Formazione del potenziale di membrana a riposo. Fenomeni elettrici nelle cellule eccitabili

Potenziale di membrana a riposo

A riposo, all'esterno della membrana plasmatica è presente un sottile strato di cariche positive e all'interno di cariche negative. La differenza tra loro si chiama potenziale di membrana a riposo. Se assumiamo che la carica esterna sia zero, la differenza di carica tra la superficie esterna e quella interna della maggior parte dei neuroni risulta essere vicina a -65 mV, sebbene possa variare da -40 a -80 mV nelle singole cellule.

Il verificarsi di questa differenza di carica è dovuto alla distribuzione ineguale degli ioni potassio, sodio e cloro all'interno e all'esterno della cellula, nonché alla maggiore permeabilità della membrana cellulare a riposo solo per gli ioni potassio.

Nelle cellule eccitabili, il potenziale di membrana a riposo (RMP) può variare notevolmente e questa capacità è la base per la comparsa dei segnali elettrici. Si chiama diminuzione del potenziale di membrana a riposo, ad esempio da -65 a -60 mV depolarizzazione , e un aumento, ad esempio, da -65 a -70 mV, – iperpolarizzazione .

Se la depolarizzazione raggiunge un certo livello critico, ad esempio -55 mV, la permeabilità della membrana agli ioni sodio diventa massima per un breve periodo, si precipitano nella cellula e, quindi, la differenza di potenziale transmembrana diminuisce rapidamente fino a 0 e poi diventa positivo. Questa circostanza porta alla chiusura dei canali del sodio e al rapido rilascio degli ioni potassio dalla cellula attraverso canali destinati esclusivamente a loro: di conseguenza, viene ripristinato il valore originale del potenziale di membrana a riposo. Questi cambiamenti rapidi nel potenziale di membrana a riposo vengono chiamati potenziale d'azione. Il potenziale d'azione è un segnale elettrico guidato; si diffonde rapidamente lungo la membrana dell'assone fino alla sua estremità e non cambia la sua ampiezza da nessuna parte.

Tranne potenziali d'azione in una cellula nervosa, a causa dei cambiamenti nella permeabilità della sua membrana, possono sorgere segnali locali o locali: potenziale del recettore E potenziale postsinaptico. La loro ampiezza è significativamente inferiore a quella del potenziale d'azione, inoltre diminuisce notevolmente durante la propagazione del segnale. Per questo motivo i potenziali locali non possono propagarsi attraverso la membrana lontano dal loro punto di origine.

Il lavoro della pompa sodio-potassio nella cellula crea un'alta concentrazione di ioni potassio e nella membrana cellulare ci sono canali aperti per questi ioni. Gli ioni potassio che lasciano la cellula lungo un gradiente di concentrazione aumentano il numero di cariche positive sulla superficie esterna della membrana. Nella cellula ci sono molti anioni organici di grandi dimensioni e quindi la membrana risulta essere caricata negativamente dall'interno. Tutti gli altri ioni possono passare attraverso la membrana a riposo in quantità molto piccole, i loro canali sono per lo più chiusi. Di conseguenza, il potenziale di riposo deve la sua origine principalmente al flusso di ioni potassio dalla cellula .

I neuroni entrano in contatto con determinate cellule bersaglio e il citoplasma delle cellule contattate non si connette e tra loro rimane sempre uno spazio sinaptico.

La versione moderna della teoria neurale collega alcune parti di una cellula nervosa con la natura dei segnali elettrici che si presentano in esse. Un tipico neurone ha quattro regioni morfologicamente definite: dendriti, soma, assone e terminale assonico presinaptico. Quando un neurone è eccitato, compaiono in sequenza quattro tipi di segnali elettrici: ingresso, combinato, conduttivo e uscita(Fig. 3.3). Ciascuno di questi segnali si verifica solo in una regione morfologica specifica.

Segnali in ingresso sono o recettore, O potenziale postsinaptico. Potenziale del recettore si forma nelle terminazioni di un neurone sensibile quando su di esse agisce un certo stimolo: stiramento, pressione, luce, una sostanza chimica, ecc. L'azione dello stimolo provoca l'apertura di alcuni canali ionici nella membrana, e il successivo flusso di ioni attraverso questi canali modifica il valore iniziale del potenziale di membrana a riposo; nella maggior parte dei casi si verifica la depolarizzazione. Questa depolarizzazione è il potenziale del recettore, la sua ampiezza è proporzionale alla forza dello stimolo corrente.

Il potenziale del recettore può diffondersi dal sito dello stimolo lungo la membrana fino a una distanza relativamente breve: l'ampiezza del potenziale del recettore diminuisce con la distanza dal sito dello stimolo, e quindi lo spostamento depolarizzante scomparirà del tutto.

Il secondo tipo di segnale di ingresso è potenziale postsinaptico. Si forma su una cellula postsinaptica dopo che una cellula presinaptica eccitata le invia un neurotrasmettitore. Dopo aver raggiunto la cellula postsinaptica attraverso la diffusione, il mediatore si attacca a specifiche proteine ​​​​recettrici nella sua membrana, provocando l'apertura dei canali ionici. La corrente ionica risultante attraverso la membrana postsinaptica modifica il valore iniziale del potenziale di membrana a riposo: questo spostamento è il potenziale postsinaptico.

In alcune sinapsi, tale spostamento rappresenta la depolarizzazione e, se raggiunge un livello critico, il neurone postsinaptico viene eccitato. In altre sinapsi avviene uno spostamento nella direzione opposta: la membrana postsinaptica è iperpolarizzata: il valore del potenziale di membrana diventa più grande e diventa più difficile ridurlo ad un livello critico di depolarizzazione. È difficile eccitare una cellula del genere; è inibita. Pertanto, il potenziale postsinaptico depolarizzante è emozionante, e iperpolarizzante – frenatura. Di conseguenza, le sinapsi stesse sono divise in eccitatorie (che causano la depolarizzazione) e inibitorie (che causano l'iperpolarizzazione).

Indipendentemente da ciò che accade sulla membrana postsinaptica: depolarizzazione o iperpolarizzazione, l'entità dei potenziali postsinaptici è sempre proporzionale al numero di molecole trasmettitrici che agiscono, ma solitamente la loro ampiezza è piccola. Come il potenziale recettore, si diffondono lungo la membrana su una distanza molto breve, cioè riguardano anche le potenzialità locali.

Pertanto, i segnali di ingresso sono rappresentati da due tipi di potenziali locali, recettoriali e postsinaptici, e questi potenziali sorgono in aree strettamente definite del neurone: nelle terminazioni sensoriali o nelle sinapsi. Le terminazioni sensoriali appartengono ai neuroni sensoriali, dove il potenziale del recettore nasce sotto l'influenza di stimoli esterni. Per gli interneuroni, così come per i neuroni efferenti, solo il potenziale postsinaptico può essere il segnale di ingresso.

Segnale combinato può verificarsi solo in una regione della membrana dove è presente un numero sufficiente di canali ionici per il sodio. A questo proposito, l'oggetto ideale è la collinetta dell'assone, il luogo in cui l'assone si allontana dal corpo cellulare, poiché è qui che la densità dei canali per il sodio è più alta nell'intera membrana. Tali canali sono dipendenti dal potenziale, cioè si aprono solo quando il valore iniziale del potenziale di riposo raggiunge un livello critico. Il potenziale di riposo tipico per il neurone medio è di circa -65 mV e il livello critico di depolarizzazione corrisponde a circa -55 mV. Pertanto, se è possibile depolarizzare la membrana della collinetta dell'assone da -65 mV a -55 mV, lì sorgerà un potenziale d'azione.

