معلومة

بيولوجيا الخلية - استراحة إمكانات الغشاء

بيولوجيا الخلية - استراحة إمكانات الغشاء



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لماذا نقول أن هناك شحنة سالبة إجمالية على الجانب داخل الخلايا من غشاء البلازما في حالة الراحة ، وشحنة موجبة شاملة على الجانب خارج الخلية عندما يكون كل من البوتاسيوم والصوديوم أيونات موجبة الشحنة ، ويكونان بكميات متساوية نسبيًا على كلا الجانبين ؟ يبدو لي أن كلا الجانبين يجب أن يكونا مشحونين بشكل إيجابي ، ولا يمكنني أن أتفهم ذلك.


إمكانات غشاء الراحة هي الجهد الذي لا يوجد عنده صافي التدفق من الأيونات عبر الغشاء.

يميل كل أيون إلى التدفق إلى أسفل تدرج تركيزه (هذا مجرد مبدأ أساسي للفيزياء / الكيمياء). لذلك ، دون النظر إلى الشحن ، بالنسبة للخلية النموذجية ، يميل البوتاسيوم إلى التدفق ، ويميل الصوديوم إلى التدفق ، وتتصرف الأيونات الأخرى أيضًا وفقًا لتدرجات تركيزها.

الجزء المهم الآخر من المعادلة هو نفاذية نسبية من الغشاء لكل أيون. يأتي هذا بشكل أساسي من وجود القنوات الأيونية. في حالة الراحة ، يكون للخلية النموذجية نفاذية للبوتاسيوم أكثر من الصوديوم.

هذا يعني أنه إذا كانت القوة الدافعة للصوديوم والبوتاسيوم هي نفسها (ليست متطابقة عند 0 مللي فولت ولكنها قريبة إلى حد ما) ، فإن المزيد من البوتاسيوم سيتحرك أكثر من الصوديوم.

إذا كان تعريف جهد الراحة هو الجهد حيث يكون صافي تدفق الشحنة صفرًا ، مع الأخذ في الاعتبار الصوديوم والبوتاسيوم فقط ، فيجب أن تكون الباقي حيث يتدفق الصوديوم في يساوي تدفق البوتاسيوم للخارج. تحدث هذه الحالة عندما يكون الجزء الداخلي من الخلية مشحونًا سالبًا مقارنة بالخارج: جهد الغشاء "يحتفظ" بالبوتاسيوم بالداخل و "يسحب" بعض الصوديوم للداخل ، بحيث تكون تياراتها متساوية ومعاكسة على الرغم من نفاذية البوتاسيوم العالية.

لاحظ أن الفولتية التي نتحدث عنها في الخلايا العصبية ، في حدود 10s من mV ، صغيرة جدًا ، والقوى الكهربائية قوية جدًا. تكاد تكون تركيزات الأيونات الموجبة والسالبة متطابقة تمامًا على جانبي الغشاء: فقط عدد قليل من الأيونات يجب أن يتحرك فعليًا لصنع جهد غشاء كبير (بيولوجيًا). ما هو مهم في الواقع هو النفاذية: هذا ما يجعل إمكانات الفعل والأشكال الأخرى للإشارات العصبية ممكنة.


المعمل 2 - غشاء يستريح الجهد

في هذه التمارين ، سوف تقوم بنمذجة توليد إمكانات الغشاء في الخلايا الحية عن طريق إنشاء خلية اصطناعية & # 147 خلية & # 148 بغشاء شبه منفذ. سوف تسمح لك هذه الخلية النموذجية بالتحكم في تركيز العديد من الأيونات & # 147 داخل & # 148 & # 147 خارج & # 148 الخلية وقياس إمكانات الغشاء الناتجة. يمكن بعد ذلك استخدام نتائج هذه التجارب لتحديد النفاذية النسبية للغشاء للأيونات المختلفة وكذلك سعة الغشاء.


هندسة أنسجة الكلى

الخلايا الجذعية للسائل الذي يحيط بالجنين

AFSCs هي مصدر خلوي آخر محتمل لعلاج الفشل الكلوي. في الآونة الأخيرة ، تم عزل AFSCs البشرية (hAFSCs) من السائل الأمنيوسي وزرعها في المختبر [99]. احتفظت AFSCs المعزولة بإمكانيات عالية للتجديد الذاتي ، وفئران تكاثر عالية تزيد عن 250 عددًا مضاعفًا ، وقدرة تمايز متعددة ، مع عدم الإبلاغ عن تكوين ورم مسخي في الجسم الحي. كان من المهم هنا توضيح قدرة التمايز لـ AFSCs في الأنساب الخاصة بكلية [77].

أظهرت الدراسات قبل السريرية الحديثة باستخدام AFSCs آثارها العلاجية المحتملة في علاج أمراض الكلى [58-61]. هاوزر وآخرون ذكرت أن التسريب الوريدي لـ hAFSCs أظهر انتعاشًا أسرع لوظائف الكلى في نموذج الفشل الكلوي الحاد مقارنةً بالعلاج مع BM-MSCs [58]. في دراسة أخرى ، حقق التكييف المسبق لـ hAFSCs مع العوامل التغذوية العصبية نتائج وظائف الكلى المحسنة مقارنة باستخدام hAFSCs دون شروط مسبقة في نموذج AKI [59]. بالإضافة إلى ذلك ، منع حقن AFSCs التليف الكلوي والحفاظ على وظائف الكلى في نموذج CKD الفأري [60] ونموذج الخنازير لزراعة الكلى [61].


