Το δυναμικό ηρεμίας: εισαγωγή στα θεμέλια του νευρικού συστήματος Teach article

Μετάφραση από: Μαρίνα-Σαββίνα Τσατσαλίδη (Marina-Savvina Tsatsalidi) – Φοιτήτρια Φαρμακευτικής, ΕΚΠΑ και Παναγιώτη Κ. Στασινάκη (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός, Βιολόγος, MEd, PhD,…

Το νευρικό σύστημα δεν είναι μόνο συναρπαστικό, αλλά και ένα από τα πιο σύνθετα θέματα στο μάθημα της σχολικής βιολογίας, ιδιαίτερα επειδή η εργασία με πραγματικούς νευρώνες δεν είναι εφικτή στο σχολείο. Σε αυτό το άρθρο περιγράφεται μια δραστηριότητα στην οποία χρησιμοποιείται μια μεμβράνη από σελοφάν για να ερευνηθεί πώς δημιουργείται σε έναν νευρώνα το δυναμικό ηρεμίας. Η δραστηριότητα είναι κατάλληλη για μαθητές ηλικίας 16-19 ετών και διαρκεί περίπου 90 λεπτά.

Ένα τεχνητό μεμβρανικό δυναμικό

Για να μπορούν να μεταφέρουν πληροφορίες, οι νευρώνες πρέπει να μπορούν να δημιουργήσουν και να διατηρήσουν ένα μεμβρανικό δυναμικό: μια διαφορά δυναμικού μεταξύ των ενδοκυτταρικών και των εξωκυτταρικών περιοχών, που είναι επικεντρωμένη κατά μήκος της κυτταρικής μεμβράνης. Διεγείροντας το νευρώνα τροποποιείται το δυναμικό ηρεμίας, προκαλώντας την εμφάνιση δυναμικού ενεργείας, δηλαδή της ηλεκτρικής ώθησης μέσω της οποίας ο νευρώνας διαβιβάζει πληροφορίες. Προτού ο νευρώνας μπορέσει να μεταδώσει ξανά πληροφορίες, το δυναμικό ηρεμίας πρέπει να αποκατασταθεί (εικόνα 1). Πώς όμως δημιουργείται και διατηρείται το δυναμικό ηρεμίας; Η απάντηση βρίσκεται εν μέρει στην ημιπερατή φύση της κυτταρικής μεμβράνης.

Μεταξύ άλλων συστατικών των ενδοκυτταρικών και εξωκυτταρικών μέσων, υπάρχουν και διαλυμένα ιόντα, περιλαμβανομένων των ιόντων νατρίου (Na⁺), χλωρίου (Cl^–) και, κυρίως, των ιόντων καλίου (K⁺). Όταν ένας νευρώνας μεταδώσει την ώση και το δυναμικό ηρεμίας αρχίσει να αποκαθίσταται, η συγκέντρωση των ιόντων καλίου είναι μεγαλύτερη μέσα στο νευρώνα απ’ ότι έξω από αυτόν. Σε αντίθεση με τα περισσότερα ιόντα, τα ιόντα καλίου μπορούν να μπαινοβγαίνουν ελεύθερα μέσα και έξω από το κύτταρο, μέσω ειδικών καναλιών ιόντων που υπάρχουν στη μεμβράνη. Οδηγούμενα από την διαφορά συγκεντρώσεως, τα ιόντα καλίου διαχέονται έξω από το νευρώνα, προκαλώντας μια καθαρή κίνηση θετικού φορτίου (εικόνα 2). Αυτό προκαλεί μια διαφορά δυναμικού κατά μήκος της μεμβράνης, με το ενδοκυτταρικό μέσο να είναι περισσότερο αρνητικά φορτισμένο από το εξωκυτταρικό. Αυτό είναι το δυναμικό ηρεμίας, με τιμή περίπου -70 mV.

