ศักยะงานและช่องไอออน

ศักยะงานของหัวใจคือการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวของศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ที่บ่งบอกถึงกิจกรรมทางไฟฟ้าของเซลล์หัวใจ ซึ่งเกิดจากการเปิดและปิดของช่องไอออนที่จำเพาะต่อโซเดียม แคลเซียม และโพแทสเซียม ลักษณะเฉพาะของศักยะงานหัวใจที่มีช่วงราบยาว ซึ่งเกิดจากความสมดุลของกระแสเข้าและออก ทำให้เซลล์หัวใจแตกต่างจากเซลล์ประสาท และเป็นพื้นฐานของการดื้อต่อการกระตุ้นที่ยาวนานของหัวใจ

Definition

ศักยะงานหัวใจคือการเปลี่ยนแปลงศักย์ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ที่เป็นแบบแผนและสามารถสร้างขึ้นใหม่ได้ ซึ่งเกิดจากการไหลของไอออนที่ขึ้นกับเวลาและศักย์ไฟฟ้าผ่านช่องไอออนที่จำเพาะ และแพร่กระจายการกระตุ้นผ่านเนื้อเยื่อหัวใจ; ช่องไอออนคือโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ที่มีการซึมผ่านที่ถูกควบคุมสำหรับไอออนจำเพาะ ซึ่งสร้างกระแสเหล่านี้ขึ้นมา

Scope

บทความนี้ครอบคลุมถึงระยะต่างๆ ของศักยะงานหัวใจ, กระแสไอออนหลักและช่องไอออนที่กำหนดรูปร่างของศักยะงาน, แนวคิดของการดื้อต่อการกระตุ้น, และความแตกต่างของคุณสมบัติศักยะงานระหว่างเซลล์ชนิดต่างๆ ในหัวใจ โดยถือว่าสิ่งเหล่านี้เป็นหัวข้อทางสรีรวิทยา ไม่ใช่แนวทางปฏิบัติทางคลินิกเกี่ยวกับภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะหรือผลกระทบของยา

Core questions

• ระยะต่างๆ ของศักยะงานหัวใจมีอะไรบ้าง?
• กระแสไอออนใดบ้างที่กำหนดรูปร่างของการลดขั้ว ช่วงราบ และการคืนขั้ว?
• เหตุใดศักยะงานหัวใจจึงยาวนานกว่าศักยะงานของเส้นประสาทมาก?
• การดื้อต่อการกระตุ้นคืออะไรและเหตุใดจึงมีความสำคัญ?

Key concepts

• ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ขณะพัก
• การลดขั้ว (ระยะที่ 0)
• ระยะราบ
• การคืนขั้ว
• กระแสโซเดียม แคลเซียม และโพแทสเซียม
• ช่องไอออนที่ควบคุมด้วยศักย์ไฟฟ้า
• ช่วงดื้อต่อการกระตุ้นสัมบูรณ์และสัมพัทธ์
• จุดกระตุ้นและการตอบสนองแบบ All-or-none

Key theories

ทฤษฎีไอออนิก (Hodgkin-Huxley) ของการกระตุ้น

ศักยะงานถูกอธิบายโดยการเปลี่ยนแปลงการนำไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ต่อไอออนแต่ละชนิดที่ขึ้นกับศักย์ไฟฟ้าและเวลา; กรอบแนวคิดเชิงปริมาณนี้ เดิมทีพัฒนาขึ้นสำหรับเส้นประสาท เป็นพื้นฐานสำหรับการอธิบายศักยะงานหัวใจว่าเป็นผลรวมของกระแสไอออนที่แตกต่างกัน

