Kênh ion cổng điện thế và động học đóng mở cổng

Kênh ion cổng điện thế là các protein màng mở và đóng để đáp ứng với những thay đổi về điện thế màng, cung cấp các độ dẫn điện chọn lọc, thay đổi theo thời gian tạo ra điện thế hoạt động. Động học đóng mở cổng của chúng, tức là tốc độ chúng kích hoạt, bất hoạt và phục hồi theo chức năng của điện áp, thiết lập hình dạng, ngưỡng và thời gian của tín hiệu thần kinh.

Definition

Kênh ion cổng điện thế là các protein màng chọn lọc ion có xác suất mở phụ thuộc vào điện thế màng; động học đóng mở cổng của chúng mô tả các chuyển đổi phụ thuộc điện thế và thời gian giữa các trạng thái đóng, mở và bất hoạt tạo ra dòng ion của điện thế hoạt động.

Scope

Chủ đề này bao gồm các kênh cổng điện thế chính của sợi trục, chủ yếu là kênh natri và kali, và động học đóng mở cổng của chúng: kích hoạt, bất hoạt và khử hoạt. Nó liên kết độ dẫn điện vĩ mô của mô hình Hodgkin-Huxley với hành vi kênh đơn và cấu trúc kênh, và coi đây là sinh lý học tham chiếu chứ không phải hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Điện thế màng kiểm soát việc mở và đóng của kênh cổng điện thế như thế nào?
• Điều gì phân biệt kích hoạt, bất hoạt và khử hoạt, và động học của chúng định hình điện thế hoạt động như thế nào?
• Độ dẫn điện vĩ mô liên quan đến hành vi của các kênh đơn như thế nào?

Key concepts

• Kích hoạt
• Bất hoạt
• Khử hoạt và phục hồi
• Tính chọn lọc ion
• Dòng kênh đơn
• Cảm biến điện thế
• Độ dẫn điện vĩ mô so với vi mô

Key theories

Sơ đồ đóng mở cổng Hodgkin-Huxley

Mô tả động học trong đó độ dẫn điện của kênh natri phụ thuộc vào các cổng kích hoạt nhanh và bất hoạt chậm hơn, và độ dẫn điện của kênh kali phụ thuộc vào các cổng kích hoạt, mỗi cổng được biểu thị bằng các hằng số tốc độ phụ thuộc điện thế.

Mechanisms

Một kênh cổng điện thế chứa các yếu tố cảm biến điện thế tích điện di chuyển trong trường màng khi điện thế thay đổi, kích hoạt các chuyển đổi cấu hình mở hoặc đóng lỗ. Kênh natri kích hoạt nhanh chóng khi khử cực và sau đó bất hoạt trong vòng vài mili giây, hạn chế dòng natri đi vào; kênh kali kích hoạt chậm hơn và không có bất hoạt nhanh, hỗ trợ tái phân cực. Hodgkin và Huxley đã suy ra động học này từ các dòng điện vĩ mô; kỹ thuật kẹp mảng (patch-clamp) sau này của Neher và Sakmann đã giải quyết các lỗ mở đơn vị của các kênh đơn, xác nhận rằng độ dẫn điện vĩ mô phản ánh sự đóng mở cổng có xác suất tổng hợp của nhiều kênh. Các cấu trúc tinh thể của kênh kali và natri sau đó đã tiết lộ bộ lọc chọn lọc và kiến trúc làm nền tảng cho sự dẫn truyền chọn lọc, phụ thuộc điện thế.

Clinical relevance

Các kênh cổng điện thế là mục tiêu của thuốc gây tê cục bộ và một số thuốc chống động kinh và chống loạn nhịp tim, và những thay đổi di truyền trong gen của chúng làm thay đổi tính dễ bị kích thích. Mục này mô tả cấu trúc kênh và đóng mở cổng như sinh lý học bình thường và không phải là hướng dẫn lựa chọn thuốc hoặc điều trị cá nhân.

Evidence & guidelines

Mô tả động học dựa trên các ghi nhận kẹp điện thế (voltage-clamp) và kênh đơn, và hình ảnh cấu trúc dựa trên các nghiên cứu tinh thể học về kênh kali và natri; đây là các nghiên cứu cơ chế và cấu trúc, không phải hướng dẫn lâm sàng.

History

Động học đóng mở cổng kênh lần đầu tiên được suy ra một cách gián tiếp từ các dòng ion vĩ mô mà Hodgkin và Huxley đã đo vào năm 1952. Sự phát triển kỹ thuật kẹp mảng của Neher và Sakmann vào năm 1976 đã giúp quan sát trực tiếp các dòng kênh đơn, và các cấu trúc độ phân giải cao của kênh kali (1998) và natri (2011) sau đó đã liên kết đóng mở cổng và tính chọn lọc với kiến trúc phân tử.

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

Kênh cổng điện thế có nghĩa là gì?

Xác suất mở của nó phụ thuộc vào điện thế màng: các cảm biến điện thế tích điện trong protein di chuyển khi điện thế thay đổi, đẩy kênh giữa các trạng thái đóng, mở và bất hoạt.

Sự khác biệt giữa bất hoạt và khử hoạt là gì?

Bất hoạt là một trạng thái riêng biệt, không dẫn điện mà một kênh đi vào khi vẫn còn khử cực (như trong kênh natri), trong khi khử hoạt là sự đóng đơn giản của cổng kích hoạt khi màng tái phân cực.