علوم اعصاب پروس؛ بیهوشی و سیگنالینگ الکتریکی عصبی

CLINICAL  APPLICATIONS

Anesthesia and Neuronal Electrical Signaling

Anesthesia is an essential part of clinical practice and refers to procedures that reduce sensation during surgical procedures, most often to alleviate pain (see Chapter 10) or to create a state of unconsciousness. The drugs that produce anesthesia are called anesthetics, and these agents usually work by interfering with the electrical signaling mechanisms of neurons. There are three broad categories of anesthesia.

کاربردهای بالینی

بیهوشی و سیگنالینگ الکتریکی عصبی

بیهوشی بخش اساسی از طبابت بالینی است و به روش‌هایی اطلاق می‌شود که حس را در طول عمل جراحی کاهش می‌دهند، که اغلب برای تسکین درد (به فصل 10 مراجعه کنید) یا ایجاد حالت بیهوشی است. داروهایی که باعث بی‌حسی می‌شوند، داروهای بیهوشی نامیده می‌شوند و این عوامل معمولاً با تداخل در مکانیسم‌های سیگنالینگ الکتریکی نورون‌ها عمل می‌کنند. سه دسته کلی از بیهوشی وجود دارد.

The mildest form of anesthesia, local anesthesia, is used to prevent pain sensation in localized parts of the body. Local anesthetics, such as procaine and  lidocaine,  block  action  potential propagation along peripheral nerves (Figure A) by blocking the Na+ channels involved in action potential generation (see Chapter 4). This causes a loss of sensory perception commonly called numbing. Local anesthesia can be highly restricted in its range of action, due to topical application of local anesthetics onto (or injection into) the target tissue. Perhaps the most widespread example of local anesthesia is the injection of procaine into the mandible to block action potential conduction in the inferior alveolar nerve, thereby preventing pain sensation in a portion of the mouth during dental procedures.

خفیف‌ترین نوع بی‌حسی، بی‌حسی موضعی، برای جلوگیری از احساس درد در قسمت‌های موضعی بدن استفاده می‌شود. بی‌حس‌کننده‌های موضعی، مانند پروکائین و لیدوکائین، با مسدود کردن کانال‌های ⁺Na دخیل در تولید پتانسیل عمل (به فصل 4 مراجعه کنید)، انتشار پتانسیل عمل را در امتداد اعصاب محیطی مسدود می‌کنند (شکل A). این امر باعث از دست دادن ادراک حسی می‌شود که معمولاً بی‌حسی نامیده می‌شود. بی‌حسی موضعی می‌تواند به دلیل کاربرد موضعی بی‌حس‌کننده‌های موضعی بر روی (یا تزریق به) بافت هدف، دامنه اثر بسیار محدودی داشته باشد. شاید رایج‌ترین نمونه بی‌حسی موضعی، تزریق پروکائین به فک پایین برای مسدود کردن هدایت پتانسیل عمل در عصب آلوئولار تحتانی باشد و در نتیجه از احساس درد در بخشی از دهان در حین اقدامات دندانپزشکی جلوگیری کند.

(A) Left: Chemical structures of the local anesthetics procaine and lidocaine. Right: A depolarizing current pulse (top) ordinarily evokes a train of action potentials (control, center) in a sensory neuron of the dorsal root ganglion. Treatment with lidocaine (bottom) greatly reduces the ability of the neuron to generate action potentials. (After Scholz, 2002.)

(الف) چپ: ساختارهای شیمیایی بی‌حس‌کننده‌های موضعی پروکائین و لیدوکائین. راست: یک پالس جریان دپلاریزه‌کننده (بالا) معمولاً قطاری از پتانسیل‌های عمل (کنترل، مرکز) را در یک نورون حسی گانگلیون ریشه پشتی ایجاد می‌کند. درمان با لیدوکائین (پایین) توانایی نورون را در تولید پتانسیل‌های عمل به شدت کاهش می‌دهد. (به نقل از شولتز، ۲۰۰۲.)

