Millised on membraanipotentsiaali ilmnemise tingimused. Membraani aktsioonipotentsiaal

Üks tähtsamaid funktsioone bioloogiline membraan- biopotentsiaalide tekitamine ja ülekandmine. See nähtus on rakkude erutatavuse, rakusiseste protsesside reguleerimise, närvisüsteemi talitluse, lihaste kontraktsiooni reguleerimise ja vastuvõtu aluseks. Meditsiinis põhinevad diagnostikameetodid elundite ja kudede biopotentsiaalide poolt tekitatud elektriväljade uurimisel: elektrokardiograafia, elektroentsefalograafia, elektromüograafia jt. Ravitoimet kudedele ja organitele praktiseerivad ka välised elektriimpulsid elektrilise stimulatsiooni käigus.

Rakkude ja kudede elutähtsa aktiivsuse käigus võivad tekkida elektripotentsiaalide erinevused: Δj

1) redokspotentsiaalid – elektronide ülekandumise tõttu ühelt molekulilt teise;

2) membraan – ioonide kontsentratsioonigradiendi ja ioonide membraani läbimise tõttu.

Kehas registreeritud biopotentsiaalid on peamiselt membraanipotentsiaalid.

Membraani potentsiaal nimetatakse potentsiaalseks erinevuseks membraani sisemise (tsütoplasmaatilise) ja välispinna vahel:

j m \u003d j välja - j int.(1)

Biopotentsiaalide uurimise edusammud on tingitud:

1) mikroelektroodimeetodi väljatöötamine potentsiaalide intratsellulaarseks mõõtmiseks;

2) spetsiaalsete biopotentsiaalivõimendite (UPT) loomine;

3) edukate objektide valik suurte rakkude ja nende hulgas hiiglase uurimiseks kalmaari akson. Kalmaari aksoni läbimõõt ulatub 0,5 mm-ni, mis on 100–1000 võrra suurem kui selgroogsete loomade, sealhulgas inimeste, aksonite läbimõõt. Aksoni hiiglaslikud mõõtmed on suure füsioloogilise tähtsusega – need tagavad kiire ülekande närviimpulss piki närvikiudu.

Biofüüsika jaoks on hiiglaslik kalmaari akson olnud suurepärane mudelobjektiks biopotentsiaalide uurimiseks. Hiidkalmaari aksonisse saab sisestada mikroelektroodi, ilma et see aksonit oluliselt kahjustaks.

Klaasmikroelektrood on klaasist mikropipett, mille väga õhuke ots on välja tõmmatud (joonis 5.1 ).

Sellise paksusega metallelektrood on plastist ega suuda rakumembraani läbistada, pealegi on see polariseeritud. Elektroodide polarisatsiooni vältimiseks kasutatakse mittepolariseeritavaid elektroode, näiteks soolaga kaetud hõbetraati. AgCl lahusesse KS1 või NaCl(želatiniseeritud agar-agariga) täites mikroelektroodi.

Teine elektrood - võrdluselektrood - asub lahuses raku välispinnal. Salvestusseade P, mis sisaldab alalisvooluvõimendit, mõõdab membraani potentsiaali:

Joonis 5.1 – Mikroelektroodi meetod biopotentsiaalide mõõtmiseks

a - klaasist mikropipett; b - klaasist mikroelektrood;

c - membraanipotentsiaali registreerimisskeem

Mikroelektroodimeetod võimaldas mõõta biopotentsiaale mitte ainult hiidkalmaari aksonil, vaid ka normaalse suurusega rakkudel: teiste loomade närvikiududel, skeletilihasrakkudel, müokardirakkudel jm.

Membraanipotentsiaalid jagunevad puhkepotentsiaalideks ja aktsioonipotentsiaalideks.

puhkepotentsiaal- statsionaarne elektripotentsiaalide erinevus, mis registreeritakse membraani sise- ja välispinna vahel ergastamata olekus.

Puhkepotentsiaali määravad ioonide erinevad kontsentratsioonid vastavalt erinevad küljed membraan ja ioonide difusioon läbi membraani.

Kui mõne iooni kontsentratsioon rakus C ext erineb selle iooni kontsentratsioonist väljaspool C ext ja membraan on sellele ioonile läbilaskev, siis toimub membraani kaudu laetud osakeste vool, mille tulemusena tekib raku elektriline neutraalsus. süsteem on häiritud, raku sees ja väljaspool tekib potentsiaalide erinevus j m = j nar - j ext mis takistab ioonide edasist liikumist läbi membraani. Kui tasakaal on saavutatud, võrdsustatakse elektrokeemiliste potentsiaalide väärtused membraani vastaskülgedel: m ext = m ext .

Sest m = m0 + RTlnC + ZFj, siis

RTlnC ext + ZFj ext = RTlnC ext + ZFj ext

Siit on seda lihtne saada Nernsti valem membraani tasakaalupotentsiaali jaoks

j m \u003d j nar - j ext \u003d - RT / ZF´ln (C ext / C nar)

Kui membraanipotentsiaal on tingitud K + ioonide ülekandest, mille puhul [K + ] ext > [K + ] ex ja Z = +1, on membraani tasakaalupotentsiaal

Na + ioonide jaoks: tel< нар, Z = +1,

Kui Nernsti valemis läheme edasi naturaallogaritm kümnendkohani, siis positiivse univalentse iooni jaoks (Z = +1)

Võtame siis temperatuuri T=300 K

Võtame Nernsti valemi С ext /С nar ≈100, mis vastab suurusjärgus kaaliumi katseandmetele:

lg ja membraanipotentsiaal

0,06∙2 V = 0,12 V = 120 mV,

mis on mõnevõrra suurem puhkepotentsiaali eksperimentaalselt mõõdetud väärtuste moodulist ja elektrostaatika valemite abil hindame, kui palju ioone peab sellise potentsiaali tekitamiseks tsütoplasmast mitterakukeskkonda liikuma. erinevus. Raku raadius r = 10 µm = 10 -5 m. Membraani elektriline erimahtuvus (elektriline mahtuvus pindalaühiku kohta) Löökidega =10 -2 F/m 2 . Membraani pindala 4πr 2 ≈ 4π∙10 -10 m 2 ≈10 -9 m 2. Siis membraani mahtuvus

C=C võidab ∙S≈10 -2 ∙10 -9 m 2.

Iga märgi laengu absoluutväärtus membraani pinnal, kui mõelda sellele kui kondensaatorile,

mis vastab

Rakkude maht

Ioonide kontsentratsiooni muutus rakus seoses 10–17 mol ioonide vabanemisega rakust on

Väike kontsentratsiooni muutus võrreldes kaaliumiioonide kontsentratsiooni muutusega rakusiseses on vaid 10 -4% kaaliumi kontsentratsioonist rakus. Seega peab Nernsti membraani tasakaalupotentsiaali tekitamiseks membraani läbima tühiselt väike arv ioone võrreldes nende koguarvuga rakus.

Seega on puhkepotentsiaal tegelikult lähemal Nernsti valemiga K + arvutatud potentsiaalile. Samal ajal on märkimisväärne erinevus eksperimentaalsete ja teoreetiliste väärtuste vahel. Lahknevuse põhjuseks on see, et arvesse ei võeta membraani läbilaskvust teistele ioonidele. K + , Na + ja C1 - ioonide samaaegne difusioon läbi membraani võetakse arvesse Goldmani võrrandis.

Goldmanni võrrandi võib tuletada Nernst-Plancki võrrandist.

Teisendame selle võrrandi:

URT=D Einsteini seose järgi. Aktsepteerime nn konstantset Goldmanni väljalähendamist. Arvestame pingetega elektriväli membraanis on konstantne ja võrdne potentsiaalse gradiendi keskmise väärtusega:

kus l on membraani paksus.

Membraani läbiva ioonivoo tiheduse jaoks saame:

Tähistame Kirjutame

Eraldame muutujad:

Integreerime vasaku külje diferentsiaalvõrrand vahemikus 0 kuni 1 ja paremal C nar \u003d KS nar kuni C ext \u003d KS ext (kus K on jaotuskoefitsient)

Pärast võimendamist

Väljendame seda siit:

Seda arvestades saame:

Statsionaarsel juhul, kui potentsiaalide erinevus - membraanipotentsiaal - pärsib ioonide edasist ülekannet läbi membraani, muutub erinevate ioonide koguvool nulliks:

j K + + j Na + - j Cl - = 0

Enne j on miinusmärk, võttes arvesse klooriiooni negatiivset laengut. Kuna aga membraanipotentsiaali loomisel osalevad erinevad ioonid, siis tasakaal sel juhul ei teki, erinevate ioonide vood ei võrdu eraldi nulliga. Arvestades ainult voogusid jK + ja j Na+, siis j K+ +j Na+ =0, või j K = - j Na + ja asendades saame:

Sest,

Kui arvestada ka ioonide voolu C1 -, siis, korrates eelmist arutluskäiku, saame võrrandi membraanipotentsiaali jaoks, mis tekib kolme tüüpi ioonide membraani läbiva vooluga, Goldmanni võrrand:

Avaldise lugeja logaritmi märgi all tähistab kontsentratsioone [K +] BH, BH, aga [C1 -] HAR, ja nimetajas - [K + ] NAR, H AR, aga [С1 - ] HV sest kloriidiioonid on negatiivselt laetud.

