معلومة

حركة عدد قليل من الأيونات أثناء التغيرات في إمكانات الغشاء


سؤالي بسيط للغاية: لماذا يكفي عدد قليل جدًا من الأيونات (مثل 1 في 100000 كلفن +) للتحرك عبر الغشاء لتوليد تباين ملحوظ في إمكانات الغشاء (مثل تغيير 100 مللي فولت) ؟؟

أخذت الأمثلة من كتابي الجامعي ، والذي ، رغم ذلك ، لا يفسر السبب وراء هذا البيان. هل لأنه خلال هذا الحدث تتغير النفاذية بشكل كبير بحيث لا يجب أن يكون عدد الأيونات كبيرًا جدًا؟

هل يستطيع احد مساعدتي؟ شكرا لك!


حركة القليل من الأيونات أثناء التغيرات في إمكانات الغشاء - علم الأحياء

تعتمد وظائف الجهاز العصبي - الإحساس والتكامل والاستجابة - على وظائف الخلايا العصبية الكامنة وراء هذه المسارات. لفهم كيفية قدرة الخلايا العصبية على التواصل ، من الضروري وصف دور غشاء متحمس في توليد هذه الإشارات. أساس هذا الاتصال هو جهد الفعل ، الذي يوضح كيف يمكن للتغيرات في الغشاء أن تشكل إشارة. إن النظر إلى الطريقة التي تعمل بها هذه الإشارات في ظروف أكثر تنوعًا يتضمن نظرة على الإمكانات المتدرجة ، والتي سيتم تناولها في القسم التالي.


ما هي إمكانية العمل؟

إذن ، ما هي إمكانية العمل؟ تميل العديد من التعريفات إلى أن تكون معقدة للغاية ، خاصة عندما تتعلم عن إمكانات العمل لأول مرة. لكشف اللغز تمامًا ، يجب أن ننظر أولاً إلى معنى المصطلح.

كلمة "إمكانية" ، في هذه الحالة ، لا تعني فرصة تحقيق شيء ما ، ولكنها تشير إلى جهد كهربائي. هذا مجال طاقة مستمر يرتبط عادةً بمجال الفيزياء. في علم الأحياء ، تم العثور على الإمكانات على الحواف الداخلية والخارجية لأغشية الخلايا. الطاقة الكامنة هي طاقة مخزنة ، وهذا هو سبب استمرارها. عندما تكون الكرة ثابتة ، فإنها تمتلك طاقة كامنة. عندما لا تنطلق إحدى الخلايا العصبية ، فإنها تمتلك طاقة كامنة. بدلاً من القول بأن الخلية - أو بالأحرى غشاءها - لديها طاقة كامنة ، نقول إن لديها إمكانية راحة.

عندما يتم تطبيق القوة على الكرة ، فإنها ستتحرك. تتغير الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية أو طاقة الحركة. هذه القوة لا تنتجها الكرة ولكنها تأتي من مصدر خارجي يستبدل الطاقة الكامنة بالطاقة الحركية. عندما تنفد هذه الطاقة الحركية (ولا يتم تطبيق المزيد من القوة الخارجية) ، تتوقف الكرة. ثم تمتلك الطاقة الكامنة مرة أخرى.

في غشاء الخلية ، تسبب الذرات المشحونة التي تسمى الأيونات ما يعادل الحركة - فهي تسبب الحركة. عندما لا تنطلق إحدى الخلايا العصبية وعندما لا يسمح غشاء الخلية لكميات كبيرة من منتجات معينة (سنتحدث عنها لاحقًا) بالدخول إلى الخلية أو مغادرتها ، فإن هذه الخلية لديها إمكانية الراحة. عندما يتم تحفيز النشاط الكهربائي ، يتوقف الجهد عن الراحة لأن القوى الخارجية تخلق حركة كهربائية - جهد فعل.

عادة ما تحتوي الذرة على نفس عدد البروتونات الموجبة مثل الإلكترونات السالبة. إذا لم يحدث ذلك ، فإنه يحاول الانضمام إلى ذرات أخرى بحيث تكون هذه الشحنات متشابهة ويمكن أن تكون الذرة مستقرة. في الحالة المحايدة ، تكون الذرة مجرد ذرة. عندما يحتوي على عدد كبير جدًا من الإلكترونات ، سيكون له شحنة سالبة ويسمى أيون سالب الشحنة. إذا كانت تحتوي على عدد قليل جدًا من الإلكترونات (عدد البروتونات يبقى كما هو) ، فإن الشحنة الموجبة للبروتون تكون أكبر وتسمى الذرة أيون موجب الشحنة. هذه الأيونات مهمة للغاية عند الحديث عن الإشارات الكهربائية في شكل جهود فعل. الخلايا التي تستخدم إمكانات العمل هي الخلايا العصبية وخلايا العضلات.


