พลังงานจลน์ของการขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์

อุณหพลศาสตร์ของการเคลื่อนย้ายตัวถูกละลายข้ามเยื่อหุ้มเซลล์—ตามความชันของศักย์ไฟฟ้าเคมีผ่านช่องทาง หรือต้านทานความชันโดยใช้ปั๊มและตัวขนส่งแบบคู่

Definition

พลังงานจลน์ของการขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์คือการวิเคราะห์ทางอุณหพลศาสตร์ของการเคลื่อนที่ของตัวถูกละลายข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ในแง่ของความชันของศักย์ไฟฟ้าเคมีและแหล่งพลังงานอิสระที่ขับเคลื่อนการขนส่งขึ้นเนิน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการบันทึกพลังงานของการขนส่งข้ามเยื่อหุ้มเซลล์: ศักย์ไฟฟ้าเคมีที่รวมความเข้มข้นและแรงดันไฟฟ้า, การแพร่ไฟฟ้าแบบพาสซีฟผ่านช่องทาง, และการขนส่งแบบแอคทีฟปฐมภูมิและทุติยภูมิที่เคลื่อนย้ายตัวถูกละลายขึ้นเนิน นอกจากนี้ยังกล่าวถึงศักย์สมดุล (Nernst), คำอธิบายกระแสไฟฟ้าแบบสนามคงที่, และวิธีการที่ปั๊มเชื่อมโยงการขนส่งเข้ากับแหล่งพลังงานอิสระ โดยละเว้นการเปิดปิดช่องทางและศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ระดับระบบไว้ในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• ศักย์ไฟฟ้าเคมีคืออะไร และเมื่อใดที่ตัวถูกละลายอยู่ในสมดุลข้ามเยื่อหุ้มเซลล์?
• การไหลแบบพาสซีฟผ่านช่องทางขึ้นอยู่กับความเข้มข้นและแรงดันไฟฟ้าอย่างไร?
• ปั๊มเคลื่อนย้ายตัวถูกละลายต้านความชันได้อย่างไร และมีค่าใช้จ่ายด้านพลังงานเท่าใด?
• การขนส่งแบบแอคทีฟทุติยภูมิยืมพลังงานจากความชันที่มีอยู่ได้อย่างไร?

Key theories

สมดุลไฟฟ้าเคมีและศักย์ Nernst

ไอออนจะอยู่ในสมดุลข้ามเยื่อหุ้มเซลล์เมื่อแรงดันไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์สมดุลกับความชันของความเข้มข้นอย่างสมบูรณ์ ซึ่งกำหนดโดยศักย์ Nernst; การไหลสุทธิจะเกิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าจริงแตกต่างจากค่านี้เท่านั้น

การแพร่ไฟฟ้าแบบสนามคงที่

การวิเคราะห์สนามคงที่ของ Goldman จำลองการไหลของไอออนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เป็นการแพร่ในสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ ซึ่งให้ความสัมพันธ์ระหว่างกระแส-แรงดันไฟฟ้าและศักย์พักที่กำหนดโดยไอออนที่ซึมผ่านได้หลายชนิด

Mechanisms

ตัวถูกละลายแต่ละชนิดมีศักย์ไฟฟ้าเคมีที่รวมพจน์ความเข้มข้น และสำหรับไอออน พลังงานไฟฟ้าของแรงดันไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ การขนส่งแบบพาสซีฟจะเคลื่อนย้ายตัวถูกละลายลงตามความชันนี้และหยุดที่สมดุล ช่องทางช่วยให้เกิดการแพร่ไฟฟ้าดังกล่าว ซึ่งอธิบายได้ดีสำหรับไอออนหลายชนิดด้วยแบบจำลองสนามคงที่ ในการเคลื่อนย้ายตัวถูกละลายขึ้นเนิน ตัวขนส่งแบบแอคทีฟปฐมภูมิจะไฮโดรไลซ์ ATP (หรือใช้แสงหรือพลังงานรีดอกซ์) เพื่อขับเคลื่อนวัฏจักรการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง ในขณะที่ตัวขนส่งแบบแอคทีฟทุติยภูมิจะเชื่อมโยงการเคลื่อนที่ขึ้นเนินของตัวถูกละลายชนิดหนึ่งเข้ากับการไหลลงเนินของตัวถูกละลายอีกชนิดหนึ่ง โดยใช้ความชันที่เก็บไว้แทนที่จะใช้ ATP โดยตรง

Clinical relevance

พลังงานจลน์ของการขนส่งเป็นพื้นฐานของการรักษาสมดุลไอออนในเซลล์ การดูดซึมสารอาหาร และการทำงานของยาที่มุ่งเป้าไปที่การขนส่ง ซึ่งให้ความรู้พื้นฐานทางสรีรวิทยามากกว่าการสั่งยาทางคลินิก

History

ความสัมพันธ์สมดุลของ Nernst และทฤษฎีสนามคงที่ของ Goldman ในปี 1943 ได้วัดปริมาณการเคลื่อนที่ของไอออนแบบพาสซีฟ ในขณะที่การค้นพบโซเดียม-โพแทสเซียม ATPase ของ Skou ในช่วงปลายทศวรรษ 1950 ได้ระบุปั๊มโมเลกุลที่รักษาสมดุลที่การไหลแบบพาสซีฟเหล่านี้ใช้ไป

Key figures

• David Goldman
• Walther Nernst
• Jens Christian Skou

Seminal works

• goldman1943
• hille2001

Frequently asked questions

ความชันของศักย์ไฟฟ้าเคมีคืออะไร?

เป็นแรงขับเคลื่อนรวมของไอออนจากทั้งความแตกต่างของความเข้มข้นข้ามเยื่อหุ้มเซลล์และแรงดันไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์; การขนส่งมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนย้ายไอออนลงตามความชันรวมนี้

การขนส่งแบบแอคทีฟแตกต่างจากช่องทางอย่างไร?

ช่องทางช่วยให้ตัวถูกละลายไหลแบบพาสซีฟลงตามความชันของมัน ในขณะที่การขนส่งแบบแอคทีฟใช้พลังงาน—โดยตรงจาก ATP หรือยืมมาจากความชันอื่น—เพื่อเคลื่อนย้ายตัวถูกละลายต้านความชันของมัน