Regional anesthesia desensitizes a larger region of the body and is typically produced by injecting local anesthetics near the spinal cord to prevent pain sensation in the region where a surgical procedure will be performed. For example, more than 50% of women giving birth in U.S. hospitals have local anesthetics injected into the epidural space of their spinal canal to prevent pelvic pain associated with labor. Although patients receiving regional anesthesia remain conscious, they sometimes additionally receive a sedative agent (also called a  tranquilizer) to reduce anxiety or induce sleep. Many sedatives enhance the activity of the postsynaptic GABA receptors found at most inhibitory synapses (see Chapter 6) and the resulting strengthening of synaptic inhibition reduces neuronal activity and presumably causes sedation (Figure B) (see Chapter 5). One class of sedative is the barbiturates, which include pentobarbital. Because of their addictive properties, as well as their lethality at high doses, barbiturates have largely been replaced by benzodiazepines. The best-known benzodiazepine is diazepam, more commonly known as valium. A related compound is zolpidem (Ambien), an imidazopyridine sedative that is also used as a hypnotic agent to induce sleep. Propofol is yet another type of sedative that works primarily by enhancing GABA receptor activity, though it also blocks Na+ channels in a way similar to that of local anesthetics. An overdose of propofol and benzodiazepines was responsible for the death of the popular musician Michael Jackson.

بی‌حسی منطقه‌ای، ناحیه بزرگ‌تری از بدن را بی‌حس می‌کند و معمولاً با تزریق بی‌حس‌کننده‌های موضعی در نزدیکی نخاع برای جلوگیری از احساس درد در ناحیه‌ای که عمل جراحی انجام خواهد شد، ایجاد می‌شود. به عنوان مثال، بیش از 50٪ از زنانی که در بیمارستان‌های ایالات متحده زایمان می‌کنند، بی‌حس‌کننده‌های موضعی را به فضای اپیدورال کانال نخاعی خود تزریق می‌کنند تا از درد لگن مرتبط با زایمان جلوگیری شود. اگرچه بیمارانی که بی‌حسی منطقه‌ای دریافت می‌کنند، هوشیار می‌مانند، اما گاهی اوقات علاوه بر آن، یک داروی آرام‌بخش (که آرام‌بخش نیز نامیده می‌شود) نیز برای کاهش اضطراب یا القای خواب دریافت می‌کنند. بسیاری از آرام‌بخش‌ها فعالیت گیرنده‌های پس‌سیناپسی GABA را که در اکثر سیناپس‌های مهاری یافت می‌شوند، افزایش می‌دهند (به فصل 6 مراجعه کنید) و تقویت حاصل از مهار سیناپسی، فعالیت عصبی را کاهش می‌دهد و احتمالاً باعث آرام‌بخشی می‌شود (شکل B) (به فصل 5 مراجعه کنید). یک دسته از آرام‌بخش‌ها، باربیتورات‌ها هستند که شامل پنتوباربیتال می‌شوند. به دلیل خواص اعتیادآور و همچنین کشنده بودن آنها در دوزهای بالا، باربیتورات‌ها تا حد زیادی با بنزودیازپین‌ها جایگزین شده‌اند. شناخته‌شده‌ترین بنزودیازپین، دیازپام است که بیشتر با نام والیوم شناخته می‌شود. یک ترکیب مرتبط، زولپیدم (آمبین) است، یک آرام‌بخش ایمیدازوپیریدین که به عنوان یک عامل خواب‌آور برای القای خواب نیز استفاده می‌شود. پروپوفول نوع دیگری از آرام‌بخش است که در درجه اول با افزایش فعالیت گیرنده GABA عمل می‌کند، اگرچه کانال‌های ⁺Na را نیز به روشی مشابه بی‌حس‌کننده‌های موضعی مسدود می‌کند. مصرف بیش از حد پروپوفول و بنزودیازپین‌ها مسئول مرگ موسیقیدان محبوب مایکل جکسون بود.

(B) Left: Sedatives that act on brain GABA receptors. Right: Postsynaptic potentials at an inhibitory synapse between an interneuron and a pyramidal neuron in the hippocampus are enhanced by treatment with the sedative zolpidem. (After Thomson et al., 2000.)

