Potencjał odwrócenia - Reversal potential
W błonie biologicznej The potencjał odwrócenie (znany również jako potencjałem Nernsta ) o jonów jest potencjał membranowy , w którym nie ma netto (całkowita) przepływu od danego jonu z jednej strony błony, z drugiej strony. W przypadku neuronów postsynaptycznych potencjałem odwrotnym jest potencjał błonowy, przy którym dany neuroprzekaźnik nie powoduje przepływu prądu netto jonów przez kanał jonowy receptora neuroprzekaźnika .
W układzie jednojonowym potencjał odwrócenia jest równoznaczny z potencjałem równowagi ; ich wartości liczbowe są identyczne. Te dwa terminy odnoszą się do różnych aspektów różnicy w potencjale błonowym. Równowaga odnosi się do faktu, że strumień jonów netto przy danym napięciu wynosi zero. Oznacza to, że zewnętrzne i wewnętrzne szybkości ruchu jonów są takie same; strumień jonów jest w równowadze. Odwrócenie odnosi się do faktu, że zmiana potencjału błonowego po obu stronach potencjału równowagi odwraca ogólny kierunek strumienia jonów.
Potencjał odwrócenia jest często nazywany „potencjałem Nernsta”, ponieważ można go obliczyć z równania Nernsta . Kanały jonowe przewodzą większość przepływu prostych jonów do iz komórek . Kiedy typ kanału, który jest selektywny dla jednego gatunku jonu dominuje w błonie komórki (ponieważ na przykład inne kanały jonowe są zamknięte), napięcie wewnątrz komórki zrównoważy się (tj. stanie się równe) z potencjałem odwrócenia dla tego jonu (zakładając, że na zewnątrz ogniwa jest napięcie 0 woltów). Na przykład potencjał spoczynkowy większości komórek jest zbliżony do potencjału odwrócenia K + (jonów potasu). Dzieje się tak, ponieważ w potencjale spoczynkowym dominuje przewodnictwo potasu . Podczas typowego potencjału czynnościowego małe spoczynkowe przewodnictwo jonowe za pośrednictwem kanałów potasowych jest przytłaczane przez otwarcie licznych kanałów Na + (jonów sodu), co sprowadza potencjał błonowy w kierunku odwróconego potencjału sodu.
Związek między terminami „potencjał odwrócenia” i „potencjał równowagi” jest prawdziwy tylko dla układów jednojonowych. W systemach wielojonowych istnieją obszary błony komórkowej, w których zsumowane prądy wielu jonów będą równe zeru. Chociaż jest to potencjał odwrotny w tym sensie, że potencjał błony odwraca kierunek, nie jest to potencjał równowagi, ponieważ nie wszystkie (aw niektórych przypadkach żaden) jony są w równowadze, a zatem mają przepływy netto przez błonę. Gdy komórka ma znaczną przepuszczalność dla więcej niż jednego jonu, potencjał komórki można obliczyć z równania Goldmana-Hodgkina-Katza, a nie z równania Nernsta.
Modele matematyczne
Termin siła napędowa jest związany z potencjałem równowagi i jest również przydatny w zrozumieniu prądu w błonach biologicznych. Siła napędowa odnosi się do różnicy między rzeczywistym potencjałem błony a potencjałem równowagi jonu. Definiuje go następujące równanie:
gdzie V m − jon E jest siłą napędową.
Słowami, to równanie mówi, że jonowy obecny ja jonów równa się jonu przewodności g jonów zwielokrotniony przez siłę napędową, która jest reprezentowana przez różnicę między potencjałem membraną i jonu potencjału równowagowego (tj V m - E jonowa ). Zauważ, że prąd jonowy będzie równy zero, jeśli membrana jest nieprzepuszczalna ( jon g = 0 ) dla danego jonu, niezależnie od wielkości siły napędowej.
Powiązane równanie (wywodzące się z bardziej ogólnego równania powyżej) określa wielkość prądu płytki końcowej (EPC) przy danym potencjale błonowym w złączu nerwowo-mięśniowym :
w której EPC jest obecna płyta końcowa, g ACh jest przewodnictwo jonowe aktywowane przez acetylocholinę , V m jest potencjał błony i e obr jest możliwość odwrócenia. Gdy potencjał błonowy jest równy potencjałowi odwrotnemu, jon V m - E jest równy 0 i nie ma siły napędowej zaangażowanych jonów.
Użyj w badaniach
Gdy V m jest na potencjale odwracania ( V m - E jonów jest równe 0), tożsamość jonów, które wypływają w EPC można wywnioskować porównując możliwość odwrócenia EPC do potencjału równowagowego dla różnych jonów. Na przykład kilka pobudzających jonotropowych ligandów neuroprzekaźników receptorów , w tym receptory glutaminianu ( AMPA , NMDA i kainate ), nikotynowego acetylocholiny (nach) i serotoniny (5-HT 3 ) receptory są nieselektywne kanały kationów, które przechodzą Na + i K + w niemal równe proporcje, dające potencjał równowagi bliski zeru. Hamujące jonotropowe bramkowanych ligandami receptorów neuroprzekaźników, które prowadzą Cl - takie jak GABA A i glicyny receptorów mają potencjał równowagi blisko potencjału spoczynkowego -70 mV (w przybliżeniu) w neuronach.
Ten tok rozumowania doprowadził do opracowania eksperymentów (Akiry Takeuchi i Noriko Takeuchi w 1960 r.), które wykazały, że kanały jonowe aktywowane acetylocholiną są w przybliżeniu równie przepuszczalne dla jonów Na + i K + . Doświadczenie przeprowadzono przez obniżenie zewnętrznego stężenia Na + , co obniża (sprawia, że jest bardziej ujemny) potencjał równowagi Na + i powoduje ujemne przesunięcie w potencjale odwrócenia. I odwrotnie, zwiększenie zewnętrznego stężenia K + podnosi (czyni bardziej dodatnim) potencjał równowagi K + i powoduje dodatnią zmianę potencjału odwrócenia.
