עקרונות הולכה חשמלית Flashcards
מהו פוטנציאל ממברנה?
מתייחס להפרדה של מטענים נגדיים בין שני צידי הממברנה. להפרש היחסי של מספר הקטיונים והאניונים בסביבה החוץ תאית והתוך תאית.
יש לבצע עבודה על מנת להפריד מטענים לאחר שהם נפגשו. ובהתאמה- כאשר מטענים מנוגדים הופרדו, ניתן לרתום את הכח החשמלי של המשיכה לביצוע עבודה כאשר נותנים למטענים לנוע זה לכיוון זה.
פוטנציאל ממברנה- בגלל שלמטענים המופרדים יש את הפוטנציאל לעשות עבודה.
פוטנציאל נמדד ביחידות של וולט. ובממברנה ביחידות של מיליוולט.
איזו כמות אחראית ליצירת פוטנציאל הממברנה ביחס לכלל המטענים של התא?
כמות כמעט זניחה של מטענים בנוזלי גוף האדם אחראית לפוטנציאל הממברנה.
המטענים המופרדים הללו הם רק חלק קטן מאוד מבחינת היחס של מספר המטענים הכולל ב
ECF וICF
. וסהכ הנוזל החוץ תאי והנוזל התוך תאי מאוזן חשמלית.
הגורמים ליצירת פוטנציאל ממברנה
פוטנציאל ממברנה נוצר כתוצאה מהפרשים בריכוזים ושינויים בחדירות של יוני מפתח. הפיזור הלא שווה של יוני מפתח בין הנוזל החוץ תאי נוזל התוך תאי, והתנועה הסלקטיבית שלהם דרך הממברנה, הם אלו שאחראים לתכונות החשמליות של הממברנה. בגוף, מטענים חשמלים נישאים על ידי יונים- היונים האחראים ליצירת פוטנציאל מנוחה של הממברנה הם אשלגן ונתרן. נוכחות החלבונים האניונים התוך תאיים כתובים כ
A-
, גם הם חשובים. יונים אחרים (סידן, מגנזיום, כלור ועוד) לא תורמים לפוטנציאל ממברנה למרות תפקידם החשוב בגוף האדם.
Excitable tissue
תאים שיש להם את היכולת להפיק שינוי מהיר וזמני בפוטנציאל הממברנה שלהם כאשר הם מעוררים.
בעיקר תאי עצב ושריר
electronal signal
•התנועה הקצרה הזו בפוטצניאל משמשת כאות חשמלי
פונציאל מנוחה
הפוטנציאל ממברנה היציב שמוצג בתאים לא אקסיטבלים או בתאים אקסיטבילים שלא מפיקים אות חשמלי.
ריכוזים וחדירות היונים
- נתרן נמצא בריכוז גבוה יותר בנוזל החוץ תאי.
- אשלגן נמצא בריכוז גבוה יותר בנוזל התוך תאי.
- ריכוז החלבונים עם המטען השלילי גבוה יותר בנוזל התוך תאי.
בנוסף למשאבת הנתרן אשלגן האקטיבית, יש מנגנוני מעבר פסיבים לאשלגן ונתרן: בדרך כלל החדירות של האשלגן גבוהה יותר מאשר של הנתרן מכיוון של מבברנה יש יותר תעלות דלף שפתוחות לאשלגן מאשר לנתרן.
בפונטציאל מנוחה של תא עצב, הממברנה חדירה בערך פי 25-30 לאשלגן מאשר לנתרן.
סך הכוחות הפועלים על יון
- הפרש הריכוזים- הכח הכימי
- הכח החשמלי
- הכח שנובע מהבדלים של טמפרטורה ולחץ. בגוף האדם אנו יוצאים מנקודת הנחה שמשתנים אלה הם קבועים ולכן ניתן לבטל אותם בחישובים
בפוטנציאל מנוחה, מפל הריכוזים לנתרן יהיה
כלפי פנים
בפוטנציאל מנוחה, מפל הריכוזים לאשלגן יהיה
כלפי חוץ
המפל החשמלי של שני היונים במצב מנוחה יהיה
לכיוון הצד השלילי של הממברנה- כלפי פנים
וזאת כי בפוטנציאל מנוחה, החלק הפנימי של הממברנה יותר שלילי לעומת החלק החיצוני בגלל החלבונים הטעונים שלילית
האפקט של משאבות נתרן אשלגן על פוטנציאל הממברנה
- משאבות נתרן-אשלגן מוציאות שלוש יוני נתרן ומכניסות שני יוני אשלגן.
