Probleme beim Verständnis des Membranpotentials

Ich denke, diese Frage hat mehr mit Kinetik / Transportphänomenen als mit Biologie zu tun, aber das ist in Ordnung, alles ist mit dem Internet verbunden, insbesondere mein Computer. ;-)

Die Grundidee hinter Transportphänomenen ist , dass es immer einen Fluss quantitativer Eigenschaften (z. B. Ladungen, Teilchenzahl, Entropie, Volumen usw.) geben wird, wobei die qualitativen Eigenschaften wie (elektrisches Potential, chemisches Potential, Temperatur, Druck usw.) ...) haben einen Raumgradienten (beachten Sie, dass die Kinetik chemischer Reaktionen ähnlich ohne den Raumgradiententeil beschrieben werden kann).

In diesem Fall sprechen wir über elektrochemische Potentialgradienten und Ionenfluss . Es ist sehr wichtig zu erkennen, dass das elektrochemische Potential nicht dasselbe ist wie das elektrische Potential. Es hat eine chemische Komponente, daher hängt das Ergebnis sowohl von Ladungs- als auch von Konzentrationsgradienten ab. Bei einem System mit einem einzigen Ionenkanal (z. B. nur Na⁺-Kanal) können Sie das Potential jeder Seite der Membran mit der Nernst-Gleichung berechnen , bei einem System mit mehreren Ionenkanälen ist es komplizierter, also müssen Sie in diesem Fall die verwenden Goldman-Gleichung . Am Ende kann man also so etwas sagen wie eine Seite hat ein Potential von x[mV] und die andere Seite hat ein Potential von y[mV]also ist die Differenz: d[mV] = x[mV] - y[mV]

Das Vorzeichen von d hängt von x ab oder y hat einen größeren Wert. Bei Einzelionenkanalsystemen drückt dies eine Richtung x → y aus, sodass bei positivem d die Richtung des Kationenflusses x → y und bei negativem d y → x ist . Beim Anionenstrom ist es umgekehrt.

Bei Zellen nutzen wir die Aus-→-Ein -Richtung, indem wir das Membranpotential zählen. Wir können die Potentiale zählen, indem wir die verwenden

• Nernst-Gleichung: $$E_m = \frac{RT}{zF} \times ln \left(\frac{c_{out}}{c_{in}}\right)$$ oder der

• Goldman-Gleichung:

  $$E_m = \frac{RT}{F} \times ln \left(\frac{p_{K^+}.[K^+]_{out} + p_{Na^+}.[Na^+]_{out} + p_{Cl^-}.[Cl^-]_{in}} {p_{K^+}.[K^+]_{in} + p_{Na^+}.[Na^+]_{in} + p_{Cl^-}.[Cl^-]_{out}}\right)$$ wo
  • $Em$ist das Membranpotential
  • $z$ist die Ionenladung
  • $[X]$ist die Ionenkonzentration
  • $p_X$ist die relative Membranpermeabilität für das tatsächliche Ion

  usw...

So zum Beispiel von einer durchschnittlichen menschlichen Zelle im Blutplasma, vorausgesetzt, dass die Innenseite der Membran eine kleine negative Ladung hat

• das Na⁺ hat eine positive Wirkung (positive Ladung, hohes Out → In Konzentrationsgefälle, Low Out → In Ladungsgefälle),
• das K⁺ wirkt sich negativ aus (positive Ladung, hoher In-→-Out - Konzentrationsgradient, niedriger Out-→-In - Ladungsgradient),
• das Cl¯ wirkt sich negativ aus (negative Ladung, hoher Konzentrationsgradient out → in , niedriger Ladungsgradient in → out )
• das Mg⁺⁺ hat einen kleinen positiven Effekt (positive Ladung, low out → in Konzentrationsgradient, low out → in Ladungsgradient)

auf dem Membranpotential. Es ist in diesem Fall schwierig, ein Ion zu finden, dessen Fluss von einem Ladungsgradienten anstelle eines Konzentrationsgradienten dominiert wird ...

Ich verstehe, dass das Membranpotential der Unterschied der extrazellulären und intrazellulären Ionenladungen aufgrund ihrer Konzentrationen ist.

Der (Vorzeichen- und) Wert des Membranpotentials wird nicht durch den Ladungsgradienten bestimmt, da die Konzentrationsgradienten normalerweise einen viel größeren Einfluss darauf haben. Die Zellen halten diese Konzentrationsgradienten aufrecht, indem sie Energie verbrauchen.

Wir arbeiten mit einer normalen Zelle mit Kalium 120 mM innen und 4,5 mM außen.

Angenommen, wir erhöhen die intrazelluläre Konzentration von Kalium um 10 mM, ein +1 Valenzion, das zum POSITIVEN Membranpotential beiträgt.

In Ihrem Fall wirkt sich K⁺ aufgrund des hohen Konzentrationsgradienten mit umgekehrter Richtung negativ auf das Membranpotential aus. Eine Verringerung des Konzentrationsgradienten erhöht also das Membranpotential.

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie Membranpotentiale gezählt werden, sollten Sie diesen und den nächsten Abschnitt anstelle von Wikipedia lesen ...

Ich denke , die Antwort von inf3rno ist sehr vollständig, daher werde ich nur einige Anmerkungen hinzufügen, die OP helfen könnten, zu verstehen, was passiert.

Angenommen, wir erhöhen die intrazelluläre Konzentration von Kalium um 10 mM, ein +1 Valenzion, das zum POSITIVEN Membranpotential beiträgt.

Nehmen wir an, wir tun dies in einem In-vitro -Zellmodell unter Verwendung einer Spritze mit nur K⁺-Ionen . Was würde passieren?

Ich stelle mir vor, dass die Zelle jetzt positiver in Bezug auf die extrazelluläre Matrix ist, wenn wir mehr positive Ionen in die Zelle bringen.

Und das stimmt zumindest sofort. Aufgrund der Unterschiede in den Konzentrationsgradienten würde das K&spplus; jedoch schnell abfließen, bis das elektrochemische Gleichgewicht wiederhergestellt ist. Dies würde zu einem Anstieg der K⁺-Konzentration außerhalb unseres Zellmodells führen, sodass letztendlich die Nettoladung innerhalb der Zelle abnehmen würde.

Sie können sich die Nernst-Gleichung also als mathematisches Modell für die Zelle im Gleichgewicht vorstellen.