ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ขณะพักและ การกระจายตัวของไอออน

ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ขณะพักคือความต่างศักย์ไฟฟ้าที่คงที่ทั่วเยื่อหุ้มพลาสมาของเซลล์ที่ยังไม่ถูกกระตุ้น โดยที่ภายในเซลล์มีประจุลบเมื่อเทียบกับภายนอก ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ -60 ถึง -90 มิลลิโวลต์ในเซลล์ประสาท เป็นผลมาจากการกระจายตัวของไอออนที่ไม่เท่ากันทั่วเยื่อหุ้มเซลล์ และการซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์แบบเลือกได้ต่อไอออนเหล่านั้น

Definition

ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ขณะพักคือแรงดันไฟฟ้าข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ที่เซลล์ที่สามารถถูกกระตุ้นได้แต่ยังไม่ถูกกระตุ้นรักษาไว้ ซึ่งกำหนดโดยสมดุลระหว่างความเข้มข้นของไอออนและสภาพการซึมผ่านสัมพัทธ์ของเยื่อหุ้มเซลล์ และรักษาระดับใกล้เคียงกับศักย์สมดุลของโพแทสเซียม

Scope

หัวข้อนี้อธิบายว่าเหตุใดเซลล์ที่พักตัวจึงรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าลบที่เสถียร และการกระจายตัวแบบไม่สมมาตรของโพแทสเซียม โซเดียม และคลอไรด์ทำให้เกิดสิ่งนี้ได้อย่างไร ครอบคลุมถึงการมีส่วนร่วมของไอออนหลักแต่ละชนิดและบทบาทที่โดดเด่นของโพแทสเซียมในขณะพัก และแยกความแตกต่างระหว่างสถานะพักกับการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในสภาวะอื่น ๆ

Core questions

• ความเข้มข้นของไอออนใดที่บ่งบอกถึงภายในและภายนอกของเซลล์ที่พักตัว?
• ไอออนใดมีอิทธิพลต่อศักย์พักมากที่สุดและเพราะเหตุใด?
• การซึมผ่านของโซเดียมและคลอไรด์เพียงเล็กน้อยทำให้ศักย์พักเปลี่ยนไปจากค่าสมดุลของโพแทสเซียมได้อย่างไร?

Key concepts

• แรงดันไฟฟ้าข้ามเยื่อหุ้มเซลล์
• ความเข้มข้นของไอออนภายในเซลล์เทียบกับภายนอกเซลล์
• การครอบงำของโพแทสเซียมในขณะพัก
• การมีส่วนร่วมของโซเดียมและคลอไรด์
• สภาพการซึมผ่านสัมพัทธ์
• สภาวะคงที่เทียบกับสมดุล

Key theories

คำอธิบายศักย์พักจากการซึมผ่านแบบเลือกได้

แรงดันไฟฟ้าขณะพักถูกกำหนดโดยไอออนใดที่สามารถข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ได้และง่ายเพียงใด เนื่องจากความสามารถในการซึมผ่านของโพแทสเซียมมีค่ามากกว่าความสามารถในการซึมผ่านของโซเดียมอย่างมากในขณะพัก ศักย์จึงอยู่ใกล้กับศักย์สมดุลของโพแทสเซียม แต่ถูกชดเชยให้เป็นบวกเล็กน้อยโดยการรั่วไหลของโซเดียม

