ชีวฟิสิกส์ของเยื่อหุ้มเซลล์และช่องไอออน

ฟิสิกส์ของชั้นไขมันสองชั้นและช่องไอออนและตัวขนส่งที่ฝังอยู่ในนั้น และการที่การซึมผ่านแบบเลือกสรรของพวกมันทำให้เกิดการส่งสัญญาณไฟฟ้าข้ามเยื่อหุ้มเซลล์

Definition

ชีวฟิสิกส์ของเยื่อหุ้มเซลล์และช่องไอออนคือการศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพของเยื่อหุ้มชีวภาพและโปรตีนที่เคลื่อนย้ายไอออนและโมเลกุลข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งรวมถึงการซึมผ่านแบบเลือกสรร การเปิดปิด พลังงานของการขนส่ง และความสามารถในการกระตุ้นด้วยไฟฟ้า

Scope

สาขาวิชานี้ครอบคลุมคุณสมบัติทางกลและไฟฟ้าของเยื่อหุ้มชีวภาพ โครงสร้างและการทำงานของช่องไอออน พลังงานของการขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ และศักย์เยื่อหุ้มเซลล์และพลวัตของมัน โดยถือว่าชั้นไขมันสองชั้นเป็นวัสดุทางกายภาพและช่องไอออนเป็นอุปกรณ์ที่การซึมผ่านและการเปิดปิดเป็นไปตามหลักการทางฟิสิกส์ ในขณะที่ปล่อยให้ประสาทสรีรวิทยาและเภสัชวิทยาในระดับสิ่งมีชีวิตเป็นหน้าที่ของสาขาอื่น

Sub-topics

• สรีรวิทยาไฟฟ้าและศักย์เยื่อหุ้มเซลล์
• การเปิด-ปิดและการซึมผ่านของช่องไอออน
• กลศาสตร์ของลิพิดไบเลเยอร์
• พลังงานจลน์ของการขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์

Core questions

• คุณสมบัติทางกายภาพใดที่ทำให้ชั้นไขมันสองชั้นมีพฤติกรรมทางกลและไฟฟ้าเช่นนั้น?
• ช่องไอออนนำไอออนได้อย่างรวดเร็วแต่เลือกไอออนได้อย่างไร?
• แหล่งพลังงานใดที่ขับเคลื่อนการขนส่งต้านความชันของความเข้มข้น?
• ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์เกิดขึ้นและเปลี่ยนแปลงได้อย่างไรในระหว่างการส่งสัญญาณไฟฟ้า?

Key theories

แบบจำลอง Hodgkin–Huxley ของความสามารถในการกระตุ้น

ศักย์กิจกรรมถูกสร้างขึ้นใหม่เชิงปริมาณโดยการนำไฟฟ้าของโซเดียมและโพแทสเซียมที่ขึ้นกับแรงดันไฟฟ้าและเวลาซึ่งทำงานข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ที่มีคุณสมบัติเป็นตัวเก็บประจุ ซึ่งถูกกำหนดเป็นชุดของสมการเชิงอนุพันธ์ที่เชื่อมโยงกัน

การซึมผ่านแบบเลือกสรรผ่านรูพรุนที่มีโครงสร้าง

การเลือกสรรไอออนเกิดจากตัวกรองแคบๆ ที่ประสานไอออนเป้าหมายกับอะตอมที่จัดวางอย่างแม่นยำ ดังที่เปิดเผยโดยโครงสร้างของช่องโพแทสเซียม ดังนั้นการนำไฟฟ้าและการเลือกสรรจึงอธิบายได้ด้วยสถาปัตยกรรมของรูพรุน

Mechanisms

ชั้นไขมันสองชั้นมีพฤติกรรมเหมือนแผ่นบางๆ ที่เป็นของเหลว มีคุณสมบัติเป็นตัวเก็บประจุ และเกือบจะซึมผ่านไอออนไม่ได้ ดังนั้นกระแสไฟฟ้าข้ามเยื่อหุ้มเซลล์จึงไหลผ่านโปรตีนเท่านั้น ช่องไอออนเป็นทางเดินของน้ำที่ตัวกรองการเลือกสรรและประตูควบคุมว่าจะให้ไอออนใดผ่านและเมื่อใด ในขณะที่ตัวขนส่งใช้รอบการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่ขับเคลื่อนด้วยความชันของความเข้มข้นหรือ ATP เพื่อเคลื่อนย้ายสารละลายต้านความชันของความเข้มข้น เนื่องจากเยื่อหุ้มเซลล์แยกประจุ การไหลของไอออนจึงเปลี่ยนศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ และช่องไอออนที่ขึ้นกับแรงดันไฟฟ้าจะเชื่อมโยงศักย์นั้นกลับไปกับการเปิดปิดของพวกมันเอง ทำให้เกิดสัญญาณไฟฟ้าที่สร้างขึ้นใหม่ได้

Clinical relevance

ช่องไอออนและตัวขนส่งเป็นเป้าหมายหลักของยาและเป็นพื้นฐานของสรีรวิทยาของเซลล์ที่ตื่นตัวได้ ดังนั้นชีวฟิสิกส์ในที่นี้จึงเป็นรากฐานทางการศึกษาเพื่อทำความเข้าใจโรคที่เกี่ยวกับช่องไอออน (channelopathies) และเภสัชวิทยาทางระบบประสาท ซึ่งนำเสนอในเชิงพรรณนามากกว่าเป็นแนวทางทางคลินิก

History

การศึกษาการจับแรงดันไฟฟ้า (voltage-clamp) ของ Hodgkin และ Huxley ในช่วงต้นทศวรรษ 1950 ได้ให้ทฤษฎีเชิงปริมาณของการกระตุ้นเส้นประสาท การบันทึกช่องไอออนเดี่ยว (single-channel recording) โดย Neher และ Sakmann ได้เปิดเผยพฤติกรรมที่ไม่ต่อเนื่องของช่องไอออนแต่ละช่อง และโครงสร้างช่องไอออนของ MacKinnon ในทศวรรษ 1990 ได้เชื่อมโยงการซึมผ่านและการเลือกสรรเข้ากับสถาปัตยกรรมระดับโมเลกุล

Key figures

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

Seminal works

• hodgkin1952
• doyle1998
• hille2001

Frequently asked questions

ทำไมไอออนถึงไม่สามารถข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ได้โดยตรง?

ส่วนภายในที่เป็นไฮโดรโฟบิกของชั้นไขมันสองชั้นนั้นไม่เอื้ออำนวยต่อไอออนที่มีประจุอย่างมากในเชิงพลังงาน ดังนั้นพวกมันจึงข้ามผ่านโปรตีนช่องไอออนและโปรตีนขนส่งเกือบทั้งหมด

ช่องไอออนสามารถทำงานได้ทั้งเร็วและเลือกสรรได้อย่างไร?

ตัวกรองการเลือกสรรที่เรียงรายด้วยอะตอมที่จัดวางอย่างแม่นยำจะเข้ามาแทนที่น้ำที่ปกติล้อมรอบไอออน ทำให้ไอออนที่ต้องการมีความเสถียรเพียงพอที่จะผ่านไปได้อย่างรวดเร็วในขณะที่กีดกันไอออนอื่น