- בגלל ששני היונים הם קטיונים, ההעברה הלא שווה הזו גורמת להפרדת מטענים- כאשר הסביבה החיצונית נהיית יותר חיובית ביחס לסביבה הפנימית.
- יחד עם זאת- המשאבות מפרידות מספיק מטענים רק כדי לחולל פוטנציאל ממברנה קטן למדי, של 1-3 מיליווולט.
- רוב פוטנציאל הממברנה נוצר כתוצאה מדיפוזיה פסיבית של אשלגן ונתרן במורד מפל הריכוזים שלהם.
- מכאן שתפקידם העיקרי של המשאבות בייצור פוטנציאל ממברנה הוא לא ישיר. דרך התרומה החשובה שלו לשימור מפל הריכוזים שקשור באופן ישיר לתנועת היונים שמחוללים את רוב פוטנציאל הממברנה.
תרומת האשלגן לבדו על פוטנציאל הממברנה- פוטנציאל שיווי המשקל לאשלגן
נניח מצב היפוטטתי:
- ריכוז גבוה של אשלגן בתוך התא לעומת חוץ התא.
- ריכוז גבוה של חלבונים טעונים שלילית בתוך התא לעומת חוץ התא.
- חדירות הממברנה לאשלגן גבוהה, אך לא לחלבונים.
- עדיין אין פוטנציאל ממברנה.
מפל הריכוזים שנוצר לאלשגן הוא כלפי חוץ והאשלגן ינדוד החוצה.
הקטיונים שיוצאים החוצה יוצרים עודף מטען חיובי בחוץ, אך מכיוון שהחלבונים לא יכולים לנדוד החוצה, נוצר עודף מטען שלילי בפנים. נוצר פוטנציאל ממברנה.
בגלל שנוצר גם מפל חשמלי, אשלגן יימשך לכיוון המטען השלילי הפנימי, ויידחה על ידי המטען החיובי החיצוני.
כלומר, שני כוחות מנוגדים פועלים על האשלגן:
מפל הריכוזים יטה למשוך את האשלגן החוצה מהתא.
המפל החשמלי יטה למשוך את היונים לתוך התא.
בהתחלה מפל הריכוזים יהיה חזק מהמפל החשמלי והתנועה נטו תהיה כלפי חוץ, ופוטנציאל הממברנה יגדל.
ככל שיותר אשלגן ינדוד החוצה, המפל החשמלי יתחזק עד אשר הסביבה החיצונית נהיית יותר ויותר חיובית והסביבה הפנימית יותר שלילית.
התנועה החוצה של האשלגן לא משפיעה על גודל מפל הריכוזים. הסיבה היא שאפילו כמות קטנה מאוד (עד זניחה) של אשלגן תביא לידי יצירת שינוי בפוטנציאל הממברנה. וכמות קטנה מאוד של אשלגן תספיק ליצירת מפל חשמלי.
בשלב מסויים שני הכוחות יאזנו זה את זה, ולא תהיה תנועה נטו של אשלגן.
הפוטנציאל שיהיה קיים בשיווי המשקל הדינאמי נקרא- פוטנציאל שיווי המשקל של האשלגן.
תרומת האשלגן לבדו על פוטנציאל הממברנה- פוטנציאל שיווי המשקל לאשלגן
נניח מצב היפוטטתי:
- ריכוז גבוה של אשלגן בתוך התא לעומת חוץ התא.
- ריכוז גבוה של חלבונים טעונים שלילית בתוך התא לעומת חוץ התא.
- חדירות הממברנה לאשלגן גבוהה, אך לא לחלבונים.
- עדיין אין פוטנציאל ממברנה.
מפל הריכוזים שנוצר לאלשגן הוא כלפי חוץ והאשלגן ינדוד החוצה.
הקטיונים שיוצאים החוצה יוצרים עודף מטען חיובי בחוץ, אך מכיוון שהחלבונים לא יכולים לנדוד החוצה, נוצר עודף מטען שלילי בפנים. נוצר פוטנציאל ממברנה.
בגלל שנוצר גם מפל חשמלי, אשלגן יימשך לכיוון המטען השלילי הפנימי, ויידחה על ידי המטען החיובי החיצוני.
כלומר, שני כוחות מנוגדים פועלים על האשלגן:
מפל הריכוזים יטה למשוך את האשלגן החוצה מהתא.
המפל החשמלי יטה למשוך את היונים לתוך התא.