I segnali di ingresso sono in grado di depolarizzare la membrana, cioè potenziali postsinaptici o potenziali recettoriali. Nel caso dei potenziali recettoriali, il luogo di origine del segnale combinato è il nodo di Ranvier più vicino alle terminazioni sensibili, dove è più probabile la depolarizzazione ad un livello critico. Ogni neurone sensoriale ha molte terminazioni, che sono rami di un processo. E, se in ciascuna di queste terminazioni, durante l'azione di uno stimolo, sorge un potenziale di recettore di ampiezza molto piccola che si diffonde al nodo di Ranvier con una diminuzione di ampiezza, allora è solo una piccola parte dello spostamento depolarizzante totale. Da ciascuna terminazione sensibile questi piccoli potenziali recettori si spostano contemporaneamente verso il nodo di Ranvier più vicino, e nella zona dell'intercettazione si sommano tutti. Se la quantità totale di spostamento depolarizzante è sufficiente, all'intercettazione si formerà un potenziale d'azione.

I potenziali postsinaptici che si formano sui dendriti sono piccoli quanto i potenziali dei recettori e diminuiscono anche quando si propagano dalla sinapsi alla collinetta dell'assone, dove può formarsi un potenziale d'azione. Inoltre, le sinapsi iperpolarizzanti inibitorie potrebbero ostacolare la propagazione dei potenziali postsinaptici in tutto il corpo cellulare, e quindi la possibilità di una depolarizzazione della membrana della collinetta assonica di 10 mV sembra improbabile. Tuttavia, questo risultato viene regolarmente raggiunto come risultato della somma di molti piccoli potenziali postsinaptici che sorgono simultaneamente in numerose sinapsi formate dai dendriti del neurone con i terminali assonici delle cellule presinaptiche.

Pertanto, il segnale combinato risulta, di regola, come risultato della somma di numerosi potenziali locali formati simultaneamente. Questa somma si verifica nel luogo in cui sono presenti soprattutto molti canali voltaggio-dipendenti e quindi il livello critico di depolarizzazione viene raggiunto più facilmente. Nel caso dell'integrazione dei potenziali postsinaptici, tale luogo è la collinetta dell'assone, e la somma dei potenziali del recettore avviene nel nodo di Ranvier più vicino alle terminazioni sensoriali (o nell'area dell'assone non mielinizzato vicino ad esse). . L'area in cui si verifica il segnale combinato è chiamata integrativa o trigger.

L'accumulo di piccoli spostamenti depolarizzanti viene trasformato alla velocità della luce nella zona integrativa in un potenziale d'azione, che è il potenziale elettrico massimo della cellula e avviene secondo il principio "tutto o niente". Questa regola deve essere intesa in modo tale che la depolarizzazione al di sotto di un livello critico non porti alcun risultato, e quando questo livello viene raggiunto si rivela sempre la massima risposta, indipendentemente dalla forza degli stimoli: non esiste una terza opzione.

Conduzione di un potenziale d'azione. L'ampiezza dei segnali di ingresso è proporzionale alla forza dello stimolo o alla quantità di neurotrasmettitore rilasciato nella sinapsi: tali segnali sono chiamati graduale. La loro durata è determinata dalla durata dello stimolo o dalla presenza del trasmettitore nella fessura sinaptica. L'ampiezza e la durata del potenziale d'azione non dipendono da questi fattori: entrambi questi parametri sono interamente determinati dalle proprietà della cellula stessa. Pertanto, qualsiasi combinazione di segnali di ingresso, qualsiasi variante di somma, nella singola condizione di depolarizzazione della membrana ad un valore critico, provoca lo stesso modello standard di potenziale d'azione nella zona di innesco. Ha sempre l'ampiezza massima per una data cellula e approssimativamente la stessa durata, non importa quante volte si ripetano le condizioni che la causano.

Essendo sorto nella zona integrativa, il potenziale d'azione si diffonde rapidamente lungo la membrana dell'assone. Ciò si verifica a causa della comparsa di una corrente elettrica locale. Poiché la sezione depolarizzata della membrana risulta essere caricata diversamente rispetto alla sua vicina, tra le sezioni polarmente cariche della membrana si forma una corrente elettrica. Sotto l'influenza di questa corrente locale, l'area circostante viene depolarizzata a un livello critico, provocando la comparsa di un potenziale d'azione in essa. Nel caso di un assone mielinizzato, tale sezione vicina della membrana è il nodo di Ranvier più vicino alla zona trigger, quindi quello successivo, e il potenziale d'azione inizia a "saltare" da un nodo all'altro ad una velocità che raggiunge 100 SM.

Neuroni diversi possono differire l'uno dall'altro in molti modi, ma i potenziali d'azione che ne derivano sono molto difficili, se non addirittura impossibili, da distinguere. Questo è un segnale altamente stereotipato in una varietà di cellule: sensoriali, interneuroni, motorie. Questa stereotipia indica che il potenziale d'azione stesso non contiene alcuna informazione sulla natura dello stimolo che lo ha generato. La forza dello stimolo è indicata dalla frequenza dei potenziali d'azione che si verificano, e recettori specifici e connessioni interneuronali ben ordinate determinano la natura dello stimolo.

Pertanto, il potenziale d'azione generato nella zona trigger si diffonde rapidamente lungo l'assone fino alla sua estremità. Questo movimento è associato alla formazione di correnti elettriche locali, sotto l'influenza delle quali il potenziale d'azione appare di nuovo nella sezione adiacente dell'assone. I parametri del potenziale d'azione quando trasportato lungo l'assone non cambiano affatto, il che consente di trasmettere le informazioni senza distorsioni. Se gli assoni di più neuroni si trovano in un fascio comune di fibre, l'eccitazione si propaga lungo ciascuno di essi separatamente.

Segnale di uscita indirizzato ad un'altra cellula o a più cellule contemporaneamente e nella stragrande maggioranza dei casi rappresenta il rilascio di un intermediario chimico: un mediatore. Nelle terminazioni presinaptiche dell'assone, il trasmettitore pre-immagazzinato è immagazzinato in vescicole sinaptiche, che si accumulano in aree speciali - zone attive. Quando il potenziale d'azione raggiunge il terminale presinaptico, il contenuto delle vescicole sinaptiche viene svuotato nella fessura sinaptica mediante esocitosi.

I mediatori chimici della trasmissione delle informazioni possono essere sostanze diverse: piccole molecole, come l'acetilcolina o il glutammato, o molecole peptidiche abbastanza grandi, tutte appositamente sintetizzate nel neurone per la trasmissione del segnale. Una volta nella fessura sinaptica, il trasmettitore diffonde nella membrana postsinaptica e si attacca ai suoi recettori. Come risultato della connessione dei recettori con il trasmettitore, la corrente ionica attraverso i canali della membrana postsinaptica cambia e ciò porta ad un cambiamento nel valore del potenziale di riposo della cellula postsinaptica, ad es. in esso si forma un segnale di ingresso, in questo caso un potenziale postsinaptico.

Pertanto, in quasi ogni neurone, indipendentemente dalla sua dimensione, forma e posizione nella catena neuronale, si possono trovare quattro aree funzionali: zona ricettiva locale, zona integrativa, zona di conduzione del segnale e zona di uscita o secretoria(Fig. 3.3).

