Жасуша мембранасының потенциалы

Кіріспе

Физикалық шаманың түрі Мембраналық потенциал (сонымен қатар трансмембраналық потенциал немесе мембраналық кернеу) – биологиялық жасушаның ішкі және сыртқы ортасы арасындағы электр потенциалының айырмашылығы. Яғни, ішкі жасушалық ортадан сыртқы жасушалық ортаға және керісінше электр зарядтарының қозғалуына қажетті энергияның айырмашылығы бар, егер кинетикалық энергияның жиналуы немесе сәулеленудің пайда болуы болмаса. Бұл энергия қажеттілігін зарядтардың концентрация градиенттері тікелей анықтайды. Жасушаның сыртқы бетінде мембраналық потенциалдың типік мәндері, әдетте милливольттармен (mV) өлшеніп, -80 мВ-тан -40 мВ-қа дейін ауытқиды. Барлық жануарлар жасушалары липидтік екі қабаттан тұратын мембранамен қоршалған, оның құрамында белоктар орналасқан. Мембрана иондардың қозғалысына оқшаулағыш және диффузиялық кедергі ретінде қызмет етеді. Трансмембраналық белоктар, сондай-ақ ион тасымалдаушылар немесе иондық сорғылар деп аталатындар, иондарды мембрана арқылы белсенді түрде жылжытып, мембрана арқылы концентрация градиенттерін қалыптастырады, ал иондық каналдар иондарға осы концентрация градиенттері бойынша мембрана арқылы қозғалуға мүмкіндік береді. Иондық сорғылар мен иондық каналдар электрлік тұрғыдан мембранаға енгізілген батареялар мен кедергілер жиынтығына тең келеді, сондықтан мембрананың екі жағы арасында кернеу туындайды. Шамамен барлық плазмалық мембраналардың ішкі жағы сыртқы жағына қарағанда теріс зарядталған электр потенциалына ие. Мембраналық потенциалдың екі негізгі функциясы бар. Біріншіден, ол жасушаға батарея сияқты жұмыс істеуге қажетті қуатты қамтамасыз етеді. Екіншіден, нейрондар мен бұлшықет жасушалары сияқты электрлік тұрғыдан қозуға қабілетті жасушаларда ол жасушаның әртүрлі бөліктері арасында сигналдарды тарату үшін қолданылады. Сигналдар мембрананың бір нүктесінде иондық каналдардың ашылуы немесе жабылуы арқылы пайда болады, бұл мембраналық потенциалдағы жергілікті өзгеріске әкеледі. Электр өрісінің бұл өзгеруі мембранадағы жақын немесе алыс орналасқан иондық каналдармен тез сезіледі. Бұл иондық каналдар потенциалдың өзгеруіне жауап ретінде ашылып немесе жабылып, сигналды қайта жасайды. Қозуға қабілетсіз жасушаларда және олардың негізгі күйіндегі қозуға қабілетті жасушаларда мембраналық потенциал салыстырмалы түрде тұрақты мәнде сақталады, бұл тынығу потенциалы деп аталады. Нейрондар үшін тынығу потенциалы -80-ден -70 милливольтқа дейін ауытқиды; яғни жасушаның ішкі жағында шамамен бір вольттан оннан бір бөлігіне тең теріс кернеу болады. Иондық каналдардың ашылуы мен жабылуы тынығу потенциалынан ауытқуға әкелуі мүмкін. Егер ішкі кернеу теріс болмаса (мысалы, -70 мВ-тан -60 мВ-қа дейін), онда бұл деполяризация деп аталады, ал егер ішкі кернеу теріс болса (мысалы, -70 мВ-тан -80 мВ-қа дейін), онда бұл гиперполяризация деп аталады. Қозуға қабілетті жасушаларда жеткілікті үлкен деполяризация қимыл потенциалын тудыруы мүмкін, онда мембраналық потенциал қысқа мерзім ішінде (1-ден 100 миллисекундқа дейін) тез және айтарлықтай өзгереді, көбінесе полярлығын кері қайтарады. Қимыл потенциалдары белгілі бір кернеуге сезімтал иондық каналдардың белсенділігі арқылы пайда болады. Нейрондарда мембраналық потенциалға әсер ететін факторлар әртүрлі. Олардың ішінде иондық каналдардың көптеген түрлері бар, олардың кейбіреулері химиялық түрде, ал кейбіреулері кернеулік түрде ашылады. Кернеулік иондық каналдар мембраналық потенциалмен бақыланатындықтан, ал мембраналық потенциалдың өзі осы иондық каналдарға әсер ететіндіктен, күрделі уақытша динамикаға мүмкіндік беретін кері байланыс циклдары пайда болады, соның ішінде тербелістер және қимыл потенциалы сияқты регенеративті оқиғалар.

Type of physical quantity

Membrane potential (also transmembrane potential or membrane voltage) is the difference in electric potential between the interior and the exterior of a biological cell. That is, there is a difference in the energy required for electric charges to move from the internal to exterior cellular environments and vice versa, as long as there is no acquisition of kinetic energy or the production of radiation. The concentration gradients of the charges directly determine this energy requirement. For the exterior of the cell, typical values of membrane potential, normally given in units of milli volts and denoted as mV, range from –80 mV to –40 mV. All animal cells are surrounded by a membrane composed of a lipid bilayer with proteins embedded in it. The membrane serves as both an insulator and a diffusion barrier to the movement of ions. Transmembrane proteins, also known as ion transporter or ion pump proteins, actively push ions across the membrane and establish concentration gradients across the membrane, and ion channels allow ions to move across the membrane down those concentration gradients. Ion pumps and ion channels are electrically equivalent to a set of batteries and resistors inserted in the membrane, and therefore create a voltage between the two sides of the membrane. Almost all plasma membranes have an electrical potential across them, with the inside usually negative with respect to the outside. The membrane potential has two basic functions. First, it allows a cell to function as a battery, providing power to operate a variety of "molecular devices" embedded in the membrane. Second, in electrically excitable cells such as neurons and muscle cells, it is used for transmitting signals between different parts of a cell. Signals are generated by opening or closing of ion channels at one point in the membrane, producing a local change in the membrane potential. This change in the electric field can be quickly sensed by either adjacent or more distant ion channels in the membrane. Those ion channels can then open or close as a result of the potential change, reproducing the signal. In non excitable cells, and in excitable cells in their baseline states, the membrane potential is held at a relatively stable value, called the resting potential. For neurons, resting potential is defined as ranging from –80 to –70 millivolts; that is, the interior of a cell has a negative baseline voltage of a bit less than one tenth of a volt. The opening and closing of ion channels can induce a departure from the resting potential. This is called a depolarization if the interior voltage becomes less negative (say from –70 mV to –60 mV), or a hyperpolarization if the interior voltage becomes more negative (say from –70 mV to –80 mV). In excitable cells, a sufficiently large depolarization can evoke an action potential, in which the membrane potential changes rapidly and significantly for a short time (on the order of 1 to 100 milliseconds), often reversing its polarity. Action potentials are generated by the activation of certain voltage gated ion channels. In neurons, the factors that influence the membrane potential are diverse. They include numerous types of ion channels, some of which are chemically gated and some of which are voltage gated. Because voltage gated ion channels are controlled by the membrane potential, while the membrane potential itself is influenced by these same ion channels, feedback loops that allow for complex temporal dynamics arise, including oscillations and regenerative events such as action potentials.

