Mecanisme responsabile pentru potențialul membranei de repaus celular

Acest capitol este vag relevant pentru secțiunea e(i) din programa primară CICM 2017, care se așteaptă ca candidatul la examen să „explice mecanismele de transport ale substanțelor pe membranele celulare”. Deși cuvintele „potențial de membrană de odihnă” nu apar niciodată în grimoires college, întrebarea 14 din cea de-a doua lucrare a 2017 a dedicat 60% din mărci acestui subiect., Domeniile specifice de cunoștințe detaliate așteptate de examinatori au fost o înțelegere a”permeabilității selective a membranei, a gradienților electrochimici și a mecanismelor de transport activ”. Dincolo de aceasta, stagiarii se așteptau doar să „demonstreze conștientizarea” ecuației Nernst și a ecuației Goldman-Hodgkin-Katz.,

lupta pentru a menține un fel de examen relevanța și subiect accentul a fost întotdeauna o provocare pentru acest autor, și această problemă devine mai proeminent oriunde atenția de la colegiul examinatori este perceput a fi nepotrivite cu importanța aparentă a capitolului subiect. Deci, este cu potențialul membranei de repaus, care este destul de fundamental pentru aproape totul în biologia medicală., Unul ar fi justificat în a spune că scopul de bază al întregii vieți de pe Pământ este de a împiedica cu forță ionii să se stabilească la un echilibru electrochimic frumos pe ambele părți ale unei membrane. Cu toate acestea, pentru a proteja candidații la examen de acest tip de discuție, răspunsurile importante SAQ au fost concentrate în această casetă gri.

rezumat:

Dacă aveți nevoie de o resursă autoritară pentru aceste informații, ar trebui să mergeți la manualele oficiale ale Colegiului. Capitolul 1 a 23-a ediție a Ganong examinării Medicale Fiziologie sau Capitolul 5 din Guyton & Hall (a mea este a 13-ed) ambele fac un fel de loc de muncă minuțioasă de a explica acest concept. Dacă această recomandare de resurse este, din anumite motive, inacceptabilă, articolul excelent al lui Stephen Wright (2004) ar trebui să fie probabil următoarea referință cea mai importantă, deoarece este o încercare serioasă de a preda profesorul, eu.,e articolul își propune să descrie instructorilor de fiziologie cel mai bun mod de a explica potențialul membranei de odihnă studenților. Dincolo de asta, Biologia Moleculară a Celulei (ediția a 4-a) are o secțiune în Capitolul 15 (secțiunea 4) de Harvey Lodish, care este disponibil gratuit de la NIH. În cele din urmă, dacă nu este suficient timp liber, Nicolae Sperelakis’ Fiziologie Celulară Sursă Carte dedică un capitol întreg pentru această problemă (p. 219-242 a 3-a ediție); aceasta este, probabil, cel mai apropiat lucru de un singur definitive de referință, după cum se referă la subiect în obositor detaliu.,

definiția potențialului membranei de repaus

examinatorul Colegiului comentează la întrebarea 14 din a doua lucrare din 2017 a menționat că „un răspuns bun a inclus o definiție a potențialului membranei de repaus”. Ca de obicei, nu există o definiție oficială și majoritatea manualelor o definesc ca

„diferența de tensiune (încărcare) pe membrana celulară atunci când celula este în repaus.”

pe scurt, este diferența de încărcare dintre interiorul și exteriorul celulei.,

tot „la odihnă”, componentă a definiției vine de la faptul că cele mai multe manuale de utilizare acest concept să trec într-o discuție de potențial de acțiune de propagare, și astfel devine important pentru a defini în mod explicit acest potențial de membrană ca „odihnindu-se” de stat a unei celule excitabile, spre deosebire de potentialul de membrana unei celule care are doar depolarizat. deci, care este potențialul membranei de repaus al unei celule tipice? Oriunde găsiți o valoare milivoltă ușor diferită., De exemplu, în altă parte în acest capitol, valoarea” implicită „pentru potențialul membranei de repaus al unei celule” tipice ” este listată ca fiind -90 MV.

