мембрані.

Отже, розуміння того, як працює нервова система, починається з того, що треба розібратися, як працює окрема нервова клітина - нейрон.

А в основі роботи нейрона з нервовими імпульсами лежить перерозподіл електричних зарядів на його мембрані і зміна величини електричних потенціалів. Але щоб потенціал змінювати, його потрібно для початку мати. Тому можна сказати, що нейрон, готуючись до cвоей нервової роботі, створює на своїй мембрані електричний потенціал. як можливість для такої роботи.

Таким чином, наш найперший крок до вивчення роботи нервової системи - це зрозуміти, яким чином потрапляють електричні заряди на нервових клітинах до як за рахунок цього на мембрані з'являється електричний потенції. Цим ми і займемося, і назвемо цей процес появи електричного потенціалу у нейронів - формування потенціалу спокою.

визначення

У нормі, коли клітина готова до роботи, у неї вже є електричний заряд на поверхні мембрани. Він називається мембранний потенціал спокою.

Потенціал спокою - це різниця електричних потенціалів між внутрішньою і зовнішньою сторонами мембрани, коли клітина знаходиться в стані фізіологічного спокою. Його середня величина становить -70 мВ (мілівольт).

"Потенціал" - це можливість. він схоже на поняття "потенція". Електричний потенціал мембрани - це її можливості по переміщенню електричних зарядів, позитивних або негативних. У ролі зарядів виступають заряджені хімічні частинки - іони натрію і калію, а також кальцію і хлору. З них тільки іони хлору заряджені негативно (-), а решта - позитивно (+).

Таким чином, маючи електричний потенціал, мембрана може переміщати в клітку або з клітки зазначені вище заряджені іони.

Важливо розуміти, що в нервовій системі електричні заряди створюються не електронами, як у металевих проводах, а іонами - хімічними частками, мають електричний заряд. Електричний струм в організмі і його клітинах - це потік іонів, а не електронів, як в проводах. Зверніть також увагу на те, що заряд мембрани вимірюється зсередини клітини, а не зовні.

Якщо говорити вже зовсім примітивно просто, то виходить, що зовні навколо клітини будуть переважати "плюсики", тобто позитивно заряджені іони, а всередині - "мінусики", тобто негативно заряджені іони. Можна сказати, що всередині клітина ЕЛЕКТРОНЕГАТИВНІСТЬ. І тепер нам всього лише треба пояснити, як це так вийшло. Хоча, звичайно, неприємно усвідомлювати, що всі наші клітини - негативні "персонажі". ((

Сутність потенціалу спокою - це переважання на внутрішній стороні мембрани негативних електричних зарядів у вигляді аніонів і недолік позитивних електричних зарядів у вигляді катіонів, які зосереджуються на її зовнішній стороні, а не на внутрішній.

Усередині клітини - "негативність", а зовні - "позитивність".

Такий стан речей досягається за допомогою трьох явищ: (1) поведінки мембрани. (2) поведінки позитивних іонів калію і натрію і (3) співвідношення хімічної та електричної сили.

1. Поведінка мембрани

У поведінці мембрани для потенціалу спокою важливі три процесу:

1) Обмін внутрішніх іонів натрію на зовнішні іони калію. Обміном займаються спеціальні транспортні структури мембрани. іонні насоси-обмінники. Таким способом мембрана перенасичує клітку калієм, але збіднює натрієм.

2) Відкриті калієві іонні канали. Через них калій може як заходити в клітку, так і виходити з неї. Він виходить в основному.

3) Закриті натрієві іонні канали. Через це натрій, виведений з клітки насосмі-обмінниками, не може повернутися в неї назад. Натрієві канали відкриваються тільки при особливих умовах - і тоді потенціал спокою порушується і зміщується в бік нуля (це називається деполяризацією мембрани, тобто зменшенням полярності).

2. Поведінка іонів калію і натрію

Іони калію і натрію по-різному переміщуються через мембрану:

2) Через постійно відкриті калієві канали калій виходить з клітки, але може і повертатися в неї назад через них же.

3) Натрій "хоче" увійти в клітку, але "не може", тому що канали для нього закриті.

