Wie berechnet man Membranpotentiale?

Question

Ich habe kürzlich über Membranpotentiale in der Zelle gelesen und wie sie abgeleitet werden. Das Lehrbuch (Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology, 13. Ausgabe) gab diese Gleichung an:$$EMF=\pm\frac{61}{z}\log\frac{C_i}{C_o}$$ Wo $i$ bezieht sich auf das Innere der Zelle, $o$ bezieht sich auf das Äußere der Zelle, $z$ ist die relative Größe der Ladung des Kations / Anions, $EMF$ ist das Potential in der Zelle, wobei das externe Potential als 0 angenommen wird. Zusätzlich ist das Vorzeichen + für Anionen und - für Kationen.

Ich verstehe, dass dies aus der Nernst-Gleichung stammt: $$E=E^o-\frac{RT}{\nu_eF}\ln Q$$ Wo $\nu_e$ ist die Anzahl der pro Mol Reaktion übertragenen Elektronen.

ich verstehe das $E^o=0$ weil im Gleichgewicht die Ionenkonzentrationen auf beiden Seiten der Membran gleich sind und ich auch verstehe, woher die Größe kommt: $$61=\frac{1000RT}{\log eF}$$ Wo $\frac{1000}{\log e}$ wird verwendet, um die Basis des Logarithmus zu ändern und die Einheiten in mV zu ändern, und T wird als Körpertemperatur von 37 ° C angenommen, umgerechnet in Kelvin.

Was mich jedoch verwirrt, ist

1. Die Zeichenkonvention: Warum sind Kationen - und Anionen +.
2. Wie leiten wir das ab? $-\frac{RT}{\nu_eF}\ln Q$ für die Übertragung von Ionen, da im Gegensatz zur Nernst-Gleichung, die für Elektronen abgeleitet wird, stattdessen Ionen übertragen werden?
3. Wie messen wir das Membranpotential? Gemäß dem Text setzen sie eine Elektrode in die extrazelluläre Flüssigkeit ein und stechen eine andere Elektrode (eine typische Ag / AgCl-Elektrode) in die Zelle, in Kontakt mit der intrazellulären Flüssigkeit, wie unten gezeigt. Wie funktioniert dieser Apparat tatsächlich, da kein Elektronentransfer stattfindet?
   

Answer 1

Ihre Lehrbuchbeschreibung ist korrekt. Erinnern Sie sich an das Prinzip der Potentiometrie: Die Potentialdifferenz wird gemessen, wenn im System kein Strom fließt . Dies gilt unter idealen Bedingungen. Erinnerst du dich an das pH-Meter? Woraus besteht die Elektrode? Es besteht aus Glas. Haben Sie das Gefühl, dass Strom durch Glas fließen kann, wenn Sie den pH-Wert Ihrer Lösung messen?

Übrigens verwirrte die Arbeit der Glaselektrode die Elektrochemiker seit Ewigkeiten und die wissen immer noch nicht genau, wie es funktioniert. Wenn Sie also verwirrt sind, heißen wir Sie im Club willkommen.

Sie sollten sich lieber fragen, wie hochohmige Voltmeter funktionieren. Solche Voltmeter funktionieren, wenn kein Strom fließt und Sie ausschließlich an der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden interessiert sind.

Wie funktioniert dieser Apparat tatsächlich, da kein Elektronentransfer stattfindet?

Dies ist vielleicht ein Missverständnis. Die Potentialdifferenz entsteht nur, wenn Elektronen übertragen werden (nur einmal), aber es gibt keinen kontinuierlichen Elektronenfluss (der Strom darstellt). Wenn Sie Ihr trockenes Haar im Winter kämmen, entsteht ein großer Potenzialunterschied zwischen Ihrem Haar und dem Kamm. Ihr Kamm ist immer noch "aufgeladen", wenn Sie ihn von Ihren Haaren wegbewegen. Die Elektronen wurden aber nur zu einem Zeitpunkt übertragen. Es fließt kein Strom zwischen Ihrem Kamm und den Haaren.