(ب) چپ: آرام‌بخش‌هایی که بر گیرنده‌های GABA مغز اثر می‌گذارند. راست: پتانسیل‌های پس‌سیناپسی در یک سیناپس مهاری بین یک نورون رابط و یک نورون هرمی در هیپوکامپ با درمان با آرام‌بخش زولپیدم افزایش می‌یابند. (به نقل از تامسون و همکاران، ۲۰۰۰.)

General anesthesia causes unconsciousness, an absence of sensation and muscular relaxation. It is used for major surgical procedures, such as those of long duration and/or involving substantial loss of blood. General anesthetic agents can be injected into the circulatory system (intravenous anesthetics, Figure C) or inhaled through the respiratory system (inhalation anesthetics, Figure D).

بیهوشی عمومی باعث بیهوشی، فقدان حس و شل شدن عضلات می‌شود. این روش برای اعمال جراحی بزرگ، مانند اعمال جراحی طولانی مدت و/یا اعمالی که شامل از دست دادن قابل توجه خون هستند، استفاده می‌شود. عوامل بیهوشی عمومی را می‌توان به سیستم گردش خون تزریق کرد (بیهوش‌کننده‌های داخل وریدی، شکل C) یا از طریق سیستم تنفسی استنشاق کرد (بیهوش‌کننده‌های استنشاقی، شکل D).

General anesthesia can be induced by injection of higher doses of some of the sedative agents described above that work on synaptic GABA receptors. Because these agents do not prevent pain sensation, they are often administered along with analgesic agents, such as fentanyl, that alleviate pain by acting on the receptors for opiate peptides (see Chapter 6) of peripheral and central pain pathways (see Chapter 10). Longer-acting opiate receptor drugs are used for postoperative analgesia; the best-known example of such drugs is morphine. Another intravenous anesthetic is ketamine, a drug that blocks the NMDA-type glutamate receptors found at many excitatory synapses (Figure C) see Chapter 6) but that also works on GABA and opiate receptors. Presumably the resulting reduction in excitatory synaptic transmission underlies the anesthetic actions of ketamine. Use of ketamine is limited by its diverse side effects, including production of hallucinations.

بیهوشی عمومی را می‌توان با تزریق دوزهای بالاتر برخی از داروهای آرام‌بخش که در بالا توضیح داده شد و بر گیرنده‌های سیناپسی GABA اثر می‌گذارند، القا کرد. از آنجا که این داروها از احساس درد جلوگیری نمی‌کنند، اغلب همراه با داروهای مسکن مانند فنتانیل تجویز می‌شوند که با اثر بر گیرنده‌های پپتیدهای افیونی (به فصل 6 مراجعه کنید) در مسیرهای درد محیطی و مرکزی (به فصل 10 مراجعه کنید) درد را تسکین می‌دهند. داروهای گیرنده افیونی با اثر طولانی‌تر برای تسکین درد پس از عمل استفاده می‌شوند. شناخته‌شده‌ترین نمونه چنین داروهایی مورفین است. یکی دیگر از داروهای بی‌حس‌کننده داخل وریدی، کتامین است، دارویی که گیرنده‌های گلوتامات از نوع NMDA را که در بسیاری از سیناپس‌های تحریکی یافت می‌شوند (شکل C) به فصل 6 مراجعه کنید) مسدود می‌کند، اما بر گیرنده‌های GABA و افیونی نیز اثر می‌گذارد. احتمالاً کاهش حاصل در انتقال سیناپسی تحریکی، زمینه‌ساز اثرات بی‌حسی کتامین است. استفاده از کتامین به دلیل عوارض جانبی متنوع آن، از جمله ایجاد توهم، محدود است.

(C)Left: Examples of intravenous anesthetics. Right: Postsynaptic potentials at an excitatory synapse of a spinal cord motor neuron are reduced by treatment with ketamine. (After Lizarraga et al., 2008.)

(ج)چپ: نمونه‌هایی از داروهای بی‌حس‌کننده داخل وریدی. راست: پتانسیل‌های پس‌سیناپسی در سیناپس تحریکی یک نورون حرکتی نخاع با درمان با کتامین کاهش می‌یابد. (به نقل از لیزاراگا و همکاران، ۲۰۰۸.)

