Как ионы пересекают мембрану

Поскольку они заряжены, ионы не могут проходить непосредственно через гидрофобные («боящиеся воды») липидные (жировые) области мембраны. Вместо этого они должны использовать специализированные канальные белки, которые обеспечивают гидрофильный («любовь к воде») туннель через мембрану. Некоторые каналы, известные как каналы утечки, открытые в покоящихся нейронах. Другие каналы закрыты в покоящихся нейронах и только открываются в ответ на сигнал.

Некоторые ионные каналы, сильно избирательны для одного типа ионов, а другие пропускают различные виды ионов. Ионные каналы, которые главным образом пропускают калий, называются калиевыми каналами, а ионные каналы, которые главным образом пропускают натрий, называются натриевыми каналами.

Что насчёт Cl^- и органических анионов? Существуют хлоридные каналы, которые позволяют ионам Cl^- пересекать клеточную мембрану, хотя мы не будем уделять им много внимания в этой статье. Хлоридные каналы концептуально похожи на каналы натрия и калия, описанные в разделе выше.

Иначе обстоят дела с органическими анионами, присутствующими внутри клетки. Часто, эти анионы представляют собой отрицательно заряженные боковые цепи аминокислот в белках. Белки обычно крупные и грузные, и остаются пойманными внутри клетки. Таким образом, органические анионы, как Na⁺ и K⁺, обычно не могут свободно перемещаться через мембрану [6].

В нейронах мембранный потенциал покоя зависит в основном от движения K⁺ через каналы утечки калия. Давайте посмотрим, как это работает.

Что произойдет, если только K⁺ cможет пересекать мембрану?

Мембранный потенциал покоящегося нейрона в первую очередь определяется движением K⁺ ионов через мембрану. Итак, давайте рассмотрим, как работает мембранный потенциал в случае, когда только K⁺ может пересекать мембрану.

Мы начнем с K⁺, с бóльшей концентрацией внутри клетки, чем во внеклеточной среде, как будь то самый обычный нейрон. (Другие ионы также присутствуют, включая анионы, которые уравновешивают положительный заряд на K⁺, но они не смогут пересечь мембрану в нашем примере).

Где же Na⁺ и Cl^- ионы?

Внесём ясность, диаграммы в этом разделе показывают только K⁺ и анионы (отрицательно заряженные ионы), которые уравновешивают положительный заряд на K⁺. Мы точно не скажем, какими типами анионов они являются, поэтому некоторые из них могут быть Cl^- ионами.

Многие другие ионы, которые не показаны на диаграме, могут присутствовать в системе, включая Cl^- и Na⁺. Однако, поскольку эти ионы не могут пересекать мембрану, они не будут влиять на мембранный потенциал. Вот почему мы можем игнорировать их, поскольку мы фокусируемся на особом случае, когда мембрана проницаема только для K⁺.

Если калиевые каналы в мембране открыты, K⁺ начнет двигаться дальше по своему градиенту концентрации ионов и выйдет из клетки. Каждый раз, когда K⁺ ион покидает клетку, внутренняя сторона клетки теряет положительный заряд. Из-за этого, незначительный избыток позитивного заряда накапливается на внешней стороне клеточной мембраны, и незначительный избыток отрицательного заряда накапливается на внутренней стороне. То есть, внутренняя сторона клетки становится отрицательной по отношению к внешней стороне, устанавливая разницу в электрическом потенциале на мембране.

Для ионов (как и в случае магнитов) одинаковые заряды отталкивают друг друга, а противоположные притягивают. Таким образом, установление разности электрических потенциалов на мембране затрудняет выход из клетки оставшихся K⁺ ионов. Положительно заряженные K⁺ ионы будут притягиваться к свободным отрицательным зарядам внутри клеточной мембраны и отталкиваться положительными зарядами снаружи, противодействуя их движению по градиенту концентрации ионов. Электрические и диффузионные силы, которые влияют на движение K⁺ через мембрану, совместно образуют/формируют его электрохимический градиент (градиент потенциальной энергии, который определяет, в каком направлении K⁺ будет спонтанно распространяться/протекать).

В конце концов, разность электрического потенциала (потенциала покоя) на клеточной мембране накапливается до такого высокого уровня, что электрическая сила, движущая K⁺ обратно в клетку, становится равна химической силе, движущей K⁺ из клетки. Когда разность потенциалов на клеточной мембране достигает этой точки, чистое движение[7] K⁺ отсутствует в обоих направлениях, и считается, что система находится в равновесии. Каждый раз, когда один K⁺ покидает клетку, другой K⁺ войдёт в неё.