Membrānas miera potenciāls — definīcija, cēloņi un nozīme šūnās

Uzzini membrānas miera potenciāla definīciju, cēloņus un nozīmi šūnās — kā joni un membrānas transporta proteīni regulē šūnas elektrisko lādiņu.

Šūnas miera potenciāls ir membrānas potenciāls, kas tiktu uzturēts, ja nebūtu darbības potenciālu, sinaptisko potenciālu vai citu aktīvu membrānas potenciāla izmaiņu. Lielākajā daļā šūnu miera potenciāla vērtība ir negatīva, kas pēc konvencijas nozīmē, ka šūnās ir negatīva lādiņa pārpalikums salīdzinājumā ar to, kas ir ārpusē. Atpūtas potenciālu galvenokārt nosaka jonu koncentrācija šķidrumos abās šūnas membrānas pusēs un jonu transporta olbaltumvielas, kas atrodas šūnas membrānā. Kā jonu koncentrācija un membrānas transporta olbaltumvielas ietekmē miera potenciāla vērtību, ir izklāstīts turpmāk.

Definīcija un pamatprincips

Miera potenciāls ir elektriskais potenciālu starpība (parasti milivoltos, mV) starp šūnas iekšējo vidi un ārējo šķidrumu, kad šūna nav elektriski aktīva. To nosaka joniskās gradients un membrānas selektīvā caurlaidība konkrētiem joniem. Ja membrāna būtu pilnīgi necaurlaidīga visiem joniem, potenciāls saglabātos; tomēr reālās membrānas ir selektīvi caurlaidīgas, un šī caurlaidība ļauj dažiem joniem pārvietoties, radot statisku potenciālu.

Kādi joni ietekmē miera potenciālu

• Kālija (K+) — parasti ir galvenais faktors. Iekš šūnā K+ koncentrācija ir daudz augstāka nekā ārpusē, un membrāna parasti ir viscaurlaidīgāka K+ plūsmai. Tāpēc K+ līdzsvara potenciāls stipri nosaka miera potenciālu.
• Natrijs (Na+) — ārpusšūnas Na+ koncentrācija ir augsta. Lai gan membrāna miera stāvoklī ir mazāk caurlaidīga Na+ jonam nekā K+, nelielas Na+ plūsmas joprojām ietekmē potenciālu.
• Hlorīds (Cl−) — var līdzsvarot īpašas situācijas, jo tā iekšējā koncentrācija un membrānas caurlaidība ietekmē iekšējā lādiņa stabilitāti.
• Citi joni (piem., Ca2+, H+) parasti ir daudz zemākā koncentrācijā iekššūnā, bet var būt nozīmīgi specifiskās šūnās vai signālu pārraides situācijās.

Jonu transporta olbaltumvielu loma

• Leak (caurplūdes) kanāli — īpaši K+ „caurplūdes” kanāli, kas darbojas miera stāvoklī, ļauj joniem brīvi difundēt pa elektroķīmisko gradientu. Tie ir viens no galvenajiem miera potenciāla avotiem.
• Na+/K+ ATPāze (nātrija kālija sūknis) — aktīvi pārvieto 3 Na+ ārā un 2 K+ iekšā par katru ATP molekulu, uzturot joniskos gradientus. Šis pumps ir elektrogēns (veido nelielu negatīvu lādiņu iekšpusē) un ir svarīgs gradientu uzturēšanai ilgtermiņā.
• Transportieri un kanālu regulācija — hormonāla vai lokāla regulācija maina kanālu atvērtības un transporta ātrumu, tādā veidā mainot miera potenciālu.

Matemātiskais apraksts

Viena jonu līdzsvara potenciāla aprakstam izmanto Nernsta vienādojumu. Vienkāršoti, tas saka, ka līdzsvara potenciāls ir proporcionāls temperatūrai un logaritmam no ārējās un iekšējās jonu koncentrācijas attiecības. Praksē miera potenciālu apraksta ar Goldman-Hodgkin-Katz formulām, kas ņem vērā vairākus jonu veidus un to membrānas caurlaidību (permeabilitāti). Šīs formulas parāda, ka gan jonu koncentrācijas, gan relatīva membrānas caurlaidība nosaka gala vērtību.

Tipiskas vērtības un piemēri

• Neironi: apmēram -60 līdz -80 mV (bieži ap -70 mV).
• Izskeletu muskuļa šķiedras: apmēram -80 līdz -90 mV.
• Kardiomiocīti (sirds muskulatūra): apmēram -80 līdz -90 mV.

Nozīme šūnās un klīniskā nozīme

• Ekscitabilitāte: miera potenciāls nosaka, cik viegli šūna var depolarizēties līdz slieksnim un izraisīt darbības potenciālu. Mazāka negatīvā vērtība (depolarizācija) padara šūnu vieglāk uzbudināmu.
• Signālu pārvade: nervu un muskuļu funkcija ir tieši saistīta ar miera potenciālu un tā ātrām izmaiņām.
• Metaboliska un osmoregulācija: jonu gradienti tiek izmantoti transporta procesiem (piem., sekundārajai aktīvai transportēšanai) un šūnu tilpuma regulēšanai.
• Klīniskā nozīme: izmaiņas ārējā K+ līmenī (hiperkaliēmija, hipokaliēmija) var radīt nopietnas elektrofizioloģiskas problēmas, piemēram, sirds ritma traucējumus vai muskuļu vājumu. Tāpat novājināta Na+/K+ pumpes darbība (piem., enerģijas trūkuma gadījumā) noved pie miera potenciāla depolarizācijas un šūnu disfunkcijas.

Kā miera potenciālu mēra un kā tas mainās

• Mērīšana: tradicionāli ar mikroelektrodiem (intra- un ekstracelulāri) vai ar patch-clamp tehniku. Elektrofizioloģiskās metodes ļauj tieši noteikt membrānas potenciālu un joniskās plūsmas.
• Pārmaiņas: nelielas izmaiņas jonu koncentrācijās vai kanālu caurlaidībā var būtiski mainīt miera potenciālu. Piemēram, paaugstināts ārpusšūnas K+ līmenis samazina jonu gradientu un rada membrānas depolarizāciju; palielināta K+ caurlaidība (atvēršanās kanāliem) parasti hiperpotalizē šūnu (padara iekšpusi vēl negatīvāku).

Secinājums

Miera potenciāls ir fundamentāls šūnu elektriskās uzvedības parametrs, ko nosaka joniskie gradienti un membrānas selektīvā caurlaidība. Tas ietekmē šūnu ekscitabilitāti, transporta procesus un daudzus fizioloģiskus procesus organismā. Saprašana par to, kā joni un membrānas proteīni mijiedarbojas, ir būtiska gan pamatbioloģijā, gan klīniskajā praksē.

Meklēt pēc burta