בהתחלה מפל הריכוזים יהיה חזק מהמפל החשמלי והתנועה נטו תהיה כלפי חוץ, ופוטנציאל הממברנה יגדל.
ככל שיותר אשלגן ינדוד החוצה, המפל החשמלי יתחזק עד אשר הסביבה החיצונית נהיית יותר ויותר חיובית והסביבה הפנימית יותר שלילית.
התנועה החוצה של האשלגן לא משפיעה על גודל מפל הריכוזים. הסיבה היא שאפילו כמות קטנה מאוד (עד זניחה) של אשלגן תביא לידי יצירת שינוי בפוטנציאל הממברנה. וכמות קטנה מאוד של אשלגן תספיק ליצירת מפל חשמלי.
בשלב מסויים שני הכוחות יאזנו זה את זה, ולא תהיה תנועה נטו של אשלגן.
הפוטנציאל שיהיה קיים בשיווי המשקל הדינאמי נקרא- פוטנציאל שיווי המשקל של האשלגן.
גודל פוטנציאל שיווי המשקל של האלשגן:
פוטנציאל שיווי המשקל של האשלגן הוא:
הסימן תמיד יציין את הפולאריות של המטען העודף בצד הפנימי של הממברנה.
מכאן שהפוטניצאל של האלשגן מציין שגודל הפוטנציאל הוא 90 מיליוולט, כאשר הסביבה הפנימית יותר שלילית לעומת הסביבה החיצונית.
- הגודל הוא למעשה הכח החשמלי שיהיה דרוש על מנת לעצור את מפל הריכוזים ולכן ככל שמפל הריכוזים גדול יותר, כך פוטנציאל שיווי המשקל יהיה גדול יותר
האפקט של תנועת הנתרן לבדו על פוטנציאל הממברנה- פוטנציאל שיווי המשקל של הנתרן
אותו מצב היפוטטי כמו של האשלגן, רק הפוך
המטען השלילי העיקרי הוא הכלור(בחוץ) כי הוא היון המלווה של הנתרן.
מדוע פוטנציאל שיווי המשקל של הנתרן קטן יותר מזה של האשלגן?
בגלל שמפל הריכוזים של הנתרן קטן יותר מזה של האשלגן
מרחק פוטנציאל הממברנה מפוטנציאל שיווי המשקל של היון
ככל שהמרחק הזה גדול יותר, כך הכוח האלקטרוכימי שמניע אותו חזק
יותר. ככל שהמרחק קטן יותר הכוח המניע חלש יותר
אנו רואים שהפוטנציאל של פוטנציאל שיווי המשקל של הנתרן הוא 65 מיליוולט, והפוטנציאל מנוחה של הממברנה הוא מינוס 70 מיליוולט.
לכן הכח שיניע את הנתרן אל תוך התא הוא גדול מאוד.
המרחק של האשלגן הוא קטן יותר ולכן הכח שיניע את האשלגן אל מחוץ לתא הוא קטן יותר מזה של הנתרן
מרחק פוטנציאל הממברנה מפוטנציאל שיווי המשקל של היון
ככל שהמרחק הזה גדול יותר, כך הכוח האלקטרוכימי שמניע אותו חזק
יותר. ככל שהמרחק קטן יותר הכוח המניע חלש יותר
אנו רואים שהפוטנציאל של פוטנציאל שיווי המשקל של הנתרן הוא 65 מיליוולט, והפוטנציאל מנוחה של הממברנה הוא מינוס 70 מיליוולט.
לכן הכח שיניע את הנתרן אל תוך התא הוא גדול מאוד.
המרחק של האשלגן הוא קטן יותר ולכן הכח שיניע את האשלגן אל מחוץ לתא הוא קטן יותר מזה של הנתרן
מעבר היונים השונים דרך הממברנה מושפע מ
- מוליכות- מספר התעלות הפתוחות ליונים. ככל שיש יותר תעלות החדירות של היון עולה ומכאן שהמוליכות שלו עולה
- מתח- המרחק בין פוטנציאל הממברנה מפוטנציאל שיווי המשקל של היון. ככל שהמרחק גדול יותר כך הכח המניע חזק יותר והזרם חזק יותר
אפקט התנועה הסימולטנית של אשלגן ונתרן
פוטנציאל שיווי המשקל לא קיים בתאי הגוף, אלא רק באופן היפוטטתי או בתנאי מעבדה.
בתאי גוף חיים, צריך לקחת בחשבון את האפקט המשותף של נתרן ואשלגן.
ככל שחדירות הממברנה ליון ספיציפי גבוהה יותר, כך פוטנציאל הממברנה יהיה קרוב יותר לפוטנציאל שיווי המשקל של היון.