È stato stabilito che gli ioni più importanti che determinano i potenziali di membrana delle cellule sono gli ioni inorganici K + , Na + , SG e, in alcuni casi, anche Ca 2 + . È noto che le concentrazioni di questi ioni nel citoplasma e nel liquido intercellulare differiscono di dieci volte.

Dal tavolo 11.1 mostra che la concentrazione di ioni K+ all'interno della cellula è 40-60 volte superiore a quella del fluido intercellulare, mentre per Na+ e SG la distribuzione delle concentrazioni è opposta. La distribuzione non uniforme delle concentrazioni di questi ioni su entrambi i lati della membrana è assicurata sia dalla loro diversa permeabilità che dal forte campo elettrico della membrana, che è determinato dal suo potenziale di riposo.

Infatti, a riposo, il flusso totale di ioni attraverso la membrana è zero, e quindi dall'equazione di Nernst-Planck segue che

Quindi, a riposo i gradienti di concentrazione - e

potenziale elettrico - diretto sulla membrana

opposti tra loro e quindi, in una cellula a riposo, una differenza elevata e costante nelle concentrazioni degli ioni principali garantisce il mantenimento di una tensione elettrica sulla membrana cellulare, che viene chiamata potenziale di membrana di equilibrio.

A sua volta, il potenziale di riposo che si forma sulla membrana impedisce l'uscita degli ioni K + dalla cellula e l'ingresso eccessivo di SG al suo interno, mantenendo così i loro gradienti di concentrazione sulla membrana.

Un'espressione completa del potenziale di membrana, tenendo conto dei flussi di diffusione di questi tre tipi di ioni, è stata ottenuta da Goldman, Hodgkin e Katz:

Dove R k, P Na, P C1 - permeabilità della membrana per gli ioni corrispondenti.

L'equazione (11.3) determina i potenziali di membrana a riposo di varie cellule con elevata precisione. Ne consegue che per il potenziale di membrana a riposo non sono importanti i valori assoluti delle permeabilità di membrana per vari ioni, ma i loro rapporti, poiché dividendo entrambe le parti della frazione sotto il segno del logaritmo, ad esempio, per P k, passiamo alle permeabilità relative degli ioni.

Nei casi in cui la permeabilità di uno di questi ioni è significativamente maggiore degli altri, l'equazione (11.3) diventa l'equazione di Nernst (11.1) per questo ione.

Dal tavolo 11.1 mostra che il potenziale di membrana a riposo delle cellule è vicino al potenziale di Nernst per gli ioni K + e CB, ma differisce significativamente da esso per Na +. Questo mostra

Il fatto è che a riposo la membrana è ben permeabile agli ioni K+ e SG, mentre agli ioni Na+ la sua permeabilità è molto bassa.

Nonostante il potenziale di Nernst di equilibrio per l'SG sia il più vicino al potenziale di riposo della cellula, quest'ultimo è prevalentemente di natura potassio. Ciò è dovuto al fatto che l'elevata concentrazione intracellulare di K+ non può diminuire in modo significativo, poiché gli ioni K+ devono bilanciare la carica volumetrica negativa degli anioni all'interno della cellula. Gli anioni intracellulari sono principalmente molecole organiche di grandi dimensioni (proteine, residui di acidi organici, ecc.) che non possono passare attraverso i canali della membrana cellulare. La concentrazione di questi anioni nella cellula è pressoché costante e la loro carica negativa totale impedisce un significativo rilascio di potassio dalla cellula, mantenendone un'elevata concentrazione intracellulare insieme alla pompa Na-K. Tuttavia, il ruolo principale nella creazione iniziale di un'alta concentrazione di ioni potassio e di una bassa concentrazione di ioni sodio all'interno della cellula spetta alla pompa Na-K.

La distribuzione degli ioni C1 è stabilita in base al potenziale di membrana, poiché la cellula non dispone di meccanismi speciali per mantenere la concentrazione di SG. Pertanto, a causa della carica negativa del cloro, la sua distribuzione risulta essere opposta alla distribuzione del potassio sulla membrana (vedi Tabella 11.1). Pertanto, le diffusioni di concentrazione di K + dalla cellula e C1 nella cellula sono praticamente bilanciate dal potenziale di membrana a riposo della cellula.

Per quanto riguarda il Na+, a riposo la sua diffusione è diretta nella cellula sotto l'influenza sia del gradiente di concentrazione che del campo elettrico della membrana, e l'ingresso del Na+ nella cellula è limitato a riposo solo dalla bassa permeabilità della membrana. membrana per il sodio (i canali del sodio sono chiusi). Infatti, Hodgkin e Katz hanno stabilito sperimentalmente che nello stato di riposo, la permeabilità della membrana dell'assone del calamaro per K + , Na + e SG è nel rapporto 1: 0,04: 0,45. Pertanto, in uno stato di riposo, la membrana cellulare è scarsamente permeabile solo al Na +, e per l'SG è permeabile quasi quanto per il K +. Nelle cellule nervose, la permeabilità per l'SG è solitamente inferiore a quella per il K+, ma nelle fibre muscolari la permeabilità per l'SG è addirittura in qualche modo predominante.

Nonostante la bassa permeabilità della membrana cellulare al Na+ a riposo, vi è un trasferimento passivo, anche se molto piccolo, di Na+ nella cellula. Questa corrente di Na+ porterebbe ad una diminuzione della differenza di potenziale attraverso la membrana e al rilascio di K+ dalla cellula, che alla fine porterebbe ad un'equalizzazione delle concentrazioni di Na+ e K+ su entrambi i lati della membrana. Ciò non avviene grazie al funzionamento della pompa Na+ - K+, che compensa le correnti di dispersione di Na+ e K+ e mantiene così i valori normali delle concentrazioni intracellulari di questi ioni e, di conseguenza, la normale valore del potenziale di riposo della cellula.

Per la maggior parte delle cellule, il potenziale di membrana a riposo è (-bO)-(-100) mV. A prima vista può sembrare un valore piccolo, ma dobbiamo tenere conto del fatto che anche lo spessore della membrana è piccolo (8-10 nm), quindi l'intensità del campo elettrico nella membrana cellulare è enorme e ammonta a circa 10 milioni di volt per 1 m (o 100 kV per 1 cm):

L'aria, ad esempio, non può sopportare un campo elettrico di tale intensità (la rottura elettrica nell'aria avviene a 30 kV/cm), ma la membrana sì. Questa è una condizione normale per il suo funzionamento, poiché è proprio questo campo elettrico che è necessario per mantenere la differenza nelle concentrazioni di ioni sodio, potassio e cloro sulla membrana.

Il valore del potenziale di riposo, che varia tra le cellule, può cambiare quando cambiano le condizioni della loro attività vitale. Pertanto, l'interruzione dei processi bioenergetici nella cellula, accompagnata da una diminuzione del livello intracellulare di composti ad alta energia (in particolare ATP), elimina principalmente la componente del potenziale di riposo associata al lavoro di Ma + -K + - ATPasi.

Il danno cellulare porta solitamente ad un aumento della permeabilità delle membrane cellulari, a seguito della quale diminuiscono le differenze nella permeabilità della membrana per gli ioni potassio e sodio; il potenziale di riposo diminuisce, il che può causare l'interruzione di una serie di funzioni cellulari, come l'eccitabilità.

• Poiché la concentrazione intracellulare di potassio viene mantenuta pressoché costante, anche variazioni relativamente piccole nella concentrazione extracellulare di K* possono avere un effetto notevole sul potenziale di riposo e sull'attività cellulare. Cambiamenti simili nella concentrazione di K nel plasma sanguigno si verificano in alcune patologie (ad esempio insufficienza renale).