Puhkeolekus on membraani läbilaskvus K + ioonide jaoks palju suurem kui Na + ja suurem kui C1 - puhul:

PK >>P Na , PK >P Na .

Näiteks kalmaari aksoni jaoks

PK:P Na:PCl=1:0,04:0,45.

Goldmani võrrandi ümberkirjutamine järgmiselt:

juhul, kui membraani läbilaskvus naatriumi- ja klooriioonide jaoks on palju väiksem kui kaaliumi läbilaskvus:

P Na<< P K , P Cl << P K ,

Seega on Nernsti võrrand Goldmani võrrandi erijuhtum.

Membraani potentsiaal, mis arvutati Goldmani võrrandiga, osutus absoluutväärtus väiksem kui Nernsti valemiga arvutatud membraanipotentsiaal, on lähemal selle eksperimentaalsetele väärtustele suurtes rakkudes. Nii Nernsti valem kui ka Goldmani võrrand ei võta arvesse ioonide aktiivset transporti läbi membraani, elektrogeensete (põhjustab laengu eraldumist ja sellest tulenevalt potentsiaalsete erinevuste ilmnemist) ioonpumpade olemasolu membraanides, millel on oluline roll. roll ioonide tasakaalu säilitamisel väikestes rakkudes. Tsütoplasmaatilises membraanis töötavad K + -Na + -ATPaasid, pumbates rakku kaaliumi ja rakust välja naatriumi. Võttes arvesse elektrogeensete ioonpumpade tööd, saime membraanipotentsiaali jaoks Thomase võrrand:

kus m on naatriumioonide arvu ja ioonpumpade abil läbi membraani pumbatud kaaliumiioonide arvu suhe. Kõige sagedamini töötab K + -Na + -ATPaas režiimis, kui m = 3/2, m on alati suurem kui 1. (Ioonpumpasid ei pumpa Cl, seega pole Thomase võrrandis termineid P Cl [Cl -].)

Koefitsient m > 1 suurendab kaaliumi kontsentratsiooni gradiendi panust membraanipotentsiaali tekkesse, seetõttu on Thomase järgi arvutatud membraanipotentsiaal absoluutväärtuses suurem kui Golmani järgi arvutatud membraanipotentsiaal ja ühtib katseväärtustega. väikeste rakkude jaoks.

Bioenergia protsesside rikkumine rakus ja K + -Na + -ATPaasi töö viib |φ m | vähenemiseni, sel juhul kirjeldab membraanipotentsiaali paremini Goldmani võrrand.

Kahju rakumembraan viib rakumembraanide läbilaskvuse suurenemiseni kõikide ioonide puhul: nii P to, P Na ja P cl suurenemiseni Läbilaskvuse erinevuse vähenemise tõttu on membraanipotentsiaali absoluutväärtus |φ m | väheneb.

Tugevalt kahjustatud rakkude jaoks |φ m | veelgi vähem, kuid negatiivne membraanipotentsiaal |φ m | rakus sisalduvate polüanioonide tõttu – negatiivselt laetud valgud, nukleiinhapped ja muud suured molekulid, mis ei suuda läbi membraani tungida (Donnani potentsiaal).

tegevuspotentsiaal

Elektriliste närviimpulsside (tegevuspotentsiaalide) kaudu elusorganismis edastatakse informatsioon retseptoritelt aju neuronitesse ja aju neuronitest lihastesse. Elusorganism on täielikult elektrifitseeritud süsteem. Ilma elektrita pole elu.

Aktsioonipotentsiaal avastati enne puhkepotentsiaali. Loomade elekter on tuntud juba pikka aega. Elektriangerjalahendusi (tekivad pingel kuni 600 V, voolutugevusega umbes 60 A ja kestusega suurusjärgus millisekundit) kasutas meditsiin Vana-Roomas podagra, peavalu ja epilepsia raviks. Elektrilise närviimpulsi avastas Bologna anatoomiaprofessor Luigi Galvani. Tema elektrofüsioloogiliste katsete tulemused on ära toodud raamatus "Traktaat lihaste liikumise elektrijõududest" (1791). Galvani avastas, et tükeldatud konna jäsemete lihaste kokkutõmbeid võib põhjustada elektriimpulss ja elektriimpulsi allikaks oli elussüsteem ise. Galvani suur avastus mängis silmapaistvat rolli füüsika, elektrotehnika, elektrokeemia, füsioloogia, biofüüsika ja meditsiini arengus. Galvani ideede tohutu populaarsus tõi aga kaasa nende roppuse, mille jäljed on jäänud meie ajani (laipade galvaniseerimine, puudutavate pilkude galvaniseerimine jne), mis tekitas füüsikutes Galvani katsete suhtes umbusalduse. Galvani noorem kaasaegne, füüsikaprofessor Alessandro Volta oli loomelektri idee äge vastane (välja arvatud elektrikalade erijuhud: elektriangerjas ja elektrirai). Oma katsetes välistas ta bioloogilise objekti ja näitas, et elektrivoolu on võimalik saada elektrolüüdi (voltaic kolonni) eraldatud metallide komplekti kokkupuutel. Nii avastati keemiline vooluallikas (mida nimetati aga hiljem oma teadusliku vastase auks galvaanielemendiks).

19. sajandil tekkis primitiivne idee elektrivoolude levimisest närvide, nagu juhtmete kaudu. Helmholtz (19. saj II pool) näitas aga, et närviimpulsi levimiskiirus on vaid 1-100 m/s, mis on palju väiksem kui elektriimpulsi levimiskiirus läbi juhtmete kuni 3 10 8. Prl. Seetõttu lükkas enamik füsiolooge 19. sajandi lõpuks hüpoteesi närviimpulsi elektrilise olemuse kohta tagasi. Arvati, et keemiline reaktsioon levib mööda närvikiude. Tegelikult, nagu hiljem näidatud, on elektrilise närviimpulsi aeglane levik seotud kondensaatorite, mis on rakumembraanid, aeglase laadimisega suurte takistuste kaudu. Membraani laadimise ajakonstant τ= RC on suur, kuna membraani mahtuvus (C) ja närvikiu takistus R on suured.

Seda, et närviimpulss on elektrivooluimpulss, tõestati alles 20. sajandi keskpaigaks, peamiselt inglise füsioloogi A. Hodgkini ja tema kaastööliste töödes. 1963. aastal pälvisid Hodgkin, Huxley ja Eckles Nobeli meditsiiniauhinna "operatsiooni eest". närvirakud".

Tegevuspotentsiaal (AP) nimetatakse elektriimpulsiks, mis on tingitud membraani ioonide läbilaskvuse muutusest ja on seotud erutuslaine levimisega läbi närvide ja lihaste.

Aktsioonipotentsiaali uurimise katsed viidi läbi (peamiselt Hodgkini ja tema kaastöötajate poolt) hiiglaslike kalmaari aksonitega mikroelektroodide meetodil, kasutades suure takistusega pingemõõtjaid, samuti märgistatud aatomite meetodil. Joonisel on näidatud katsete skeem ja uurimistöö tulemused.

Aktsioonipotentsiaali uurimiseks tehtud katsetes kasutati kahte aksonisse sisestatud mikroelektroodi. Esimesele mikroelektroodile rakendatakse ristkülikukujuliste impulsside generaatorist G impulss amplituudiga V, mis muudab membraani potentsiaali. Membraani potentsiaali mõõdetakse teise mikroelektroodiga, millel on kõrge takistusega pingesalvesti R.

Joonis 5.2 – Aktsioonipotentsiaali uuring:

a - katse skeem (G - impulssgeneraator, P - pingesalvesti); b - aktsioonipotentsiaal (φ p m - puhkepotentsiaal, φ pööre m - tagasipöördepotentsiaal, φ d m - aktsioonipotentsiaali amplituud, φ thor m - lävipotentsiaal)

Ergutav impulss põhjustab vaid lühiajalist membraanipotentsiaali nihet, mis kiiresti kaob ja puhkepotentsiaal taastub. Juhul, kui ergastav impulss nihkub veelgi kaugemale negatiivne pool, sellega kaasneb membraani hüperpolarisatsioon. Samuti ei teki aktsioonipotentsiaali, kui ergastav impulss on positiivne (depolariseeriv), kuid selle amplituud on väiksem kui läviväärtus V nop . Kui aga positiivse, depolariseeriva impulsi amplituud osutub suuremaks V nop väärtusest, muutub φ m suuremaks kui φ poor m ja membraanis areneb protsess, mille tulemusena toimub järsu impulsi suurenemine. membraanipotentsiaal ja membraanipotentsiaal φ m muudab isegi oma märki - muutub positiivseks (φ ext >φ nar).

