การเชื่อมโยงการกระตุ้นกับการหดตัว

การเชื่อมโยงการกระตุ้นกับการหดตัว (Excitation-contraction coupling) เป็นกระบวนการที่เชื่อมโยงศักยะไฟฟ้าของการกระตุ้นของเซลล์หัวใจเข้ากับการหดตัวทางกลไก ในกล้ามเนื้อหัวใจ ตัวกลางสำคัญคือแคลเซียม: การลดขั้วของเยื่อหุ้มเซลล์ทำให้แคลเซียมจำนวนเล็กน้อยผ่านเข้าสู่เซลล์ ซึ่งกระตุ้นการหลั่งแคลเซียมจำนวนมากจากร่างแหซาร์โคพลาซึม (sarcoplasmic reticulum) และการเพิ่มขึ้นของแคลเซียมภายในเซลล์นี้จะกระตุ้นกลไกการหดตัว

Definition

การเชื่อมโยงการกระตุ้นกับการหดตัวในหัวใจคือลำดับของเหตุการณ์ที่ศักยะไฟฟ้าของการกระตุ้นหัวใจกระตุ้นให้แคลเซียมภายในเซลล์เพิ่มขึ้น ซึ่งจะกระตุ้นโปรตีนที่หดตัวได้ โดยหลักแล้วผ่านการเข้าของแคลเซียมทางช่องแคลเซียมชนิด L ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียมจากร่างแหซาร์โคพลาซึม

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมลำดับเหตุการณ์ตั้งแต่การลดขั้วของเยื่อหุ้มเซลล์ไปจนถึงการกระตุ้นไมโอฟิลาเมนต์ บทบาทสำคัญของการหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียม โครงสร้างที่เกี่ยวข้อง (ทิวบูลที, ช่องแคลเซียมชนิด L, ตัวรับไรยาโนดีน, ร่างแหซาร์โคพลาซึม) และกลไกที่ฟื้นฟูแคลเซียมสำหรับการคลายตัว เป็นข้อมูลอ้างอิงทางสรีรวิทยาและไม่ได้กล่าวถึงความผิดปกติของการหดตัวในเชิงคลินิก

Core questions

• ศักยะไฟฟ้าของการกระตุ้นนำไปสู่การหดตัวของกล้ามเนื้อได้อย่างไร?
• การหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียมคืออะไร?
• โครงสร้างและโปรตีนใดที่นำสัญญาณแคลเซียม?
• แคลเซียมถูกกำจัดออกไปอย่างไรเพื่อให้เซลล์สามารถคลายตัวได้?

Key concepts

• การหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียม
• ช่องแคลเซียมชนิด L
• ตัวรับไรยาโนดีน
• ร่างแหซาร์โคพลาซึมและแหล่งเก็บแคลเซียม
• ทิวบูลทีและช่องว่างไดแอติก
• การดูดซึมแคลเซียมกลับโดย SERCA
• ตัวแลกเปลี่ยนโซเดียม-แคลเซียม
• การเปลี่ยนแปลงของแคลเซียม

Key theories

การหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียม

การไหลเข้าของแคลเซียมจำนวนเล็กน้อยผ่านช่องแคลเซียมชนิด L ในระหว่างศักยะไฟฟ้าของการกระตุ้นจะกระตุ้นให้เกิดการหลั่งแคลเซียมจำนวนมากจากร่างแหซาร์โคพลาซึมผ่านตัวรับไรยาโนดีน ซึ่งเป็นการขยายสัญญาณที่กระตุ้นการหดตัว

