Ionivirta

Ionivirta on sähkövirtaa, jossa varauksen kantajina toimivat ionit eli sähkövaraukselliset atomit tai molekyylit. Ionivirran käsite sai alkunsa sähkökemiasta, mutta sille on löytynyt merkittäviä sovellutuksia biologiassa.

Ionivirta sähkökemiassa
Elektrolyysin käsitteestä kirjoitti Michael Faraday teoksessaan Experimental Researches In Electricity. Elektrolyysissä vesiliuokseen liuenneet ionit kantavat virtaa elektrodien välillä. Positiivisesti varattua elektrodia kutsutaan anodiksi ja negatiivisesti varattua elektrodia kutsutaan katodiksi. Negatiivisesti varautuneet anionit (esimerkiksi kloridi-ioni, Cl–) liikkuvat kohti anodia ja positiivisesti varautuneet kationit (esimerkiksi natriumioni, Na+) liikkuvat kohti katodia. Anodin ja katodin välinen jännite on voima, joka aiheuttaa elektrodien välillä kulkevan ionivirran.

Ionivirta biologiassa
Ionien kantama virta on perusta biosähköisille ilmiöille, joihin lukeutuu muun muassa toimintapotentiaali hermo- ja lihassoluissa.

Ionit voivat kulkeutua solukalvon läpi avointen ionikanavien läpi. Ionikanavat ovat solukalvolla olevia proteiineja, jotka muodostavat tietyille ioneille selektiivisiä reikiä. Ionikanavien auki- ja kiinnioloa säätelevät eri ionikanavatyypeissä kalvojännite, ligandit tai mekaaninen ärsytys.

Ionivirta solukalvon läpi noudattaa yksinkertaistetusti Ohmin lakia, jossa virran suuruus on suoraan verrannollinen kalvojännitteeseen sekä konduktanssiin, jota edustavat avoimet ionikanavat. Solukalvon läpi kulkeva ionivirta on summa eri ionilajien (esimerkiksi Na+, K+ ja Cl–) kantamista virroista. Kuhunkin ionilajiin vaikuttava voima on yhtäsuuri kuin kalvojännitteen ja kyseisen ionilajin sähkökemiallisen tasapainopotentiaalin erotus. Sähkökemiallinen tasapainopotentiaali puolestaan riippuu kyseisen ionin hapetusluvusta ja pitoisuudesta solun sisä- ja ulkopuolella.

Toimintapotentiaalin syntymekanismin kalmarin (Loligo) jättiläishermosyyssä selvittivät Alan Hodgkin ja Andrew Huxley. He käyttivät töissään niin kutsuttua jännitteenlukitustekniikkaa, jossa solun kalvojännite lukitaan halutulle tasolle ja mitataan solukalvon läpi kulkeva virta, kun jännite askelmaisesti muutetaan lähtötasolta toiselle tasolle. Hodgkin ja Huxley päättelivät kokeidensa perusteella, että toimintapotentiaalin nousuvaiheessa ratkaisevaa on natriumionien kantama virta ja laskuvaiheessa puolestaan kaliumionien kantama virta. Jännitteenlukitustekniikkaa käyttämällä voitiin eliminoida solukalvon kapasitanssista aiheutuva kapasitiivinen virta, joka riippuu kalvojännitteen muutosnopeudesta. Kun kapasitiivinen virta oli jännitteenlukituksen takia nolla, ainoa jäljelle jäänyt solukalvon ylitse kulkenut virta oli ionien kantama ionivirta. Merkittävää on, että Hodgkinin ja Huxleyn kokeiden aikaan ionikanavien olemassaolosta ei ollut vielä tietoa.

Lähteet
Hille, Bertil 1992: Ionic channels of excitable membranes. 2. painos. Sinauer Associates. 

Solun fysiologia
Sähkökemia