يستريح غشاء المحتملة

إن جهد الغشاء المريح للخلايا العصبية هو الجهد الكهربائي ، أو الجهد ، عبر غشاء البلازما لخلية عصبية غير محفزة [1]. يحدث عندما يساوي التدفق الصافي للأيونات عبر غشاء البلازما صفرًا. في البشر يقال أن هذا هو حوالي -70 مللي فولت [2]. هذا يعني أن الجزء الداخلي للخلية مشحون سلبًا مقارنة بالخارج.

يتم الحفاظ على إمكانات غشاء الراحة من خلال نوعين مختلفين من القنوات الأيونية: مضخة الصوديوم والبوتاسيوم وقنوات تسرب الصوديوم والبوتاسيوم. أولاً ، يوجد تركيز أعلى من أيونات البوتاسيوم داخل الخلية مقارنة بالخارج. هذا يخلق توزيعًا غير متكافئ لأيونات البوتاسيوم ، أو بشكل أكثر دقة ، يتم إنشاء تدرج أيون البوتاسيوم. لذلك ، بعد تدرج التركيز ، تنتشر أيونات البوتاسيوم من داخل الخلية إلى خارج الخلية عبر قنواتها المتسربة. عندما تغادر أيونات البوتاسيوم الخلية ، فإنها تزيد من عدد الأنيونات المحاصرة داخل الخلية ، وبالتالي تتراكم الشحنات السالبة وتتراكم الشحنات الموجبة خارج الخلية. لذلك يتم إزالة أيونات موجبة الشحنة من الخلية أكثر من دخولها مما يجعل البيئة الداخلية للخلية سلبية نسبيًا للخارج [3].

تقوم مضخة الصوديوم والبوتاسيوم بنقل ثلاثة أيونات الصوديوم خارج الخلية مقابل كل اثنين من أيونات البوتاسيوم تنتقل إلى الخلية بشكل مستمر. وبالتالي ، فإنه يحافظ على تدرج أيون البوتاسيوم الكبير عبر الغشاء ، والذي بدوره يوفر الأساس لراحة الغشاء المحتمل. الجزيئات أو الأيونات سالبة الشحنة ، عادة أيونات الكلوريد ، لا يمكن أن تمر عبر غشاء البلازما لأنها كبيرة جدًا بحيث لا يمكن نقلها داخل الخلية أو خارجها عبر قنوات الكلوريد. ويرجع ذلك إلى أن القنوات كبيرة جدًا وضخمة ، وبالتالي تظل الأنيونات محاصرة داخل الزنزانة [4].

يمكن قياس إمكانات غشاء الراحة عن طريق وضع قطب كهربائي واحد داخل الخلية وآخر خارج الخلية. يتم إنشاء القيم بالميليفولت (بالسيارات). تتم مقارنة نسب الشحنات السالبة والشحنات الموجبة بين داخل وخارج الخلايا [5].


انتقائية الغشاء لانتشار الأيونات

بدون القضاء على مُحسّنات محرّكات البحث من خلال إعادة النظر في المواد المتاحة في مكان آخر على هذا الموقع ، يكفي أن نقول إن الطبقة الدهنية الثنائية لغشاء الخلية عبارة عن حاجز غير قطبي ، وبالتالي تمنع بشكل فعال تبادل المواد القطبية بين البيئات داخل الخلايا وخارجها. لذلك ، يحافظ غشاء الخلية على نفاذه للأيونات عن طريق الانتشار الميسر للبروتين ، أي أن القنوات الأيونية تسمح بمرور أنواع الأيونات عبر الغشاء.

هذا هو المفهوم التالي الأكثر أهمية للامتصاص: غشاء الخلية ليس بنية غير منفذة للأيونات تمامًا ، وتحدث حركة متحكم فيها للأيونات عبر الغشاء. على الرغم من وجود قنوات الصوديوم ، إلا أنها قليلة - وبالتالي فإن الخلايا الحيوانية النموذجية قابلة للاختراق بشكل أساسي لأيونات البوتاسيوم ، بسبب وجود "قنوات تسرب". تكون قنوات البوتاسيوم هذه مفتوحة في جميع الأوقات ، في جميع الفولتية المحتملة للأغشية (أي أنها ليست قنوات ذات بوابات جهد) ، ولا تحتوي على روابط بوابات طبيعية ، ولا تتأثر بأي من حاصرات قنوات البوتاسيوم التقليدية. يصفها Lesage et al (2000) بمزيد من التفصيل (باختصار ، إنها بروتينات قناة ثنائية المسام ثنائية الأبعاد ، تُعرف أيضًا باسم K2P القنوات ، وهناك حوالي 15 عائلة تم تحديدها حاليًا).

وبالتالي ، فإن وجود هذه القنوات يسمح بالتسرب البطيء المستمر للبوتاسيوم إلى السائل خارج الخلية ، على طول تدرج التركيز الكيميائي.


جوهر

ما هو الغشاء المحتمل؟

جهد الغشاء هو مقدار الشحنة الكهربائية عبر غشاء البلازما ، معبرًا عنها على أنها الجهد داخل الخلية بالنسبة للمحلول خارج الخلية. يقاس بالميليفولت (بالسيارات).