Mechanisms

เซลล์ประสาทที่พักตัวจะรักษาความเข้มข้นของโพแทสเซียมไว้ภายใน และความเข้มข้นของโซเดียมและคลอไรด์ไว้ภายนอก เยื่อหุ้มเซลล์ในขณะพักมีความสามารถในการซึมผ่านโพแทสเซียมสูงผ่านช่องรั่วไหลที่เปิดอยู่ และมีความสามารถในการซึมผ่านโซเดียมเพียงเล็กน้อย โพแทสเซียมจะแพร่กระจายออกไปตามความเข้มข้นของมัน โดยนำประจุบวกออกไปและทำให้ภายในเซลล์มีประจุลบ ความเป็นลบที่เพิ่มขึ้นจะต้านทานการไหลออกต่อไป ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าจึงเข้าใกล้ศักย์สมดุลของโพแทสเซียม การไหลเข้าของโซเดียมที่คงอยู่เล็กน้อย และการเคลื่อนที่ของคลอไรด์ในหลายเซลล์ ทำให้ศักย์พักที่แท้จริงมีค่าเป็นบวกเล็กน้อยจากค่าสมดุลของโพแทสเซียม Hodgkin และ Katz (1949) ได้แสดงให้เห็นถึงการพึ่งพาไอออนหลายชนิดนี้โดยตรงโดยการเปลี่ยนโซเดียมภายนอกและแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงที่คาดการณ์ได้ในแรงดันไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์

Clinical relevance

เนื่องจากศักย์พักกำหนดว่าเซลล์จะถูกกระตุ้นได้ง่ายเพียงใด การเปลี่ยนแปลงของโพแทสเซียมภายนอกเซลล์หรือไอออนอื่น ๆ จะเปลี่ยนความสามารถในการกระตุ้นของเยื่อหุ้มเซลล์ในเส้นประสาท กล้ามเนื้อ และหัวใจ รายการนี้อธิบายถึงการพึ่งพากลไกดังกล่าวว่าเป็นสรีรวิทยาพื้นฐาน และไม่ใช่แนวทางในการจัดการภาวะใด ๆ

Evidence & guidelines

การอธิบายเชิงปริมาณมาจากบันทึกการทดลองในเซลล์ประสาทหมึก และเป็นเนื้อหามาตรฐานในตำราสรีรวิทยาและชีวฟิสิกส์ เป็นข้อมูลอ้างอิงเชิงกลไกมากกว่าเนื้อหาแนวทางทางคลินิก

History

ทฤษฎีเยื่อหุ้มเซลล์ยุคแรกของ Julius Bernstein เสนอว่าศักย์พักสะท้อนถึงการซึมผ่านแบบเลือกได้ต่อโพแทสเซียม Hodgkin และ Katz (1949) ได้ขยายแนวคิดนี้ไปสู่มุมมองแบบหลายไอออน โดยแสดงให้เห็นว่าการซึมผ่านของโซเดียมก็มีความสำคัญเช่นกัน และการวิเคราะห์สนามคงที่ของ Goldman ในปี 1943 ได้ให้ความสัมพันธ์นี้ในรูปแบบเชิงปริมาณ

Key figures

• Alan Hodgkin
• Bernard Katz
• David E. Goldman
• Julius Bernstein

Seminal works

• hodgkin-katz-1949
• goldman-1943

Frequently asked questions

เหตุใดภายในเซลล์ประสาทที่พักตัวจึงมีประจุลบ?

เนื่องจากเยื่อหุ้มเซลล์ขณะพักส่วนใหญ่สามารถซึมผ่านโพแทสเซียมได้ โพแทสเซียมจึงออกจากเซลล์ตามความเข้มข้นของมันและนำประจุบวกออกไป ทำให้ภายในเซลล์มีประจุลบสุทธิ จนกว่าแรงดึงดูดทางไฟฟ้าจะสมดุลกับการไหลออกต่อไป

ศักย์พักเป็นสภาวะสมดุลหรือไม่?

ไม่เชิง เป็นสภาวะคงที่ที่รักษาระดับใกล้เคียงกับศักย์สมดุลของโพแทสเซียม การรั่วไหลของไอออนเล็กน้อยอย่างต่อเนื่องจะถูกชดเชยด้วยการปั๊มแบบแอคทีฟ ดังนั้นความเข้มข้นและแรงดันไฟฟ้าจึงคงที่โดยไม่มีสมดุลที่แท้จริง