Равновесный потенциал

Разность электрического потенциала на мембране клетки, которая точно уравновешивает градиент концентрации для иона, называется — равновесный потенциал. Поскольку система находится в равновесии, мембранный потенциал будет иметь тенденцию оставаться на равновесном потенциале. Для клетки, в которой есть только один проникающий вид иона (только один тип иона, который может проникать сквозь мембрану), мембранный потенциал покоя будет равен равновесному потенциалу для этого иона.

Чем более резкий градиент концентрации, тем больше должен быть электрический потенциал, который уравновешивает его. Вы можете интуитивно прочувствовать это, представив ионные концентрации по обе стороны мембраны, в виде холмов разного размера и думая о равновесном потенциале, как о силе, которую вам нужно приложить, чтобы не дать валуну скатываться по склону между ними (смотри рисунок ниже).

Если вам известна K⁺ концентрация на обеих сторонах клеточной мембраны, то вы сможете предсказать размер равновесного потенциала калия.

Равен ли МПП и K⁺ равновесному потенциалу?

В глиальных клетках, которые являются опорными клетками нервной системы, мембранный потенциал покоя равен K⁺ равновесному потенциалу.

В нейронах, однако, МПП близок, но не идентичен K⁺ равновесному потенциалу. Вместо этого, в физиологических условиях (в условиях по типу тех, что в теле), МПП нейронов несколько менее отрицателен, чем K⁺ равновесный потенциал.

Что это значит? В нейроне, другие типы ионов, помимо калия, должны вносить существенный вклад в МПП.

Какой эксперимент вы могли бы провести, чтобы понять это?

Предположим, что вы провели эксперимент, в котором вы измеряете МПП глиальных клеток при систематическом изменении K⁺ концентрации внеклеточной среды. Если бы вы провели его и изобразили результаты на диаграмме, вы бы обнаружили, что МПП глиальных клеток был неизменно равен равновесному потенциалу калия. Это свидетельствует о том, что в глиальных клетках МПП определяется исключительно покоящейся проницаемостью для K⁺.

Если вы повторите эксперимент с нейроном, вы бы обнаружили, что измеренный МПП был близок равновесному потенциалу калия, но немного отклонился от него (особенно, когда концентрация K⁺ снаружи клетки была низкой). МПП в физиологических условиях менее отрицателен, чем калиевый равновесный потенциал. Это говорит нам о том, что для нейронов проницаемость K⁺ и градиент концентрации K⁺ не являются единственными факторами, определяющими МПП.

Оба K⁺и Na⁺ способствуют потенциалу покоя в нейронах

Как оказалось, большинство покоящихся нейронов проницаемы для Na⁺ и Cl^-, также как и для K⁺. Проницаемость для Na⁺, в частности, является основной причиной того, почему МПП отличается от калиевого равновесного потенциала.

Давайте вернемся к нашей модели клетки, проницаемой для одного типа ионов, и представим, что Na⁺ (а не K⁺) является единственным ионом, который может пересекать мембрану. Na⁺ обычно присутствует в гораздо большей концентрации снаружи клетки, чем внутри, поэтому он будет двигаться по своему градиенту концентрации в клетку, делая внутреннюю часть клетки положительной относительно внешней.

Из-за этого, натриевый равновесный потенциал – разность электрических потенциалов на мембране клетки, которая точно уравновешивает Na⁺ градиент концентрации – будет положительной. Таким образом, в системе, где Na⁺ является единственным проницающим ионом, мембранный потенциал будет положительным.

В покоящемся нейроне как Na⁺, так и K⁺ проницаемые или способны пересекать мембрану.

· Na⁺ будет пытаться перетянуть мембранный потенциал в его (положительный) равновесный потенциал.

· K⁺ будет пытаться перетянуть мембранный потенциал в его (отрицательный) равновесный потенциал.

Вы можете представлять это как перетягивание каната. Реальный мембранный потенциал будет находиться между Na⁺ равновесным потенциалом и K⁺ равновесным потенциалом. Однако он будет ближе к равновесному потенциалу ионного типа с более высокой проницаемостью (той, которая может с большей лёгкостью пересечь мембрану).

Я хотел бы получить более технически детальное объяснение этой концепции

Мембранный потенциал, это средневзвешенное значение равновесных потенциалов различных проникающих ионов.

Если присутствует только один вид проникающих ионов, мембранный потенциал будет определяться равновесным потенциалом этого иона. Не важно, насколько высока его проницаемость (насколько легко он может пересечь мембрану), потому что нет ничего, что могло бы помешать ему проникнуть.

Если присутствуют многочисленные виды проникающих ионов (и не при равновесном положении), то потенциал покоя будет находиться между равновесными потенциалами для разных проникающих ионов. Чем больше проницаемость для данного ионного вида, тем больше этот вид будет доминировать над окончательным мембранным потенциалом.

Чтобы мембранный потенциал был постоянным, ионный ток Na⁺ должен был равняться ионному току K⁺ (при условии, что Cl^- находится в равновесном положении, что является приемлемым во многих клетках). Ионный ток равен времени проницаемости движущей силы (движущей силой является разница между мембранным потенциалом и ионным равновесным потенциалом), который по существу является законом Ома. Если проницаемость для одного иона намного больше, чем для другого, движущая сила должна быть меньше (т. е. мембранный потенциал должен быть ближе к равновесному потенциалу этого иона), для того чтобы ионные токи были равны.