ช่องไอออนชนิดมีประตูควบคุมด้วยศักย์ไฟฟ้าและการเปลี่ยนแปลงสถานะการเปิด-ปิด

ช่องไอออนชนิดมีประตูควบคุมด้วยศักย์ไฟฟ้าเป็นโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ที่เปิดและปิดเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ ทำให้เกิดการนำไฟฟ้าแบบเลือกเฉพาะและเปลี่ยนแปลงตามเวลา ซึ่งสร้างศักย์กิจกรรม การเปลี่ยนแปลงสถานะการเปิด-ปิดของช่องไอออนเหล่านี้ ซึ่งหมายถึงความเร็วในการกระตุ้น การไม่ทำงาน และการฟื้นตัวตามหน้าที่ของศักย์ไฟฟ้า เป็นตัวกำหนดรูปร่าง เกณฑ์ และจังหวะของการส่งสัญญาณประสาท

Definition

ช่องไอออนชนิดมีประตูควบคุมด้วยศักย์ไฟฟ้าเป็นโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ที่เลือกเฉพาะไอออน ซึ่งความน่าจะเป็นในการเปิดขึ้นอยู่กับศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ จลนพลศาสตร์ของการเปลี่ยนแปลงสถานะการเปิด-ปิดของช่องไอออนเหล่านี้อธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงสถานะที่ขึ้นกับศักย์ไฟฟ้าและเวลา ระหว่างสถานะปิด เปิด และไม่ทำงาน ซึ่งทำให้เกิดกระแสไอออนของศักย์กิจกรรม

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมช่องไอออนชนิดมีประตูควบคุมด้วยศักย์ไฟฟ้าหลักของแอกซอน โดยเฉพาะช่องโซเดียมและโพแทสเซียม และจลนพลศาสตร์ของการเปลี่ยนแปลงสถานะการเปิด-ปิดของช่องไอออนเหล่านี้ ได้แก่ การกระตุ้น การไม่ทำงาน และการปิดการทำงาน หัวข้อนี้เชื่อมโยงการนำไฟฟ้าแบบมหภาคของแบบจำลอง Hodgkin-Huxley เข้ากับพฤติกรรมของช่องไอออนเดี่ยวและโครงสร้างของช่องไอออน และถือว่านี่เป็นสรีรวิทยาอ้างอิงมากกว่าคำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• ศักย์ไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ควบคุมการเปิดและปิดของช่องไอออนชนิดมีประตูควบคุมด้วยศักย์ไฟฟ้าได้อย่างไร?
• อะไรคือความแตกต่างระหว่างการกระตุ้น การไม่ทำงาน และการปิดการทำงาน และจลนพลศาสตร์ของสิ่งเหล่านี้กำหนดรูปร่างของศักย์กิจกรรมได้อย่างไร?
• การนำไฟฟ้าแบบมหภาคเกี่ยวข้องกับพฤติกรรมของช่องไอออนเดี่ยวอย่างไร?

Key concepts

• การกระตุ้น
• การไม่ทำงาน
• การปิดการทำงานและการฟื้นตัว
• การเลือกเฉพาะไอออน
• กระแสของช่องไอออนเดี่ยว
• ตัวรับรู้ศักย์ไฟฟ้า
• การนำไฟฟ้าแบบมหภาคเทียบกับการนำไฟฟ้าแบบจุลภาค

Key theories

แผนการเปลี่ยนแปลงสถานะการเปิด-ปิดของ Hodgkin-Huxley

คำอธิบายทางจลนพลศาสตร์ที่การนำไฟฟ้าของช่องโซเดียมขึ้นอยู่กับประตูการกระตุ้นที่รวดเร็วและประตูการไม่ทำงานที่ช้ากว่า และการนำไฟฟ้าของช่องโพแทสเซียมขึ้นอยู่กับประตูการกระตุ้น โดยแต่ละประตูแสดงด้วยค่าคงที่อัตราที่ขึ้นกับศักย์ไฟฟ้า

