اصول علم اعصاب اریک کندل؛ پتانسیل غشاء و خواص الکتریکی غیرفعال نورون؛ معادله نرنست

---

---

---

---

---

---

INFORMATION IS CARRIED WITHIN neurons and from neurons to their target cells by electrical and chemical signals. Transient electrical signals are particularly important for carrying time-sensitive information rapidly and over long distances. These transient electrical signals-receptor potentials, synaptic potentials, and action potentials are all produced by temporary changes in the electric current into and out of the cell, changes that drive the electrical potential across the cell membrane away from its resting value. This current represents the flow of negative and positive ions through ion channels in the cell membrane.

اطلاعات در داخل نورون‌ها و از نورون‌ها به سلول‌های هدف آنها توسط سیگنال‌های الکتریکی و شیمیایی حمل می‌شود. سیگنال‌های الکتریکی گذرا به ویژه برای انتقال اطلاعات حساس به زمان به سرعت و در فواصل طولانی اهمیت دارند. این سیگنال‌های الکتریکی گذرا – پتانسیل‌های گیرنده، پتانسیل‌های سیناپسی و پتانسیل‌های عمل همگی با تغییرات موقتی در جریان الکتریکی به داخل و خارج سلول ایجاد می‌شوند، تغییراتی که پتانسیل الکتریکی را در سراسر غشای سلولی از مقدار استراحت آن دور می‌کند. این جریان نشان دهنده جریان یون‌های منفی و مثبت از طریق کانال‌های یونی در غشای سلولی است.

Two types of ion channels-resting and gated- have distinctive roles in neuronal signaling. Resting channels are primarily important in maintaining the resting membrane potential, the electrical potential across the membrane in the absence of signaling. Some types of resting channels are constitutively open and are not gated by changes in membrane voltage; other types are gated by changes in voltage but are also open at the negative resting potential of neurons. Most voltage- gated channels, in contrast, are closed when the mem- brane is at rest and require membrane depolarization to open.

دو نوع کانال یونی – در حال استراحت و دروازه – نقش متمایز در سیگنال دهی عصبی دارند. کانال‌های استراحت در درجه اول در حفظ پتانسیل غشاء استراحت، پتانسیل الکتریکی در سراسر غشاء در غیاب سیگنالینگ مهم هستند. برخی از انواع کانال‌های استراحت اساساً باز هستند و با تغییر ولتاژ غشاء دریچه ای ندارند. انواع دیگر با تغییرات ولتاژ بسته می‌شوند اما در پتانسیل استراحت منفی نورون‌ها نیز باز هستند. در مقابل، اکثر کانال‌های ولتاژدار زمانی که غشاء در حالت استراحت است بسته می‌شوند و برای باز شدن به دپلاریزاسیون غشا نیاز دارند.

In this and the next several chapters, we consider how transient electrical signals are generated in the neuron. We begin by discussing how particular ion channels establish and maintain the membrane potential when the membrane is at rest and briefly describe the mechanism by which the resting potential can be perturbed, giving rise to transient electrical signals such as the action potential. We then consider how the passive electrical properties of neurons their resistive and capacitive characteristics-contribute to the integration and local propagation of synaptic and receptor potentials within the neuron. In Chapter 10 we examine the detailed mechanisms by which voltage-gated Na, K, and Ca2+ channels generate the action potential, the electrical signal conveyed along the axon. Synaptic potentials are considered in Chapters 11 to 14, and receptor potentials are discussed in Part IV in connection with the actions of sensory receptors.

در این و چندین فصل بعدی، نحوه تولید سیگنال‌های الکتریکی گذرا در نورون را در نظر می‌گیریم. ما با بحث در مورد چگونگی ایجاد و حفظ پتانسیل غشاء توسط کانال‌های یونی خاص در زمانی که غشاء در حالت سکون است شروع می‌کنیم و به طور خلاصه مکانیسمی‌را توضیح می‌دهیم که توسط آن پتانسیل استراحت می‌تواند مختل شود و باعث ایجاد سیگنال‌های الکتریکی گذرا مانند پتانسیل عمل شود. سپس در نظر می‌گیریم که چگونه ویژگی‌های الکتریکی غیرفعال نورون‌ها ویژگی‌های مقاومتی و خازنی آن‌ها به ادغام و انتشار محلی پتانسیل‌های سیناپسی و گیرنده در نورون کمک می‌کند. در فصل ۱۰، مکانیسم‌های دقیقی را بررسی می‌کنیم که توسط آن‌ها کانال‌های +Na+ ،K و +Ca2 دارای ولتاژ، پتانسیل عمل را تولید می‌کنند، سیگنال الکتریکی که در امتداد آکسون منتقل می‌شود. پتانسیل‌های سیناپسی در فصل‌های ۱۱ تا ۱۴ در نظر گرفته شده اند و پتانسیل‌های گیرنده در بخش IV در ارتباط با اعمال گیرنده‌های حسی مورد بحث قرار گرفته اند.

The Resting Membrane Potential Results From the Separation of Charge Across the Cell Membrane

نتایج بالقوه غشاء استراحت از جداسازی بار در سراسر غشای سلولی

The neuron’s cell membrane has thin clouds of positive and negative ions spread over its inner and outer surfaces. At rest, the extracellular surface of the membrane has an excess of positive charge and the cytoplasmic surface an excess of negative charge (Figure 9-1). This separation of charge is maintained because the lipid bilayer of the membrane is a barrier to the diffusion of ions (Chapter 8). The charge separation gives rise to the membrane potential (V_m), a difference of electrical potential, or voltage, across the membrane defined as V_m=V_in-V_out, where Vin is the potential on the inside of the cell and Vout the potential on the outside.

غشای سلولی نورون دارای ابرهای نازکی از یون‌های مثبت و منفی است که بر روی سطوح داخلی و خارجی آن پخش شده اند. در حالت استراحت، سطح خارج سلولی غشاء دارای بار مثبت اضافی و سطح سیتوپلاسمی دارای بار منفی اضافی است (شکل ۹-۱). این جداسازی بار حفظ می‌شود زیرا دو لایه لیپیدی غشاء مانعی برای انتشار یون‌ها است (فصل ۸). جداسازی بار باعث ایجاد پتانسیل غشا (Vm)، اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ، در سراسر غشا می‌شود که به عنوان

Vm=Vin-Vout

تعریف می‌شود که در آن Vin پتانسیل در داخل سلول و Vout پتانسیل در خارج است.

Figure 9-1 The cell membrane potential results from the separation of net positive and net negative charges on either side of the membrane. The excess of positive ions outside the membrane and negative ions inside the membrane represents a small fraction of the total number of ions inside and outside the cell at rest.

شکل ۹-۱ پتانسیل غشای سلولی ناشی از جداسازی بارهای خالص مثبت و منفی خالص در دو طرف غشاء است. بیش از حد یون‌های مثبت در خارج از غشاء و یون‌های منفی در داخل غشاء نشان دهنده کسر کوچکی از تعداد کل یون‌های داخل و خارج سلول در حالت استراحت است.

The membrane potential of a cell at rest, the resting membrane potential (V_r), is equal to V_in since by convention the potential outside the cell is defined as zero. Its usual range is -60 mV to -70 mV. All electrical signaling involves brief changes away from the resting membrane potential caused by electric currents across the cell membrane.

پتانسیل غشایی یک سلول در حالت استراحت، پتانسیل غشای در حال استراحت (Vr) برابر با Vin است زیرا طبق قرارداد پتانسیل خارج از سلول صفر تعریف می‌شود. محدوده معمول آن ۶۰- تا ۷۰- میلی‌ولت است. تمام سیگنال دهی‌های الکتریکی شامل تغییرات مختصری به دور از پتانسیل غشاء استراحت ناشی از جریان‌های الکتریکی در سراسر غشای سلولی است.

The electric current is carried by ions, both positive (cations) and negative (anions). The direction of current is conventionally defined as the direction of net movement of positive charge. Thus, in an ionic solution, cations move in the direction of the electric current and anions move in the opposite direction. In the nerve cell at rest, there is no net charge movement across the membrane. When there is a net flow of cations or anions into or out of the cell, the charge separation across the resting membrane is disturbed, altering the electrical potential of the membrane. A reduction or reversal of charge separation, leading to a less negative membrane potential, is called depolarization. An increase in charge separation, leading to a more negative membrane potential, is called hyperpolarization.

