Dẫn truyền cơ học thụ cảm và các kênh kích hoạt do kéo giãn

Dẫn truyền cơ học thụ cảm là quá trình các tế bào thụ thể chuyển đổi các lực cơ học — chạm, áp lực, kéo giãn, rung động và âm thanh — thành tín hiệu điện. Cốt lõi của quá trình này là các kênh ion cổng cơ học mở ra để đáp ứng với sự biến dạng hoặc sức căng của màng, cho phép các ion chảy qua và tạo ra điện thế thụ thể. Chủ đề này bao gồm cách các kênh này hoạt động, các tế bào sử dụng chúng và cách tín hiệu tạo ra bắt đầu một thông điệp cảm giác.

Definition

Dẫn truyền cơ học thụ cảm là sự chuyển đổi một kích thích cơ học thành điện thế thụ thể điện, được trung gian bởi các kênh ion cổng cơ học có xác suất mở thay đổi theo sức căng hoặc biến dạng của màng.

Scope

Mục này bao gồm cơ sở phân tử của dẫn truyền cơ học (các kênh cổng cơ học như họ Piezo và kênh dẫn truyền tế bào lông), vật lý sinh học cổ điển của chuyển đổi cơ-điện trong các thụ thể xúc giác và các đặc điểm chung phân biệt các cơ thụ thể thích nghi nhanh và thích nghi chậm. Đây là một chủ đề tham khảo trong sinh lý học cảm giác và không đưa ra hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Làm thế nào một lực cơ học mở một kênh ion?
• Những kênh phân tử nào mang dòng điện dẫn truyền cơ học?
• Các thụ thể xúc giác, cảm thụ bản thể và thính giác khác nhau như thế nào trong việc sử dụng dẫn truyền cơ học?
• Tốc độ của kích thích cơ học được phản ánh như thế nào trong phản ứng của thụ thể?

Key concepts

• Các kênh ion cổng cơ học (cơ học nhạy cảm)
• Sức căng màng và cơ chế cổng lực từ lipid
• Các mô hình cổng neo giữ
• Các kênh Piezo (Piezo1, Piezo2)
• Lông nổi của tế bào lông và lò xo cổng
• Tiểu thể Pacini và điện thế thụ thể
• Các cơ thụ thể thích nghi nhanh so với thích nghi chậm

Mechanisms

Một kích thích cơ học làm biến dạng màng thụ thể và các cấu trúc gắn liền với nó, làm tăng xác suất mở của các kênh cation cổng cơ học và tạo ra dòng điện đi vào làm khử cực tế bào — điện thế thụ thể. Loewenstein và Rathkamp đã định vị sự chuyển đổi cơ-điện này tại đầu dây thần kinh trong tiểu thể Pacini, cho thấy rằng vỏ bọc nhiều lớp định hình đầu vào cơ học. Các cảm biến phân tử khác nhau tùy theo mô: Coste và các đồng nghiệp đã xác định protein Piezo1 và Piezo2 là các tiểu đơn vị tạo lỗ của các kênh cation được kích hoạt cơ học trong các tế bào động vật có vú, trong khi ở các tế bào lông thính giác và tiền đình, sự lệch của bó lông nổi làm căng các liên kết đầu lông (tip links) điều khiển kênh dẫn truyền, như đã được Fettiplace tổng quan. Công trình trước đây trên động vật không xương sống, chẳng hạn như việc Walker và các đồng nghiệp xác định một kênh cơ học cảm giác ở Drosophila, đã giúp thiết lập rằng các protein kênh chuyên biệt là nền tảng của xúc giác và thính giác.

Clinical relevance

Dẫn truyền cơ học là nền tảng của xúc giác, cảm thụ bản thể, thính giác và thăng bằng, và các cảm biến phân tử liên quan có ý nghĩa trong việc tìm hiểu các rối loạn cảm giác và tiền đình cũng như thiết kế các thiết bị như cấy ghép ốc tai. Mục này mô tả các cơ chế bình thường để tham khảo giáo dục và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị.

Evidence & guidelines

Bài viết dựa trên điện sinh lý học cổ điển của các cơ thụ thể đã được xác định và trên sự nhận dạng phân tử của các kênh được kích hoạt cơ học, bao gồm họ Piezo và bộ máy dẫn truyền tế bào lông. Đây là những phát hiện nghiên cứu cơ chế; không có hướng dẫn lâm sàng nào được ngụ ý.

History

Nghiên cứu vật lý sinh học về dẫn truyền cơ học bắt đầu với công trình giữa thế kỷ 20 về tiểu thể Pacini, nơi điện thế thụ thể và mối quan hệ của nó với đầu dây thần kinh được bao bọc đã được mô tả. Việc xác định các cảm biến phân tử đến sau: một kênh cơ học cảm giác ở Drosophila được mô tả vào năm 2000, và các kênh Piezo ở động vật có vú được xác định vào năm 2010, cung cấp các thành phần phân tử được tìm kiếm từ lâu của các dòng điện được kích hoạt cơ học và tích hợp hàng thập kỷ sinh lý học vào một khuôn khổ phân tử.

Debates

Các kênh cổng cơ học được mở bằng lực như thế nào?

Hai mô hình rộng — cổng trực tiếp bằng sức căng trong lớp lipid kép (lực từ lipid) so với cổng thông qua các sợi neo giữ liên kết kênh với cấu trúc tế bào hoặc ngoại bào — được sử dụng để giải thích các cơ thụ thể khác nhau, và sự đóng góp tương đối của mỗi mô hình vẫn là một câu hỏi đang được nghiên cứu.

Key figures

• Werner Loewenstein
• Ardem Patapoutian
• Bertrand Coste
• Robert Fettiplace
• Charles Zuker

Seminal works

• loewenstein-1958
• walker-2000
• coste-2010
• fettiplace-2017

Frequently asked questions

Kênh kích hoạt do kéo giãn (cổng cơ học) là gì?

Đó là một kênh ion có xác suất mở tăng lên khi màng bị kéo giãn hoặc biến dạng, chuyển đổi một lực cơ học thành dòng ion và do đó là một tín hiệu điện trong tế bào thụ thể.

Các kênh giống nhau có được sử dụng cho xúc giác và thính giác không?

Cả hai đều dựa vào các kênh cổng cơ học, nhưng các thành phần phân tử khác nhau: các kênh Piezo là trung tâm của nhiều phản ứng xúc giác và áp lực, trong khi các tế bào lông thính giác và tiền đình sử dụng một kênh dẫn truyền tế bào lông riêng biệt được điều khiển bởi các liên kết đầu lông của lông nổi.