Tính thấm màng và điện thế cân bằng ion

Tính thấm màng chọn lọc là yếu tố biến đổi gradient nồng độ ion thành điện áp. Các ion chỉ đi qua màng thông qua các kênh ưu tiên các loại ion cụ thể, và đối với mỗi ion, có một điện thế cân bằng, được xác định bởi phương trình Nernst, tại đó các lực khuếch tán và lực điện của nó cân bằng chính xác.

Definition

Tính thấm chọn lọc là đặc tính mà theo đó các kênh ion cho phép các ion cụ thể đi qua màng; điện thế cân bằng (Nernst) cho một ion là điện áp màng mà tại đó lực điện tác dụng lên ion đó chống lại chính xác gradient nồng độ của nó, do đó không có dòng chảy ròng.

Scope

Chủ đề này đề cập đến cách các kênh chọn lọc ion làm cho màng thấm đối với một số ion chứ không phải các ion khác, và cách phương trình Nernst xác định điện thế cân bằng cho mỗi ion thấm. Nó giải thích điện thế cân bằng như là điểm tham chiếu mà tính thấm của mỗi ion hướng điện áp màng tới. Điện áp trạng thái ổn định tổng hợp từ nhiều ion được đề cập trong chủ đề Goldman-Hodgkin-Katz.

Core questions

• Các kênh làm thế nào để màng thấm chọn lọc đối với ion này hơn ion khác?
• Phương trình Nernst tính toán điều gì, và điện thế cân bằng có ý nghĩa gì?
• Tại sao kali và natri lại có điện thế cân bằng khác nhau nhiều như vậy?

Key concepts

• Các kênh chọn lọc ion
• Bộ lọc chọn lọc
• Phương trình Nernst
• Điện thế cân bằng (đảo chiều)
• Gradient nồng độ so với gradient điện
• Tính thấm so với độ dẫn

Key theories

Nguyên lý điện thế cân bằng

Đối với một ion thấm duy nhất, màng đạt đến một điện áp, điện thế Nernst, tại đó lực điện qua màng cân bằng chính xác gradient nồng độ, không tạo ra chuyển động ròng; điều này xác định điện áp mục tiêu mà tính thấm của mỗi ion kéo về.

Mechanisms

Các kênh ion trải dài qua màng và cho các ion đi qua một bộ lọc chọn lọc phân biệt giữa các loại ion theo kích thước và hóa học phối trí; cấu trúc kênh kali được Doyle và các đồng nghiệp (1998) giải quyết đã cho thấy cách các nhóm carbonyl trong khung xương bắt chước lớp vỏ hydrat hóa của kali để chọn lọc kali thay vì natri. Khi màng thấm đối với một ion duy nhất, ion đó khuếch tán theo gradient nồng độ của nó cho đến khi điện tích mà nó di chuyển tạo ra một lực điện đối kháng; điện áp mà tại đó hai lực cân bằng là điện thế cân bằng, được tính bằng phương trình Nernst từ tỷ lệ nồng độ bên ngoài so với bên trong. Do đó, các ion khác nhau có các điện thế cân bằng khác nhau, và điện áp màng bị kéo về phía điện thế cân bằng của ion nào hiện đang thấm nhiều nhất. Hodgkin và Katz (1949) đã chứng minh thực nghiệm rằng việc thay đổi nồng độ ion bên ngoài làm dịch chuyển điện áp màng như khuôn khổ này dự đoán.

Clinical relevance

Điện thế cân bằng và tính chọn lọc của kênh là cơ sở giải thích tại sao những thay đổi trong nồng độ ion ngoại bào làm thay đổi tính hưng phấn và tại sao các loại thuốc và độc tố nhắm mục tiêu vào kênh lại ảnh hưởng đến thần kinh và cơ. Mục này trình bày các mối quan hệ đó như một nền tảng cơ chế và không đưa ra hướng dẫn chẩn đoán hoặc điều trị.

Evidence & guidelines

Mối quan hệ Nernst là một kết quả nhiệt động học đã được xác nhận trong vô số thí nghiệm điện sinh lý học, và tính chọn lọc của kênh được thiết lập bởi các nghiên cứu cấu trúc và chức năng; đây là tài liệu tham khảo sinh lý học tiêu chuẩn, không phải nội dung hướng dẫn.

History

Walther Nernst đã xây dựng phương trình liên kết tỷ lệ nồng độ với điện thế điện hóa vào cuối thế kỷ XIX. Ứng dụng của nó vào các màng có khả năng kích thích đã phát triển với công trình nghiên cứu trên sợi trục mực của Hodgkin và Katz (1949), và cơ sở phân tử của tính chọn lọc mà khuôn khổ này giả định cuối cùng đã được hình dung trong cấu trúc kênh kali của Doyle và các đồng nghiệp (1998).

Key figures

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

Seminal works

• hodgkin-katz-1949
• doyle-1998

Frequently asked questions

Điện thế cân bằng là gì?

Đó là điện áp màng mà tại đó lực điện tác dụng lên một ion cụ thể triệt tiêu chính xác gradient nồng độ của nó, do đó ion không có xu hướng di chuyển ròng; phương trình Nernst tính toán nó từ nồng độ của ion ở hai bên.

Một kênh chọn lọc một ion hơn ion khác như thế nào?

Một bộ lọc chọn lọc hẹp phối hợp ion ưu tiên theo cách thay thế cho lớp vỏ nước của nó trong khi loại trừ các ion có kích thước hoặc hình dạng điện tích không phù hợp, như đã được chứng minh cho các kênh kali bằng các nghiên cứu cấu trúc.