Ląstelės ramybės potencialas: membranos potencialo apibrėžimas ir mechanizmai
Sužinokite, kas lemia ląstelės ramybės potencialą: membranos potencialo apibrėžimas, jonų koncentracija ir transportinių baltymų mechanizmai aiškiai ir suprantamai.
Ląstelės ramybės potencialas – tai membranos elektrinis potencialas, kuris būtų palaikomas, jei nebūtų jokių veikimo potencialų, sinapsinių potencialų ar kitų aktyvių membranos potencialo pokyčių. Daugumoje ląstelių ramybės potencialas yra neigiamas, tai reiškia, kad ląstelės viduje yra santykinis neigiamo krūvio perteklius, palyginti su jos išore. Ramybės potencialą daugiausia lemia jonų koncentracijos skirtumai skysčiuose abiejose ląstelės membranos pusėse ir membranoje esantys jonų pernešimo baltymai. Žemiau paaiškinta plačiau, kaip jonų koncentracijos, membranos pralaidumas ir transportiniai mechanizmai nustato ramybės potencialo dydį ir reikšmę.
Kas lemia ramybės potencialą?
Ramybės potencialas atsiranda dėl dviejų pagrindinių priežasčių:
- Skirtingos jonų koncentracijos ląstelės viduje ir išorėje (elektrocheminiai gradientai).
- Membranos pralaidumas atskiroms jonų rūšims – t. y. kiek ir kurių jonų kanalų yra atviri ramybės būsenoje.
Jei membrana būtų pralaidi tik vienam jonui, ramybės potencialas artėtų prie to jono pusiausvyros potencialo (Nernst'o potencialo). Realiose ląstelėse membrana yra pralaidi keliems jonams vienu metu, todėl membranos potencialas nustatomas pagal jų santykinį pralaidumą ir koncentracijas (Goldman–Hodgkin–Katz lygtis).
Pagrindiniai jonai ir jų vaidmuo
- Kaliui (K+): dažniausiai turi didžiausią įtaką ramybės potencialui, nes membrana ramybės būsenoje yra gana pralaidi K+ (kalių „nutekėjimo“ kanalai). Dėl didelio K+ koncentracijos viduje ir mažesnės išorėje K+ pasislinkimas į išorę sukuria neigiamą vidinį potencialą.
- Natrio (Na+): nors Na+ koncentracija yra didesnė ląstelės išorėje, membranos pralaidumas Na+ ramybės metu yra mažesnis nei K+. Nepaisant to, mažas, bet pastovus Na+ „pratekėjimas“ į ląstelę prisideda prie membranos potencialo šiek tiek mažinimo (depolarizacijos).
- Chlorui (Cl−): jo pusiausvyros potencialas dažnai yra artimas ramybės potencialui, priklausomai nuo Cl− transporto baltymų. Kai Cl− yra pasyviai paskirstytas, jis padeda stabilizuoti membranos potencialą.
- Kalcio (Ca2+): viduje jo koncentracija yra labai maža lyginant su išore; nors Ca2+ neturi tiesioginai didelės įtakos ramybės potencialui dėl mažo pralaidumo ramybės metu, jis svarbus signalams, kurie gali keisti kanalų būseną ir taip antriniu būdu paveikti potencialą.
Transportiniai mechanizmai
Be pasyvių kanalų, aktyvūs transporto mechanizmai palaiko jonų gradientus:
- Na+/K+ ATPazė („siurblys“) išstumia 3 Na+ jonus iš ląstelės ir įstumia 2 K+ jonius į ląstelę, tam sunaudodama ATP. Tai palaiko didelius Na+ ir K+ koncentracijų skirtumus ir turi nedidelį elektrosdarinį poveikį (elektrogeniškumas), prisidedantį prie vidinio potencialo neigiamos vertės.
- Specifiniai jonų siurbliai ir mainų mechanizmai (pvz., Na+/Ca2+ mainykla) išlaiko Ca2+ koncentraciją labai žemą ląstelės viduje.
- Jonų kanalai, įskaitant „nutekėjimo“ kanalus (leak channels) ir tam tikrus inwards rectifier K+ kanalus, nustato membranos pralaidumą ramybės būsenoje.
Matavimas ir tipinės ramybės potencialo vertės
- Ramybės potencialas matuojamas mikroelektrodais ar įrašų prietaisais, kurie fiksuoja elektrinį skirtumą tarp ląstelės vidaus ir išorės.
- Tipinės vertės:
- Neuronai: apie −60 iki −75 mV (dažnai ~−70 mV).
- Širdies miocitai: apie −80 iki −95 mV.
- Griaučių raumenys: apie −85 mV.
- Kitos ląstelės gali turėti žymiai mažesnius ar didesnius potencialus, priklausomai nuo jų jonų kanalų įvairovės ir funkcijos.
Kaip išorinės sąlygos keičia ramybės potencialą
- Išorinės K+ koncentracijos pokyčiai: padidėjusi išorinė K+ (hiperkalemija) sumažina koncentracijos skirtumą ir sukelia membranos depolarizaciją (potencialas tampa mažiau neigiamas); sumažėjusi išorinė K+ (hipokalemija) sukelia hiperpoliarizaciją (potencialas tampa dar neigiamas).
- Temperatūra: Nernst'o formulei temperatūra turi įtakos, todėl labai dideli temperatūros pokyčiai gali šiek tiek pakeisti pusiausvyros potencialus.
- Cheminės ir farmakologinės medžiagos: kai kurie toksinai ar vaistai užblokuoja kanalus arba slopina Na+/K+ ATPazę ir taip pakeičia ramybės potencialą.
- Ischemija ar energijos trūkumas: sutrikdyta ATP gamyba mažina Na+/K+ siurblio aktyvumą, todėl jonų gradientai nyksta ir ląstelės membranos potencialas depolarizuojasi.
Klinikinė reikšmė ir patologijos
Ramybės potencialo pokyčiai turi tiesioginę įtaką ląstelės sujaudinimui ir darbui. Kai membranos potencialas priartėja prie veikimo potencialo slenksčio, ląstelė tampa labiau jautri dirgikliams. Tokie pokyčiai gali sukelti:
- Širdies aritmijas (kai jonų disbalansas paveikia širdies miocitų elektrinį stabilumą).
- Raumenų silpnumą ar spazmus (pvz., hiperkalemijos atveju).
- Neurologines problemas, susijusias su kanalų disfunkcija (kanalopatijos), pvz., tam tikri įgimti epilepsijos tipai ar periodiniai paralyžiai.
Santrauka
Ramybės potencialas yra pamatinis biologinis reiškinys, kilęs iš jonų koncentracijų skirtumų ir membranos pralaidumo įvairovės. K+ pralaidumas ir Na+/K+ ATPazė yra du pagrindiniai mechanizmai, palaikantys daugumos ląstelių neigiamą ramybės potencialą. Šio potencialo stabilumas yra būtinas normaliam ląstelių dirglumui, signalų perdavimui ir organizmo funkcijoms; jo sutrikimai turi reikšmingų fiziologinių ir klinikinių pasekmių.
Ieškoti