جریان الکتریکی توسط یون‌های مثبت (کاتیون‌ها) و منفی (آنیون‌ها) حمل می‌شود. جهت جریان به طور معمول به عنوان جهت حرکت خالص بار مثبت تعریف می‌شود. بنابراین، در محلول یونی، کاتیون‌ها در جهت جریان الکتریکی و آنیون‌ها در جهت مخالف حرکت می‌کنند. در سلول عصبی در حال استراحت، هیچ حرکت بار خالص در سراسر غشاء وجود ندارد. هنگامی که جریان خالصی از کاتیون‌ها یا آنیون‌ها به داخل یا خارج سلول وجود دارد، جداسازی بار در سراسر غشاء استراحت مختل می‌شود و پتانسیل الکتریکی غشا را تغییر می‌دهد. کاهش یا معکوس شدن جداسازی بار که منجر به پتانسیل منفی غشایی کمتر می‌شود، دپلاریزاسیون نامیده می‌شود. افزایش تفکیک بار که منجر به پتانسیل منفی غشایی می‌شود، هیپرپلاریزاسیون نامیده می‌شود.

Changes in membrane potential that do not lead to the opening of gated ion channels are passive responses of the membrane and are called electrotonic potentials. Hyperpolarizing responses are almost always passive, as are small depolarizations. However, when depolarization approaches a critical level, or threshold, the cell responds actively with the opening of voltage-gated ion channels, which produces an all-or-none action potential (Box 9-1).

تغییرات پتانسیل غشا که منجر به باز شدن کانال‌های یونی دروازه ای نمی‌شود، پاسخ‌های غیرفعال غشا هستند و پتانسیل‌های الکتروتونیک نامیده می‌شوند. پاسخ‌های‌هایپرپلاریزاسیون تقریباً همیشه منفعل هستند، همانطور که دپلاریزاسیون‌های کوچک نیز چنین هستند. با این حال، هنگامی که دپلاریزاسیون به یک سطح یا آستانه بحرانی نزدیک می‌شود، سلول به طور فعال با باز کردن کانال‌های یونی دارای ولتاژ پاسخ می‌دهد که پتانسیل عمل همه یا هیچ را تولید می‌کند (کادر ۹-۱).

The Resting Membrane Potential Is Determined by Nongated and Gated Ion Channels

پتانسیل غشاء استراحت توسط کانال‌های یونی بدون دریچه و دریچه‌دار تعیین می‌شود

The resting membrane potential is the result of the passive flux of individual ion species through several classes of resting channels. Understanding how this passive ionic flux gives rise to the resting potential enables us to understand how the gating of different types of ion channels generates the action potential, as well as the receptor and synaptic potentials. 

پتانسیل غشاء استراحت نتیجه شار غیرفعال گونه‌های یونی منفرد از طریق چندین کلاس از کانال‌های استراحت است. درک اینکه چگونه این شار یونی غیرفعال باعث ایجاد پتانسیل استراحت می‌شود، ما را قادر می‌سازد تا بفهمیم که چگونه دروازه انواع کانال‌های یونی پتانسیل عمل و همچنین پتانسیل‌های گیرنده و سیناپسی را تولید می‌کند.

Box 9-1 Recording the Membrane Potential
Reliable techniques for recording the electrical potential across cell membranes were developed in the late 1940s. These techniques allow accurate recordings of both the resting membrane potential and action potentials (Figure 9-2).

کادر ۹-۱ ثبت پتانسیل غشا

تکنیک‌های قابل اعتماد برای ثبت پتانسیل الکتریکی در سراسر غشای سلولی در اواخر دهه ۱۹۴۰ توسعه یافت. این تکنیک‌ها امکان ثبت دقیق پتانسیل غشاء استراحت و پتانسیل عمل را فراهم می‌کند (شکل ۹-۲).

Glass micropipettes filled with a concentrated salt solution serve as electrodes and are placed on either side of the cell membrane. Wires inserted into the back ends of the pipettes are connected via an amplifier to an oscilloscope, which displays the amplitude of the membrane potential in volts. Because the diameter of such a microelectrode tip is minute (<1 um), it can be inserted into a cell with relatively little damage to the cell membrane (Figure 9-2A).

میکروپیپت‌های شیشه ای پر شده با محلول نمک غلیظ به عنوان الکترود عمل می‌کنند و در دو طرف غشای سلولی قرار می‌گیرند. سیم‌های وارد شده به انتهای پشتی پیپت‌ها از طریق یک تقویت کننده به یک اسیلوسکوپ متصل می‌شوند که دامنه پتانسیل غشا را بر حسب ولت نشان می‌دهد. از آنجایی که قطر چنین نوک میکروالکترودی دقیقه است (<1 um)، می‌توان آن را در سلولی با آسیب نسبتاً کمی‌به غشای سلول وارد کرد (شکل ۹-2A).

Figure 9-2A Recording setup.

شکل ۹-2A تنظیم ثبت.

When both electrodes are outside the cell, no electrical potential difference is recorded. But as soon as one microelectrode is inserted into the cell, the oscilloscope shows a steady voltage, the resting membrane potential. In most nerve cells at rest, the membrane potential is approximately -65 mV (Figure 9-2B).

هنگامی که هر دو الکترود خارج از سلول هستند، هیچ اختلاف پتانسیل الکتریکی ثبت نمی‌شود. اما به محض اینکه یک میکروالکترود به سلول وارد می‌شود، اسیلوسکوپ یک ولتاژ ثابت، یعنی پتانسیل غشای استراحت را نشان می‌دهد. در اکثر سلول‌های عصبی در حالت استراحت، پتانسیل غشاء تقریباً -۶۵ میلی‌ولت است (شکل ۹-2B).

Figure 9-2B Oscilloscope display.

شکل ۹-2B نمایش اسیلوسکوپ.

The membrane potential can be experimentally changed using a current generator connected to a second pair of electrodes one intracellular and one extracellular. When the intracellular electrode is made positive with respect to the extracellular one, a pulse of positive current from the current generator causes positive charge to flow into the neuron from the intracellular electrode. This current returns to the extracellular electrode by flowing outward across the membrane.

پتانسیل غشاء را می‌توان به طور تجربی با استفاده از یک مولد جریان متصل به یک جفت الکترود دوم یک درون سلولی و دیگری خارج سلولی تغییر داد. هنگامی که الکترود درون سلولی نسبت به الکترود خارج سلولی مثبت می‌شود، یک پالس جریان مثبت از مولد جریان باعث می‌شود که بار مثبت از الکترود درون سلولی به درون نورون جریان یابد. این جریان با عبور از غشا به سمت خارج به الکترود خارج سلولی باز می‌گردد.

As a result, the inside of the membrane becomes more positive while the outside of the membrane becomes more negative. This decrease in the separation of charge is called depolarization.

در نتیجه، داخل غشا مثبت تر می‌شود در حالی که بیرون غشا منفی تر می‌شود. به این کاهش در تفکیک بار، دپلاریزاسیون می‌گویند.

Figure 9-2C Depolarization.

شکل ۹-2C دپلاریزاسیون.

Small depolarizing current pulses evoke purely electrotonic (passive) potentials in the cell-the size of the change in potential is proportional to the size of the current pulses. However, a sufficiently large depolarizing current triggers the opening of voltage-gated ion channels. The opening of these channels leads to the action potential, which differs from electrotonic potentials in the way in which it is generated as well as in magnitude and duration (Figure 9-2C).

پالس‌های جریان دپلاریزاسیون کوچک پتانسیل‌های الکتروتونیک (غیرفعال) صرفاً در سلول را برمی‌انگیزد – اندازه تغییر پتانسیل با اندازه پالس‌های جریان متناسب است. با این حال، یک جریان دپلاریزاسیون به اندازه کافی بزرگ باعث باز شدن کانال‌های یونی دارای ولتاژ می‌شود. باز شدن این کانال‌ها منجر به پتانسیل عمل می‌شود که از نظر نحوه تولید و همچنین در بزرگی و مدت زمان با پتانسیل‌های الکتروتونیک متفاوت است (شکل ۹-2C).

Reversing the direction of current-making the intracellular electrode negative with respect to the extra- cellular electrode-makes the membrane potential more negative. This increase in charge separation is called hyperpolarization.

معکوس کردن جهت جریان منفی الکترود درون سلولی نسبت به الکترود خارج سلولی، پتانسیل غشاء را منفی تر می‌کند. به این افزایش تفکیک بار،‌هایپرپلاریزاسیون می‌گویند.

Figure 9-2D Hyperpolarization.