تمتلك جميع الخلايا إمكانات غشاء ، على الرغم من أن إمكانات غشاء الراحة والقدرة على تغيير إمكانات الغشاء (استثارة) تختلف بين أنواع الخلايا المختلفة. توفر إمكانات الغشاء الأساس لإشارات الخلية في جميع الخلايا.

الجدول - إمكانات غشاء الراحة لأنواع الخلايا المختلفة

SimpleMed الأصلي بواسطة جوشوا براي

يتطلب إنشاء إمكانات الغشاء معيارين رئيسيين:

  1. تدرجات التركيز الأيوني (مما يؤدي إلى توزيع غير متماثل للأيونات)
  2. النفاذية الاختيارية إلى أيونات معينة (عبر القنوات) - بشكل أساسي K + و Na + و Cl -

تؤدي حركة الأيونات إلى فصل الشحنة عبر الغشاء: هذا هو جهد الغشاء.

ال مضخة Na + / K + يكون كهربائيًا إلى حد ما ، حيث يساهم بحوالي -5 مللي فولت في إمكانات غشاء الراحة. ومع ذلك ، فهي مسؤولة بشكل غير مباشر عن إمكانات الغشاء بالكامل عند إنشائها و يحافظ على التدرجات الأيونية المطلوبة لتوليد إمكانات الغشاء.

رسم بياني - تدرجات التركيز الأيونية المسؤولة عن إمكانات الغشاء

Creative Commons source by smonsays [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

هذا إعلان - نستخدمه لإبقاء SimpleMed مجانيًا! إذا رأيت شيئًا يعجبك ، فالرجاء النقر فوقه - فهو يدعم الموقع :)

إمكانات غشاء الراحة

هناك نوعان من التدرجات التي تحدد صافي حركة الأيونات:

  1. المواد الكيميائية التدرج اللوني - يعادل تدرج التركيز.
  2. الكهرباء التدرج - ميل الأيونات الموجبة للانتقال إلى مناطق الشحنة السالبة والأيونات السالبة للانتقال إلى مناطق الشحنة الموجبة.

افترض أن الغشاء قابل للاختراق بشكل انتقائي لأيون واحد فقط - على سبيل المثال ، K +. إذا كان تركيز K + أكبر داخل الخلية مقارنةً بخارج الخلية ، فسيبدأ K + في الخروج من الخلية. ومع ذلك ، عندما تغادر K + الخلية ، ستصبح الخلية أقل إيجابية وسيصبح المحلول خارج الخلية أكثر إيجابية - وهذا يؤدي إلى زيادة التدرج الكهربائي المقابل. عندما تصبح التدرجات الكيميائية والكهربائية متساوية ومعاكسة، يلغون بعضهم البعض بحيث يكون هناك لا توجد حركة صافي K + . ومع ذلك ، أ شحنة سالبة يبقى عبر الغشاء: إمكانات غشاء الراحة.

يُعرف إمكانات الغشاء عندما يكون الغشاء منفذاً بشكل انتقائي لنوع واحد فقط من الأيونات باسم إمكانات التوازن (ه) لذلك الأيون. يمكننا حساب جهد توازن أيون باستخدام معادلة نرنست. معادلة Nernst لـ K + هي كما يلي: هك = RT / zF. ln ([K +]خارج/ [K +]في)، أين ر هل ثابت الغاز (8.314 J -1 K -1 mol -1) ، تي هي درجة الحرارة (K) ، ض هي الشحنة على الأيون ، F هو ثابت فاراداي (96500 ج مول -1) و [K +]في خارج هي تركيزات K + داخل الخلية وخارجها على التوالي.

لتسهيل العمليات الحسابية ، يمكننا حساب قيمة RT / F (T = 37 o C) وتحويل اللوغاريتم الطبيعي (ln) إلى log10. هذا يعطينا: هك = 61 / ض. log10 ([K +]خارج/ [K +]في).

يمكن استخدام معادلة نرنست لأي أيون (كل من الأيونات الموجبة والسالبة).

إذا كان الغشاء منفذا بشكل انتقائي لـ K + وحده ، فإن إمكاناته الغشائية ستكون عند E.ك. ومع ذلك ، في الواقع هذا لا يحدث أبدا في الواقع ، مثل الخلايا الحقيقية قابلة للاختراق للأيونات الأخرى جدا.

إمكانات التوازن لـ K + و Na + و Cl - عند درجة الحرارة والتركيزات الفسيولوجية هي كما يلي:

تغيير إمكانات الغشاء

يمكن تغيير إمكانات الغشاء بواسطة تغيير نفاذية الغشاء للأيونات المختلفة - أي فتح وإغلاق القنوات الأيونية.

إذا أصبح الغشاء أكثر نفاذاً لأيون ، فسوف يتسبب ذلك في انزياح إمكانات الغشاء نحو احتمالية التوازن لهذا الأيون.

يمكن أن تتغير قيمة إمكانات الغشاء في اتجاهين:

  • إزالة الاستقطاب - تصبح إمكانات الغشاء أقل سلبية
  • فرط الاستقطاب - تصبح إمكانات الغشاء أكثر سلبية

افتتاح نا + أو كاليفورنيا 2+ القنوات سينتج عنها إزالة الاستقطاب، أثناء الفتح ك + أو Cl - القنوات سينتج عنها فرط الاستقطاب.

رسم بياني - رسم بياني يوضح التغيرات في إمكانات الغشاء عن طريق تغيير تدفق Na + و K +

SimpleMed الأصلي بواسطة جوشوا براي

هذا إعلان - نستخدمه لإبقاء SimpleMed مجانيًا! إذا رأيت شيئًا يعجبك ، فالرجاء النقر فوقه - فهو يدعم الموقع :)

انتقال متشابك

المشبك هو اتصال بين خليتين مثيرتين ، حيث توجد مادة كيميائية ناقل عصبي تم تحريره من خلية ما قبل المشبكي، ينتشر عبر شق متشابك ويرتبط بـ مستقبلات على ال غشاء ما بعد المشبكي. هذا يسمح بتحويل الإشارة الكهربائية (جهد الفعل) إلى إشارة كيميائية (ناقل عصبي) ، والتي تولد إشارة كهربائية جديدة في خلية ما بعد التشابك.

يمكن تصنيف الإرسال المتشابك على أنه سريع أو بطيء:

  • انتقال سريع - يتضمن القنوات الأيونية الترابطية (مثل مستقبلات الأسيتيل كولين النيكوتين) ، والتي تفتح استجابةً لارتباط الناقل العصبي.
  • انتقال بطيء - يتضمن مستقبلات البروتين جي (مثل مستقبلات الأسيتيل كولين المسكارينية) ، التي تنشط القنوات عبر مسارات الإشارات المباشرة وغير المباشرة.

يمكن أن تكون نقاط الاشتباك العصبي أيضًا مثيرة أو مثبطة:

  • المشابك المثيرة يسبب الغشاء إزالة الاستقطاب - تشمل أجهزة الإرسال الجلوتامات والدوبامين والأسيتيل كولين
  • المشابك المثبطة يسبب الغشاء فرط الاستقطاب - أجهزة الإرسال تشمل GABA والجليسين

كلما زادت استقطاب خلية ما بعد التشابك العصبي ، زادت احتمالية وصولها إلى عتبة توليد جهد الفعل.

رسم بياني - رسوم بيانية توضح إمكانات ما بعد التشابك المثيرة والمثبطة


ما تعلمته & # x27ll:

يحدث فرق الجهد عبر الخلية بسبب تراكم قليل من الأيونات السالبة داخل الخلية (السائل داخل الخلايا) وتراكم متساوٍ للأيونات الموجبة في السطح الخارجي للخلية (السائل خارج الخلية). يتم الكشف عن الاختلاف في إمكانات السائل داخل الخلايا وخارجها من خلال جهاز الفولتميتر. تتراوح إمكانات غشاء الراحة للخلايا العصبية من -50 مللي فولت إلى -75 مللي فولت. تشير العلامة السلبية إلى أن الخلية أكثر سلبية على السطح الداخلي من السطح الخارجي. ويقال إن الخلايا التي تظهر هذا النوع من الاختلاف في جهد الغشاء مستقطبة. يحدث غشاء الراحة الكامن في الخلية بسبب ثلاثة أسباب رئيسية. هم انهم -

التوزيع غير المتكافئ للأيونات في السائل داخل الخلايا وخارجها (العصارة الخلوية).

لا تستطيع معظم الأنيونات الخروج من الخلية.


1. الراحة المحتملة

الغشاء الدهني ثنائي الطبقة الذي يحيط بالخلايا العصبية غير منفذ للجزيئات أو الأيونات المشحونة. لدخول الخلايا العصبية أو الخروج منها ، يجب أن تمر الأيونات عبر بروتينات خاصة تسمى القنوات الأيونية التي تمتد عبر الغشاء وتنظم التركيزات النسبية للأيونات المختلفة داخل وخارج الخلية. يمكن للخلايا استخدام الطاقة لتحريك أيونات معينة بشكل تفضيلي إما داخل أو خارج الغشاء ، مما يؤدي إلى اختلاف شحنة الأيونات عبر الغشاء ، حيث يكون أحد الجانبين سالبًا نسبيًا والجانب الآخر أكثر إيجابية نسبيًا. يسمى الفرق في إجمالي الشحنة بين داخل الخلية وخارجها بـ غشاء المحتملة.

إن إمكانات غشاء الخلية العصبية في حالة الراحة مشحونة سلبًا: داخل الخلية حوالي 70 مللي فولت أكثر سلبية من الخارج (-70 مللي فولت ، لاحظ أن هذا الرقم يختلف حسب نوع الخلايا العصبية والأنواع). هذا الجهد يسمى يستريح غشاء المحتملة يحدث بسبب الاختلافات في تركيزات الأيونات داخل وخارج الخلية. يتم إنشاء وصيانة إمكانات الراحة من خلال عمليتين رئيسيتين: قناة أيونية تعمل بالطاقة ATP تسمى مضخة الصوديوم والبوتاسيوم، وقناة أيونية سلبية تسمى قناة تسرب البوتاسيوم.

تقوم مضخة الصوديوم والبوتاسيوم ، والتي تسمى أيضًا Na + / K + ATPase ، بنقل الصوديوم خارج الخلية أثناء نقل البوتاسيوم إلى الخلية. تعد مضخة Na + / K + مضخة أيونية مهمة توجد في أغشية العديد من أنواع الخلايا. هذه المضخات وفيرة بشكل خاص في الخلايا العصبية ، التي تضخ باستمرار أيونات الصوديوم وتسحب أيونات البوتاسيوم للحفاظ على التدرج الكهربائي عبر أغشية الخلايا. التدرج الكهربائي هو اختلاف في الشحنة الكهربائية عبر الفضاء. في حالة الخلايا العصبية ، على سبيل المثال ، يوجد التدرج الكهربائي بين داخل الخلية وخارجها ، مع وجود شحنة سالبة من الداخل (عند حوالي -70 مللي فولت) بالنسبة للخارج. يتم الحفاظ على التدرج الكهربائي السالب لأن كل مضخة Na + / K + تحرك ثلاثة أيونات Na + خارج الخلية واثنين من أيونات K + إلى الخلية لكل جزيء ATP يتم استخدامه. هذه العملية مهمة جدًا للخلايا العصبية لدرجة أنها تمثل غالبية استخدام ATP.

تعمل مضخة الصوديوم والبوتاسيوم ، التي تعمل بواسطة ATP ، على تحريك أيونات الصوديوم والبوتاسيوم في اتجاهين متعاكسين ، كل منهما مقابل تدرج تركيزها. في دورة واحدة للمضخة ، يتم بثق ثلاثة أيونات صوديوم من الخلية ويتم استيراد أيوني بوتاسيوم إلى داخل الخلية. رصيد الصورة: OpenStax Anatomy & amp ؛ علم وظائف الأعضاء.

بالإضافة إلى مضخة الصوديوم والبوتاسيوم ، تمتلك الخلايا العصبية قنوات تسرب البوتاسيوم وقنوات تسرب الصوديوم التي تسمح للكاتيونات بالانتشار أسفل تدرج تركيزها. ومع ذلك ، فإن الخلايا العصبية لديها قنوات تسرب البوتاسيوم أكثر بكثير من قنوات تسرب الصوديوم. لذلك ، ينتشر البوتاسيوم خارج الخلية بمعدل أسرع بكثير من تسرب الصوديوم للداخل. نظرًا لأن عددًا أكبر من الكاتيونات يغادر الخلية أكثر من الداخل ، فإن هذا يتسبب في أن يكون الجزء الداخلي للخلية مشحونًا بشكل سلبي بالنسبة إلى السطح الخارجي للخلية. وبالتالي فإن التأثيرات المشتركة لمضخة الصوديوم والبوتاسيوم وقنوات تسرب البوتاسيوم هي أن الجزء الداخلي للخلية أكثر سلبية من خارج الخلية. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن أيونات الكلوريد (Cl & # 8211) تميل إلى التراكم خارج الخلية لأنها تنفر بواسطة بروتينات سالبة الشحنة داخل السيتوبلازم.

إن إمكانات غشاء الراحة هي نتيجة لتركيزات مختلفة داخل الخلية وخارجها.
تركيز الأيونات داخل وخارج الخلايا العصبية
أيون تركيز خارج الخلية (مم) تركيز الخلايا (مم) نسبة خارج / داخل
نا + 145 12 12
ك + 4 155 0.026
Cl & # 8211 120 4 30
الأنيونات العضوية (أ-) 100

يصف هذا الفيديو دور مضخة الصوديوم / البوتاسيوم وقنوات تسرب البوتاسيوم في إنشاء وصيانة إمكانات الغشاء:


26.2 كيف تتواصل الخلايا العصبية

في هذا القسم سوف تستكشف الأسئلة التالية:

  • ما هو أساس إمكانات غشاء الراحة؟
  • ما هي مراحل جهد الفعل ، وكيف تنتشر كمونات الفعل؟
  • ما هي أوجه التشابه والاختلاف بين المشابك الكيميائية والكهربائية؟
  • ما هو التحفيز طويل المدى والاكتئاب طويل الأمد ، وكيف يرتبط كلاهما بنقل النبضات عبر المشابك؟

اتصال لدورات AP ®

تعتبر الخلية العصبية مثالًا رائعًا لعلاقة التركيب والوظيفة على المستوى الخلوي. تتدفق المعلومات على طول الخلية العصبية عادةً من التغصنات إلى المحوار ومن الخلايا العصبية إلى الخلايا العصبية أو من الخلايا العصبية إلى خلية العضو المستهدف. مثل الخلايا حقيقية النواة الأخرى ، تتكون الخلايا العصبية من غشاء خلوي ونواة وعضيات ، بما في ذلك الميتوكوندريا. إمكانات العمل نشر النبضات على طول الخلايا العصبية. عندما يكون المحوار في حالة راحة ، يُقال إن الغشاء مستقطب ، أي أن هناك تدرجًا كهروكيميائيًا عبره ، مع كون الجزء الداخلي من الغشاء مشحونًا بشكل سلبي أكثر من الخارج. استكشفنا تكوين التدرجات الكهروكيميائية باستخدام H + عندما درسنا التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي. ومع ذلك ، تستخدم الخلية العصبية Na + و K + لإنشاء تدرج لوني. من المهم أيضًا أن نتذكر أن الأيونات لا يمكن أن تنتشر عبر الطبقة الدهنية الثنائية لغشاء الخلية ويجب أن تستخدم بروتينات النقل في هذه الحالة ، وبروتينات النقل هي قنوات Na + و K + ذات الجهد الكهربائي.

