Elektrofisiologi dan Potensial Membran

Bagaimana pemisahan ion melintasi membran menciptakan potensial listrik, dan bagaimana saluran yang bergantung pada voltase mengubah potensial tersebut menjadi potensial aksi sel-sel yang dapat tereksitasi.

Definition

Potensial membran adalah perbedaan voltase melintasi membran sel yang timbul dari permeabilitas ion selektif; elektrofisiologi adalah studi tentang potensial ini dan arus yang menghasilkannya.

Scope

Topik ini mencakup asal mula potensial membran istirahat, pandangan sirkuit ekuivalen membran sebagai kapasitor dan konduktansi, serta pembentukan dan perambatan potensial aksi. Topik ini membahas deskripsi Hodgkin–Huxley tentang eksitabilitas dan teknik pengukuran elektrofisiologi pada tingkat konseptual, sementara mekanisme saluran tunggal dan energetika transpor ditangani dalam topik-topik yang berdekatan.

Core questions

• Mengapa sel dalam keadaan istirahat mempertahankan voltase stabil melintasi membrannya?
• Bagaimana membran dimodelkan secara berguna sebagai kapasitor paralel dengan konduktansi ionik?
• Urutan perubahan konduktansi apa yang menghasilkan potensial aksi?
• Bagaimana potensial aksi merambat sepanjang sel yang dapat tereksitasi?

Key theories

Eksitabilitas Hodgkin–Huxley

Konduktansi natrium dan kalium yang bergantung pada voltase dan waktu yang bekerja melintasi membran kapasitif mereproduksi potensial aksi secara kuantitatif, dengan masuknya natrium regeneratif yang mendepolarisasi sel dan efluks kalium yang tertunda mengembalikan keadaan istirahat.

Potensial istirahat dari permeabilitas campuran

Voltase istirahat adalah rata-rata tertimbang dari potensial ekuilibrium ion permeabel, yang ditangkap oleh ekspresi medan konstan Goldman, sehingga berada di dekat tetapi tidak pada ekuilibrium kalium karena membran sebagian besar, tetapi tidak secara eksklusif, permeabel terhadap kalium.

Mechanisms

Karena membran adalah isolator tipis yang memisahkan muatan, gradien ion yang dibentuk oleh pompa menghasilkan voltase istirahat stabil yang ditentukan terutama oleh permeabilitas istirahat dominan. Dengan memperlakukan membran sebagai kapasitor paralel dengan konduktansi yang bergantung pada voltase, depolarisasi suprathreshold membuka saluran natrium, yang arus masuknya semakin mendepolarisasi sel dalam lonjakan regeneratif; saluran natrium kemudian tidak aktif dan saluran kalium terbuka, merepolarisasi membran. Arus lokal menyebarkan depolarisasi ini ke daerah-daerah tetangga, merambatkan potensial aksi.

Clinical relevance

Eksitabilitas membran mendasari fungsi saraf, otot, dan jantung dan merupakan target anestesi, antiaritmia, dan antiepilepsi; biofisika di sini adalah latar belakang pendidikan untuk fisiologi dan farmakologi tersebut, bukan panduan klinis.

History

Berdasarkan teknik penjepit voltase Cole, model kuantitatif Hodgkin dan Huxley tahun 1952 tentang akson cumi-cumi menjelaskan potensial aksi dalam hal konduktansi ionik dan tetap menjadi dasar elektrofisiologi, yang kemudian disempurnakan oleh studi saluran tunggal dan molekuler.

Key figures

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

Seminal works

• hodgkin1952
• goldman1943

Frequently asked questions

Mengapa potensial istirahat negatif di bagian dalam?

Saat istirahat, membran paling permeabel terhadap kalium, yang meninggalkan sel mengikuti gradiennya hingga voltase interior negatif yang terbentuk menentang kehilangan lebih lanjut, meninggalkan bagian dalam negatif relatif terhadap bagian luar.

Apa yang membuat potensial aksi bersifat 'semua-atau-tidak sama sekali' (all-or-none)?

Setelah depolarisasi melewati ambang batas, pembukaan saluran natrium bersifat regeneratif dan mendorong lonjakan penuh terlepas dari seberapa kuat stimulus aslinya, sehingga respons memiliki bentuk yang tetap.