Saavutanud teatud positiivse väärtuse φ pööre - tagasipööramispotentsiaal, naaseb membraani potentsiaal ülejäänud potentsiaali väärtusele φ p m, olles teinud midagi summutatud võnke sarnast. Närvikiududes ja skeletilihastes on aktsioonipotentsiaali kestus umbes 1 ms (ja südamelihases umbes 300 ms. Pärast ergastuse eemaldamist täheldatakse membraanis veel 1-3 ms jooksul mõningaid jääknähtusi, mille jooksul membraan on tulekindel (mitteerutuv).

Uus depolariseeriv potentsiaal V > V nop võib põhjustada uue aktsioonipotentsiaali teket alles pärast seda, kui membraan on täielikult naasnud puhkeolekusse. Veelgi enam, aktsioonipotentsiaali amplituud

ei sõltu depolariseeriva potentsiaali amplituudist (kui ainult V > V nop). Kui puhkeolekus on membraan polariseeritud (tsütoplasma potentsiaal on rakuvälise keskkonna suhtes negatiivne), siis ergastusel membraan depolariseerub (rakusisene potentsiaal on positiivne) ja pärast ergastuse eemaldamist membraan repolariseerub. .

Aktsioonipotentsiaali iseloomulikud omadused:

1) depolariseeriva potentsiaali läviväärtuse olemasolu;

2) seadus "kõik või mitte midagi" ehk kui depolarisatsioonipotentsiaal on suurem kui lävi, tekib aktsioonipotentsiaal, mille amplituud ei sõltu ergastava impulsi amplituudist ja aktsioonipotentsiaal puudub, kui depolariseeriva potentsiaali amplituud on väiksem kui lävi;

3) aktsioonipotentsiaali kujunemise ajal esineb tulekindluse, membraani mitteerutuvuse periood ja pärast ergastuse eemaldamist jääknähtusid;

4) ergastamise hetkel membraani takistus järsult väheneb (kalmaari aksonis, 0,1 Ohm m 2 puhkeolekus 0,0025 Ohm m 2 ergastamisel).

Kui pöörduda erinevate ioonide poolt tekitatud tasakaaluliste Nernsti potentsiaalide väärtuste andmete poole, on loomulik eeldada, et positiivne tagasipöördumispotentsiaal on naatriumi iseloomuga, kuna just naatriumi difusioon tekitab positiivse potentsiaalide erinevuse membraani sise- ja välispinnad.

Te saate muuta aktsioonipotentsiaali impulsi amplituudi, muutes naatriumi kontsentratsiooni väliskeskkonnas. Naatriumi välise kontsentratsiooni vähenemisega väheneb aktsioonipotentsiaali amplituud, kuna pöördumispotentsiaal muutub. Kui naatrium rakku ümbritsevast keskkonnast täielikult eemaldada, ei teki aktsioonipotentsiaali üldse.

Läbiviidud katsed radioaktiivne isotoop naatrium, võimaldas kindlaks teha, et ergastamisel suureneb naatriumi läbilaskvus järsult. Kui puhkeolekus on kalmaari aksoni membraani läbilaskvustegurite suhe erinevad ioonid:

PK:PNa:PCl = 1:0,04:0,45

siis põnevil olekus:

PK:PNa:PCl = 1:20:0,45

see tähendab, et võrreldes ergastamata olekuga suureneb ergastuse korral naatriumi läbilaskvuse koefitsient 500 korda.

Membraani tagasipööramispotentsiaali arvutused vastavalt Goldmani võrrandile, kui sellesse on asendatud ergastatud oleku membraani läbilaskvuse väärtused, langevad katseandmetega kokku.

Membraani ergastamist kirjeldatakse Hodgkini-Huxley võrranditega. Ühel Hodgkini-Huxley võrrandil on vorm:

kus I m on membraani läbiv vool, C m on membraani mahtuvus, ∑I i on membraani läbivate ioonivoolude summa.

Membraani läbiv elektrivool koosneb ioonvooludest: kaaliumiioonidest - I k +, naatriumioonidest - I Na + ja teistest ioonidest, sealhulgas Cl, nn lekkevoolust I k, samuti mahtuvuslikust voolust. Mahtuvuslik vool on tingitud kondensaatori, mis on membraan, laadimisest laengute vooluga ühelt selle pinnalt teisele. Selle väärtuse määrab ühelt plaadilt teisele voolava laengu hulk ajaühikus dq / dt ja kuna kondensaatori laeng on q \u003d C m ∆φ \u003d C m φ m, siis on mahtuvusvool C M. Membraani koguvool

Hodgkini-Huxley teooria kohaselt on membraanielemendi ergastumine seotud Na + ja K + ioonide membraani juhtivuse muutustega: g K ja g Na.

Membraanide juhtivused sõltuvad kompleksselt membraani potentsiaalist ja ajast.

Leiti, et kui membraanipotentsiaali tõsta (φ m üle läviväärtuse), siis voolab vool esmalt rakku ja seejärel rakust välja.

Hodgkini, Huxley, Bakeri, Shaw katsetes tõestati, et membraanivoolu I faas on seotud naatriumioonide vooluga keskkond(kus naatriumi kontsentratsioon on suurem) rakku (kus seda on vähem) ja II faasi seletatakse kaaliumiioonide väljavooluga rakust väljapoole.

Hodgkin ja Huxley muutsid oma katsetes ümbritseva lahuse ioonset koostist. Leiti, et kui naatrium eemaldati väljast, kadus membraanivoolu esimene faas (vool rakku). Seetõttu on aktsioonipotentsiaali arendamise esimene faas seotud membraani naatriumioonide läbilaskvuse suurenemisega. Positiivsete osakeste vool rakku viib membraani depolarisatsioonini – selle sisepind on välispinna suhtes positiivselt laetud.

Teises faasis suureneb järsult membraani läbilaskvus kaaliumile ja positiivselt laetud kaaliumiioonid väljuvad rakust, samal ajal kui naatriumivool väheneb. Ioonse toimepotentsiaali kujunemise mehhanism tõestati lõpuks Hodgkini, Bakeri ja Shaw' otsustavas katses, kus valmistatud aksoni aksoplasma asendati välislahusega ja välislahuse ioonne koostis muudeti samasuguseks. normaalsest aksoplasmast. Selle ioonsete koostiste asendamisega muutus membraani potentsiaalne erinevus märki. Nüüd puhkeolekus oli selle sisepind välispinna suhtes positiivselt laetud. Aktsioonipotentsiaal osutus negatiivseks.

Oletatakse, et ergastatud membraani ioonide läbilaskvuse selektiivne (selektiivne) muutus: esmalt Na + ja seejärel K + - puhul on tingitud asjaolust, et membraanil on spetsiaalsed ioonikanalid. Seal on eraldi naatriumi- ja kaaliumikanalid, mis avanevad ja sulguvad närviimpulsi läbimisel läbi membraani teatud osa. Esimeses faasis avanevad naatriumikanalid, teises faasis kaaliumikanalid. Seetõttu sulguvad kõigepealt naatriumikanalid ja seejärel kaaliumikanalid. Ioonikanalite avanemise ja sulgumise põhjustab membraanipotentsiaali muutus.

Üks tõendeid ioonikanalite olemasolu kohta membraanis on ainete olemasolu, mis blokeerivad ioonide voolu läbi membraani. Seega blokeerib fugu kalas sisalduv tetrodotoksiin naatriumi sisenemist rakku ja seega häirib närviimpulsi ülekandmist, mis võib viia surmav tulemus. On tõestatud, et tetrodotoksiin ei mõjuta raku läbilaskvust kaaliumile, mis tähendab, et naatriumi- ja kaaliumiioonid läbivad tegelikult erinevaid kanaleid. Tundub, et tetrodotoksiini molekulid jäävad oma spetsiifilise struktuuri tõttu naatriumikanalitesse kinni. Loendades membraani kinni jäänud tetrodotoksiini molekulide arvu, oli võimalik määrata naatriumikanalite arv. Selgroogsete erinevates närvikiududes oli see erinev - 3 kuni 75 kanalit membraani pindala ühe ruutmikromeetri kohta (võrdluseks, fosfolipiidimolekulide arv on ≈ 2 10 6 1/μm 2).

Samuti on avastatud spetsiifiline kaaliumikanalite inhibiitor - tetraetüülammoonium. Kui membraani töödelda tetrodotoksiiniga, mis blokeerib naatriumikanaleid, kaob membraanipotentsiaali fikseerimise katsetes esimene faas ja tetraetüülammoonium, mis peatab ülekande läbi kaaliummembraani, põhjustab teise faasi kadumise.