Παρόλο που υπάρχουν επιπλέον παράγοντες που συμμετέχουν στη δημιουργία του δυναμικού ηρεμίας σε ένα νευρώνα, η συνολική συνεισφορά της διαβάθμισης της συγκέντρωσης και των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των ανιόντων και των κατιόντων, μπορεί εύκολα να παρασταθεί στην τάξη χρησιμοποιώντας σελοφάν για την αναπαράσταση της ημιπερατής μεμβράνης, όπως περιγράφεται παρακάτω.

Πριν τη δραστηριότητα, καλό είναι να αναφερθούν οι βασικές αρχές της διάχυσης και των κυτταρικών μεμβρανών στους μαθητές. Οδηγίες για πρακτικές δραστηριότητες σχετικές με τις ιδιότητες της κυτταρικής μεμβράνης και τη διάχυση μέσω μεμβρανών μπορείτε να βρείτε και να ανακτήσετε στην ενότητα επιπρόσθετου υλικού^w1.

Υλικά

Για κάθε ομάδα 2-4 μαθητών, θα χρειαστείτε:

• 300ml διαλύματος χλωριούχου καλίου (KCl) συγκέντρωσης 0,01Μ
• 100ml διαλύματος χλωριούχου καλίου (KCl) συγκέντρωσης 0,1Μ
• Αποσταγμένο νερό
• Βολτόμετρο
• Ηλεκτρόδια (χλωριωμένο σύρμα από ασήμι)
• Γυάλινο δοχείο (200-300 ml)
• Χωνί
• Σελοφάν τυλίγματος
• Λαστιχάκι
• Τρεις σφιγκτήρες και σταντ για τους σφιγκτήρες
• Δυο καλώδια με ακροδέκτες
• Σιφώνια
• Ψαλίδι

Διαδικασία

Προτού ξεκινήσετε τη δραστηριότητα, συζητήστε με τους μαθητές πώς εκείνοι θεωρούν ότι μπορεί να υπάρξει διαφορά δυναμικού σε ένα κύτταρο, και ποια συστατικά του κυττάρου είναι σημαντικά για τη δημιουργία του. Αναφερθείτε εν συντομία στο δυναμικό ηρεμίας.
Στη συνέχεια, ζητήστε από τους μαθητές:

1. Να γεμίσουν το γυάλινο δοχείο με περίπου 200ml διαλύματος χλωριούχου καλίου (KCl) συγκέντρωσης 0.01 Μ. Αυτό αντιπροσωπεύει το εξωκυτταρικό μέσο της μεμβράνης.

2. Να κόψουν ένα κομμάτι σελοφάν αρκετά μεγάλο, ώστε να καλύψει τη βάση του χωνιού, και μετά να ξεπλύνουν το σελοφάν σε αποσταγμένο νερό για να γίνει πιο εύκαμπτο. Το σελοφάν αντιπροσωπεύει την ημιπερατή μεμβράνη.

3. Να τυλίξουν ένα κομμάτι σελοφάν σφιχτά γύρω από τη βάση του χωνιού και να το ασφαλίσουν με το λαστιχάκι.

4. Να χρησιμοποιήσουν έναν σφιγκτήρα για να σταθεροποιήσουν το χωνί στο σταντ, βυθίζοντας παράλληλα τη βάση του χωνιού στο διάλυμα KCl που βρίσκεται στο γυάλινο δοχείο.

5. Να προσθέσουν διάλυμα 0.1 M KCl στο χωνί, χρησιμοποιώντας σιφώνιο, μέχρι τα επίπεδα του υγρού εντός και εκτός του χωνιού να είναι ίδια. Το διάλυμα μέσα στο χωνί αντιπροσωπεύει το ενδοκυτταρικό μέσο

6. Να συνδέσουν με τους ακροδέκτες τα δυο ηλεκτρόδια στο βολτόμετρο και να τοποθετήσουν, με τη βοήθεια σφιγκτήρα, το ηλεκτρόδιο που είναι συνδεδεμένο με την κάθοδο του βολτόμετρου μέσα στο διάλυμα του γυάλινου δοχείου. Με τη βοήθεια άλλου σφιγκτήρα, να τοποθετήσουν το δεύτερο ηλεκτρόδιο, που είναι συνδεδεμένο με την άνοδο, μέσα στο διάλυμα που βρίσκεται στο χωνί.