شکل ۹-2D‌ هایپرپولاریزاسیون.

Hyperpolarization does not trigger an active response in the cell. The responses of the cell to hyperpolarization are usually purely electrotonic. As the size of the current pulse increases, the hyperpolarization increases proportionately (Figure 9-2D).

هایپرپلاریزاسیون باعث ایجاد پاسخ فعال در سلول نمی‌شود. پاسخ سلول به هایپرپلاریزاسیون معمولاً کاملاً الکتروتونیک است. با افزایش اندازه پالس جریان،‌ هایپرپلاریزاسیون به نسبت افزایش می‌یابد (شکل ۹-2D).

Table 9-1 Distribution of the Major lons Across a Neuronal Membrane at Rest: The Giant Axon of the Squid

جدول ۹-۱ توزیع یون‌های اصلی در سراسر غشای عصبی در حالت استراحت: آکسون غول پیکر ماهی مرکب

No single ion species is distributed equally on the two sides of a nerve cell membrane. Of the four most abundant ions found on either side of the cell membrane, Na+ and Cl- are concentrated outside the cell and K+ and A- (organic anions, primarily amino acids and proteins) inside. Table 9-1 shows the distribution of these ions inside and outside of one particularly well- studied nerve cell process, the giant axon of the squid, whose extracellular fluid has a salt concentration similar to that of seawater. Although the absolute values of the ionic concentrations for vertebrate nerve cells are two- to three-fold lower than those for the squid giant axon, the concentration gradients (the ratio of the external to internal ion concentration) are similar.

هیچ گونه یونی به طور مساوی در دو طرف غشای سلول عصبی توزیع نمی‌شود. از چهار یون فراوانی که در دو طرف غشای سلولی یافت می‌شوند، +Na و -Cl در خارج از سلول هستند و +K و -A (آنیون‌های آلی، عمدتاً اسیدهای آمینه و پروتئین‌ها) در داخل سلول متمرکز شده‌اند. جدول ۹-۱ توزیع این یون‌ها را در داخل و خارج از یک فرآیند سلول عصبی به خوبی مطالعه شده نشان می‌دهد، آکسون غول پیکر ماهی مرکب، که مایع خارج سلولی آن دارای غلظت نمک مشابه با آب دریا است. اگرچه مقادیر مطلق غلظت‌های یونی سلول‌های عصبی مهره داران دو تا سه برابر کمتر از آکسون غول پیکر ماهی مرکب است، شیب غلظت (نسبت غلظت یون خارجی به داخلی) مشابه است.

The unequal distribution of ions raises several important questions. How do ionic gradients contribute to the resting membrane potential? What prevents the ionic gradients from dissipating by diffusion of ions across the membrane through the resting channels? These questions are interrelated, and we shall answer them by considering two examples of membrane permeability: the resting membranes of glial cells, which are permeable to only one species of ion, and the resting membranes of nerve cells, which are permeable to three. For the purposes of this discussion, we shall only consider the resting channels that are not gated by voltage and thus are always open.

توزیع نابرابر یون‌ها چندین سوال مهم را ایجاد می‌کند. چگونه گرادیان‌های یونی به پتانسیل غشاء استراحت کمک می‌کنند؟ چه چیزی مانع از پراکنده شدن گرادیان‌های یونی با انتشار یون‌ها در سراسر غشا از طریق کانال‌های استراحت می‌شود؟ این سؤالات به هم مرتبط هستند، و ما با در نظر گرفتن دو مثال از نفوذپذیری غشاء به آنها پاسخ خواهیم داد: غشای استراحت سلول‌های گلیال، که تنها به یک گونه از یون‌ها نفوذ می‌کنند، و غشای استراحت سلول‌های عصبی، که تا سه گونه نفوذپذیر هستند. برای اهداف این بحث، ما فقط کانال‌های استراحتی را در نظر می‌گیریم که با ولتاژ دروازه ای ندارند و بنابراین همیشه باز هستند.

Open Channels in Glial Cells Are Permeable to Potassium Only

کانال‌های باز در سلول‌های گلیال فقط به پتاسیم نفوذپذیر هستند

The permeability of a cell membrane to a particular ion species is determined by the relative proportions of the various types of ion channels that are open. The simplest case is that of the glial cell, which has a resting potential of approximately -75 mV. Like most cells, a glial cell has high concentrations of K+ and A ̄ on the inside and high concentrations of Na+ and Cl on the outside. However, most resting channels in the membrane are permeable only to K+.

نفوذپذیری یک غشای سلولی به یک گونه یونی خاص با نسبت نسبی انواع مختلف کانال‌های یونی که باز هستند تعیین می‌شود. ساده ترین مورد مربوط به سلول گلیال است که دارای پتانسیل استراحت تقریباً ۷۵- میلی‌ولت است. مانند اکثر سلول‌ها، سلول گلیال دارای غلظت بالایی از +K و -A در داخل و غلظت بالای +Na و -Cl در خارج است. با این حال، اکثر کانال‌های استراحت در غشاء فقط به +K نفوذ می‌کنند.

Because K+ ions are present at a high concentration inside the cell, they tend to diffuse across the membrane from the inside to the outside of the cell down their chemical concentration gradient. As a result, the outside of the membrane accumulates a net positive charge (caused by the slight excess of K+) and the inside a net negative charge (because of the deficit of K+ and the resulting slight excess of anions). Because opposite charges attract each other, the excess positive charges on the outside and the excess negative charges on the inside collect locally on either surface of the membrane (Figure 9-1).

از آنجایی که یون‌های +K با غلظت بالایی در داخل سلول وجود دارند، تمایل دارند در سراسر غشاء از داخل به خارج سلول به سمت پایین گرادیان غلظت شیمیایی خود پخش شوند. در نتیجه، قسمت بیرونی غشاء یک بار مثبت خالص (ناشی از مقدار کمی‌ +K) و در داخل یک بار منفی خالص (به دلیل کمبود +K و در نتیجه زیاد شدن جزئی آنیون‌ها) جمع می‌کند. از آنجا که بارهای مخالف یکدیگر را جذب می‌کنند، بارهای مثبت اضافی در خارج و بارهای منفی اضافی در داخل به صورت موضعی در هر دو سطح غشا جمع می‌شوند (شکل ۹-۱).

The flux of K+ out of the cell is self-limiting. The efflux of K+ gives rise to an electrical potential difference positive outside, negative inside. The greater the flow of K+, the more charge is separated and the greater is the potential difference. Because K+ is positive, the negative potential inside the cell tends to oppose the further efflux of K. Thus, K+ ions are subject to two forces driving them across the membrane: (1) a chemical driving force, a function of the concentration gradient across the membrane, and (2) an electrical driving force, a function of the electrical potential difference across the membrane.

شار +K به خارج از سلول خود محدود شونده است. جریان +K باعث ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی مثبت در خارج و منفی در داخل می‌شود. هر چه جریان +K بیشتر باشد، بار بیشتری جدا می‌شود و اختلاف پتانسیل بیشتر است. از آنجایی که +K مثبت است، پتانسیل منفی در داخل سلول تمایل به مخالفت با جریان بیشتر +K دارد. بنابراین، یون‌های +K تحت تأثیر دو نیرو هستند که آنها را در سراسر غشاء هدایت می‌کند: (۱) یک نیروی محرکه شیمیایی، تابعی از گرادیان غلظت. در سراسر غشا، و (۲) نیروی محرکه الکتریکی، تابعی از اختلاف پتانسیل الکتریکی در سراسر غشاء.

Once K+ diffusion has proceeded to a certain point, the electrical driving force on K+ exactly balances the chemical driving force. That is, the outward movement of K+ (driven by its concentration gradient) is equal to the inward movement of K+ (driven by the electrical potential difference across the membrane). This potential is called the K+ equilibrium potential, Ek (Figure 9-3). In a cell permeable only to K+ ions, E_k determines the resting membrane potential, which in most glial cells is approximately -75 mV.

هنگامی که انتشار +K تا یک نقطه خاص پیش رفت، نیروی محرکه الکتریکی روی +K دقیقاً نیروی محرکه شیمیایی را متعادل می‌کند. به این معنا که حرکت +K به سمت خارج (که توسط گرادیان غلظت آن هدایت می‌شود) برابر با حرکت +K به سمت داخل است (که توسط اختلاف پتانسیل الکتریکی در سراسر غشاء هدایت می‌شود). این پتانسیل پتانسیل تعادل +K یعنی Ek (شکل ۹-۳) نامیده می‌شود. در سلولی که فقط به یون‌های +K نفوذ می‌کند، Ek پتانسیل غشای استراحت را تعیین می‌کند که در اکثر سلول‌های گلیال تقریباً ۷۵- میلی‌ولت است.

