การส่งสัญญาณของตัวรับแรงกลและช่องสัญญาณที่กระตุ้นด้วยการยืด

การส่งสัญญาณของตัวรับแรงกลเป็นกระบวนการที่เซลล์ตัวรับแปลงแรงกลต่างๆ เช่น การสัมผัส, แรงกด, การยืด, การสั่นสะเทือน และเสียง ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า หัวใจสำคัญของกระบวนการนี้คือช่องไอออนที่เปิดปิดด้วยกลไก ซึ่งจะเปิดออกเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่างหรือความตึงของเยื่อหุ้มเซลล์ ทำให้ไอออนไหลผ่านและสร้างศักย์ตัวรับ หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงวิธีการทำงานของช่องสัญญาณเหล่านี้ เซลล์ที่ใช้ช่องสัญญาณเหล่านี้ และวิธีที่สัญญาณที่เกิดขึ้นเริ่มต้นข้อความทางประสาทสัมผัส

Definition

การส่งสัญญาณของตัวรับแรงกลคือการแปลงสิ่งเร้าทางกลให้เป็นศักย์ตัวรับไฟฟ้า โดยมีช่องไอออนที่เปิดปิดด้วยกลไกเป็นตัวกลาง ซึ่งความน่าจะเป็นในการเปิดของช่องสัญญาณจะเปลี่ยนแปลงไปตามความตึงหรือการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเยื่อหุ้มเซลล์

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมพื้นฐานระดับโมเลกุลของการส่งสัญญาณแรงกล (ช่องสัญญาณที่เปิดปิดด้วยกลไก เช่น ตระกูล Piezo และช่องสัญญาณการส่งสัญญาณของเซลล์ขน), ชีวฟิสิกส์แบบดั้งเดิมของการแปลงแรงกลเป็นไฟฟ้าในตัวรับสัมผัส และคุณสมบัติทั่วไปที่แยกแยะตัวรับแรงกลที่ปรับตัวเร็วและปรับตัวช้า นี่เป็นหัวข้ออ้างอิงในสรีรวิทยาทางประสาทสัมผัสและไม่มีคำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• แรงกลทำให้ช่องไอออนเปิดได้อย่างไร?
• ช่องสัญญาณโมเลกุลใดที่นำกระแสการส่งสัญญาณแรงกล?
• ตัวรับสัมผัส, ตัวรับรู้อากัปกิริยา และตัวรับการได้ยิน แตกต่างกันอย่างไรในการใช้การส่งสัญญาณแรงกล?
• ความเร็วของสิ่งเร้าทางกลสะท้อนในการตอบสนองของตัวรับอย่างไร?

Key concepts

• ช่องไอออนที่เปิดปิดด้วยกลไก (mechanosensitive)
• ความตึงของเยื่อหุ้มเซลล์และการเปิดปิดด้วยแรงจากไขมัน
• แบบจำลองการเปิดปิดแบบยึดโยง
• ช่อง Piezo (Piezo1, Piezo2)
• สเตอริโอซิเลียของเซลล์ขนและสปริงควบคุมการเปิดปิด
• Pacinian corpuscle และศักย์ตัวรับ
• ตัวรับแรงกลที่ปรับตัวเร็วเทียบกับตัวรับแรงกลที่ปรับตัวช้า

Mechanisms

สิ่งเร้าทางกลทำให้เยื่อหุ้มเซลล์ตัวรับและโครงสร้างที่ยึดติดกับมันเปลี่ยนรูป เพิ่มความน่าจะเป็นในการเปิดของช่องแคทไอออนที่เปิดปิดด้วยกลไก และสร้างกระแสไหลเข้าที่ทำให้เซลล์เกิดการลดขั้ว ซึ่งก็คือศักย์ตัวรับ Loewenstein และ Rathkamp ได้ระบุตำแหน่งของการแปลงแรงกลเป็นไฟฟ้าในส่วนปลายประสาทภายใน Pacinian corpuscle โดยแสดงให้เห็นว่าแคปซูลที่เป็นชั้นๆ มีผลต่อรูปแบบของสิ่งเร้าทางกล เซ็นเซอร์ระดับโมเลกุลจะแตกต่างกันไปตามเนื้อเยื่อ: Coste และคณะได้ระบุโปรตีน Piezo1 และ Piezo2 ว่าเป็นหน่วยย่อยที่สร้างรูพรุนของช่องแคทไอออนที่กระตุ้นด้วยกลไกในเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ในขณะที่ในเซลล์ขนของระบบการได้ยินและการทรงตัว การเบี่ยงเบนของกลุ่มสเตอริโอซิเลียจะทำให้ทิปลิงก์เกิดความตึง ซึ่งเป็นตัวควบคุมช่องสัญญาณการส่งสัญญาณ ดังที่ Fettiplace ได้ทบทวนไว้ งานวิจัยก่อนหน้านี้ในสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง เช่น การระบุช่องสัญญาณรับความรู้สึกทางกลของแมลงหวี่โดย Walker และคณะ ได้ช่วยยืนยันว่าโปรตีนช่องสัญญาณเฉพาะเป็นพื้นฐานของการสัมผัสและการได้ยิน