בגלל שהממברנה במנוחה יותר חדירה לאשלגן מאשר לנתרן (פי 25-30), כך לאשלגן תהיה השפעה גדולה יותר על פוטנציאל הממברנה מאשר לנתרן.
פוטנציאל הממברנה של האשלגן הוא מינוס 90. הממברנה חדירה במידה מסויימת לנתרן, אז הנתרן נכנס לתוך התא בניסיון מוגבל כדי להגיע לפוטנציאל שיווי המשקל שלו.
הכניסה הזו של הנתרן מנטרלת חלק מהפוטנציאל שהיה נוצר אם האשלגן היה פועל לבדו.
לפי האיור למעלה, יש 9 מינסים ופלוסים מופרדים המייצגים את פוטנציאל שיווי המשקל של האשלגן.
נניח ש2 מטענים של נתרן מבחוץ נכנסים במורד מפל הריכוזים והמפל החשמלי. (נשים לב שהמפל החשמלי עכשיו כלפי פנים, בניגוד למפל החשמלי בפוטנציאל שיווי המשקל של הנתרן. בפוטנציאל שיווי המשקל של הנתרן, פנים התא יותר חיובי כתוצאה מתנועה פנימה של הנתרן במורד מפל הריכוזים שלו. בפוטנציאלמנוחה של תא עצב לעומת זאת, פנים התא יותר שלילי בגלל ההשפעה היותר גדולה של האשלגן על פוטנציאל הממברנה)
התנועה פנימה של שני יוני הנתרן מנטרלים חלק מהפוטנציאל שהושג על ידי האשלגן, כך שכעת יש רק 7 זוגות מופרדים ופוטנציאל הוא מינוס 70 מיליוולט.
מדוע ריכוז האשלגן בתוך התא לא ממשיך לצנוח וריכוז הנתרן בתוך התא לא ממשיך לעלות וזאת למרות שיש תנועה מתמדת שלהם בגלל תעלות הדלף שלהם?
בפוטנציאל מנוחה, גם האשלגן וגם הנתרן לא בשיווי משקל.
פוטנציאל של -70 מיליוולט לא מאזן את פוטנציאל שיווי המשקל של אשלגן, שהוא -90 מיליוולט.
לכן, אשלגן ממשיך לצאת באיטיות בצורה פסיבית דרך תעלות הדלף שלו במורד מפל הריכוזים.
במקרה של נתרן, הכוחות של מפל הריכוזים והמפל החשמלי אפילו לא בכיוונים מנוגדים, שניהם יעדיפו את התנועה פנימה של נתרן.
לכן, נתרן ימשיך לדלוף פנימה במורד המפל האלקטרוכימי שלו, לאט יותר בגלל החדירות הנמוכה שלו.
תעלות הדלף פועלות כל הזמן ובכל זאת ריכוז האשלגן בתוך התא לא ממשיך לצנוח וריכוז הנתרן בתוך התא לא נוסק- הסיבה לכך היא משאבות נתרן-אשלגן שמאזנות את הקצב של תעלות הדלף.
- בפוטנציאל מנוחה, משאבות אלה מעבירות חזרה לתוך התא את אותו מספר של אשלגן שדלף החוצה ובאופן סימולטני מעבירות החוצה יוני נתרן שדלפו פנימה.
- Steady state- אין תנועה נטו של יונים בגלל שתעלות הדלף מאוזנות על ידי משאבות אקטיביות. במצב זה, לעומת שיווי משקל דינאמי- יש השקעה של אנרגיה על מנת לשמור על האיזון. כלומר, פעילות אקטיבית מאזנת פעילות פסיבית. ובשיווי משקל דינאמי פעילות פסיבית מאזנת פעילות פסיבית.
שימוש תאי עצב ושריר בפוטנציאל הממברנה
תאי עצב ושריר פיתחו שימוש ספציפי בפוטנציאל ממברנה.
הם יכולים במהירות ובאופן זמני לשנות את חדירות הממברנה שלהם ליונים המעורבים בתגובה לגירוי, ומבירים לשינוי בפוטנציאל הממברנה שלהם.
התנועה המהירה בפוטנצאיל הממברנה אחראית להפקת אימפולס עצבי בתא עצב, ומעוררים התכווצות בתא שריר.
polarization
בכל מצב שהממברנה עם פוטנציאל שונה מ0 מיליוולט (חיובי או שלילי), הממברנה במצב של פולריזציה.