3. Співвідношення хімічної та електричної сили

По відношенню до іонів калію між хімічної та електричної силою встановлюється рівновага на рівні - 70 мВ.

1) Хімічна сила виштовхує калій з клітки, але прагне затягнути в неї натрій.

2) Електрична сила прагне затягнути в клітку позитивно заряджені іони (як натрій, так і калій).

Формування потенціалу спокою

Спробую розповісти коротко, звідки береться мембранний потенціал спокою в нервових клітинах - нейронах. Адже, як всім тепер відомо, наші клітини тільки зовні позитивні, а всередині вони дуже негативні, і в них існує надлишок негативних частинок - аніонів і недолік позитивних частинок - катіонів.

І ось тут дослідника і студента чекає одна з логічних пасток: внутрішня електронний торгівельний клітини виникає не через появу зайвих негативних частинок (аніонів), а навпаки - через втрату деякої кількості позитивних частинок (катіонів).

І тому сутність нашої розповіді буде полягати не в тому, що ми пояснимо, звідки беруться негативні частинки в клітці, а в тому, що ми пояснимо, яким чином в нейронах виходить дефіцит позитивно заряджених іонів - катіонів.

Куди ж діваються з клітки позитивно заряджені частинки? Нагадаю, що це іони натрію - Na + і калію - K +.

А вся справа полягає в тому, що в мембрані нервової клітини постійно працюють насоси-обмінники. утворені спеціальними білками, вбудованими в мембрану. Що вони роблять? Вони змінюють "власний" натрій клітини на зовнішній "чужий" калій. Через це в клітці виявляється в кінці кінців недолік натрію, який пішов на обмін. І в той же час клітина переповнюється іонами калію, який в неї нанесли ці молекулярні насоси.

Щоб легше було запам'ятати, образно можна сказати так: "Клітка любить калій!" (Хоча про справжню любов тут не може йти й мови!) Тому вона і затягує калій в себе, незважаючи на те, що його і так повно. Тому вона невигідно обмінює його на натрій, віддаючи 3 іона натрію за 2 іона калію. Тому вона витрачає на цей обмін енергію АТФ. І як витрачає! До 70% всіх енерговитрат нейрона може йти на роботу натрій-калієвих насосів. Ось що робить любов, нехай навіть не справжня!

Образно кажучи, можна висловитися так:

Створюючи потенціал спокою, клітка "заряджається любов'ю".

Як не дивно, але результат цих двох видів любові - порожнеча!

Саме вона, порожнеча, створює в клітці негативний електричний заряд - потенціал спокою. Точніше, негативний потенціал создаютпустие місця, що залишилися від змушеного втікати з клітки калію.

Отже, результат діяльності мембранних іонних насосів-обмінників такий:

1. Дефіцит натрію (Na +) в клітці.

2. Надлишок калію (K +) в клітці.

Можна сказати так: іонні насоси мембрани створюють різницю концентрацій іонів, або градієнт (перепад) концентрації, між внутрішньоклітинної і позаклітинної середовищем.

Саме через отриманого дефіциту натрію в клітку тепер "полізе" цей самий натрій зовні. Так завжди поводяться речовини: вони прагнуть вирівняти свою концентрацію в усьому об'ємі розчину.

І в той же час в клітці вийшов надлишок іонів калію в порівнянні з зовнішнім середовищем. Тому що насоси мембрани накачали його в клітку. І він прагне зрівняти свою концентрацію всередині і зовні, і тому прагне вийти з клітки.

Тут ще важливо зрозуміти, що іони натрію і калію як би "не помічають" один одного, вони реагують тільки "на самих себе". Тобто натрій реагує на концентрацію натрію ж, але "не звертає уваги" на те, скільки навколо калію. І навпаки, калій реагує тільки на концентрацію калію і "не помічає" натрій. Виходить, що для розуміння поведінки іонів в клітці треба по-окремо порівнювати концентрації іонів натрію і калію. Тобто треба окремо порівняти концентрацію по натрію всередині і зовні клітини і окремо - концентрацію калію всередині і зовні клітини, але не має сенсу порівнювати натрій з калієм, як це часто робиться в підручниках.