Seega on kindlaks tehtud, et aktsioonipotentsiaali teket põhjustavad ioonide voolud läbi membraani: esmalt naatriumioonid rakku ja seejärel kaaliumiioonid rakust välislahusesse, mis on seotud membraani muutusega. membraani juhtivus kaaliumi- ja naatriumioonide jaoks.

A. PD omadused. PD on elektriline protsess, mis väljendub membraanipotentsiaali kiires kõikumises, mis on tingitud ioonide liikumisest rakku ja t rakud ja on võimelised levima pleekimata(ilma kahanemiseta). See tagab signaalide edastamise närvirakkude vahel, närvikeskuste ja tööorganite vahel, lihastes - elektromehaanilise sidumise protsess (joonis 3.3, a).

Neuroni AP väärtus jääb vahemikku 80-110 mV, närvikiu AP tipu kestus on 0,5-1 ms. AP amplituud ei sõltu stimulatsiooni tugevusest, see on konkreetsetel tingimustel alati antud raku jaoks maksimaalne: AP järgib kõike või mitte midagi seadust, kuid ei allu jõusuhete seadusele - jõuseadusele. AP kas ei ilmu üldse vastusena raku stimulatsioonile, kui see on väike, või on sellel maksimaalne väärtus, kui stimulatsioon on lävi või läviülene. Tuleb märkida, et nõrk (alalävi) ärritus võib põhjustada kohalik potentsiaal. Ta järgib tugevuse seadust: stiimuli tugevuse suurenemisega suureneb selle suurus (vt täpsemalt jaotisest 3.6). PD koostises eristatakse kolme faasi: 1 faas - depolarisatsioon, s.o. raku laengu kadumine - membraanipotentsiaali vähenemine nullini; 2 faas - inversioon, raku laengu muutus vastupidiseks, kui rakumembraani sisekülg on laetud positiivselt ja välimine pool negatiivselt (lat. tuerzyu - ümberpööramine); 3. faas - repolarisatsioon, raku esialgse laengu taastamine, kui rakumembraani sisepind on taas laetud negatiivselt ja välimine - positiivselt.

B. PD esinemise mehhanism. Kui stiimuli toime rakumembraanile viib AP tekkeni, siis AP arenguprotsess ise põhjustab rakumembraani läbilaskvuse faasimuutusi, mis tagab Ka + iooni kiire liikumise rakku, ja K + ioon - rakust välja. Membraani potentsiaali väärtus samal ajal esmalt väheneb ja seejärel taastatakse algsele tasemele. Ostsilloskoobi ekraanil ilmnevad märgatavad muutused membraanipotentsiaalis tipppotentsiaalina - PD. See tekib ioonide kontsentratsiooni gradientide tulemusena, mida ioonpumbad akumuleerivad ja säilitavad rakus sees ja väljaspool, s.t. potentsiaalse energia tõttu erinevate ioonide elektrokeemiliste gradientide kujul. Kui energia genereerimise protsess on blokeeritud, siis AP ilmub mõneks ajaks, kuid pärast ioonide kontsentratsiooni gradientide kadumist (potentsiaalse energia kõrvaldamine) rakk AP-d ei tekita. Mõelge PD faasidele.

Riis. 3.3. Ergastusprotsessi kajastav skeem. a - aktsioonipotentsiaal, selle faasid: 1 - depolarisatsioon, 2 - inversioon (ülelöögi), 3 - repolarisatsioon, 4 - jälg hüperpolarisatsioon; b - naatriumivärav; (b-1 - raku puhkeasendis); c - kaaliumivärav (1 - raku puhkeolekus). Pluss- (+) ja miinus (-) märgid on laengu märgid raku sees ja väljas erinevates AP-faasides. (Vt selgitust tekstist.) Neid on palju erinevaid pealkirju PD faasid (ei olnud üksmeel): 1) lokaalne ergutus - PD tipp - jäljepotentsiaalid; 2) tõusufaas - langusfaas - jäljepotentsiaalid; 3) depolarisatsioon - ületamine (kattuvus, liialdus, lend) ja see faas jaguneb omakorda kaheks osaks: tõusev (inversioon, FROM lat. rnzipiya. On ka teisi nimesid.

Märgime ühte vastuolu: mõisted "repolarisatsioon" ja "pöördumine", kuid tähendus on sama - naasmine eelmisse olekusse, kuid need seisundid on erinevad: ühel juhul laeng kaob (tagasi pöördumine), teisel juhul see taastatakse (repolarisatsioon). Kõige õigemad on PD-faaside nimetused, milles üldine idee, näiteks raku laengu muutus. Sellega seoses on mõistlik kasutada järgmisi AP-faaside nimetusi: a) depolarisatsioonifaas - raku laengu nullini kadumise protsess; 2) inversiooni faas - raku laengu muutus vastupidiseks. st kogu PD periood, mil rakusisene laeng on positiivne ja väljaspool - negatiivne; 3) repolarisatsioonifaas - raku laengu taastamine algväärtusele (puhkepotentsiaali naasmine).

1. Depolarisatsiooni faas(vt joonis 3.3, a,üks). Rakku depolariseeriva stiimuli (mediaator, elektrivool) toimel toimub algul membraani potentsiaali langus (osaline depolarisatsioon), muutmata membraani ioonide läbilaskvust. Kui depolarisatsioon jõuab ligikaudu 50%ni läviväärtusest (lävipotentsiaalist), suureneb selle membraani läbilaskvus Ka + ioonile ja esimesel hetkel suhteliselt aeglaselt. Loomulikult on Ka* ioonide rakku sisenemise kiirus sel juhul madal. Sel perioodil, aga ka kogu depolarisatsioonifaasi vältel liikumapanev jõud Na + ioonide sisenemist rakku tagavad kontsentratsioonid ja elektrilised gradiendid. Tuletame meelde, et sees olev rakk on negatiivselt laetud (vastupidised laengud tõmbavad üksteist) ja Na + ioonide kontsentratsioon väljaspool rakku on 10-12 korda suurem kui raku sees. Kui neuron on ergastatud, suureneb selle membraani läbilaskvus ka Ca + ioonide jaoks, kuid selle vool rakku on palju väiksem kui Na + ioonide oma. Tingimuseks, mis tagab Na + iooni sisenemise rakku ja sellele järgneva K* iooni rakust väljumise, on rakumembraani läbilaskvuse suurenemine, mille määrab Na väravmehhanismi olek. ja K ioonkanalid. Elektriliselt juhitava kanali viibimisaeg sisse avatud olek on oma olemuselt tõenäosuslik ja sõltub membraanipotentsiaali suurusest. Ioonide koguvool igal hetkel määratakse rakumembraani avatud kanalite arvuga. ^-kanalite väravamehhanism asub rakumembraani välisküljel (Na + liigub raku sees), K-kanaliga väravamehhanism- siseküljel (K + liigub lahtrist välja).

Na- ja K-kanalite aktiveerimise (värava avanemise) tagab membraani potentsiaali vähenemine Kui raku depolarisatsioon saavutab kriitilise väärtuse (E kp , depolarisatsiooni kriitiline tase - CUD), mis on tavaliselt -50 mV (võimalikud on ka muud väärtused), suureneb membraani Na + ioonide läbilaskvus järsult - avaneb suur hulk pingest sõltuvaid Na kanalite väravaid ja Na + ioonid tormavad rakku laviinina. Na + ioonide intensiivse voolu tulemusena rakku kulgeb depolarisatsiooniprotsess seejärel väga kiiresti. Rakumembraani arenev depolariseerumine põhjustab selle läbilaskvuse ja loomulikult ka Na + ioonide juhtivuse täiendava suurenemise - üha enam avaneb Na-kanalite aktivatsiooniväravaid, mis annab Na * ioonide voolule rakku iseloomu. regeneratiivne protsess. Selle tulemusena kaob PP ja muutub võrdseks nulliga. Siin lõpeb depolarisatsioonifaas.

2. Faasi inversioon. Pärast PP kadumist jätkub Na + sisenemine rakku (m - Na-kanalite väravad on endiselt avatud - h-2), mistõttu positiivsete ioonide arv rakus ületab negatiivsete ioonide arvu, rakusisene laeng muutub positiivseks, väljaspool negatiivseks. Membraani laadimise protsess on PD 2. faas – inversiooni faas (vt joonis 3.3, c, 2). Nüüd takistab elektriline gradient Na + sisenemist rakku (positiivsed laengud tõrjuvad üksteist), Na * juhtivus väheneb. Sellest hoolimata jätkavad Na + ioonide sisenemist rakku teatud aja jooksul (millisekundi murdosad), mida tõendab AP jätkuv tõus. See tähendab, et kontsentratsioonigradient, mis tagab Na + ioonide liikumise rakku, on tugevam kui elektriline, mis takistab Na * ioonide sisenemist rakku. Membraani depolarisatsiooni käigus suureneb ka selle läbilaskvus Ca 2+ ioonide suhtes, need lähevad samuti rakku, kuid närvirakkudes on Ca 2+ ioonide roll AP tekkes väike. Seega kogu AP piigi tõusev osa tagatakse peamiselt Na* ioonide sisenemisega rakku.

