Механизъм на потенциала на покой при неврона

В това видео искам да говоря за това как възниква невронният потенциал на покой и как това е свързано с концентрационните разлики на някои от важните йони, участващи във функцията на неврона, понеже разбирането на концепциите, които участват в невронния потенциал на покой ще ни помогне да разберем други невронни мембранни промени в потенциала като прагов потенциал и акционен потенциал. Тук начертах увеличен неврон. Имаме тялото в червено, аксонът е в зелено и един дендрит в синьо. Силно увеличих дендрита и аксона, за да имам място да чертая. Полезно е да обмислим възникването на невронния потенциал в покой във въображаеми стъпки. Но в реалността всички те се случват едновременно. Първо, нека помислим за неврон без потенциал на покой. Не е по-положителен отвън, нито по-отрицателен отвътре на мембраната. Ще приемем, че всички тези ключови йони имат еднакви концентрации вътре и извън неврона. Тоест няма концентрационни градиенти за органичните аниони, калия, натрия, хлора или калция. Сега невронът ще създава органични аниони и ще ги добавя към цитоплазмата. И докато биват създадени органични аниони, повечето от които са протеини със сумарен отрицателен заряд, тези допълнителни отрицателни заряди, които биват добавяни към вътрешността на мембраната, ще създадат малък мембранен потенциал. Сега ще имаме повече отрицателни заряди отвътре на невронната мембрана, поради всички тези допълнителни отрицателни заряди. Но това ще е нещо малко, може би ще е около -5 миливолта. Не знам точно колко ще е това, но ще е някакъв малък мембранен потенциал. Това няма да е достатъчно за функциониране на неврона. Но дори с малък мембранен потенциал ще има електрична сила, която действа върху органичните аниони, понеже те ще бъдат привлечени към по-положително заредената външна част на мембраната. Електричната сила ще опитва да извади органичните аниони от неврона. Но те няма да могат да излязат, понеже, както се оказва, мембраната е силно непропусклива за органични аниони. Същото ще е вярно за дифузионната сила, създадена от по-високата концентрация на органични аниони вътре в неврона в сравнение с външната част на неврона. Въпреки че тези електрохимични задвижващи сили опитват да накарат органичните аниони да излязат, те не могат да преминат през невронната мембрана. "Заклещени са" в капан вътре в неврона. Никакви промени няма да засегнат концентрациите на органичните аниони и никакви допълнителни промени няма да се случат с мембранния потенциал в тази въображаема стъпка. Същото няма да е вярно за другите йони. Понеже невронната мембрана има канали, наречени пропусквателни канали, и тези канали позволяват на тези йони да преминат през мембраната, въпреки че колко лесно тези йони могат да пресекат мембраната през тези канали е много различно за различните йони. Тези канали са отворени през цялото време. Те не биват медиирани от нищо. Те не се отварят и затварят в отговор на някакъв вид стимул. За следващата въображаема стъпка нека помислим какво се случва, когато добавим натриево-калиева помпа към невронната мембрана. Това ще е нашата натриево-калиева помпа. Това ще е активен преносител на йони. Ще използва енергия от молекулата на аденозинтрифосфата. Ще запиша АТР (АТФ) накратко. За да пренесе активно три натриеви йона извън неврона в замяна на два калиеви йона, пренесени вътре в неврона. Като придвижва повече положителни йони извън неврона, отколкото придвижва вътре в неврона, това ще направи мембранния потенциал по-голям. Ще направи вътрешната част на невронната мембрана по-отрицателна. Не съм сигурен колко точно е големината на този заряд, но ще е нещо малко. Да кажем, например, че може да е около -10 миливолта. Сега имаме по-голям мембранен потенциал. Но все още вероятно е твърде малък, че невронът да функционира. Много по-важно от тази промяна на мембранния потенциал е, че ще имаме голяма промяна в концентрацията на натрий и калий вътре в неврона. Като изпомпваме калий вътре в неврона, сега ще получим много по-голяма концентрация на калий във вътрешността на неврона, отколкото имаме извън неврона. Като изпомпваме натрий извън неврона, сега