Συζήτηση και περαιτέρω έρευνα

Ρωτήστε τους μαθητές σας

• Τι τιμή τάσης περιμένουν ότι θα δείξει το βολτόμετρο; Μερικοί μαθητές μπορεί να θεωρήσουν ότι θα είναι θετική, όπως σε ένα δυναμικό ενεργείας. Ζητήστε τους να ρυθμίσουν το βολτόμετρο σε τιμή μέχρι 200 mV.
• Εντός περίπου 10 δευτερολέπτων, η τάση θα μειωθεί, και θα σταθεροποιηθεί μετά από περίπου 5 λεπτά στα -50 με -60 mV.
• Τι προκαλεί τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των δυο διαλυμάτων; Γιατί είναι αρνητική η τιμή; Τι θα συνέβαινε αν το διάλυμα στο γυάλινο δοχείο ήταν αυτό με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση;
• Γιατί  θεωρείτε ότι η μεμβράνη και τα δύο διαλύματα δημιούργησαν μια άνιση κατανομή στα ιόντα;

Όπως και ένας πραγματικός νευρώνας, έτσι και αυτό το πείραμα στηρίζεται σε δυο συστατικά: μια διαφορά συγκέντρωσης και τις ημιπερατές ιδιότητες του σελοφάν. Όπως και η μεμβράνη ενός νευρώνα, το σελοφάν είναι διαπερατό για τα κατιόντα καλίου, αλλά σχεδόν αδιαπέραστο για τα ανιόντα χλωρίου. Σαν αποτέλεσμα, όπως και στο νευρώνα, υπάρχει μια σταδιακή, καθαρή διάχυση ιόντων καλίου έξω από το χωνί (0.1 M KCl) και μέσα στο γυάλινο δοχείο (0.01 M KCl). Αν τα ηλεκτρόδια τοποθετηθούν προσεκτικά, χωρίς να τρυπήσουν το σελοφάν, η τάση του διαλύματος στο χωνί θα γίνει πιο αρνητική. Η αρχική ρύθμιση του βολτόμετρου στα 200mV είναι αυθαίρετη, για να εξασφαλιστεί ότι η τελική ένδειξη θα είναι παρόμοια με αυτή του πραγματικού δυναμικού ηρεμίας

Παρόλο που είναι αρκετά ρεαλιστικό, αυτό το πείραμα δεν είναι ένα ολοκληρωμένο μοντέλο της δημιουργίας και της διατήρησης του δυναμικού ηρεμίας. Σε ένα νευρώνα, τα ενδοκυτταρικά και εξωκυτταρικά μέσα περιέχουν πολλά περισσότερα από ιόντα καλίου και χλωρίου, και υπάρχουν επιπρόσθετοι μηχανισμοί που καθορίζουν την διαπερατότητα της μεμβράνης. Παρόλα αυτά, αυτή η δραστηριότητα προσφέρει την ευκαιρία για συζήτηση σχετικά με την ακρίβεια του μοντέλου, και την εισαγωγή σε άλλα θέματα της νευροβιολογίας, όπως τα κανάλια ιόντων, την αντλία νατρίου-καλίου και το δυναμικό ενεργείας

Εναλλακτικά, μπορείτε να ζητήσετε από τους μαθητές σας να συζητήσουν υποθετικά σενάρια, όπως για παράδειγμα, τη χρήση πρόσθετων διαλυμάτων, μία μεμβράνη με διαφορετικές ιδιότητες ή διαφορετικές συγκεντρώσεις KCl.