نفاذية القنوات المتسربة:

ترتبط نفاذية هذه القنوات بأيونات معينة. تظهر النفاذية بواسطة أيونات الصوديوم والبوتاسيوم الموجودة في مضخة الصوديوم والبوتاسيوم. تنظم هذه المضخة إمكانات غشاء الراحة للخلايا العصبية.

نظرًا لأن عدد أيونات الصوديوم الموجودة على السطح الخارجي للخلية أعلى ، إلا أن عدد أيونات البوتاسيوم أعلى داخل الخلية. تمرر هذه المضخة أيونات البوتاسيوم خارج الخلية بشكل أسرع وتمرر أيونات الصوديوم داخل الخلية بمعدل أبطأ.

سيخلق هذا شحنة أنيونية داخل غشاء الخلية وشحنة كاتيونية خارج غشاء الخلية.

نتيجة لذلك تشكلت إمكانات سلبية فوق الغشاء المسؤول عن دفع الأيونات داخل وخارج الخلية.


النقل الفعال للأحماض الأمينية

يتم أيضًا التوسط في النقل النشط للأحماض الأمينية بواسطة Na + cotransport.

كم عدد أيونات الصوديوم اللازمة لتوفير الطاقة الحرة لنقل جزيء حمض الجلوتاميك من تركيز 0.1 مم خارج الزنزانة حتى 20 مم داخل الزنزانة؟

مرة أخرى ، افترض أن درجة الحرارة 37& degC (310& degK).

7 ، تحمل جزيئات حمض الجلوتاميك صافي شحنة ناقص 1 [رأي].

  • تدرج تركيز (20 / 0.1 = 200) وأ
  • التدرج الكهروستاتيكي (تحريك شحنة سالبة مقابل فولطية & ناقص 70 بالسيارات).

لأن أيونات الصوديوم تطلق فقط 3.3 كيلو كالوري / مول (أعلاه) ، هناك حاجة على الأقل 2 Na + لنقل جزيء واحد من حمض الجلوتاميك.


إمكانات العمل

جهد الفعل هو انعكاس قصير لإمكانات الغشاء حيث يتغير إمكانات الغشاء من -70 مللي فولت إلى + 30 مللي فولت. عندما يصل غشاء تلة العصبون المحوري إلى العتبة ، يحدث تغيير سريع في إمكانات الغشاء في شكل جهد فعل.

هذا التغيير المتحرك في إمكانات الغشاء له ثلاث مراحل. الأول هو إزالة الاستقطاب ، ثم عودة الاستقطاب وفترة قصيرة من الاستقطاب المفرط. تحدث هذه الأحداث الثلاثة خلال بضعة أجزاء من الألف من الثانية.

إمكانات العمل: A. التخطيطي و B. العمل الفعلي التسجيلات المحتملة. جهد الفعل هو مثال واضح على كيفية عمل التغييرات في إمكانات الغشاء كإشارة.

  • يحدث نزع الاستقطاب ، الذي يُطلق عليه أيضًا مرحلة الصعود ، عندما تندفع أيونات الصوديوم موجبة الشحنة (Na +) فجأة عبر قنوات الصوديوم المفتوحة ذات الجهد الكهربائي إلى خلية عصبية. مع اندفاع صوديوم إضافي إلى الداخل ، فإن إمكانات الغشاء تنعكس في الواقع قطبيتها. أثناء هذا التغيير في القطبية ، يطور الغشاء فعليًا قيمة موجبة للحظة (+40 ملي فولت).
  • تحدث مرحلة عودة الاستقطاب أو السقوط بسبب الإغلاق البطيء لقنوات الصوديوم وفتح قنوات البوتاسيوم ذات الجهد الكهربائي. نتيجة لذلك ، تنخفض نفاذية الغشاء إلى الصوديوم إلى مستويات الراحة. مع انخفاض دخول أيون الصوديوم ، تنفتح قنوات البوتاسيوم ذات الجهد البطيء وتندفع أيونات البوتاسيوم خارج الخلية. يعمل هذا الطرد على استعادة إمكانات الغشاء السلبي للخلية.
  • فرط الاستقطاب هو مرحلة تظل فيها بعض قنوات البوتاسيوم مفتوحة ويتم إعادة ضبط قنوات الصوديوم. تؤدي فترة زيادة نفاذية البوتاسيوم إلى تدفق مفرط للبوتاسيوم قبل إغلاق قنوات البوتاسيوم. ينتج عن هذا فرط الاستقطاب كما يظهر في انخفاض طفيف بعد الارتفاع.

