Потенциал реверса

В биологической мембране потенциал реверсии — это мембранный потенциал , при котором направление ионного тока меняется на противоположное. При потенциале реверсии нет чистого потока ионов с одной стороны мембраны на другую. Для каналов, проницаемых только для одного типа ионов, потенциал реверсии идентичен равновесному потенциалу иона. ^{[1] [2] [3]}

Равновесный потенциал

Равновесный потенциал для иона — это мембранный потенциал , при котором нет чистого движения иона. ^{[1] [2] [3]} Поток любого неорганического иона, такого как Na + или K + , через ионный канал (поскольку мембраны обычно непроницаемы для ионов) управляется электрохимическим градиентом для этого иона. ^{[1] [2] [3] [4]} Этот градиент состоит из двух частей: разницы в концентрации этого иона на мембране и градиента напряжения. ^[4] Когда эти два влияния уравновешивают друг друга, электрохимический градиент для иона равен нулю, и чистого потока иона через канал нет; это также означает отсутствие тока через мембрану, пока задействован только один вид ионов. ^{[1] [2] [3] [4] [5]} Градиент напряжения, при котором достигается это равновесие, является равновесным потенциалом для иона, и его можно рассчитать по уравнению Нернста . ^{[1] [2] [3] [4]}

Математические модели и движущая сила

В качестве примера можно рассмотреть положительно заряженный ион, такой как K + , и отрицательно заряженную мембрану, как это обычно бывает в большинстве организмов. ^{[4] [5]} Напряжение мембраны препятствует потоку ионов калия из клетки, и ионы могут покинуть внутреннюю часть клетки, только если у них достаточно тепловой энергии для преодоления энергетического барьера, создаваемого отрицательным напряжением мембраны. ^[5] Однако этот эффект смещения можно преодолеть с помощью противоположного градиента концентрации, если внутренняя концентрация достаточно высока, что благоприятствует выходу ионов калия из клетки. ^[5]

Важной концепцией, связанной с равновесным потенциалом, является движущая сила . Движущая сила определяется просто как разница между фактическим мембранным потенциалом и равновесным потенциалом иона, где относится к равновесному потенциалу для конкретного иона. ^[5] Соответственно, мембранный ток на единицу площади из-за типа ионного канала определяется следующим уравнением: ${\displaystyle V_{\mathrm {m} }-E_{\mathrm {i} }\ }$ ${\displaystyle E_{\mathrm {i} }\ }$ ${\displaystyle i}$

${\displaystyle i_{\mathrm {i} }=g_{\mathrm {i} }\left(V_{\mathrm {m} }-E_{\mathrm {i} }\right)}$

где — движущая сила, а — удельная проводимость или проводимость на единицу площади. ^[5] Обратите внимание, что ионный ток будет равен нулю, если мембрана непроницаема для данного иона или если напряжение на мембране точно равно равновесному потенциалу этого иона. ^[5] ${\displaystyle V_{\mathrm {m} }-E_{\mathrm {i} }\ }$ ${\displaystyle g_{\mathrm {i} }}$

Использование в исследованиях

Когда V _m находится на уровне потенциала реверсии для такого события, как синаптический потенциал ( V _m − E _rev равно 0), идентичность ионов, которые текут во время EPC, может быть выведена путем сравнения потенциала реверсии EPC с равновесным потенциалом для различных ионов. Например, несколько возбуждающих ионотропных лиганд-управляемых нейротрансмиттерных рецепторов, включая глутаматные рецепторы ( AMPA , NMDA и каинат ), никотиновые ацетилхолиновые (nACh) и серотониновые (5-HT ₃ ) рецепторы, являются неселективными катионными каналами, которые пропускают Na ⁺ и K ⁺ почти в равных пропорциях, что дает потенциал реверсии, близкий к нулю. Ингибирующие ионотропные лиганд-зависимые нейротрансмиттерные рецепторы, переносящие Cl- ^, такие как рецепторы ГАМК _А и глицина , имеют потенциалы реверсии, близкие к потенциалу покоя (приблизительно –70 мВ) в нейронах. ^[2]

Эта линия рассуждений привела к разработке экспериментов (Акиры Такеучи и Норико Такеучи в 1960 году), которые продемонстрировали, что ионные каналы, активируемые ацетилхолином, приблизительно одинаково проницаемы для ионов Na ⁺ и K ⁺ . Эксперимент был проведен путем снижения внешней концентрации Na ⁺ , что снижает (делает более отрицательным) равновесный потенциал Na ⁺ и производит отрицательный сдвиг в потенциале реверсии. И наоборот, увеличение внешней концентрации K ⁺ повышает (делает более положительным) равновесный потенциал K ⁺ и производит положительный сдвиг в потенциале реверсии. ^[2] Было выведено общее выражение для потенциала реверсии синаптических событий, включая снижение проводимости. ^[6]

Смотрите также

• Электрохимический потенциал
• Потенциал клетки
• Уравнение Голдмана

Ссылки

1. Сквайр, Ларри; Берг, Дарвин (2014). Фундаментальная нейронаука (4-е изд.). Academic Press. стр. 93–97. ISBN 978-0-12-385870-2.
2. Первес, Дейл ; и др. (2017). Нейронаука (6-е изд.). Синауэр Ассошиэйтс. стр. 39–106. ISBN 9781605353807.
3. Марк, Беар; Коннорс, Барри (2016). Нейронаука: исследование мозга (4-е расширенное издание). Jones & Barlet Learning. стр. 64-127. ISBN 9781284211283.
4. Альбертс, Брюс (2015). Молекулярная биология клетки (6-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. С. 615–616. ISBN 978-0-8153-4432-2. OCLC  887605755.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
5. Эбботт, Лоуренс Ф. (2001). Теоретическая нейронаука. Вычислительное и математическое моделирование нейронных систем. Питер Даян. Кембридж: MIT Press. С. 158–160. ISBN 978-0-262-31142-7. OCLC  1225555646.
6. Brown JE, Muller KJ, Murray G (14 октября 1971 г.). «Обратный потенциал для электрофизиологического события, вызванного изменениями проводимости: математический анализ». Science . 174 (4006): 318–318. doi :10.1126/science.174.4006.318. PMID  5119107. S2CID  34404730.

Внешние ссылки

• Симулятор уравнений Нернста/Гольдмана
• Калькулятор уравнения Нернста
• Калькулятор уравнения Голдмана-Ходжкина-Каца
• Калькулятор электрохимической движущей силы