Физикалық негіз

Жасушадағы мембраналық потенциал екі фактордың нәтижесінде пайда болады: электр күші және диффузия. Электр күші – қарама-қарсы электр зарядтары бар бөлшектердің (оң және теріс) бір-бірін тартуынан және бірдей зарядталған бөлшектердің (оң немесе теріс) бір-бірін итеруінен туындайды. Диффузия – бөлшектердің жоғары концентрацияланған аймақтардан төмен концентрацияланған аймақтарға қайта бөлінуінің статистикалық бейімінен туындайды.

Кернеу

Кернеу, электрлік потенциалдың айырмашылығымен синонимді, кедергі арқылы электр тогын қозғау қабілеті. Шындығында, кернеудің ең қарапайым анықтамасы Ом заңымен беріледі: V=IR, мұнда V – кернеу, I – ток және R – кедергі. Батарея сияқты кернеу көзі электр тізбегіне қойылса, көздің кернеуі неғұрлым жоғары болса, қол жетімді кедергі арқылы қозғалтатын ток соғұрлым көп болады. Кернеудің функционалдық маңызы тек тізбектегі екі нүкте арасындағы потенциалдардың айырмашылығында ғана жатыр. Жеке нүктедегі кернеу тұжырымы мағынасыз. Электроникада тізбектің кездейсоқ таңдалған элементіне нөлдік кернеуді тағайындау және содан кейін басқа элементтерге сол нөлдік нүктеге қатысты өлшенген кернеуді тағайындау қалыпты жағдай. Нөлдік нүкте ретінде таңдалған элементтің маңызы жоқ – тізбектің жұмысы кернеулерге емес, айырмашылықтарға ғана байланысты. Дегенмен, көп жағдайда және конвенция бойынша нөлдік деңгей көбінесе тізбектің жермен байланысқан бөлігіне тағайындалады. Осы принцип жасуша биологиясындағы кернеуге де қатысты. Электрлік белсенді тіндерде кез келген екі нүкте арасындағы потенциалдардың айырмашылығын әрбір нүктеге электродты енгізу арқылы өлшеуге болады, мысалы, біреуін жасушаның ішіне, біреуін сыртына, және екі электродты арнайы вольтметрдің қосқыштарына қосуға болады. Конвенция бойынша нөлдік потенциал жасушаның сыртына беріледі және сыртқы және ішкі арасындағы потенциалдардың айырмашылығының таңбасы сыртқы нөлге қатысты ішкі потенциалмен анықталады. Математикалық тұрғыдан алғанда, кернеудің анықтамасы "E" электр өрісінен басталады, бұл кеңістіктегі әрбір нүктеге шама мен бағытты тағайындайтын векторлық өріс. Көп жағдайларда электр өрісі консервативті өріс болып табылады, яғни оны скалярлық функция V градиенті ретінде көрсетуге болады, яғни. Бұл скалярлық өріс V кернеудің таралуы деп аталады. Анықтама интеграцияның кездейсоқ тұрақтысын қабылдауға мүмкіндік береді – сондықтан кернеудің абсолюттік мәндері мағынасыз. Жалпы, электр өрістерін тек магнит өрістері оларға маңызды әсер етпесе ғана консервативті деп қарастыруға болады, бірақ бұл шарт көбінесе биологиялық тіндерге де қатысты. Электр өрісі кернеу таралуының градиенті болғандықтан, кішкентай аймақта кернеудің жылдам өзгеруі күшті электр өрісін білдіреді; керісінше, егер кернеу үлкен аймақта шамамен бірдей болса, сол аймақтағы электр өрістері әлсіз болуы керек. Күшті электр өрісі, күшті кернеу градиентіне тең, бұл аймақта орналасқан кез келген зарядталған бөлшектерге күшті күш әсер ететінін білдіреді.

Voltage, which is synonymous with difference in electrical potential, is the ability to drive an electric current across a resistance. Indeed, the simplest definition of a voltage is given by Ohm's law: V=IR, where V is voltage, I is current and R is resistance. If a voltage source such as a battery is placed in an electrical circuit, the higher the voltage of the source the greater the amount of current that it will drive across the available resistance. The functional significance of voltage lies only in potential differences between two points in a circuit. The idea of a voltage at a single point is meaningless. It is conventional in electronics to assign a voltage of zero to some arbitrarily chosen element of the circuit, and then assign voltages for other elements measured relative to that zero point. There is no significance in which element is chosen as the zero point—the function of a circuit depends only on the differences not on voltages per se. However, in most cases and by convention, the zero level is most often assigned to the portion of a circuit that is in contact with ground. The same principle applies to voltage in cell biology. In electrically active tissue, the potential difference between any two points can be measured by inserting an electrode at each point, for example one inside and one outside the cell, and connecting both electrodes to the leads of what is in essence a specialized voltmeter. By convention, the zero potential value is assigned to the outside of the cell and the sign of the potential difference between the outside and the inside is determined by the potential of the inside relative to the outside zero. In mathematical terms, the definition of voltage begins with the concept of an electric field 'E', a vector field assigning a magnitude and direction to each point in space. In many situations, the electric field is a conservative field, which means that it can be expressed as the gradient of a scalar function V, that is, This scalar field V is referred to as the voltage distribution. The definition allows for an arbitrary constant of integration—this is why absolute values of voltage are not meaningful. In general, electric fields can be treated as conservative only if magnetic fields do not significantly influence them, but this condition usually applies well to biological tissue. Because the electric field is the gradient of the voltage distribution, rapid changes in voltage within a small region imply a strong electric field; on the converse, if the voltage remains approximately the same over a large region, the electric fields in that region must be weak. A strong electric field, equivalent to a strong voltage gradient, implies that a strong force is exerted on any charged particles that lie within the region.

