Оглавление [Скрыть]
- 1 Мембранный потенциал
- 1.1 Мембранный потенциал
- 1.2 Функции мембранного потенциала
- 1.3 Сигналы в нейронах и мышечных клетках
- 1.4 Градиенты концентрации ионов
- 1.5 Физическая основа
- 1.6 Напряжение и электрическое поле
- 1.7 Ионы и силы, управляющие их движением
- 1.8 Диффузия ионов через барьер
- 1.9 Плазматические мембраны
- 1.10 Облегченная диффузия и транспортировка
- 1.11 Ионные насосы
- 1.12 Ионные каналы
- 1.13 Типы ионных каналов
- 1.14 Потенциал разворота
- 1.15 Изменения мембранного потенциала в процессе развития
- 1.16 Возбудимость клеток
- 1.17 Эквивалентная схема
- 1.18 Потенциал покоя
- 1.19 Уравнение Голдмана
- 1.20 Градуированные потенциалы
- 1.21 Постсинаптические потенциалы
- 1.22 Движущая сила и проницаемость ионов
- 1.23 Мембранный потенциал и его предсказание
- 1.24 Эффекты и последствия мембранного потенциала
- 1.25 Примеры и наблюдения
- 1.26 Дополнительные ресурсы
- 1.27 Полный текст статьи:
- 2 Мембранный потенциал
Мембранный потенциал
-
Мембранный потенциал
- Разница в электрическом потенциале между внутренней и внешней частями клетки
- Энергия для перемещения заряда через мембрану
- Типичные значения: -80 мВ до -40 мВ
-
Функции мембранного потенциала
- Обеспечивает энергией молекулярные устройства клетки
- Используется для передачи сигналов в возбудимых клетках
-
Сигналы в нейронах и мышечных клетках
- Открытие и закрытие ионных каналов вызывает изменение мембранного потенциала
- Деполяризация и гиперполяризация
- Потенциалы действия генерируются активацией ионных каналов
-
Градиенты концентрации ионов
- Различия в концентрациях ионов создают мембранный потенциал
- Ионы калия, натрия и хлорида имеют градиенты концентрации
- Мембранный потенциал локализован на поверхности мембраны
-
Физическая основа
- Мембранный потенциал определяется электрической силой и диффузией
- Напряжение — способность пропускать электрический ток через сопротивление
-
Напряжение и электрическое поле
- Напряжение — разница в электрическом потенциале
- Электрическое поле — градиент распределения напряжения
- Сильное электрическое поле подразумевает сильное взаимодействие заряженных частиц
-
Ионы и силы, управляющие их движением
- Электрические сигналы передаются ионами
- Важные катионы: натрий, калий, кальций
- Анион хлорида играет роль в потенциале действия некоторых водорослей
-
Диффузия ионов через барьер
- Ионы натрия и хлорида диффундируют через барьер, если он проницаем для обоих типов ионов.
- Если барьер проницаем только для ионов натрия, натрий накапливается в растворе с более низкой концентрацией.
- Электрические поля и силы диффузии влияют на ионы, создавая равновесный потенциал.
-
Плазматические мембраны
- Плазматические мембраны состоят из липидного бислоя с встроенными молекулами.
- Мембраны обладают высоким удельным электрическим сопротивлением и низкой проницаемостью для ионов.
- Мембраны функционируют как комбинированный резистор и конденсатор.
-
Облегченная диффузия и транспортировка
- Ионные каналы и насосы обеспечивают облегченную диффузию и транспортировку ионов.
- Ионные насосы активно переносят ионы, используя клеточную энергию.
- Натриево-калиевый насос создает разность напряжений, повышая концентрацию калия внутри клетки и снижая концентрацию натрия снаружи.
-
Ионные насосы
- Натриево-калиевый насос выводит три иона натрия и два иона калия, создавая разность напряжений.
- Насос работает медленно и постепенно становится менее эффективным.
- Ионные насосы не играют существенной роли в реполяризации мембраны.
-
Ионные каналы
- Ионные каналы обеспечивают проходы для ионов, специфичны для определенных ионов.
- Каналы могут быть открытыми или закрытыми, в зависимости от состояния белка.
- Каналы, участвующие в потенциале действия, чувствительны к напряжению.
-
Типы ионных каналов
- Каналы утечки: проницаемость постоянна, зависят от напряжения и могут быть отключены лигандами.
- Управляемые лигандом каналы: проницаемость повышается при связывании лиганда, например, нейромедиаторов.
- Каналы, зависящие от напряжения: проницаемость зависит от мембранного потенциала, например, натриевые каналы Ходжкина-Хаксли.
