Potențialul de membrană și gradientul electrochimic
Potențialul de membrană și gradientul electrochimic
• Potențialul de membrană se produce din cauza un gradient electrochimic care există pe ambele părți ale membranei permeabile selectiv la ioni
• Valoarea potențialului de membrană ca o funcție a concentrației de ioni se calculează conform ecuației Nernst
• Celula se menține un potențial negativ de repaus al membranei. În acest mediu intern al celulei, în comparație cu cel exterior caracterizat ușor mai mare sarcină negativă
• Existența potențialului de membrană este o condiție prealabilă pentru generarea semnalelor electrice și de transport direcțională a ionilor prin membrană
O proprietate importantă a celulelor este capacitatea de a menține concentrațiile intracelulare ale acestor metaboliți care diferă substanțial de conținutul lor în mediul extracelular. În cazul ionilor, diferențele de concentrație pe ambele părți ale membranei, diferențe în sarcina electrică: mediul intracelular oarecum încărcat mai negativ decât mediul în afara celulei. Efectul combinat al diferenței de concentrație și încărcare conduitelor crește la gradientul electrochimice. Un gradient electrochimic este menținută prin acțiunea canalelor selective și proteine purtător în membrana plasmatică.
Pentru a înțelege modul în care un gradient electrochimic, ia în considerare mai întâi cazul simplu când membrana este permeabilă la doar o singură specie de ioni. Figura de mai jos prezintă cele două compartimente A și B, separate printr-o membrană subțire. Aceste compartimente conțin diferite concentrații de soluție KC1. Într-o soluție de clorură de potasiu este disociat în ioni hidratați K + și Cl-. Deoarece ambele compartimente conțin concentrații echimolare de ioni, fiecare are o sarcină neutră.
Dacă membrana este impermeabilă la ioni, valoarea potențialului său electric, măsurată cu un voltmetru, ar fi egal cu zero.
Acum, ia în considerare cazul în care membrana este permeabilă numai pentru ioni de potasiu (de exemplu, atunci când se află în membrana K + canale). Difuzia gradient de concentrație de solut este energetic proces favorabil (exprimat ca valoare negativă diferența de energie AG). Prin urmare, ionii K + va difuza la o concentrație mai mică, t. E. Din compartimentul B în compartimentul A. În acest caz, distribuția taxa pe membrana se va schimba. Ca acumulare în compartimentul A încărcat pozitiv ioni, crește forța repulsivă dintre ele. Aceste forțe complică tranziția ionilor K + în compartimentul A.
Atunci când echilibrul electrochimic este atins în sistem. gradienți de concentrație și sarcini electrice sunt echilibrate reciproc, iar mișcarea de K + ioni prin membrana încetează. În acest caz, transportul ionilor la + de la un compartiment este reținut transportul lor de la un alt compartiment.
Cu toate acestea, compartimentul A conține ioni mai pozitiv încărcat decât în compartimentul B. Acest exces K + ioni (în compartimentul A) reacționează cu un exces de ioni de CI- (în compartimentul C) printr-o membrană subțire, prin care pe ambele părți ale acestuia sunt aranjate sarcini electrice . diferența de taxă pe ambele părți ale membranei este exprimată ca o diferență de potențial se numește potențialul de membrană. Equilibrium (membrană) potențial compartimentul B spre compartimentul A are o valoare negativă.
Acest exemplu ilustrează necesitatea celor două condiții necesare pentru apariția potențialului membranei celulare, nu este egal cu zero:
• diferite concentrații de ioni de ambele părți ale membranei, ceea ce duce la taxa de separare și
• membrană cu permeabilitate selectivă la cel puțin un tip de ion.
Prin urmare, valoarea potențialului de membrană este o funcție a concentrației de ioni. În echilibru această funcție pentru ionii X pot fi cuantificate folosind ecuația Nernst:
• E - potențialul de echilibru (în volți)
• R - constanta universală a gazelor (2 cal mol -1 K -1)
• T - temperatura absolută (K; 37 ° C = 307,5 K)
• Z - ioni de valență (o sarcină electrică)
• F - numărul lui Faraday (2,3 x 10 aprilie -1 volt cal mol -1)
• [X], A - X concentrația ionilor liberi în compartimentul A
• [X] în - concentrația ionilor liberi în compartimentul B X
În formarea potențialului membranei în celulele animale, în principal, implicând ioni K +, Na + și Cl-. Ca2 + și Mg2 + într-o mai mică măsură, să participe la formarea potențialului de repaus a membranei. Membrana plasmatică este selectiv permeabilă la ionii enumerate (m. E. Membrana cuprinde canale de ioni, ioni selectivi pentru fiecare tip). Această circumstanță precum și permeabilitatea membranei (P) pentru fiecare ion este luată în considerare în ecuația Goldman-Hodgkin-Katz, care este o formă extinsă a ecuației Nernst.
