กลไกการขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์

กลไกการขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์คือกระบวนการที่ไอออนและโมเลกุลเคลื่อนที่ผ่านชั้นไขมันสองชั้นของเยื่อหุ้มพลาสมาและเยื่อหุ้มภายในเซลล์ เนื่องจากชั้นไขมันสองชั้นส่วนใหญ่ไม่สามารถซึมผ่านสารละลายที่มีประจุและมีขั้วได้ เซลล์จึงอาศัยกลไกที่หลากหลาย — ตั้งแต่การแพร่แบบธรรมดาผ่านไขมันไปจนถึงช่องทางพิเศษ ตัวพา และปั๊มที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงาน — เพื่อควบคุมองค์ประกอบภายในของเซลล์

Definition

การขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์คือการเคลื่อนที่ของสารละลายผ่านเยื่อหุ้มชีวภาพ ซึ่งเกิดขึ้นได้ทั้งแบบไม่ใช้พลังงานตามความชันทางเคมีไฟฟ้า หรือแบบใช้พลังงานต้านความชันโดยใช้พลังงานเมตาบอลิซึมหรือความชันของไอออนที่ควบคู่กัน

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมการขนส่งแบบไม่ใช้พลังงาน (การแพร่แบบธรรมดาและการแพร่แบบอำนวยความสะดวก) และการขนส่งแบบใช้พลังงาน (ปั๊มปฐมภูมิและการขนส่งแบบควบคู่ทุติยภูมิ) ประเภทของโปรตีนที่ทำหน้าที่เป็นตัวกลาง (ช่องทาง ตัวพา และปั๊ม) และความชันทางเคมีไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ของสารละลาย เนื้อหานี้ถือว่าการขนส่งเป็นหัวข้ออ้างอิงในชีววิทยาของเซลล์และสรีรวิทยาของเยื่อหุ้มเซลล์ ไม่ใช่แนวทางทางคลินิก

Core questions

• เหตุใดไอออนและโมเลกุลมีขั้วส่วนใหญ่จึงไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านชั้นไขมันสองชั้นได้โดยลำพัง?
• ช่องทางและตัวพาแตกต่างกันอย่างไรในการเคลื่อนย้ายสารละลาย?
• แหล่งพลังงานใดที่ช่วยให้เกิดการขนส่งต้านความชัน?
• ความชันทางไฟฟ้าและเคมีรวมกันอย่างไรเพื่อกำหนดแรงขับเคลื่อน?

Key concepts

• การซึมผ่านแบบเลือกสรร
• การแพร่แบบธรรมดาและการแพร่แบบอำนวยความสะดวก
• ช่องไอออน
• โปรตีนตัวพา (transporter)
• การขนส่งแบบใช้พลังงานปฐมภูมิ (ปั๊มที่ขับเคลื่อนด้วย ATP)
• การขนส่งแบบใช้พลังงานทุติยภูมิ (ซิมพอร์ตและแอนติพอร์ต)
• ความชันทางเคมีไฟฟ้าและศักย์เยื่อหุ้มเซลล์

Key theories

แบบจำลองฟลูอิดโมเสก

โปรตีนขนส่งเป็นโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์แบบอินทิกรัลที่ฝังอยู่ในชั้นไขมันสองชั้นที่เป็นของเหลว ซึ่งเป็นภาพโครงสร้างที่อธิบายว่าช่องทาง ตัวพา และปั๊มครอบคลุมและทำงานภายในเยื่อหุ้มเซลล์ได้อย่างไร

แรงขับเคลื่อนทางเคมีไฟฟ้า (กรอบงานของ Goldman)

แรงสุทธิบนไอออนรวมความชันของความเข้มข้นและศักย์เยื่อหุ้มเซลล์; การศึกษาศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ของ Goldman ในฐานะฟังก์ชันของไอออนที่ซึมผ่านได้หลายชนิดได้จัดระเบียบอย่างเป็นทางการว่าคำศัพท์เหล่านี้ร่วมกันกำหนดการไหลแบบไม่ใช้พลังงานได้อย่างไร