Иондар және олардың қозғалысын басқаратын күштер

Биологиялық организмдердегі электрлік сигналдар, әдетте, иондармен қозғалады. Әрекеттік потенциал үшін ең маңызды катиондар – натрий (Na+) және калий (K+). Бұл екеуі де бір жағымды зарядты алып жүретін моновалентті катиондар. Әрекеттік потенциалдарға кальций (Ca2+) де қатысуы мүмкін, ол қос оң зарядты алып жүретін дивалентті катион. Хлорид анионы (Cl−) кейбір балдырлардың әрекеттік потенциалында маңызды рөл атқарады, бірақ көптеген жануарлардың әрекеттік потенциалында ролі шамалы. Иондар жасуша мембранасы арқылы екі фактордың әсерімен өтеді: диффузия және электр өрістері. Екі ерітінді – А және В – порлы кедергімен бөлінген қарапайым мысал, диффузия олардың біртегі ерітінділерге араласуын қамтамасыз етеді. Бұл араласу олардың концентрациясының айырмашылығынан туындайды. Жоғары концентрациялы аймақ төмен концентрациялы аймаққа қарай диффузияланады. Мысалды кеңейте түссек, А ерітіндісінде 30 натрий ионы және 30 хлорид ионы болсын. Ал В ерітіндісінде 20 натрий ионы мен 20 хлорид ионы ғана болсын. Егер кедергі екі типті иондардың өтуіне мүмкіндік берсе, онда тұрақты күйге жетеді, онда екі ерітіндіде де 25 натрий ионы және 25 хлорид ионы болады. Бірақ, егер порлы кедергі иондардың қайсысына өткізілетінін таңдаса, онда диффузия ғана нәтижелі ерітіндіні анықтамайды. Бұрынғы мысалға оралып, тек натрий иондарына өткізгіш кедергі құрастырайық. Енді тек натрий ғана А ерітіндісіндегі жоғары концентрациясынан В ерітіндісіндегі төмен концентрациясына қарай кедергі арқылы диффузиялана алады. Бұл В ерітіндісінде хлорид иондарына қарағанда натрий иондарының көп жиналуына, ал А ерітіндісінде хлорид иондарына қарағанда натрий иондарының азаюына әкеледі. Бұл В ерітіндісінде оң зарядталған натрий иондарының теріс зарядталған хлорид иондарынан артық болуынан туындаған таза оң заряд бар екенін білдіреді. Сол сияқты, А ерітіндісінде оң натрий иондарына қарағанда теріс хлорид иондарының көп болуынан таза теріс заряд пайда болады. Қарама-қарсы зарядтар тартылысса, ал бірдей зарядтар тебіледі, сондықтан иондарға енді электр өрістері де, диффузия күштері де әсер етеді. Сондықтан оң натрий иондары қазірдің өзінде оң зарядталған В ерітіндісіне өтуіне аз мүмкіндік бар және теріс зарядталған А ерітіндісінде қалады. Электр өрістерінің күштері диффузия күшіне толыққандай қарсы келгендегі нүкте тепе-теңдік потенциалы деп аталады. Бұл кезде нақты ионның (осы жағдайда натрийдің) таза ағыны нөлге тең болады.

Electrical signals within biological organisms are, in general, driven by ions. The most important cations for the action potential are sodium (Na+) and potassium (K+). Both of these are monovalent cations that carry a single positive charge. Action potentials can also involve calcium (Ca2+), which is a divalent cation that carries a double positive charge. The chloride anion (Cl−) plays a major role in the action potentials of some algae, but plays a negligible role in the action potentials of most animals. Ions cross the cell membrane under two influences: diffusion and electric fields. A simple example wherein two solutions—A and B—are separated by a porous barrier illustrates that diffusion will ensure that they will eventually mix into equal solutions. This mixing occurs because of the difference in their concentrations. The region with high concentration will diffuse out toward the region with low concentration. To extend the example, let solution A have 30 sodium ions and 30 chloride ions. Also, let solution B have only 20 sodium ions and 20 chloride ions. Assuming the barrier allows both types of ions to travel through it, then a steady state will be reached whereby both solutions have 25 sodium ions and 25 chloride ions. If, however, the porous barrier is selective to which ions are let through, then diffusion alone will not determine the resulting solution. Returning to the previous example, let's now construct a barrier that is permeable only to sodium ions. Now, only sodium is allowed to diffuse cross the barrier from its higher concentration in solution A to the lower concentration in solution B. This will result in a greater accumulation of sodium ions than chloride ions in solution B and a lesser number of sodium ions than chloride ions in solution A. This means that there is a net positive charge in solution B from the higher concentration of positively charged sodium ions than negatively charged chloride ions. Likewise, there is a net negative charge in solution A from the greater concentration of negative chloride ions than positive sodium ions. Since opposite charges attract and like charges repel, the ions are now also influenced by electrical fields as well as forces of diffusion. Therefore, positive sodium ions will be less likely to travel to the now more positive B solution and remain in the now more negative A solution. The point at which the forces of the electric fields completely counteract the force due to diffusion is called the equilibrium potential. At this point, the net flow of the specific ion (in this case sodium) is zero.

