ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์และการส่งสัญญาณไฟฟ้า

ความแตกต่างของความเข้มข้นของไอออนที่ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ที่เลือกผ่านได้จะสร้างแรงดันไฟฟ้าที่เซลล์นำมาใช้ในการเก็บพลังงานและการส่งสัญญาณอย่างรวดเร็ว

Definition

ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์คือแรงดันไฟฟ้าที่ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ที่เกิดจากการกระจายตัวของไอออนที่ไม่เท่ากันและการเลือกผ่านได้; การส่งสัญญาณไฟฟ้าคือการใช้การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในศักย์นี้ ซึ่งมีช่องไอออนเป็นตัวกลาง ในการส่งผ่านข้อมูล

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงวิธีการที่ความชันของไอออนและการเลือกผ่านได้กำหนดศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ขณะพัก วิธีที่สมการของ Nernst และความสัมพันธ์ที่เกี่ยวข้องอธิบายสมดุล และวิธีการที่ช่องไอออนที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าสร้างสัญญาณไฟฟ้าแบบปฏิรูป เช่น ศักย์กิจกรรมในเซลล์ที่เร้าได้

Core questions

• ความชันของไอออนและการเลือกผ่านได้สร้างศักย์พักได้อย่างไร?
• สมการของ Nernst อธิบายอะไรเกี่ยวกับสมดุลของไอออน?
• ช่องที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าสร้างศักย์กิจกรรมได้อย่างไร?
• เหตุใดการส่งสัญญาณไฟฟ้าจึงเร็วกว่าการแพร่กระจายทางเคมีมาก?

Key theories

แบบจำลอง Hodgkin–Huxley ของศักย์กิจกรรม

การเปลี่ยนแปลงที่ขึ้นกับแรงดันไฟฟ้าในการนำไฟฟ้าของโซเดียมและโพแทสเซียม ซึ่งอธิบายในเชิงปริมาณ อธิบายการเพิ่มขึ้นและลดลงของศักย์กิจกรรมและการแพร่กระจายไปตามเยื่อหุ้มเซลล์ที่เร้าได้

Mechanisms

ปั๊มไอออนสร้างความชันของความเข้มข้น และช่องรั่วที่เลือกผ่านได้ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นโพแทสเซียมในขณะพัก จะช่วยให้ไอออนเข้าใกล้ศักย์สมดุลของพวกมัน ซึ่งกำหนดศักย์พักที่เป็นลบภายในเซลล์ ในเซลล์ที่เร้าได้ สิ่งกระตุ้นที่ทำให้เกิดการลดขั้วจะเปิดช่องโซเดียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า ทำให้เกิดกระแสไหลเข้าอย่างรวดเร็วและเกิดการกระตุ้น; จากนั้นช่องเหล่านี้จะปิดตัวลงในขณะที่ช่องโพแทสเซียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าเปิดออกเพื่อทำให้เยื่อหุ้มเซลล์กลับสู่สภาพเดิม และวงจรนี้จะแพร่กระจายออกไปเป็นศักย์กิจกรรม

Clinical relevance

ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์มีความสำคัญต่อการทำงานของเซลล์ประสาทและกล้ามเนื้อ และต่อการเก็บพลังงานในความชัน ซึ่งเชื่อมโยงชีววิทยาของเซลล์เข้ากับสรีรวิทยาและชีวฟิสิกส์ การรักษาในที่นี้เป็นการอธิบายและไม่เป็นการสั่งยา

History

ทฤษฎีสมดุลของ Nernst ได้วางกรอบว่าความชันของไอออนสร้างแรงดันไฟฟ้าได้อย่างไร; แบบจำลองเชิงปริมาณของกระแสในแอกซอนของปลาหมึกโดย Hodgkin และ Huxley ในปี 1952 ได้สร้างความเข้าใจสมัยใหม่เกี่ยวกับศักย์กิจกรรม และการบันทึกช่องสัญญาณในภายหลังได้ยืนยันพื้นฐานระดับโมเลกุลของการเร้าได้

Key figures

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

Seminal works

• hodgkin1952
• alberts2014

Frequently asked questions

ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ขณะพักคืออะไร?

เป็นแรงดันไฟฟ้าคงที่ที่ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์เมื่อไม่ได้ส่งสัญญาณ โดยทั่วไปจะเป็นลบภายใน เกิดจากความชันของไอออนและการเลือกผ่านได้ของเยื่อหุ้มเซลล์ต่อไอออน เช่น โพแทสเซียม

อะไรเป็นตัวกระตุ้นศักย์กิจกรรม?

การลดขั้วที่เพียงพอจะเปิดช่องโซเดียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและเสริมแรงในศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งจากนั้นจะแพร่กระจายไปตามเซลล์