Potencjał spoczynkowy: podstawy funkcjonowania układu nerwowego Teach article

Tłumaczenie Grzegorz Gaura. Symulacja komórki nerwowej w klasie.

Funkcjonowanie układu nerwowego to temat niezwykle interesujący, ale także niewątpliwie jedno z trudniejszych zagadnień omawianych na lekcjach biologii, między innymi dlatego, gdyż w warunkach szkolnych nie można pracować na prawdziwych komórkach nerwowych. W niniejszym artykule przedstawiamy, jak za pomocą celofanu można zbadać powstawanie potencjału spoczynkowego w neuronie. Materiał jest odpowiedni dla uczniów w wieku 16-19 lat, a na wykonanie ćwiczenia należy przeznaczyć około 90 minut.

Sztuczny potencjał błony

Aby przekazać informację, neurony muszą być zdolne do wytworzenia i utrzymania potencjału błony: różnicy potencjałów między płynem wewnątrzkomórkowym i płynem zewnątrzkomórkowym w obrębie błony komórkowej. Różnica potencjałów w niepobudzonym neuronie określana jest mianem potencjału spoczynkowego. Pobudzenie neuronu może zmienić wartość potencjału spoczynkowego i doprowadzić do powstania potencjału czynnościowego: impulsu elektrycznego, za pośrednictwem którego neuron przekazuje informację. Aby neuron mógł być ponownie uaktywniony, konieczne jest przywrócenie potencjału spoczynkowego (ryc. 1). Ale w jaki sposób powstaje i utrzymywany jest potencjał spoczynkowy? Odpowiedzią na to pytanie jest po części półprzepuszczalny charakter błony komórkowej.

Przestrzenie wewnątrz- i zewnątrzkomórkowe zawierają m.in. rozpuszczone jony sodu (Na⁺) i chloru (Cl^–), aniony organiczne (A^–) i co najważniejsze, jony potasu (K⁺). Po aktywacji neuronu, kiedy przywracany jest potencjał spoczynkowy, stężenie jonów K⁺ wewnątrz neuronu jest wyższe niż na zewnątrz. W przeciwieństwie do większości innych jonów jony K⁺ mogą swobodnie przenikać do wnętrza komórki i przedostawać się na zewnątrz za pośrednictwem wyspecjalizowanych kanałów jonowych znajdujących się w błonie komórkowej. Jony K⁺ przenikają na zewnątrz neuronu zgodnie z gradientem stężeń, powodując ruch ładunku dodatniego (ryc. 2). W ten sposób na błonie komórkowej powstaje różnica potencjałów – płyn wewnątrzkomórkowy jest bardziej naładowany ujemnie niż płyn zewnątrzkomórkowy. Różnica ta zwana jest potencjałem spoczynkowym o wartości około –70 mV.

Pomimo tego, że do powstania potencjału spoczynkowego w neuronie przyczyniają się także inne czynniki, wspólny wkład gradientu stężeń oraz właściwości elektrycznych anionów i kationów można w łatwy sposób wykazać w warunkach szkolnych, wykorzystując do tego celu celofan jako błonę półprzepuszczalną, tak jak opisano to poniżej.

Przed wykonaniem ćwiczenia warto zapoznać uczniów z podstawowymi zasadami dyfuzji oraz funkcjonowania błon komórkowych. Wskazówki do praktycznych ćwiczeń dotyczących właściwości błony komórkowej i dyfuzji przez błony można pobrać w części zawierającej dodatkowe materiały^w1.

Materials

Każda grupa złożona z 2–4 uczniów będzie potrzebować:

• 300 mL roztworu chlorku potasu (KCl) o stężeniu 0,01 M
• 100 mL roztworu chlorku potasu (KCl) o stężeniu 0,1 M
• Wody destylowanej
• Woltomierza
• Elektrod chlorosrebrowych
• Szklanej miseczki o objętości 200–300 mL
• Lejka
• Materiału celofanowego
• Gumki recepturki
• Stojaka laboratoryjnego z trzema łapami
• Dwóch kabli z zaciskami krokodylkowymi
• Pipet
• Nożyczek

Sposób wykonania

Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia zapytaj uczniów, w jaki sposób ich zdaniem może powstać różnica potencjału w komórce oraz jakie elementy błony przyczyniają się do jej wytworzenia. Krótko opisz potencjał spoczynkowy. Następnie poproś uczniów, aby wykonali następujące czynności:

1. Do szklanej miseczki wlej około 200 mL roztworu chlorku potasu (KCl) o stężeniu 0,01 M, który pełni funkcję płynu zewnątrzkomórkowego.