Mechanisms

เมื่อศักยะไฟฟ้าของการกระตุ้นทำให้เยื่อหุ้มเซลล์ลดขั้ว ช่องแคลเซียมชนิด L ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าในทิวบูลทีจะเปิดออกและยอมให้กระแสแคลเซียมไหลเข้าเล็กน้อย ในช่องว่างไดแอติกที่แคบ แคลเซียมที่กระตุ้นนี้จะกระตุ้นตัวรับไรยาโนดีนบนร่างแหซาร์โคพลาซึมที่อยู่ติดกัน ซึ่งจะปล่อยแคลเซียมที่เก็บไว้จำนวนมากเข้าสู่ไซโตซอล กระบวนการนี้เรียกว่าการหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียม การเปลี่ยนแปลงของแคลเซียมที่เกิดขึ้นทำให้แคลเซียมสามารถจับกับโทรโปนินซีบนเส้นใยบาง ทำให้ยับยั้งการทำงานและอนุญาตให้เกิดการหมุนเวียนของสะพานเชื่อมแอคติน-ไมโอซินและการหดตัว การคลายตัวจะตามมาเมื่อแคลเซียมถูกกำจัดออกจากไซโตซอล: ส่วนใหญ่จะถูกปั๊มกลับเข้าไปในร่างแหซาร์โคพลาซึมโดยปั๊ม SERCA ในขณะที่ส่วนที่เหลือจะถูกขับออกนอกเยื่อหุ้มเซลล์โดยหลักผ่านตัวแลกเปลี่ยนโซเดียม-แคลเซียม ซึ่งจะฟื้นฟูระดับแคลเซียมที่ต่ำในขณะพักสำหรับการเต้นครั้งต่อไป ปริมาณแคลเซียมที่หลั่งออกมา และด้วยเหตุนี้ความแข็งแรงของการหดตัว สามารถปรับเปลี่ยนได้ ซึ่งเชื่อมโยงกิจกรรมทางไฟฟ้าเข้ากับผลลัพธ์ทางกลไกที่ปรับระดับได้

Clinical relevance

ขั้นตอนการจัดการแคลเซียมของการเชื่อมโยงการกระตุ้นกับการหดตัวเป็นพื้นฐานทางสรีรวิทยาของการหดตัวของหัวใจและเป็นกรอบแนวคิดสำหรับการทำความเข้าใจว่าแรงหดตัวถูกควบคุมอย่างไร เนื้อหานี้อธิบายสรีรวิทยาของเซลล์ปกติและเป็นพื้นฐานทางการศึกษา ไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

แนวคิดที่ว่าแคลเซียมที่หลั่งออกมาภายในเซลล์เชื่อมโยงการกระตุ้นกับการหดตัวได้พัฒนาขึ้นตลอดสรีรวิทยาของกล้ามเนื้อในศตวรรษที่ยี่สิบ และแนวคิดเฉพาะของการหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียมได้รับการยอมรับสำหรับกล้ามเนื้อหัวใจว่าเป็นกลไกที่ขยายการไหลเข้าของแคลเซียมที่กระตุ้นเพียงเล็กน้อย งานวิจัยต่อมาได้รวมช่องแคลเซียมชนิด L, ตัวรับไรยาโนดีน, ร่างแหซาร์โคพลาซึม และเส้นทางการกำจัดแคลเซียมเข้าไว้ในการอธิบายที่เป็นมาตรฐานในปัจจุบันซึ่งสรุปไว้ในบทความทบทวนสมัยใหม่

Key figures

• Donald Bers
• David Eisner
• Andrew Trafford
• Edward Lakatta

Seminal works

• bers-2002
• eisner-2017

Frequently asked questions

การหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียมคืออะไร?

เป็นกระบวนการที่แคลเซียมจำนวนเล็กน้อยที่เข้าสู่เซลล์ผ่านช่องชนิด L ในระหว่างศักยะไฟฟ้าของการกระตุ้นจะกระตุ้นตัวรับไรยาโนดีนให้ปล่อยแคลเซียมที่เก็บไว้จำนวนมากจากร่างแหซาร์โคพลาซึม ซึ่งจะกระตุ้นการหดตัว

เซลล์คลายตัวหลังจากการหดตัวได้อย่างไร?

แคลเซียมจะถูกกำจัดออกจากไซโตซอล โดยส่วนใหญ่จะถูกปั๊มกลับเข้าไปในร่างแหซาร์โคพลาซึมโดยปั๊ม SERCA และบางส่วนถูกขับออกโดยตัวแลกเปลี่ยนโซเดียม-แคลเซียม เพื่อให้แคลเซียมไม่สามารถกระตุ้นโปรตีนที่หดตัวได้อีกต่อไป