การซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์และศักย์สมดุลของไอออน

การซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์แบบเลือกสรรเป็นสิ่งที่เปลี่ยนความเข้มข้นของไอออนให้เป็นแรงดันไฟฟ้า ไอออนจะเคลื่อนที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้เฉพาะผ่านช่องทางที่เอื้อต่อไอออนชนิดนั้นๆ และสำหรับไอออนแต่ละชนิดจะมีศักย์สมดุล ซึ่งคำนวณได้จากสมการของ Nernst ซึ่งเป็นจุดที่แรงแพร่และแรงไฟฟ้าของไอออนนั้นสมดุลกันอย่างสมบูรณ์

Definition

การซึมผ่านแบบเลือกสรรเป็นคุณสมบัติที่ช่องไอออนยอมให้ไอออนบางชนิดเคลื่อนที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้ ศักย์สมดุล (Nernst) สำหรับไอออนคือแรงดันไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ที่แรงไฟฟ้าที่กระทำต่อไอออนนั้นต้านทานความเข้มข้นของไอออนอย่างสมบูรณ์ ทำให้ไม่มีการไหลสุทธิ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงวิธีการที่ช่องไอออนแบบเลือกสรรทำให้เยื่อหุ้มเซลล์ซึมผ่านไอออนบางชนิดได้แต่ไม่ใช่ทั้งหมด และสมการของ Nernst กำหนดศักย์สมดุลสำหรับไอออนแต่ละชนิดที่ซึมผ่านได้อย่างไร นอกจากนี้ยังอธิบายศักย์สมดุลว่าเป็นจุดอ้างอิงที่การซึมผ่านของไอออนแต่ละชนิดผลักดันแรงดันไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ แรงดันไฟฟ้าสภาวะคงที่รวมจากไอออนหลายชนิดจะกล่าวถึงในหัวข้อ Goldman-Hodgkin-Katz

Core questions

• ช่องไอออนทำให้เยื่อหุ้มเซลล์ซึมผ่านไอออนชนิดหนึ่งได้มากกว่าอีกชนิดหนึ่งได้อย่างไร?
• สมการของ Nernst คำนวณอะไร และศักย์สมดุลหมายถึงอะไร?
• ทำไมโพแทสเซียมและโซเดียมจึงมีศักย์สมดุลที่แตกต่างกันมาก?

Key concepts

• ช่องไอออนแบบเลือกสรร
• ตัวกรองแบบเลือกสรร
• สมการของ Nernst
• ศักย์สมดุล (ศักย์ย้อนกลับ)
• ความเข้มข้นของไอออนเทียบกับความชันไฟฟ้า
• การซึมผ่านเทียบกับการนำไฟฟ้า

Key theories

หลักการศักย์สมดุล

สำหรับไอออนชนิดเดียวที่ซึมผ่านได้ เยื่อหุ้มเซลล์จะถึงแรงดันไฟฟ้าหนึ่ง ซึ่งเรียกว่าศักย์ Nernst ซึ่งแรงไฟฟ้าที่ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์จะสมดุลกับความเข้มข้นของไอออนอย่างสมบูรณ์ ทำให้ไม่มีการเคลื่อนที่สุทธิ สิ่งนี้กำหนดแรงดันไฟฟ้าเป้าหมายที่การซึมผ่านของไอออนแต่ละชนิดดึงเข้าหา