A. Caratteristiche del PD. La PD è un processo elettrico espresso nella rapida fluttuazione del potenziale di membrana dovuta al movimento degli ioni nella cellula e T cellule e capaci di diffondersi senza attenuazione(senza decremento). Assicura la trasmissione di segnali tra le cellule nervose, tra i centri nervosi e gli organi funzionanti e nei muscoli - il processo di accoppiamento elettromeccanico (Fig. 3.3, a).

Il valore dell'AP del neurone varia da 80-110 mV, la durata del picco AP della fibra nervosa è di 0,5-1 ms. L'ampiezza del potenziale d'azione non dipende dalla forza della stimolazione; è sempre massima per una data cellula in condizioni specifiche: il potenziale d'azione obbedisce alla legge "tutto o niente", ma non obbedisce alla legge dei rapporti di forza - il legge della forza. L'AP non si verifica affatto in risposta alla stimolazione cellulare, se è piccola, oppure è di massima entità se la stimolazione è soglia o supersoglia. Va notato che può causare un'irritazione debole (sottosoglia). potenziale locale. Lui obbedisce alla legge della forza: con l'aumentare della forza dello stimolo, la sua entità aumenta (per maggiori dettagli, vedere la sezione 3.6). L'AP è composto da tre fasi: fase 1 - depolarizzazione, cioè scomparsa della carica cellulare - riduzione a zero del potenziale di membrana; Fase 2 - inversione, un cambiamento nella carica della cellula al contrario, quando il lato interno della membrana cellulare viene caricato positivamente e quello esterno negativamente (dal latino tyegzyu - capovolgimento); Fase 3 - ripolarizzazione, ripristino della carica originale della cellula, quando la superficie interna della membrana cellulare viene nuovamente caricata negativamente e la superficie esterna positivamente.

B. Il meccanismo di insorgenza della PD. Se l'azione di uno stimolo sulla membrana cellulare porta alla comparsa della PD, allora il processo di sviluppo della PD stesso provoca cambiamenti di fase nella permeabilità della membrana cellulare, che garantisce il rapido movimento dello ione Ka + nella cellula, e lo ione K+ fuori dalla cellula. In questo caso il potenziale di membrana prima diminuisce e poi ritorna al suo livello originale. Sullo schermo dell'oscilloscopio le variazioni marcate del potenziale di membrana appaiono sotto forma di potenziale di picco - PD. Si verifica come risultato dei gradienti di concentrazione di ioni accumulati e mantenuti dalle pompe ioniche all'interno e all'esterno della cellula, vale a dire a causa dell'energia potenziale sotto forma di gradienti elettrochimici di diversi ioni. Se il processo di produzione di energia è bloccato, gli AP si verificheranno per un certo periodo di tempo, ma dopo la scomparsa dei gradienti di concentrazione degli ioni (eliminazione dell'energia potenziale), la cellula non genererà AP. Consideriamo le fasi del PD.

Notiamo una contraddizione: i termini "ripolarizzazione" e "inversione" hanno lo stesso significato: un ritorno allo stato precedente, ma questi stati sono diversi: in un caso la carica scompare (reversione), nell'altro viene ripristinata (ripolarizzazione). I nomi più corretti sono per le fasi AP che contengono un'idea generale, ad esempio un cambiamento nella carica della cella. A questo proposito, è ragionevole utilizzare i seguenti nomi di fasi AP: !) fase di depolarizzazione - il processo in cui la carica della cella scompare a zero; 2) fase di inversione - modifica della carica della cella al contrario. cioè l'intero periodo AP, quando la carica all'interno della cella è positiva e all'esterno è negativa; 3) fase repolarzacina - ripristino della carica cellulare al suo valore originale (ritorno al potenziale di riposo).

1. Fase di depolarizzazione(vedi Fig. 3.3, UN, 1). Quando uno stimolo depolarizzante agisce su una cellula (mediatore, corrente elettrica), il potenziale di membrana inizialmente diminuisce (depolarizzazione parziale) senza modificare la permeabilità della membrana agli ioni. Quando la depolarizzazione raggiunge circa il 50% del valore di soglia (potenziale di soglia), la permeabilità della sua membrana per lo ione Ka + aumenta, e all'inizio in modo relativamente lento. Naturalmente la velocità di ingresso degli ioni Ka* nella cellula è bassa. Durante questo periodo, come durante tutta la fase di depolarizzazione, forza motrice A garantire l'ingresso dello ione Na+ nella cellula sono la concentrazione e i gradienti elettrici. Ricordiamo che l'interno della cellula è carico negativamente (le cariche opposte si attraggono) e la concentrazione di ioni Na+ all'esterno della cellula è 10-12 volte maggiore che all'interno della cellula. Quando un neurone è eccitato, aumenta anche la permeabilità della sua membrana agli ioni Ca+, ma la sua corrente nella cellula è significativamente inferiore a quella degli ioni Na+. La condizione che garantisce l'ingresso dello ione Na+ nella cellula e la successiva uscita dello ione K* dalla cellula è un aumento della permeabilità della membrana cellulare, che è determinata dallo stato del meccanismo di gate del Na- e canali ionici K. La durata della permanenza del canale controllato elettricamente nello stato aperto è di natura probabilistica e dipende dal valore del potenziale di membrana. La corrente ionica totale in qualsiasi momento è determinata dal numero di canali aperti nella membrana cellulare. Meccanismo di gate dei canali ^ situato all'esterno della membrana cellulare (Na+ entra nella cellula), Meccanismo di gate del canale K-all'interno (K+ esce dalla cella).

L'attivazione dei canali Na e K (apertura del cancello) è assicurata da una diminuzione del potenziale di membrana quando la depolarizzazione cellulare raggiunge un valore critico (E kp, livello critico di depolarizzazione - CUD), che di solito è -50 mV (. sono possibili altri valori), la permeabilità della membrana per gli ioni Na + aumenta bruscamente: un gran numero di porte dipendenti dalla tensione dei canali Na si aprono e gli ioni Na + si precipitano nella cellula come una valanga. Grazie all'intenso flusso di ioni Na+ nella cellula, il processo di depolarizzazione procede molto rapidamente. Lo sviluppo della depolarizzazione della membrana cellulare provoca un ulteriore aumento della sua permeabilità e, naturalmente, della conduttività degli ioni Na+ - sempre più porte di attivazione dei canali Na si aprono, il che conferisce alla corrente degli ioni Na* nella cellula il suo carattere processo rigenerativo. Di conseguenza, il PP scompare e diventa pari a zero. La fase di depolarizzazione termina qui.

2. Fase di inversione. Dopo la scomparsa del PP, l'ingresso di Na+ nella cellula continua (m - la porta del canale del Na è ancora aperta - h-2), quindi il numero di ioni positivi nella cellula supera il numero di ioni negativi, la carica all'interno della cellula diventa positivo e all'esterno negativo. Il processo di ricarica della membrana rappresenta la 2a fase della PD - la fase di inversione (vedi Fig. 3.3, c, 2). Ora il gradiente elettrico impedisce al Na+ di entrare nella cellula (le cariche positive si respingono a vicenda) e la conduttività del Na* diminuisce. Tuttavia, per un certo periodo (frazioni di millisecondo), gli ioni Na+ continuano ad entrare nella cellula, come evidenziato dal continuo aumento di AP. Ciò significa che il gradiente di concentrazione, che assicura il movimento degli ioni Ka+ nella cellula, è più forte del gradiente elettrico, che impedisce l'ingresso degli ioni Na* nella cellula. Durante la depolarizzazione della membrana aumenta anche la sua permeabilità agli ioni Ca 2+; anch'essi entrano nella cellula, ma nelle cellule nervose il ruolo degli ioni Ca 2+ nello sviluppo di AP è piccolo. Pertanto, tutta la parte ascendente del picco AP è fornita principalmente dall’ingresso di ioni Na* nella cellula.