Згідно із законом вирівнювання концентрацій, який діє в розчинах, натрій "хоче" зовні увійти в клітку. Але не може, так як мембрана в звичайному стані погано його пропускає. Його заходить трошки і клітина його знову тут же обмінює на зовнішній калій. Тому натрій в нейронах завжди в дефіциті.

А ось калій якраз може легко виходити з клітки назовні! У клітці його повно, і вона його втримати не може. Так ось він і виходить назовні через особливі білкові дірочки в мембрані (іонні канали).

Від хімічного - до електричного

А тепер - найголовніше, стежте за викладається думкою! Ми повинні перейти від руху хімічних часток до руху електричних зарядів.

Калій заряджений позитивним зарядом, і тому він, коли виходить з клітки, виносить з неї не тільки себе, але і "плюсики" (позитивні заряди). На їх місці в клітці залишаються "мінуси" (негативні заряди). Це і є мембранний потенціал спокою!

Мембранний потенціал спокою - це дефіцит позитивних зарядів всередині клітини, що утворився за рахунок витоку з клітки позитивних іонів калію.

висновок

Складові частини потенціалу спокою

Потенціал спокою - негативний з боку клітини і складається ніби з двох частин.

1. Перша частина - це приблизно -10 мілівольт, які виходять від нерівносторонні роботи мембранного насоса-обмінника (адже він більше викачує "плюсиков" з натрієм, ніж закачує назад з калієм).

2. Друга частина - це витікає весь час з клітки калій, тягне позитивні заряди з клітки. Він дає більшу частину мембранного потенціалу, доводячи його до -70 мілівольт.

Калій перестане виходити з клітки (точніше, його вхід і вихід зрівняються) тільки при рівні електронегативності клітини в -90 мілівольт. Але цьому заважає постійно підтікає в клітку натрій, який тягне з собою свої позитивні заряди. І в клітці підтримується рівноважний стан на рівні -70 мілівольт.

Так що вся справа в натрій-калійному мембранном насосі-обміннику і подальшому витіканні з клітки "зайвого" калію. За рахунок втрати позитивних зарядів при цьому витіканні всередині клітини наростає електронний торгівельний. Вона-то і є "мембранний потенціал спокою". Він вимірюється всередині клітини і становить зазвичай -70 мВ.

Мембранний потенціал спокою утворюється за рахунок двох процесів:

1. Робота калій-натрієвого насоса мембрани.

Нова гіпотеза механізму роботи Na, K-АТФази розглядається тут: Механізм натрій-калієвого насоса

Робота калій-натрієвого насоса, в свою чергу, має 2 слідства:

1.1. Безпосереднє Електрогене (породжує електричні явища) дію іонного насоса-обмінника. Це створення невеликої електронегативності всередині клітини (-10 мВ).

Винен в цьому нерівний обмін натрію на калій. Натрію викидається з клітини більше, ніж надходить в обмін калію. А разом з натрієм видаляється і більше "плюсиков" (позитивних зарядів), ніж повертається разом з калієм. Виникає невеликий дефіцит позитивних зарядів. Мембрана зсередини заряджається негативно (приблизно -10 мВ).

1.2. Створення передумов для виникнення великої електронегативності.

Ці передумови - нерівна концентрація іонів калію всередині і зовні клітини. Зайвий калій готовий виходити з клітки і виносити з неї позитивні заряди. Про це ми скажемо зараз нижче.

2. Витік іонів калію з клітки.

Із зони підвищеної концентрації всередині клітини іони калію виходять в зону зниженої концентрації назовні, виносячи заодно позитивні електричні заряди. Виникає сильний дефіцит позитивних зарядів всередині клітини. В результаті мембрана додатково заряджається зсередини негативно (до -70 мВ).

Калій-натрієвий насос створює передумови для виникнення потенціалу спокою. Це - різниця в концентрації іонів між внутрішньою і зовнішньою середовищем клітини. Окремо проявляє себе різницю концентрації по натрію і різниця концентрації по калію. Спроба клітини вирівняти концентрацію іонів по калію призводить до втрати калію, втрати позитивних зарядів і породжує електронний торгівельний всередині клітини. Ця електронний торгівельний становить більшу частину потенціалу покоя.Меньшую його частина становить безпосередня Електрогене іонного насоса, тобто переважаючі втрати натрію при його обміні на калій.