Mechanisms

ช่องไอออนทอดตัวข้ามเยื่อหุ้มเซลล์และส่งผ่านไอออนผ่านตัวกรองแบบเลือกสรรที่แยกแยะชนิดของไอออนตามขนาดและเคมีของการประสานงาน โครงสร้างช่องโพแทสเซียมที่ Doyle และคณะ (1998) ได้ศึกษาแสดงให้เห็นว่าคาร์บอนิลของโครงสร้างหลักเลียนแบบเปลือกไฮเดรชั่นของโพแทสเซียมเพื่อเลือกโพแทสเซียมเหนือโซเดียม เมื่อเยื่อหุ้มเซลล์ซึมผ่านไอออนชนิดเดียว ไอออนนั้นจะแพร่ลงตามความเข้มข้นของมันจนกระทั่งประจุที่เคลื่อนที่สร้างแรงไฟฟ้าต้านทาน แรงดันไฟฟ้าที่แรงทั้งสองสมดุลกันคือศักย์สมดุล ซึ่งคำนวณโดยสมการของ Nernst จากอัตราส่วนความเข้มข้นภายนอกต่อภายใน ดังนั้น ไอออนที่แตกต่างกันจึงมีศักย์สมดุลที่แตกต่างกัน และแรงดันไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์จะถูกดึงเข้าหาสักย์สมดุลของไอออนที่ซึมผ่านได้มากที่สุดในขณะนั้น Hodgkin และ Katz (1949) ได้แสดงให้เห็นจากการทดลองว่าการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของไอออนภายนอกทำให้แรงดันไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์เปลี่ยนไปตามที่กรอบแนวคิดนี้คาดการณ์ไว้

Clinical relevance

ศักย์สมดุลและการเลือกสรรของช่องไอออนเป็นพื้นฐานที่อธิบายว่าทำไมการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของไอออนนอกเซลล์จึงส่งผลต่อความตื่นตัว และทำไมยาและสารพิษที่มุ่งเป้าไปที่ช่องไอออนจึงส่งผลต่อเส้นประสาทและกล้ามเนื้อ ข้อมูลนี้จะนำเสนอความสัมพันธ์เหล่านั้นเป็นพื้นฐานทางกลไกและไม่มีคำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษา

Evidence & guidelines

ความสัมพันธ์ของ Nernst เป็นผลลัพธ์ทางเทอร์โมไดนามิกที่ได้รับการยืนยันในการทดลองทางสรีรวิทยาไฟฟ้าจำนวนมาก และการเลือกสรรของช่องไอออนได้รับการยืนยันจากการศึกษาโครงสร้างและการทำงาน นี่เป็นเนื้อหาอ้างอิงทางชีวฟิสิกส์มาตรฐาน ไม่ใช่เนื้อหาแนวทางปฏิบัติ

History

Walther Nernst ได้กำหนดสมการที่เชื่อมโยงอัตราส่วนความเข้มข้นกับศักย์ไฟฟ้าเคมีเมื่อปลายศตวรรษที่สิบเก้า การประยุกต์ใช้กับเยื่อหุ้มเซลล์ที่ตื่นตัวได้พัฒนาขึ้นพร้อมกับการทำงานของ Hodgkin และ Katz (1949) เกี่ยวกับใยประสาทปลาหมึก และพื้นฐานโมเลกุลของการเลือกสรรที่กรอบแนวคิดนี้สมมติไว้ได้ถูกแสดงให้เห็นในโครงสร้างช่องโพแทสเซียมของ Doyle และคณะ (1998) ในที่สุด

Key figures

• Walther Nernst
• Alan Hodgkin
• Bernard Katz
• Roderick MacKinnon
• Bertil Hille

Seminal works

• hodgkin-katz-1949
• doyle-1998

Frequently asked questions

ศักย์สมดุลคืออะไร?

คือแรงดันไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ที่แรงไฟฟ้าที่กระทำต่อไอออนชนิดหนึ่งจะหักล้างความเข้มข้นของไอออนนั้นอย่างสมบูรณ์ ทำให้ไอออนไม่มีแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่สุทธิ สมการของ Nernst คำนวณค่านี้จากความเข้มข้นของไอออนทั้งสองด้าน

ช่องไอออนเลือกไอออนชนิดหนึ่งเหนืออีกชนิดหนึ่งได้อย่างไร?

ตัวกรองแบบเลือกสรรที่แคบจะประสานงานกับไอออนที่ต้องการในลักษณะที่ทดแทนเปลือกน้ำของมัน ในขณะที่กีดกันไอออนที่มีขนาดหรือรูปทรงประจุที่ไม่ถูกต้อง ดังที่แสดงให้เห็นในการศึกษาโครงสร้างของช่องโพแทสเซียม