Circa 0,5-1 ms dopo l'inizio della depolarizzazione, la crescita di AP si interrompe a causa della chiusura delle porte dei canali Ka (b-3) e dell'apertura delle porte dei canali K (c, 2), cioè aumento della permeabilità per gli ioni K+. Poiché gli ioni K + si trovano prevalentemente all'interno della cellula, essi, in base al gradiente di concentrazione, lasciano rapidamente la cellula, a seguito della quale il numero di ioni caricati positivamente nella cellula diminuisce. La carica della cella inizia a tornare al livello originale. Durante la fase di inversione, il rilascio di ioni K* dalla cellula è facilitato anche dal gradiente elettrico. Gli ioni K* vengono espulsi dalla cellula dalla carica positiva e attratti dalla carica negativa proveniente dall'esterno della cellula. Ciò continua fino alla completa scomparsa della carica positiva all'interno della cella - fino alla fine della fase di inversione (vedere Fig. 3.3, UN - linea tratteggiata) quando inizia la fase successiva di AP: la fase di ripolarizzazione. Il potassio lascia la cellula non solo attraverso canali controllati, le cui porte sono aperte, ma anche attraverso canali di perdita incontrollati.

L'ampiezza AP è costituita dal valore PP (potenziale di membrana cellulare a riposo) e dal valore della fase di inversione - circa 20 mV. Se il potenziale di membrana a riposo della cellula è piccolo, allora l'ampiezza AP di questa cellula sarà piccola.

3. Fase di ripolarizzazione. In questa fase la permeabilità della membrana cellulare agli ioni K+ è ancora elevata e gli ioni K+ continuano a lasciare rapidamente la cellula secondo il gradiente di concentrazione. La cella ha ancora una carica negativa all'interno e una carica positiva all'esterno (vedi Fig. 3.3, UN, 3), quindi il gradiente elettrico impedisce al K* di lasciare la cella, riducendone la conduttività, anche se continua ad uscire. Ciò è spiegato dal fatto che l'effetto del gradiente di concentrazione è molto più forte dell'effetto del gradiente elettrico. Pertanto, tutta la parte discendente del picco AP è dovuta al rilascio dello ione K+ dalla cellula. Spesso, alla fine dell'AP, si osserva un rallentamento della ripolarizzazione, che si spiega con una diminuzione della permeabilità della membrana cellulare agli ioni K + e un rallentamento della loro uscita dalla cellula dovuto alla chiusura del canale K cancello. Un altro motivo per il rallentamento della corrente degli ioni K + è associato ad un aumento del potenziale positivo della superficie esterna della cellula e alla formazione di un gradiente elettrico diretto in senso opposto.

Il ruolo principale nella comparsa dell'AP è svolto dallo ione Na*, che entra nella cellula quando aumenta la permeabilità della membrana cellulare e fornisce tutta la parte ascendente del picco AP. Quando si sostituisce lo ione Na + nel mezzo con un altro ione, ad esempio la colina, o in caso di blocco dei canali del Na con tetrodotossina, l'AP non si verifica nella cellula nervosa. Tuttavia, anche la permeabilità della membrana allo ione K+ gioca un ruolo importante. Se l'aumento della permeabilità per lo ione K + è impedito dal tetraetilammonio, la membrana, dopo la sua depolarizzazione, si ripolarizza molto più lentamente, solo a causa di canali lenti e incontrollati (canali di perdita di ioni), attraverso i quali il K + lascerà la cellula.

Ruolo degli ioni Il Ca 2+ nella presenza di AP nelle cellule nervose è insignificante, in alcuni neuroni è significativo, ad esempio nei dendriti delle cellule di Purkinje del cervelletto.

B. Fenomeni di traccia nel processo di eccitazione cellulare. Questi fenomeni si esprimono nell'iperpolarizzazione o nella depolarizzazione parziale della cellula dopo che il potenziale di membrana ritorna al suo valore originale (Fig. 3.4).

Traccia iperpolarizzazione membrana cellulare è solitamente una conseguenza della permeabilità ancora aumentata della membrana cellulare al K +. Il canale del K non è ancora completamente chiuso, quindi il K+ continua a lasciare la cellula secondo il gradiente di concentrazione, il che porta all'iperpolarizzazione della membrana cellulare. A poco a poco, la permeabilità della membrana cellulare ritorna al suo stato originale (le porte del sodio e del potassio ritornano al loro stato originale) e il potenziale della membrana diventa lo stesso di prima che la cellula fosse eccitata. Le pompe ioniche non sono direttamente responsabili delle fasi del potenziale d'azione, gli ioni si muovono a velocità enorme in base alla concentrazione e ai gradienti parzialmente elettrici.

Depolarizzazione delle tracce caratteristica anche dei neuroni. Il suo meccanismo non è stato sufficientemente studiato. Forse è dovuto ad un aumento a breve termine della permeabilità della membrana cellulare per Ka* e al suo ingresso nella cellula in base alla concentrazione e ai gradienti elettrici.

Il metodo più comune per studiare le funzioni dei canali ionici è il metodo del voltaggio. Il potenziale della membrana viene modificato e fissato ad un certo livello applicando una tensione elettrica, quindi la membrana cellulare viene gradualmente depolarizzata, il che porta all'apertura dei canali ionici e alla comparsa di una corrente ionica che potrebbe depolarizzare la cellula. In questo caso viene fatta passare una corrente elettrica, uguale in grandezza, ma di segno opposto alla corrente ionica, quindi la differenza di potenziale transmembrana non cambia. Ciò rende possibile studiare l'entità della corrente ionica attraverso la membrana. L'uso di vari bloccanti dei canali ionici offre un'ulteriore opportunità per studiare le proprietà dei canali in modo più approfondito.

La relazione quantitativa tra le correnti ioniche attraverso i singoli canali in una cellula a riposo e durante l'AP e la loro cinetica possono essere determinate utilizzando il metodo del potenziale locale (patch-clamp). Un microelettrodo - una ventosa - viene portato sulla membrana (al suo interno viene creato un vuoto) e, se in quest'area è presente un canale, viene esaminata la corrente ionica che lo attraversa. Il resto della tecnica è simile alla precedente. E in questo caso vengono utilizzati bloccanti di canali specifici. In particolare, quando si applica alla membrana un potenziale depolarizzante fisso, si è riscontrato che lo ione K+ può passare attraverso i canali Ka, ma la sua corrente è 10-12 volte inferiore, e lo ione Ma+ può passare attraverso i canali K , la sua corrente è 100 volte inferiore alla corrente degli ioni K+.