Umbes 0,5-1 ms pärast depolarisatsiooni algust peatub AP suurenemine Ka-kanalite (L-3) väravate sulgemise ja K-kanalite väravate (c, 2) avanemise tõttu, st. K + ioonide läbilaskvuse suurenemine. Kuna K + ioonid on valdavalt raku sees, lahkuvad nad vastavalt kontsentratsioonigradiendile kiiresti rakust, mille tulemusena väheneb positiivselt laetud ioonide arv rakus. Raku laeng hakkab taastuma algsele tasemele. Inversioonifaasis soodustab K* ioonide vabanemist rakust ka elektriline gradient. K* ioonid surutakse positiivse laengu toimel rakust välja ja väljastpoolt rakku tulev negatiivne laeng tõmbab neid ligi. See jätkub kuni positiivse laengu täieliku kadumiseni raku sees – kuni inversioonifaasi lõpuni (vt joonis 3.3, a - punktiirjoon), kui algab PD järgmine faas - repolarisatsioonifaas. Kaalium ei välju rakust mitte ainult kontrollitud kanalite kaudu, mille väravad on avatud, vaid ka kontrollimatute lekkekanalite kaudu.

AP amplituud on PP väärtuse (puhkeraku membraanipotentsiaal) ja inversioonifaasi väärtuse summa - umbes 20 mV. Kui raku puhkeolekus on membraanipotentsiaal väike, siis on selle raku AP amplituud väike.

3. repolarisatsiooni faas. Selles faasis on rakumembraani läbilaskvus K + ioonide suhtes endiselt kõrge, K + ioonid jätkavad vastavalt kontsentratsioonigradiendile kiiresti rakust lahkumist. Raku sees on jälle negatiivne laeng ja väljas positiivne laeng (vt joonis 3.3, a, 3), nii et elektriline gradient takistab K * väljumist rakust, mis vähendab selle juhtivust, kuigi see lahkub jätkuvalt. See on tingitud asjaolust, et kontsentratsioonigradiendi toime väljendub märkimisväärselt tugevam kui tegevus elektriline gradient. Seega on kogu AP piigi langev osa tingitud K+ iooni vabanemisest rakust. Sageli toimub AP lõpus repolarisatsiooni aeglustumine, mis on seletatav rakumembraani K + ioonide läbilaskvuse vähenemisega ja nende rakust väljumise aeglustumisega K-kanali sulgumise tõttu. väravad. Teine K + ioonide voolu aeglustumise põhjus on seotud raku välispinna positiivse potentsiaali suurenemisega ja vastupidise elektrilise gradiendi tekkega.

Peamist rolli PD esinemisel mängib ioon Na*, mis siseneb rakku koos rakumembraani läbilaskvuse suurenemisega ja annab kogu AP piigi tõusva osa. Kui Na + ioon söötmes asendatakse teise iooniga, näiteks koliiniga, või kui Na-kanalid blokeeritakse tetrodotoksiiniga, siis AP närvirakus ei esine. Siiski mängib olulist rolli ka membraani läbilaskvus K + iooni jaoks. Kui tetraetüülammoonium takistab K + iooni läbilaskvuse suurenemist, repolariseerub membraan pärast depolarisatsiooni palju aeglasemalt, ainult aeglaste kontrollimatute kanalite (ioonide lekkekanalite) tõttu, mille kaudu K + rakust lahkub.

Ioonide roll Ca 2+ PD esinemisel närvirakkudes on ebaoluline, osades neuronites märkimisväärne, näiteks väikeaju Purkinje rakkude dendriitides.

B. Jäljenähtused raku ergastamise protsessis. Need nähtused väljenduvad raku hüperpolarisatsioonis või osalises depolarisatsioonis pärast membraanipotentsiaali algväärtuse taastumist (joonis 3.4).

jälgi hüperpolarisatsiooni rakumembraan on tavaliselt tingitud rakumembraani endiselt suurenenud K+ läbilaskvusest. K-kanalite väravad ei ole veel täielikult suletud, mistõttu K + jätkab rakust lahkumist vastavalt kontsentratsioonigradiendile, mis viib rakumembraani hüperpolarisatsioonini. Järk-järgult taastub rakumembraani läbilaskvus algsesse olekusse (naatrium- ja kaaliumväravad oma algsesse olekusse) ning membraanipotentsiaal muutub samaks, mis oli enne raku ergastamist. Ioonpumbad ei vastuta otseselt aktsioonipotentsiaali faaside eest, ioonid liiguvad suur kiirus vastavalt kontsentratsioonile ja osaliselt elektrilistele gradientidele.

jälgede depolarisatsioon iseloomulik ka neuronitele. Selle mehhanismi ei mõisteta hästi. Võib-olla on see tingitud rakumembraani Ca*-i läbilaskvuse lühiajalisest suurenemisest ja selle sisenemisest rakku vastavalt kontsentratsioonile ja elektrilistele gradientidele.

Kõige tavalisem meetod ioonkanalite funktsioonide uurimiseks on pingeklambri meetod. Membraani potentsiaali muudetakse ja fikseeritakse teatud tasemel elektripinge rakendamisega, seejärel rakumembraan järk-järgult depolariseeritakse, mis viib ioonkanalite avanemiseni ja ioonvoolu ilmnemiseni, mis võib raku depolariseerida. Sel juhul juhitakse ioonvoolule läbi elektrivool, mis on suuruselt võrdne, kuid märgilt vastupidine, mistõttu transmembraanne potentsiaalide erinevus ei muutu. See võimaldab uurida membraani läbiva ioonvoolu suurust. Erinevate ioonkanali blokaatorite kasutamine annab lisavõimalus kanalite omadusi põhjalikumalt uurida.

Puhkerakus ja PD ajal üksikute kanalite kaudu kulgevate ioonvoolude kvantitatiivset seost ja nende kineetikat saab määrata lokaalse potentsiaali kinnitusmeetodi (patch-clamp) abil. Membraanile tuuakse mikroelektrood - iminapp (selle sisse tekib vaakum) ja kui selles piirkonnas on kanal, siis uuritakse seda läbivat ioonivoolu. Ülejäänud meetod on sarnane eelmisele. Ja sel juhul kasutatakse spetsiifilisi kanaliblokaatoreid. Täpsemalt, kui membraanile rakendatakse fikseeritud depolarisatsioonipotentsiaali, leiti, et K + ioon võib läbida ka Ka kanaleid, kuid selle vool on 10-12 korda väiksem ja Ma + ioon võib läbida K. kanaleid, on selle vool 100 korda väiksem kui K + ioonide vool.

Ergastuse (AP) tekkimist tagav ioonide varu rakus on tohutu. Ioonide kontsentratsioonigradiendid ühe ergastustsükli tulemusena praktiliselt ei muutu. Akut saab ergutada kuni 5 * 10 5 korda ilma laadimiseta, s.t. ilma Ma/K-pumba töötamiseta. Närvikiu genereeritavate ja juhitavate impulsside arv sõltub selle paksusest, mis määrab ioonide tarnimise. Mida paksem on närvikiud, seda suurem on ioonide pakkumine, seda rohkem impulsse võib see tekitada (mitu sada kuni miljon) ilma Na / K-pumba osaluseta. Kuid õhukeste kiudude puhul kulub umbes 1% Na + ja K* ioonide kontsentratsioonigradientidest ühe TD esinemisele. Kui blokeerite energia tootmise, erutub rakk korduvalt. Tegelikkuses transpordib Na/K pump pidevalt Na+ ioone rakust välja ja tagastab K+ ioone rakku, mille tulemusena säilib Na+ ja K+ kontsentratsioonigradient tänu energia otsesele tarbimisele, mille allikas on ATP. On tõendeid, et Na + intratsellulaarse kontsentratsiooni suurenemisega kaasneb Na / K-pumba töö intensiivsuse suurenemine. See võib olla tingitud üksnes asjaolust, et operaator muutub kättesaadavaks suur kogus intratsellulaarsed Na + ioonid.

Elektrilaeng, nagu ka mass, on aine põhiomadus. On kahte tüüpi laenguid, mida tavaliselt nimetatakse positiivseteks ja negatiivseteks.

Igal ainel on elektrilaeng, mis võib olla positiivne, negatiivne või null. Näiteks elektronid on negatiivselt laetud, prootonid aga positiivselt. Kuna iga aatom sisaldab ühte või mitut elektroni ja võrdse arvu prootoneid, koguarv laengud makroskoopilises objektis on äärmiselt suured, kuid üldiselt selline objekt ei ole laetud või sellel on väike laeng.

