Мембранный потенциал

Электрические сигналы, возникающие внутри биологических организмов, обусловлены движением ионов[1]. Наиболее важные катионы для потенциала действия — катионы натрия (Na⁺) и калия (K⁺)[2]. Оба этих одновалентных катиона несут один положительный заряд. В потенциале действия может также участвовать катион кальция (Ca²⁺)[3] , он представляет собой двухвалентный катион, несущий двойной положительный заряд. Анион хлора (​​Cl^-) играет важную роль в потенциалах действия некоторых водорослей[4], однако, в потенциалах действия большинства животных принимает лишь небольшое участие[5].

Ионный насос — это транспортная система, обеспечивающая перенос иона с непосредственной затратой энергии вопреки концентрационному и электрическому градиентам[6].

Ионные каналы являются интегральными мембранными белками, через поры которых ионы могут перемещаться из межклеточного пространства вовнутрь клеток и наоборот. Большинство ионных каналов проявляет высокую специфичность (селективность) по отношению к одному иону. Так, например, большинство калиевых каналов характеризуется высоким коэффициентом селективности катионов калия над катионами натрия в отношении 1000:1, хотя ионы калия и натрия имеют одинаковый заряд и лишь незначительно различаются по радиусам. Пора канала, как правило, настолько мала, что ионы должны пройти через неё в одном порядке[7] .

Равновесный потенциал (англ. equilibrium potential) иона является величиной электрического напряжения на мембране, при котором диффузионные и электрические силы противопоставлены друг другу, так что результирующий поток ионов через мембрану равен нулю в силу одинаковой скорости потока в клетку и из клетки. Это означает, что напряжение на мембране точно компенсирует диффузию ионов, таким образом, что суммарный поток ионов через мембрану равен нулю. Реверсивный потенциал имеет важное значение, поскольку он создаёт напряжение действующее на ионные каналы, придавая им проницаемость для ионов.

Равновесный потенциал для конкретного вида ионов обычно обозначается ${\displaystyle E_{i}.}$ Потенциал для любого иона может быть вычислен с помощью уравнения Нернста. Например, реверсивный потенциал для ионов калия:

${\displaystyle E_{e,\ K^{+}}={\frac {RT}{zF}}\ln {\frac {[K^{+}]_{1}}{[K^{+}]_{2}}},}$

где ${\displaystyle E_{e,\ K^{+}}}$ — равновесный потенциал ионов ${\displaystyle K^{+},}$ измеряемый в вольтах;

${\displaystyle R}$ — универсальная газовая постоянная, равная 8,3144 Дж/(моль·К);

${\displaystyle T}$ — абсолютная температура в кельвинах;

${\displaystyle z}$ — заряд ионов участвующих в реакции, выраженный в элементарных зарядах, для ионов калия равен 1;

${\displaystyle F}$ — постоянная Фарадея, равная 96 485 Кл/моль;

${\displaystyle [{K^{+}]}_{1}}$ — внеклеточная концентрация ионов калия, измеряется в моль/л;

${\displaystyle [{K^{+}]}_{2}}$ — внутриклеточная концентрация ионов калия, измеряется в моль/л.

Реверсивный потенциал (англ. reversal potential) численно равен равновесному потенциалу. Термин реверсивный потенциал отражает тот факт, что при переходе через данное значение мембранного потенциала происходит обращение направления потока ионов.