إن انتشار جهد الفعل مستقل عن قوة التحفيز ولكنه يعتمد على فترات الانكسار. الفترة من فتح قنوات الصوديوم حتى تبدأ قنوات الصوديوم في إعادة الضبط تسمى فترة الانكسار المطلق. خلال هذه الفترة ، لا يمكن للخلايا العصبية الاستجابة لمنبه آخر ، مهما كانت قوته.


فترة الحراريات المطلقة:

فقط بعد أن تولد العصبون جهد فعل ، لا يمكنه توليد واحد آخر. العديد من قنوات الصوديوم غير نشطة ولن تفتح ، بغض النظر عن الجهد المطبق على الغشاء. معظم قنوات البوتاسيوم مفتوحة. تسمى هذه الفترة بفترة الانكسار المطلق. لا يمكن للخلايا العصبية توليد جهد فعل لأن الصوديوم لا يمكن أن يتحرك من خلال قنوات غير نشطة ولأن البوتاسيوم يستمر في التحرك من خلال قنوات مفتوحة ذات جهد كهربائي. لا يمكن للخلايا العصبية توليد جهد فعل خلال فترة الانكسار المطلق.


كيف تستشعر القنوات الأيونية إمكانات الغشاء

إن فهم الأعمال الداخلية للقناة الأيونية ، في السنوات العديدة الماضية ، قد اختصر في البحث عن الرسوم المتحركة الهيكلية الديناميكية التي تلتقط جوهر السلوك الفيزيائي الحيوي للقناة. كان النهج الرئيسي لتحقيق هذه الغاية هو دراسة "البنية - الوظيفة" حيث يتم تحور البقايا المختارة ويتم استكشاف النتائج الوظيفية من الناحية الكهربية. غالبًا ما يتم الكشف عن المناطق المهمة وظيفيًا لبروتين القناة الأيونية من هذا النوع من التجارب. ومع ذلك ، فإن هذه الدراسات عادة ما تكون خالية من أي شيء يقترب من البيانات الهيكلية الحقيقية. لذلك ، فإن نماذج الرسوم المتحركة التي تصور ، على سبيل المثال ، طريقة فتح القنوات الأيونية وإغلاقها هي تخيلات إلى حد كبير ، بغض النظر عن مقدار البصيرة التي توفرها. تغير هذا النقص بشكل كبير مع أول بنية بلورية لقناة البوتاسيوم البكتيرية (1). تضمنت أهمية هذا الاختراق العلمي الإدراك الواقعي بأن دراسات الهيكل والوظيفة القياسية يمكن أن تؤدي إلى تنبؤات هيكلية سخيفة ، مما يبرز أهمية هياكل المستوى الذري لمرافقة الدراسات الوظيفية.

إن الخاصية الأكثر جاذبية للقنوات الأيونية المسؤولة عن إمكانات العمل في الخلايا القابلة للاستثارة (الخلايا العصبية والعضلية) هي حساسيتها الرائعة للتغيرات الصغيرة في إمكانات الغشاء. يمكن القول إن هذه هي السمة الأكثر تمحيصًا لهذه البروتينات منذ أن وصف هودجكين وهكسلي (2) تيارات الصوديوم والبوتاسيوم لأول مرة في محور الحبار العملاق في عام 1952. ومع ذلك ، على الرغم من وفرة الدراسات الفيزيولوجية الكهربية ووفرة الرسوم المتحركة المهملة ، ظلت بنية القناة الأيونية ذات الجهد الكهربائي بعيدة المنال حتى عام 2003 ، عندما حصل مختبر ماكينون على بنية بلورية لقناة البوتاسيوم KvAP (3). أدت دراسة وظيفية لـ KvAP بواسطة نفس المجموعة إلى اقتراح ، يُعرف باسم "نموذج مجذاف مستشعر الجهد" (4) ، كان مفاجئًا للغاية ومتناقضًا على ما يبدو مع مجموعة متنوعة من البيانات التجريبية السابقة لدرجة أنه أثار جدلاً واسع النطاق (على سبيل المثال ، انظر المراجع 5-7) ومجموعة من الدراسات التجريبية الجديدة. تتعارض نتائج معظم هذه الدراسات مع نموذج المضرب ، بما في ذلك تلك الموجودة في مقالة غونزاليس. وآخرون. (8) في هذا العدد من PNAS.

