Потенциал покоя мембраны и распределение ионов

Потенциал покоя мембраны — это стабильная разность напряжений на плазматической мембране нестимулированной клетки, при которой внутренняя часть отрицательна по отношению к внешней, обычно составляющая от -60 до -90 мВ в нейронах. Он является результатом неравномерного распределения ионов по обе стороны мембраны и избирательной проницаемости мембраны для этих ионов.

Definition

Потенциал покоя мембраны — это трансмембранное напряжение, поддерживаемое нестимулированной возбудимой клеткой, определяемое равновесием между градиентами ионных концентраций и относительной проницаемостью мембраны, и удерживаемое вблизи равновесного потенциала калия.

Scope

Эта тема объясняет, почему покоящаяся клетка поддерживает стабильное отрицательное напряжение и как асимметричное распределение калия, натрия и хлора приводит к этому. Она охватывает вклад каждого основного иона и доминирующую роль калия в состоянии покоя, а также отличает состояние покоя от активных изменений напряжения, рассматриваемых в других разделах.

Core questions

• Какие концентрации ионов характеризуют внутреннюю и внешнюю стороны покоящейся клетки?
• Какой ион доминирует в потенциале покоя и почему?
• Как небольшие проницаемости для натрия и хлора смещают потенциал покоя от равновесного значения калия?

Key concepts

• Трансмембранное напряжение
• Внутриклеточные и внеклеточные концентрации ионов
• Доминирование калия в состоянии покоя
• Вклад натрия и хлора
• Относительная проницаемость
• Стационарное состояние против равновесия

Key theories

Концепция избирательной проницаемости потенциала покоя

Напряжение покоя определяется тем, какие ионы могут пересекать мембрану и насколько легко; поскольку проницаемость для калия значительно превышает проницаемость для натрия в состоянии покоя, потенциал находится близко к равновесному потенциалу калия, но смещен в положительную сторону из-за утечки натрия.

Mechanisms

Покоящийся нейрон поддерживает высокую концентрацию калия внутри и высокую концентрацию натрия и хлора снаружи. Мембрана в состоянии покоя высокопроницаема для калия через открытые каналы утечки и лишь слабо проницаема для натрия. Калий диффундирует наружу по своему концентрационному градиенту, вынося положительный заряд и оставляя внутреннюю часть отрицательной; возрастающая отрицательность препятствует дальнейшему оттоку, поэтому напряжение приближается к равновесному потенциалу калия. Небольшой постоянный приток натрия и, во многих клетках, движение хлора удерживают фактический потенциал покоя немного более положительным, чем равновесное значение калия. Ходжкин и Кац (1949) непосредственно продемонстрировали эту многоионную зависимость, изменяя внешний натрий и показывая предсказуемые сдвиги в мембранном напряжении.

Clinical relevance

Поскольку потенциал покоя определяет, насколько легко клетка может быть возбуждена, изменения внеклеточного калия или других ионов изменяют возбудимость мембраны в нервах, мышцах и сердце. Эта запись описывает эту механистическую зависимость как фоновую физиологию и не является руководством по лечению какого-либо состояния.

Evidence & guidelines

Количественное описание получено из записей аксонов кальмара и является стандартным содержанием в учебниках по физиологии и биофизике; это механистический справочный материал, а не содержание клинических рекомендаций.

History

Ранняя мембранная теория Джулиуса Бернштейна предполагала, что потенциал покоя отражает избирательную проницаемость для калия. Ходжкин и Кац (1949) расширили это до многоионной концепции, показав, что проницаемость для натрия также имеет значение, а анализ постоянного поля Гольдмана 1943 года придал этой зависимости количественную форму.

Key figures

• Alan Hodgkin
• Bernard Katz
• David E. Goldman
• Julius Bernstein

Seminal works

• hodgkin-katz-1949
• goldman-1943

Frequently asked questions

Почему внутренняя часть покоящегося нейрона отрицательна?

Поскольку покоящаяся мембрана в основном проницаема для калия, калий покидает клетку по своему концентрационному градиенту и выносит положительный заряд, оставляя чистый отрицательный заряд внутри до тех пор, пока электрическое притяжение не уравновесит дальнейший отток.

Является ли потенциал покоя равновесием?

Не совсем. Это стационарное состояние, поддерживаемое вблизи равновесного потенциала калия; непрерывные небольшие утечки ионов компенсируются активной откачкой, поэтому градиенты и напряжение остаются постоянными без истинного равновесия.