Clinical relevance

การส่งสัญญาณแรงกลเป็นพื้นฐานของการสัมผัส, การรับรู้อากัปกิริยา, การได้ยิน และการทรงตัว และเซ็นเซอร์ระดับโมเลกุลที่เกี่ยวข้องมีความสำคัญต่อความเข้าใจความผิดปกติทางประสาทสัมผัสและระบบการทรงตัว รวมถึงการออกแบบอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ประสาทหูเทียม เนื้อหานี้อธิบายกลไกปกติเพื่อการอ้างอิงทางการศึกษาและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา

Evidence & guidelines

ข้อมูลนี้อ้างอิงจากการศึกษาทางสรีรวิทยาไฟฟ้าแบบดั้งเดิมของตัวรับแรงกลที่ระบุได้ และจากการระบุระดับโมเลกุลของช่องสัญญาณที่กระตุ้นด้วยกลไก รวมถึงตระกูล Piezo และกลไกการส่งสัญญาณของเซลล์ขน สิ่งเหล่านี้เป็นผลการวิจัยเชิงกลไก ไม่ได้หมายถึงแนวทางปฏิบัติทางคลินิกใดๆ

History

การศึกษาทางชีวฟิสิกส์ของการส่งสัญญาณแรงกลเริ่มต้นขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ด้วยงานวิจัยเกี่ยวกับ Pacinian corpuscle ซึ่งมีการระบุลักษณะของศักย์ตัวรับและความสัมพันธ์กับปลายประสาทที่ถูกห่อหุ้ม การระบุเซ็นเซอร์ระดับโมเลกุลเกิดขึ้นในภายหลัง: ช่องสัญญาณรับความรู้สึกทางกลของแมลงหวี่ได้รับการอธิบายในปี 2000 และช่อง Piezo ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมได้รับการระบุในปี 2010 ซึ่งเป็นส่วนประกอบระดับโมเลกุลที่ค้นหามานานของกระแสที่กระตุ้นด้วยกลไก และได้รวมเอาสรีรวิทยาหลายทศวรรษเข้ากับกรอบงานระดับโมเลกุล

Debates

ช่องสัญญาณที่เปิดปิดด้วยกลไกเปิดออกด้วยแรงได้อย่างไร?

แบบจำลองหลักสองแบบ — การเปิดปิดโดยตรงด้วยความตึงในชั้นไขมัน (force-from-lipid) เทียบกับการเปิดปิดผ่านตัวยึดที่เชื่อมช่องสัญญาณกับโครงสร้างไซโตสเกเลตันหรือโครงสร้างนอกเซลล์ — ถูกนำมาใช้อธิบายตัวรับแรงกลที่แตกต่างกัน และการมีส่วนร่วมสัมพัทธ์ของแต่ละแบบยังคงเป็นคำถามที่กำลังมีการศึกษาอยู่

Key figures

• Werner Loewenstein
• Ardem Patapoutian
• Bertrand Coste
• Robert Fettiplace
• Charles Zuker

Seminal works

• loewenstein-1958
• walker-2000
• coste-2010
• fettiplace-2017

Frequently asked questions

ช่องสัญญาณที่กระตุ้นด้วยการยืด (เปิดปิดด้วยกลไก) คืออะไร?

เป็นช่องไอออนที่ความน่าจะเป็นในการเปิดเพิ่มขึ้นเมื่อเยื่อหุ้มเซลล์ถูกยืดหรือเปลี่ยนรูป ซึ่งจะแปลงแรงกลให้เป็นกระแสไอออนิกและเป็นสัญญาณไฟฟ้าในเซลล์ตัวรับ

ช่องสัญญาณเดียวกันนี้ใช้สำหรับการสัมผัสและการได้ยินหรือไม่?

ทั้งสองอาศัยช่องสัญญาณที่เปิดปิดด้วยกลไก แต่ส่วนประกอบระดับโมเลกุลแตกต่างกัน: ช่อง Piezo เป็นหัวใจสำคัญของการตอบสนองต่อการสัมผัสและแรงกดหลายอย่าง ในขณะที่เซลล์ขนของระบบการได้ยินและการทรงตัวใช้ช่องสัญญาณการส่งสัญญาณของเซลล์ขนที่แตกต่างกัน ซึ่งถูกควบคุมโดยทิปลิงก์ของสเตอริโอซิเลีย