Inhalation anesthetics are volatile liquids that vaporize at room temperature and can then be inhaled. The first and best-known example of an inhalant anesthetic is diethyl ether, which is no longer used clinically because it is highly flammable. More widely used inhalant anesthetics include halothane and isoflurane. Although the mechanism of action of inhalation anesthetics is not established, one leading hypothesis is that they hyperpolarize the resting membrane potential of neurons and thereby make it more difficult to fire action potentials (Figure D). This action is thought to be caused by the anesthetics opening the 2-P K+ channels that create the resting membrane potential (see Chapter 4).

داروهای بی‌حس‌کننده استنشاقی مایعات فراری هستند که در دمای اتاق تبخیر می‌شوند و سپس می‌توان آنها را استنشاق کرد. اولین و شناخته‌شده‌ترین نمونه از یک داروی بی‌حس‌کننده استنشاقی، دی‌اتیل اتر است که دیگر به دلیل قابلیت اشتعال بالا، کاربرد بالینی ندارد. داروهای بی‌حس‌کننده استنشاقی که بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند شامل هالوتان و ایزوفلوران هستند. اگرچه مکانیسم عمل داروهای بی‌حس‌کننده استنشاقی مشخص نشده است، اما یک فرضیه پیشرو این است که آنها پتانسیل استراحت غشای نورون‌ها را بیش‌قطبی می‌کنند و در نتیجه ایجاد پتانسیل‌های عمل را دشوارتر می‌کنند (شکل D). تصور می‌شود که این عمل ناشی از باز شدن کانال‌های ⁺۲P K  توسط داروهای بی‌حس‌کننده است که پتانسیل استراحت غشای را ایجاد می‌کنند (به فصل ۴ مراجعه کنید).

In conclusion, understanding the mechanisms underlying anesthetic action both illuminates how these clinically valuable agents work and emphasizes the fundamental importance of neuronal electrical signaling for the function of the nervous system.

در نتیجه، درک مکانیسم‌های زیربنایی عملکرد بی‌حس‌کننده‌ها، هم نحوه عملکرد این عوامل بالینی ارزشمند را روشن می‌کند و هم بر اهمیت اساسی سیگنال‌دهی الکتریکی عصبی برای عملکرد سیستم عصبی تأکید دارد.

(D)Left: Three inhalation anesthetics. Right: Halothane treatment hyperpolarizes the resting membrane potential of a spinal cord motor neuron (top). This moves the resting membrane potential away from the threshold for firing action potentials, thereby reducing the ability of a depolarizing current pulse (center) to evoke action potentials (bottom). (After Sirois et al., 1998.)

(D)چپ: سه بی‌حس‌کننده استنشاقی. راست: درمان با هالوتان، پتانسیل غشای استراحت یک نورون حرکتی نخاع را هایپرپلاریزه می‌کند (بالا). این امر پتانسیل غشای استراحت را از آستانه شلیک پتانسیل‌های عمل دور می‌کند و در نتیجه توانایی یک پالس جریان دپلاریزه‌کننده (مرکز) را برای ایجاد پتانسیل‌های عمل کاهش می‌دهد (پایین). (به نقل از سیرویس و همکاران، ۱۹۹۸.)

How Ion Movements Produce Electrical Signals

Electrical potentials are generated across the membranes of neurons—and, indeed, across the membranes of all cells— because (1) there are differences in the concentrations of specific ions across nerve cell membranes, and (2) these membranes are selectively permeable to some of these ions. These two conditions depend in turn on two different kinds of proteins in the plasma membrane (Figure 2.4). The ion concentration gradients are established by proteins known as active transporters, which, as their name suggests, actively move ions into or out of cells against their concentration gradients. The selective permeability of membranes is due largely to ion channels, proteins that allow only certain kinds of ions to cross the membrane in the direction of their concentration gradients. Thus, channels and transporters basically work against each other, and in so doing they generate the resting membrane potential, action potentials, and the synaptic potentials and receptor potentials that trigger action potentials. Chapter 4 describes the structure and function of these channels and transporters.