L'apporto di ioni nella cellula, che garantisce il verificarsi dell'eccitazione (AD), è enorme. I gradienti di concentrazione degli ioni rimangono praticamente invariati come risultato di un ciclo di eccitazione. La cella può essere eccitata fino a 5 * 10 5 volte senza ricarica, cioè senza funzionamento della pompa Ma/K. Il numero di impulsi che una fibra nervosa genera e conduce dipende dal suo spessore, che determina l'apporto di ioni. Quanto più spessa è la fibra nervosa, tanto maggiore è l'apporto di ioni, tanto più impulsi può generare (da diverse centinaia a un milione) senza la partecipazione della pompa Na/K. Tuttavia, nelle fibre sottili, circa l’1% dei gradienti di concentrazione degli ioni Na+ e K* viene consumato per il verificarsi di un AP. Se la produzione di energia viene bloccata, la cellula verrà eccitata molte più volte. In realtà, la pompa Na/K trasporta costantemente gli ioni Na+ dalla cellula e restituisce gli ioni K+ alla cellula, per cui il gradiente di concentrazione di Na+ e K+ viene mantenuto a causa del consumo diretto di energia, la cui fonte è l’ATP. Esistono prove che un aumento della concentrazione intracellulare di Na+ è accompagnato da un aumento dell'intensità della pompa Na/K. Ciò può essere dovuto unicamente al fatto che una maggiore quantità di ioni Na+ intracellulari diventa disponibile per il trasportatore.

Tutte le cellule viventi hanno la capacità, sotto l'influenza di stimoli, di passare da uno stato di riposo fisiologico a uno stato di attività o eccitazione.

Eccitazioneè un complesso di cambiamenti elettrici, chimici e funzionali attivi nei tessuti eccitabili (nervosi, muscolari o ghiandolari), con i quali il tessuto risponde alle influenze esterne. Un ruolo importante nell'eccitazione è svolto dai processi elettrici che assicurano la conduzione dell'eccitazione lungo le fibre nervose e portano i tessuti in uno stato attivo (funzionante).

Potenziale di membrana

Le cellule viventi hanno una proprietà importante: la superficie interna della cellula è sempre carica negativamente rispetto al suo lato esterno. Tra la superficie esterna della cellula, caricata elettropositivamente rispetto al protoplasma, e la parte interna della membrana cellulare esiste una differenza di potenziale che varia da 60-70 mV. Secondo P. G. Kostyuk (2001), in una cellula nervosa questa differenza varia da 30 a 70 mV. Viene chiamata la differenza di potenziale tra il lato esterno e quello interno della membrana cellulare potenziale di membrana, O potenziale di riposo(Fig. 2.1).

Il potenziale di membrana a riposo è presente sulla membrana finché la cellula è viva e scompare quando la cellula muore. L. Galvani dimostrò già nel 1794 che se si danneggia un nervo o un muscolo effettuando una sezione trasversale e applicando degli elettrodi collegati ad un galvanometro sulla parte danneggiata e sul punto danneggiato, il galvanometro mostrerà una corrente che scorre sempre dalla parte non danneggiata parte del tessuto al sito del taglio. Chiamò questo flusso una corrente di quiescenza. Nella loro essenza fisiologica, la corrente di riposo e il potenziale di membrana a riposo sono la stessa cosa. La differenza di potenziale misurata in questo esperimento è di 30-50 mV, poiché quando il tessuto è danneggiato, parte della corrente viene deviata nello spazio intercellulare e nel fluido che circonda la struttura in esame. La differenza di potenziale può essere calcolata utilizzando la formula di Nernst:

dove R è la costante dei gas, T è la temperatura assoluta, F è il numero di Faraday, [K] int. e [K] avv. - concentrazione di potassio all'interno e all'esterno della cellula.

Riso. 2.1.

La causa del potenziale di riposo è comune a tutte le cellule. Tra il protoplasma della cellula e l'ambiente extracellulare esiste una distribuzione non uniforme degli ioni (asimmetria ionica). La composizione del sangue umano in termini di equilibrio salino ricorda la composizione dell'acqua dell'oceano. Anche l'ambiente extracellulare del sistema nervoso centrale contiene molto cloruro di sodio. La composizione ionica del citoplasma cellulare è più povera. All'interno delle cellule ci sono 8-10 volte meno ioni Na+ e 50 volte meno ioni C”. Il catione principale del citoplasma è K+. La sua concentrazione all'interno della cellula è 30 volte superiore a quella dell'ambiente extracellulare, ed è circa uguale alla concentrazione extracellulare di Na. I principali controioni per K + nel citoplasma sono anioni organici, in particolare gli anioni di aspartico, istamina e altri aminoacidi. Tale asimmetria è una violazione dell'equilibrio termodinamico per ripristinarlo gli ioni devono lasciare gradualmente la cellula e gli ioni sodio devono precipitarsi al suo interno.

Il primo ostacolo alla compensazione della differenza nelle concentrazioni di ioni è la membrana plasmatica della cellula. È costituito da un doppio strato di molecole di fosfolipidi, ricoperto all'interno da uno strato di molecole proteiche e all'esterno da uno strato di carboidrati (mucopolisaccaridi). Alcune proteine ​​cellulari sono incorporate direttamente nel doppio strato lipidico. Queste sono proteine ​​interne.

Le proteine ​​di membrana di tutte le cellule sono divise in cinque classi: pompe, canali, recettori, enzimi E proteine ​​strutturali. Pompe servono a spostare ioni e molecole contro gradienti di concentrazione utilizzando l'energia metabolica. Canali proteici, O pori, fornire permeabilità selettiva (diffusione) attraverso la membrana di ioni e molecole corrispondenti alla loro dimensione. Proteine ​​recettoriali possedendo un'elevata specificità, riconoscono e legano, attaccandosi alla membrana, molti tipi di molecole necessarie per la vita della cellula in un dato momento. Enzimi accelerare il corso delle reazioni chimiche sulla superficie della membrana. Proteine ​​strutturali garantire la connessione delle cellule negli organi e il mantenimento della struttura subcellulare.

Tutte queste proteine ​​sono specifiche, ma non strettamente. In determinate condizioni, una particolare proteina può essere contemporaneamente una pompa, un enzima e un recettore. Attraverso i canali della membrana, le molecole d'acqua e gli ioni corrispondenti alla dimensione dei pori entrano ed escono dalla cellula. La permeabilità della membrana per i diversi cationi non è la stessa e cambia in base ai diversi stati funzionali del tessuto. A riposo, la membrana è 25 volte più permeabile agli ioni potassio che agli ioni sodio e, quando eccitata, la permeabilità al sodio è circa 20 volte superiore a quella del potassio. A riposo, uguali concentrazioni di potassio nel citoplasma e di sodio nell’ambiente extracellulare dovrebbero fornire un uguale numero di cariche positive su entrambi i lati della membrana. Ma poiché la permeabilità agli ioni di potassio è 25 volte superiore, il potassio, lasciando la cellula, rende la sua superficie sempre più carica positivamente rispetto al lato interno della membrana, vicino al quale si trovano molecole caricate negativamente di aspartico, istamina e altre, troppo grandi per i pori della membrana, si accumulano sempre più aminoacidi che “rilasciano” il potassio all’esterno della cellula, ma “impediscono” che vada lontano a causa della loro carica negativa. Le cariche negative si accumulano all'interno della membrana e quelle positive all'esterno. Ne emerge una potenziale differenza. La corrente diffusa di ioni sodio nel protoplasma dal fluido extracellulare mantiene questa differenza al livello di 60-70 mV, impedendole di aumentare. La corrente diffusa degli ioni sodio a riposo è 25 volte più debole della controcorrente degli ioni potassio. Gli ioni sodio, penetrando nella cellula, riducono il potenziale di riposo, permettendogli di rimanere ad un certo livello. Pertanto, il valore del potenziale di riposo delle cellule muscolari e nervose, nonché delle fibre nervose, è determinato dal rapporto tra il numero di ioni potassio caricati positivamente che diffondono per unità di tempo dalla cellula verso l'esterno e gli ioni sodio caricati positivamente che diffondono attraverso la cellula. membrana nella direzione opposta. Più alto è questo rapporto, maggiore è il potenziale di riposo e viceversa.