The equilibrium potential for any ion X can be calculated from an equation derived in 1888 from basic thermodynamic principles by the German physical chemist Walter Nernst:

پتانسیل تعادل برای هر یون X را می‌توان از معادله ای که در سال ۱۸۸۸ از اصول پایه ترمودینامیکی توسط والتر نرنست شیمیدان فیزیک آلمانی به دست آمد محاسبه کرد:

where R is the gas constant, T the temperature (in degrees Kelvin), z the valence of the ion, F the Faraday constant, and [X]_o and [X]_i the concentrations of the ion outside and inside the cell. (To be precise, chemical activities rather than concentrations should be used.)

که در آن R ثابت گاز، T دما (بر حسب درجه کلوین)، z ظرفیت یون، F ثابت فارادی، و [X]o و [X]i غلظت یون در خارج و داخل سلول است. (به طور دقیق باید از فعالیت‌های شیمیایی به جای غلظت استفاده کرد.)

Since RT/F is 25 mV at 25°C (77°F, room temperature), and the constant for converting from natural logarithms to base 10 logarithms is 2.3, the Nernst equation can also be written as follows:

از آنجایی که RT/F 25 میلی‌ولت در ۲۵ درجه سانتی گراد (۷۷ درجه فارنهایت، دمای اتاق) است و ثابت برای تبدیل لگاریتم طبیعی به لگاریتم پایه ۱۰ برابر با ۲.۳ است، معادله نرنست را می‌توان به صورت زیر نوشت:

Thus, for K+, since z = +1 and given the concentrations inside and outside the squid axon in Table 9-1:

بنابراین، برای +K، از آنجایی که z = +1 و با توجه به غلظت‌های داخل و خارج آکسون ماهی مرکب در جدول ۹-۱:

The Nernst equation can be used to find the equilibrium potential of any ion that is present on both sides of a membrane permeable to that ion (the potential is sometimes called the Nernst potential). The equilibrium potentials for the distributions of Na+, K+, and Cl ions across the squid giant axon are given in Table 9-1.

از معادله نرنست می‌توان برای یافتن پتانسیل تعادل هر یونی که در هر دو طرف غشای قابل نفوذ به آن یون وجود دارد استفاده کرد (این پتانسیل گاهی اوقات پتانسیل نرنست نامیده می‌شود). پتانسیل‌های تعادلی برای توزیع یون‌های +Na+ ،K و -Cl در سراسر آکسون غول پیکر ماهی مرکب در جدول ۹-۱ آورده شده است.

In our discussion so far, we have treated the generation of the resting potential as a passive mechanism-the diffusion of ions down their chemical gradients- one that does not require the expenditure of energy by the cell. However, energy from hydrolysis of adenosine triphosphate (ATP) is required to set up the initial concentration gradients and to maintain them in neurons, as we shall see below.

در بحثی که تاکنون انجام داده‌ایم، ما تولید پتانسیل استراحت را به عنوان یک مکانیسم غیرفعال – انتشار یون‌ها در شیب‌های شیمیایی خود – که نیازی به صرف انرژی توسط سلول ندارد، در نظر گرفته‌ایم. با این حال، انرژی حاصل از هیدرولیز آدنوزین تری فسفات (ATP) برای تنظیم گرادیان‌های غلظت اولیه و حفظ آنها در نورون‌ها مورد نیاز است، همانطور که در زیر خواهیم دید.

Figure 9-3 The flux of K+ across a cell membrane is determined by both the K+ concentration gradient and the membrane potential.
A. In a cell permeable only to K+, the resting potential is generated by the efflux of K+ down its concentration gradient.
B. The continued efflux of K builds up an excess of positive charge on the outside of the cell and leaves behind an excess of negative charge inside the cell. This buildup of charge leads to a potential difference across the membrane that impedes the further efflux of K+, so eventually an equilibrium is reached: The electrical and chemical driving forces are equal and opposite, so as many K+ ions move in as move out.

شکل ۹-۳ شار +K در طول غشای سلولی با گرادیان غلظت +K و پتانسیل غشایی تعیین می‌شود.
الف. در سلولی که فقط به +K نفوذ می‌کند، پتانسیل استراحت با خروج +K به پایین گرادیان غلظت آن ایجاد می‌شود.
ب) جریان مداوم +K باعث ایجاد بار مثبت اضافی در خارج سلول می‌شود و بار منفی اضافی را در داخل سلول باقی می‌گذارد. این تجمع بار منجر به اختلاف پتانسیل در سراسر غشاء می‌شود که مانع از جریان بیشتر +K می‌شود، بنابراین در نهایت به یک تعادل می‌رسد: نیروهای محرکه الکتریکی و شیمیایی برابر و مخالف هستند، بنابراین به همان اندازه که یون‌های +K به سمت بیرون حرکت می‌کنند، به داخل حرکت می‌کنند.

Open Channels in Resting Nerve Cells Are Permeable to Three Ion Species

کانال‌های باز در سلول‌های عصبی در حال استراحت به سه گونه یونی نفوذپذیر هستند

Unlike glial cells, nerve cells at rest are permeable to Nat and Cl ions in addition to K+ ions. Of the abundant ion species in nerve cells, only the large organic anions (A-) are unable to permeate the cell membrane. How are the concentration gradients for the three permeant ions (Na+, K+, and Cl-) maintained across the membrane of a single cell, and how do these three gradients interact to determine the cell’s resting membrane potential?

برخلاف سلول‌های گلیال، سلول‌های عصبی در حالت استراحت علاوه بر یون‌های +K، به یون‌های +Na و -Cl نیز نفوذ می‌کنند. از گونه‌های یون فراوان در سلول‌های عصبی، تنها آنیون‌های آلی بزرگ (-A) قادر به نفوذ به غشای سلول نیستند. شیب غلظت برای سه یون نفوذپذیر (+Na+ ،K و -Cl) در سراسر غشای یک سلول چگونه حفظ می‌شود و چگونه این سه گرادیان برای تعیین پتانسیل غشای در حال استراحت سلول با هم تعامل دارند؟

To answer these questions, it is easiest to examine first only the diffusion of K+ and Na+. Let us return to the simple example of a cell having only K+ channels, with concentration gradients for K+, Na+, Cl-, and A ̄ as shown in Table 9-1. Under these conditions, the resting membrane potential V_r, is determined solely by the K concentration gradient and is equal to E_k (-۷۵ mV) (Figure 9-4A).

برای پاسخ به این سؤالات، ساده‌ترین کار این است که ابتدا فقط انتشار +K و +Na را بررسی کنیم. اجازه دهید به مثال ساده سلولی که فقط کانال‌های +K دارد، با گرادیان غلظت برای -K+ ،Na+ ،Cl و -A همانطور که در جدول ۹-۱ نشان داده شده است، بازگردیم. تحت این شرایط، پتانسیل غشایی در حال استراحت Vr، تنها با گرادیان غلظت K تعیین می‌شود و برابر با Ek (75- میلی‌ولت) است (شکل ۹-4A).

Now consider what happens if a few resting Na channels are added to the membrane, making it slightly permeable to Nat. Two forces drive Na’ into the cell: Na tends to flow into the cell down its chemical concentration gradient, and it is driven into the cell by the negative electrical potential difference across the membrane (Figure 9-4B). The influx of Na+ depolarizes the cell, but only slightly from the K+ equilibrium potential (-75 mV). The new membrane potential does not come close to the Na+ equilibrium potential of +55 mV because there are many more resting K+ channels than Na+ channels in the membrane.

حال در نظر بگیرید که چه اتفاقی می‌افتد اگر چند کانال +Na در حال استراحت به غشاء اضافه شود و آن را کمی به +Na نفوذ کند. دو نیرو +Na را به داخل سلول هدایت می‌کند: +Na تمایل دارد به سمت سلول به سمت پایین گرادیان غلظت شیمیایی آن جریان یابد و توسط اختلاف پتانسیل الکتریکی منفی در سراسر غشاء به داخل سلول هدایت می‌شود (شکل ۹-4B). هجوم +Na سلول را دپولاریزه می‌کند، اما فقط کمی‌از پتانسیل تعادل +K (75- میلی‌ولت). پتانسیل غشای جدید به پتانسیل تعادل سدیم (+Na)، ۵۵+ میلی‌ولت نزدیک نمی‌شود زیرا کانال‌های +K در حال استراحت بسیار بیشتری نسبت به کانال‌های +Na در غشا وجود دارد.

