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(静止)膜電位の理解のための静電誘導講義

以下は、実は、誤ったイメージです。正しいイメージはこちら


なんで細胞内はマイナス(-70mV) なの?カリウム(K+)が多いってことはプラスなんじゃないの?細胞外のナトリウムもあるよ?それは細胞外の方が多くてプラス(Na+)だよ?さらに、中も外もプラスだよ?片方がプラスだったら片方はマイナスじゃないの?いったいどうなってるの?

疑問は出てくるでしょう。

解決したい!そのためには絶縁体の静電誘導を理解しましょう。(右、左、と言っている箇所は、右が細胞外、左が細胞内を表します)

下図は、膜の脂質分子を含めたすべての分子や原子に当てはまる、原子核を電子が回っている状態を表している模型です。
原子(分子)は、核(+)のまわりを、電子(ー)が回ってできています。




上は円軌道で表され中性、下が分極した状態で、電子の軌道が扁平になっているのがわかります。
分極しているとは、この電子の軌道が扁平で、軌道の重心が分子(または原子)の中心から離れて、分子(原子)が電気的な中性からずれて偏ってしまった状態を指します。

分極の説明でよくある図の、図中の+と-は、この分極の状態をあらわしたものです(下図A)。
(ただし、より確かな描像としては、プラスは真ん中にあって動くことなく、マイナスだけ右にずれたというべきです。核は動きません[ここで分子核、という言葉を使いたいのですがそういう言葉は科学上存在していないようです])



分極は、実際は、隣り合う分子(原子)どうしが分極しあっています(上図B)が、いちいちそれを表すことなく、単に、上図A、のように書かれています。

※上図Bでは、プラスとマイナスのペア = [+ -] のペアが一つの分子(原子)を表します。

さて、部屋の右も左もプラスだったら、どうなるのでしょう。細胞内はK+、細胞外はNa+ が優勢ですが、どちらもプラスですね。

ですが、ここでは、「細胞外は、内部よりも、陽イオンが多い」という事実から入ります。なぜそのようになるのかは、生体が作り出す複雑な物質循環のメカニズムによるもので、ここで述べることではありません。(僕は説明できません)

右も左も両方ともプラスでも、例えば、右の方がプラスが大きかった場合、マイナスに対する引力は、右の方が強いですね。だからマイナスは、より強い右のほうに引っ張られ、偏(かたよ)るのです。軌道で描くと下図になります。扁平な楕円(のような)軌道が右に偏っていますね。

そうそう、マイナスと言っていますが、マイナスは(必ず)電子です。誘電体内で変化するのは、電子です。プラスは原子核のことに他ならない(必ず)のですが、原子核同士は骨格をなすかのように、動かないものと考えていいです。変化するのは電子(の軌道)なのです。



このようにして、細胞の内外が両方ともプラスでも、よりプラスが大きい(多い)外部の方に、マイナスが誘導されるような形に、誘電体が分極するのです。



細胞内がマイナスなのは、単に外側の陽イオンの方が(内側より)多いからというだけの理由です。そして、放っておくとなんでもそうですが、中和の方向に向かってしまうので、「-70mV」を「維持」するために、漏洩や、ポンプのメカニズムが働いてその状態を保っています。カリウムが静止膜電位の電位差そのものの物理的要因を担っているかのような理解は誤りですそういうこと言ってる本やサイトがあるからぶったおしたい。カリウムが静止膜電位の直接の物理的要因だというなら、カリウムの多い細胞内の電位は必ずプラスになります。そうではなく、すべてのイオンを含めた総合的な、具体的には細胞外の方が陽イオンが多いという平衡状態が、膜を介して、静止膜電位を作っています。カリウムに関しては、細胞が平衡状態にあるときのカリウムの細胞内外で差のある濃度から導かれる平衡電位(-90mV)が、-70mVに近いというだけで、だから、平衡状態では、カリウムチャンネルが開いていてもカリウムの循環が穏やかで、その穏やかな循環が、安定した平衡状態を保つために一役買っている、ということです。だから、確かにそういう意味で言えば、カリウムは静止膜電位を「保つ」役割はになっているわけです。くれぐれも、静止膜電位の電位差そのものをつくるのは、イオン濃度の内外の差です。そして、これも誤った解説を見かけたのですが、チャンネルがなくても電位差は存在します。電位差は電荷のプラスとマイナスの分布のあるところに無条件に現れます。また、たまに、膜の存在を無視した説明がありますが、膜(の分極)なくして膜電位は存在しません。膜が仮にに電気的性質を持たなければ、イオンは膜の内外での濃度が等しくなるまで拡散し、したがって電位差は0になり、電位が発生しないからです。
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Author:tsukikagejou

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