چگونه حرکات یون‌ها سیگنال‌های الکتریکی تولید می‌کنند

پتانسیل‌های الکتریکی در سراسر غشای نورون‌ها – و در واقع، در سراسر غشای همه سلول‌ها – ایجاد می‌شوند زیرا (1) تفاوت‌هایی در غلظت یون‌های خاص در سراسر غشای سلول‌های عصبی وجود دارد و (2) این غشاها به طور انتخابی نسبت به برخی از این یون‌ها نفوذپذیر هستند. این دو شرط به نوبه خود به دو نوع مختلف پروتئین در غشای پلاسما بستگی دارند (شکل 2.4). شیب غلظت یون توسط پروتئین‌هایی که به عنوان ناقل‌های فعال شناخته می‌شوند، ایجاد می‌شود که همانطور که از نامشان پیداست، یون‌ها را به طور فعال در خلاف جهت شیب غلظتشان به داخل یا خارج از سلول‌ها منتقل می‌کنند. نفوذپذیری انتخابی غشاها عمدتاً به دلیل کانال‌های یونی است، پروتئین‌هایی که فقط به انواع خاصی از یون‌ها اجازه می‌دهند از غشا در جهت شیب غلظتشان عبور کنند. بنابراین، کانال‌ها و ناقل‌ها اساساً علیه یکدیگر عمل می‌کنند و با این کار پتانسیل استراحت غشاء، پتانسیل‌های عمل و پتانسیل‌های سیناپسی و پتانسیل‌های گیرنده را ایجاد می‌کنند که پتانسیل‌های عمل را ایجاد می‌کنند. فصل 4 ساختار و عملکرد این کانال‌ها و ناقل‌ها را شرح می‌دهد.

FIGURE 2.4 Active transporters and ion channels are responsible for ion movements across neuronal membranes. Transporters create ion concentration differences by actively transporting ions against their chemical gradients. Channels take advantage of these concentration gradients, allowing selected ions to move, via diffusion, down their chemical gradients.

شکل ۲.۴ ناقل‌های فعال و کانال‌های یونی مسئول حرکت یون‌ها در غشاهای نورونی هستند. ناقل‌ها با انتقال فعال یون‌ها در خلاف جهت گرادیان شیمیایی آنها، اختلاف غلظت یون‌ها را ایجاد می‌کنند. کانال‌ها از این گرادیان‌های غلظت بهره می‌برند و به یون‌های انتخاب‌شده اجازه می‌دهند تا از طریق انتشار، در جهت گرادیان شیمیایی خود حرکت کنند.

To appreciate the role of ion gradients and selective permeability in generating a membrane potential, consider a simple system in which an artificial membrane separates two compartments containing solutions of ions. For comparison to the situation in neurons, we will refer to the left compartment as the inside and call the right compartment the outside. In such a system, it is possible to control the composition of the two solutions and thereby control the ion gradients across the membrane. It is also possible to control the ion permeability of the membrane.

برای درک نقش گرادیان‌های یونی و نفوذپذیری انتخابی در ایجاد پتانسیل غشا، یک سیستم ساده را در نظر بگیرید که در آن یک غشای مصنوعی دو محفظه حاوی محلول‌های یونی را از هم جدا می‌کند. برای مقایسه با وضعیت نورون‌ها، محفظه چپ را به عنوان داخل و محفظه راست را به عنوان خارج می‌نامیم. در چنین سیستمی، می‌توان ترکیب دو محلول را کنترل کرد و از این طریق گرادیان‌های یونی را در سراسر غشا کنترل کرد. همچنین می‌توان نفوذپذیری یونی غشا را کنترل کرد.

As a first example, consider the case of a membrane that is permeable only to potassium ions (K⁺). If the concentration of K⁺ on each side of this membrane is equal, then no electrical potential will be measured across it (Figure 2.5A). However, if the concentration of K⁺ is not the same on the two sides, then an electrical potential will be generated. For instance, if the concentration of K⁺ in the inside compartment is ten times higher than the K⁺ concentration in the outside compartment, then the electrical potential of the inside will be negative relative to that of the outside (Figure 2.5B). This difference in electrical potential is generated because the potassium ions flow down their concentration gradient and take their electrical charge (one positive charge per ion) with them as they go. Because neuronal membranes contain pumps that accumulate K⁺ in the cell cytoplasm, and because potassium-permeable channels in the plasma membrane allow a transmembrane flow of K⁺, an analogous situation exists in living nerve cells. As will be proved later in the chapter, such an efflux of K⁺ is responsible for the resting membrane potential.