Il secondo ostacolo che mantiene la differenza di potenziale ad un certo livello è la pompa sodio-potassio (Fig. 2.2). Si chiama sodio-potassio o ionico, poiché rimuove attivamente (pompa fuori) gli ioni sodio che penetrano in esso dal protoplasma e introduce (pompa) ioni potassio in esso. La fonte di energia per il funzionamento della pompa ionica è la degradazione dell'ATP (adenosina trifosfato), che avviene sotto l'influenza dell'enzima adenosina trifosfatasi, localizzato nella membrana cellulare e attivato dagli stessi ioni, cioè potassio e sodio (sodio -ATPasi potassio-dipendente).

Riso. 2.2.

Questa è una proteina di grandi dimensioni, che supera lo spessore della membrana cellulare. La molecola di questa proteina, penetrando nella membrana, lega prevalentemente sodio e ATP all'interno, mentre all'esterno potassio e vari inibitori come i glicosidi. In questo caso si verifica una corrente di membrana. Grazie a questa corrente è assicurata la direzione appropriata del trasporto degli ioni. Il trasferimento ionico avviene in tre fasi. Innanzitutto, lo ione si combina con una molecola trasportatrice per formare un complesso trasportatore di ioni. Questo complesso passa quindi attraverso la membrana o trasferisce la carica attraverso di essa. Infine, lo ione viene rilasciato dal trasportatore sul lato opposto della membrana. Allo stesso tempo, avviene un processo simile, trasportando gli ioni nella direzione opposta. Se la pompa trasferisce uno ione sodio a uno ione potassio, mantiene semplicemente un gradiente di concentrazione su entrambi i lati della membrana, ma non contribuisce alla creazione del potenziale di membrana. Per dare questo contributo, la pompa ionica deve trasportare sodio e potassio in un rapporto di 3:2, cioè per ogni 2 ioni potassio che entrano nella cellula, deve rimuovere 3 ioni sodio dalla cellula. Lavorando al massimo carico, ciascuna pompa è in grado di pompare circa 130 ioni di potassio e 200 ioni di sodio al secondo attraverso la membrana. Questa è la velocità massima. In condizioni reali, il funzionamento di ciascuna pompa viene regolato in base alle esigenze della cellula. La maggior parte dei neuroni ha tra 100 e 200 pompe ioniche per micron quadrato di superficie della membrana. Di conseguenza, la membrana di qualsiasi cellula nervosa contiene 1 milione di pompe ioniche in grado di spostare fino a 200 milioni di ioni sodio al secondo.

Pertanto, il potenziale di membrana (potenziale di riposo) viene creato come risultato di meccanismi sia passivi che attivi. Il grado di partecipazione di alcuni meccanismi in cellule diverse non è lo stesso, il che significa che il potenziale di membrana può essere diverso in strutture diverse. L'attività delle pompe può dipendere dal diametro delle fibre nervose: più sottile è la fibra, maggiore è il rapporto tra la dimensione della superficie e il volume del citoplasma, di conseguenza l'attività delle pompe è necessaria per mantenere la differenza di concentrazione degli ioni; sulla superficie e all'interno della fibra dovrebbe essere maggiore. In altre parole, il potenziale di membrana può dipendere dalla struttura del tessuto nervoso, e quindi dal suo scopo funzionale. La polarizzazione elettrica della membrana è la condizione principale per l'eccitabilità cellulare. Questa è la sua costante prontezza all'azione. Si tratta della riserva di energia potenziale della cellula, che può utilizzare nel caso in cui il sistema nervoso abbia bisogno di una risposta immediata.

Il potenziale di membrana a riposo (RMP) è la differenza di potenziale tra il lato esterno e quello interno della membrana in condizioni in cui la cellula non è eccitata. Il citoplasma della cellula è carico negativamente nei confronti del fluido extracellulare a causa della distribuzione non uniforme di anioni e cationi su entrambi i lati della membrana. La differenza di potenziale (tensione) per celle diverse varia da -50 a -200 mV (meno significa che l'interno della cella è caricato più negativamente rispetto all'esterno). Il potenziale di membrana a riposo si verifica sulle membrane di tutte le cellule: eccitatorie (nervi, muscoli, cellule secretorie) e non eccitanti.

L'MPS è necessario per mantenere l'eccitabilità di cellule come quelle muscolari e nervose. Influisce anche sul trasporto di tutte le particelle cariche in qualsiasi tipo di cellula: favorisce il trasporto passivo degli anioni dalla cellula e dei cationi nella cellula.

La formazione e il mantenimento del potenziale di membrana sono assicurati da vari tipi di pompe ioniche (in particolare, pompa sodio-potassio o ATPasi sodio-potassio) e canali ionici (canali ionici di potassio, sodio, cloruro).

Registrazione potenziale a riposo

Per registrare il potenziale di riposo viene utilizzata una speciale tecnologia a microelettrodi. Un microelettrodo è un tubo di vetro sottile con un'estremità allungata, di diametro inferiore a 1 micron, riempito con una soluzione elettrolitica (solitamente cloruro di potassio). L'elettrodo di riferimento è una piastra clorurata d'argento situata nello spazio extracellulare; entrambi gli elettrodi sono collegati ad un oscilloscopio; Inizialmente entrambi gli elettrodi si trovano nello spazio extracellulare e non vi è alcuna differenza di potenziale tra loro se si inserisce un microelettrodo di registrazione attraverso la membrana nella cellula, l'oscilloscopio mostrerà un brusco spostamento di potenziale a circa -80 mV. Questo potenziale spostamento è chiamato potenziale di membrana a riposo.

Formazione del potenziale di riposo

Due fattori portano alla comparsa di un potenziale di membrana a riposo: in primo luogo, le concentrazioni di vari ioni differiscono all'esterno e all'interno della cellula e, in secondo luogo, la membrana è semipermeabile: alcuni ioni possono penetrare attraverso di essa, altri no. Entrambi questi fenomeni dipendono dalla presenza di proteine ​​speciali nella membrana: i gradienti di concentrazione creano pompe ioniche e i canali ionici forniscono permeabilità della membrana agli ioni. Il ruolo più importante nella formazione del potenziale di membrana è svolto dagli ioni potassio, sodio e cloro. Le concentrazioni di questi ioni variano su entrambi i lati della membrana. Per un neurone di mammifero, la concentrazione di K+ è di 140 mmol all'interno della cellula e solo 5 mM all'esterno, il gradiente di concentrazione di Na+ è quasi l'opposto: 150 mmol all'esterno e 15 mM all'interno. Questa distribuzione degli ioni è mantenuta dalla pompa sodio-potassio della membrana plasmatica, una proteina che utilizza l'energia dell'ATP per pompare K+ nella cellula e scaricare da essa Na+. Esiste anche un gradiente di concentrazione per altri ioni, ad esempio l'anione cloruro Cl -.

I gradienti di concentrazione dei cationi potassio e sodio sono una forma chimica di energia potenziale. I canali ionici sono coinvolti nella conversione dell'energia in energia elettrica: i pori sono formati da gruppi di speciali proteine ​​​​transmembrana. Quando gli ioni si diffondono attraverso un canale, trasportano un'unità di carica elettrica. Qualsiasi movimento netto di ioni positivi o negativi attraverso la membrana creerà una tensione, o differenza di potenziale, su entrambi i lati della membrana.

