Valintakoe B: Lääketiede ja biotieteet
Miksi hermosolun lepojännite on noin −70 mV?
Lepojännite on hermosolun kalvon sisä- ja ulkopuolen välinen jännite-ero levossa, noin −70 mV. Se syntyy, koska solun sisällä on paljon kaliumia ja ulkona paljon natriumia, ja levossa kalvo läpäisee kaliumia paljon paremmin kuin natriumia. Kaliumia vuotaa ulos ja sisäpuolelle jää negatiivinen varaus, ja natrium-kaliumpumppu ylläpitää pitoisuuserot.
Kaliumia virtaa ulos vuotokanavien kautta pitoisuuseronsa suuntaan. Jokainen ulos lähtevä positiivinen ioni tekee sisäpuolesta negatiivisemman, ja negatiivinen sisäpuoli alkaa vetää kaliumia takaisin. Tasapainossa pitoisuusero ja sähköinen vetovoima kumoavat toisensa.
Jokaisella ionilla on oma tasapainopotentiaalinsa, joka lasketaan Nernstin yhtälöllä. Kaliumin tasapainopotentiaali on noin −90 mV ja natriumin noin +60 mV. Lepojännite on lähellä kaliumin arvoa, koska kalvo läpäisee levossa lähinnä kaliumia, mutta hieman positiivisempi pienen natriumvuodon vuoksi.
Natrium-kaliumpumppu ei suoraan luo lepojännitettä, vaan ylläpitää ne pitoisuuserot, joista jännite syntyy. Jos pumppu pysähtyy, lepojännite ei katoa heti, vaan heikkenee vähitellen pitoisuuserojen tasoittuessa.
Kaava
Nernstin yhtälö (37 °C): E = (61 mV / z) · log(c_ulko / c_sisä)
Esimerkki
Solun sisällä kaliumia on 140 mmol/l. Laske kaliumin tasapainopotentiaali, kun solunulkoinen kaliumpitoisuus on 4 mmol/l ja kun se nousee 8 mmol/l:aan. Mitä tämä tarkoittaa lepojännitteelle?
- 4 mmol/l: E = 61 mV · log(4/140) ≈ 61 mV · (−1,544) ≈ −94 mV.
- 8 mmol/l: E = 61 mV · log(8/140) ≈ 61 mV · (−1,243) ≈ −76 mV.
- Kaliumin tasapainopotentiaali siirtyy noin 18 mV positiivisemmaksi, ja lepojännite seuraa sitä, koska se on lähellä kaliumin arvoa.
- Solut depolarisoituvat. Siksi veren korkea kaliumpitoisuus voi häiritä sydämen sähköistä toimintaa.
Tyypillinen virhe
Moni sanoo, että natrium-kaliumpumppu luo lepojännitteen. Pumppu ylläpitää pitoisuuseroja, mutta jännite syntyy pääosin siitä, että kalium pääsee kalvon läpi ja natrium ei.
Valintakokeessa B
Hermoston toiminta kuuluu lukion biologiaan, ja valintakoe B arvioi matemaattis-loogista päättelyä. Jos aineistossa annetaan ionipitoisuuksia, niistä kannattaa osata päätellä jännitteen muutoksen suunta, vaikka tarkkaa kaavaa ei tarvittaisi.
Missä kurssissa tämä opetetaan
SmartVK:n valintakoe B -kurssin luvussa 24: Aistit ja hermoimpulssi: ärsykkeestä aistimukseen. Katso kurssin sisältö.
Kysymyksiä
Miksi solun sisäpuoli on negatiivinen?
Kaliumionit vuotavat levossa ulos kaliumkanavien kautta, mutta solun sisällä olevat negatiivisesti varautuneet proteiinit ja fosfaatit eivät pääse niiden mukana. Positiivisten ionien lähtö jättää sisäpuolelle ylimäärin negatiivista varausta. Natrium-kaliumpumppu lisää eroa hieman, koska se vie kolme positiivista ionia ulos ja kaksi sisään.
Mitä tapahtuu, jos veren kaliumpitoisuus nousee?
Kun solunulkoinen kalium lisääntyy, kaliumin pitoisuusero pienenee ja lepojännite muuttuu vähemmän negatiiviseksi. Solut depolarisoituvat, ja niiden sähköinen käyttäytyminen muuttuu. Sydämessä tämä voi aiheuttaa rytmihäiriöitä, minkä vuoksi korkea kaliumpitoisuus on vaarallinen tila.