به عنوان مثال اول، غشایی را در نظر بگیرید که فقط نسبت به یون‌های پتاسیم (⁺K) نفوذپذیر است. اگر غلظت ⁺K در هر طرف این غشا برابر باشد، هیچ پتانسیل الکتریکی در سراسر آن اندازه‌گیری نخواهد شد (شکل 2.5A). با این حال، اگر غلظت ⁺K در دو طرف یکسان نباشد، یک پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌شود. به عنوان مثال، اگر غلظت ⁺K در محفظه داخلی ده برابر بیشتر از غلظت ⁺K در محفظه خارجی باشد، پتانسیل الکتریکی داخل نسبت به خارج منفی خواهد بود (شکل 2.5B). این اختلاف پتانسیل الکتریکی به این دلیل ایجاد می‌شود که یون‌های پتاسیم در جهت گرادیان غلظت خود حرکت می‌کنند و بار الکتریکی خود (یک بار مثبت به ازای هر یون) را با خود می‌برند. از آنجا که غشاهای عصبی حاوی پمپ‌هایی هستند که ⁺K را در سیتوپلاسم سلول جمع می‌کنند، و از آنجا که کانال‌های نفوذپذیر به پتاسیم در غشای پلاسما امکان جریان ⁺K را از طریق غشا فراهم می‌کنند، وضعیت مشابهی در سلول‌های عصبی زنده وجود دارد. همانطور که بعداً در این فصل ثابت خواهد شد، چنین جریانی از ⁺K مسئول پتانسیل استراحت غشا است.

FIGURE 2.5 Electrochemical equilibrium. (A) A membrane permeable only to K⁺ (gold spheres) separates the inside and outside compartments, which contain the indicated concentrations of KCl. (B) Increasing the KCl concentration of the inside compartment to 10 m M initially causes a small movement of K⁺ into the outside compartment (initial conditions) until the electromotive force acting on K⁺ balancs the concentration gradient, and there is no further net movement of K⁺ (at equilibrium). (C) The relationship between the transmembrane concentration gradient ([K⁺]_out/[K⁺]_in) and the membrane potential. As predicted by the Nernst equation, this relationship is linear when plotted on semilogarithmic coordinates, with a slope of 58 mV per tenfold difference in the concentration gradient.

شکل ۲.۵ تعادل الکتروشیمیایی. (الف) غشایی که فقط به ⁺K نفوذپذیر است (گوی‌های طلا) بخش‌های داخلی و خارجی را که حاوی غلظت‌های نشان داده شده KCl هستند، از هم جدا می‌کند. (ب) افزایش غلظت KCl بخش داخلی به 10 میلی‌مولار در ابتدا باعث حرکت کمی ⁺K به بخش خارجی (شرایط اولیه) می‌شود تا زمانی که نیروی محرکه الکتریکی که بر ⁺K عمل می‌کند، گرادیان غلظت را متعادل کند و حرکت خالص بیشتری از ⁺K (در حالت تعادل) وجود نداشته باشد. (ج) رابطه بین گرادیان غلظت غشایی ([K⁺]_out/[K⁺]_in) و پتانسیل غشا. همانطور که توسط معادله نرنست پیش‌بینی شده است، این رابطه وقتی روی مختصات نیمه لگاریتمی رسم شود، خطی است، با شیب 58 میلی‌ولت به ازای هر ده برابر اختلاف در گرادیان غلظت.