acest lucru, desigur, este greșit. Motivul pentru care această eroare este reprodus aici este în mare măsură din cauza faptului că Guyton & Sala utiliza această valoare, și CICM examinatori va aștepta, probabil, la examen, candidații să citez din această oficial manual., Cu toate acestea, pentru restul dintre noi, este important să recunoaștem că există o gamă destul de mare de valori diferite ale potențialului membranei de repaus, în funcție de celula pe care o privește și de compoziția fluidului extracelular în micromediul său imediat. Sperelakis (2001) oferă un tabel de valori în manualul său, care este reprodus aici fără nicio permisiune specifică (și nu este clar din ce referințe provin aceste valori)., După cum puteți vedea, Guyton & Sala de valoare (-90 mV) se referă probabil la broasca musculare miocitelor, un instrument preferat de celule fiziologi. Alte manuale (ex. Biologia moleculară a celulei, a 4-a ed) utilizează -70 mV, referindu-se la neuronul uman (de obicei urmează o discuție despre potențialele de acțiune). după cum sa discutat deja în altă parte, compoziția fluidului intracelular este semnificativ diferită de compoziția fluidului extracelular., Diagrama de mai jos este împrumutată de la Ling et al (1984) și, deși subiecții erau celule musculare de broască, esența generală a acestui lucru este probabil generalizabilă.

să ignorăm doar anionii pentru o clipă. Va veni timpul lor. Deocamdată, să spunem că, din cauza diferenței dintre concentrațiile de ioni intracelulare și extracelulare, există un gradient de concentrație chimică între cele două compartimente.,

dacă membrana ar fi perfect impermeabilă la transportul ionilor, nu ar exista trafic posibil, iar ionii de sodiu și potasiu ar rămâne politicos de partea lor de barieră. Din păcate, membrana este selectiv permeabilă, iar ionii sunt capabili să-și croiască drumul., fără a ucide SEO prin revizuirea materialului disponibil în altă parte pe acest site, va fi suficient să spunem că bistratul lipidic al membranei celulare este o barieră nepolară și, prin urmare, împiedică destul de eficient schimbul de substanțe polare între mediile intracelulare și extracelulare. Prin urmare, membrana celulară își menține permeabilitatea la ioni prin difuzie facilitată de proteine; adică canalele ionice permit traficul speciilor de ioni pe membrană.,acesta este următorul concept cel mai important de absorbit: membrana celulară nu este o structură total impermeabilă la ioni și are loc mișcarea controlată a ionilor pe membrană. Deși există canale de sodiu, acestea sunt puține – și astfel celulele animale tipice sunt în principal permeabile la ionii de potasiu, din cauza prezenței „canalelor de scurgere”. Aceste canale de potasiu sunt deschise în orice moment, la toate tensiunile potențiale ale membranei (adică acestea nu sunt canale cu tensiune) și nu au liganzi naturali de închidere și nici nu sunt afectați de niciunul dintre blocanții convenționali ai canalelor de potasiu., Lesage și colab (2000) le descriu mai detaliat (în rezumat, ele sunt proteine de canal dimeric cu două pori, cunoscute și sub denumirea de canale K2P, și există aproximativ 15 familii dintre ele identificate în prezent). astfel, prezența acestor canale permite o scurgere lentă continuă de potasiu în fluidul extracelular, de-a lungul gradientului de concentrație chimică. înainte de a aduce canalele ionice în discuție, neutralitatea electrică de pe ambele părți ale membranei a fost bine menținută.,cu alte cuvinte, concentrațiile egale de ioni pozitivi și negativi de pe fiecare parte a membranei celulare înseamnă că încărcarea fiecărui compartiment este zero volți și, prin urmare, nu există nicio diferență de potențial între compartimente.evident, cu ionii de potasiu care se scurg pe membrană într-o singură direcție, nu poate rămâne așa.

