نوروفیزیولوژی سلولی: پتانسیل استراحت و تحریکپذیری غشاء
نوروفیزیولوژی سلولی به مطالعه چگونگی تولید و کنترل سیگنالهای الکتریکی توسط نورونها و سایر سلولهای تحریکپذیر در سطح غشای پلاسمایی میپردازد. این حوزه بر حالت استراحت تمرکز دارد: اینکه چگونه توزیع نابرابر یونها، نفوذپذیری انتخابی غشاء و انتقال فعال با هم ترکیب میشوند تا یک ولتاژ پایدار در سراسر غشاء ایجاد کرده و سلول را برای تحریک آماده نگه دارند.
Definition
نوروفیزیولوژی سلولی، در مفهوم پتانسیل استراحت، مطالعه مکانیسمهای یونی و بیوفیزیکی است که ولتاژ گذرغشایی سلولهای تحریکپذیر را ایجاد و حفظ میکنند و شرایطی که به آن ولتاژ اجازه میدهد تا در طول تحریک به سرعت تغییر کند.
Scope
این حوزه خواننده را به مبنای فیزیکی پتانسیل غشاء، به جای سیگنالدهی کل سلولی یا رفتار شبکه، سوق میدهد. این مباحثی را که پتانسیل استراحت را توضیح میدهند، گروهبندی میکند: شیبهای یونی و توزیع آنها، پمپهایی که آنها را حفظ میکنند، نفوذپذیری انتخابی و پتانسیلهای تعادلی، توصیف کمی گلدمن-هاجکین-کاتز از ولتاژ حالت پایدار، و تعادل اسمزی که حجم سلول را پایدار نگه میدارد. تولید پتانسیل عمل و انتقال سیناپسی به عنوان حوزههای همسایه در نظر گرفته میشوند.
Sub-topics
Core questions
- چرا داخل یک نورون در حال استراحت نسبت به خارج آن از نظر الکتریکی منفی است؟
- چه چیزی از بین رفتن شیبهای یونی که زیربنای پتانسیل استراحت هستند را جلوگیری میکند؟
- چگونه نفوذپذیری انتخابی یون، شیبهای غلظتی را به ولتاژ غشاء تبدیل میکند؟
- چگونه میتوان پتانسیل غشای حالت پایدار را از غلظتها و نفوذپذیریهای یون پیشبینی کرد؟
Key concepts
- پتانسیل غشای در حال استراحت
- شیبهای غلظت یونی
- نفوذپذیری انتخابی غشاء
- پتانسیل تعادلی (نرنست)
- نیروی محرکه الکتروشیمیایی
- انتقال فعال و پمپ سدیم-پتاسیم
- تعادل اسمزی و حجم سلول
Key theories
- نظریه یونی (غشایی) پتانسیل استراحت
- پتانسیل استراحت به این دلیل ایجاد میشود که غشاء به یونهایی که به طور نابرابر در سراسر آن توزیع شدهاند، به طور انتخابی نفوذپذیر است؛ در حالت استراحت، غشاء تحت سلطه نفوذپذیری پتاسیم است، بنابراین ولتاژ نزدیک به پتانسیل تعادلی پتاسیم قرار میگیرد اما توسط نفوذپذیری کمتر سدیم به سمت مثبت کشیده میشود.
Mechanisms
در حالت استراحت، غشاء مایعات درون سلولی و برون سلولی را با ترکیبات یونی کاملاً متفاوت از هم جدا میکند: پتاسیم در داخل زیاد و سدیم و کلرید در خارج زیاد است. لایه دوتایی لیپیدی نسبت به یونها نفوذناپذیر است، بنابراین حرکت فقط از طریق کانالهایی که برای یونهای خاص انتخابی هستند، رخ میدهد. از آنجا که غشای در حال استراحت بسیار بیشتر به پتاسیم نفوذپذیر است تا به سدیم، پتاسیم تمایل دارد که از سلول خارج شود و فضای داخلی را منفی نگه دارد تا زمانی که نیروی الکتریکی با خروج خالص بیشتر مخالفت کند، نزدیک به پتانسیل تعادلی پتاسیم. نفوذپذیری اندک سدیم باعث نشت سدیم به داخل میشود و پتانسیل استراحت را کمی مثبتتر از آن مقدار نگه میدارد. Na+/K+-ATPase به طور مداوم سدیم را به بیرون و پتاسیم را به داخل پمپ میکند و شیبهایی را که در غیر این صورت نشت غیرفعال از بین میبرد، بازیابی میکند و یک جزء الکتروژنیک مستقیم کوچک را نیز فراهم میآورد. ولتاژ حالت پایداری که حاصل میشود، به طور کمی توسط معادله گلدمن-هاجکین-کاتز توصیف میشود.
Clinical relevance
پتانسیل استراحت و شیبهایی که آن را حفظ میکنند، زیربنای تحریکپذیری سلولهای عصبی، عضلانی و قلبی هستند، بنابراین اختلالات در غلظت یونهای خارج سلولی یا عملکرد پمپ، رفتار غشاء را تغییر میدهد. این حوزه مبنای فیزیولوژیکی مورد استفاده برای تفسیر چنین تغییراتی را توصیف میکند؛ این یک ماده مرجع در مورد مکانیسم است و مبنایی برای تشخیص یا درمان فردی نیست.
Evidence & guidelines
اصول اصلی بر الکتروفیزیولوژی کلاسیک آکسون ماهی مرکب و اندازهگیری بیوفیزیکی کانالهای یونی و ناقلها استوار است؛ آنها در متون استاندارد فیزیولوژی و بیوفیزیک تثبیت شدهاند تا در دستورالعملهای بالینی.
History
درک مدرن از کار بر روی آکسون غولپیکر ماهی مرکب در دهههای ۱۹۳۰-۱۹۵۰ نشأت گرفت. هاجکین و کاتز (۱۹۴۹) نشان دادند که ولتاژ غشاء به نفوذپذیری نسبی به چندین یون بستگی دارد و دیدگاه قبلی الکترود پتاسیم را اصلاح کردند، و هاجکین و هاکسلی (۱۹۵۲) چارچوب کمی برای تحریکپذیری ارائه دادند. بررسی میدان ثابت گلدمن در سال ۱۹۴۳ و کشف پمپ سدیم-پتاسیم توسط اسکو در سال ۱۹۵۷ تصویر چگونگی تنظیم و حفظ حالت استراحت را تکمیل کرد.
Key figures
- Alan Hodgkin
- Bernard Katz
- Andrew Huxley
- David E. Goldman
- Jens Christian Skou
- Bertil Hille
Related topics
Seminal works
- hodgkin-katz-1949
- hodgkin-huxley-1952
- hille-2001
Frequently asked questions
- تفاوت بین پتانسیل استراحت و پتانسیل عمل چیست؟
- پتانسیل استراحت ولتاژ منفی پایداری است که یک سلول در زمانی که سیگنالدهی نمیکند، حفظ میکند؛ پتانسیل عمل یک تغییر کوتاه و بزرگ در آن ولتاژ در طول تحریک است. این حوزه حالت استراحت و شرایطی را که تحریک را ممکن میسازد، پوشش میدهد.
- چرا پتانسیل استراحت عمدتاً به پتاسیم بستگی دارد؟
- در حالت استراحت، غشاء کانالهای پتاسیم باز بسیار بیشتری نسبت به کانالهای سدیم دارد، بنابراین نفوذپذیری پتاسیم غالب است و ولتاژ غشاء نزدیک به پتانسیل تعادلی پتاسیم قرار میگیرد.