Мембранный потенциал и электрическая сигнализация

Разница в концентрации ионов по обе стороны селективно проницаемой мембраны создает электрическое напряжение, которое клетки используют для накопления энергии и быстрой передачи сигналов.

Definition

Мембранный потенциал — это электрическое напряжение на клеточной мембране, возникающее из-за неравномерного распределения ионов и селективной проницаемости; электрическая сигнализация — это использование быстрых изменений этого потенциала, опосредованных ионными каналами, для передачи информации.

Scope

Эта тема охватывает, как ионные градиенты и селективная проницаемость устанавливают потенциал покоя мембраны, как уравнение Нернста и связанные с ним соотношения описывают равновесие, и как потенциал-зависимые ионные каналы генерируют регенеративные электрические сигналы, такие как потенциал действия в возбудимых клетках.

Core questions

• Как ионные градиенты и селективная проницаемость создают потенциал покоя?
• Что описывает уравнение Нернста относительно ионного равновесия?
• Как потенциал-зависимые каналы генерируют потенциал действия?
• Почему электрическая сигнализация настолько быстрее химической диффузии?

Key theories

Модель потенциала действия Ходжкина-Хаксли

Зависящие от напряжения изменения проводимости натрия и калия, описанные количественно, объясняют рост и падение потенциала действия и его распространение по возбудимой мембране.

Mechanisms

Ионные насосы создают градиенты концентрации, а селективные каналы утечки, в основном для калия в состоянии покоя, позволяют ионам приближаться к своим равновесным потенциалам, устанавливая отрицательный потенциал покоя внутри клетки. В возбудимых клетках деполяризующий стимул открывает потенциал-зависимые натриевые каналы, вызывая быстрый входящий ток и пик; затем они инактивируются, в то время как потенциал-зависимые калиевые каналы открываются для реполяризации мембраны, и цикл распространяется как потенциал действия.

Clinical relevance

Мембранный потенциал играет центральную роль в функционировании нервных и мышечных клеток, а также в накоплении энергии в градиентах, связывая клеточную биологию с физиологией и биофизикой. Представленное здесь описание является дескриптивным и не предписывающим.

History

Теория равновесия Нернста сформулировала, как ионные градиенты создают напряжения; количественная модель Ходжкина и Хаксли 1952 года токов аксона кальмара установила современное понимание потенциала действия, а более поздние записи каналов подтвердили молекулярную основу возбудимости.

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• Walther Nernst
• Bernard Katz

Seminal works

• hodgkin1952
• alberts2014

Frequently asked questions

Что такое потенциал покоя мембраны?

Это стационарное напряжение на мембране клетки, когда она не передает сигналы, обычно отрицательное внутри, создаваемое ионными градиентами и селективной проницаемостью мембраны для таких ионов, как калий.

Что вызывает потенциал действия?

Достаточная деполяризация открывает потенциал-зависимые натриевые каналы, которые вызывают быстрое, самоподдерживающееся изменение мембранного потенциала, которое затем распространяется по клетке.