As soon as the membrane potential begins to depolarize from the value of the K equilibrium potential, K+ flux is no longer in equilibrium across the membrane. The reduction in the electrical force driving K+ into the cell means that there is now a net flow of K+ out of the cell, tending to counteract the Na+ influx. The more the membrane potential is depolarized and driven away from the K+ equilibrium potential, the greater is the net electrochemical force driving K+ out of the cell and consequently the greater the net K+ efflux. Eventually the membrane potential reaches a new resting level at which the increased outward movement of K+ just balances the inward movement of Na+ (Figure 9-4C). This balance point (usually approximately-65 mV) is far from the Na+ equilibrium potential (+55 mV) and is only slightly more positive than the K+ equilibrium potential (-75 mV).

به محض اینکه پتانسیل غشا از مقدار پتانسیل تعادل +K شروع به دپلاریزه شدن کرد، شار +K دیگر در سراسر غشاء در تعادل نیست. کاهش نیروی الکتریکی که +K را به داخل سلول هدایت می‌کند به این معنی است که اکنون یک جریان خالص +K به خارج از سلول وجود دارد که تمایل دارد هجوم +Na را خنثی کند. هر چه پتانسیل غشا دپلاریزه شود و از پتانسیل تعادل +K دور شود، نیروی الکتروشیمیایی خالص +K را از سلول خارج می‌کند و در نتیجه جریان خالص +K بیشتر می‌شود. در نهایت پتانسیل غشاء به سطح استراحت جدیدی می‌رسد که در آن افزایش حرکت +K به بیرون فقط حرکت +Na را به سمت داخل متعادل می‌کند (شکل ۹-4C). این نقطه تعادل (معمولاً تقریباً ۶۵- میلی‌ولت) از پتانسیل تعادل +Na (55+ میلی‌ولت) دور است و فقط کمی‌مثبت تر از پتانسیل تعادل +K (75- میلی‌ولت) است.

To understand how this balance point is determined, bear in mind that the magnitude of the flux of an ion across a cell membrane is the product of its electrochemical driving force (the sum of the electrical and chemical driving forces) and the conductance of the membrane to the ion:

برای درک چگونگی تعیین این نقطه تعادل، به خاطر داشته باشید که بزرگی شار یک یون در طول غشای سلولی حاصل ضرب نیروی محرکه الکتروشیمیایی آن (مجموع نیروهای محرک الکتریکی و شیمیایی) و رسانایی غشا است. به یون:
شار یون = (نیروی محرکه الکتریکی
+ نیروی محرکه شیمیایی) x هدایت غشایی

In a resting nerve cell, relatively few Na+ channels are open, so the membrane conductance of Na+ is quite low. Thus, despite the large chemical and electrical forces driving Na+ into the cell, the influx of Na+ is small. In contrast, many K+ channels are open in the membrane of a resting cell so that the membrane conductance of K+ is relatively large. Because of the high conductance of K+ relative to Na+ in the cell at rest, the small net outward force acting on K is enough to produce a K+ efflux equal to the Na+ influx.

در یک سلول عصبی در حال استراحت، تعداد نسبتا کمی‌کانال +Na باز است، بنابراین رسانایی غشایی +Na بسیار کم است. بنابراین، با وجود نیروهای شیمیایی و الکتریکی زیادی که +Na را به داخل سلول هدایت می‌کند، هجوم +Na اندک است. در مقابل، بسیاری از کانال‌های +K در غشای یک سلول در حال استراحت باز هستند به طوری که رسانایی غشایی +K نسبتاً بزرگ است. به دلیل رسانایی بالای +K نسبت به +Na در سلول در حالت سکون، نیروی خالص کوچک به سمت بیرونی که بر +K وارد می‌شود برای تولید جریان +K برابر با هجوم +Na کافی است.

The Electrochemical Gradients of Sodium, Potassium, and Calcium Are Established by Active Transport of the Ions

گرادیان‌های الکتروشیمیایی سدیم، پتاسیم و کلسیم توسط انتقال فعال یون‌ها ایجاد می‌شود.

As we have seen, the passive movement of K+ out of the resting cell through open channels balances the passive movement of Na+ into the cell. However, this steady leakage of ions cannot be allowed to continue unopposed for any appreciable length of time because the Na+ and K+ gradients would eventually run down, reducing the resting membrane potential.

همانطور که دیدیم، حرکت غیرفعال +K به خارج از سلول استراحت از طریق کانال‌های باز، حرکت غیرفعال +Na را به داخل سلول متعادل می‌کند. با این حال، این نشت ثابت یون‌ها را نمی‌توان برای مدت زمان قابل‌توجهی بدون مخالفت ادامه داد، زیرا گرادیان‌های +Na و +K در نهایت پایین می‌آیند و پتانسیل غشاء استراحت را کاهش می‌دهند.

Dissipation of ionic gradients is prevented by the sodium-potassium pump (Na+-K+ pump), which moves Na and K+ against their electrochemical gradients: It extrudes Na+ from the cell while taking in K+. The pump therefore requires energy, and the energy comes from hydrolysis of ATP. Thus, at the resting membrane potential, the cell is not in equilibrium but rather in a steady state: There is a continuous passive influx of Na+ and efflux of K+ through resting channels that is exactly counterbalanced by the Na+-K+ pump.

پمپ سدیم پتاسیم (پمپ +Na+-K) که سدیم و پتاسیم را در مقابل شیب‌های الکتروشیمیایی آنها حرکت می‌دهد، از اتلاف گرادیان‌های یونی جلوگیری می‌کند. بنابراین پمپ به انرژی نیاز دارد و انرژی از هیدرولیز ATP حاصل می‌شود. بنابراین، در پتانسیل غشای در حال استراحت، سلول در حالت تعادل نیست، بلکه در حالت ثابت است: یک جریان غیرفعال پیوسته +Na و جریان +K از طریق کانال‌های استراحت وجود دارد که دقیقاً توسط پمپ +Na+-K متعادل می‌شود. .

As we saw in the previous chapter, pumps are similar to ion channels in that they catalyze the movement of ions across cell membranes. However, they differ in two important respects. First, whereas ion channels are passive conduits that allow ions to move down their electrochemical gradient, pumps require a source of chemical energy to transport ions against their electrochemical gradient. Second, ion transport is much faster in channels: Ions typically flow through channels at a rate of 10′ to 10 per second, whereas pumps operate at speeds more than 10,000 times slower.

همانطور که در فصل قبل دیدیم، پمپ‌ها شبیه کانال‌های یونی هستند زیرا حرکت یون‌ها را در غشای سلولی کاتالیز می‌کنند. با این حال، آنها از دو جنبه مهم متفاوت هستند. اولاً، در حالی که کانال‌های یونی مجرای غیرفعال هستند که به یون‌ها اجازه می‌دهند تا گرادیان الکتروشیمیایی خود را پایین بیاورند، پمپ‌ها به منبع انرژی شیمیایی برای انتقال یون‌ها در برابر گرادیان الکتروشیمیایی خود نیاز دارند. دوم، انتقال یون در کانال‌ها بسیار سریع‌تر است: یون‌ها معمولاً با سرعت ۱۰ تا ۱۰ در ثانیه در کانال‌ها جریان می‌یابند، در حالی که پمپ‌ها با سرعت بیش از ۱۰۰۰۰ برابر کندتر کار می‌کنند.

The Na+-K+ pump is a large membrane-spanning protein with catalytic binding sites for Na+ and ATP on its intracellular surface and for K+ on its extracellular surface. With each cycle, the pump hydrolyzes one molecule of ATP. (Because the Na+-K+ pump hydrolyzes ATP, it is also referred to as the Na+-K+ ATPase.) It uses this energy of hydrolysis to extrude three Na+ ions from the cell and bring in two K+ ions. The unequal flux of Na+ and K+ ions causes the pump to generate a net outward ionic current. Thus, the pump is said to be electrogenic. This pump-driven efflux of positive charge tends to set the resting potential a few millivolts more negative than would be achieved by the passive diffusion mechanisms discussed earlier. During periods of intense neuronal activity, the increased influx of Na+ leads to an increase in Na+-K+ pump activity that generates a prolonged outward current, leading to a hyperpolarizing after-potential that can last for several minutes, until the normal Na+ concentration is restored. The Na+-K+ pump is inhibited by ouabain or digitalis plant alkaloids, an action that is important in the treatment of heart failure.

