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膜電位についての物理学的なアプローチ

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


膜電位にてついて基礎的でわかりやすい説明がネット上にないので、物理学的な視点から、高校~大学で分かる誘電体に関する知見をもとに、Na+ (イオン) を使って、説明する。




まず、まく(膜)が帯電していない状態を考える。すると、右側のNa+ は、濃度の大きい右から左へ広がっていこうとする(拡散:粒子が濃度の高い方から低い方へ移動しようとする法則、というか直感的に当たり前のこと)



ところで、絶縁体(=誘電体)は、このように分極する。左側にプラスの電荷の物質があれば、膜の左側はマイナスに、膜の右側は逆にプラスになるように、「分極」する。これが本来の物理学的な言葉である「分極」である。細胞膜である脂質二重膜は絶縁体としてふるまう。



だから、Na+ が左に移動するにしたがって、上図のように分極するようになる。膜電位というからには、膜内の分極のことかなと思っていが、そうではなく、定義では、膜の内側(左側)の部屋の、外側(0V:右側の部屋)に対する電位だ。膜「自体」の両側のには、膜電位とは正負逆符号の電荷が誘導されている。



選択透過性がなかったら、平衡状態はこのようになる。左も右も同濃度だ。

しかし、実際には、膜が分極しているために、下図のような状況が起きる。
つまり、左のNa+ はプラスなので、壁付近で引き寄せられ右に吸い込まれやすく(自分の誘導した電荷に引っ張られてしまう状況だ)、逆に右のNa+ は壁付近で同じ+の電気に跳ね返されてしまい、左に行きづらくなる。(一方で、拡散による移動は右から左のままである)

Na+ が電荷をもたない中性の粒子ならば、左の部屋は右の部屋と同じ濃度になるが、膜が分極することにより、(左の部屋は)それよりも低い濃度で平衡を迎える(ただしこのことは医学的には重要でない。医学的に重要なのは電位の発生であるから)。


このようにして、濃度差による平衡力学的な力(右から左)と電気的なそれ(左から右)とによる平衡状態がうまれる。
この平衡状態のときの膜電位が「平衡電位」である。つまり、Na+ は計算上、膜電位が平衡電位「59mV」になるまで、細胞内に流入しようとする。したがっている。この平衡電位が達成されたとき、膜に誘導された電荷により、右側から左には積極的には行けなくなってしまう。平衡状態=右から左への流れと左から右への流れが同じになり見かけ上の左右の出入りの不変な状態になる。

この、59mV(ただしこれは理論値) に達するまでの流入による電位の発生が、活動電位の発生であり、以上がその大まかな仕組みである。ただし、より具体的な細胞内の場合、初期の状態では左側の部屋の電位が負(膜の左側にはプラスの電荷が誘導されている)である。ナトリウムイオン Na+ の流入により、その分極が逆転するので、これを脱分極というのである。

解釈としては、脂質二重膜がなかったとしたら(しきりをとっぱらっちゃったとしたら)、左の部分はもっと濃度が高くなることになる。膜がある場合は、膜に誘導された電荷により、右から左への(見かけ上の)流入があるところでストップする。

また、以上のことから、膜電位は脂質二重膜に静電気が誘導されるから存在できる、ということもできる。脂質二重膜でなくとも、仮にそれが金属だとしても、周りから電気的に絶縁された状態なら化学変化を考えなければ同じ状況がおこる。

※ この例では、右のNa+ 濃度の方が大きいのに、誘電体内では、体の右側に+が誘導されているので誤りのように見えるが、実際には他のイオンも存在していて、右側の濃度の方が低くなる。


ネルンストの式、Eion = (RT/zF) ln [ion]o/[ion]i は、初期条件として左右のイオン濃度を与えると、だんだん(脱)分極(膜の分極でも左右の電位差でもいいが)していって、どの電位になるまで、見かけ上の流入が起こるか(その電位になるまで流入が続く)という事を示している。

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