Плазмалық мембраналар

Әрбір жасуша плазмалық мембранамен қоршалған, оның құрылымы липидтік екі қабаттан тұрады, және оған көптеген ірі молекулалар ендірілген. Плазмалық мембрана липид молекулаларынан құралғандықтан, оның электрлік кедергісі жоғары, яғни иондарға қатысты ішкі өткізгіштігі төмен. Дегенмен, мембранаға енген кейбір молекулалар иондарды мембрананың бір жағынан екінші жағына белсенді түрде тасымалдауға немесе олардың өтуіне арналар жасауға қабілетті. Электр терминологиясы бойынша, плазмалық мембрана біріктірілген резистор және конденсатор ретінде жұмыс істейді. Кедергі мембрананың зарядтардың қозғалысына тосқауыл қоюынан туындайды. Сыйымдылық липидтік екі қабаттың өте жұқа болуына байланысты пайда болады, сондықтан бір жақтағы зарядталған бөлшектердің жиналуы қарсы зарядталған бөлшектерді екінші жаққа тартатын электр күшін тудырады. Мембрананың сыйымдылығы оған енген молекулалардың әсеріне дерлік ұшырамайды, сондықтан оның шамамен 2 мкФ/см2 тұрақты мәні бар (мембрананың жалпы сыйымдылығы оның ауданына пропорционалды). Ал таза липидтік екі қабаттың өткізгіштігі өте төмен болғандықтан, биологиялық жағдайларда оған енген молекулалар ұсынатын баламалы жолдардың өткізгіштігі әрқашан басым болады. Осылайша, мембрананың сыйымдылығы көбінесе тұрақты, бірақ кедергі жоғары өзгергіштікке ие. Плазмалық мембрананың қалыңдығы шамамен 7-8 нанометрге тең. Мембрананың өте жұқа болуына байланысты, оның ішінде күшті электр өрісін тудыру үшін үлкен трансмембраналық кернеудің қажеті жоқ. Жануарлар жасушаларындағы мембраналық потенциалдар шамамен 100 милливольтқа (яғни, бір вольттың оннан бір бөлігіне) тең, бірақ есептеулер бұл мембрананың қабылдай алатын максималды деңгейге жақын электр өрісін тудыратынын көрсетеді – 200 милливольттан жоғары кернеу айырмашылығы диэлектрлік бұзылуға, яғни мембрана арқылы разрядқа алып келуі мүмкін.

Every cell is enclosed in a plasma membrane, which has the structure of a lipid bilayer with many types of large molecules embedded in it. Because it is made of lipid molecules, the plasma membrane intrinsically has a high electrical resistivity, in other words a low intrinsic permeability to ions. However, some of the molecules embedded in the membrane are capable either of actively transporting ions from one side of the membrane to the other or of providing channels through which they can move. In electrical terminology, the plasma membrane functions as a combined resistor and capacitor. Resistance arises from the fact that the membrane impedes the movement of charges across it. Capacitance arises from the fact that the lipid bilayer is so thin that an accumulation of charged particles on one side gives rise to an electrical force that pulls oppositely charged particles toward the other side. The capacitance of the membrane is relatively unaffected by the molecules that are embedded in it, so it has a more or less invariant value estimated at 2 μF/cm2 (the total capacitance of a patch of membrane is proportional to its area). The conductance of a pure lipid bilayer is so low, on the other hand, that in biological situations it is always dominated by the conductance of alternative pathways provided by embedded molecules. Thus, the capacitance of the membrane is more or less fixed, but the resistance is highly variable. The thickness of a plasma membrane is estimated to be about 7 8 nanometers. Because the membrane is so thin, it does not take a very large transmembrane voltage to create a strong electric field within it. Typical membrane potentials in animal cells are on the order of 100 millivolts (that is, one tenth of a volt), but calculations show that this generates an electric field close to the maximum that the membrane can sustain—it has been calculated that a voltage difference much larger than 200 millivolts could cause dielectric breakdown, that is, arcing across the membrane.

Жеңіл таралу және тасымалдау

Таза липидтік екі қабаттың иондардың өтуіне қарсы кедергісі өте жоғары, бірақ мембранаға енген құрылымдар иондардың қозғалысын белсенді немесе пассивті түрде, жеңілдетілген тасымалдау және жеңілдетілген диффузия деп аталатын механизмдер арқылы едәуір арттыра алады. Ең маңызды рөл атқаратын екі құрылым – иондық каналдар мен иондық сорғылар, олардың екеуі де көбінесе ақуыз молекулаларының жиынтығынан құралады. Иондық каналдар иондардың өтуіне арналған жолдарды қамтамасыз етеді. Көп жағдайда иондық канал тек иондардың белгілі бір түрлеріне (мысалы, натрий мен калийге, бірақ хлоридке немесе кальцийге емес) өткізгіш болады, және кейде өткізгіштік иондардың қозғалыс бағытына байланысты өзгеріп тұрады. Иондық сорғылар, сондай-ақ ион тасымалдаушылар немесе тасымалдаушы ақуыздар деп те аталады, мембрананың бір жағынан екінші жағына иондардың белгілі бір түрлерін белсенді түрде тасымалдайды, кейде мұны іске асыру үшін метаболикалық процестерден алынған энергияны пайдаланады.

Ионды сорғылар

Иондық сорғылар — белсенді тасымалдауды жүзеге асыратын интегралды мембраналық ақуыздар, яғни, олардың концентрация градиентіне қарсы иондарды «сорғылау» үшін жасушалық энергияны (АТФ) пайдаланады. Мұндай иондық сорғылар мембрананың бір жағындағы иондарды алады (ондағы концентрациясын азайтады) және оларды екінші жағында шығарады (ондағы концентрациясын арттырады). Әрекеттік потенциал үшін ең маңызды иондық сорғы — натрий-калий сорғысы, ол жасушадан үш натрий ионын және екі калий ионын тасымалдайды. Осыған ұқсас, нейронның ішінде және сыртында басқа иондардың, мысалы кальций, хлорид және магнийдің концентрациясы әр түрлі болады. Иондар «бұрыс» арнадан өте алмайды. Мысалы, натрий немесе кальций иондары калий арнасынан сирек өтеді. Иондық арналар — иондар клеткадан тыс кеңістік пен клетканың ішкі бөлігі арасында жүре алатын тесігі бар интегралды мембраналық ақуыздар. Көптеген арналар бір ионға тән (селективті); мысалы, калий арналарының көпшілігі калий мен натрий иондарының заряды бірдей және радиусы жағынан аздап ғана айырмашылықтары болса да, калий мен натрий үшін 1000:1 селективтілік қатынасымен сипатталады. Арнаның тесігі әдетте өте кішкентай, сондықтан иондар оны бір қатармен өтуі керек. Иондық өту үшін арналық тесіктер ашық немесе жабық болуы мүмкін, бірақ бірқатар арналар әртүрлі субөткізгіштік деңгейлерін көрсетеді. Арна ашық болған кезде иондар арнаның тесігі арқылы сол ионның трансмембраналық концентрация градиенті бойынша төмендейді. Арна арқылы иондық ағын мөлшері, яғни бір арналы ток амплитудасы, осы ионның ең жоғары арна өткізгіштігімен және электрохимиялық қозғаушы күшімен анықталады, бұл мембраналық потенциалдың мизгелдік мәні мен кері потенциалдың мәні арасындағы айырмашылық. Арна бірнеше түрлі күйге ие болуы мүмкін (бұл ақуыздың әр түрлі конформациясына сәйкес келеді), бірақ әрқайсысы ашық немесе жабық күйде болады. Жалпы, жабық күйлер тесіктің тарылуына сәйкес келеді, яғни ионға өту мүмкін емес, немесе ақуыздың жеке бөлігі тесікті бітеді. Мысалы, кернеуге тәуелді натрий арнасы инактивацияға ұшырайды, онда ақуыздың бір бөлігі тесікке кіріп, оны жабады. Бұл инактивация натрий тогын тоқтатады және әрекеттік потенциалда маңызды рөл атқарады. Иондық арналарды олардың қоршаған ортаға қалай жауап беретініне қарай жіктеуге болады. Мысалы, әрекеттік потенциалға қатысатын иондық арналар кернеуге сезімтал арналар; олар мембранадағы кернеуге жауап ретінде ашылады және жабылады. Лигандқа байланысты арналар тағы бір маңызды класс құрайды; бұл иондық арналар лиганд молекуласының, мысалы нейротрансмиттердің байланысына жауап ретінде ашылады және жабылады. Басқа иондық арналар механикалық күштермен ашылады және жабылады. Тағы басқа иондық арналар, мысалы, сезімдік нейрондардың арналары жарық, температура немесе қысым сияқты басқа тітіркендіргіштерге жауап ретінде ашылады және жабылады.