في عصر BP (قبل المجذاف) ، تم عرض قنوات البوتاسيوم ذات الجهد الكهربائي لتكون رباعيات حيث تحتوي كل وحدة فرعية على ستة أجزاء عبر الغشاء (الشكل 1).أ ). الجزء الرابع من الغشاء ، S4 ، هو مستشعر الجهد الرئيسي للقناة (9). كل بقايا ثالثة من S4 أساسية ، وعادة ما تكون أرجينين ، وتحييد أي من الأربعة الأولى من هذه الأرجينين يقلل من حساسية القناة للتغيرات في إمكانات الغشاء. الرأي المتفق عليه هو أن مقطع S4 الموجب الشحنة يمكن نقله كهربائيًا عبر المجال الكهربائي للغشاء استجابةً للتغيرات في إمكانات الغشاء ، تتحكم هذه الحركة في ما إذا كان مسار التخلل متاحًا لتدفق الأيونات. إن الطريقة التي يتحرك بها مقطع S4 بالضبط تميز نموذج المجداف عن جميع النماذج الأخرى. في العديد من نماذج عصر BP ، يكون الجزء S4 محاطًا إلى حد كبير بالمحاليل المائية وينقل شحنته عبر حشية كارهة للماء مصنوعة أساسًا من البروتين (الشكل 1).ب ). على الرغم من أنه تم اقتراح العديد من الاختلافات حول هذا الموضوع ، إلا أن جميعها تتضمن حركة فيزيائية صغيرة للأرجينينات الخارجية الأربعة من خلال مجال كهربائي شديد التركيز بواسطة الدهاليز المائية المحيطة بقطعة S4 (9). في كل هذه النماذج ، تنقل السلاسل الجانبية لـ S4 أرجينين شحناتها عبر التضاريس البروتينية. في نموذج المجذاف ، يشكل المقطع S4 واللولب الطرفي C للمقطع S3 (S3b) هيكلًا مضغوطًا (مجداف مستشعر الجهد) يمتد إلى الدهون في محيط بروتين القناة (الشكل 1).ج ). استجابة لتغير إمكانات الغشاء ، يتحرك المضرب لمسافة كبيرة (15-28 المرجعان 4 و 10) عبر الشحوم ، ويجمع حمولته من الشحنات الموجبة جنبًا إلى جنب مع S3b.

نماذج من الطوبولوجيا وحركة استشعار الجهد. يشار إلى الغشاء بخطوط أفقية. (أ) طوبولوجيا وحدة فرعية لقناة البوتاسيوم مع ستة مقاطع غشائية (S1 - S6). المقطع S3 مقسم إلى حلزوني ، S3a و S3b. قطعة S4 باللون الأحمر. (ب) النموذج التقليدي لحركة مستشعر الجهد. يتم عرض اثنتين من الوحدات الفرعية الأربعة (مقطعتان إلى شرائح لكشف "المسام النابضة") مع مسار تغلغل الأيونات بينهما. تتم إزالة الوحدات الفرعية الأمامية والخلفية للتوضيح. يمثل الرمادي البروتين. إزالة الاستقطاب (حق) يحرك الجزء خارج الخلية من المقطع S4 (أحمر) للخارج من خلال مسام بوابة قصيرة كارهة للماء ، مما يفتح مسار التخلل. معظم الجزء S4 محاط بردهات ماء. يقع المجال الكهربائي عبر الغشاء بشكل أساسي عبر مسام البوابة. (ج) نموذج مجداف ، مقتبس من المرجع. 4. يتم عرض وحدتين فرعيتين متعارضتين. يعمل نزع الاستقطاب على تحريك المضرب للخارج من خلال الدهون ، مما يؤدي إلى فتح بوابة التنشيط السيتوبلازمية. يقع المجال الكهربائي عبر الغشاء الذي يشعر به الأرجينين S4 بشكل رئيسي عبر الدهون. ب و ج مقتبسة من المرجع. 11.

ما المثير للجدل حول نموذج المجداف؟ هذا يعتمد على كيفية تعريفه. في النسخة الأصلية المنشورة (الشكل 5 في المرجع 4) ، تم توجيه مقاطع S2 و S3a في نفس المستوى مثل الطبقة الثنائية ، مع وجود الوصلات S1 – S2 و S2 – S3 مدفونة داخل الدهون. في نسخة معدلة (10) ، تم تدوير جميع المقاطع S1 - S4 في اتجاهات عبر الغشاء ، بما يتفق مع البيانات التجريبية على طوبولوجيا قناة البوتاسيوم (5-7). قدم نموذج المجذاف الأصلي أيضًا الفكرة غير المستساغة بقوة بأن السلاسل الجانبية للأرجينينات الحاملة للشحنة تعبر الغشاء في ارتباط وثيق مع النواة الهيدروكربونية للطبقة الثنائية بدلاً من البروتين. تشير البيانات التجريبية اللاحقة إلى خلاف ذلك (11-13) ، وهناك متغير أحدث من النموذج ، على الرغم من تجسيده جزئيًا فقط ، يعترف بهذا التكيف (10). تمت مناقشة الجوانب الأخرى المثيرة للجدل لنموذج المجداف في مكان آخر (5-7).

