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静止膜電位の考え方。

静止膜電位を考えるとき、K+ とかNa + とか、プラスが大きいとか、分極とか、ごちゃごちゃしていて理解しづらい場面は多いでしょう。

そのとき、プラスのことばかり考えていると失敗します。生体内ではプラスには必ずペアを組むマイナスの存在があって、しかし、そのペアが崩れるとき、電位が生じます。解説します。

左が膜内、右が膜外として、K+ について考えます。(画が雑ですが、プラスとマイナスがペアを組んでいる様子を示しています。また、明らかですがペア数は左の方が多い(左の方が濃度高))



上図は、左(膜内)が、右(膜外)よりも、K+ の濃度が高い様子を表しています。生体内での状態も同じです。濃度は左右で異なるものの、マイナスのパートナー (Cl-など) がくっていているので、左右とも、電気0(電位も0) 、したがって、左右の電位差もゼロです。 K+ の濃度が高い(左側)=電位が高いということではないことがわかります。

さて、穴は、K+ の選択透過膜で、つまり K+ しか通れません。そこでの出入りに関しては-の粒子は無関係です。マイナスは動けませんので、上図で、マイナスをとっぱらって見て見ると、下図のようになります。



見ればわかるように、左側の濃度の方が高いので、(平衡=左右同数)に向かって、左から右へ + (K+) が流れていこうとします。



K+粒子は、右へ移動したがっているので、下図のようにK+が移動した形となります。



この結果を、もっと電気的なことについて色付けしてみてみます。



濃度の高い方から低い方へ移動したい、という性質で K+ は右に移動していきましたが、その結果、右の部屋はプラスが多く、左の部屋はマイナスが多くなりました。ペアを成しているものはプラスマイナスゼロで、プラスでもマイナスでもありません。

電気のことを考えない場合、下図のように、左右(内外)は同濃度になります。


ところが電気的性質のため、プラスであるK+ は、プラスである右からは反発されるし、マイナスである左からは引っ張られるしで、思ったほど自由には右に拡散していけません。だから、右の部屋のK+ の濃度は、左の部屋の濃度と同じになるよりはもっと小さい濃度になります。


[↑+(K+) はこれ以上右に行けない!]


さて、ここですでに出てきた、右がプラスで、左がマイナス、この分極が静止膜電位の正体です。

この説明の最初では、左右のK+ の濃度が異なる状態を示しました。それは、「はじめ」なので、いかにも安定のように見えますが、いいえ、その説明から始まるって至った、この、電気的に偏った状態が安定な定常状態(平衡状態)で、その電位差が静止膜電位です。この説明のはじめの状態が仮にに与えられたとしたら(初期条件)、そのまま「瞬時に」ここで説明してきたプロセスを経て分極した平衡状態に移行します。つまりその初期状態は(ひとりでに変化してしまうのだから)安定でないことをそのまま表しているといえますね。安定とは(見かけ上)それ以上変化しない状態です。

イオンの選択透過膜が存在することにより、ない場合ではありえない、「電位差」が生まれるのです。その電位差は、拡散の力と、それに抗する電位差の力が釣り合うところに落ち着きます。(力という言い方は厳密ではありませんが)

そしてこの、(K+が) 濃度勾配によるポテンシャルにより、左から右へ拡散していこうとする移動力と、電位勾配により右から左へ移動しようとする移動力が 等しい(電気化学ポテンシャルが0)として、平衡状態の電位(平衡電位)を、統計力学的な計算によって定式化したものが、ネルンストの式 E= RT/zF ln [ion]o/[ion]i です。

拡散により電位差が大きくなると、その電位差が原因で反発力が生まれ、拡散が止まり、平衡状態として落ち着く。その電位差を求めたのです。

体内のK+ の平衡電位(計算)と静止膜電位は大まかには一致します。また、(実験で得られたNa+の細胞内外それぞれの濃度の数値を用いて) 細胞外の方が濃度の高い Na+の平衡電位を求めれば、活動電位の大きさを大まかに説明します。

本質としては、K+が均等にちらばろうとする性質と、その性質に従って移動することによってこんどは電気的均等が破られるために、電気的均等に戻ろうとする性質が、相殺するところに平衡が落ち着くということになります。

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