Điện sinh lý học và Điện thế màng

Sự phân tách các ion qua màng tạo ra điện thế như thế nào, và các kênh phụ thuộc điện áp biến điện thế đó thành điện thế hoạt động của các tế bào có khả năng kích thích như thế nào.

Definition

Điện thế màng là sự chênh lệch điện áp qua màng tế bào phát sinh từ tính thấm ion chọn lọc; điện sinh lý học là nghiên cứu về các điện thế này và các dòng điện tạo ra chúng.

Scope

Chủ đề này bao gồm nguồn gốc của điện thế màng nghỉ, cách xem màng như một tụ điện và độ dẫn điện trong mạch tương đương, cũng như sự hình thành và lan truyền của điện thế hoạt động. Nó đề cập đến mô tả của Hodgkin–Huxley về tính kích thích và các kỹ thuật đo lường của điện sinh lý học ở cấp độ khái niệm, trong khi cơ chế kênh đơn và động học vận chuyển được xử lý trong các chủ đề liền kề.

Core questions

• Tại sao một tế bào ở trạng thái nghỉ lại duy trì một điện áp ổn định qua màng của nó?
• Màng được mô hình hóa hữu ích như một tụ điện song song với các độ dẫn ion như thế nào?
• Trình tự thay đổi độ dẫn nào tạo ra điện thế hoạt động?
• Điện thế hoạt động lan truyền dọc theo một tế bào có khả năng kích thích như thế nào?

Key theories

Tính kích thích của Hodgkin–Huxley

Các độ dẫn natri và kali phụ thuộc điện áp và thời gian hoạt động qua màng điện dung tái tạo điện thế hoạt động một cách định lượng, với sự xâm nhập natri tái tạo khử cực tế bào và sự thoát kali chậm trễ khôi phục trạng thái nghỉ.

Điện thế nghỉ từ tính thấm hỗn hợp

Điện áp nghỉ là giá trị trung bình có trọng số của các điện thế cân bằng của các ion thấm, được thể hiện bằng biểu thức trường không đổi của Goldman, do đó nó nằm gần nhưng không chính xác tại điện thế cân bằng của kali vì màng chủ yếu, nhưng không hoàn toàn, thấm kali.

Mechanisms

Vì màng là một chất cách điện mỏng ngăn cách điện tích, các gradient ion được thiết lập bởi các bơm tạo ra một điện áp nghỉ ổn định được xác định chủ yếu bởi tính thấm nghỉ ưu thế. Xem màng như một tụ điện song song với các độ dẫn phụ thuộc điện áp, một sự khử cực vượt ngưỡng sẽ mở các kênh natri, dòng điện đi vào của chúng tiếp tục khử cực tế bào trong một xung tái tạo; các kênh natri sau đó bất hoạt và các kênh kali mở ra, tái phân cực màng. Các dòng điện cục bộ lan truyền sự khử cực này đến các vùng lân cận, truyền điện thế hoạt động.

Clinical relevance

Tính kích thích của màng là nền tảng của chức năng thần kinh, cơ và tim, và là mục tiêu của thuốc gây mê, thuốc chống loạn nhịp và thuốc chống động kinh; sinh lý học ở đây là kiến thức nền tảng giáo dục cho sinh lý học và dược lý học đó, không phải hướng dẫn lâm sàng.

History

Dựa trên kỹ thuật kẹp điện áp của Cole, mô hình định lượng năm 1952 của Hodgkin và Huxley về sợi trục mực đã giải thích điện thế hoạt động theo các độ dẫn ion và vẫn là nền tảng của điện sinh lý học, sau này được tinh chỉnh bởi các nghiên cứu kênh đơn và phân tử.

Key figures

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

Seminal works

• hodgkin1952
• goldman1943

Frequently asked questions

Tại sao điện thế nghỉ bên trong lại âm?

Ở trạng thái nghỉ, màng thấm kali nhiều nhất, kali rời khỏi tế bào theo gradient của nó cho đến khi điện áp âm bên trong tích tụ chống lại sự mất thêm, khiến bên trong âm so với bên ngoài.

Điều gì làm cho điện thế hoạt động có tính chất 'tất cả hoặc không'?

Một khi sự khử cực vượt qua ngưỡng, sự mở kênh natri mang tính tái tạo và tạo ra một xung đầy đủ bất kể kích thích ban đầu mạnh đến mức nào, do đó phản ứng có hình dạng cố định.