יונים, גרדיאנטים ופוטנציאל הממברנה

מושגים בסיסיים

שני הכוחות הפועלים על יונים

על כל יון הפועל בסביבת ממברנה תאית פועלים תמיד שני כוחות:

1. הכוח הכימי (גרדיאנט ריכוזים) – תלוי אך ורק בהפרש הריכוזים של היון בין פנים התא לחוץ התא
2. הכוח החשמלי – תלוי במטען היון ובמתח החשמלי על פני הממברנה

הנחה חשובה במצב מנוחה

במצב מנוחה של הנוירון:

$V_m \approx -70\,\text{mV}$

כלומר, פנים התא שלילי יחסית לסביבה החוץ-תאית.

מכאן נובע:

• קטיונים נמשכים פנימה ע"י הכוח החשמלי
• אניונים נדחים החוצה ע"י הכוח החשמלי

הרכב יוני כללי - "Salt Water Outside"

משמעות הדבר:

• ריכוז Na⁺ ו-Cl⁻ גבוה יותר מחוץ לתא
• ריכוז K⁺ גבוה יותר בתוך התא

הרכב זה הוא הבסיס לגרדיאנטים הכימיים של היונים, ולערכי פוטנציאל שיווי-המשקל שלהם.

טבלת סיכום: ריכוזים, כוחות ו-E_ion

הגרדיאנט האלקטרוכימי

הגרדיאנט האלקטרוכימי הוא הכוח הכולל הפועל על יון, והוא שילוב של:

• הגרדיאנט הכימי (ריכוזים)
• הגרדיאנט החשמלי (מתח ומטען)

משוואת נרנסט – פוטנציאל שיווי-משקל של יון

משוואת נרנסט מחשבת את פוטנציאל שיווי-המשקל של יון יחיד:

$E_{ion} = \frac{RT}{zF} \ln\left(\frac{[ion]_{out}}{[ion]_{in}}\right)$

זהו המתח שבו הכוח הכימי והכוח החשמלי מאזנים זה את זה, ולכן אין זרימה נטו של היון.

פירוש הסימנים

קשר בין נרנסט למתח הממברנה

• אם $V_m = E_{ion}$ → אין זרימה נטו של היון
• אם $V_m \neq E_{ion}$ → קיים דחף אלקטרוכימי לזרימה, בתנאי שקיימת תעלה פתוחה

חדירות הממברנה (Permeability)

לא כל היונים חוצים את הממברנה באותה מידה. חדירות מתארת את מספר וסוג התעלות הפתוחות עבור כל יון.

במצב מנוחה:

$P_K \gg P_{Na} > P_{Cl}$

משמעות:

• קיימות הרבה יותר תעלות פתוחות ל-K⁺
• לכן K⁺ הוא היון הדומיננטי בקביעת פוטנציאל המנוחה
• כתוצאה מכך: $V_m \approx E_K$

משאבת נתרן-אשלגן (Na⁺/K⁺-ATPase)

משאבת נתרן-אשלגן היא משאבה אקטיבית המשתמשת ב-ATP כדי לשמור על מפלי הריכוזים של Na⁺ ו-K⁺.

בכל מחזור פעולה:

• מוציאה 3 יוני Na⁺ אל מחוץ לתא
• מכניסה 2 יוני K⁺ אל תוך התא

מאפיינים חשובים:

• המשאבה פועלת נגד מפל הריכוזים
• היא אלקטרוגנית – מוציאה יותר מטען חיובי משהיא מכניסה
• תרומתה למתח הממברנה קטנה אך קיימת

תפקידה העיקרי:

• שמירה על מפלי הריכוזים שעליהם מבוססים נרנסט ו-GHK
• אפשרות לקיום מתמשך של פוטנציאלי פעולה

יונים ומולקולות שאינם חוצים את הממברנה

הממברנה אינה חדירה ליונים גדולים ולחלבונים טעונים שלילית (A⁻), הכלואים בתוך התא.

חלבונים אלו:

• תורמים לשליליות הפנימית של התא
• משפיעים בעקיפין על פיזור שאר היונים

משוואת Goldman-Hodgkin-Katz (GHK)

משוואת GHK מחשבת את פוטנציאל הממברנה בפועל ($V_m$) כאשר הממברנה חדירה למספר יונים במקביל, וכל יון נשקל לפי החדירות היחסית שלו.

$V_m = \frac{RT}{F} \ln\left(\frac{P_{Na}[Na^+]_{out} + P_K[K^+]_{out} + P_{Cl}[Cl^-]_{in}}{P_{Na}[Na^+]_{in} + P_K[K^+]_{in} + P_{Cl}[Cl^-]_{out}}\right)$

פירוש רכיבי המשוואה

סיכום למבחן