การขนส่งไอออน: การแบ่งแยกระหว่าง
ตัวขนส่งแบบแอคทีฟและช่องทางแบบพาสซีฟเริ่มไม่ชัดเจน
เครดิต: J. BERRY/IMAGE.COM/CORBIS
เว็บสล็อต เพื่อให้ทำงานได้อย่างเหมาะสม เซลล์ที่มีชีวิตต้องรักษาไอออนและโมเลกุลขนาดเล็กไว้ที่ความเข้มข้นซึ่งแตกต่างจากสภาพแวดล้อมในท้องถิ่นมาก การไล่ระดับเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในลักษณะนี้ เซลล์สามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานเพื่อขับเคลื่อนกระบวนการอื่นๆ เช่น การขนส่งเมมเบรนหรือการสร้างสัญญาณไฟฟ้าในเซลล์เฉพาะทาง เช่น ในเส้นประสาทและกล้ามเนื้อ โซเดียมไอออนภายในจะถูกเก็บไว้ที่ประมาณหนึ่งในสิบของความเข้มข้นภายนอก และสิ่งที่ตรงกันข้ามกับโพแทสเซียมไอออนนั้นเป็นจริง การไล่ระดับไอออนเหล่านี้ได้รับการดูแลโดยโปรตีนเมมเบรน (ปั๊มโซเดียม–โพแทสเซียม ตัวขนส่งด้วยเอนไซม์) ซึ่งปั๊มโซเดียมไอออนและปั๊มโพแทสเซียมไอออนออกอย่างแข็งขัน จากนั้นในขณะที่สัญญาณไฟฟ้า (ศักยะงาน) แพร่กระจายไปตามเซลล์ประสาท ช่องโซเดียมและโพแทสเซียมจะเปิดออก ทำให้โซเดียมไอออนไหลเข้าและโพแทสเซียมไอออนออกจากเซลล์ได้อย่างรวดเร็ว จากตัวอย่างดังกล่าว แนวคิดดังกล่าวปรากฏว่าผู้ขนส่งสร้างการไล่ระดับไอออนิกและช่องทางกระจายตัว: ผู้ขนส่งและช่องทางต่าง ๆ ดูเหมือนจะแตกต่างไปจากน้ำมันและน้ำ
แต่ความแตกต่างนี้ขึ้นอยู่กับสิ่งที่เราจัดว่าเป็น ‘ผู้ขนส่ง’ สำหรับผู้ขนส่งด้วยเอนไซม์ ความแตกต่างดูเหมือนจะชัดเจน — พวกมันใช้พลังงานเคมีเพื่อสร้างการไล่ระดับ แต่สำหรับผู้ขนส่งประเภทอื่นที่เรียกว่าการขนส่งร่วม ความแตกต่างนั้นยากกว่า ผู้ขนส่งร่วมสามารถสร้างการไล่ระดับได้ แต่พวกมันทำได้โดยใช้พลังงานที่เก็บไว้ในการไล่ระดับไอออนิกที่สร้างโดยปั๊ม — และด้วยเหตุนี้จึงมีการทำงานรอง ตัวอย่างเช่น ผู้ขนส่งร่วมจะใช้โซเดียมเกรเดียนท์ที่ตั้งค่าโดยปั๊มโซเดียมเพื่อให้พลังงานแก่การขนส่งซับสเตรตอื่น เช่น สารสื่อประสาท กับเกรเดียนต์ของมันเอง อย่างไรก็ตาม นักวิจัยมักจะจำลองการขนส่งร่วมราวกับว่าพวกมันเป็นเอนไซม์ แม้ว่าจะมีคุณสมบัติของช่องสัญญาณที่แท้จริงก็ตาม ปริศนานี้มีที่มาจากอะไร และจะแก้ไขได้อย่างไร?
