الکتروفیزیولوژی و پتانسیل غشاء

چگونگی ایجاد پتانسیل الکتریکی توسط جداسازی یون‌ها در عرض غشاء، و چگونگی تبدیل آن پتانسیل به پتانسیل‌های عمل سلول‌های تحریک‌پذیر توسط کانال‌های وابسته به ولتاژ.

Definition

پتانسیل غشاء، اختلاف ولتاژ در عرض یک غشاء سلولی است که از نفوذپذیری انتخابی یون‌ها ناشی می‌شود؛ الکتروفیزیولوژی مطالعه این پتانسیل‌ها و جریان‌هایی است که آن‌ها را تولید می‌کنند.

Scope

این موضوع به منشأ پتانسیل غشاء در حالت استراحت، دیدگاه مدار معادل غشاء به عنوان خازن و رسانایی‌ها، و تولید و انتشار پتانسیل عمل می‌پردازد. این مبحث، توصیف هادکین-هاکسلی از تحریک‌پذیری و تکنیک‌های اندازه‌گیری الکتروفیزیولوژی را در سطح مفهومی بررسی می‌کند، در حالی که مکانیسم تک‌کانالی و انرژی‌زایی انتقال در موضوعات مجاور مورد بررسی قرار می‌گیرند.

Core questions

• چرا یک سلول در حالت استراحت، ولتاژ ثابتی را در عرض غشاء خود حفظ می‌کند؟
• چگونه غشاء به طور مفید به عنوان یک خازن موازی با رسانایی‌های یونی مدل‌سازی می‌شود؟
• چه توالی از تغییرات رسانایی، یک پتانسیل عمل را تولید می‌کند؟
• چگونه یک پتانسیل عمل در طول یک سلول تحریک‌پذیر منتشر می‌شود؟

Key theories

تحریک‌پذیری هادکین-هاکسلی

رسانایی‌های سدیم و پتاسیم وابسته به ولتاژ و زمان که در عرض غشاء خازنی عمل می‌کنند، پتانسیل عمل را به صورت کمی بازتولید می‌کنند، با ورود بازتولیدکننده سدیم که سلول را دپولاریزه می‌کند و خروج تأخیری پتاسیم که حالت استراحت را بازمی‌گرداند.

پتانسیل استراحت از نفوذپذیری‌های مختلط

ولتاژ استراحت، میانگین وزنی پتانسیل‌های تعادلی یون‌های نفوذپذیر است که توسط عبارت میدان ثابت گلدمن ثبت شده است، بنابراین نزدیک به پتانسیل تعادلی پتاسیم قرار دارد اما دقیقاً در آن نیست، زیرا غشاء عمدتاً، نه منحصراً، نسبت به پتاسیم نفوذپذیر است.

Mechanisms

از آنجایی که غشاء یک عایق نازک است که بار الکتریکی را جدا می‌کند، گرادیان‌های یونی که توسط پمپ‌ها ایجاد می‌شوند، یک ولتاژ پایدار در حالت استراحت تولید می‌کنند که عمدتاً توسط نفوذپذیری غالب در حالت استراحت تعیین می‌شود. با در نظر گرفتن غشاء به عنوان یک خازن موازی با رسانایی‌های وابسته به ولتاژ، یک دپولاریزاسیون فراتر از آستانه، کانال‌های سدیم را باز می‌کند که جریان ورودی آن‌ها سلول را به صورت یک اسپایک بازتولیدکننده بیشتر دپولاریزه می‌کند؛ سپس کانال‌های سدیم غیرفعال شده و کانال‌های پتاسیم باز می‌شوند و غشاء را ریپولاریزه می‌کنند. جریان‌های موضعی این دپولاریزاسیون را به مناطق مجاور گسترش می‌دهند و پتانسیل عمل را منتشر می‌کنند.

Clinical relevance

تحریک‌پذیری غشاء زیربنای عملکرد عصب، عضله و قلب است و هدف بی‌حس‌کننده‌ها، ضدآریتمی‌ها و ضدصرع‌ها می‌باشد؛ بیوفیزیک در اینجا پیش‌زمینه آموزشی برای آن فیزیولوژی و فارماکولوژی است، نه راهنمایی بالینی.

History

بر اساس تکنیک ولتاژ-کلمپ کول، مدل کمی هادکین و هاکسلی در سال ۱۹۵۲ برای آکسون ماهی مرکب، پتانسیل عمل را بر حسب رسانایی‌های یونی توضیح داد و همچنان پایه و اساس الکتروفیزیولوژی باقی مانده است که بعدها با مطالعات تک‌کانالی و مولکولی تکمیل شد.

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• Bernard Katz
• Kenneth Cole

Seminal works

• hodgkin1952
• goldman1943

Frequently asked questions

چرا پتانسیل استراحت در داخل منفی است؟

در حالت استراحت، غشاء بیشترین نفوذپذیری را نسبت به پتاسیم دارد، که طبق گرادیان خود از سلول خارج می‌شود تا زمانی که ولتاژ منفی درونی ایجاد شده، از خروج بیشتر جلوگیری کند و داخل را نسبت به خارج منفی نگه دارد.

چه چیزی پتانسیل عمل را به صورت «همه یا هیچ» می‌سازد؟

هنگامی که دپولاریزاسیون از آستانه عبور می‌کند، باز شدن کانال سدیم بازتولیدکننده است و یک اسپایک کامل را بدون توجه به شدت محرک اولیه ایجاد می‌کند، بنابراین پاسخ شکل ثابتی دارد.