في غضون عامين ، تحول نموذج المجذاف إلى شيء أقرب إلى النماذج السابقة. لكي نكون منصفين ، فقد اتخذت هذه النماذج القديمة أيضًا ميزة واحدة لنموذج المجداف. في العديد من المقترحات السابقة ، بما في ذلك العديد من المقترحات من مختبري ، تم عزل شريحة S4 تمامًا عن الدهون. نحن وآخرون نعترف الآن أنه على الرغم من أن المنطقة التجارية التي تنقل S4 من خلالها شحناتها تحتوي على بروتينات ، على الأقل فإن بعض الجزء الخلفي من S4 معرض للدهون. ومع ذلك ، لا تزال فئتا النماذج تختلفان في جانب رئيسي واحد ، وهو الحجم المادي لحركة S4. يقترح نموذج المجذاف إزاحة غشاء أكبر بكثير للجزء S4 ، لأن السلاسل الجانبية للأرجينين الحرجة يجب أن تتحرك على الأقل 80٪ من المسافة عبر المجال الكهربائي الواسع للطبقة الثنائية. في النماذج التقليدية ، تحتاج هذه الشحنات فقط إلى عبور مجال كهربائي مركّز (على سبيل المثال ، الشكل 1ب ) ، وهي مسافة قد تمتد عبر عدد قليل من الأنجستروم (9). تم اختبار هذه الميزة المميزة بشكل تجريبي بواسطة غونزاليس وآخرون. (8).

الحركة الكبيرة للمجداف لها عواقب. يحرك جهد الغشاء الطرف N لـ S4 بين الأجزاء المائية على جوانب متقابلة من الغشاء (14 ، 15). إذا كانت حركة S4 كبيرة ، فيجب أيضًا سحب S3b معها. وبالتالي ، إذا كانت بقايا S3b متاحة للمحلول خارج الخلية عند الفولتية المستقطبة ، فعند الفولتية المفرطة الاستقطاب ، يجب أن تُدفن هذه البقايا إما في الدهون أو في أقصى اجتياز للجانب السيتوبلازمي. علاوة على ذلك ، نظرًا لأن S4 تنقل شحناتها الخارجية عبر المجال الكهربائي ، فإن حركة S4 الكبيرة فعليًا يجب أن تحمل أي بقايا مشحونة على S3b جزئيًا على الأقل خلال المجال الكهربائي. على النقيض من ذلك ، تتنبأ النماذج التقليدية ذات الحركة الصغيرة بأن S3b سيبقى بالقرب من السطح خارج الخلية في جميع الفولتية وأن البقايا المشحونة على S3b لن تساهم في الحمل الذي تحمله الأرجينين S4. جونزاليس وآخرون. (8) اختبرت إمكانية الوصول المعتمدة على الجهد لبقايا S3b عن طريق مسح السيستين باستخدام ميثانيثوسولفونات-إيثيل ترايميثيل الأمونيوم (MTSET) ، وهو كاشف سيستين مشحون بشكل دائم مستبعد من الدهون الكارهة للماء. أيضًا ، قاموا باختبار ما إذا كانت السلاسل الجانبية لبقايا S3b تتحرك عبر المجال الكهربائي عن طريق تغيير شحنة هذه البقايا وتحديد ما إذا كان هذا يؤثر على العدد الإجمالي للشحنات المقترنة بفتح القناة.

تم فحص إمكانية الوصول المعتمدة على الجهد للسيستين التي تم إدخالها في S3b مسبقًا (16 ، 17) ، وفي كلتا الدراستين ، كان من الممكن الوصول إلى السيستين إلى MTSET خارج الخلية عند الفولتية المفرطة الاستقطاب. جونزاليس وآخرون. (8) مدد الفحص وصولاً إلى الطرف C من S3a (البقايا I315) في شاكر قنوات البوتاسيوم. كان I315C المتحول متفاعلًا بشكل متساوٍ مع MTSET خارج الخلية عند –110 mV كما هو الحال عند +100 mV. ومع ذلك ، يمكن القول أن هذه النتائج لا تتعارض بشكل مباشر مع نموذج المجداف الذي تم تطويره في الأصل لقناة KvAP ، والتي تحتوي على رابط قصير جدًا (3-aa) بين S3b و S4. مع هذا الرابط القصير ، من الصعب تخيل كيف يمكن لـ S4 التحرك لمسافة كبيرة دون سحب S3b معها. لكن، شاكريحتوي الرابط S3 – S4 على 26 وحدة بنائية ، مما يترك احتمال أن يقوم S4 بسحب الرابط وترك المقطع S3b ثابتًا نسبيًا. جونزاليس وآخرون. (8) قضى على هذا النقد عن طريق قطع معظم الرابط ، تاركًا ثلاثة مخلفات فقط ، كما هو الحال في KvAP. يعرض هذا البناء بوابات عادية نسبيًا مع قدر كبير من الاعتماد على الجهد مثل النوع البري شاكر قناة (18). لا يمكن تقريبًا تمييز النتائج مع قناة الارتباط القصير ، بما في ذلك تلك الخاصة بـ I315C mutant ، عن تلك التي تحتوي على قناة الارتباط الطويل وتتجادل ضد حركة الغشاء الكبيرة لمقطع S4 أثناء حركة الشحن.

