Мембрана и ионные каналы

Под напряжением на мембране стоит простая физика: разделённые заряды и избирательные «двери» для ионов.

Ионный канал — белок в мембране, образующий пору, избирательно пропускающую определённый ион (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻).

Мембрана как конденсатор

Клеточная мембрана — двойной слой липидов, почти не проводящий ток. По обе стороны от неё — растворы с ионами. Разделённые заряды создают напряжение, как на пластинах конденсатора. В покое внутри клетки чуть отрицательнее, чем снаружи: это потенциал покоя, около $-70$ мВ.

Градиенты ионов

Концентрации ионов внутри и снаружи сильно различаются. Их поддерживает натрий-калиевый насос (Na⁺/K⁺-АТФаза): за один цикл он выкачивает 3 иона Na⁺ наружу и закачивает 2 иона K⁺ внутрь, тратя АТФ.

Две силы на каждый ион

На ион действуют сразу диффузия (из области высокой концентрации в низкую) и электрическое поле. Когда эти силы уравновешиваются, поток иона через открытый канал прекращается — это равновесный потенциал данного иона (следующий урок).

Как работает под капотом

Каналы бывают потенциалзависимые (открываются при изменении напряжения — основа спайка), лиганд-зависимые (открываются от нейромедиатора — основа синапса) и каналы утечки (всегда чуть открыты). Посчитаем энергозатраты насоса за секунду для одного нейрона:

pumps = 1_000_000          # насосов на нейрон (порядок)
cycles_per_sec = 100       # циклов в секунду на насос
na_out_per_cycle = 3       # ионов Na+ наружу за цикл

na_per_sec = pumps * cycles_per_sec * na_out_per_cycle
print("Ионов Na+ выкачано за 1 с:", na_per_sec)
print("В миллиардах:", round(na_per_sec / 1e9, 1))

Вывод:

Ионов Na+ выкачано за 1 с: 300000000
В миллиардах: 0.3

Частые ошибки

• Думать, что насос и канал — одно и то же. Канал пропускает ион пассивно по градиенту; насос двигает ион против градиента, тратя энергию.
• Забывать про знак заряда: Cl⁻ отрицателен, и электрическая сила действует на него наоборот по сравнению с катионами.
• Считать, что мембрана непроницаема всегда — каналы утечки делают её слегка проницаемой даже в покое.

Итог

• Мембрана = изолятор-конденсатор с ионными «дверями».
• Градиенты Na⁺/K⁺ поддерживает АТФ-зависимый насос (3 Na⁺ наружу / 2 K⁺ внутрь).
• На каждый ион действуют диффузия и электрическое поле; их баланс задаёт равновесный потенциал.