Phương trình Goldman-Hodgkin-Katz và các lực đẩy

Phương trình Goldman-Hodgkin-Katz (GHK) dự đoán điện thế màng ở trạng thái ổn định khi có nhiều hơn một ion thấm qua, trọng số đóng góp của mỗi ion theo độ thấm của nó. Cùng với khái niệm về lực đẩy điện hóa, nó giải thích nơi điện thế nghỉ ổn định và mức độ mạnh mẽ mà mỗi ion có xu hướng di chuyển ở bất kỳ điện thế nào.

Definition

Phương trình điện thế GHK biểu thị điện thế màng ở trạng thái ổn định như một hàm của độ thấm và nồng độ bên trong/bên ngoài của các ion thấm qua; lực đẩy điện hóa của một ion là sự khác biệt giữa điện thế màng thực tế và điện thế cân bằng của ion đó, điều này thiết lập hướng và độ lớn của dòng chảy ròng của nó.

Scope

Chủ đề này bao gồm phương trình điện thế trường không đổi kết hợp sự đóng góp của kali, natri và clorua thành một điện thế màng dự đoán duy nhất, và khái niệm liên quan về lực đẩy, sự khác biệt giữa điện thế màng và điện thế cân bằng của ion. Nó được xây dựng dựa trên các điện thế cân bằng ion đơn được đề cập trong chủ đề về độ thấm và giải thích trạng thái ổn định đa ion.

Core questions

• Điện thế nghỉ được xác định như thế nào khi một số ion thấm qua cùng một lúc?
• Giả định nào (trường không đổi) làm nền tảng cho phương trình GHK?
• Lực đẩy của một ion là gì, và nó liên quan đến điện thế cân bằng của nó như thế nào?

Key concepts

• Giả định trường không đổi
• Điện thế màng có trọng số độ thấm
• Độ thấm tương đối của K+, Na+, Cl-
• Lực đẩy điện hóa
• Điện thế đảo chiều
• Điện thế trạng thái ổn định so với điện thế cân bằng

Key theories

Lý thuyết trường không đổi (GHK) về điện thế màng

Xử lý trường điện qua màng là không đổi, Goldman đã suy ra một biểu thức cho điện thế trạng thái ổn định như một sự cân bằng có trọng số độ thấm của các ion thấm qua; Hodgkin và Katz đã áp dụng nó vào dây thần kinh, giải thích điện thế nghỉ và sự dịch chuyển của nó khi độ thấm tương đối thay đổi.

Mechanisms

Khi một số ion có thể đi qua màng, không có điện thế cân bằng đơn lẻ nào đạt được; thay vào đó, màng ổn định ở một điện thế trạng thái ổn định nơi dòng điện tích vào và ra cân bằng. Phương trình GHK, được Goldman (1943) suy ra dưới giả định về một trường điện không đổi bên trong màng, đưa ra điện thế này dưới dạng hàm logarit của độ thấm của mỗi ion nhân với nồng độ của nó ở mỗi bên. Bởi vì độ thấm kali khi nghỉ vượt trội đáng kể so với độ thấm natri, điện thế dự đoán nằm gần điện thế cân bằng kali, dịch chuyển về phía natri khi độ thấm natri tương đối tăng lên. Lực đẩy tác dụng lên bất kỳ ion nào là khoảng cách giữa điện thế màng hiện tại và điện thế cân bằng của ion đó: khoảng cách càng lớn, lực đẩy ròng lên ion càng mạnh, và dòng chảy ròng đảo chiều khi điện thế vượt qua điện thế cân bằng. Hodgkin và Katz (1949) đã xác nhận khuôn khổ này bằng cách chỉ ra rằng điện thế màng theo dõi các giá trị dự đoán khi natri ngoại bào thay đổi.

Clinical relevance

Khuôn khổ GHK giải thích tại sao việc thay đổi độ thấm ion tương đối hoặc nồng độ ngoại bào làm thay đổi điện thế nghỉ và tính kích thích, đây là cơ sở khái niệm để hiểu cách các rối loạn điện giải và các tác nhân điều biến kênh ảnh hưởng đến mô có thể kích thích. Mục này là tài liệu tham khảo cơ chế và không đưa ra hướng dẫn điều trị.

Evidence & guidelines

Phương trình này là một kết quả lý thuyết được xác nhận bằng các phép đo điện thế màng trực tiếp và là nội dung tiêu chuẩn trong các sách giáo khoa sinh lý học và lý sinh; nó là tài liệu tham khảo hơn là nội dung hướng dẫn.

History

David Goldman đã công bố công trình suy luận trường không đổi vào năm 1943 khi nghiên cứu về lý sinh học của màng. Hodgkin và Katz đã áp dụng nó vào sợi trục mực vào năm 1949, và kết quả tổng hợp được gọi là phương trình Goldman-Hodgkin-Katz, một nền tảng của sinh lý học màng.

Key figures

• David E. Goldman
• Alan Hodgkin
• Bernard Katz

Seminal works

• goldman-1943
• hodgkin-katz-1949

Frequently asked questions

Phương trình GHK khác với phương trình Nernst như thế nào?

Phương trình Nernst đưa ra điện thế cân bằng của một ion đơn lẻ, trong khi phương trình GHK đưa ra điện thế màng ở trạng thái ổn định khi một số ion thấm qua, trọng số mỗi ion theo độ thấm của nó.

Lực đẩy tác dụng lên một ion là gì?

Đó là sự khác biệt giữa điện thế màng và điện thế cân bằng của ion; khoảng cách này xác định mức độ mạnh mẽ và hướng mà ion có xu hướng di chuyển, và dòng chảy ròng đảo chiều khi điện thế bằng điện thế cân bằng.