În acest caz, gradientul de concentrație a fost echilibrat de potențialul aplicat pe electrodul de patch-uri.
O diferență importantă în situația descrisă aici este că mișcarea ionilor în sine produce un potențial electric care echilibrează și oprește această mișcare.
Cu alte cuvinte, echilibrul în acest model se realizează automat și este inevitabil. Reamintim că în capitolul 2 potențialul de echilibru al potasiului a fost obținut din ecuația Nernst:
unde [K] 1 și [K] 0 - concentrații intracelulare și extracelulare de potasiu, respectiv. Pentru celula prezentată în Fig.1.1, obținem EK = -85 mV.
Să presupunem acum că în membrană, pe lângă potasiu, există și canale de clor. Deoarece pentru anionii z = -1, obținem potențialul de echilibru pentru clor:
sau, folosind proprietățile logaritmului,
Pentru modelul unei celule ideale, obținem raportul dintre concentrațiile de clor, care este și 1: 30 și potențialul de echilibru al clorului, egal cu -85 mV. Ca și în cazul potasiului, potențialul de membrană de 85 mV echilibrează exact tendința ionilor de clorură de a se deplasa în direcția gradientului de concentrație, adică în interiorul celulei.
Rezumând cele de mai sus, se poate concluziona că potențialul membranei împiedică mișcarea atât a clorului din interiorul celulei cât și a potasiului din celulă spre exterior. Potențialele de echilibru pentru doi ioni sunt egale deoarece rapoartele concentrațiilor lor extracelulare și intracelulare sunt aceleași (1:30). Deoarece potasiu și clor ioni numai în modelul nostru poate penetra membrana celulei, și - 85 mV ambii ioni sunt în echilibru, celula poate fi arbitrar lung în repaus, în care mișcarea totală de ioni în celulă și în afara celulei va fi egală cu zero.
Mutarea ionilor de potasiu în exterior și a ionilor de clor în interiorul celulei duce la acumularea unei încărcări negative în celulă și la o încărcare pozitivă în spațiul extracelular. La prima vedere, o astfel de situație contravine principiului neutralității electrice, însă nu este așa. Ionii de potasiu, care părăsesc celula, se acumulează în imediata vecinătate a membranei, în timp ce sateliții lor încărcați negativ rămân în interiorul celulei din apropierea suprafeței interioare a aceleiași membrane. Ambele sunt de fapt în afara părții principale a soluției, atât extracelular cât și intracelular. De asemenea, ionii de clor care intră în citoplasmă rămân în apropierea membranei, iar sateliții lor rămânând înaintea trecerii prin membrană se acumulează în apropierea acesteia. Ionii sunt formate două straturi - exterioare cationi și anioni din interiorul celulei, care sunt deținute de membrană datorită atracție reciprocă. Astfel, membrana joacă rolul unei capacități electrice care separă și stochează o încărcătură.
Cele de mai sus nu înseamnă că ionii de potasiu și de clor sunt legați la suprafețele membranei. Ionii individuali se schimbă în mod liber cu ioni în interior - sau soluție extracelulară. Cu toate acestea, încărcătura acumulată pe membrană rămâne neschimbată, iar soluțiile sunt neutre.
Este interesant să întrebați ce fracțiune din numărul total de ioni din celulă sunt ionii care se acumulează pe membrană. Cota lor este foarte mică. Presupunând că diametrul celulei este de 25 microni, apoi la o concentrație de 120 mM număr total de cationi (și, prin urmare, anioni) pentru a da 4 1012. Când potențialul de membrană de - 85 mV cantitatea de încărcare este împărțită membrana este de aproximativ mai 1011 ioni monovalenți pe cm2. În cazul în care suprafața celulei cm2 se 10-05 august obține că pe suprafața interioară a membranei de circa 4107 acumulează ioni negativi, sau 1/100000 din numărul total de ioni în soluție intracelular. În consecință, deplasarea ionilor de potasiu și clor, suficienți pentru a crea un potențial membranar, nu afectează în nici un fel concentrația ionilor din celulă.
Efectul potasiului si clorului extracelular asupra potentialului membranei
Potențialul membranar al neuronilor, precum și multe alte celule, este afectat de modificările concentrației de potasiu extracelular, dar nu de clor. Să ne îndreptăm spre modelul celular ideal. Facem ipoteza (pentru a aborda această situație) că volumul de lichid extracelular infinit de mare, și că mișcarea ionilor nu implică modificări substanțiale în concentrația ionilor în afara celulei. Figura 1.2A prezintă schimbări în compoziția ionică intracelulară și potențialul membranei cauzate de creșterea nivelului de potasiu extracelular de la 3 la 6 mmol. Pentru a menține osmolaritatea inițial, concomitent cu adăugarea de 3 mM de potasiu a fost îndepărtat din soluție 3 mmol de sodiu, în care concentrația totală a ionilor dizolvați a rămas la 240 mM. O creștere a concentrației extracelulare de potasiu duce la o scădere a gradientului transmembranar, care mișcă ionii din celulă în afară. În stadiul inițial, potențialul membranei nu se schimbă. Ca rezultat, sarcina pozitivă totală este transferată în celulă. Datorită acumulării unei încărcături pozitive pe suprafața interioară a membranei, aceasta se depolarizează. Iodurile de sodiu datorate depolarizării părăsesc starea de echilibru și încep să se miște în interiorul celulei. Mișcarea ionilor de potasiu și clor continuă până la atingerea unei noi stări de echilibru, pe baza unui nou raport de concentrație și a unui nou nivel de potențial membranar, în acest exemplu - 68 mV.
Aportul de potasiu și de clor este însoțit de un curent în celula unei anumite cantități de apă, ceea ce duce la o ușoară creștere a volumului celulei. În procesul de realizare a unei noi stări de echilibru, concentrația de potasiu crește de la 90 la 91 mmol, clorul de la 4 la 7,9 mmoli, iar volumul celulei crește cu 3,5%. La prima vedere, se pare că numărul de celule de clor autentificați depășește cantitatea de potasiu, dar imagina cum ar fi concentrația, în cazul în care volumul de celule nu este crescut: concentrația ambii ioni ar fi fost mai mare cu 3,5%. Prin urmare, în loc de 7,9 mmol, concentrația de clor ar fi de 8,2 mmol și concentrația de potasiu ar fi la nivelul de 94,2 mmoli, adică o creștere a ambelor concentrații ar fi de 4,2%. Astfel, primele și potasiu clor intra în celulă în cantități aproximativ egale (cu excepția unei mici cantități necesare pentru schimbarea taxei pe membrana) și numai atunci apa curge in celula, scăderea concentrațiilor ambilor ioni la nivelul final.
Fig.1.2 Efectul modificărilor concentrațiilor de ioni extracelulare asupra concentrațiilor intracelulare și asupra potențialului membranei. (A) Nivelul extracelular de potasiu este dublat, iar concentrația de sodiu este scăzută pentru a menține osmolaritatea la același nivel. (B) Jumătate din ionii de clor extracelular sunt înlocuiți cu anioni care nu penetrează membrana (A). Concentrațiile ionice sunt exprimate în milimoli (mmol), volumul spațiului extracelular este privit ca un infinit de mare în comparație cu volumul celulei, astfel încât intrarea și ieșirea ionilor prin membrană nu alterează concentrațiile lor extracelulare.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: