Electrotonic and action potential

Wiemy już, że gdy neuron jest w stanie spoczynkowym

pomiędzy jego zewnętrzną i wewnętrzną stroną błony występuje różnica potencjału

I tak na tym rysunku, tutaj mamy

błonę komórkową

Tutaj natomiast mamy wnętrze neuronu

a tutaj zewnętrzną stronę błony komórkowej

Oczywiście tutaj również

i tutaj.

Jeśli umieścilibyśmy woltomierz

i zmierzylibyśmy różnicę potencjału elektrycznego

a więc, jeśli odjęlibyśmy wartość potencjału elektrycznego

zmierzonego tutaj (wewnątrz) i tutaj (na zewnątrz błony)

otrzymalibyśmy - powiedzmy dla przykładu:

średnio około minus 70 miliwoltów

Tutaj oś rzędnych pokazuje miliwolty i -70 jest tutaj

(-70 rysuje)

Narysuję to na obu diagramach

będziemy ich obu używać do opisu

odrobinę a właściwie zupełnie innych zjawisk

Moglibyśmy umieścić kolejny woltomierz (żółty)

troszeczkę dalej niż poprzedni (niebieski)

i również pokaże on różnicę -70 miliwoltów

Teraz zaobserwujmy coś interesującego

Załóżmy, że z jakiegoś powodu

błona komórkowa stanie się przepuszczalna dla jonów sodu.

Sód napływa w poprzek błony

Dzieje się tak z dwóch powodów:

Po pierwsze, sód jest jonem dodatnim

Po zewnętrznej stronie błony jest więcej pozytywnych jonów

niż po stronie wewnętrznej, dlatego też pozytywny ładunek łatwo napływa

Po drugie, po zewnętrznej stronie błony

występuje większa koncentracja jonów sodu

niż wewnątrz neuronu

Dlatego jony, podążając za gradientem stężenia dyfundują do komórki.

Powód, dla którego mamy wyższe stęzenie

sodu na zewnątrz komórki

już znamy - dzieje się tak dzięki obecności pompy sodowo-potasowej w błonie neuronu.

Wracając do naszego przykładu, napływ jonów sodu

spowoduje wzrost potencjału

(stanie się mniej negatywny).

Jaka będzie teraz dynamika zdarzeń wewnątrz komórki?

Otóż, mając cały nasz pozytywny ładunek tutaj,

inne pozytywne jony w komórce

będą chciały uciec od nich ( bo: oddziaływanie elektrostatyczne)

będą chciały uciec od nich (oddziaływanie elektrostatyczne)

Dzieje się to nie tylko w jednym kierunku

ale we wszystkich możliwych kierunkach.

Ładunek pozytywny we wszystkich kierunkach

będzie chciał oddalić się od siebie.

Więc ten popłynie tam,

i dalej ten spowoduje przepływ

następnego z nich, który z kolei

spowoduje ruch kolejnego (itd...).

Po jakimś czasie - jakiej różnicy potencjałów

możemy spodziewać się na niebieskim woltomierzu?

Po pewnym czasie, ponieważ coraz więcej

pozytywnego ładunku próbuje przepłynąć dalej

stężenie jonów sodu

rozprzestrzenia się.

Zauważymy wzrost wzrost potencjału.

dalej, wraz z rozprzestrzenianiem się

jonów potencjał wróci do poziomu równowagi (początkowego).

Patrząc trochę dalej

trochę więcej czasu musi upłynąć

zanim zobaczymy wzrost potencjału, ale ponieważ

jony rozprzestrzeniają się coraz bardziej

wzrost ten będzie mniejszy niż w poprzednim miejscu.

Nie zauważymy aż tak dużego wzgórka

na wykresie napięcia w tym przypadku.

Taki typ rozprzestrzeniania się - możemy powiedzieć sygnału

nazywamy rozprzestrzenianiem elektrotonicznym.

Napiszmy to

Rozprzestrzenianie elektrotoniczne. Albo inaczej :

Jest to rozprzestrzenianie się potencjału elektrotonicznego.

Jest parę rzeczy charakterystycznych tego zjawiska:

1. jest ono pasywne.

Cześć, którą narysowaliśmy tutaj

NIE jest omawianym zjawiskiem.

Rozprzestrzenianie się potencjału elektrotonicznego zachodzi chwilę później

- gdy osiągniemy wysokie stężenie jonów tutaj,

w krótkim czasie po tym otrzymamy wysokie

stężenie jonów tutaj

a jeszcze chwilę potem

wysokie stężenie zawędruje tutaj.

To jest zjawisko pasywne.

Ta zjawisko tutaj jest pasywne.

2. Dodatkowo potencjał ten zanika.

Sygnał staje się słabszy i słabszy czym bardziej oddalamy się

od źródła napływu jonów, ponieważ jony coraz bardziej

rozprzestrzeniają się.

Tak więc zjawisko to jest pasywne i zanika.

Teraz powtórzymy ta sytuację, ale

dodajmy jeszcze napięciowo-zależne

kanały jonowe tutaj.

Powiedzmy, że tutaj gdzie rysuje

powiedzmy, że to napięciowo - zależny kanał sodowy.

Zaużmy, że otwiera się on przy potencjale -55 mV

Wypada to mniej więcej tutaj.

Kanał otwiera się przy napięciu -55mV.

Tutaj narysuję tę wartość progową.

Załużmy również, że kanał ten zamyka się przy potencjale 40 mV.

tutaj (+40mV)

tutaj (+40mV)

Załużmy również, że mamy też obecny kanał potasowy

gdzieś tutaj.

Takie potasowe kanały- tzw. cieknące

kanały są jedną z głównych przyczyn

obecności różnicy potencjałów w poprzek błony neuronu.

Taki potasowy kanał, załużmy,

otwiera się gdy ten się zamyka

tak więc potasowy, dla przykładu

- nie będzie to dokładna wartość, ale aby

zobrazować Ci mechanizm - otwiera się przy potencjale +40mV

Zaużmy, że zamyka się przy potencjale -80 mV.

Otwiera się więc tutaj a zamyka tutaj.

Co się teraz stanie?

Tak jak widzieliśmy wcześniej- pozwólmy na napływ

odrobiny pozytywnego ładunku - określmy to - z lewej strony

naszego neuronu. Z uwagi na zjawisko rozprzestrzeniania się elektrotonicznego ładunku

chwilę później zauważymy,

że potencjał w poprzek błony w tym punkcie

zaczyna być mniej negatywny (depolaryzuje się).

Różnica potencjałów (w poprzek błony)

staje się coraz mniejsza - dokładnie tak jak widzieliśmy w poprzednim przykładzie.

staje się mniej negatywna, ALE:

nie zobaczymy tylko małego wzgórka na wykresie

napięcia, który wraca potem do poziomu początkowego-

ponieważ co dzieję się przy potencjale -55mV?

Kanały sodowe otwierają się.

Kanały sodowe otwierają się ponieważ został osiągnięty

próg napięciowy, przy którym następuje nagły napływ sodu do wnętrza komórki.

Co to spowoduje?

Spowoduje to znaczne i nagłe podniesienie potencjału w neuronie (spike)

wygląda to mniej więcej tak.

jony sodowe wpływają i wpływają.

potencjał staje się coraz bardziej pozytywny.

Pamietaj! Jony wpływają do wewnątrz

z dwóch powodów:

1. Tu jest więcej ładunku +,

więcej dodatnich jonów jest na zewnątrz niż wewnątrz

Ładunek podąża więc zgodnie z gradientem napięcia.

podąża zgodnie z gradientem napięcia/ zgodnie z gradientem potencjału

ale 2. tu jest też wyższa koncentracja jonów sodu

na zewnątrz niż wewnatrz - ponieważ obecna jest w błonie

pompa sodowo-potasowa, tak więc jony przepływają też zgodnie

z gradientem koncentracji.

Tak więc, jony sodowe napływają, nawet przekraczając punkt

w którym gradient napięcia wyrównuje się, ale

z uwagi na gradient koncentracji

sód napływa dalej.

w końcu, docierając do wartości +40 mV

kanał sodowy zamyka się,

Zatrzymując napływ sodu.

Jednocześnie również kanały potasowe otwierają się.

W tym momencie potencjał

wewnątrz jest bardziej dodatni niż na zewnątrz,

przynajmniej lokalnie -tutaj.

w tej sytuacji mamy pozytywne jony potasowe

chcące wydostać się na zewnątrz

z tego pozytywnie naładowango obszaru.

Napięcie staje się więc bardziej negatywne,

Maleje nawet poniżej zera ponieważ, znów:

potas będzie podążał za gradientem napięcia

- przez chwilę - do póki jest więcej jonów dodatnich

wewnątrz neuronu niż na zewnątrz.

Ale również potas

będzie chciał podążać za gradientem stężenia.

Tutaj jest wyższe stężenie potasu

-wyższe wewnątrz niż na zewnatrz, z powodu

obecności pompy sodowo-potasowej.

Tak więc potas będzie wypływał

po za błonę aż do osiągnięcia przez błonę

potencjału -80mV, gdy kanały potasowe zamykają się.

Następnie potencjał może

wrócić do pierwotnego stanu spoczynkowego.

Dlaczego więc jest to ważne?

Do tej pory rozważaliśmy rozprzestrzenianie się ładunku (dysypacje ładunku).

Sygnal stawał się coraz słabszy i słabszy

i w pewnej odlgłości byłoby już

bardzo ciężko zauważyć ten sygnał.

I co w drugim przykladzie zauważylismy

to znaczne wzmocnienie sygnału.

Wzmocniony sygnał, parę chwil dalej,

gdybyś zmierzył różnicę potencjałów tutaj (żółty woltomierz),

- ponieważ te jony próbują oddalić się od siebie

znów zauważamy zjawisko dysypacji ładunku (rozprzestrzeniania się ładunku elektrotonicznego).

Jeśli zmierzyłbyś różnicę potencjału w poprzek błony

tu gdzie żółty voltomierz na rysunku,

w poprzednim przykładzie otrzymaliśmy tylko małe wybrzuszenie

spowodowane dysypacją ładunku, tutaj

otrzymamy całkiem pokaźne wybrzuszenie (na naszym wykresie)

I jeśli miałbyś inne kanały zależne napięciowo

trochę dalej - tutaj, sygnał zostałby znów wzmocniony.

Tak więc ten rodzaj aktywnego wzmacniania napięcia

nazywamy POTENCJAŁEM CZYNNOŚCIOWYM.

POTENCJAŁEM CZYNNOŚCIOWYM

Możemy patrzeć na to jak na wzmocnienie sygnału.

Sygnał rozprzestrzenia się, po czym

napotyka na napięciowo - zależny kanał jonowy, otwierając go,

w konsenkwencji to wzmacnia znów nasz sygnał.

I jak mogliśmy zauważyć, neuron używa kombinacji mechanizmów

które opisaliśmy w celu rozprzestrzeniania sygnału/ informacji,

w celu przekazania sygnału w sposób

pasywny ale również - wzmacniając go,