جونزاليس وآخرون. (8) طبق الاختبار الثاني لنموذج المجداف. إذا نقل S4 شحناته لمسافة طويلة عبر المجال الكهربائي ، فيجب عليه أيضًا نقل بقايا المجذاف الأخرى ، سواء كانت مشحونة أم لا ، عبر المجال الكهربائي. لذلك ، يجب أن تؤثر أي تغييرات في الشحنة الإجمالية لبقايا المجذاف على اعتماد الجهد للبوابة. تم تقدير عدد الشحنات التي تم نقلها بالكامل عبر المجال الكهربائي أثناء البوابة من خلال شدة اعتماد الجهد على فتح القناة عند الفولتية السالبة للغاية ، طريقة "المنحدر المحدد" (19 ، 20). جونزاليس وآخرون. وجد (8) أنه حتى التغييرات الجذرية في إجمالي الشحنة ، على سبيل المثال ، تحييد أربع بقايا حمضية متتالية في نهاية S3b خارج الخلية (إجمالي 16 شحنة أولية للوحدات الفرعية الأربعة) ، لم يكن لها أي تأثير على عدد الشحنات المقترنة بالبوابة . علاوة على ذلك ، لم يكن لتغييرات الشحن في منتصف S3b أي تأثير على الحد من المنحدر في بنية الرابط القصير. تتوافق هذه النتائج مع دراسة سابقة (11) حيث تم تغيير شحنة بقايا المجذاف ليس عن طريق الطفرة ولكن عن طريق ربط المقاربات المشحونة بالسيستين المُدخل. كل هذه النتائج غير متسقة مع الحركة الكبيرة لقطعة S4 أثناء البوابة ، وهي سمة مميزة لنموذج المجداف.

على الرغم من الجهود المكثفة لفهم حركة مستشعر الجهد ، لا يوجد نموذج إجماع. يرجع هذا جزئيًا إلى صعوبة الحصول على بيانات بلورية لبروتين غشائي مصمم ليكون مرنًا بدرجة كافية للاستجابة بسرعة للتغيرات الصغيرة في إمكانات الغشاء. علاوة على ذلك ، فإن فهم حركة الشحنات عبر المجال الكهربائي يعتمد على بعض الفهم "لبنية" المجال الكهربائي في مركب بروتين-دهني تغزوها الشقوق المائية ، والتي قد تغير شكلها بشكل كبير عندما يخضع البروتين لتغيرات توافقية. الخبر السار هو أن كادرًا متحمسًا من الباحثين يهاجم هذه المشكلة بنشاط بمجموعة رائعة من الأدوات التجريبية والنظرية.


الأهمية السريرية - التصلب المتعدد

التصلب المتعدد (MS) هو اضطراب مناعي ذاتي مزمن مكتسب يؤثر على الجهاز العصبي المركزي. أنه يؤدي إلى إزالة الميالين داء الدبقي ، وتلف الخلايا العصبية. المظاهر الشائعة للمرض هي التهاب العصب البصري ، والتهاب النخاع المستعرض ، وأعراض المخيخ مثل الرنح.

& # 91caption align = "aligncenter" & # 93 الشكل 5 - رسم بياني يوضح الأعراض الرئيسية التي قد يصاحبها التصلب المتعدد & # 91 / شرح & # 93

هناك ثلاثة أنماط رئيسية للمرض:

  • الانتكاس - يواجه المرضى نوبات مغفرة (لا تظهر خلالها أعراض) وتفاقم المرض.
  • الثانوية التقدمية - في البداية ، يكون MS من نمط الانتكاس - التحويل. ومع ذلك ، في مرحلة ما ، يتغير مسار المرض ، وتتدهور الوظيفة العصبية تدريجيًا.
  • الابتدائية التقدمية - بعد ظهور المرض ، هناك تطور مطرد وتفاقم المرض.

لا يوجد علاج معروف لمرض التصلب العصبي المتعدد. ومع ذلك ، فقد أثبتت بعض العلاجات فائدتها من حيث إدارة النوبات الحادة ، ومنع التفاقم ، وإبطاء الإعاقة. على سبيل المثال ، جرعات عالية من الوريد الستيرويدات القشرية يمكن أن يساعد في تخفيف الأعراض في التفاقم الحاد.