Elektroni laeng on absoluutväärtuselt väikseim.

Elektriväli. Coulombi seadus

Iga laetud objekt moodustab ümbritsevas ruumis elektrivälja. Elektriväli on mingi aine, mille kaudu laetud objektid üksteisega suhtlevad. Teise laengu elektrivälja sisestatud testlaeng "tunnetab" selle välja olemasolu. Seda tõmbab elektrivälja tekitav laeng või tõrjub see sellest eemale.

Coulombi seadus määrab kahe punktlaengu vahel mõjuva elektrijõu F q 1 ja q2:

k- valitud tingimustega määratud konstant; r- laengute vaheline kaugus.

Coulombi seaduse järgi mõjub jõud kahte laengut ühendava joone suunas. Laengutele mõjuva jõu suurus on võrdeline iga laengu suurusega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga.

Elektrivälja saab kujutada jõujoontena, mis näitavad elektrijõudude suunda. Need jõud on suunatud laengust eemale, kui see on positiivne, ja laengu suunas, kui see on negatiivne. Kui elektrivälja asetada positiivne laeng, mõjub sellele välja suunaline jõud. Negatiivsele laengule mõjub välja suunaga vastupidine jõud.

Elektrivälja omadused

1) Elektrivälja tugevus. Iga elektrilaeng tekitab enda ümber elektrivälja. Kui teine tasu q sisestatud sellele väljale, siis mõjub sellele jõud F, proportsionaalne q ja elektrivälja tugevus E:

Elektrivälja tugevust E (või lihtsalt tugevust) mis tahes punktis defineeritakse kui elektrijõudu F, mis mõjub positiivsele laengule q asetatud siia punkti:

E on vektorsuurus, see tähendab, et sellel on nii suurus kui ka suund. Pingeühikuks on volti meetri kohta [V/m].

Superpositsiooni (superpositsiooni) printsiip näitab, et kui elektrivälja tekitavad paljud laengud, määratakse summaarne tugevus iga laengu tekitatud tugevuste liitmise teel vastavalt vektorite liitmise reeglitele.

2) Elektripotentsiaal. Laengu liigutamiseks sellele mõjuva elektrijõu vastu tuleb teha tööd. See töö ei sõltu laengu liikumisteest elektriväljas, vaid oleneb laengu alg- ja lõppasendist.

Kui laeng liigub elektrijõu vastu ühest punktist teise, suureneb selle elektrostaatiline potentsiaalne energia. Elektripotentsiaal mis tahes punktis on võrdne elektrostaatilise potentsiaalse energiaga Wp, millel on positiivne laeng q sel hetkel: φ = W p /q (4).

Võib ka öelda, et elektripotentsiaal punktis võrdub tööga, mida tuleb teha elektrijõudude vastu, et viia positiivne laeng antud punktist suurele kaugusele, kus elektrivälja potentsiaal on null. Elektripotentsiaal on skalaarväärtus ja seda mõõdetakse voltides ( AT).

Elektrivälja tugevus on elektripotentsiaali negatiivne gradient – potentsiaali vahemaa muutumise indikaator x: E → = - dφ/dx. Instrumentide abil saab mõõta potentsiaalide erinevust, kuid mitte väljatugevust. Viimast saab arvutada vahelise seose abil E → ja Δφ : kus Δφ = E l on kahe elektrivälja voolu vaheline kaugus.

Puhkemembraani potentsiaal

Iga rakk muudab osa oma metaboolsest energiast elektrostaatiliseks energiaks. Raku elektrivälja allikaks on plasmamembraan. Sise- ja välispinna vahel on potentsiaalide erinevus plasmamembraan. Seda potentsiaalset erinevust nimetatakse membraanipotentsiaal .

Võimalik erinevus sisemise ja väliskeskkonnad rakke saab mõõta otse ja üsna täpselt. Selleks kasutatakse mikroelektroodi, milleks on klaasist mikropipetti otsa läbimõõduga kuni 1 mikronit täidetud kontsentreeritud KCl lahusega. Mikroelektrood on ühendatud salvestusseadme pingevõimendiga. Saate mõõta lihaste, närvirakkude või teiste kudede rakkude membraanipotentsiaali. Koe pinnale asetatakse teine elektrood (referents).

Kui mikroelektroodi ots on rakust väljas, on selle potentsiaal võrdluselektroodi suhtes null. Kui elektroodi ots sukeldatakse rakku, läbistades plasmamembraani, muutub potentsiaalide erinevus järsult negatiivseks. Mõõteseadme skaalal registreeritakse raku sise- ja väliskeskkonna potentsiaalide erinevus. Seda potentsiaalset erinevust nimetatakse transmembraanne või membraanipotentsiaal.

Kui rakk on puhkeasendis, on selle membraanipotentsiaal negatiivne tähendus ja stabiilne väärtus. Tavaliselt nimetatakse seda puhkemembraani potentsiaal . Erinevate kudede rakkude puhkemembraani potentsiaal on vahemikus - 55 millivolti (mV) enne - 100mV.

Teatud füsioloogilistes tingimustes võivad tekkida muutused membraanipotentsiaalis. Selle muutmist positiivses suunas nimetatakse depolarisatsioon plasmamembraan. Membraanipotentsiaali nihkumist negatiivses suunas nimetatakse hüperpolarisatsioon .

Puhkemembraani potentsiaali biofüüsikalised alused

Plasmamembraani elektrilised nähtused on määratud ioonide jaotumisega sisemise ja välised osapooled membraanid. Alates keemiline analüüs on teada, et ioonide kontsentratsioon intratsellulaarses vedelikus on väga erinev ioonide kontsentratsioonist rakuvälises vedelikus. Mõiste "rakuväline vedelik" tähistab kõiki vedelikke väljaspool rakke (rakkudevaheline aine, veri, lümf jne). Tabelis on toodud peamiste ioonide kontsentratsioonid imetajate lihasrakkudes ja rakuvälises vedelikus (millimooli liitri kohta).

Olemas olulisi erinevusi aluseliste ioonide kontsentratsiooni vahel rakus sees ja väljaspool. Ekstratsellulaarses vedelikus on kõrge naatriumi- ja kloriidioonide kontsentratsioon. Intratsellulaarses vedelikus on kõrge kaaliumi ja erinevate orgaaniliste anioonide (A-) kontsentratsioon (laetud valkude rühmad).

Naatriumi ja kaaliumi kontsentratsioonide erinevus rakuvälises ja intratsellulaarses vedelikus tuleneb naatrium-kaaliumpumba tegevusest, mis pumpab rakust ühe tsükliga välja 3 naatriumiooni ja pumbab rakku 2 kaaliumiiooni elektrokeemilise reaktsiooni vastu. nende ioonide gradient. Naatrium-kaaliumpumba põhiülesanne on säilitada naatriumi- ja kaaliumiioonide kontsentratsioonide erinevus plasmamembraani mõlemal küljel.

Puhkeolekus ületab plasmamembraani läbilaskvus kaaliumiioonide suhtes oluliselt membraani läbilaskvust naatriumioonide suhtes. Närvirakkudes on vastavate ioonide läbilaskvuse suhe 1:0,04.

See asjaolu võimaldab selgitada puhkemembraani potentsiaali olemasolu.

Kaaliumioonid kipuvad rakust lahkuma nende kõrge sisemise kontsentratsiooni tõttu. Sel juhul ei liigu intratsellulaarsed anioonid oma suure suuruse tõttu läbi membraani. Naatriumioonide ebaoluline sissevõtmine rakku ei kompenseeri ka kaaliumiioonide väljumist väljapoole, kuna membraani läbilaskvus puhkeolekus naatriumioonide jaoks on madal.

Järelikult omandab raku väliskülg täiendava positiivse laengu ja negatiivse laengu ülejääk jääb sisse.

Kaaliumi difusioon läbi membraani on piiratud protsess. Membraanist läbi tungivad kaaliumiioonid loovad elektrivälja, mis aeglustab teiste kaaliumiioonide difusiooni. Kui kaalium rakust lahkub, suureneb elektriväli ja lõpuks jõuab pinge sellisele tasemele, kui kaaliumivool läbi membraani peatub. Nimetatakse olekut, milles ioonide voolu piki nende kontsentratsioonigradienti tasakaalustab membraanipotentsiaal elektrokeemilise tasakaalu seisund ioonid. Selle membraani tasakaalupotentsiaali väärtuse määrab Nernsti võrrand ( samas leitakse, et membraan on läbilaskev ainult ühte tüüpi ioonidele ) :

R on universaalne gaasikonstant, T- termodünaamiline temperatuur, z on iooni elektrilaeng, F- Faraday konstant, i ja o - vastavalt kaaliumiioonide rakusisene ja rakuväline kontsentratsioon.