Mechanisms

ในเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจห้องล่างที่ทำงานอยู่ ศักยะงานจะถูกแบ่งออกเป็นระยะต่างๆ โดยทั่วไป การลดขั้วอย่างรวดเร็ว (ระยะที่ 0) เกิดจากกระแสโซเดียมเข้าขนาดใหญ่และรวดเร็วเมื่อถึงจุดกระตุ้น การคืนขั้วเริ่มต้นสั้นๆ (ระยะที่ 1) สะท้อนถึงกระแสโพแทสเซียมออกชั่วคราว ช่วงราบ (ระยะที่ 2) ซึ่งเป็นลักษณะเด่นของเซลล์หัวใจ เกิดจากความสมดุลระหว่างกระแสแคลเซียมชนิด L-type ที่เข้าอย่างต่อเนื่องและกระแสโพแทสเซียมออก ซึ่งทำให้ศักยะงานยาวนานขึ้น การคืนขั้ว (ระยะที่ 3) เกิดขึ้นเมื่อกระแสโพแทสเซียมมีอิทธิพลเหนือกว่าและกระแสแคลเซียมลดลง ทำให้เยื่อหุ้มเซลล์กลับสู่ศักย์พัก (ระยะที่ 4) ซึ่งถูกทำให้คงที่โดยกระแสโพแทสเซียมแบบ inward-rectifier เนื่องจากช่องโซเดียมจะฟื้นตัวจากการไม่ทำงานหลังจากมีการคืนขั้วเท่านั้น เซลล์จึงดื้อต่อการกระตุ้นเป็นส่วนใหญ่ของศักยะงาน ซึ่งป้องกันการกระตุ้นซ้ำก่อนเวลาอันควรและการหดเกร็งแบบเททานัส; เอกลักษณ์ระดับโมเลกุลและจลนพลศาสตร์ของช่องไอออนที่เกี่ยวข้องเป็นตัวกำหนดการคืนขั้วและการดื้อต่อการกระตุ้น

Clinical relevance

รูปร่างของศักยะงานและช่องไอออนที่สร้างขึ้นเป็นพื้นฐานทางสรีรวิทยาสำหรับการทำความเข้าใจความผิดปกติของการคืนขั้วและการทำงานของสารที่ปรับเปลี่ยนกระแสไอออน บทความนี้อธิบายสรีรวิทยาไฟฟ้าของเซลล์ปกติและเป็นข้อมูลพื้นฐานทางการศึกษา ไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

รากฐานทางแนวคิดคือคำอธิบายของ Hodgkin-Huxley เกี่ยวกับศักยะงานของเส้นประสาทในปี 1952 ซึ่งแสดงการกระตุ้นเป็นการนำไอออนที่ขึ้นกับศักย์ไฟฟ้าและเวลา หลักการเหล่านี้ถูกนำมาใช้กับเซลล์หัวใจในภายหลัง ซึ่งมีการระบุลักษณะของช่วงราบที่ยาวนานและชุดของกระแสไอออนที่หลากหลายมากขึ้น และการโคลนระดับโมเลกุลในที่สุดก็เชื่อมโยงโปรตีนช่องไอออนเฉพาะเข้ากับแต่ละกระแสที่กำหนดรูปร่างของการคืนขั้วของหัวใจ

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• Jeanne Nerbonne
• Robert Kass
• Denis Noble

Seminal works

• hodgkin-huxley-1952
• nerbonne-kass-2005

Frequently asked questions

เหตุใดศักยะงานหัวใจจึงมีช่วงราบ?

ช่วงราบสะท้อนถึงความสมดุลที่ยั่งยืนระหว่างกระแสแคลเซียมเข้าและกระแสโพแทสเซียมออก ซึ่งทำให้การลดขั้วยาวนานกว่าศักยะงานของเส้นประสาทมาก และมีส่วนทำให้ช่วงดื้อต่อการกระตุ้นของหัวใจยาวนาน

การดื้อต่อการกระตุ้นทำหน้าที่อะไร?

ในช่วงดื้อต่อการกระตุ้น เซลล์ไม่สามารถถูกกระตุ้นซ้ำได้เนื่องจากช่องโซเดียมยังไม่ฟื้นตัวจากการไม่ทำงาน ซึ่งป้องกันการเต้นก่อนเวลาอันควรและการหดเกร็งแบบเททานัสของกล้ามเนื้อหัวใจ