2. Wytnij fragment materiału celofanowego, odpowiednio duży do nakrycia spodu lejka, a następnie przepłucz go w wodzie destylowanej, aby go zmiękczyć. Celofan pełni funkcję błony półprzepuszczalnej.

3. Szczelnie owiń celofanem spód lejka i ściśnij gumką.

4. Przymocuj lejek do stojaka i umieść spód lejka w szklanej miseczce z roztworem KCl.

5. Za pomocą pipety wlej do lejka roztwór KCl o stężeniu 0,1 M do poziomu równego poziomowi roztworu na zewnątrz lejka. Roztwór w lejku pełni funkcję płynu wewnątrzkomórkowego.

6. Do woltomierza podłącz dwie elektrody z zaciskami szczękowymi. Korzystając uchwytu, umieść elektrodę połączoną z katodą woltomierza w roztworze w szklanej miseczce. Przy pomocy drugiego uchwytu umieść elektrodę połączoną z anodą w roztworze w lejku.

Dyskusja i dalsze obserwacje

Zapytaj uczniów:

• Jaką wartość napięcia wskaże według nich woltomierz? Niektórzy uczniowie mogą przyjąć, że wartość będzie dodatnia, tak jak w przypadku potencjału czynnościowego. Poproś ich, aby ustawili woltomierz na około 200 mV.
• W ciągu około 10 sekund wartość napięcia spadnie, a po około 5 minutach ustabilizuje się mniej więcej na poziomie od –50 mV do –60 mV.
• Co powoduje różnicę potencjałów między roztworami? Dlaczego wartość jest ujemna? Co stałoby się, gdyby roztwór w szklanej miseczce był roztworem o większym stężeniu niż roztwór w lejku?
• W jaki sposób błona i dwa roztwory przyczyniły się do nierównomiernego rozkładu jonów?

W eksperymencie tym, podobnie jak w przypadku rzeczywistych neuronów, istotne są dwa czynniki: gradient stężeń oraz półprzepuszczalne właściwości materiału celofanowego. Przez celofan przenikają jony K⁺, ale jest on prawie nieprzepuszczalny dla jonów Cl^–, podobnie jak ma to miejsce w błonie neuronu. W rezultacie, tak samo jak w neuronie, następuje stopniowa dyfuzja jonów K⁺ do lejka (0,1 M KCl) i do szklanej miseczki (0,01 M KCl). Jeśli elektrody zostały przyłożone ostrożnie, tak że celofan nie został przedziurawiony, napięcie roztworu w lejku będzie mieć wartość bardziej ujemną. Początkowe ustawienie 200 mV na woltomierzu ma charakter umowny. Ma ono na celu uzyskanie wartości podobnej do rzeczywistej wartości potencjału spoczynkowego.

Eksperyment ten nie odzwierciedla w pełni tego, w jaki sposób wytwarzany jest i utrzymywany potencjał spoczynkowy. W rzeczywistym neuronie płyny zewnątrz- i wewnątrzkomórkowe zawierają poza jonami K⁺ i Cl^– także inne elementy. Poza tym na przepuszczalność błony mają wpływ także inne czynniki. Pomimo tych ograniczeń ćwiczenie to można wykorzystać do przedyskutowania dokładności użytego modelu oraz przedstawienia innych zagadnień związanych z neurobiologią, takich jak kanały jonowe, pompa sodowo-potasowa i potencjał czynnościowy.

Można również poprosić uczniów, aby omówili inne hipotetyczne przypadki, na przykład z wykorzystaniem dodatkowych roztworów, błony o odmiennych właściwościach lub innych stężeń roztworu KCl.