Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung und treibende Kräfte

Die Goldman-Hodgkin-Katz (GHK)-Gleichung prognostiziert die Membranspannung im stationären Zustand, wenn mehr als ein Ion permeabel ist, wobei der Beitrag jedes Ions durch seine Permeabilität gewichtet wird. Zusammen mit der Vorstellung der elektrochemischen treibenden Kraft erklärt sie, wo sich das Ruhepotential einstellt und wie stark jedes Ion bei einer gegebenen Spannung tendenziell bewegt wird.

Definition

Die GHK-Spannungsgleichung drückt das Membranpotential im stationären Zustand als Funktion der Permeabilitäten und der Innen-/Außenkonzentrationen der permeablen Ionen aus; die elektrochemische treibende Kraft eines Ions ist die Differenz zwischen der tatsächlichen Membranspannung und dem Gleichgewichtspotential dieses Ions, welche die Richtung und Größe seines Nettoflusses bestimmt.

Scope

Dieses Thema behandelt die Konstantfeld-Spannungsgleichung, die die Beiträge von Kalium, Natrium und Chlorid zu einem einzigen vorhergesagten Membranpotential kombiniert, und das verwandte Konzept der treibenden Kraft, der Differenz zwischen der Membranspannung und dem Gleichgewichtspotential eines Ions. Es baut auf den in der Permeabilitäts-Thematik behandelten Einzelionen-Gleichgewichtspotentialen auf und erklärt den Multi-Ionen-Gleichgewichtszustand.

Core questions

• Wie wird das Ruhepotential bestimmt, wenn mehrere Ionen gleichzeitig permeabel sind?
• Welche Annahme (das konstante Feld) liegt der GHK-Gleichung zugrunde?
• Was ist die treibende Kraft eines Ions und wie hängt sie mit seinem Gleichgewichtspotential zusammen?

Key concepts

• Konstantfeld-Annahme
• Permeabilitäts-gewichtetes Membranpotential
• Relative Permeabilitäten von K+, Na+, Cl-
• Elektrochemische treibende Kraft
• Umkehrpotential
• Stationärer Zustand versus Gleichgewichtsspannung

Key theories

Konstantfeld- (GHK-) Theorie des Membranpotentials

Indem er das elektrische Feld über der Membran als konstant behandelte, leitete Goldman einen Ausdruck für die stationäre Spannung als permeabilitätsgewichtetes Gleichgewicht der permeablen Ionen ab; Hodgkin und Katz wandten ihn auf Nerven an und erklärten das Ruhepotential und seine Verschiebung, wenn sich die relativen Permeabilitäten ändern.

Mechanisms

Wenn mehrere Ionen die Membran passieren können, wird kein einzelnes Gleichgewichtspotential erreicht; stattdessen stellt sich die Membran auf eine stationäre Spannung ein, bei der sich die ein- und auswärts gerichteten Ladungsströme ausgleichen. Die GHK-Gleichung, die von Goldman (1943) unter der Annahme eines konstanten elektrischen Feldes innerhalb der Membran abgeleitet wurde, gibt diese Spannung als logarithmische Funktion der Permeabilität jedes Ions multipliziert mit seiner Konzentration auf jeder Seite an. Da die Ruhe-Kaliumpermeabilität die Natriumpermeabilität erheblich übersteigt, liegt das vorhergesagte Potential nahe dem Kalium-Gleichgewichtspotential und verschiebt sich in Richtung Natrium, wenn die relative Natriumpermeabilität ansteigt. Die treibende Kraft auf jedes Ion ist die Lücke zwischen der aktuellen Membranspannung und dem Gleichgewichtspotential dieses Ions: Je größer die Lücke, desto stärker der Netto-Antrieb auf das Ion, und der Nettofluss kehrt die Richtung um, wenn die Spannung das Gleichgewichtspotential überschreitet. Hodgkin und Katz (1949) bestätigten den Rahmen, indem sie zeigten, dass die Membranspannung den vorhergesagten Werten folgte, als das externe Natrium variiert wurde.

Clinical relevance

Der GHK-Rahmen erklärt, warum die Veränderung relativer Ionenpermeabilitäten oder extrazellulärer Konzentrationen das Ruhepotential und die Erregbarkeit verändert, was die konzeptionelle Grundlage für das Verständnis ist, wie Elektrolytstörungen und Kanal-modifizierende Substanzen erregbares Gewebe beeinflussen. Der Eintrag ist mechanistisches Referenzmaterial und gibt keine Behandlungsempfehlungen.

Evidence & guidelines

Die Gleichung ist ein theoretisches Ergebnis, das durch direkte Membranpotentialmessungen validiert wurde und Standardinhalt in Physiologie- und Biophysik-Texten ist; es handelt sich um Referenzmaterial und nicht um Leitlinieninhalt.

History

David Goldman veröffentlichte die Konstantfeld-Ableitung 1943, während er an der Biophysik von Membranen arbeitete. Hodgkin und Katz übernahmen und wandten sie 1949 auf den Tintenfisch-Axon an, und das kombinierte Ergebnis wurde als Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung bekannt, ein Eckpfeiler der Membranphysiologie.

Key figures

• David E. Goldman
• Alan Hodgkin
• Bernard Katz

Seminal works

• goldman-1943
• hodgkin-katz-1949

Frequently asked questions

Wie unterscheidet sich die GHK-Gleichung von der Nernst-Gleichung?

Die Nernst-Gleichung gibt das Gleichgewichtspotential eines einzelnen Ions an, während die GHK-Gleichung die Membranspannung im stationären Zustand angibt, wenn mehrere Ionen permeabel sind, wobei jedes nach seiner Permeabilität gewichtet wird.

Was ist die treibende Kraft auf ein Ion?

Es ist die Differenz zwischen der Membranspannung und dem Gleichgewichtspotential des Ions; diese Lücke bestimmt, wie stark und in welche Richtung sich das Ion tendenziell bewegt, und der Nettofluss kehrt sich um, wenn die Spannung dem Gleichgewichtspotential entspricht.