Pentru ionii majori, această ecuație exprimă un potențial de membrană ca funcție de concentrația lor în interiorul și permeabilitate (i) și exterior (pe) celule:
Cantitatea de potențial negativ de repaus al membranei depinde de tipul de celulă și variază de la -200 mV la -20 mV. În celulele de mamifere, potențialul de repaus a membranei este în principal creat la pompa canalele K + și ioni care se spune Na + / K + -ATPaza. Principala contribuție la formarea potențialului de membrană negativ face ca flux mic de K + ioni prin membrana plasmatică. Acest flux este purtat de K + canale lipsit mecanismul de suprimare a fasciculului (de exemplu, canalele de potasiu. N.) inactive.
Spre deosebire de majoritatea celorlalte canale K +. care au nevoie de un semnal pentru a deschide aceste canale într-o celulă, care are un anumit potențial pentru pace, mereu deschisă. In celula de repaus și multiple canale sunt deschise altor ioni. Mișcarea K + din celulă, în direcția unui gradient de electrochimice, contribuind la menținerea conținutului celular de sarcină negativă. In timp ce noi nu știm toate sursele de ioni de potasiu, care sunt implicate în acest proces. In unele celule, cum ar fi plante și bacterii, precum și în mitocondrii membranei potențial de repaus este creat de gradientul de protoni in loc de K + ionilor.
Pentru difuzia ionilor sa produs K + din celulă prin canalul K +, concentrația acestora în celula trebuie sa fie mai mare decât în mediul înconjurător. Gradientul de concentrație este creat ca rezultat al Na + / K + -ATP-PS, care injectează în celulă un ion de potasiu, două pentru fiecare trei ioni de sodiu, această pompă de ioni care se îndepărtează din celule. Prin urmare, funcțiile pompei ca un generator de taxă: elimina taxa mai mult decât electrică este introdusă în celulă. Mecanismul gating Astfel, împreună cu K + -channels lipsit, Na + / K + -ATPazei implicate în crearea potențialului intracelular negativ. Dacă are loc inactivarea Na + / K + -ATPaza, concentrația ionilor de Na + și K + ioni de ambele părți ale membranei sunt egalizate. Acest lucru se datorează faptului că bistratul lipidic este ioni trece foarte rău. Cu alte cuvinte, fără a trece procesele active de transport primare care implică Na + / K + -ATPaza cu membrana valoarea potențială ar fi zero.
Odihnindu potențialul membranei celulelor este destul de constantă. Cu toate acestea, atunci când liganzi, stresul mecanic sau o schimbare a sarcinii electrice de legare are loc deschiderea canalelor ionice specifice și potențial de membrană modificări. Dacă canalele de ioni sunt controlate de o sarcină electrică, schimbările în membrană potențial efect asupra trecerea ionilor prin intermediul lor. Deschiderea și închiderea canalului controlat prin mecanismul gating (Heyting). Potențialul de membrană depinde de canalele ionice care cea mai mare parte deschisă. De exemplu, atunci când deschiderea de Na + - și Ca2 + canale se produce depolarizarea membranei.
Ionii corespunzători încep să intre în celulă în direcția gradientului lor electrochimic. Aceasta conduce la faptul că potențialul de membrană devine mai pozitivă. Dimpotrivă, atunci când repolarizarea membranei (hiperpolarizarea) potențialul devine mai negativ. Acest lucru are loc atunci când deschiderea canalelor de potasiu și ieșirea K + celulei ionilor în direcția gradientului, ceea ce atrage după sine o creștere a potențialului de membrană negativ. Mișcarea ionilor este canale ionice rapide și se calculează în milisecunde. Pentru a schimba membrana potențiale suficiente diferențe minore ale concentrației de ioni de pe ambele părți ale membranei, și concentrația acestora în celula primară nu este schimbat.
Hrană numai 10 -12 mol de K + prin 1 cm2 a rezultatelor membranare hiperpolarizarea sale rapide și stabilirea potențialului membranei egală cu -100 mV. Locală circulație relativ mică a taxelor prin membrana permite citosol și mediul extracelular să rămână neutru electric și minimizează respingerea de sarcină electrică.
Din punct de vedere energetic, potențialul de membrană este o anumită energie rezervor de energie care poate fi utilizat pentru a efectua o anumită operație. Potrivit localizarea ionilor încărcați negativ în citosol și pozitiv încărcate pe partea exterioară a membranei, celula seamănă cu un condensator electric sau baterie, m. E. Un dispozitiv capabil să stocheze energie electrică și de a servi ca sursă. Energia este eliberată ca ionii care migreaza spre gradientului lor electrochimic, și pot fi folosite în procesele de transport ale altor ioni sau metaboliți împotriva unui gradient de concentrație.