ще имаме много по-малка концентрация на натрий във вътрешността на неврона в сравнение с концентрацията на натрий от външната страна на неврона. Сега може да се чудиш защо се промениха концентрациите на натрия и калия в неврона, но не се промениха извън неврона. Причината за това е, че тази извънклетъчна течност, цялата тази течност извън неврона, е огромно количество. Общият брой йони извън неврона и в извънклетъчната течност е много голям в сравнение с обема на цитоплазмата в неврона и общия брой йони вътре в неврона. Така че всяко движение на йони през мембраната на един неврон ще промени само концентрацията на йони вътре в неврона. Всяка промяна на концентрацията на йони в извънклетъчната течност ще е пренебрежима. Ще е толкова малка, че не си струва да я взимаме предвид. Сега действат две противоположни сили върху калиевите йони. Електричната сила ще опитва да пренесе тези катиони в отрицателната вътрешност на клетката. Но дифузионната сила ще опитва да изкара калия извън клетката, от по-висока концентрация към по-ниска концентрация. При типичната йонна концентрация в неврона, при тази въображаема стъпка, дифузионната сила ще е много по-голяма от електричната сила. Докато има сили, насочени в противоположни посоки и действащи върху калия, сумарната електрохимична задвижваща сила, която е по-голямата сила на дифузия минус по-малката електрична сила, ще доведе до сумарно движение на калиеви йони навън от неврона през пропускливите канали. Докато калиевите йони напускат неврона и носят положителните си заряди извън неврона, това ще направи вътрешната част на невронната мембрана по-отрицателна. Мембранният потенциал ще става по-голям и по-голям с всеки калиев йон, който излиза. И това ще продължи, докато мембранният потенциал не е толкова голям, че електричната сила, която опитва да вкара калиеви йони в неврона, не е със същата големина, но в противоположната посока, като дифузионната сила, която опитва да изкара калиеви йони от неврона. Когато тези сили станат еднакви по големина и сочат в противоположни посоки, няма сумарно движение на калиеви йони навътре или навън от неврона. Някой случаен калиев йон ще излезе или ще влезе в неврона, но това се случва в равно количества. За калия, при типична йонна концентрация в неврона, това може да се случи около -70 миливолта. Което е повече от достатъчен мембранен потенциал за функциониране на неврона. Мембранният потенциал, при който един йон има балансирани електрична и дифузионна сила, така че няма сумарно движение на този йон през мембраната, се нарича равновесен потенциал. Също се нарича обратен потенциал. Не е нужно да излязат твърде много калиеви йони, че да се стигне до равновесния потенциал за калия. Някъде около по-малко от 1% от 1% от всички калиеви йони в неврона трябва да излязат, за да може калият да достигне равновесния си потенциал. Така че ефектът върху вътреклетъчната концентрация на калия е пренебрежима. Но този процес отнема известно време. Понеже по-голямата част от мембраната е непропусклива за калия, така че той може да премине само през пропускливите канали. За натриевите йони и електричната сила, и силата на дифузията силно опитват да вкарат натрий в неврона, понеже той е катион, така че е привлечен към отрицателната вътрешна част на невронната мембрана и концентрацията му е много по-голяма извън неврона, отколкото вътре в неврона. Ако имахме мембрана, която беше пропусклива само за натрий, тези катиони щяха да навлизат в неврона, докато толкова много положителни заряди са навлезли в неврона, че вътрешната му среда вече не е отрицателна. Тя ще стане положителна, в който момент електричната сила ще промени посоката си. Трябва да получим доста положителни йони в неврона, така че електричната сила да стане достатъчно голяма да балансира дифузионната сила, да достигне равновесния потенциал на натрия. Това при типичната йонна концентрация в неврона може да е около +50 миливолта. Но без сигнали, когато невронната мембрана е в покой, пропускливостта на мембраната спрямо натрия е малко по-малка от тази за калия. Всъщност, пропускливостта на невронната мембрана в покой към натрий е нещо като 4% от тази за