ช่องทางและตัวขนส่งไม่ได้กำเนิดเป็นหน่วยงานที่แยกจากกัน Alan Hodgkin และเพื่อนร่วมงานได้ค้นพบพื้นฐานไอออนิกของศักยภาพในการดำเนินการในช่วงทศวรรษที่ 1940 แต่เพื่ออธิบายความสามารถในการซึมผ่านของโซเดียมและโพแทสเซียม ในตอนแรกพวกเขาสันนิษฐานว่าเป็นผู้ขนส่ง ไม่ใช่ช่องทาง — ไอออนถูกขนส่งผ่านเมมเบรนแทนที่จะเคลื่อนผ่านรูพรุน หลังจากนั้นไม่นาน ผลงานของ Hodgkin และ Richard Keynes อย่างเด่นชัด แนวคิดของ electrodiffusion ผ่านรูพรุน (ช่อง) ที่แคบก็ปรากฏขึ้น ในเวลาเดียวกัน นักวิจัยพยายามดิ้นรนกับ electrodiffusion เพื่อเน้นให้เมแทบอไลต์ ‘ต่อต้านการไล่ระดับ’ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วิลเฟรด เอฟ. วิดดาส ได้แนะนำลางสังหรณ์ของการขนส่งร่วม ซึ่งการไล่ระดับของสปีชีส์หนึ่งจะขับเคลื่อนการขนส่งของอีกสายพันธุ์หนึ่ง ในไม่ช้าการยอมรับของทฤษฎีเอนไซม์และจลนพลศาสตร์ของพาหะสำหรับการขนส่งร่วมตามมา และสองค่ายวิวัฒนาการ: ทฤษฎีอิเล็กโตรดิฟฟิวชันควบคุมช่องทาง และทฤษฎีเอ็นไซม์ควบคุมการขนส่ง วิธีการที่แตกต่างกันมีส่วนทำให้เกิดการแยกนี้ เนื่องจากนักชีวฟิสิกส์ของช่องสัญญาณอาศัยการวัดทางไฟฟ้าเป็นหลัก ในขณะที่นักสรีรวิทยาการขนส่งต้องการการทดลองดูดกลืนด้วยฉลากรังสี อันที่จริง ความพยายามในช่วงแรกในการอธิบายทางไฟฟ้าของการขนส่งแบบแอคทีฟนั้นน่าผิดหวังเนื่องจากสัญญาณค่อนข้างต่ำ
ส่งผลให้การศึกษาด้านการขนส่ง
(รวมถึงการขนส่งร่วม) และการศึกษาช่องทางเดินรถแยกออกจากกัน แต่ในทศวรรษที่ผ่านมา การโคลนนิ่งของผู้ขนส่งร่วม รวมกับการวัดกระแสเล็กๆ ผ่านแต่ละช่องทางและโปรตีนลำเลียงโดยอิเล็กโตรสรีรวิทยาที่มีความละเอียดสูง (patch clamp) ได้เริ่มเชื่อมช่องว่างทางประวัติศาสตร์นี้ ผู้ขนส่งร่วมเกือบทุกรายที่ศึกษาในลักษณะนี้แสดงคุณสมบัติของช่องไอออน ผู้ขนส่งร่วมกลูตาเมตและโดปามีนมีช่องทางเลือกคลอไรด์ สารขนส่งร่วม GABA, serotonin และ norepinephrine มีช่องโซเดียมและลิเธียม เมื่อเร็ว ๆ นี้ ช่องทางที่สันนิษฐานว่าเป็นคลอไรด์ได้แสดงให้เห็นว่าเป็นตัวขนส่งร่วม แต่การกลายพันธุ์อย่างง่ายจะคืนค่าเป็นการเลือกคลอไรด์ที่บริสุทธิ์ ในอีกกรณีหนึ่ง ผู้ขนส่งเหล็กโดยธรรมชาติจะกลายพันธุ์เป็นช่องแคลเซียม เราอาจคาดหวังตัวอย่างอื่นๆ มากมาย เช่น การประยุกต์ใช้เทคนิคช่องไอออนกับตัวขนส่ง แม้แต่ปั๊มโซเดียม-โพแทสเซียมก็แสดงให้เห็นว่ามีคุณสมบัติช่องไอออนภายใต้สภาวะพิเศษ เว็บสล็อต