في حالة الراحة ، تحافظ مضخة Na + / K + ، التي تعمل بواسطة ATP ، على هذا التدرج ، المعروف باسم الراحة غشاء المحتملة. استجابةً لمحفز ، مثل جزيء الرائحة ، يتغير إمكانات الغشاء ، ويتم إنشاء جهد فعل على طول الغشاء حيث يتم فتح قنوات Na + و K + بالتتابع ، مما يتسبب في إزالة الاستقطاب من الغشاء. في نزع الاستقطابيصبح الجزء الداخلي من الغشاء أكثر إيجابية من الخارج حيث يتدفق Na + إلى الداخل. تحدث عودة الاستقطاب عندما يتدفق K + عبر الغشاء إلى الخارج. في الخلايا العصبية النخاعية ، "تقفز" جهود الفعل بين فجوات المحاور غير الملقحة (عُقد رانفير) ، وهي ظاهرة تسمى التوصيل المملحي.

يحدث انتقال النبضات العصبية من خلية عصبية إلى أخرى أو إلى نوع آخر من الخلايا مثل خلية عضلية عبر تقاطع يسمى المشبك. الحويصلات المشبكية في المحطة المحورية للخلايا العصبية قبل المشبكية تطلق رسلًا كيميائيًا يسمى الناقلات العصبية في الناقلات العصبية الوصلة ثم يرتبط بالمستقبلات المضمنة في غشاء العصبون ما بعد المشبكي. قد تكون الناقلات العصبية إما مثيرة (مثل أستيل كولين أو إبينفرين) أو مثبطة (مثل السيروتونين أو GABA) لأنها إما تزيد أو تقلل من تغير جهد الفعل في الخلايا العصبية بعد المشبكي. يمكن للعديد من الأدوية ، بما في ذلك المستحضرات الصيدلانية والعقاقير المخدرة ، إحداث تغييرات في الانتقال المتشابك على سبيل المثال ، رباعي هيدروكانابينول (المعروف أكثر باسم THC) في الماريجوانا يرتبط بناقل عصبي طبيعي مهم للذاكرة قصيرة المدى.

المعلومات المقدمة والأمثلة الموضحة في القسم تدعم المفاهيم الموضحة في الفكرة الكبيرة 3 من إطار منهج علم الأحياء AP ®. توفر أهداف التعلم AP ® المدرجة في إطار المنهج الدراسي أساسًا شفافًا لدورة AP ® Biology ، وتجربة معملية قائمة على الاستفسار ، وأنشطة تعليمية ، وأسئلة اختبار AP ®. يدمج هدف التعلم المحتوى المطلوب مع واحد أو أكثر من الممارسات العلمية السبعة.

فكرة كبيرة 3 تقوم الأنظمة الحية بتخزين المعلومات الأساسية لعمليات الحياة واستردادها ونقلها والاستجابة لها.
الفهم الدائم 3.E ينتج عن نقل المعلومات تغييرات داخل الأنظمة البيولوجية وفيما بينها.
المعرفة الأساسية 3-هـ 2 تمتلك الحيوانات أجهزة عصبية تكتشف الإشارات الخارجية والداخلية ، وتنقل المعلومات وتدمجها ، وتنتج الاستجابات.
ممارسة العلوم 6.2 يمكن للطالب بناء تفسيرات للظواهر بناءً على الأدلة المنتجة من خلال الممارسات العلمية.
هدف التعلم 3.43 يستطيع الطالب بناء تفسير ، بناءً على النظريات والنماذج العلمية ، حول كيفية اكتشاف الجهاز العصبي للإشارات الخارجية والداخلية ، ونقل المعلومات وتكاملها ، وإنتاج الاستجابات.
المعرفة الأساسية 3-هـ 2 تمتلك الحيوانات أجهزة عصبية تكتشف الإشارات الخارجية والداخلية ، وتنقل المعلومات وتدمجها ، وتنتج الاستجابات.
ممارسة العلوم 1.2 يمكن للطالب وصف تمثيلات ونماذج للظواهر والأنظمة الطبيعية أو التي من صنع الإنسان في المجال.
هدف التعلم 3.45 يستطيع الطالب وصف كيفية نقل الجهاز العصبي للمعلومات.
المعرفة الأساسية 3-هـ 2 تمتلك الحيوانات أجهزة عصبية تكتشف الإشارات الخارجية والداخلية ، وتنقل المعلومات وتدمجها ، وتنتج الاستجابات.
ممارسة العلوم 1.1 يمكن للطالب إنشاء تمثيلات ونماذج لظواهر وأنظمة طبيعية أو من صنع الإنسان في المجال.
هدف التعلم 3.47 يستطيع الطالب إنشاء تمثيل مرئي للأنظمة العصبية المعقدة لوصف / شرح كيفية اكتشاف هذه الأنظمة للإشارات الخارجية والداخلية ، ونقل المعلومات ودمجها ، وإنتاج الاستجابات.

تتطلب جميع الوظائف التي يؤديها الجهاز العصبي - من رد الفعل الحركي البسيط إلى الوظائف الأكثر تقدمًا مثل صنع الذاكرة أو اتخاذ القرار - الخلايا العصبية للتواصل مع بعضها البعض. بينما يستخدم البشر الكلمات ولغة الجسد للتواصل ، تستخدم الخلايا العصبية إشارات كهربائية وكيميائية. تمامًا مثل أي شخص في اللجنة ، عادةً ما تتلقى خلية عصبية واحدة وتوليف الرسائل من عدة خلايا عصبية أخرى قبل "اتخاذ القرار" لإرسال الرسالة إلى الخلايا العصبية الأخرى.