Nernsti võrrandil põhinevad arvutused näitavad, et ka kloriidioonide sise- ja väliskontsentratsioon vastab elektrokeemilise tasakaalu seisundile, kuid naatriumi kontsentratsioon on kaugel tasakaalust membraani membraanipotentsiaaliga.

Nernsti võrrand näitab, et kaaliumioonide kontsentratsioonigradient määrab puhkemembraani potentsiaali suuruse alles esimesel lähendusel. Membraanipotentsiaali arvutatud väärtused langevad kokku nendega, mis saadi eksperimentaalselt ainult kell kõrge kontsentratsioon kaalium väljaspool rakku.

Puhkemembraani potentsiaali täpsema väärtuse saab arvutada Goldmani-Hodgkini võrrandist, mis võtab arvesse membraani kontsentratsiooni ja läbilaskvust rakusiseste ja ekstratsellulaarsete vedelike kolme peamise iooni jaoks:

Samuti on naatrium-kaaliumpump otseselt seotud membraani puhkepotentsiaali säilitamisega, pumbates rakust välja kolm naatriumiooni ja pumbates ainult kahte kaaliumiiooni. Selle tulemusena muutub puhkemembraani potentsiaal negatiivsemaks, kui see oleks siis, kui see tekiks ainult ioonide passiivsel liikumisel läbi membraani.

tegevuspotentsiaal

Kui lühiajaline elektrivool läbib närvi- või lihasraku membraani, siis membraanipotentsiaalis toimuvad järjestikused muutused, mis on spetsiifilised ja unikaalsed ergastavatele rakkudele. Ergutavad kuded saab stimuleerida ka mehaaniliste või keemiliste vahenditega, kuid katsetöös kasutatakse reeglina elektrilisi stiimuleid.

Riis. üks. Närvirakkude aktsioonipotentsiaal.

tegevuspotentsiaal - membraanipotentsiaali suuruse kiire kõikumine, mis on põhjustatud elektrilise või muu stiimuli toimest erutuvale rakule.

Joonisel fig. 1 näitab närviraku aktsioonipotentsiaali, mis on registreeritud mikroelektroodiga. Kui rakule rakendatakse lühiajalist elektrilist stiimulit, väheneb membraani potentsiaal kiiresti nullini. Seda kõrvalekallet iseloomustatakse kui depolarisatsiooni faas ja. Lühikest aega sisekeskkond rakk muutub välise suhtes elektropositiivseks ( membraani potentsiaali pöördumise faas või ülekoormus ). Seejärel naaseb membraani potentsiaal puhkemembraani potentsiaali tasemele ( repolarisatsiooni staadium ) (joonis 2.).

Riis. 2. Tegevuspotentsiaali faasid

Aktsioonipotentsiaali kestus on suurtes närvirakkudes 0,5–1 millisekund ja skeletilihasrakkudes mõni millisekund. Kogu amplituud - peaaegu 100 - 120 mV, kõrvalekalle nulljoonest - umbes 30-50 mV.

Aktsioonipotentsiaal mängib närvisüsteemi infotöötluses juhtivat rolli. Sellel on konstantne amplituud, mis ei ole tõenäosussuurus. Sellel on suur tähtsus teabe töötlemisel närvisüsteemi poolt. Stimulatsiooni intensiivsuse kodeerimine toimub aktsioonipotentsiaalide arvu ja sagedusega, millega aktsioonipotentsiaalid üksteisele järgnevad.

Tegevuspotentsiaali biofüüsikalised alused

Aktsioonipotentsiaal tuleneb spetsiifilistest muutustest plasmamembraani ioonide läbilaskvuses. Inglise füsioloog Hodgkin näitas, et toimepotentsiaali peamiseks mehhanismiks on lühiajaline ja väga spetsiifiline muutus membraani läbilaskvuses naatriumioonide suhtes. Samal ajal sisenevad naatriumioonid rakku, kuni membraanipotentsiaal saavutab naatriumioonide elektrokeemilise tasakaalu potentsiaali.

Riis. 3. Naatriumi- ja kaaliumiioonide membraani läbilaskvuse muutus aktsioonipotentsiaali ajal

Naatriumi läbilaskvus rakule elektrilise stiimuli toimel suureneb ligikaudu 500 korda ja muutub palju suuremaks kui membraani läbilaskvus kaaliumioonide jaoks. Naatriumioonide kontsentratsioon rakus suureneb järsult. Selle tulemusena võtab membraani potentsiaal positiivne väärtus, ja naatriumioonide vool rakku aeglustub.

Aktsioonipotentsiaali ilmnemisel plasmamembraan depolariseerub. Membraani kiire depolariseerumine elektrilise stiimuli toimel põhjustab selle naatriumioonide läbilaskvuse suurenemist. Naatriumiioonide suurenenud tarbimine rakku suurendab membraani depolarisatsiooni, mis omakorda põhjustab membraani naatriumi läbilaskvuse edasist suurenemist jne.

Kuid membraanipotentsiaali väärtus depolarisatsiooni ajal ei ulatu naatriumioonide elektrokeemilise tasakaalu potentsiaali tasemeni. Selle põhjuseks on membraani naatriumioonide läbilaskvuse vähenemine naatriumi transmembraanse transpordi inaktiveerimine. See protsess vähendab dramaatiliselt membraani läbilaskvust naatriumioonide suhtes ja peatab naatriumi sissevoolu rakku.

Sel hetkel suureneb membraani läbilaskvus kaaliumiioonide jaoks, mis põhjustab kiire langus membraanipotentsiaali suurus kuni puhkepotentsiaali tasemeni. Ka membraani läbilaskvus kaaliumioonide jaoks väheneb normaalväärtuseni. Seega piirab sissetuleva naatriumivoolu inaktiveerimine ja membraani läbilaskvuse suurenemine kaaliumiioonidele (väljaminev vool) aktsioonipotentsiaali kestust ja põhjustab repolarisatsioon membraanid.

Seega sisenevad aktsioonipotentsiaali ajal mõned naatriumiioonid rakku. Kuid see arv on üsna väike. Ioonide kontsentratsiooni muutus suurtes närvirakkudes on vaid umbes 1/300 000 algväärtusest.

Membraani läbilaskvuse muutuste peamine mehhanism on tingitud sündmustest membraani naatriumi- ja kaaliumikanalites. Nende väravate olekut juhib membraanipotentsiaali suurus. Naatriumikanalitel on kahte tüüpi väravaid. Üks neist, mida nimetatakse aktiveerimisväravaks, on puhkeolekus suletud ja avaneb membraani depolariseerumisel. Naatriumioonide sisenemine rakku põhjustab kõige avanemise rohkem aktiveerimisvärav. Teist tüüpi naatriumikanali väravad - suureneva depolarisatsiooniga inaktiveeritud membraanid suletakse järk-järgult, mis peatab naatriumi sissevoolu rakku. Membraani depolarisatsioon põhjustab ka täiendava arvu kaaliumikanalite avanemist, mille tulemuseks on membraani kaaliumioonide läbilaskvuse suurenemine ja membraani repolarisatsioon.

Riis. neli. Membraani naatriumi- ja kaaliumikanalite seisundi muutused sõltuvalt membraanipotentsiaali suurusest

Aktsioonipotentsiaali levik

Aktsioonipotentsiaal levib piki närvi- ja lihasrakkude membraani ilma amplituudi vähenemiseta kaugusega. See protsess on tingitud kaabli omadused plasmamembraan, st. võime juhtida elektrit lühikeste vahemaade tagant. Lokaalne elektrivool voolab rakku aktiivses piirkonnas (kus tekib aktsioonipotentsiaal) ja külgneva mitteaktiivse piirkonna rakust välja. Need ioonvoolud põhjustavad mõningaid muutusi membraanipotentsiaalis aktsioonipotentsiaali kohaga külgnevas tsoonis.

Tsükliline lokaalne vool vähendab membraani laengut mitteaktiivses tsoonis ja depolariseerib selle. Kui depolarisatsioon jõuab lävitasemeni, suureneb membraani läbilaskvus naatriumioonide jaoks ja tekib aktsioonipotentsiaal. Seega levib aktsioonipotentsiaal mööda närvi- ja lihaskiude ühtlase kiirusega.

Riis. 5. Aktsioonipotentsiaali levik piki närvikiudude membraani

Aktsioonipotentsiaali leviku kiirus närvikiududes sõltub nende läbimõõdust. See on maksimaalne kõige paksemates kiududes, ulatudes umbes 100 meetrini sekundis.

»: 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. Punkte kaaludes on aga täiesti võimalik mõista selle peamisi üksikasju ja etappe. Ettekandes tutvustatakse puhkepotentsiaali mõistet ja selgitatakse 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 üldine negatiivne laeng suureneb oluliselt. sisepind rakud. 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 tal juba toimunud elektrilaengute ümberjaotumine 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. Makroskoopilised füüsilised kehad on reeglina elektriliselt neutraalsed, s.t. 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 moodustub 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, et närvisüsteemis ei esinda elektrilaenguid mitte 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 jäävad domineerima positiivsed ioonid (Na + ja K + katioonid) ning negatiivsed ioonid (orgaaniliste hapete anioonid, mis ei suuda vabalt läbi membraani liikuda, nagu Na + ja K +) sees valitseb.

