การเปิด-ปิดและการซึมผ่านของช่องไอออน

ช่องไอออนเปิดและปิดอย่างไรเพื่อตอบสนองต่อสิ่งกระตุ้น (การเปิด-ปิด) และเมื่อเปิดแล้ว ช่องไอออนจะนำไอออนจำเพาะผ่านรูพรุนแคบๆ ได้อย่างรวดเร็วได้อย่างไร (การซึมผ่าน)

Definition

การเปิด-ปิด คือการเปลี่ยนโครงสร้างของช่องสัญญาณระหว่างสถานะเปิดและปิด; การซึมผ่าน คือการเคลื่อนที่ของไอออนผ่านช่องสัญญาณที่เปิดอยู่ ซึ่งถูกควบคุมโดยตัวกรองการเลือกเฉพาะและแรงขับเคลื่อนทางเคมีไฟฟ้า

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมพฤติกรรมหลักสองประการของช่องไอออน: การเปิด-ปิด ซึ่งเป็นการสลับแบบสุ่มระหว่างสถานะนำไฟฟ้าและไม่นำไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้า ลิแกนด์ หรือแรงกล; และการซึมผ่าน ซึ่งเป็นการผ่านของไอออนแบบเลือกเฉพาะและมีอัตราการไหลสูงผ่านรูพรุนที่เปิดอยู่ หัวข้อนี้จะกล่าวถึงการสังเกตการณ์ช่องเดี่ยว โครงสร้างพื้นฐานของการเลือกเฉพาะ และแบบจำลองทางกายภาพของการนำไฟฟ้า ในขณะที่พลวัตของศักย์เยื่อหุ้มเซลล์และการปั๊มจะถูกกล่าวถึงในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• สิ่งกระตุ้นใดที่ทำให้ช่องเปิดและปิด และเหตุใดการเปิด-ปิดจึงปรากฏเป็นแบบสุ่มในระดับช่องเดี่ยว?
• ช่องสัญญาณสามารถเลือกไอออนชนิดหนึ่งได้อย่างเข้มข้นในขณะที่นำไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็วได้อย่างไร?
• โครงสร้างพื้นฐานของตัวกรองการเลือกเฉพาะคืออะไร?
• กระแสไฟฟ้าช่องเดี่ยวเผยให้เห็นพฤติกรรมของช่องสัญญาณได้อย่างไร?

Key theories

การเลือกเฉพาะโดยการประสานงานที่แม่นยำ

โครงสร้างช่องโพแทสเซียมแสดงให้เห็นตัวกรองที่มีออกซิเจนคาร์บอนิลของโครงสร้างหลักเลียนแบบเปลือกไฮเดรชั่นของไอออนที่ต้องการ ดังนั้นไอออนนั้นจึงถูกนำไฟฟ้าในขณะที่ไอออนขนาดเล็กกว่า ซึ่งตัวกรองไม่สามารถประสานงานได้ดีเท่า จะถูกกีดกัน

การเปิด-ปิดช่องเดี่ยวแบบสุ่ม

การบันทึกแบบแพทช์-แคลมป์แสดงให้เห็นว่าช่องสัญญาณแต่ละช่องจะกระโดดอย่างกะทันหันระหว่างระดับเปิดและปิดที่ไม่ต่อเนื่อง ดังนั้นกระแสไฟฟ้ามหภาคจึงเป็นผลรวมทางสถิติของการเปลี่ยนแปลงช่องเดี่ยวแบบสุ่มจำนวนมาก

Mechanisms

การเปิด-ปิดจะเชื่อมโยงสิ่งกระตุ้น—แรงดันไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ที่กระทำต่อเซ็นเซอร์แรงดันไฟฟ้าที่มีประจุ การจับของลิแกนด์ หรือความตึงของเยื่อหุ้มเซลล์—กับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่เปิดหรือปิดทางเดินนำไฟฟ้า และเนื่องจากพลังงานความร้อนขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ จึงปรากฏเป็นการเปิดและปิดแบบสุ่มที่มีขนาดคงที่ การซึมผ่านผ่านรูพรุนที่เปิดอยู่เป็นไปอย่างรวดเร็ว เนื่องจากตัวกรองการเลือกเฉพาะจะแทนที่เปลือกไฮเดรชั่นของไอออนด้วยอะตอมประสานงานที่จัดวางอย่างแม่นยำ ซึ่งช่วยลดอุปสรรคพลังงานสำหรับไอออนที่ต้องการในขณะที่กีดกันไอออนอื่น ๆ; การไหลสุทธิถูกกำหนดโดยแรงขับเคลื่อนทางเคมีไฟฟ้าข้ามเยื่อหุ้มเซลล์

Clinical relevance

การกลายพันธุ์ที่เปลี่ยนแปลงการเปิด-ปิดหรือการซึมผ่านทำให้เกิดโรคช่องสัญญาณ (channelopathies) และยาและสารพิษหลายชนิดออกฤทธิ์โดยการจับกับช่องสัญญาณ ดังนั้นกลไกเหล่านี้จึงเป็นพื้นฐานทางการศึกษาสำหรับเภสัชวิทยาและพยาธิสรีรวิทยาเหล่านั้นมากกว่าคำแนะนำทางคลินิก

History

การนำไฟฟ้าแบบมหภาคที่ Hodgkin และ Huxley อนุมานได้ถูกแยกออกเป็นเหตุการณ์ที่ไม่ต่อเนื่องโดยการบันทึกแบบแพทช์-แคลมป์ของ Neher และ Sakmann ในทศวรรษ 1970 และโครงสร้างอะตอมของช่องโพแทสเซียมที่ MacKinnon ค้นพบในปี 1998 ได้อธิบายการเลือกเฉพาะและการนำไฟฟ้าในเชิงโครงสร้างในที่สุด

Key figures

• Bertil Hille
• Erwin Neher
• Bert Sakmann
• Roderick MacKinnon

Seminal works

• doyle1998
• neher1976

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างการเปิด-ปิดและการซึมผ่านคืออะไร?

การเปิด-ปิดคือการที่ช่องสัญญาณเปิดหรือปิด; การซึมผ่านคือการที่ไอออนไหลเมื่อช่องสัญญาณเปิด ช่องสัญญาณต้องเปิดก่อนจึงจะเกิดการซึมผ่านได้

ช่องสัญญาณสามารถแยกโพแทสเซียมออกจากโซเดียมได้อย่างไร?

ตัวกรองการเลือกเฉพาะของมันจะประสานงานกับไอออนโพแทสเซียมที่มีขนาดใหญ่กว่าได้เกือบเท่ากับที่น้ำทำ แต่ไม่สามารถรองรับไอออนโซเดียมที่มีขนาดเล็กกว่าได้อย่างพอดี ดังนั้นโพแทสเซียมจึงผ่านได้ง่ายกว่ามาก