پمپ +Na+-K یک پروتئین بزرگ پوشاننده غشاء است که محل‌های اتصال کاتالیزوری برای +Na و ATP در سطح داخل سلولی و برای +K در سطح خارج سلولی آن است. با هر چرخه، پمپ یک مولکول ATP را هیدرولیز می‌کند. (از آنجایی که پمپ +Na+-K، آدنوزین تری فسفات (ATP) را هیدرولیز می‌کند، به آن Na+-K+ ATPase نیز می‌گویند.) از این انرژی هیدرولیز برای بیرون راندن سه یون +Na از سلول و آوردن دو یون +K استفاده می‌کند. شار نابرابر یون‌های +Na و +K باعث می‌شود پمپ یک جریان یونی خالص به بیرون تولید کند. بنابراین گفته می‌شود که پمپ الکتروژنیک است. این جریان بار مثبت ناشی از پمپ تمایل دارد تا پتانسیل استراحت را چند میلی‌ولت منفی‌تر از مکانیزم‌های انتشار غیرفعال که قبلاً بحث شد به دست آورد. در طول دوره‌های فعالیت شدید عصبی، افزایش هجوم +Na منجر به افزایش فعالیت پمپ +Na+-K می‌شود که یک جریان بیرونی طولانی‌مدت ایجاد می‌کند، که منجر به یک پتانسیل پس از هیپرپلاریزه می‌شود که می‌تواند چند دقیقه طول بکشد تا غلظت طبیعی +Na ادامه یابد. بازسازی می‌شود. پمپ +Na+-K توسط آلکالوئیدهای گیاهی ouabain یا digitalis مهار می‌شود، عملی که در درمان نارسایی قلبی مهم است.

Figure 9-4 The resting potential of a cell is determined by the proportions of different types of ion channels that are open, together with the value of their equilibrium potentials. The channels in the figures represent the entire complement of K+ or Na+ channels in this hypothetical cell membrane. The lengths of the arrows within the channels represent the relative amplitudes of the electrical (red) and chemical (blue) driving forces acting on Na+ or K+. The lengths of the arrows in the diagram on the right denote the relative sizes of the net driving force (the sum of the electrical and chemical driving forces) for Na+ and K+ and the net ion currents. Three hypothetical situations are illustrated.

شکل ۹-۴ پتانسیل استراحت یک سلول با نسبت انواع مختلف کانال‌های یونی که باز هستند، همراه با مقدار پتانسیل تعادل آنها تعیین می‌شود. کانال‌های موجود در شکل‌ها کل مکمل کانال‌های +K یا +Na را در این غشای سلولی فرضی نشان می‌دهند. طول فلش‌های داخل کانال نشان‌دهنده دامنه نسبی نیروهای محرک الکتریکی (قرمز) و شیمیایی (آبی) است که روی +Na یا +K عمل می‌کنند. طول فلش‌ها در نمودار سمت راست نشان‌دهنده اندازه‌های نسبی نیروی محرکه خالص (مجموع نیروهای محرکه الکتریکی و شیمیایی) برای +Na و +K و جریان‌های خالص یون است. سه موقعیت فرضی نشان داده شده است.

A. In a resting cell in which only K+ channels are present, K+ ions are in equilibrium and V_m = E_k

الف. در یک سلول در حال استراحت که در آن فقط کانال‌های +K وجود دارد، یون‌های +K در تعادل هستند و Vm = Ek

B. Adding a few Na+ channels to the resting membrane allows Na+ ions to diffuse into the cell, and this influx begins to depolarize the membrane.

ب- افزودن چند کانال +Na به غشای در حال استراحت به یون‌های +Na اجازه انتشار به داخل سلول می‌دهد و این هجوم شروع به دپولاریزه شدن غشا می‌کند.

C. The resting potential settles at a new level (V_r), where the influx of Na+ is balanced by the efflux of K+. In this example, the aggregate conductance of the K+ channels is much greater than that of the Na+ channels because the K+ channels are more numerous. As a result, a relatively small net driving force for K+ drives a current equal and opposite to the Na+ current driven by the much larger net driving force for Nat. This is a steady-state condition, in which neither Nat nor K+ is in equilibrium but the net flux of charge is null.

پ) پتانسیل استراحت در سطح جدیدی (Vr) قرار می‌گیرد، جایی که هجوم +Na توسط جریان +K متعادل می‌شود. در این مثال، رسانایی مجموع کانال‌های +K بسیار بیشتر از کانال‌های +Na است، زیرا تعداد کانال‌های +K بیشتر است. در نتیجه، یک نیروی محرکه خالص نسبتاً کوچک برای +K جریانی برابر و مخالف جریان +Na ایجاد می‌کند که توسط نیروی محرکه خالص بسیار بزرگ‌تر برای +Na هدایت می‌شود. این یک شرایط حالت پایدار است که در آن نه +Na و نه +K در تعادل نیستند اما شار خالص شارژ صفر است.

D. Membrane voltage changes during the hypothetical situations illustrated in parts A, B, and C.

د- تغییرات ولتاژ غشاء در طول موقعیت‌های فرضی نشان داده شده در قسمت‌های A، B و C.

The Na+-K+ pump is a member of a large family of pumps known as P-type ATPases (because the phosphoryl group of ATP is temporarily transferred to the pump). P-type ATPases include a Ca2+ pump that transports Ca2+ across cell membranes (Figure 9-5A). All cells normally maintain a very low cytoplasmic Ca2+ concentration, between 50 and 100 nM. This concentration is more than four orders of magnitude lower than the external concentration, which is approximately 2 mM in mammals. Calcium pumps in the plasma membrane transport Ca2+ out of the cell; other Ca2+ pumps located in internal membranes, such as the smooth endoplasmic reticulum, transport Ca2+ from the cytoplasm into these intracellular Ca2+ stores. Calcium pumps are thought to transport two Ca2+ ions for each ATP molecule that is hydrolyzed, with two protons transported in the opposite direction.

پمپ +Na+-K عضوی از خانواده بزرگ پمپ‌ها به نام ATPases نوع P است (زیرا گروه فسفوریل ATP به طور موقت به پمپ منتقل می‌شود). ATPaseهای نوع P شامل یک پمپ +Ca2 هستند که +Ca2 را از غشاهای سلولی منتقل می‌کند (شکل ۹-5A). همه سلول‌ها به طور معمول غلظت سیتوپلاسمی‌ +Ca2 را بین ۵۰ تا ۱۰۰ نانومتر حفظ می‌کنند. این غلظت بیش از چهار مرتبه قدر کمتر از غلظت خارجی است که در پستانداران تقریباً ۲ میلی مولار است. پمپ‌های کلسیم در غشای پلاسما، +Ca2 را به خارج از سلول منتقل می‌کند. سایر پمپ‌های +Ca2 واقع در غشاهای داخلی، مانند شبکه آندوپلاسمی‌صاف، +Ca2 را از سیتوپلاسم به این ذخایر +Ca2 داخل سلولی منتقل می‌کنند. تصور می‌شود که پمپ‌های کلسیم دو یون +Ca2 را برای هر مولکول ATP که هیدرولیز می‌شود، با دو پروتون در جهت مخالف انتقال می‌دهند.

The Na-K pump and Ca2+ pump have similar structures. They are formed from 110 kD α-subunits, whose large transmembrane domain contains 10 membrane-spanning a-helixes (Figure 9-5A). In the Na+-K+ pump, an α-subunit associates with an obligatory B-subunit that is required for proper assembly and membrane expression of the pump. In humans, four genes encode highly related Na+-K+ pump α-subunits (ATP1A1, ATP1A2, ATP1A3, ATP1A4). Mutations in ATP1A2 result in familial hemiplegic migraine, a form of migraine associated with an aura and muscle weak- ness. Certain mutations in the neuron-specific ATP1A3 isoform lead to rapid-onset dystonia parkinsonism, a movement disorder that first occurs in late adolescence or early adulthood. A different set of mutations lead to a distinct neurological disorder, alternating hemiplegia of childhood, a paralysis that affects one side of the body and develops in children under the age of 2.