In the hypothetical case just described, an equilibrium will quickly be reached. As K⁺ moves from the inside compartment to the outside (the initial conditions; shown on the left in Figure 2.5B), a potential is generated that tends to impede further flow of K⁺. This impediment results from the fact that the potential gradient across the membrane tends to repel the positive potassium ions that would oth-erwise move across the membrane. Thus, as the outside becomes positive relative to the inside, the increasing positivity makes the outside less attractive to the positively charged K⁺. The net movement (or flux) of K⁺ will stop at the point (“At equilibrium” in the right panel of Figure 2.5B) where the potential change across the membrane (the relative positivity of the outside compartment) exactly offsets the concentration gradient (the tenfold excess of K⁺ in the inside compartment). At this electrochemical equilibrium, there is an exact balance between two opposing forces (see Figure 2.5B): (1) the concentration gradient that causes K⁺ to move from inside to outside, taking along positive charge, and (2) an opposing electrical gradient that increasingly tends to stop K⁺ from moving across the membrane. The number of ions that needs to flow to generate this electrical potential is very small (approximately 10–12 moles of K⁺ per cm2 of membrane, or less than one millionth of the K⁺ ions present on each side). This last fact is significant in two ways. First, it means that the concentrations of permeant ions on each side of the membrane remain essentially constant, even after the flow of ions has generated the potential. Second, the tiny fluxes of ions required to establish the membrane potential do not disrupt chemical electroneutrality because each ion has an oppositely charged counter-ion (chloride ions in Figure 2.5) to maintain the neutrality of the solutions on each side of the membrane. The concentration of K⁺ remains equal to the concentration of Cl– in the solutions in both compartments, meaning that the separation of charge that creates the potential difference is restricted to the immediate vicinity of the membrane.

در حالت فرضی که شرح داده شد، به سرعت به تعادل خواهیم رسید. با حرکت ⁺K از محفظه داخلی به خارج (شرایط اولیه؛ که در سمت چپ شکل 2.5B نشان داده شده است)، پتانسیلی ایجاد می‌شود که تمایل دارد مانع جریان بیشتر ⁺K شود. این مانع از این واقعیت ناشی می‌شود که گرادیان پتانسیل در سراسر غشاء تمایل دارد یون‌های پتاسیم مثبت را که در غیر این صورت در سراسر غشاء حرکت می‌کردند، دفع کند. بنابراین، با مثبت شدن قسمت بیرونی نسبت به داخل، افزایش مثبت بودن، قسمت بیرونی را برای ⁺K با بار مثبت کمتر جذاب می‌کند. حرکت خالص (یا شار) ⁺K در نقطه‌ای (“در تعادل” در پنل سمت راست شکل 2.5B) متوقف می‌شود که در آن تغییر پتانسیل در سراسر غشاء (مثبت بودن نسبی محفظه بیرونی) دقیقاً گرادیان غلظت (ده برابر شدن ⁺K در محفظه داخلی) را جبران می‌کند. در این تعادل الکتروشیمیایی، تعادل دقیقی بین دو نیروی متضاد وجود دارد (شکل 2.5B را ببینید): (1) گرادیان غلظتی که باعث می‌شود ⁺K از داخل به خارج حرکت کند و بار مثبت را به خود بگیرد، و (2) گرادیان الکتریکی متضادی که به طور فزاینده‌ای تمایل دارد مانع از حرکت ⁺K در سراسر غشاء شود. تعداد یون‌هایی که برای تولید این پتانسیل الکتریکی باید جریان یابند بسیار کم است (تقریباً 10 تا 12 مول ⁺K در هر سانتی‌متر مربع از غشاء، یا کمتر از یک میلیونیم یون‌های ⁺K موجود در هر طرف). این واقعیت آخر از دو جهت قابل توجه است. اول، به این معنی است که غلظت یون‌های نفوذپذیر در هر طرف غشاء، حتی پس از ایجاد پتانسیل توسط جریان یون‌ها، اساساً ثابت می‌ماند. دوم، شارهای کوچک یون‌های مورد نیاز برای ایجاد پتانسیل غشاء، خنثی بودن الکترونی شیمیایی را مختل نمی‌کنند زیرا هر یون دارای یک یون مخالف با بار مخالف (یون‌های کلرید در شکل 2.5) است تا خنثی بودن محلول‌ها را در هر طرف غشاء حفظ کند. غلظت ⁺K در محلول‌های هر دو بخش برابر با غلظت -Cl باقی می‌ماند، به این معنی که جداسازی باری که اختلاف پتانسیل را ایجاد می‌کند، به مجاورت فوری غشاء محدود می‌شود.

Forces That Create Membrane Potentials

ادامه فصل در «قسمت بعد فصل دوم»