פוטנציאל ממברנה

Question 1

פוטנציאל ממברנה-

Answer 1

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.

Question 2

נקודות חשובות:

Answer 2

• הנוזל החוץ תאי והנוזל התוך תאי סך הכל הם נייטרלים מבחינה חשמלית.
• ההצטברות של המטענים שגורמים לפוטנציאל הם חלק קטן מאוד מסך כל הנוזל ומכאן שרק חלק קטן מאוד תורם לפוטנציאל הממברנה מסך כל המטענים
• הממברנה עצמה לא טעונה. המושג מתייחס להפרש המטענים באיזור המימי שצמוד לממברנה משני צידיה.
• \גודל הפוטנציאל תלוי במספר המטענים הנגדיים שמופרדים

Question 3

הגורמים ליצירת פוטנציאל הממברנה

Answer 3

• הפרשי ריכוזים
• שינויים בחדירות הממברנה ליוני מפתח

הפיזור הלא שווה של יוני מפתח בין הנוזל החוץ תאיל נוזל התוך תאי, והתנועה הסלקטיבית שלהם דרך הממברנה, הם אלו שאחראים לתכונות החשמליות של הממברנה.

Question 4

Excitable tissue-

Answer 4

תאים שיש להם את היכולת להפיק שינוי מהיר וזמני בפוטנציאל הממברנה שלהם כאשר הם מעוררים.

בעיקר תאי עצב ושריר.

Question 5

electoral signal

Answer 5

התנועה הקצרה הזו בפוטצניאל משמשת כאות חשמלי

הכוונה לשינוי הזמני בפוטנציאל הממברנה

Question 6

פונציאל מנוחה-

Answer 6

פוטנציאל הממברנה היציב שמוצג בתאים לא אקסיטבלים או בתאים אקסיטבילים שלא מפיקים אות חשמלי.

Question 7

היונים האחראים לפוטנציאל הממברנה

Answer 7

• 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.

Question 8

פיזור היונים מעבר לממברנה

Answer 8

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.

Question 9

חדירויות היונים-

Answer 9

• חדירות היונים היא בהתאם לדרך שבה הם יכולים לעבור.

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.

Question 10

תנועת היונים במצב של פוטנציאל מנוחה

Answer 10

• מפל הריכוזים לאשלגן יהיה כלפי חוץ
• מפל הריכוזים לנתרן יהיה כלפי פנים
• בגלל שאשלגן ונתרן הם קטיונים, המפל החשמלי לשני היונים יהיה לכיוון הצד השלילי של הממברנה.

Question 11

סך כל הכוחות הפועלים על היון- האנרגיה הפוטנציאלית

Answer 11

כוח כימי – ריכוז החומר (במולר) בתמיסה. ההבדל בין התמיסות השונות מבחינת ריכוז החומר ייצור את מפל הריכוזים. בין פנים לחוץ התא יש הבדל תמיסות, לכן יהיה מפל ריכוזים.

הכוח החשמלי – המטען החשמלי של היון ביחס למתח החשמלי של הממברנה.

הכוח שנובע מהבדלים של טמפרטורה ולחץ – בגוף האדם יוצאים מנקודת הנחה שהטמפ׳ והלחץ נשארים יחסית קבועים, ולכן אנחנו יכולים לבטל את שני הגורמים האלו.

Question 12

האפקט של משאבות נתרן-אשלגן על פוטנציאל הממברנה

Answer 12

כאמור, 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.

Question 13

השפעת האשלגן לבדו על פוטנציאל הממברנה

Answer 13

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.

Question 14

פוטנציאל שיווי השמקל של האשלגן

Answer 14

מינוס 90 מיליוולט

Question 15

האפקט של הנתרן על פוטנציאל שיווי המשקל

Answer 15

מבחינת המנגנון- אותו מנגנון כמו האשלגן רק לכיוון ההפוך. (המטען השלילי העיקרי החיצוני הוא הכלור- בגלל הנתרן הכלורי שמתפרק ליונים במים)

פוטנציאל שיווי המשקל של הנתרן קטן יותר בגלל שמפל הריכוזים קטן יותר בגלל שחדירות הנתרן נמוכה יותר

גודלו פלוס 61 מיליוולט

Question 16

האפקט של התנועה הסימולטנית של נתרן ואשלגן

Answer 16

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.

Question 17

פוטנציאל המנוהח של הממברנה

Answer 17

-70

מיליוולט

Question 18

פוטנציאל שיווי המשקל של יון

Answer 18

פוטנציאל שיווי המשקל מודד את פוטנציאל הממברנה (כלומר, גודל המפל החשמלי) שיאזן בדיוק את מפל הריכוזים של יון מסויים.

