สรีรวิทยาไฟฟ้าและศักย์เยื่อหุ้มเซลล์

การแยกไอออนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์สร้างศักย์ไฟฟ้าได้อย่างไร และช่องสัญญาณที่ขึ้นกับแรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนศักย์นั้นให้เป็นศักย์กิจกรรมของเซลล์ที่เร้าได้ได้อย่างไร

Definition

ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์คือความต่างศักย์ไฟฟ้าข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ที่เกิดจากการซึมผ่านของไอออนแบบเลือกได้; สรีรวิทยาไฟฟ้าคือการศึกษาศักย์เหล่านี้และกระแสไฟฟ้าที่สร้างขึ้น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงที่มาของศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ขณะพัก, มุมมองวงจรสมมูลของเยื่อหุ้มเซลล์ในฐานะตัวเก็บประจุและการนำไฟฟ้า, และการสร้างและการแพร่กระจายของศักย์กิจกรรม นอกจากนี้ยังกล่าวถึงคำอธิบายความสามารถในการเร้าของ Hodgkin–Huxley และเทคนิคการวัดทางสรีรวิทยาไฟฟ้าในระดับแนวคิด ในขณะที่กลไกช่องสัญญาณเดี่ยวและพลังงานการขนส่งจะได้รับการจัดการในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• ทำไมเซลล์ขณะพักจึงรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าที่คงที่ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์?
• เยื่อหุ้มเซลล์ถูกจำลองเป็นตัวเก็บประจุที่ขนานกับการนำไฟฟ้าของไอออนได้อย่างไร?
• ลำดับของการเปลี่ยนแปลงการนำไฟฟ้าใดที่สร้างศักย์กิจกรรม?
• ศักย์กิจกรรมแพร่กระจายไปตามเซลล์ที่เร้าได้ได้อย่างไร?

Key theories

ความสามารถในการเร้าของ Hodgkin–Huxley

การนำไฟฟ้าของโซเดียมและโพแทสเซียมที่ขึ้นกับแรงดันไฟฟ้าและเวลาที่ทำงานข้ามเยื่อหุ้มเซลล์แบบเก็บประจุจะสร้างศักย์กิจกรรมขึ้นมาใหม่ในเชิงปริมาณ โดยการเข้าของโซเดียมแบบสร้างใหม่จะลดขั้วเซลล์และการไหลออกของโพแทสเซียมที่ล่าช้าจะคืนสภาพเดิม

ศักย์ขณะพักจากการซึมผ่านที่หลากหลาย

แรงดันไฟฟ้าขณะพักเป็นค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักของศักย์สมดุลของไอออนที่ซึมผ่านได้ ซึ่งถูกจับโดยนิพจน์สนามคงที่ของ Goldman ดังนั้นจึงอยู่ใกล้แต่ไม่อยู่ที่สมดุลของโพแทสเซียม เนื่องจากเยื่อหุ้มเซลล์ส่วนใหญ่แต่ไม่ทั้งหมดสามารถซึมผ่านโพแทสเซียมได้

Mechanisms

เนื่องจากเยื่อหุ้มเซลล์เป็นฉนวนบางๆ ที่แยกประจุออกจากกัน การไล่ระดับไอออนที่สร้างขึ้นโดยปั๊มจะสร้างแรงดันไฟฟ้าขณะพักที่คงที่ ซึ่งส่วนใหญ่กำหนดโดยการซึมผ่านขณะพักที่เด่นชัด เมื่อพิจารณาเยื่อหุ้มเซลล์เป็นตัวเก็บประจุที่ขนานกับการนำไฟฟ้าที่ขึ้นกับแรงดันไฟฟ้า การลดขั้วที่เกินเกณฑ์จะเปิดช่องโซเดียม ซึ่งกระแสไหลเข้าจะลดขั้วเซลล์ต่อไปในรูปแบบของสไปค์แบบสร้างใหม่ จากนั้นช่องโซเดียมจะหยุดทำงานและช่องโพแทสเซียมจะเปิดออก ทำให้เยื่อหุ้มเซลล์กลับสู่สภาพเดิม กระแสไฟฟ้าเฉพาะที่จะแพร่กระจายการลดขั้วนี้ไปยังบริเวณใกล้เคียง ทำให้เกิดการแพร่กระจายของศักย์กิจกรรม

Clinical relevance

ความสามารถในการเร้าของเยื่อหุ้มเซลล์เป็นพื้นฐานของการทำงานของเส้นประสาท กล้ามเนื้อ และหัวใจ และเป็นเป้าหมายของยาชา ยาต้านการเต้นของหัวใจผิดจังหวะ และยากันชัก; ชีวฟิสิกส์ในที่นี้เป็นพื้นฐานทางการศึกษาสำหรับสรีรวิทยาและเภสัชวิทยาเหล่านั้น ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

History

จากเทคนิคการจับแรงดันไฟฟ้าของ Cole แบบจำลองเชิงปริมาณของ Hodgkin และ Huxley ในปี 1952 ของแอกซอนปลาหมึกได้อธิบายศักย์กิจกรรมในแง่ของการนำไฟฟ้าของไอออนและยังคงเป็นรากฐานของสรีรวิทยาไฟฟ้า ซึ่งต่อมาได้รับการปรับปรุงโดยการศึกษาช่องสัญญาณเดี่ยวและระดับโมเลกุล

Key figures

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

Seminal works

• hodgkin1952
• goldman1943

Frequently asked questions

ทำไมศักย์ขณะพักภายในเซลล์จึงเป็นลบ?

ขณะพัก เยื่อหุ้มเซลล์สามารถซึมผ่านโพแทสเซียมได้มากที่สุด ซึ่งจะออกจากเซลล์ตามการไล่ระดับความเข้มข้นจนกว่าแรงดันไฟฟ้าภายในที่เป็นลบจะต้านทานการสูญเสียเพิ่มเติม ทำให้ภายในเป็นลบเมื่อเทียบกับภายนอก

อะไรทำให้ศักย์กิจกรรมเป็นแบบทั้งหมดหรือไม่มีเลย?

เมื่อการลดขั้วข้ามเกณฑ์ การเปิดช่องโซเดียมจะสร้างใหม่และขับเคลื่อนสไปค์เต็มรูปแบบโดยไม่คำนึงถึงความแรงของสิ่งกระตุ้นเดิม ดังนั้นการตอบสนองจึงมีรูปร่างที่คงที่