مستقبلات الناقل العصبي

هناك نوعان متميزان من مستقبلات الناقل العصبي يمكن أن يؤدي إلى تغيير في إمكانات الغشاء لخلية ما بعد المشبكي: القنوات الأيونية الترابطيةوالمستقبلات المرتبطة بالبروتين G. سيتم وصف القنوات الأيونية ذات بوابات Ligand أدناه ، وفي برنامج تعليمي مستقبلي حول إشارات الخلية ستتعلم المزيد عن المستقبلات المرتبطة بالبروتين G. في حالة عدم وجود ناقل عصبي ، يتم إغلاق القناة الأيونية المرتبطة بالرباط أمام تدفق الأيونات. المعاد ذكره ، المسام الذي تتدفق خلاله الأيونات مسدود أو مسدود. عندما يرتبط المستقبل بالناقل العصبي ، يتم إحداث تغيير توافقي يسمح للبوابة بالفتح وتتدفق الأيونات عبر القناة (انظر الشكل 6). يكون تدفق الأيونات سريعًا ومختصرًا ، مما يؤدي إلى تغيير في إمكانات الغشاء. بمجرد أن يرتبط الرابط بالمستقبل ، فإنه ينفصل عنه بسرعة وتعود القناة إلى الحالة المغلقة. عادةً ما يكون عمر النصف للناقلات العصبية في الشق المشبكي قصيرًا جدًا ، في حدود أجزاء من الألف من الثانية. يضمن إنهاء تدفق النواقل العصبية أن الخلية ما بعد المشبكية يمكنها إعادة إنشاء إمكانات الراحة وتكون جاهزة لتلقي إشارة أخرى من الخلية قبل المشبكية. يحدث تطهير الناقل العصبي من الشق المشبكي بطريقتين: التحلل الأنزيمي أو إعادة امتصاص (الارتشاف مرة أخرى في الخلايا قبل المشبكية بواسطة بروتينات ناقلة محددة).


مراحل جهد العمل ودور القنوات الأيونية المسورة # 038

1. تمتلك جميع الخلايا إمكانات غشائية ، إلا أن أنواعًا معينة من الخلايا ، بما في ذلك الخلايا العصبية وخلايا العضلات ، لديها القدرة على إحداث تغييرات في إمكانات الغشاء. مجتمعة تسمى هذه الخلايا بالخلايا المثيرة. يُطلق على إمكانات الغشاء لخلية قابلة للاستثارة في حالة الراحة (غير مستثارة) إمكانية الراحة ، وقد يؤدي التغيير في جهد الراحة إلى نبضة كهربائية نشطة.

2 تحتوي الخلايا العصبية على قنوات أيونية خاصة تسمى القنوات الأيونية المسورة

أهيب بالخلية أن تغير إمكاناتها الغشائية استجابةً للمنبهات التي تتلقاها الخلية. إذا فتح المنبه قناة بوتاسيوم ، فستحدث زيادة في تدفق البوتاسيوم ، وستصبح إمكانات الغشاء أكثر سلبية. تسمى هذه الزيادة في التدرج الكهربائي عبر الغشاء أ فرط الاستقطاب. إذا كانت القناة التي تم فتحها بواسطة المنبه عبارة عن قناة صوديوم ، فسيحدث تدفق متزايد للصوديوم ، وستصبح إمكانات الغشاء .أقل سلبية. يسمى هذا الانخفاض في التدرج الكهربائي أ نزع الاستقطاب. تسمى تغييرات الجهد الناتجة عن التحفيز من هذا النوع إمكانات متدرجة لأن حجم التغيير (إما فرط الاستقطاب أو نزع الاستقطاب) يعتمد على قوة المنبه: المحفزات الأكبر ستفتح المزيد من القنوات وستنتج تغيرًا أكبر في النفاذية.

  1. في خلية قابلة للاستثارة ، مثل الخلايا العصبية ، تكون الاستجابة لإزالة الاستقطاب
    يتم تصنيف المنبه مع شدة التحفيز فقط إلى مستوى معين من إزالة الاستقطاب ، يسمى عتبة المحتملة. إذا وصل نزع الاستقطاب إلى الحد الأدنى ، فإن نوعًا مختلفًا من الاستجابة يسمى إمكانات العمل، سيتم تشغيله.
  2. جهد الفعل هو الدافع العصبي. إنها غير متفرعة حدث الكل أو لا شيء ، وهذا يعني أن حجم جهد الفعل لا يعتمد على قوة منبه إزالة الاستقطاب الذي أنتجه ، بشرط أن يكون نزع الاستقطاب كبيرًا بما يكفي للوصول إلى العتبة. بمجرد تشغيل جهد الفعل ، تمر إمكانات الغشاء عبر سلسلة نمطية للتغييرات.
  3. خلال مرحلة إزالة الاستقطاب ، تنعكس قطبية الغشاء لفترة وجيزة ، حيث يصبح الجزء الداخلي للخلية إيجابيًا مقارنة بالخارج. يتبع هذا بسرعة شديدة مرحلة عودة الاستقطاب ، حيث يعود الغشاء المحتمل إلى مستوى الراحة. الشكل 2.5.
  4. قد تكون هناك أيضًا مرحلة تسمى عجز عن الرمية حيث يكون جهد الغشاء أكثر سلبية من جهد الراحة الطبيعي. عادة ما ينتهي الحدث بأكمله في غضون بضعة أجزاء من الألف من الثانية.