калия. Доста по-малко. Но понеже натрият може да премине през тези пропускливи канали, вкарвайки положителни заряди вътре в неврона, това малко ще повлияе на мембранния потенциал. Вместо да е при равновесния потенциал на калия от около -70 миливолта, при тази въображаема стъпка може да достигне до около -60 миливолта. И това е доста типичен невронен потенциал на покой. Когато мембраната е пропусклива към множество йони, които имат електрохимични задвижващи сили, получаващият се мембранен потенциал е претеглената средна стойност на равновесните потенциали на тези йони, претеглени по пропускливостта им. В покой невронната мембрана е много по-пропусклива към калиеви йони, отколкото към натриеви йони. Тоест потенциалът на покой е много по-близък до равновесния потенциал на калия, отколкото до този на натрия. Понеже концентрациите и пропускливостта към йони обикновено са стабилни в повечето неврони в покой, потенциалът на покой също обикновено е стабилен. Но сега нито калият, нито натрият са достигнали равновесния си потенциал. Така че ще има малко количество сумарно движение на двата йона през мембраната. Малко калий ще излиза от мембраната. И малко натрий ще навлиза през мембраната. Това ще бъде съчетано с продължаващата дейност на натриево-калиевата помпа, която не само създава тези концентрационни градиенти, но също и ги поддържа с времето. Мембраната в покой обикновено има средна пропускливост към хлорни йони, около 45% от пропускливостта към калиеви йони. За разлика от натрия и калия, чиито концентрационни градиенти играят голяма роля в създаването на мембранния потенциал на покой, за хлора мембранният потенциал на покой играе голяма роля в определянето на концентрационния му градиент. Мембранният потенциал извежда хлора навън от неврона, докато концентрационният му градиент не е достатъчно голям, че да го балансира. Обикновено има много малка концентрация на хлорни йони вътре в неврона в сравнение с отвън. И поради това равновесният потенциал на хлора обикновено е близо до или при типичния потенциал на покой за един неврон от около -60 миливолта. Но повечето неврони имат други активни способи за намаляване на вътреклетъчната концентрация на хлора. Главният е натриево-калиевият симпортер. Той изкарва хлор извън неврона, като използва дифузионната сила, действаща върху калиевите йони. Позволява на калия да излезе от неврона, както той иска, и използва тази енергия, за да избута още хлорни йони навън от неврона, допълнително намалявайки вътреклетъчната концентрация на хлора. Поради това този потенциал на равновесие на хлора за повечето неврони обикновено не е при потенциала на покой от около -60 миливолта. Вместо това е около -70 миливолта, което ще причини поток на хлор навътре, водейки до малка промяна в потенциала на покой до по-отрицателна стойност, въпреки че обикновено промяната е пренебрежима. Повечето неврони също имат активни способи да намалят вътреклетъчната концентрация на калция, така че има малка концентрация на калциеви йони вътре в неврона в сравнение с външната част на неврона. Главният способ е натриево- калциевата обменна помпа, която ще покажа тук, която изкарва калция навън от неврона, като използва енергията на електричната и дифузионната сила, действаща върху натрия. Така че натриево-калциевата обменна помпа позволява на натрия да навлезе в неврона, като го обменя за изпомпване на калций навън от неврона. Това създава силни електрична и дифузионна сили, които опитват да вкарат калций в неврона. Тези сили са толкова големи, че равновесният потенциал на калция няма да бъде достигнат, докато вътрешността на мембраната не е около +120 миливолта, за да преобърне електричната сила, за да балансира силата на дифузията, която опитва да вкара калций вътре в неврона. Но се оказва, че пропускливостта за калций на мембраната в покой всъщност е доста малка. Така че обичайно има малко влияние върху мембранния потенциал на покой. Докато концентрационните градиенти на хлорните и калциевите йони имат малък ефект върху мембранния потенциал на покой на повечето неврони, те играят важна роля в други аспекти на невронната функция, за които ще говорим в следващи видеа.