Ion pumps are integral membrane proteins that carry out active transport, i. e., use cellular energy (ATP) to "pump" the ions against their concentration gradient. Such ion pumps take in ions from one side of the membrane (decreasing its concentration there) and release them on the other side (increasing its concentration there). The ion pump most relevant to the action potential is the sodium–potassium pump, which transports three sodium ions out of the cell and two potassium ions in. In a similar manner, other ions have different concentrations inside and outside the neuron, such as calcium, chloride and magnesium. ions rarely go through the "wrong" channel. For example, sodium or calcium ions rarely pass through a potassium channel.|alt=Seven spheres whose radii are proportional to the radii of mono valent lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium cations (0.76, 1.02, 1.38, 1.52, and 1.67 Å, respectively), divalent calcium cation (1.00 Å) and mono valent chloride (1.81 Å).]] Ion channels are integral membrane proteins with a pore through which ions can travel between extracellular space and cell interior. Most channels are specific (selective) for one ion; for example, most potassium channels are characterized by 1000:1 selectivity ratio for potassium over sodium, though potassium and sodium ions have the same charge and differ only slightly in their radius. The channel pore is typically so small that ions must pass through it in single file order. Channel pores can be either open or closed for ion passage, although a number of channels demonstrate various sub conductance levels. When a channel is open, ions permeate through the channel pore down the transmembrane concentration gradient for that particular ion. Rate of ionic flow through the channel, i. e. single channel current amplitude, is determined by the maximum channel conductance and electrochemical driving force for that ion, which is the difference between the instantaneous value of the membrane potential and the value of the reversal potential. A channel may have several different states (corresponding to different conformations of the protein), but each such state is either open or closed. In general, closed states correspond either to a contraction of the pore—making it impassable to the ion—or to a separate part of the protein, stoppering the pore. For example, the voltage dependent sodium channel undergoes inactivation, in which a portion of the protein swings into the pore, sealing it. This inactivation shuts off the sodium current and plays a critical role in the action potential. Ion channels can be classified by how they respond to their environment. For example, the ion channels involved in the action potential are voltage sensitive channels; they open and close in response to the voltage across the membrane. Ligand gated channels form another important class; these ion channels open and close in response to the binding of a ligand molecule, such as a neurotransmitter. Other ion channels open and close with mechanical forces. Still other ion channels—such as those of sensory neurons—open and close in response to other stimuli, such as light, temperature or pressure.

Сырғалақтық арналар

Шығу арналары – иондық арналардың ең қарапайым түрі, олардың өткізгіштігі көбінесе тұрақты болады. Нейрондар үшін ең маңызды шығу арналары – калий және хлорид арналары. Дегенмен, тіпті олардың қасиеттері толығымен тұрақты емес: Біріншіден, көпшілігі кернеуге тәуелді, яғни бір бағытта екінші бағытқа қарағанда жақсы өткізеді (басқаша айтқанда, олар түзетушілер); екіншіден, кейбіреулері химиялық лигандтармен жабылуға қабілетті, тіпті олардың жұмыс істеуі үшін лиганд қажет болмаса да.

Лигандпен бекітілген арналар

Лигандпен жабылатын иондық арналар – кейбір химиялық лигандтардың ақуыз құрылымына байланысуымен өткізгіштігі күрт артатын арналар. Жануарлар жасушаларында осылардың жүздеген, тіпті мыңдаған түрлері кездеседі. Олардың ішінде үлкен тобы нейротрансмиттер рецепторлары ретінде жұмыс істейді – олар постсинаптикалық жерлерде орналасқан, ал оларды ашатын химиялық лиганд пресинаптикалық аксон ұшынан бөлінеді. Мысалы, AMPA рецепторы – бұл нейротрансмиттер глутаматқа жауап беретін рецептор, ол белсендірілген кезде натрий мен калий иондарының өтуіне жағдай жасайды. Тағы бір мысал – ГАБАА рецепторы, ГАБА нейротрансмиттеріне жауап беретін рецептор, ол белсендірілген кезде хлорид иондарының өтуіне мүмкіндік береді. Нейротрансмиттер рецепторлары клетка сыртындағы лигандтармен белсендіріледі, бірақ клетка ішіндегі өзара әрекеттесулермен басқарылатын лигандпен жабылатын арналар да бар.

