ช่องไอออนและศักย์เยื่อหุ้มเซลล์

การส่งสัญญาณไฟฟ้าของเซลล์ประสาทเริ่มต้นด้วยศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งเป็นความต่างศักย์ไฟฟ้าคร่อมเยื่อหุ้มเซลล์ และด้วยช่องไอออนที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของไอออนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ ช่องไอออนจะกำหนดศักย์พักและสร้างศักย์กิจกรรม โดยการยอมให้ไอออน เช่น โซเดียม โพแทสเซียม และแคลเซียม ไหลผ่านอย่างเลือกสรร และโดยการเปิดและปิดเพื่อตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าหรือลิแกนด์ หัวข้อนี้สำรวจพื้นฐานไอออนของการเร้าได้ของเซลล์ประสาท

Definition

ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์คือแรงดันไฟฟ้าคร่อมเยื่อหุ้มเซลล์ที่เกิดจากการกระจายตัวของไอออนที่ไม่เท่ากันและการซึมผ่านที่เลือกสรรได้ ช่องไอออนคือโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ที่นำไอออนจำเพาะ และโดยการเปิดและปิด จะสร้างศักย์พักและศักย์กิจกรรม

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ขณะพักและพื้นฐานไอออน โครงสร้างและการเลือกผ่านของช่องไอออน ช่องที่เปิดปิดด้วยแรงดันไฟฟ้าและลิแกนด์ และกลไกไอออนของศักย์กิจกรรมตามที่ Hodgkin และ Huxley อธิบายไว้ เป็นการสำรวจอ้างอิงกลไกทางชีวฟิสิกส์และไม่ได้ให้คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• อะไรเป็นตัวกำหนดศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ขณะพักของเซลล์ประสาท?
• ช่องไอออนเลือกและนำไอออนจำเพาะได้อย่างไร?
• ช่องที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าสร้างศักย์กิจกรรมได้อย่างไร?
• ช่องที่ควบคุมด้วยลิแกนด์และช่องที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าแตกต่างกันอย่างไรในสิ่งที่ทำให้มันเปิด?

Key concepts

• ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ขณะพัก
• การไล่ระดับไอออนและการซึมผ่านที่เลือกสรรได้
• ช่องโซเดียมและโพแทสเซียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า
• ตัวกรองการเลือกผ่านของช่องไอออน
• ช่องที่ควบคุมด้วยลิแกนด์
• เกณฑ์ศักย์กิจกรรมและการแพร่กระจาย

Key theories

ทฤษฎีไอออนของศักย์กิจกรรม

Hodgkin และ Huxley ได้ให้คำอธิบายเชิงปริมาณที่แสดงให้เห็นว่าศักย์กิจกรรมเกิดจากการเปลี่ยนแปลงที่ขึ้นกับแรงดันไฟฟ้าในการซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์ต่อโซเดียมและโพแทสเซียม โดยกำหนดการเร้าได้ของเซลล์ประสาทในเชิงคณิตศาสตร์

Mechanisms

ในขณะพัก ปั๊มไอออนจะรักษาระดับความเข้มข้น และเยื่อหุ้มเซลล์จะซึมผ่านได้แบบเลือกสรร โดยหลักคือโพแทสเซียม ซึ่งทำให้เกิดศักย์พักที่เป็นลบ การลดขั้วที่ถึงเกณฑ์จะเปิดช่องโซเดียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า ซึ่งกระแสไหลเข้าอย่างรวดเร็วจะขับเคลื่อนระยะเพิ่มขึ้นของศักย์กิจกรรม การปิดใช้งานช่องโซเดียมในภายหลังและการเปิดช่องโพแทสเซียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าจะทำให้เยื่อหุ้มเซลล์กลับสู่ขั้วเดิม ซึ่งเป็นพลวัตที่ Hodgkin และ Huxley ได้ทำการวัดปริมาณไว้ การเลือกผ่านของช่องสำหรับไอออนเฉพาะจะถูกกำหนดโดยโครงสร้างรูพรุนของช่อง Doyle และคณะได้เปิดเผยว่าตัวกรองการเลือกผ่านช่วยให้ช่องโพแทสเซียมสามารถนำโพแทสเซียมได้ในขณะที่กีดกันโซเดียมได้อย่างไร ในทางตรงกันข้าม ช่องที่ควบคุมด้วยลิแกนด์จะเปิดเพื่อตอบสนองต่อการจับของสารสื่อประสาทมากกว่าแรงดันไฟฟ้า

Clinical relevance

ความผิดปกติของช่องไอออนเป็นสาเหตุของกลุ่มอาการที่ส่งผลต่อเส้นประสาทและกล้ามเนื้อ และยาและสารพิษหลายชนิดออกฤทธิ์โดยการปรับเปลี่ยนการทำงานของช่อง ดังนั้นชีวฟิสิกส์ในหัวข้อนี้จึงเป็นพื้นฐานสำหรับการทำความเข้าใจความผิดปกติของการเร้าได้และเภสัชวิทยาประสาท ข้อมูลนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา

Evidence & guidelines

หัวข้อนี้มีพื้นฐานมาจากชีวฟิสิกส์และชีววิทยาโครงสร้างมากกว่าแนวทางทางคลินิก โดยอ้างอิงจากการวิเคราะห์การเร้าได้ของ Hodgkin-Huxley การศึกษาโครงสร้างของการเลือกผ่านของช่อง และเอกสารอ้างอิงมาตรฐานเกี่ยวกับช่องไอออน

History

พื้นฐานไอออนของศักย์กิจกรรมได้รับการยืนยันโดยการทดลองของ Hodgkin และ Huxley ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 บนเซลล์ประสาทขนาดใหญ่ของปลาหมึก ซึ่งนำไปสู่แบบจำลองเชิงปริมาณของการเร้าได้ วิธีการ voltage-clamp และ patch-clamp ในภายหลังได้ระบุลักษณะกระแสของช่องแต่ละช่อง และโครงสร้างระดับอะตอม ซึ่งเริ่มต้นด้วยช่องโพแทสเซียม ได้อธิบายว่าช่องต่างๆ บรรลุการเลือกผ่านไอออนได้อย่างไร โดยบูรณาการสรีรวิทยาเข้ากับโครงสร้างโมเลกุล

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• Roderick MacKinnon
• Bertil Hille

Seminal works

• hodgkin-huxley-1952
• doyle-1998

Frequently asked questions

ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ขณะพักคืออะไร?

คือความต่างศักย์ไฟฟ้าคงที่คร่อมเยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์ประสาทเมื่อไม่ได้ส่งสัญญาณ ซึ่งเกิดจากการไล่ระดับความเข้มข้นของไอออนและการซึมผ่านที่เลือกสรรได้ของเยื่อหุ้มเซลล์ โดยหลักคือโพแทสเซียม และโดยทั่วไปจะเป็นลบภายในเมื่อเทียบกับภายนอก

ช่องที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าสร้างศักย์กิจกรรมได้อย่างไร?

เมื่อเยื่อหุ้มเซลล์ลดขั้วถึงเกณฑ์ ช่องโซเดียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าจะเปิดและปล่อยให้โซเดียมไหลเข้าอย่างรวดเร็วเพื่อสร้างสไปค์ จากนั้นช่องเหล่านี้จะปิดใช้งานในขณะที่ช่องโพแทสเซียมเปิดเพื่อฟื้นฟูศักย์พักที่เป็นลบ