Question 19

מה צריך לקחת בחשבון בפוטנציאל הממברנה?

Answer 19

את מפל הריכוזים של היונים החדירים ואת החדירות שלהם.

ככל שחדירות הממברנה ליון ספיציפי גבוהה יותר, כך פוטנציאל הממברנה יהיה קרוב יותר לפוטנציאל שיווי המשקל של היון.

Question 20

איזון על ידי תעלות דלף ומשאבות אקטיביות בפוטנציאל מנוחה של ממברנה:

Answer 20

• 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.

Question 21

משוואת נרנסט

Answer 21

• המשוואה מתייחסת ליון מסוג אחד בלבד, ובאמצעותה מחשבים את פוטנציאל הממברנה (V).
• בשיווי משקל אין זרם נטו של יונים דרך הממברנה, מכיוון שמפל הריכוזים מאוזן ע״י הכוח החשמלי (המעברים בין צידי הממברנה מאפסים אחד את השני).
• V = בעזרת המשוואה נמצא את מתח הממברנה בו יישמר מפל הריכוזים עבור יון ספציפי. תמיד הכוונה היא למתח בתוך התא ביחס למתח מחוץ לתא.
• 60 = הוא מקדם קבוע במשוואה המתחשב בכל מיני קבועים פיזיקליים הקיימים (קבוע הגזים וטמפ׳ קלווין ונתונים נוספים).
• Z = מטען היון – לדוג’ הערכיות של אשלגן היא +1 הערכיות של כלור היא -1 עפ”י הטבלה המחזורית.
• C1 = ריכוז היון בצד החוץ תאי יוצב במשוואה במונה
• C2 = ריכוז היון התוך תאי יוצב במשוואה במכנה
• הפוטנציאל האלקטרוכימי = הפרש הריכוזים + הפרש המתחים + הפרש הטמפ׳ והלחץ (ששווה ל-0 בגוף לכן לא מתייחסים אליו).

Question 22

אנרגיה פוטנציאלית חשמלית

Answer 22

האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של מטען בנקודה כלשהי היא העבודה שיש להשקיע עליו על מנת להביאו מנקודת ייחוס אל הנקודה

Question 23

המתח

Answer 23

המתח מבטא את ההפרש באנרגיה הפוטנציאלית החשמלית

Question 24

מתח חשמלי וזרם

Answer 24

בעת חיבור מוליך לשתי נקודות שביניהן קיים מתח חשמלי, למשל חיבור תיל מתכתי בין שני מוליכים טעונים בעלי פוטנציאלים שונים, יפעל על המטענים החופשיים כוח חשמלי שיגרום לכך שהם יזרמו בתיל המוליך מהגוף בעל הפוטנציאל הגדול יותר לגוף בעל הפוטנציאל הקטן יותר עד שהפוטנציאלים בשני הגופים ישתוו. כמות המטענים במוליך הוא הזרם החשמלי, ובמקרה הזה הוא רגעי. על מנת ליצור זרם חשמלי לאורך זמן יש צורך בכוח אלקטרו מניע - גורם שישמור על מתח קבוע בין שתי נקודות. הכוח האלקטרו מניע (בקיצור: כא”מ) הוא העבודה החיצונית שיש להשקיע על יחידת מטען על מנת ליצור הפרש פוטנציאלים בין שני הדקים מנותקים. סוללה חשמלית, למשל, מסוגלת ליצור מתח בין שני הדקים על ידי הפרדת מטענים חיוביים משליליים באמצעות תגובה כימית עם אלקטרודות אליהן מחוברים ההדקים. התקן שיוצר כא”מ נקרא מקור מתח. ההדק שבו הפוטנציאל גדול יותר מסומן + וההדק בו הפוטנציאל קטן יותר מסומן -.

Question 25

מרחק פוטנציאל הממברנה מפוטנציאל שיווי המשקל של היון -

Answer 25

ככל שהמרחק בין פוטנציאל ממברנה לבין פוטנציאל שיווי המשקל של היון גדול יותר, כך הכוח האלקטרוכימי שמניע אותו חזק יותר. ככל שהמרחק קטן יותר הכוח חלש יותר.

