ความหมายของศักยภาพในการดำเนินการและเมมเบรน

อังเคล ซาโมรา รามิเรซ
ปริญญาในสาขาฟิสิกส์

ศักยภาพในการดำเนินการเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในศักยภาพของเมมเบรนของเซลล์ที่กระตุ้นซึ่งแพร่กระจายอย่างรวดเร็ว ศักยะงานเป็นกลไกพื้นฐานในการส่งข้อมูลในระบบประสาทและกล้ามเนื้อทุกประเภท

การทำงานทั้งหมดเกิดจากระบบประสาทของเรา การหดตัวของกล้ามเนื้อที่ทำให้เราเคลื่อนไหวได้ และการเต้นของหัวใจนั้น ให้เลือดถูกนำพาไปยังเซลล์ต่างๆ ของร่างกาย โดยสัญญาณไฟฟ้าที่แพร่กระจายผ่านเนื้อเยื่อ ที่เกี่ยวข้อง.

ศักยภาพของเมมเบรน

จากมุมมองทางกายภาพล้วน ๆ เราสามารถนึกถึงเซลล์ราวกับว่าพวกมันเป็นแบตเตอรี่ขนาดเล็ก มีประจุไฟฟ้าในตัวกลางนอกเซลล์และตัวกลางในเซลล์ที่แตกต่างกัน ความเข้มข้นส่งผลให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าทั่วเมมเบรนของ เซลล์ การไล่ระดับสีเคมีไฟฟ้าที่สร้างขึ้นก่อให้เกิดปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าหลายอย่างที่เกิดขึ้นในเซลล์

ไอออนที่เกี่ยวข้องเป็นพิเศษเมื่อหาค่าศักย์เยื่อหุ้มเซลล์คือโซเดียมไอออน (Na⁺) และโพแทสเซียมไอออน (K⁺). ความเข้มข้นเฉลี่ยของ Na⁺ ในสื่อนอกเซลล์จะมีความเข้มข้น 142 mEq/l ในขณะที่ในสื่อในเซลล์จะมีความเข้มข้นเพียง 14 mEq/l ในทางกลับกัน ความเข้มข้นของ K⁺ ภายนอกเซลล์มีค่าเท่ากับ 4 mEq/l และภายในเซลล์มีค่าประมาณ 140 mEq/l

ความแตกต่างของความเข้มข้นของไอออนทั้งสองนี้ระหว่างตัวกลางภายนอกเซลล์และภายในเซลล์ทำให้เกิดความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าทั่วเยื่อหุ้มเซลล์ อย่างไรก็ตาม มีปัจจัยอื่น ๆ ที่มีอิทธิพลต่อสิ่งนี้เช่นกัน เยื่อหุ้มเซลล์สามารถซึมผ่าน K ไอออนได้มากขึ้น⁺นั่นคือไอออนนี้สามารถผ่านได้ง่ายขึ้น มีช่องไอออนที่เรียกว่าช่องรั่วของโพแทสเซียมที่ช่วยให้ไอออน K ไหลผ่านได้⁺ จากภายในเซลล์สู่ภายนอกเซลล์ พวกมันยังยอมให้ไอออนของ Na^+ บางส่วนหลุดออกไปได้ แม้ว่าช่องเหล่านี้จะทำให้โพแทสเซียมซึมผ่านได้มากกว่าประมาณ 100 เท่า

องค์ประกอบอีกประการหนึ่งที่มีบทบาทพื้นฐานในการสร้างศักยภาพของเมมเบรนคือ Na pump^+- เค⁺. เป็นโปรตีนที่ใช้ ATP ในการผลิตไอออน Na 3 อย่างต่อเนื่อง⁺ ออกจากเซลล์และ 2 K ไอออน⁺ เข้าด้านในจึงทำให้เกิดการสะสมของประจุบวกในตัวกลางนอกเซลล์มากขึ้น เมื่อกลไกทั้งหมดเหล่านี้ทำงานร่วมกัน เส้นใยประสาทจะสร้างศักย์ไฟฟ้าสุทธิประมาณ -90 มิลลิโวลต์ คุณค่าของการมีศักยภาพเกี่ยวข้องกับภายในเซลล์ นั่นคือ ศักยภาพในสภาพแวดล้อมภายในเซลล์มีค่าเป็นลบมากกว่า

ศักยภาพในการดำเนินการ

ศักยภาพในการดำเนินการเริ่มต้นด้วยการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันจากศักยภาพของเมมเบรนเชิงลบปกติ จนถึงศักยภาพในเชิงบวก และจบลงด้วยการเปลี่ยนแปลงกลับไปสู่ศักยภาพอย่างรวดเร็วเกือบเท่าๆ กัน เชิงลบ. ตัวแสดงที่จำเป็นสำหรับการสร้างศักยภาพในการดำเนินการและการฟื้นตัวหลังจากนั้นคือช่องโซเดียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าและช่องโพแทสเซียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า ช่องเหล่านี้เป็นช่องไอออนิกที่เปิดและปิดขึ้นอยู่กับค่าของศักย์เมมเบรน ณ ช่วงเวลาหนึ่ง

ศักยภาพในการดำเนินการเริ่มต้นจากเซลล์ที่อยู่นิ่งและด้วยศักยภาพของเยื่อหุ้มเซลล์ที่ค่าทั่วไปที่ -90 mV ในช่วงนี้จะมีการกล่าวถึงเมมเบรนว่า "โพลาไรซ์" ภายใต้สภาวะบางอย่าง เมมเบรนจะซึมผ่าน Na ไอออนได้ในทันที⁺ในลักษณะที่สิ่งเหล่านี้เริ่มเคลื่อนเข้าสู่ภายในเซลล์และศักยภาพเริ่มเป็นบวกมากขึ้น

หากศักยภาพถึงค่าที่สามารถอยู่ระหว่าง -70 ถึง -50 mV ช่องโซเดียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าจะเปิดขึ้นและมีการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วของ Na ไอออนจำนวนมากขึ้น⁺ ไปสู่สื่อภายในเซลล์ ในช่วงนี้ความสามารถในการซึมผ่านของเมมเบรนไปยังโซเดียมสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 5,000 เท่าและมีศักยภาพ เมมเบรนถึงค่าที่แกว่งระหว่าง + 35 และ + 40 mV จึงกล่าวได้ว่าเมมเบรนนั้น “ดีโพลาไรซ์”. แชนแนลโซเดียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้ายังคงเปิดอยู่สองสามหมื่นวินาทีจากนั้นปิดลง

เมื่อศักย์เมมเบรนถึง 0 mV ช่องโพแทสเซียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าจะเริ่มเปิด ปล่อยให้ K ไอออนไหลได้⁺ ออกสู่ภายนอกเซลล์ อย่างไรก็ตามเนื่องจากช่องโพแทสเซียมเปิดช้าจึงเปิดเต็มที่เมื่อช่องโซเดียมเริ่มปิด การรวมกันของทั้งสองเหตุการณ์ทำให้เกิดการฟื้นตัวอย่างรวดเร็วของศักย์เมมเบรนจนถึงค่าพัก -90 mV ในระยะนี้มีการกล่าวว่ามี "การสลับขั้ว"