پمپ +Na+-K و پمپ +Ca2 ساختارهای مشابهی دارند. آنها از زیرواحدهای α ۱۱۰ کیلو دالتون تشکیل شده اند، که حوزه گذر غشایی بزرگ آنها شامل ۱۰ مارپیچ الف پوشاننده غشاء است (شکل ۹-5A). در پمپ +Na+-K، یک زیرواحد α با یک زیرواحد B اجباری مرتبط است که برای مونتاژ مناسب و بیان غشایی پمپ لازم است. در انسان، چهار ژن زیرواحدهای آلفا پمپ +Na+-K بسیار مرتبط را رمزگذاری می‌کنند (ATP1A1، ATP1A2، ATP1A3، ATP1A4). جهش در ATP1A2 منجر به میگرن همی‌پلژیک خانوادگی می‌شود، شکلی از میگرن که با‌هاله و ضعف عضلانی همراه است. جهش‌های خاصی در ایزوفرم ATP1A3 اختصاصی نورون منجر به دیستونی پارکینسونیسم با شروع سریع می‌شود، یک اختلال حرکتی که برای اولین بار در اواخر نوجوانی یا اوایل بزرگسالی رخ می‌دهد. مجموعه متفاوتی از جهش‌ها منجر به یک اختلال عصبی مشخص، همی‌پلژی متناوب دوران کودکی می‌شود، فلجی که یک طرف بدن را تحت تاثیر قرار می‌دهد و در کودکان زیر ۲ سال ایجاد می‌شود.

Figure 9-5 Pumps and transporters regulate the chemical concentration gradients of Na+, K+, Ca2+, and CI ions.

شکل ۹-۵ پمپ‌ها و انتقال دهنده‌ها گرادیان غلظت شیمیایی یون‌های +Na+، K+، Ca2 و-CI را تنظیم می‌کنند.

A. The Na-K+ pump and Ca2+ pump are two examples of active transporters that use the energy of adenosine triphosphate (ATP) hydrolysis to transport ions against their concentration gradient. The a-subunit of a Na-K+ pump or homologous Ca2+ pump (below) has 10 transmembrane segments, a cytoplasmic amino terminus, and a cytoplasmic carboxyl terminus. There are also cytoplasmic loops important for binding ATP (N), ATP hydrolysis and phosphorylation of the pump (P), and transducing phosphorylation to transport (A). The Na+-K+ pump also contains a smaller β-subunit with a single transmembrane domain plus a small accessory integral membrane protein FXYD, which modulates pump kinetics (not shown).

الف) پمپ +Na+-K و پمپ +Ca2 دو نمونه از انتقال دهنده‌های فعال هستند که از انرژی هیدرولیز آدنوزین تری فسفات (ATP) برای انتقال یون‌ها در برابر گرادیان غلظتشان استفاده می‌کنند. زیرواحد a یک پمپ +Na+-K یا پمپ همولوگ +Ca2 (در زیر) دارای ۱۰ بخش گذرنده، یک پایانه آمینه سیتوپلاسمی‌و یک پایانه کربوکسیل سیتوپلاسمی‌است. همچنین حلقه‌های سیتوپلاسمی‌برای اتصال ATP (N)، هیدرولیز ATP و فسفوریلاسیون پمپ (P) و تبدیل فسفوریلاسیون برای انتقال (A) مهم هستند. پمپ +Na+-K همچنین حاوی یک زیرواحد β کوچکتر با یک دامنه گذر غشایی منفرد به اضافه یک پروتئین غشایی یکپارچه جانبی کوچک FXYD است که سینتیک پمپ را تعدیل می‌کند (نمایش داده نشده است).

B. The Na+-Ca2+ exchanger uses the potential energy of the electrochemical gradient of Na+ to transport Ca2+ out of a cell. The Na+-Ca2+ exchanger contains nine transmembrane segments, two reentrant membrane loops important for ion trans- port, and a large cytoplasmic regulatory loop. Chloride ions are transported into the cell by the Na+-K+-CI cotransporter and out of the cell by the K+-C cotransporter. These transporters are members of a family of Cl transport proteins with 12 trans- membrane segments (below).

ب- مبدل +Na+-Ca2 از انرژی پتانسیل گرادیان الکتروشیمیایی +Na برای انتقال +Ca2 به خارج از سلول استفاده می‌کند. مبدل +Na+-Ca2 شامل ۹ بخش گذرنده، دو حلقه غشای ورودی مجدد مهم برای انتقال یون و یک حلقه تنظیمی‌سیتوپلاسمی‌بزرگ است. یون‌های کلرید توسط هم انتقال دهنده -Na+-K+-CI به داخل سلول و توسط هم انتقال دهنده -K+-Cl به خارج از سلول منتقل می‌شوند. این ناقل‌ها اعضای خانواده ای از پروتئین‌های انتقال کلر با ۱۲ بخش غشایی هستند (در زیر).

Most neurons have relatively few Ca2+ pumps in the plasma membrane. Instead, Ca2+ is transported out of the cell primarily by the Na-Ca2+ exchanger (Figure 9-5B). This membrane protein is not an ATPase but a different type of molecule called a cotransporter. Cotransporters move one type of ion against its electrochemical gradient by using the energy stored in the electrochemical gradient of a second ion. (The CLC Cl-H cotransporter discussed in Chapter 8 is a type of exchanger.) In the case of the Na+-Ca2+ exchanger, the electrochemical gradient of Na+ drives the efflux of Ca2+. The exchanger transports three or four Na ions into the cell (down the electrochemical gradient for Na) for each Ca2+ ion it removes (against the electrochemical gradient of Ca2+). Because Na+ and Ca2+ are transported in opposite directions, the exchanger is termed an antiporter. Ultimately, it is the hydrolysis of ATP by the Na+-K pump that provides the energy (stored in the Na+ gradient) to maintain the function of the Na+-Ca2+ exchanger. For this reason, ion flux driven by cotransporters is often referred to as secondary active transport, to distinguish it from the primary active transport driven directly by ATPases.

اکثر نورون‌ها پمپ‌های +Ca2 نسبتا کمی‌در غشای پلاسمایی دارند. در عوض، +Ca2 عمدتاً توسط مبدل +Na+-Ca2 به خارج از سلول منتقل می‌شود (شکل ۹-5B). این پروتئین غشایی یک ATPase نیست، بلکه نوع متفاوتی از مولکول به نام کوترانسپورتر است. انتقال دهنده‌ها با استفاده از انرژی ذخیره شده در گرادیان الکتروشیمیایی یون دوم، یک نوع یون را بر خلاف گرادیان الکتروشیمیایی آن حرکت می‌دهند. (هم انتقال دهنده +CLC Cl–H که در فصل ۸ مورد بحث قرار گرفت یک نوع مبدل است.) در مورد مبدل +Na+-Ca2، گرادیان الکتروشیمیایی +Na جریان +Ca2 را هدایت می‌کند. مبدل سه یا چهار یون +Na را به سلول منتقل می‌کند (در شیب الکتروشیمیایی +Na) به ازای هر یون +Ca2 که حذف می‌کند (در برابر گرادیان الکتروشیمیایی +Ca2). از آنجایی که +Na و +Ca2 در جهات مخالف منتقل می‌شوند، مبدل را ضد پورتر می‌نامند. در نهایت، این هیدرولیز ATP توسط پمپ +Na+-K است که انرژی (ذخیره شده در گرادیان +Na) را برای حفظ عملکرد مبدل +Na+-Ca2 فراهم می‌کند. به همین دلیل، شار یونی که توسط هم‌ترانسپورترها هدایت می‌شود، اغلب به عنوان انتقال فعال ثانویه نامیده می‌شود تا آن را از انتقال فعال اولیه که مستقیماً توسط ATPases هدایت می‌شود، متمایز کند.

Chloride Ions Are Also Actively Transported

یون‌های کلرید نیز به طور فعال منتقل می‌شوند

So far, for simplicity, we have ignored the contribution of chloride (CI-) to the resting potential. However, in most nerve cells, the CI- gradient across the cell membrane is controlled by one or more active transport mechanisms so that E differs from V. As a result, the presence of open Cl- channels will bias the membrane potential toward its Nernst potential. Chloride transporters typically use the energy stored in the gradients of other ions-they are cotransporters.

تاکنون، برای سادگی، سهم کلرید (-CI) در پتانسیل استراحت را نادیده گرفته ایم. با این حال، در اکثر سلول‌های عصبی، گرادیان -CI در سراسر غشای سلولی توسط یک یا چند مکانیسم انتقال فعال کنترل می‌شود، به طوری که E با V متفاوت است. در نتیجه، وجود کانال‌های باز کلر، پتانسیل غشا را به سمت پتانسیل Nernst آن سوق می‌دهد. انتقال‌دهنده‌های کلرید معمولاً از انرژی ذخیره شده در شیب یون‌های دیگر استفاده می‌کنند – آنها انتقال دهنده‌های مشترک هستند.