دور قناة الأيونات المسورة في جهد الفعل:

ينشأ جهد الفعل لأن أغشية البلازما للخلايا القابلة للاستثارة لها خصائص خاصة قنوات الجهد الكهربائي. تحتوي هذه القنوات الأيونية على بوابات تفتح وتغلق استجابة للتغيرات في إمكانات الغشاء. الشكل 2.4 ، 2.5

يساهم نوعان من القنوات ذات الجهد الكهربائي في جهد الفعل: قنوات البوتاسيوم وقنوات الصوديوم.

كل قناة البوتاسيوم لديها بوابة واحدة حساسة للجهد يتم إغلاقها عند الراحة و يفتح ببطء ردا على نزع الاستقطاب.

على النقيض من ذلك ، كل قناة صوديوم يحتوي على بوابتين حساستين للجهد

(ط) بوابة تنشيط & # 8216 ، يتم إغلاقها عند الراحة وتستجيب لإزالة الاستقطاب بواسطة يفتح بسرعة ، و

(ثانيا) بوابة تعطيل ، تكون مفتوحة عند الراحة وتستجيب لإزالة الاستقطاب بواسطة يغلق ببطء.

في حالة استراحة الغشاء & # 8217s ، تكون بوابة التعطيل مفتوحة ولكن بوابة التنشيط مغلقة ، وبالتالي لا تسمح القناة لـ Na بدخول الخلية العصبية. على

إزالة الاستقطاب تفتح بوابة التنشيط بسرعة ، مما يتسبب في تدفق Na ، مما يؤدي إلى زيادة استقطاب الغشاء ، مما يفتح المزيد من قنوات الصوديوم ذات الجهد الكهربائي ويسبب المزيد من إزالة الاستقطاب. هذه العملية المتفجرة بطبيعتها. مثال على التغذية المرتدة الإيجابية ، يستمر حتى يتم فتح جميع قنوات الصوديوم في الموقع المحفز للغشاء.

هناك عاملان يكمنان وراء مرحلة إعادة الاستقطاب السريع لإمكانات الفعل حيث يتم إرجاع إمكانات الغشاء إلى حالة السكون. أولاً ، بوابة تعطيل قناة الصوديوم ، والتي تكون بطيئة الاستجابة للتغيرات في الجهد ، لديها وقت للاستجابة لإزالة الاستقطاب عن طريق إغلاق ، وإعادة نفاذية الصوديوم إلى مستوى الراحة المنخفض. ثانيًا ، قنوات البوتاسيوم التي تستجيب بواباتها الحساسة للجهد ببطء نسبيًا لإزالة الاستقطاب ، كان لديها وقت للفتح. نتيجة لذلك ، أثناء إعادة الاستقطاب ، يتدفق K + بسرعة خارج الخلية ، مما يساعد على استعادة السلبية الداخلية للخلايا العصبية المستريحة. تعد بوابات قناة البوتاسيوم أيضًا السبب الرئيسي لفرط الاستقطاب ، الذي يتبع مرحلة عودة الاستقطاب. بدلاً من العودة فورًا إلى وضع الراحة ، تظل هذه البوابات بطيئة الحركة نسبيًا مفتوحة أثناء العجز عن الهدف ، مما يسمح للبوتاسيوم بالاستمرار في التدفق خارج الخلايا العصبية. استمرار تدفق البوتاسيوم يجعل الغشاء المحتمل أكثر سلبية. أثناء العجز عن الهدف ، يتم إغلاق كل من بوابة التنشيط وبوابة تعطيل قناة الصوديوم. إذا وصل محفز ثاني لإزالة الاستقطاب خلال هذه الفترة ، فلن يكون قادرًا على إطلاق جهد فعل لأن بوابات عدم النشاط لم يكن لديها الوقت لإعادة فتحها بعد جهد الفعل السابق. تسمى هذه الفترة التي تكون فيها الخلايا العصبية غير حساسة لإزالة الاستقطاب بـ فترة الحرارية، ويضع حدًا للمعدلات القصوى التي يمكن عندها توليد إمكانات العمل. الشكل 2.6


شاهد الفيديو: The Cell Membrane غشاء الخلية (كانون الثاني 2022).