انتقال النبضات العصبية داخل الخلايا العصبية

لكي يعمل الجهاز العصبي ، يجب أن تكون الخلايا العصبية قادرة على إرسال واستقبال الإشارات. هذه الإشارات ممكنة لأن كل خلية عصبية لديها غشاء خلوي مشحون (فرق الجهد بين الداخل والخارج) ، ويمكن أن تتغير شحنة هذا الغشاء استجابة لجزيئات الناقل العصبي المنبعثة من الخلايا العصبية الأخرى والمنبهات البيئية. لفهم كيفية تواصل الخلايا العصبية ، يجب على المرء أولاً أن يفهم أساس خط الأساس أو شحنة الغشاء "السكونية".

الأغشية العصبية المشحونة

الغشاء الدهني ثنائي الطبقة الذي يحيط بالخلايا العصبية غير منفذ للجزيئات أو الأيونات المشحونة. لدخول الخلايا العصبية أو الخروج منها ، يجب أن تمر الأيونات عبر بروتينات خاصة تسمى القنوات الأيونية التي تمتد عبر الغشاء. القنوات الأيونية لها تكوينات مختلفة: مفتوحة ، مغلقة ، وغير نشطة ، كما هو موضح في الشكل 26.9. تحتاج بعض القنوات الأيونية إلى التنشيط من أجل الفتح والسماح للأيونات بالمرور إلى الخلية أو الخروج منها. هذه القنوات الأيونية حساسة للبيئة ويمكن أن تغير شكلها وفقًا لذلك. تسمى القنوات الأيونية التي تغير هيكلها استجابة لتغيرات الجهد القنوات الأيونية ذات الجهد الكهربائي. تنظم القنوات الأيونية ذات الجهد الكهربائي التركيزات النسبية للأيونات المختلفة داخل وخارج الخلية. يسمى الفرق في إجمالي الشحنة بين داخل الخلية وخارجها بـ غشاء المحتملة.

ارتباط بالتعلم

يناقش هذا الفيديو أساس إمكانات غشاء الراحة.

يستريح غشاء المحتملة

الخلية العصبية في حالة الراحة مشحونة سلبًا: يكون الجزء الداخلي للخلية أكثر سلبية بمقدار 70 مللي فولت تقريبًا من الخارج (−70 مللي فولت ، لاحظ أن هذا الرقم يختلف حسب نوع الخلايا العصبية والأنواع). يُطلق على هذا الجهد اسم إمكانات غشاء الراحة ، وهو ناتج عن اختلافات في تركيزات الأيونات داخل وخارج الخلية. إذا كان الغشاء منفذاً بشكل متساوٍ لجميع الأيونات ، فإن كل نوع من الأيونات سوف يتدفق عبر الغشاء وسيصل النظام إلى التوازن. نظرًا لأن الأيونات لا يمكنها ببساطة عبور الغشاء كما تشاء ، فهناك تركيزات مختلفة من عدة أيونات داخل الخلية وخارجها ، كما هو موضح في الجدول 26.1. يهيمن الاختلاف في عدد أيونات البوتاسيوم الموجبة الشحنة (K +) داخل الخلية وخارجها على إمكانات غشاء الراحة (الشكل 26.10). عندما يكون الغشاء في حالة راحة ، تتراكم أيونات K + داخل الخلية بسبب الحركة الصافية بتدرج التركيز. يتم إنشاء إمكانات غشاء الراحة السلبية والحفاظ عليها عن طريق زيادة تركيز الكاتيونات خارج الخلية (في السائل خارج الخلية) بالنسبة إلى داخل الخلية (في السيتوبلازم). يتم إنشاء الشحنة السالبة داخل الخلية من خلال كون غشاء الخلية أكثر نفاذية لحركة أيون البوتاسيوم من حركة أيون الصوديوم. في الخلايا العصبية ، يتم الحفاظ على أيونات البوتاسيوم بتركيزات عالية داخل الخلية بينما يتم الحفاظ على أيونات الصوديوم بتركيزات عالية خارج الخلية. تمتلك الخلية قنوات تسرب البوتاسيوم والصوديوم التي تسمح للكاتيونات بالانتشار أسفل تدرج تركيزها. ومع ذلك ، فإن الخلايا العصبية لديها قنوات تسرب البوتاسيوم أكثر بكثير من قنوات تسرب الصوديوم. لذلك ، ينتشر البوتاسيوم خارج الخلية بمعدل أسرع بكثير من تسرب الصوديوم للداخل. نظرًا لأن عددًا أكبر من الكاتيونات يغادر الخلية أكثر من الداخل ، فإن هذا يتسبب في أن يكون الجزء الداخلي للخلية مشحونًا بشكل سلبي بالنسبة إلى السطح الخارجي للخلية. تساعد إجراءات مضخة بوتاسيوم الصوديوم في الحفاظ على إمكانية الراحة بمجرد إنشائها. تذكر أن مضخات البوتاسيوم الصوديوم تجلب اثنين من أيونات K + إلى الخلية بينما تزيل ثلاثة أيونات Na + لكل ATP يتم استهلاكها. نظرًا لأنه يتم طرد الكاتيونات من الخلية أكثر مما يتم تناوله ، يظل الجزء الداخلي من الخلية مشحونًا سالبًا بالنسبة للسائل خارج الخلية. وتجدر الإشارة إلى أن أيونات الكلوريد (Cl -) تميل إلى التراكم خارج الخلية لأنها تطرد بواسطة بروتينات سالبة الشحنة داخل السيتوبلازم.