Ca ionii de potasiu scurge din celule, ele își sarcină pozitivă cu ei., Ca urmare a pierderii acestor ioni de potasiu, fluidul intracelular devine încărcat negativ în raport cu fluidul extracelular. Astfel, efectele gradientului de concentrație chimică pe această membrană semipermeabilă creează, de asemenea, o diferență de potențial electric.

echilibrul gradienților electrochimici de-a lungul membranei celulare

în mod obișnuit, o scurgere de molecule de-a lungul unei membrane ar culmina în echilibru, adică unde moleculele se echilibrează în concentrații egale pe fiecare parte a membranei., Totuși, acest lucru nu se poate întâmpla în acest caz, deoarece ionii de potasiu sunt încărcați pozitiv. Pe măsură ce se scurg din celulă, fluidul intracelular va deveni din ce în ce mai încărcat negativ, iar unii ioni de potasiu vor fi atrași înapoi în celulă de forțele de atracție electrostatică. Prin urmare, există două forțe opuse care acționează asupra ionilor de potasiu de-a lungul acestei membrane., prin urmare, s-ar putea imagina cum fluxul de ioni de potasiu care curge din celulă încetinește și în cele din urmă devine echilibrat cu fluxul de ioni de potasiu înapoi în celulă. S-ar putea folosi chiar și termenul de echilibru electrochimic pentru a descrie acest echilibru. De fapt, dacă cineva ar fi înclinat spre matematică hardcore, s-ar putea să fie interesat de un fel de reprezentare matematică formală a acestui echilibru. În această etapă, candidatul la examenul CICM gemut trebuie să se familiarizeze cu ecuația Nernst.,

ecuația Nernst

aceasta este relația dintre forțele electrice și chimice care acționează asupra oricărei specii ionice pe o membrană semipermeabilă. Este atribuită lui Walther Hermann Nernst, un om de știință german cu ochelari, ale cărui alte realizări au inclus dezvoltarea unor arme chimice relativ ineficiente pentru germani în timpul Primului Război Mondial și a devenit unul dintre puținii savanți care au primit un Premiu Nobel, rămânând recunoscuți oficial ca criminal de război.,

se poate găsi o discuție mai științifică a ecuației Nernst în articolul lui Stephen Wright (2004), care este liber de acele tipuri de digresiuni.

de Fapt, această versiune a ecuației vă oferă o valoare (VK) care este diferența de potențial (în volți) care se opune forța de o substanță chimică gradient de concentrație de ioni încărcați. este folosit aici deoarece potasiul este ionul de interes în această discuție. Prin înlocuirea valorilor cu constante și valori cunoscute (ex., valență de ioni de potasiu de 1+, și temperatura în grade Kelvin) se poate simplifica această ecuație în ceva care este, sperăm, mult mai susceptibile de a fi memorat de o jumătate nebun CICM examenul de candidat:

Dacă s-ar substitui frecvent valorile așteptate pentru intracelular și extracelular concentrațiile de potasiu, vom putea lucra la ce diferență de potențial ar fi generate de-a lungul membranei. Wright (2004) folosește un gradient 10:1 (adică., 100 mmol concentrație intracelulară și 10 mmol concentrație extracelulară) în scop ilustrativ; unde gradientul este 10: 1 Diferența de potențial obținută la echilibru este de aproximativ 61 milivolți. Această diferență de potențial este „potențialul Nernst” pentru orice ion dat și crește ori de câte ori raportul concentrațiilor crește (adică cu cât este mai mare diferența de concentrație, cu atât este mai mare potențialul Nernst necesar pentru menținerea echilibrului electrochimic). în acest stadiu ,este important de menționat că magnitudinea fluxului de ioni real pe membrană este de fapt destul de mică., Pline de culoare diagrame ar putea sugera că ionii de potasiu sunt de pulverizare extrem de mobil și potasiu „scurgere” canale presupune cel puțin că există un măsurabile rata de ioni în mod constant de difuziune din lichidul intracelular, dar, în realitate, masa molară de potasiu de a face drumul său peste cei K2P canale este atât de mică încât nu poate fi măsurată prin metodele convenționale. Motivul pentru aceasta este încărcarea relativ mare a fiecărui ion individual: fiecare 1 mmol de K+ monovalent poartă aproximativ 100 de coulombi de încărcare., Fără a intra în detalii excesive, se poate rezuma spunând că pentru a genera o diferență de potențial de 60 MV pe un centimetru pătrat de suprafață celulară, 6 × 10-13 mol de ioni de potasiu trebuie să traverseze membrana – o cantitate atât de mică încât niciun instrument pământesc nu o poate măsura. în discutarea acestui lucru, ne-am concentrat până acum pe ionii de potasiu ca și cum ar fi singurii ioni care traversează membrana., Potasiul este cel mai mare contribuitor la potențialul membranei de repaus, dar există o mulțime de alți ioni în interiorul și în afara celulei, iar membrana celulară este (cel puțin ușor) permeabilă la toate. Din acest motiv, ecuația Nernst este o reprezentare imperfectă a echilibrului electrochimic total la suprafața membranei celulare.,”8754542295″>Ion species