Cell membranes contain a number of different types of Cl cotransporters (Figure 9-5B). Some trans- porters increase intracellular C to levels greater than those that would be passively reached if the Cl Nernst potential was equal to the resting potential. In such cells, E_cl is positive to V, so that the opening of Cl- channels depolarizes the membrane. An example of this type of transporter is the Na+-K+-Cl- cotransporter. This protein transports two Cl ions into the cell together with one Na+ and one K+ ion. As a result, the transporter is electroneutral. The Na+-K+-Cl ̄ cotransporter differs from the Na+-Ca2+ exchanger in that the former transports all three ions in the same direction- it is a symporter.

غشاهای سلولی حاوی تعدادی از انواع مختلف انتقال دهنده کلر هستند (شکل ۹-5B). برخی از انتقال‌دهنده‌ها C درون سلولی را به سطوحی بیشتر از سطوحی می‌رسانند که اگر پتانسیل Cl Nernst برابر با پتانسیل استراحت بود، بطور غیر فعال به آن می‌رسید. در چنین سلول‌هایی، Ecl به V مثبت است، به طوری که باز شدن کانال‌های -Cl باعث دپلاریزاسیون غشا می‌شود. نمونه ای از این نوع ترانسپورتر کوترانسپورتر -Na+-K+-Cl است. این پروتئین دو یون کلر را همراه با یک یون +Na و یک +K به داخل سلول منتقل می‌کند. در نتیجه، انتقال دهنده الکتروخنثی است. هم‌ترانسپورتر -Na+-K+-Cl با مبدل +Na+-Ca2 متفاوت است، زیرا اولی هر سه یون را در یک جهت حمل می‌کند – این یک سیمپورتر است.

In most neurons, the Cl gradient is determined by cotransporters that move Clout of the cell. This action lowers the intracellular concentration of CI so that E_cl is typically more negative than the resting potential. As a result, the opening of Cl channels leads to an influx of Cl that hyperpolarizes the membrane. The K+-CI- cotransporter is an example of such a transport mechanism; it moves one K+ ion out of the cell for each Cl- ion it exports.

در اکثر نورون‌ها، گرادیان کلر توسط انتقال‌دهنده‌های هم‌رسانی تعیین می‌شود که تأثیر سلول را به حرکت در می‌آورند. این عمل غلظت درون سلولی -CI را کاهش می‌دهد به طوری که Ecl معمولاً منفی تر از پتانسیل استراحت است. در نتیجه، باز شدن کانال‌های کلر منجر به هجوم کلر می‌شود که غشاء را هیپرپلاریزه می‌کند. K+-CI- cotransporter نمونه ای از چنین مکانیزم حمل و نقل است. به ازای هر یون -Cl که صادر می‌کند، یک یون +K را از سلول خارج می‌کند.

Interestingly, in early neuronal development, cells tend to express primarily the Na+-K+-CI cotransporter. As a result, at this stage the neurotransmitter γ-aminobutyric acid (GABA), which activates ligand-gated Cl channels, typically has an excitatory (depolarizing) effect. As neurons develop, they begin to express the K-C cotransporter, such that in most mature neurons GABA typically hyperpolarizes the membrane and thus acts as an inhibitory neurotransmitter. In some pathological conditions in adults, such as certain types of epilepsy or chronic pain syndromes, the expression pattern of the CI cotransporters may revert to that of the immature nervous system. This will lead to aberrant depolarizing responses to GABA that can produce abnormally high levels of excitation.

جالب توجه است، در رشد اولیه عصبی، سلول‌ها تمایل دارند که در درجه اول ناقل Na+-K+-CI را بیان کنند. در نتیجه، در این مرحله، انتقال‌دهنده عصبی γ-aminobutyric acid (GABA)، که کانال‌های کلر لیگاند شده را فعال می‌کند، معمولاً یک اثر تحریک‌کننده (دپلاریزاسیون) دارد. همانطور که نورون‌ها رشد می‌کنند، آنها شروع به بیان همزمان انتقال دهنده -K+-Cl می‌کنند، به طوری که در اکثر نورون‌های بالغ GABA به طور معمول غشاء را هیپرپلاریزه می‌کند و بنابراین به عنوان یک انتقال دهنده عصبی بازدارنده عمل می‌کند. در برخی شرایط پاتولوژیک در بزرگسالان، مانند انواع خاصی از صرع یا سندرم‌های درد مزمن، الگوی بیانی انتقال‌دهنده‌های -CI ممکن است به الگوی سیستم عصبی نابالغ بازگردد. این منجر به پاسخ‌های دپلاریزاسیون نابجا به GABA می‌شود که می‌تواند سطوح غیرعادی بالایی از تحریک را ایجاد کند.

The Balance of Ion Fluxes in the Resting Membrane Is Abolished During the Action Potential

تعادل شارهای یونی در غشای در حال استراحت در طی پتانسیل عمل لغو می‌شود

In the nerve cell at rest, the steady Na+ influx is balanced by a steady K+ efflux, so that the membrane potential is constant. This balance changes when the membrane is depolarized toward the threshold for an action potential. As the membrane potential approaches this threshold, voltage-gated Na+ channels open rapidly. The resultant increase in membrane conductance to Na+ causes the Na+ influx to exceed the K+ efflux once threshold is exceeded, creating a net influx of positive charge that causes further depolarization. The increase in depolarization causes still more voltage-gated Na+ channels to open, resulting in a greater influx of Na+, which accelerates the depolarization even further.

در سلول عصبی در حال استراحت، هجوم ثابت +Na با جریان +K ثابت متعادل می‌شود، به طوری که پتانسیل غشاء ثابت است. این تعادل زمانی تغییر می‌کند که غشاء به سمت آستانه یک پتانسیل عمل دپلاریزه شود. همانطور که پتانسیل غشا به این آستانه نزدیک می‌شود، کانال‌های +Na با ولتاژ به سرعت باز می‌شوند. افزایش حاصل در رسانایی غشایی به +Na باعث می‌شود که پس از فراتر رفتن از آستانه، هجوم +Na از جریان +K فراتر رود و یک جریان خالص بار مثبت ایجاد می‌کند که باعث دپلاریزاسیون بیشتر می‌شود. افزایش دپلاریزاسیون باعث می‌شود که کانال‌های +Na دارای ولتاژ بیشتری باز شوند و در نتیجه هجوم +Na بیشتر شود که دپلاریزاسیون را حتی بیشتر تسریع می‌کند.

This regenerative, positive feedback cycle develops explosively, driving the membrane potential rapidly toward the Na+ equilibrium potential of +55 mV:

این چرخه بازخورد مثبت احیا کننده به طور انفجاری توسعه می‌یابد و پتانسیل غشا را به سرعت به سمت پتانسیل تعادل سدیم (+Na)، ۵۵+ میلی‌ولت سوق می‌دهد:

However, the membrane potential never quite reaches E_Na because K efflux continues throughout the depolarization. A slight influx of Cl- into the cell also counteracts the depolarizing effect of the Na+ influx. Nevertheless, so many voltage-gated Na+ channels open during the rising phase of the action potential that the cell membrane’s Na+ conductance is much greater than the conductance of either Cl- or K+. Thus, at the peak of the action potential, the membrane potential approaches the Na+ equilibrium potential, just as at rest (when permeability to K+ is predominant), the membrane potential tends to approach the K+ equilibrium potential.

با این حال، پتانسیل غشایی هیچ‌وقت کاملاً به ENa نمی‌رسد چون خروج +K در طول دپرولاریزاسیون ادامه دارد. یک ورودی جزئی از -Cl به داخل سلول نیز اثر دپرولاریزاسیون ورودی +Na را خنثی می‌کند. با این حال، آنقدر کانال‌های +Na وابسته به ولتاژ در طول فاز صعودی پتانسیل عمل باز می‌شوند که هدایت +Na غشای سلول خیلی بیشتر از هدایت -Cl یا +K است. بنابراین، در اوج پتانسیل عمل، پتانسیل غشایی به پتانسیل تعادل +Na نزدیک می‌شود، درست مثل زمانی که در حالت استراحت (زمانی که نفوذپذیری به +K برتر است) پتانسیل غشایی به پتانسیل تعادل +K تمایل دارد.

---

---

---

---

---

---

---

---