أيون تركيز خارج الخلية (مم) تركيز الخلايا (مم) نسبة خارج / داخل
نا + 145 12 12
ك + 4 155 0.026
Cl - 120 4 30
الأنيونات العضوية (A−) 100

إمكانات العمل

يمكن للخلايا العصبية أن تتلقى مدخلات من الخلايا العصبية الأخرى ، وإذا كانت هذه المدخلات قوية بما يكفي ، ترسل الإشارة إلى الخلايا العصبية في اتجاه مجرى النهر. عادة ما يتم نقل الإشارة بين الخلايا العصبية بواسطة مادة كيميائية تسمى ناقل عصبي. يتم نقل الإشارة داخل الخلايا العصبية (من التغصنات إلى المحطة المحورية) عن طريق انعكاس قصير لإمكانات غشاء الراحة يسمى جهد الفعل. عندما ترتبط جزيئات الناقل العصبي بالمستقبلات الموجودة في التشعبات العصبية ، تنفتح القنوات الأيونية. في نقاط الاشتباك العصبي الاستثارة ، تسمح هذه الفتحة للأيونات الموجبة بدخول الخلايا العصبية وتؤدي إلى إزالة الاستقطاب من الغشاء - وهو انخفاض في الفرق في الجهد بين داخل وخارج الخلية العصبية. منبه من خلية حسية أو خلية عصبية أخرى يزيل استقطاب الخلايا العصبية المستهدفة إلى عتبة إمكاناتها (-55 مللي فولت). يتم فتح قنوات Na في تلة المحور العصبي ، مما يسمح للأيونات الموجبة بدخول الخلية (الشكل 26.10 والشكل 26.11). بمجرد فتح قنوات الصوديوم ، تزيل الخلايا العصبية استقطابها تمامًا إلى غشاء محتمل يبلغ حوالي +40 مللي فولت. تُعتبر إمكانات الفعل حدثًا "الكل أو لا شيء" ، حيث أنه بمجرد الوصول إلى الحد الأقصى المحتمل ، فإن العصبون دائمًا يزيل الاستقطاب تمامًا. بمجرد اكتمال إزالة الاستقطاب ، يجب على الخلية الآن "إعادة ضبط" جهد الغشاء مرة أخرى إلى جهد الراحة. لتحقيق ذلك ، تغلق قنوات Na + ولا يمكن فتحها. هذا يبدأ العصبون فترة الحرارية، حيث لا يمكنه إنتاج جهد فعل آخر لأن قنوات الصوديوم الخاصة به لن تنفتح. في الوقت نفسه ، يتم فتح قنوات K + ذات الجهد الكهربائي ، مما يسمح لـ K + بمغادرة الخلية. عندما تغادر أيونات K + الخلية ، تصبح إمكانات الغشاء سالبة مرة أخرى. انتشار K + خارج الخلية في الواقع فرط الاستقطاب الخلية ، حيث يصبح جهد الغشاء أكثر سلبية من إمكانات الراحة الطبيعية للخلية. في هذه المرحلة ، ستعود قنوات الصوديوم إلى حالة الراحة ، مما يعني أنها جاهزة للفتح مرة أخرى إذا تجاوزت إمكانات الغشاء مرة أخرى عتبة الإمكانات. في نهاية المطاف تنتشر أيونات K + الإضافية خارج الخلية من خلال قنوات تسرب البوتاسيوم ، مما يؤدي بالخلية من حالتها المفرطة الاستقطاب إلى إمكانات غشاء الراحة.


كيفية حساب إمكانات الغشاء

من السهل نسبيًا حساب شحنة أيون عبر الغشاء ، Nernst Potential. المعادلة على النحو التالي: (RT / zF) سجل ([X] خارج / [X] في). تبلغ قيمة RT / F حوالي 61 ، لذلك يمكن كتابة المعادلة كـ

  • ر هو ثابت الغاز العام (8.314 JK-1.mol-1).
  • تي هي درجة الحرارة بالكلفن (° K = ° C + 273.15).
  • ض هي الشحنة الأيونية للأيون. على سبيل المثال، ض هي +1 لـ K + ، +2 لـ Mg2 + ، -1 لـ F- ، -1 لـ Cl- ، إلخ. تذكر أن z ليس لديه وحدة.
  • F هو ثابت فاراداي (96485 م مول -1).
  • [X]خارج هو تركيز الأيون خارج الأنواع. على سبيل المثال المولارية خارج الخلية العصبية.
  • [X]في هو تركيز الأيون داخل الأنواع. على سبيل المثال ، المولارية داخل خلية عصبية.

الاختلاف الوحيد في معادلة Goldman-Hodgkin-Katz هو أنه يجمع معًا تركيزات جميع الأيونات المنفذة على النحو التالي

الشكل 3. (في اتجاه عقارب الساعة من أعلى اليسار) 1) تكون الشحنات متساوية على كلا الجانبين وبالتالي لا توجد إمكانية للغشاء. 2) وجود عدم توازن في الشحنات مما يعطي الغشاء امكانية. 3) تصطف الشحنات على جوانب متقابلة من الغشاء لإعطاء الغشاء إمكاناته. 4) خلية عصبية افتراضية في جسم الإنسان تحتوي على تركيز كبير من البوتاسيوم في الداخل والصوديوم في الخارج.

تم ترخيص جامعة كاليفورنيا في ديفيس ChemWiki بموجب Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 United States


شاهد الفيديو: بيولوجيا الخلية للسنة التحضيرية الفصل الاول (أغسطس 2022).