I canali ionici coinvolti nella formazione di MPS hanno permeabilità selettiva, cioè consentono la penetrazione solo di un certo tipo di ione. Nella membrana neuronale a riposo, i canali del potassio sono aperti (quelli che consentono principalmente il passaggio solo del potassio), la maggior parte dei canali del sodio sono chiusi. La diffusione degli ioni K+ attraverso i canali del potassio è cruciale per la creazione del potenziale di membrana. Poiché la concentrazione di K+ è molto più alta all'interno della cellula, il gradiente chimico favorisce l'efflusso di questi cationi fuori dalla cellula, quindi il citoplasma diventa dominato da anioni che non possono passare attraverso i canali del potassio.

Il deflusso degli ioni potassio dalla cellula è limitato dal potenziale di membrana stesso, poiché ad un certo livello l'accumulo di cariche negative nel citoplasma limiterà il movimento dei cationi all'esterno della cellula. Pertanto, il fattore principale nella comparsa della MPS è la distribuzione degli ioni potassio sotto l'influenza di potenziali elettrici e chimici.

Potenziale di equilibrio

Per determinare l'effetto del movimento di uno ione specifico attraverso una membrana semipermeabile sulla formazione del potenziale di membrana, vengono costruiti sistemi modello. Un tale sistema modello è costituito da un vaso diviso in due celle da una membrana artificiale semipermeabile in cui sono costruiti canali ionici. In ogni cella si può immergere un elettrodo e si può misurare la differenza di potenziale.

Consideriamo il caso in cui la membrana artificiale sia permeabile solo al potassio. Su entrambi i lati della membrana del sistema modello si crea un gradiente di concentrazione simile a quello di un neurone: una soluzione 140 mM di cloruro di potassio (KCl) viene posta nella cellula corrispondente al citoplasma (cella interna), e una soluzione 5 La soluzione mmol viene posta nella cella corrispondente al fluido intercellulare (cella esterna). KCl. Gli ioni di potassio si diffonderanno attraverso la membrana nella cellula esterna lungo un gradiente di concentrazione. Ma poiché gli anioni Cl non possono penetrare nella membrana, nella cellula interna appare un eccesso di carica negativa, che interferirà con il deflusso dei cationi. Quando tali neuroni modello raggiungono uno stato di equilibrio, l'azione del potenziale chimico ed elettrico sarà bilanciata e non si osserverà alcuna diffusione netta di K+. Il valore del potenziale di membrana in tali condizioni è chiamato potenziale di equilibrio per un particolare ione (ione E). Il potenziale di equilibrio per il potassio è di circa -90 mV.

Un esperimento simile può essere effettuato per il sodio installando tra le cellule una membrana permeabile solo per questo catione e posizionando una soluzione di cloruro di sodio con una concentrazione di 150 mM nella cella esterna e 15 mM in quella interna. Il sodio si sposterà nella cellula interna, il suo potenziale potenziale sarà di circa 62 mV.

Il numero di ioni che devono diffondere per generare un potenziale elettrico è molto piccolo (circa 10 -12 mol K+ per 1 cm 2 di membrana), questo fatto ha due importanti conseguenze. In primo luogo, ciò significa che le concentrazioni di ioni che possono penetrare nella membrana rimangono stabili all'esterno e all'interno della cellula, anche dopo che il loro movimento è stato assicurato dalla stabilizzazione del potenziale elettrico. In secondo luogo, gli scarsi flussi di ioni attraverso la membrana, per stabilire il potenziale, non violano la neutralità elettrica del citoplasma e del fluido extracellulare nel suo insieme, la distribuzione delle cariche avviene solo nell'area immediatamente adiacente alla membrana plasmatica;

Equazione di Nernst

Il potenziale di equilibrio per un particolare ione, come il potassio, può essere calcolato utilizzando l'equazione di Nernst, che assomiglia a questa:

dove R è la costante universale dei gas, T è la temperatura assoluta (sulla scala Kelvin), z è la carica ionica, F è il numero di Faraday, o, i sono la concentrazione di potassio rispettivamente all'esterno e all'interno della cellula. Poiché i processi descritti avvengono ad una temperatura corporea di 310 ° K, ed è più facile utilizzare i logaritmi decimali nel calcolo che quelli naturali, questa equazione viene trasformata come segue:

Sostituendo le concentrazioni di K+ nell'equazione di Nernst, otteniamo il potenziale di equilibrio del potassio, che è -90 mV. Poiché il lato esterno della membrana è considerato a potenziale zero, il segno meno significa che in condizioni di potenziale di equilibrio del potassio, il lato interno della membrana è comparativamente più elettronegativo. Calcoli simili possono essere effettuati per il potenziale Natiev di equilibrio, che è 62 mV.

Equazioni di Goldman

Sebbene il potenziale di equilibrio per gli ioni potassio sia -90 mV, la MVC del neurone è leggermente meno negativa. Questa differenza riflette il flusso leggero ma costante di ioni Na+ attraverso la membrana nello stato di riposo. Poiché il gradiente di concentrazione del sodio è opposto a quello del potassio, il Na+ si sposta all'interno della cellula e sposta la carica netta all'interno della membrana verso il lato positivo. Infatti la MVC di un neurone è compresa tra -60 e -80 mV. Questo valore è molto più vicino a E K che a E Na, perché a riposo il neurone ha molti canali del potassio aperti e pochissimi canali del sodio. L'installazione dell'MPS è influenzata anche dal movimento degli ioni di cloro. Nel 1943, David Goldaman propose di migliorare l'equazione di Nernst per riflettere l'effetto di diversi ioni sul potenziale di membrana, tenendo conto della permeabilità relativa della membrana per ciascun tipo di ione:

dove R è la costante universale dei gas, T è la temperatura assoluta (sulla scala Kelvin), z è la carica dello ione, F è il numero di Faraday, [ion]o, [ion]i sono le concentrazioni di ioni all'interno e all'esterno delle cellule, P è la permeabilità relativa della membrana per lo ione corrispondente. Il valore della carica in questa equazione non viene preservato, ma viene preso in considerazione: per il cloro le concentrazioni esterna e interna vengono invertite, poiché la sua carica è 1.

Il valore del potenziale di membrana a riposo per vari tessuti

• Muscoli separati -95 mV;
• Muscoli trascurati -50 mV;
• Astroglia da -80 a -90 mV;
• Neuroni -70 mV.

Il ruolo della pompa sodio-potassio nella formazione di MPS

Il potenziale di membrana a riposo può esistere solo se esiste una distribuzione non uniforme degli ioni, garantita dal funzionamento della pompa sodio-potassio. Inoltre, questa proteina produce anche energia elettrogenica: trasferisce 3 cationi di sodio in cambio di 2 ioni di potassio che entrano nella cellula. Pertanto, Na + -K + -ATPasi riduce l'MPS di 5-10 mV. La soppressione dell'attività di questa proteina porta ad un leggero aumento istantaneo (5-10 mV) del potenziale di membrana, dopo di che esisterà per qualche tempo ad un livello abbastanza stabile mentre rimangono i gradienti di concentrazione di Na + e K +. Successivamente tali gradienti inizieranno a diminuire per effetto della penetrazione degli ioni nella membrana, e dopo poche decine di minuti il ​​potenziale elettrico sulla membrana scomparirà.