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 madalamale nihutatakse potentsiaal nullist negatiivsele poolele ja mida väiksem on negatiivsus, seda lähemal on negatiivne potentsiaal nullile. Seda on palju lihtsam mõista kui iga kord aru saada, mida täpselt tähendab väljend "potentsiaali suurenemine" – sissetuleku suurenemine absoluutväärtus(või "moodul") tähendab puhkepotentsiaali nihkumist nullist allapoole, vaid lihtsalt "tõusu" - potentsiaali nihkumist nulli. 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:

alguses vahetab ta oma "oma" naatriumi "võõra" kaaliumi vastu (jah, mõned positiivsed ioonid teiste vastu, sama positiivsed);
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

Valguvalgud töötavad närviraku membraanis 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 tsütoplasmat, märkaksime, et vahetuspumpade töö tulemusena muutus see soolasest mõrkjas-soolakas-hapuks, sest naatriumkloriidi soolane maitse asendus raku kompleksse maitsega. üsna kontsentreeritud kaaliumkloriidi lahus. 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 rohkem - kompleksne maitse, mis koosneb soolasest, mõrkjas 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 neuroni energiatarbimisest võib minna tööle naatrium-kaaliumpumbad. (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 inimese luuüdi multipotentsete mesenhümaalsete stroomarakkudega, 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:

raku armastus kaaliumi vastu (seetõttu tirib rakk ta vägisi enda juurde);
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:

Naatriumi puudus (Na +) rakus.
Liigne kaalium (K +) rakus.
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 toimi naatriumi puhul hästi, kuna naatriumioonikanalid on tavaliselt suletud ja avatud ainult teatud tingimustel: 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, kuid naatriumi ei ole mõtet võrrelda kaaliumiga, nagu see õpikutes juhtub.

Vastavalt joondusseadusele keemilised kontsentratsioonid, mis toimib lahustes, naatrium "tahab" siseneda rakku väljastpoolt; elektrijõud tõmbab ta ka sinna (nagu mäletame, on tsütoplasma negatiivselt laetud). Ta tahab midagi tahta, aga ei saa, kuna membraan on sees normaalne olek igatseb seda väga. 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 puhkemembraani potentsiaali normaalväärtustel pidevalt avatud ja näitavad membraanipotentsiaali nihete ajal aktiivsuse puhanguid, mis kestavad mitu minutit ja mida täheldatakse kõigil potentsiaaliväärtustel. K + lekkevoolude suurenemine põhjustab membraani hüperpolarisatsiooni, nende mahasurumine aga depolarisatsiooni. ...Lekkevoolude eest vastutava kanalimehhanismi olemasolu jäi aga pikaks ajaks küsimärgi alla. Alles nüüd on selgunud, et kaaliumileke on vool läbi spetsiaalsete kaaliumikanalite.
Zefirov A.L. ja Sitdikova G.F. ioonkanalid erututav rakk(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 on suur osa puhkepotentsiaalist.

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 konkreetne juhtum on lihtsam Nernsti võrrand, mida saab kasutada transmembraanse difusioonipotentsiaali erinevuse arvutamiseks, mis põhineb sama liigi ioonide erinevatel kontsentratsioonidel membraani vastaskülgedel. 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) polaarsus elektrilaeng iga ioon; (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:

-10 mV, mis saadakse membraanivaheti pumba "asümmeetrilisest" tööst (pumpab ju rakust välja rohkem positiivseid laenguid (Na +) kui kaaliumiga tagasi).
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 lahkumise (täpsemalt selle sisend ja väljund on võrdsustatud) alles raku negatiivsuse tasemel –90 mV. Sel juhul keemiline ja elektrilised jõud 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 igas tsüklis viib membraani sisepinna negatiivse laenguni. Mida see video ei ütle, on see, et ATPaas vastutab vähem kui 20% puhkepotentsiaalist (-10 mV): ülejäänud "negatiivsus" (-60 mV) tuleb rakust lahkumisel K "kaaliumi lekkekanalite" kaudu. ioonid +, püüdes ühtlustada nende kontsentratsiooni rakus ja väljaspool.

Kirjandus

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;
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;
Sarah Sundelacruz, Michael Levin, David L. Kaplan. (2008). Membraani potentsiaal kontrollib mesenhümaalsete tüvirakkude adipogeenset ja osteogeenset diferentseerumist. PLOS ÜKS. 3 , e3737;
Pavlovskaja M.V. ja Mamykin A.I. Elektrostaatika. Dielektrikud ja juhid elektriväljas. DC / Elektrooniline käsiraamatüldfüüsikas. Peterburi: Peterburi Riiklik Elektrotehnikaülikool;
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;
Makarov A.M. ja Luneva L.A. Elektromagnetismi alused / Tehnikaülikooli füüsika. T. 3;
Zefirov A.L. ja Sitdikova G.F. Ergutava raku ioonikanalid (struktuur, funktsioon, patoloogia). Kaasan: Kunst-kohvik, 2010. - 271 lk;
Rodina T.G. Toiduainete sensoorne analüüs. Õpik ülikooli üliõpilastele. M.: Akadeemia, 2004. - 208 lk.;
Kolman J. ja Rem K.-G. Visuaalne biokeemia. M.: Mir, 2004. - 469 lk;
Šulgovski V.V. Neurofüsioloogia alused: õpik ülikooli üliõpilastele. Moskva: Aspect Press, 2000. - 277 lk.

Puhkemembraani potentsiaal on elektripotentsiaal (reserv), mis moodustub rakumembraani välispinna ja sees Membraani siseküljel välispinna suhtes on alati negatiivne laeng. Igat tüüpi rakkude puhul on puhkepotentsiaal peaaegu konstantne väärtus. Niisiis on soojaverelistel loomadel skeletilihaste kiududes see 90 mV, müokardirakkudel - 80, närvirakkudel - 60-70. Membraanipotentsiaal on olemas kõigis elusrakkudes.

Kooskõlas kaasaegne teooria vaadeldav elektrireserv tekib ioonide aktiivse ja passiivse liikumise tulemusena.

Passiivne liikumine toimub mööda seda, ei nõua energiakulu. rahuolekus on sellel suurem kaaliumiioonide läbilaskvus. Närvi- ja lihasrakkude tsütoplasmas on neid (kaaliumioone) kolmkümmend kuni viiskümmend korda rohkem kui rakkudevahelises vedelikus. Tsütoplasmas on ioonid vabas vormis ja difundeeruvad vastavalt kontsentratsioonigradiendile läbi membraani rakuvälisesse vedelikku. Interstitsiaalses vedelikus hoiavad neid rakusisesed anioonid membraani välispinnal.

Rakusisene ruum sisaldab peamiselt püroviinamari-, äädik-, asparagiin- ja teiste orgaaniliste hapete anioone. Anorgaanilisi happeid leidub suhteliselt väikestes kogustes. Anioonid ei suuda membraani läbida. Nad jäävad puuri. Anioonid asuvad sees membraanid.

Tulenevalt asjaolust, et anioonidel on negatiivne laeng ja katioonidel on positiivne laeng, on membraani välispinnal positiivne laeng ja sisemisel negatiivne laeng.

Naatriumioone on rakuvälises vedelikus kaheksa kuni kümme korda rohkem kui rakus. Nende läbilaskvus on madal. Naatriumioonide läbitungimise tõttu aga membraanipotentsiaal mingil määral väheneb. Samal ajal toimub ka kloriidioonide difusioon rakku. Nende ioonide sisaldus on rakuvälistes vedelikes viisteist kuni kolmkümmend korda suurem. Nende läbitungimise tõttu suureneb membraanipotentsiaal veidi. Lisaks on membraanis spetsiaalne molekulaarne mehhanism. See soodustab aktiivset kaaliumi- ja naatriumioonide kontsentratsiooni suurenemist. Seega säilib ioonne asümmeetria.

Adenosiini trifosfataasi ensüümi mõjul laguneb ATP. Mürgistus tsüaniidide, monojodoatsetaadi, dinitrofenooli ja muude ainetega, sealhulgas nendega, mis peatavad ATP sünteesi ja glükolüüsi protsessid, kutsub esile selle (ATP) vähenemise tsütoplasmas ja "pumba" toimimise seiskumise.

Membraan on läbilaskev ka kloriidioonidele (eriti lihaskiududes). Suure läbilaskvusega rakkudes sisalduvad kaaliumi- ja kloriidioonid võrdselt moodustavad membraani puhkeoleku. Samal ajal on teistes rakkudes viimaste panus sellesse protsessi tähtsusetu.