Điện thế màng và điện thế hoạt động

Cách các tế bào động vật lưu trữ năng lượng điện dưới dạng điện áp trên màng của chúng, và cách các tế bào có khả năng kích thích sử dụng điện áp đó để tạo ra và dẫn truyền xung thần kinh "tất cả hoặc không có gì" (all-or-none).

Definition

Điện thế màng là sự chênh lệch điện áp qua màng plasma của tế bào được thiết lập bởi các gradient ion và tính thấm chọn lọc; điện thế hoạt động là sự đảo ngược ngắn, tái tạo, "tất cả hoặc không có gì" của điện thế đó được tạo ra bởi sự đóng mở tuần tự của các kênh ion cổng điện áp trong một tế bào có khả năng kích thích.

Scope

Chủ đề này bao gồm nguồn gốc của điện thế màng nghỉ, các gradient ion và kênh chọn lọc tạo ra nó, cũng như trình tự các sự kiện phụ thuộc điện áp tạo ra, lan truyền và kết thúc điện thế hoạt động. Nó đề cập đến các mô tả của Nernst và trường không đổi về điện thế cân bằng và điện thế đảo chiều, mô tả của Hodgkin–Huxley về độ dẫn Na+ và K+, ngưỡng và thời kỳ trơ, và sự dẫn truyền xung liên tục so với nhảy cóc. Tài liệu được trình bày dưới dạng tham khảo sinh lý học so sánh, không phải điện sinh lý học lâm sàng.

Core questions

• Tại sao bên trong một tế bào nghỉ lại mang điện tích âm so với bên ngoài?
• Những chuyển động ion nào tạo ra các pha tăng và giảm của điện thế hoạt động?
• Điều gì thiết lập ngưỡng kích hoạt và tại sao lại có thời kỳ trơ?
• Xung thần kinh di chuyển dọc theo sợi trục như thế nào, và tại sao sự dẫn truyền có myelin lại nhanh hơn?

Key theories

Mô hình độ dẫn Hodgkin–Huxley

Các phép đo kẹp điện áp cho thấy điện thế hoạt động là kết quả của độ dẫn Na+ và K+ phụ thuộc vào thời gian và điện áp, có thể được kết hợp thành các phương trình tái tạo dạng sóng xung và sự lan truyền của nó.

Xử lý trường không đổi của điện thế nghỉ và điện thế đảo chiều

Khi một số ion thấm qua đóng góp, điện thế màng được cho bởi phương trình Goldman–Hodgkin–Katz, trong đó trọng số điện thế cân bằng của mỗi ion theo tính thấm tương đối của nó dưới một trường điện không đổi.

Mechanisms

Ở trạng thái nghỉ, Na+/K+-ATPase duy trì nồng độ K+ nội bào cao và Na+ ngoại bào cao, và tính thấm K+ chiếm ưu thế của màng giữ điện thế gần giá trị cân bằng K+. Sự khử cực vượt ngưỡng mở các kênh Na+ cổng điện áp, dòng điện đi vào của chúng đẩy màng về phía điện thế cân bằng Na+ (đỉnh). Các kênh Na+ sau đó bất hoạt trong khi các kênh K+ chỉnh lưu chậm mở ra, tái phân cực và làm tăng phân cực tế bào trong thời gian ngắn; sự bất hoạt tạo ra các thời kỳ trơ tuyệt đối và tương đối, đảm bảo sự lan truyền một chiều. Các dòng điện mạch cục bộ lan truyền sự khử cực đến màng liền kề; trong các sợi trục có myelin, điều này bị giới hạn ở các nút Ranvier, tạo ra sự dẫn truyền nhảy cóc nhanh chóng.

Clinical relevance

Khung kẹp điện áp (voltage-clamp) có nguồn gốc từ các sợi trục không xương sống giải thích cách thuốc gây tê cục bộ, chất độc thần kinh, và các tác nhân chống loạn nhịp và chống động kinh tác động lên các kênh cổng điện áp; nó vẫn là nền tảng để giải thích sinh lý học mô có khả năng kích thích. Đây là tài liệu tham khảo giáo dục và không phải hướng dẫn y tế.

History

Dựa trên nghiên cứu sợi trục khổng lồ của mực, Hodgkin và Huxley đã ghi lại điện thế hoạt động nội bào vào năm 1939 và, sử dụng kẹp điện áp, đã đưa ra mô hình độ dẫn định lượng của họ vào năm 1952 — một cột mốc được công nhận bằng giải Nobel. Phương trình trường không đổi năm 1943 của Goldman đã cung cấp mô tả đa ion về điện thế nghỉ mà đỉnh điện thế hoạt động dựa vào.

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• David Goldman
• Walther Nernst

Seminal works

• hodgkinhuxley1952
• goldman1943
• hill2016

Frequently asked questions

Ý nghĩa của "tất cả hoặc không có gì" đối với điện thế hoạt động là gì?

Một khi kích thích đẩy màng vượt qua ngưỡng, xung sẽ được kích hoạt với biên độ đầy đủ bất kể cường độ kích thích là bao nhiêu; các kích thích yếu hơn đơn giản là không thể kích hoạt nó.

Tại sao myelin lại tăng tốc độ dẫn truyền?

Myelin cách điện các đoạn sợi trục để dòng điện tái tạo nhảy giữa các nút Ranvier không có myelin, một quá trình gọi là dẫn truyền nhảy cóc nhanh hơn nhiều so với sự lan truyền liên tục.