Nernst potential K+ – 94 mV Na+ + 60 mV Ca2+ + 130 mV Cl- – 80 mV

So, what is the overall effect of all these ions and their electrochemical concentration gradients?, O ecuație mult mai meatier este necesară, ceva care ia în considerare toate celelalte specii ionice.,h2>Goldman-Hodgkin-Katz Ecuație

în mod Evident, atunci când începi să vorbești despre o selecție de diferite ioni, mai mulți factori suplimentari vor trebui să fie luate în considerare:

• Valență de aceste extra ioni
• polaritatea lor sarcină electrică (până acum am avut de-a face numai cu încărcat pozitiv potasiu)
• Diferite concentrații ale acestor ioni în interiorul și exteriorul celulei
• Diferite permeabilitatea membranei pentru fiecare ion specii

A ține cont de toate acestea, evident, un mutant versiune de ecuația lui Nernst va fi necesar., Aceasta este ecuația Goldman-Hodgkin-Katz.

principala diferență dintre aceasta și ecuația Nernst este prezența ionilor suplimentari și adăugarea variabilei P, care este constanta permeabilității membranei. Dacă acea constantă de permeabilitate era zero pentru orice altceva decât potasiul, atunci toți ceilalți ioni ar dispărea matematic din ecuație și ar reveni la aspectul unei ecuații normale Nernst., contribuția speciilor ionice la echilibrul electrochimic

de fapt, acei alți ioni pot la fel de bine să dispară, pentru toată influența pe care o exercită asupra potențialului membranei de repaus. Permeabilitatea membranei pentru ionii de potasiu este cu ordine de mărime mai mare decât pentru alți ioni. Pentru celulele ” normale „scăldate în lichidul extracelular” normal”, raportul dintre concentrația de potasiu este de aproximativ 35:1, pentru care Guyton & Hall citează un potențial Nernst de -94 mV.,acum, când adăugați contribuția de sodiu (care are un potențial Nernst de +61 mV), combinația celor două vă duce doar la un potențial intracelular de -86 mV, adică nu se mișcă cu adevărat. Acest lucru se datorează faptului că permeabilitatea membranei la sodiu este atât de slabă încât mișcarea sodiului în celulă este minimă, comparativ cu mișcarea potasiului din celulă.

Guyton & Hall menționează, de asemenea, că ATPaza Na+/K+ joacă un rol minor în originea potențialului membranei de repaus., Prin pomparea a 2 ioni de potasiu în celulă în timp ce pompează 3 ioni de sodiu, de fiecare dată când ciclurile pompei elimină o sarcină pozitivă din fluidul intracelular, crescând astfel potențialul intracelular negativ. Conform acestui manual, contribuția acestui fenomen la potențialul total al membranei de repaus este schimbarea de la -86 mV la -90 MV, adică o concentrație destul de minoră. Aceste numere provin probabil din studii precum Miura et al (1978)., Investigatorii au blocat ATPaza Na+ / K + a fibrelor canine Purkinje folosind ouabain și au constatat că potențialul membranei de repaus s – a schimbat de la-83.6 MV la 78.8 MV ca urmare a acestui efect.deci, ce zici de clor? Accentul aparent nedrept pe sodiu și potasiu în discuția gradientului electrochimic pare să ignore complet existența ionilor de clor. Acest lucru este de fapt destul de rezonabil., În majoritatea celulelor de mamifere nu există pompe active de clorură, iar concentrația de clorură intracelulară și extracelulară este distribuită pasiv în conformitate cu ecuația Goldman-Hodgkin-Katz. Sarcina extracelulară negativă respinge ionii de clorură încărcați negativ și, astfel, s-ar putea aștepta să existe mai puțini dintre ei în interiorul celulei. Acest lucru este adevărat: cu un potențial de membrană de aproximativ -90 mV și o extracelular chloride concentrație de aproximativ 100 mmol/L, intracelular clorură de concentrare este de așteptat să fie în jurul valorii de 5.0 mmol/L (Sperelakis, 2001 – p.224).