Кернеуге тәуелді арналар

Кернеуге тәуелді иондық арналар, сондай-ақ кернеуге жабық иондық арналар деп те аталатын арналар – өткізгіштігі мембраналық потенциалға байланысты болатын арналар. Олар өте ірі топты құрайды, олардың әрқайсысы белгілі бір ионға қатысты таңдаулылыққа және белгілі бір кернеуге тәуелділікке ие. Көптегендері уақытқа тәуелді, яғни кернеудің өзгеруіне дереу емес, белгілі бір кешігуден кейін ғана жауап береді. Бұл топтың ең маңызды мүшелерінің бірі – әрекеттік потенциалдың негізін құрайтын кернеулі натрий арнасының түрі. Олар кейде Ходжкин-Хаксли натрий арналары деп аталады, себебі оларды бастапқыда Алан Ллойд Ходжкин мен Эндрю Хаксли әрекеттік потенциалдың физиологиясын зерттеуде сипаттаған, және осы зерттеулері үшін Нобель сыйлығын алған. Арна тыныш күйдегі кернеу деңгейінде жабық болады, бірақ кернеу белгілі бір шектің артығына жеткенде кенеттен ашылады, бұл мембраналық потенциалдың өте жылдам өзгеруіне себеп болатын натрий иондарының көп мөлшерде кіруіне мүмкіндік береді. Әрекеттік потенциалдан қалпына келу ішінара тыныш күйдегі кернеу деңгейінде жабық болатын, бірақ әрекеттік потенциал кезінде болатын үлкен кернеу өзгерісінің нәтижесінде ашылатын кернеулі калий арнасының түріне байланысты.

Өсу кезінде мембраналық потенциалдың өзгеруі

Нейронның тынығу мембраналық потенциалы организм даму кезінде өзгереді. Нейронның толыққанды ересек функциясын қабылдауы үшін оның потенциалы даму кезінде қатаң түрде реттелуі тиіс. Организм даму барысында тынығу мембраналық потенциалы көбірек теріс болады. Ми дамуымен бірге глиальды жасушалар да дифференциалданып, көбейеді. Бұл глиальды жасушалардың қосылуы организмнің жасушадан тыс калийді реттеу мүмкіндігін арттырады. Жасушадан тыс калийдің төмендеуі мембраналық потенциалды 35 мВ-қа төмендетуі мүмкін.

Жасушалардың қозғылмалылығы

Жасушаның қозғыштығы – әртүрлі тіндердегі жасушалық реакциялар үшін қажетті мембраналық потенциалдың өзгеруі. Жасушаның қозғыштық қабілеті ерте эмбриогенез кезінде қалыптасатын қасиет. Жасушаның қозғыштығы – реакцияның оңай туындауы ретінде де анықталады. Тыныш және шектік потенциалдар жасушаның қозғыштығының негізін құрайды, ал бұл процестер сыныпталған және әрекет потенциалдарын қалыптастыру үшін маңызды. Жасушаның қозғыштығын реттейтін ең маңызды факторлар – жасуша сыртындағы электролиттердің концентрациясы (атап айтқанда, Na+, K+, Ca2+, Cl−, Mg2+) және олармен байланысты белоктар. Жасушаның қозғыштығын реттейтін маңызды белоктар – вольтажға сезімтал иондық каналдар, ион транспортерлері (мысалы, Na+/K+ АТФазасы, магний транспортерлері, қышқыл-негіз транспортерлері), мембраналық рецепторлар және гиперполяризацияланған циклдық нуклеотидтік қақпалы каналдар. Мысалы, калий каналдары мен кальцийді сезетін рецепторлар – нейрондардағы, жүрек миоциттеріндегі және астроциттер сияқты көптеген басқа да қозғыш жасушалардағы қозғыштықты реттейтін маңызды регуляторлар. Кальций ионы – қозғыш жасушалардың сигналдауындағы ең маңызды екінші хабаршы. Синаптық рецепторлардың белсенділігі нейрондық қозғыштықтағы ұзаққа созылатын өзгерістерді бастайды. Қалқанша без, бүйрек үсті безі және басқа да гормондар жасушаның қозғыштығын реттейді, мысалы, прогестерон мен эстроген миометриялық тегіс бұлшық ет жасушаларының қозғыштығын реттейді. Көптеген жасуша түрлерінде қозғыш мембрана бар деп есептеледі. Қозғыш жасушалар: нейрондар, бұлшық еттер (жүрек, қаңқа, тегіс), қантамыр эндотелий жасушалары, перициттер, юкстагломеруляр жасушалар, Кахальдың интерстициалдық жасушалары, эпителий жасушаларының көптеген түрлері (мысалы, бета жасушалары, альфа жасушалары, дельта жасушалары, энтероэндокриндік жасушалар, өкпе нейроэндокриндік жасушалары, пинеалоциттер), глиальды жасушалар (мысалы, астроциттер), механорецепторлық жасушалар (мысалы, кірпік жасушалары және Меркель жасушалары), хеморецепторлық жасушалар (мысалы, гломус жасушалары, дәм рецепторлары), кейбір өсімдік жасушалары және, мүмкін, иммундық жасушалар. Астроциттерде синаптық сигналдарды анықтауға мүмкіндік беретін бірнеше рецепторлардың экспрессиясына байланысты жасушаішілік кальцийдің өзгеруіне негізделген электрлік емес қозғыштық түрі бар. Нейрондарда жасушаның кейбір бөліктерінде мембрананың әртүрлі қасиеттері болады, мысалы, дендриттік қозғыштық нейрондарға кеңістікте бөлінген кіріс деректерін анықтау қабілетін сыйлайды.

Cell excitability is the change in membrane potential that is necessary for cellular responses in various tissues. Cell excitability is a property that is induced during early embriogenesis. Excitability of a cell has also been defined as the ease with which a response may be triggered. The resting and threshold potentials forms the basis of cell excitability and these processes are fundamental for the generation of graded and action potentials. The most important regulators of cell excitability are the extracellular electrolyte concentrations (i. e. Na+, K+, Ca2+, Cl−, Mg2+) and associated proteins. Important proteins that regulate cell excitability are voltage gated ion channels, ion transporters (e. g. Na+/K+ ATPase, magnesium transporters, acid–base transporters), membrane receptors and hyperpolarization activated cyclic nucleotide gated channels. For example, potassium channels and calcium sensing receptors are important regulators of excitability in neurons, cardiac myocytes and many other excitable cells like astrocytes. Calcium ion is also the most important second messenger in excitable cell signaling. Activation of synaptic receptors initiates long lasting changes in neuronal excitability. Thyroid, adrenal and other hormones also regulate cell excitability, for example, progesterone and estrogen modulate myometrial smooth muscle cell excitability. Many cell types are considered to have an excitable membrane. Excitable cells are neurons, muscle (cardiac, skeletal, smooth), vascular endothelial cells, pericytes, juxtaglomerular cells, interstitial cells of Cajal, many types of epithelial cells (e. g. beta cells, alpha cells, delta cells, enteroendocrine cells, pulmonary neuroendocrine cells, pinealocytes), glial cells (e. g. astrocytes), mechanoreceptor cells (e. g. hair cells and Merkel cells), chemoreceptor cells (e. g. glomus cells, taste receptors), some plant cells and possibly immune cells. Astrocytes display a form of non electrical excitability based on intracellular calcium variations related to the expression of several receptors through which they can detect the synaptic signal. In neurons, there are different membrane properties in some portions of the cell, for example, dendritic excitability endows neurons with the capacity for coincidence detection of spatially separated inputs.

