Potencjał spoczynkowy: podstawy funkcjonowania układu nerwowego Teach article

Tłumaczenie Grzegorz Gaura. Symulacja komórki nerwowej w klasie.

issue38_membrane
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Dhp1080; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

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.

Ryc. 1: Różnica potencjałów w czasie w obrębie błony komórkowej w momencie pobudzenia neuronu. A: potencjał spoczynkowy; B: potencjał czynnościowy; C: przywrócenie potencjału spoczynkowego; t: czas
Zdjęcie dzięki uprzejmości Nicoli Graf

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.

Ryc. 2: Różne stężenia roztworów po obu stronach błony półprzepuszczalnej (góra) powodują nierównomierny rozkład ładunków ujemnych i dodatnich na błonie (dół), dzięki czemu powstaje różnica potencjałów. Po jednej stronie błony komórkowej stężenie jonów K+ cały czas jest większe, gdyż przyciągane są one do anionów uwięzionych przez błonę.
Zdjęcie dzięki uprzejmości Alexandra Maara

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 materiaływ1.

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.
Image courtesy of Alexander Maar
Zdjęcie dzięki uprzejmości Alexandra Maara
  1. 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.
Image courtesy of Alexander Maar
Zdjęcie dzięki uprzejmości Alexandra Maara
  1. Szczelnie owiń celofanem spód lejka i ściśnij gumką.
Image courtesy of Alexander Maar
Zdjęcie dzięki uprzejmości Alexandra Maara
  1. Przymocuj lejek do stojaka i umieść spód lejka w szklanej miseczce z roztworem KCl.
Image courtesy of Alexander Maar
Zdjęcie dzięki uprzejmości Alexandra Maara
  1. 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.
Image courtesy of Alexander Maar
Zdjęcie dzięki uprzejmości Alexandra Maara
  1. 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.
Image courtesy of Alexander Maar
Zdjęcie dzięki uprzejmości Alexandra Maara

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 Cltakże 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.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Arkusze dotyczące właściwości błony komórkowej i dyfuzji przez błony można pobrać w części zawierającej dodatkowe materiały.

Resources

  • Więcej o elektrochemii i potencjałach błon:
  • Ogólne informacje na temat neurobiologii: Neuroscience Online, podręcznik z nauki o układzie nerwowym w formie elektronicznej.
  • Więcej o neuronach:
    • Shepherd GM (1983) Neurobiology. New York, USA: Oxford University Press. ISBN: 978-0195088434
  • Proste wyjaśnienie potencjału spoczynkowego i potencjału czynnościowego: Neuroscience for Kids website.

Author(s)

Dr Claas Wegner to pracownik Wydziału Dydaktyki Biologii na Uniwersytecie Bielefeld oraz wykładowca z doświadczeniem pedagogicznym w tej dziedzinie. Jest założycielem i kierownikiem projektu Kolumbus-Kids oferującego uzdolnionym uczniom możliwość uczenia się biologii na Uniwersytecie Bielefeld. Poza tym uczy biologii i wychowania fizycznego w Ratsgymnasium Bielefeld.

Dr Roland Kern jest od roku 1996 zaangażowanym pracownikiem Wydziału Neurobiologii na Uniwersytecie Bielefeld. Jako wykładowca w dziedzinie fizjologii człowieka i zwierząt uczy studentów nauk przyrodniczych przedmiotów związanych z neurobiologią.

Jennifer Kahleis jest absolwentką Uniwersytetu Bielefeld. Studiowała biologię, chemię i nauki o wychowaniu. W czasie studiów magisterskich była asystentką na Wydziale Dydaktyki Biologii, a obecnie pracuje jako nauczyciel stażysta.

Alexander Maar studiuje nauki o wychowaniu z językiem angielskim i biologią dla szkoły średniej. Pracuje aktywnie jako asystent Wydziału Dydaktyki Biologii na Uniwersytecie Bielefeld.


Review

Proste modele mogą być bardzo przydatne w zrozumieniu skomplikowanych procesów zachodzących w przyrodzie. Niniejszy artykuł prezentuje praktyczne ćwiczenie, dzięki któremu można odkryć, w jaki sposób funkcjonują neurony. Wszystkie wymagane materiały są łatwo dostępne, a wskazówki zrozumiałe, dzięki czemu uczniowie mogą przeprowadzać eksperyment w grupie.

Ćwiczenia mogą być wykorzystane do podjęcia dyskusji na różne tematy związane z biologią, chemią i fizyką.

Osoby zainteresowane pogłębieniem wiedzy mogą skorzystać z dodatkowych materiałów w części zawierającej odnośniki internetowe.


Mireia Güell Serra, Hiszpania




License

CC-BY