-
Потенциал разворота
- Обратный потенциал: величина трансмембранного напряжения, при котором диффузионные и электрические силы уравновешиваются.
- Равновесный потенциал: величина, при которой суммарный ток иона через мембрану равен нулю.
-
Изменения мембранного потенциала в процессе развития
- Мембранный потенциал нейрона меняется в процессе развития организма.
- Глиальные клетки дифференцируются и пролиферируют, регулируя уровень внеклеточного калия.
-
Возбудимость клеток
- Возбудимость клеток: изменение мембранного потенциала, необходимое для клеточных реакций.
- Регуляторы возбудимости: концентрации внеклеточных электролитов и ассоциированных белков.
- Возбудимые клетки: нейроны, мышечные клетки, эндотелиальные клетки, глиальные клетки и другие.
-
Эквивалентная схема
- Электрофизиологи моделируют эффекты ионов и каналов в терминах эквивалентной схемы.
- Схема состоит из конденсатора и четырех последовательно подключенных проводов.
- Проводимость ионных каналов зависит от их состояния и концентрации ионов.
- Постоянная времени схемы обычно находится в диапазоне 1-100 миллисекунд.
-
Потенциал покоя
- Мембранный потенциал клетки остается неизменным в течение длительного времени.
- Используется для обозначения мембранного потенциала невозбудимых клеток и возбудимых клеток в отсутствие возбуждения.
- В возбудимых клетках возможны градуированные мембранные потенциалы и потенциалы действия.
-
Уравнение Голдмана
- Моделирует мембранный потенциал как средневзвешенное значение обратных потенциалов ионов.
- Учитывает проницаемость мембраны для ионов калия, натрия и хлорида.
- Потенциал покоя обычно близок к потенциалу реверсии калия.
-
Градуированные потенциалы
- Изменения мембранного потенциала зависят от проницаемости мембраны для ионов.
- Открытие Na+-каналов сдвигает мембранный потенциал в сторону изменения Na+-потенциала.
- Открытие K+-каналов сдвигает мембранный потенциал в отрицательном направлении.
- Открытие Cl−-каналов сдвигает мембранный потенциал в сторону потенциала покоя.
-
Постсинаптические потенциалы
- Временное изменение мембранного потенциала, вызванное активацией синапса.
- Нейромедиаторы, открывающие Na+-каналы, повышают мембранный потенциал.
- Нейромедиаторы, активирующие K+-каналы, повышают его отрицательность.
- Ток с обратным потенциалом выше порогового значения считается возбуждающим.
- Ток с обратным потенциалом ниже порогового значения считается ингибирующим.
-
Движущая сила и проницаемость ионов
- Движущая сила иона определяется как разница между его равновесным потенциалом и мембранным потенциалом.
- Проницаемость иона измеряется как проводимость.
- В состоянии покоя калий обладает высокой проницаемостью, но низкой движущей силой.
- В пике потенциала действия проницаемость для Na высока, а для K относительно низкая.
-
Мембранный потенциал и его предсказание
- Чем больше ионов проникает внутрь клетки, тем сложнее предсказать мембранный потенциал.
- Уравнение Голдмана-Ходжкина-Каца (GHK) позволяет определить мембранный потенциал в любой момент времени.
- Уравнения GHK учитывают градиенты концентрации и проницаемости ионов.
-
Эффекты и последствия мембранного потенциала
- Клетки используют мембранный потенциал для транспортировки ионов и метаболитов.
- Трансмембранный потенциал митохондрий стимулирует выработку АТФ.
- Клетки могут использовать энергию потенциала покоя для возбуждения потенциалов действия.
- Изменения мембранного потенциала обеспечивают связь с другими клетками и инициируют изменения внутри клетки.
-
Примеры и наблюдения
- Изменения в диэлектрических свойствах мембраны могут указывать на заболевания, такие как диабет и дислипидемия.
- В нейрональных клетках потенциал действия начинается с притока ионов натрия, что приводит к деполяризации.
- Небольшая доза соли может активизировать нейроны, вызывая мышечные спазмы.
-
Дополнительные ресурсы
- Биоэлектрохимия, хемиосмотический потенциал, электрохимический потенциал, уравнение Голдмана, биофизика мембран, матрица микроэлектродов, солевая проводимость, поверхностный потенциал, эффект Гиббса–Доннана, синаптический потенциал.
- Дальнейшее чтение: Альбертс и др., Гайтон, Артур К., Джон Э. Зал, Хилле, Б., Николлс, Дж.Дж., Мартин, А.Р. и Уоллес, Б.Дж., Уве-Стен Кнудсен, Национальная медицинская серия для самостоятельного изучения.