Теңдес контур

Электрофизиологтар иондық концентрация айырмашылықтарының, иондық арналардың және мембрана сыйымдылығының әсерін эквиваленттік схема арқылы модельдейді, ол мембрананың шағын бөлігінің электрлік қасиеттерін көрсетуге бағытталған. Эквиваленттік схема конденсатордан және өзгермелі өткізгіштігі бар тізбектелген аккумулятордан тұратын төрт параллель жолдан тұрады. Сыйымдылық липидтік екі қабаттың қасиеттерімен анықталады және тұрақты деп есептеледі. Төрт параллель жолдың әрқайсысы натрий, калий, хлорид және кальций сияқты негізгі иондардың бірінен туындайды. Әрбір иондық жолдың кернеуі мембрананың екі жағындағы ионның концентрациясымен анықталады; жоғарыдағы «Керілеу потенциалы» бөлімін қараңыз. Кез келген уақытта әрбір иондық жолдың өткізгіштігі сол ионға қатысты өткізгіштікке ие барлық иондық арналардың (соның ішінде ағып кету арналары, лигандқа сезімтал арналар және кернеуге сезімтал иондық арналар) күйімен анықталады. Иондық концентрациялардың белгілі мәндері және иондық арналардың өткізгіштігінің тұрақты шамалары үшін эквиваленттік схема Голдман теңдеуін қолдану арқылы конденсатор, аккумулятор және өткізгіштен тұратын схемаға дейін қысқартылуы мүмкін. Электрлік тұрғыдан алғанда, бұл RC схемасының (қарсылық-сыйымдылық схемасы) бір түрі және оның электрлік қасиеттері өте қарапайым. Кез келген бастапқы күйден бастап, өткізгіштік немесе сыйымдылық арқылы ағып жатқан ток экспоненциалды уақыт бойынша азаяды, уақыт тұрақтысы C – мембраналық жаңқаның сыйымдылығы, ал – жалпы қарсылыққа тең. Нақты жағдайларда уақыт тұрақтысы әдетте 1–100 миллисекунд аралығында болады. Көп жағдайларда иондық арналардың өткізгіштігіндегі өзгерістер жылдам уақыт шкаласында жүреді, сондықтан RC схемасы жақсы жуықтау емес; алайда, мембраналық жаңқаны модельдеу үшін қолданылатын дифференциалдық теңдеу көбінесе RC схемасы теңдеуінің өңделген түрі болып табылады.

Тынығу потенциалы

Жасушаның мембраналық потенциалы ұзақ уақыт бойы едәуір өзгермесе, ол тынығу потенциалы немесе тынығу кернеуі деп аталады. Бұл термин қоздырылмайтын жасушалардың мембраналық потенциалы үшін де, сондай-ақ қоздырылатын жасушалардың қоздырылмаған кездегі мембраналық потенциалы үшін де қолданылады. Қоздырылатын жасушалардағы басқа мүмкін күйлер – өзгерулі амплитудалы мембраналық потенциалдар және үлкен, «бәрі немесе ештеңе» принципімен жүзеге асатын, әдетте белгілі бір уақыт аралығында болатын әрекет потенциалдары. Нейрондар, бұлшықет жасушалары және бездердегі кейбір секреторлық жасушалар қоздырылатын жасушаларға жатады. Дегенмен, тіпті басқа жасушаларда да мембраналық кернеу сыртқы немесе ішкі жағдайларға жауап ретінде өзгеруі мүмкін. Мысалы, плазмалық мембрананың деполяризациясы бағдарламаланған жасуша өлімінің маңызды қадамы болып табылады. Тынығу потенциалын тудыратын өзара әрекеттесулер Голдман теңдеуімен сипатталады. Бұл теңдеу Нернст теңдеуімен ұқсас, себебі ол аталған иондардың зарядына, сондай-ақ олардың жасуша ішіндегі және сыртындағы концентрациялары арасындағы айырмашылыққа негізделген. Алайда, ол плазмалық мембрананың әрбір ионға қатысты салыстырмалы өткізгіштігін де ескереді. Бұл теңдеуде калий (K+), натрий (Na+) және хлорид (Cl−) иондары қолданылады. Кальций алынып тасталған, бірақ қажет болған жағдайда оны қосуға болады. Хлорид анион болғандықтан, оның терминдері катиондардан өзгеше қарастырылады: жасушаішілік концентрация санаушыда, ал жасушасыртылық концентрация атаушыда орналасады, бұл катиондарға қарағанда керісінше. Pi – ионның i түріне қатысты салыстырмалы өткізгіштікті білдіреді. Қысқасы, Голдман формуласы мембраналық потенциалды жеке ион түрлерінің кері потенциалдарының өткізгіштік бойынша салмақталған орташа шамасы ретінде көрсетеді. (Мембраналық потенциал әрекет потенциалы кезінде шамамен 100 мВ өзгерсе де, жасуша ішіндегі және сыртындағы иондардың концентрациясы едәуір өзгермейді. Олар мембрана тынығу потенциалында болған кездегі концентрацияларына жақын қалады.) Көптеген жануарлар жасушаларында калийге қатысты өткізгіштік натрийге қатысты өткізгіштікке қарағанда тынығу күйінде әлдеқайда жоғары болады. Сәйкесінше, тынығу потенциалы әдетте калийдің кері потенциалына жақын болады. Хлорға қатысты өткізгіштік маңызды болуы мүмкін, бірақ басқа иондардан айырмашылығы, хлор белсенді түрде сорылмайды, сондықтан ол басқа иондар анықтаған тынығу потенциалына өте жақын кері потенциалда тепе-теңдікке келеді. Көптеген жануарлар жасушаларында тынығу мембраналық потенциалының мәндері калийдің кері потенциалы (әдетте шамамен 80 мВ) мен шамамен 40 мВ аралығында өзгереді. Әрекет потенциалын тудыруға қабілетті қоздырылатын жасушаларда тынығу потенциалы әдетте 60 мВ-қа жақын болады – одан жоғары деполяризацияланған кернеулер спонтанды әрекет потенциалын тудыруы мүмкін. Ересектемеген немесе дифференциацияланбаған жасушаларда тынығу кернеуінің өте өзгермелі мәндері байқалады, әдетте олар дифференциацияланған жасушаларға қарағанда айтарлықтай жоғары болады. Мұндай жасушаларда тынығу потенциалының мәні дифференциациялау дәрежесімен байланысты: кейбір жағдайларда дифференциацияланбаған жасушалар трансмембраналық кернеудің айырмашылығын мүлдем көрсетпеуі мүмкін. Тынығу потенциалын сақтау жасуша үшін метаболикалық тұрғыдан қымбат болуы мүмкін, себебі ол ағып кету арналарынан туындайтын жоғалтуларға қарсы тұру үшін иондарды белсенді түрде соруды қажет етеді. Шығын жасуша функциясы мембраналық кернеудің ерекше деполяризацияланған мәнін қажет еткенде ең жоғары болады. Мысалы, күндізгі жарыққа бейімделген көкпаршықтың (Calliphora vicina) фоторецепторларының тынығу потенциалы 30 мВ-қа дейін жете алады. Бұл мембраналық потенциалдың жоғарылауы жасушаларға визуалды сигналдарға өте жылдам жауап беруге мүмкіндік береді; алайда, тынығу потенциалын сақтау жалпы жасушалық АТФ-тың 20%-дан астамын жұмсауы мүмкін. Екінші жағынан, дифференциацияланбаған жасушалардағы тынығудың жоғары потенциалы міндетті түрде жоғары метаболикалық шығынға әкелмейді. Бұл парадокс осы тынығу потенциалының пайда болу себебін зерттеу арқылы шешіледі. Аз дифференциацияланған жасушалар өте жоғары кіріс кедергісімен сипатталады. Нейрондық жасушаларда әрекет потенциалы натрий иондарының натрий арналары арқылы жасушаға енуімен басталады, нәтижесінде деполяризация пайда болады, ал қалпына келтіру кезінде калий иондары калий арналары арқылы жасушадан шығады. Бұл екі ағын да пассивті диффузия арқылы жүзеге асады. Тұздың бір дозасы жаңа кесілген еттің әлі жұмыс істеп тұрған нейрондарын оқуға шақырып, бұлшықет спазмдарын тудыруы мүмкін.

