عملکرد سلول به حفظ اختلاف ترکیب مایع داخل و خارج آن وابسته است. غشای سلولی با نفوذپذیری انتخابی و ناقل‌های خود این اختلاف را ایجاد می‌کند. جابه‌جایی یون‌ها در دو سوی غشا نیز پتانسیل الکتریکی می‌سازد و در سلول‌های تحریک‌پذیر، تغییر سریع این پتانسیل به صورت پتانسیل عمل منتشر می‌شود.
غشای سلولی از دولایه فسفولیپیدی و پروتئین‌های غشایی تشکیل شده است. بخش آب‌گریز دولایه، عبور یون‌ها و بیشتر مولکول‌های قطبی را محدود می‌کند؛ در مقابل، O₂ و CO₂ به‌راحتی از غشا منتشر می‌شوند. آب نیز از غشا عبور می‌کند، اما مسیر سریع آن کانال‌های آکواپورین (Aquaporin) است.
| ماده | نفوذ از دولایه خالص |
|---|---|
| O₂ و CO₂ | زیاد |
| آب | محدود |
| یون‌هایی مانند Na⁺ | بسیار ناچیز |
دولایه فسفولیپیدی کمترین نفوذپذیری را برای یون‌های باردار دارد و آکواپورین مسیر اختصاصی عبور آب است.
گلیکوکالیکس (Glycocalyx) از زنجیره‌های کربوهیدراتی متصل به پروتئین‌ها و لیپیدهای سطح سلول ساخته می‌شود و در شناسایی سلولی، چسبندگی و عملکرد برخی گیرنده‌ها نقش دارد.
اسمز حرکت خالص آب از غشای نیمه‌تراوا به سمت محلول دارای ذرات غیرقابل عبور بیشتر است. فشار اسمزی، حداقل فشار هیدروستاتیکی لازم برای متوقف‌کردن این حرکت خالص آب است.
فشار اسمزی فشاری است که جریان خالص اسمزی آب را متوقف می‌کند.
در انتشار ساده و انتشار تسهیل‌شده، ماده در جهت گرادیان الکتروشیمیایی حرکت می‌کند و ATP مستقیماً مصرف نمی‌شود. انتقال فعال اولیه مستقیماً از هیدرولیز ATP انرژی می‌گیرد؛ انتقال فعال ثانویه از انرژی گرادیان یونی، معمولاً گرادیان Na⁺، استفاده می‌کند.
| نوع انتقال | منبع انرژی | نمونه |
|---|---|---|
| انتشار ساده | گرادیان ماده | عبور O₂ از دولایه |
| انتشار تسهیل‌شده | گرادیان ماده | کانال یونی یا ناقل GLUT |
| فعال اولیه | مصرف مستقیم ATP | Na⁺/K⁺-ATPase و H⁺/K⁺-ATPase |
| فعال ثانویه | گرادیان یک یون | SGLT و مبادله‌گر Na⁺/H⁺ |
وجود ناقل به‌تنهایی انتقال را فعال نمی‌کند؛ انتشار تسهیل‌شده یک انتقال غیرفعال است.
پمپ Na⁺/K⁺-ATPase در هر چرخه با مصرف یک ATP، سه Na⁺ را از سلول خارج و دو K⁺ را وارد می‌کند. کار اصلی آن حفظ گرادیان سدیم و پتاسیم است؛ این گرادیان برای پتانسیل استراحت، تنظیم حجم سلول و انتقال فعال ثانویه ضرورت دارد.
H⁺/K⁺-ATPase سلول پاریتال معده و H⁺-ATPase بخش‌های انتهایی نفرون نمونه‌های انتقال فعال اولیه H⁺ هستند. مبادله‌گر Na⁺/H⁺ در مخاط روده ATP را مستقیماً مصرف نمی‌کند و انتقال فعال ثانویه محسوب می‌شود.
انتخاب‌پذیری کانال فقط به اندازه یون بستگی ندارد. در کانال K⁺، اکسیژن‌های کربونیلِ فیلتر انتخاب‌پذیری پس از جداشدن پوسته آب‌پوش، K⁺ را پایدار می‌کنند. Na⁺ با وجود اندازه کوچک‌تر، تطابق مناسبی با این فیلتر ندارد و به‌خوبی عبور نمی‌کند.
فیلتر انتخاب‌پذیری، نه اندازه ساده یون، علت عبور بسیار بیشتر K⁺ نسبت به Na⁺ از کانال پتاسیمی است.
پتانسیل تعادلی نرنست (Nernst equilibrium potential) ولتاژی است که در آن نیروی شیمیایی و الکتریکی وارد بر یک یون یکدیگر را خنثی می‌کنند. معادله نرنست این ولتاژ را برای یک یون منفرد محاسبه می‌کند.
| مفهوم | تعریف |
|---|---|
| Eion | پتانسیل تعادلی یک یون |
| Vm | پتانسیل واقعی غشا |
| Driving force | اختلاف Vm و Eion |
| Vm = Eion | جریان خالص آن یون صفر است |
اگر Vm و EK هر دو ۶۵- میلی‌ولت باشند، بازشدن کانال K⁺ جریان خالص پتاسیم ایجاد نمی‌کند.
تغییر ولتاژی که به آستانه پتانسیل عمل نرسد، پتانسیل موضعی یا زیرآستانه‌ای است. دامنه آن با شدت محرک تغییر می‌کند، قابل جمع‌شدن است و هنگام انتشار کاهش می‌یابد. پتانسیل پس‌سیناپسی تحریکی (EPSP) نیز یک پتانسیل موضعی دپلاریزان است.
| ویژگی | پتانسیل موضعی | پتانسیل عمل |
|---|---|---|
| دامنه | متغیر | همه یا هیچ |
| جمع‌شدن | دارد | ندارد |
| انتشار | تضعیف‌شونده | بدون کاهش دامنه |
| نیاز به آستانه | ندارد | دارد |
در نورون و عضله اسکلتی، رسیدن غشا به آستانه کانال‌های سدیمی وابسته به ولتاژ را فعال می‌کند. ورود سریع Na⁺ فاز دپلاریزاسیون را می‌سازد. سپس غیرفعال‌شدن کانال‌های Na⁺ و بازشدن تأخیری کانال‌های K⁺، رپلاریزاسیون را آغاز می‌کند.
| مرحله | رویداد غالب |
|---|---|
| استراحت | دریچه فعال‌سازی Na⁺ بسته و دریچه غیرفعال‌سازی باز است |
| فاز صعودی | کانال Na⁺ فعال و ورود Na⁺ زیاد است |
| قله | کانال Na⁺ غیرفعال و هدایت K⁺ رو به افزایش است |
| رپلاریزاسیون | خروج K⁺ غالب است |
| After-hyperpolarization | بسته‌شدن تأخیری کانال‌های K⁺ ادامه دارد |
بسته‌شدن آهسته کانال‌های K⁺ باعث می‌شود هدایت پتاسیم پس از رپلاریزاسیون مدتی بالا بماند و غشا به سمت EK حرکت کند. حاصل این وضعیت After-hyperpolarization است.
After-hyperpolarization عمدتاً از تداوم هدایت K⁺ ایجاد می‌شود.