Question 26

השפעת מפל הריכוזים על מתח הממברנה

Answer 26

בניסוי אחד בדקו את איך פוטנציאל הממברנה משתנה, כאשר באופן ניסויי שינו את ריכוזי האשלגן בנוזל החוץ תאי. (הקו שהשחור)

אם רק האשלגן היה משפיע על פוטנציאל הממברנה, היינו מצפים שגם בניסוי תאורטי חישובי, הערכים היו זהים לניסוי האמפירי.

בפועל, כאשר מחשבים את פוטנציאל שיווי המשקל של האשלגן, מקבלים ערכים שונים. בריכוזים גבוהים כמעט זהה, אך בריכוזים נמוכים יש הבדל משמעותי.

מכאן שנוןכחות יונים אחרים תורמת גם היא לפוטנציאל הממברנה.

את אותו הניסוי בדיוק ביצעו על הנתרן, וראו שפוטנציאל הממברנה במנוחה לא משתנה כמעט כשמשנים את ריכוז הנתרן בסביבה החוץ תאית. מזה ניתן להסיק שהיון הדומיננטי שמשפיע על פוטנציאל המנוחה הוא יון האשלגן.

במנוחה – מוליכות הממברנה לאשלגן גבוהה בהרבה מאשר מוליכות הממברנה לנתרן, ואכן פוטנציאל המנוחה של התא קרוב יותר לפוטנציאל שיווי המשקל של האשלגן.

הפוטנציאל במנוחה חיובי במקצת מפוטנציאל שיווי משקל של האשלגן בזכות חדירות מעטה לנתרן. עבור האשלגן יש תעלות דלף
( (Leak Channels
רבות, הפתוחות במנוחה ומאפשרות לו לנוע בין פנים התא לחוץ התא. לנתרן יש מעט תעלות כאלו, ולכן יון האשלגן הוא הדומיננטי יותר.

Question 27

מערכת דונן

Answer 27

מערכת המהווה דגם , תאורטי שמסביר תנועת יונים בין שתי תמיסות בעלות הרכב שונה, המופרדות ע״י קרום חדיר למחצה (בדיוק כמו התמיסות של גוף האדם, הפנים והחוץ תאיים).

המערכת מטפלת בבעיות פיזור יונים, יצירת פוטנציאל חשמלי על גבי הקרום ויצירת לחץ אוסמוטי, כאשר בצד אחד של הקרום יש חלבון טעון בלתי חדיר(כמו בגוף)כלומר המערכת מדמה את המערכות בגוף.

Question 28

מערכת דונן בשיווי משקל

Answer 28

נותנת את פוטנציאל הממברנה בו התנועה לתוך התא ומחוץ לתא שווה, כלומר אין זרם שמשנה את הריכוזים והמטען החשמלי במערכת. סך הסכומים של הזרמים בשיווי משקל שווה ל-0.

מכפלת היונים החדירים שווה במדורים השונים (בתוך התא ומחוץ לתא).

התמיסות הם אלקטרוניטליות (כמו הגוף) למרות שעל גבי הממברנה יש מטען חשמלי, סבך הכלה תמיסות ניטרליות.

מספר החלקיקים שונה בין המדורים, מה שייצור הבדל בלחצים האוסמוטיים בין המדורים.

Question 29

אפקט גיבס דונן

Answer 29

שיווי משקל במערכת דונן נשמר באופן פאסיבי לחלוטין. במצב זה מים היו נכנסים לתאים והם היו מתנפחים.

בגוף האדם פוטנציאל המנוחה דורש חדירות שונה לאשלגן ולנתרן, בנוסף הפוטנציאל נשמר באופן אקטיבי בזכות פעילות מתמדת של משאבות נתרן/אשלגן.

בגוף האדם תמיד יש לחץ נגדי ששומר על איזון לדוג’ הלחץ ההידרוסטטי שמיוצר על ידי משאבת הלב,

פקט גיבס-דונן
(באנגלית: Gibbs–Donnan effect)
, הידוע גם כאפקט דונן, חוק דונן, שיווי משקל דונן או שיווי משקל גיבס-דונן), הוא שם שניתן להתנהגותם של חלקיקים טעונים חיובית בקרבת ממברנה חדירה חלקית כאשר הם אינם מגיעים לחלוקה שווה משני צדי הממברנה. הגורם השכיח להתנהגות זו הוא נוכחותו של חומר טעון אחר שאינו יכול לעבור דרך הממברנה ובכך יוצר מתח חשמלי לא שווה משני עבריה. כתוצאה מכך, היחס בין היונים השליליים בצד אחד של הממברנה ליונים השליליים בצד השני של הממברנה יהיה שווה ליחס בין היונים החיוביים בצד אחד ליונים החיוביים בצד השני..