When the membrane potential of a cell goes for a long period of time without changing significantly, it is referred to as a resting potential or resting voltage. This term is used for the membrane potential of non excitable cells, but also for the membrane potential of excitable cells in the absence of excitation. In excitable cells, the other possible states are graded membrane potentials (of variable amplitude), and action potentials, which are large, all or nothing rises in membrane potential that usually follow a fixed time course. Excitable cells include neurons, muscle cells, and some secretory cells in glands. Even in other types of cells, however, the membrane voltage can undergo changes in response to environmental or intracellular stimuli. For example, depolarization of the plasma membrane appears to be an important step in programmed cell death. The interactions that generate the resting potential are modeled by the Goldman equation. This is similar in form to the Nernst equation shown above, in that it is based on the charges of the ions in question, as well as the difference between their inside and outside concentrations. However, it also takes into consideration the relative permeability of the plasma membrane to each ion in question. The three ions that appear in this equation are potassium (K+), sodium (Na+), and chloride (Cl−). Calcium is omitted, but can be added to deal with situations in which it plays a significant role. Being an anion, the chloride terms are treated differently from the cation terms; the intracellular concentration is in the numerator, and the extracellular concentration in the denominator, which is reversed from the cation terms. Pi stands for the relative permeability of the ion type i. In essence, the Goldman formula expresses the membrane potential as a weighted average of the reversal potentials for the individual ion types, weighted by permeability. (Although the membrane potential changes about 100 mV during an action potential, the concentrations of ions inside and outside the cell do not change significantly. They remain close to their respective concentrations when then membrane is at resting potential.) In most animal cells, the permeability to potassium is much higher in the resting state than the permeability to sodium. As a consequence, the resting potential is usually close to the potassium reversal potential. The permeability to chloride can be high enough to be significant, but, unlike the other ions, chloride is not actively pumped, and therefore equilibrates at a reversal potential very close to the resting potential determined by the other ions. Values of resting membrane potential in most animal cells usually vary between the potassium reversal potential (usually around 80 mV) and around 40 mV. The resting potential in excitable cells (capable of producing action potentials) is usually near 60 mV—more depolarized voltages would lead to spontaneous generation of action potentials. Immature or undifferentiated cells show highly variable values of resting voltage, usually significantly more positive than in differentiated cells. In such cells, the resting potential value correlates with the degree of differentiation: undifferentiated cells in some cases may not show any transmembrane voltage difference at all. Maintenance of the resting potential can be metabolically costly for a cell because of its requirement for active pumping of ions to counteract losses due to leakage channels. The cost is highest when the cell function requires an especially depolarized value of membrane voltage. For example, the resting potential in daylight adapted blowfly (Calliphora vicina) photoreceptors can be as high as 30 mV. This elevated membrane potential allows the cells to respond very rapidly to visual inputs; the cost is that maintenance of the resting potential may consume more than 20% of overall cellular ATP. On the other hand, the high resting potential in undifferentiated cells does not necessarily incur a high metabolic cost. This apparent paradox is resolved by examination of the origin of that resting potential. Little differentiated cells are characterized by extremely high input resistance,

In neuronal cells, an action potential begins with a rush of sodium ions into the cell through sodium channels, resulting in depolarization, while recovery involves an outward rush of potassium through potassium channels. Both of these fluxes occur by passive diffusion. A dose of salt may trigger the still working neurons of a fresh cut of meat into firing, causing muscle spasms.