Mechanisms

ก๊าซที่ละลายในไขมันและโมเลกุลขนาดเล็กที่ไม่มีประจุจะเคลื่อนที่ผ่านชั้นไขมันสองชั้นโดยการแพร่แบบธรรมดา แต่ไอออนและสารละลายมีขั้วต้องอาศัยโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ ช่องทางจะสร้างรูพรุนที่เป็นน้ำซึ่งช่วยให้เกิดการไหลอย่างรวดเร็วและเลือกสรรตามความชันทางเคมีไฟฟ้า และอาจเปิดหรือปิดเพื่อตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าหรือลิแกนด์; ตัวพาจะจับกับสารละลายและเปลี่ยนรูปร่าง ทำให้เคลื่อนที่ช้าลง เส้นทางแบบไม่ใช้พลังงานเหล่านี้จะเคลื่อนย้ายสารละลายไปสู่สมดุลเท่านั้น การขนส่งแบบใช้พลังงานจะเคลื่อนย้ายสารละลายต้านความชัน: ปั๊มปฐมภูมิจะไฮโดรไลซ์ ATP ในขณะที่ตัวขนส่งทุติยภูมิจะเชื่อมโยงการเคลื่อนที่ขึ้นเนินของสารละลายหนึ่งเข้ากับการเคลื่อนที่ลงเนินของสารละลายอื่น (ซิมพอร์ตหรือแอนติพอร์ต) แรงขับเคลื่อนของสารละลายที่มีประจุคือความชันทางเคมีไฟฟ้า — ผลรวมของความชันของความเข้มข้นและแรงดันไฟฟ้าข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ — ความสัมพันธ์นี้ได้รับการจัดระเบียบอย่างเป็นทางการในการวิเคราะห์ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ของ Goldman และแรงดันไฟฟ้าเองก็สามารถรับรู้ได้โดยโดเมนโปรตีนพิเศษที่ควบคุมช่องทาง

Clinical relevance

การขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เป็นพื้นฐานของกระบวนการทางสรีรวิทยา เช่น การกระตุ้นของเส้นประสาทและกล้ามเนื้อ การดูดซึมและการหลั่งของเยื่อบุผิว และการควบคุมปริมาตรเซลล์ และความผิดปกติทางพันธุกรรมและที่เกิดขึ้นภายหลังหลายอย่างเกี่ยวข้องกับการทำงานของช่องทางหรือตัวขนส่งที่เปลี่ยนแปลงไป เนื้อหานี้อธิบายกลไกการขนส่งเพื่อการปฐมนิเทศและการอ้างอิง และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

แนวคิดของเยื่อหุ้มเซลล์ที่เป็นชั้นไขมันสองชั้นได้พัฒนาไปสู่ภาพที่มีโปรตีนสูงด้วยแบบจำลองฟลูอิดโมเสกในปี 1972 ในขณะที่ชีวฟิสิกส์ของเยื่อหุ้มเซลล์เชิงปริมาณได้ก้าวหน้าไปก่อนหน้านี้จากงานวิจัยเช่นการศึกษาศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ของ Goldman ในปี 1943 ยุคโมเลกุลได้ไขความกระจ่างว่าส่วนที่อยู่ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ได้รับการจดจำและแทรกเข้าไปในเยื่อหุ้มเซลล์ได้อย่างไร และโดเมนที่รับรู้แรงดันไฟฟ้าทำงานอย่างไร เปลี่ยนประเภทการขนส่งที่กว้างๆ ให้เป็นกลไกโปรตีนที่ชัดเจน

Key figures

• David E. Goldman
• S. Jonathan Singer
• Gunnar von Heijne
• Francisco Bezanilla

Seminal works

• singer-nicolson-1972
• goldman-1943

Frequently asked questions

การขนส่งแบบไม่ใช้พลังงานและการขนส่งแบบใช้พลังงานแตกต่างกันอย่างไร?

การขนส่งแบบไม่ใช้พลังงานจะเคลื่อนย้ายสารละลายตามความชันทางเคมีไฟฟ้าโดยไม่ใช้พลังงานเมตาบอลิซึม ผ่านการแพร่ ช่องทาง หรือตัวพา; การขนส่งแบบใช้พลังงานจะเคลื่อนย้ายสารละลายต้านความชันและต้องใช้พลังงาน ไม่ว่าจะจาก ATP (ปฐมภูมิ) หรือจากความชันของไอออนที่ควบคู่กัน (ทุติยภูมิ)

ช่องทางแตกต่างจากตัวพาอย่างไร?

ช่องทางจะสร้างรูพรุนที่เปิดอยู่ซึ่งนำสารละลายได้อย่างรวดเร็วและเลือกสรรตามความชัน มักจะเปิดหรือปิด; ตัวพาจะจับกับสารละลายและเปลี่ยนรูปร่างเพื่อขนส่งข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ช้าลง และสามารถเชื่อมโยงเพื่อขับเคลื่อนการขนส่งแบบใช้พลังงานได้