Mechanisms

ช่องไอออนชนิดมีประตูควบคุมด้วยศักย์ไฟฟ้าประกอบด้วยองค์ประกอบตรวจจับศักย์ไฟฟ้าที่มีประจุ ซึ่งเคลื่อนที่ภายในสนามเยื่อหุ้มเซลล์เมื่อศักย์ไฟฟ้าเปลี่ยนแปลง กระตุ้นการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่เปิดหรือปิดรูพรุน ช่องโซเดียมจะกระตุ้นอย่างรวดเร็วเมื่อเกิดการลดขั้ว และจากนั้นจะไม่ทำงานภายในไม่กี่มิลลิวินาที ซึ่งจำกัดการไหลเข้าของโซเดียม ช่องโพแทสเซียมจะกระตุ้นช้ากว่าและไม่มีการไม่ทำงานอย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยในการคืนขั้ว Hodgkin และ Huxley อนุมานจลนพลศาสตร์เหล่านี้จากกระแสไฟฟ้าแบบมหภาค เทคนิคแพตช์แคลมป์ในภายหลังของ Neher และ Sakmann ได้แยกแยะการเปิดของช่องไอออนเดี่ยว ซึ่งยืนยันว่าการนำไฟฟ้าแบบมหภาคสะท้อนถึงการเปลี่ยนแปลงสถานะการเปิด-ปิดแบบรวมและเชิงความน่าจะเป็นของช่องไอออนจำนวนมาก โครงสร้างผลึกของช่องโพแทสเซียมและโซเดียมในเวลาต่อมาได้เปิดเผยตัวกรองการเลือกเฉพาะและสถาปัตยกรรมที่เป็นพื้นฐานของการนำไฟฟ้าแบบเลือกเฉพาะและขึ้นกับศักย์ไฟฟ้า

Clinical relevance

ช่องไอออนชนิดมีประตูควบคุมด้วยศักย์ไฟฟ้าเป็นเป้าหมายของยาชาเฉพาะที่และยาต้านโรคลมชักและยาต้านภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะหลายชนิด และการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมในยีนของช่องไอออนเหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงความสามารถในการกระตุ้น ข้อมูลนี้อธิบายโครงสร้างของช่องไอออนและการเปลี่ยนแปลงสถานะการเปิด-ปิดว่าเป็นสรีรวิทยาปกติ และไม่ใช่แนวทางในการเลือกยาหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

คำอธิบายทางจลนพลศาสตร์อาศัยการบันทึกแบบ voltage-clamp และ single-channel และภาพโครงสร้างอาศัยการศึกษาทางผลึกศาสตร์ของช่องโพแทสเซียมและโซเดียม สิ่งเหล่านี้เป็นการศึกษาเชิงกลไกและโครงสร้าง ไม่ใช่แนวทางทางคลินิก

History

จลนพลศาสตร์ของการเปลี่ยนแปลงสถานะการเปิด-ปิดของช่องไอออนถูกอนุมานครั้งแรกโดยอ้อมจากกระแสไอออนแบบมหภาคที่ Hodgkin และ Huxley วัดได้ในปี 1952 การพัฒนาแพตช์แคลมป์ของ Neher และ Sakmann ในปี 1976 ทำให้กระแสของช่องไอออนเดี่ยวสามารถสังเกตได้โดยตรง และโครงสร้างความละเอียดสูงของช่องโพแทสเซียม (1998) และโซเดียม (2011) ในเวลาต่อมาได้เชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงสถานะการเปิด-ปิดและการเลือกเฉพาะเข้ากับสถาปัตยกรรมระดับโมเลกุล

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• Erwin Neher
• Bert Sakmann
• Roderick MacKinnon
• William Catterall

Seminal works

• hodgkin-huxley-1952
• neher-sakmann-1976
• doyle-1998
• payandeh-2011

Frequently asked questions

การที่ช่องไอออนเป็นแบบมีประตูควบคุมด้วยศักย์ไฟฟ้าหมายความว่าอย่างไร?

ความน่าจะเป็นในการเปิดของช่องไอออนขึ้นอยู่กับศักย์เยื่อหุ้มเซลล์: ตัวรับรู้ศักย์ไฟฟ้าที่มีประจุในโปรตีนจะเคลื่อนที่เมื่อศักย์ไฟฟ้าเปลี่ยนแปลง ทำให้ช่องไอออนเปลี่ยนระหว่างสถานะปิด เปิด และไม่ทำงาน

ความแตกต่างระหว่างการไม่ทำงาน (inactivation) และการปิดการทำงาน (deactivation) คืออะไร?

การไม่ทำงานคือสถานะแยกต่างหากที่ไม่นำไฟฟ้าซึ่งช่องไอออนเข้าสู่ขณะที่ยังคงมีการลดขั้ว (เช่นในช่องโซเดียม) ในขณะที่การปิดการทำงานคือการปิดประตูการกระตุ้นอย่างง่ายเมื่อเยื่อหุ้มเซลล์กลับคืนสู่ขั้ว