1.2: Іонний рух

Last updated
Save as PDF

Page ID: 72350

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Потік іонів в нейрон і з нього є критичним компонентом функції нейрона. Іони рухаються передбачуваними способами, а контроль руху іонів впливає на клітину в спокої і під час надсилання та отримання інформації від інших нейронів.

Фосфоліпідний бішар запобігає руху іонів

Нейрональна мембрана складається з ліпідних молекул, які утворюють два шари. Гідрофільні головки молекул вирівнюються з зовнішньої сторони мембрани, взаємодіючи з внутрішньо- і позаклітинним розчином клітини, тоді як гідрофобні хвости розташовані посередині, утворюючи бар'єр для води і водорозчинних молекул на зразок іонів. Цей бар'єр має вирішальне значення для функції нейронів.

Ілюстрація фосфоліпідного бішару. Деталі в тексті. — Малюнок 2.1. Нейронна мембрана складається з двох шарів молекул фосфоліпідів, які утворюють бар'єр для води і водорозчинної молекули завдяки організації гідрофільних головок і гідрофобних кінців молекул. «Фосфоліпідний бішар» Кейсі Хенлі ліцензується на умовах Ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства Некомерційна (CC-BY-NC) 4.0 Міжнародна.

Іонні канали дозволяють рух іонів

Вбудовані по всій нейрональній мембрані іонні канали. Іонні канали - це білки, які охоплюють ширину клітинної мембрани і дозволяють зарядженим іонам рухатися по мембрані. Іони не можуть проходити через фосфоліпідний бішар без каналу. Канали можуть відкриватися різними способами. Канали, які мимовільно відкриваються і закриваються, називаються протікає або не закриваються каналами. Канали, що відкриваються у відповідь на зміну мембранного потенціалу, називаються напругою. Канали, що відкриваються у відповідь на хімічне зв'язування, називаються ліганд-гофрованими. Інші механізми, такі як розтягнення мембрани або клітинні механізми, також можуть призвести до відкриття каналів. Канали можуть бути специфічними для одного іона або дозволяти потік декількох іонів.

Ілюстрований фосфоліпідний бішар з сімома замкнутими іонними каналами. — Малюнок 2.2. Фосфоліпідний бішар з вбудованими іонними каналами. Пунктирні сині канали представляють натрієві канали; смугасті, зелені канали представляють калієві канали; тверді жовті канали представляють хлоридні канали. «Мембрана з каналами» Кейсі Хенлі ліцензується на умовах Ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства Некомерційна (CC-BY-NC) 4.0 Міжнародна.

Іонні канали контролюють рух іонів через клітинну мембрану, оскільки фосфоліпідний бішар непроникний для заряджених атомів. Коли канали закриті, ніякі іони не можуть переміщатися в клітку або з неї. Однак, коли іонні канали відкриваються, то іони можуть переміщатися по клітинній мембрані.

Анімація 2.1. Коли іонні канали в мембрані закриті, іони не можуть переміщатися всередину нейрона або з нього. Іони можуть перетинати клітинну мембрану лише тоді, коли відповідний канал відкритий. Наприклад, через відкриті натрієві канали може проходити тільки натрій. Пунктирні сині канали представляють натрієві канали; смугасті, зелені канали представляють калієві канали; тверді жовті канали представляють хлоридні канали. «Рух іонів» Кейсі Хенлі ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons Зазначення Авторства Некомерційна (CC-BY-NC) 4.0 Міжнародна. Перегляд статичного зображення анімації.

Градієнти привід руху іонів

Іони рухаються передбачуваними способами. Концентрація та електричні градієнти приводять до руху іонів. Іони будуть дифундувати від областей високої концентрації до областей низької концентрації. Дифузія - це пасивний процес, тобто він не вимагає енергії. Поки існує шлях (наприклад, через відкриті іонні канали), іони будуть рухатися вниз по градієнту концентрації.

Окрім градієнтів концентрації, електричні градієнти також можуть керувати рухом іонів. Іони притягуються до областей протилежного заряду і будуть рухатися до областей протилежного заряду. Позитивні іони будуть рухатися в бік областей негативного заряду, і навпаки.

Для обговорення руху іонів у цьому тексті комбінація цих двох градієнтів буде називатися електрохімічним градієнтом. Іноді концентрація та електричні градієнти, що приводять рух іонів, можуть бути в одному напрямку; іноді напрямок протилежний. Електрохімічний градієнт являє собою підсумовування двох окремих градієнтів і забезпечує єдиний напрямок руху іонів.

Анімація 2.2. Концентрація та електричні градієнти приводять до руху іонів. Іони дифузують вниз градієнти концентрації від областей високої концентрації до областей низької концентрації. Іони також рухаються в бік областей протилежного електричного заряду. «Градієнти» Кейсі Хенлі ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства Некомерційна (CC-BY-NC) 4.0 Міжнародна. Перегляд статичного зображення анімації.

Коли градієнти балансу, відбувається рівновага

Коли концентрація та електричні градієнти для даного іонного балансу, тобто вони рівні за силою, але в різних напрямках, цей іон буде в рівновазі. Іони все ще рухаються через мембрану через відкриті канали, коли вони знаходяться в рівновазі, але немає чистого руху в будь-якому напрямку, що означає, що в клітину рухається однакова кількість іонів, коли вони рухаються з клітини.

Анімація 2.3. Коли іон знаходиться в рівновазі, що виникає при концентрації та електричних градієнтах, що діють на іонний баланс, немає чистого руху іона. Іони продовжують рухатися по мембрані по відкритих каналах, але іонний потік всередину і з клітини дорівнює. У цій анімації мембрана починається і закінчується сімома позитивними іонами з кожного боку, навіть якщо іони рухаються по відкритих каналах. «Іонна рівновага» Кейсі Хенлі ліцензується на умовах Ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства Некомерційна (CC-BY-NC) 4.0 Міжнародна. Перегляд статичного зображення анімації.

Ключові виноси

Фосфоліпідний бішар запобігає руху іонів всередину або з клітини
Іонні канали дозволяють руху іонів по мембрані
Електрохімічні градієнти керують напрямком іонного потоку
При рівновазі немає руху чистих іонів (але іони все ще рухаються)

Перевірте себе!

Інтерактивний елемент H5P був виключений з цієї версії тексту. Ви можете переглянути його онлайн тут:
https://openbooks.lib.msu.edu/neuroscience/?p=52#h5p-10

Додатковий відгук

Поясніть, як хімічні та електричні градієнти впливають на іонний потік.
Поясніть рух іонів при рівновазі.

Відповіді

Відео-версія уроку

Мініатюра вбудованого елемента «Глава 2 - Іонний рух»

Елемент YouTube був виключений з цієї версії тексту. Ви можете переглянути його онлайн тут: https://openbooks.lib.msu.edu/neuroscience/?p=52