Make your own free website on Tripod.com

บทที่ 2
    cell & cell membrane
    membrane potential
    synapse

Membrane potentials & Action potential

Action potential
        การส่งสัญญาณประสาท (nerve signal) อาศัยการแพร่ของ action potential ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของ membrane potential โดยแต่ละ action potential จะเกิดขึ้นตามขั้นตอนดังนี้
      1.Resting membrane potenital
ในช่วงระยะพัก conductance ของ K+ จะมากกว่า conductance ของ Na+ ประมาณ 50 ถึง 100 เท่า ทำให้มีการรั่วไหลของ K+ ออกมานอก cell มากกว่า Na+ รั่วไหลเข้าสู่ cell จึงทำให้สภาพภายใน cell เป็นลบ (resting membrane potential ประมาณ -90 mV.)
       2. Depolarization
มีการเปลี่ยนศักดาไฟฟ้าจากค่า resting membrane potential ที่เป็นลบ (-90 mV. ใน cell ขนาดใหญ่ หรือ -40 ถึง -60 ใน cell ขนาดเล็ก) ให้มีความเป็นลบลดลง (ความเป็นบวกเพิ่มขึ้น) ซึ่งเรียกว่า depolarization ซึ่งเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมากในเวลาน้อยกว่า 0.1 m..sec. การเกิด depolarization นี้ เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงที่ cell membrane ให้ permeable ต่อ Na+ อย่างรวดเร็ว ทำให้ Na+ จำนวนมากไหลเข้าสู่ภายใน cell Na+ conductance เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วถึง 5,000 เท่า มีผลทำให้ค่าความเป็นลบของ resting membrane potential ลดลง และเมื่อวัดด้วย voltage clamp มักจะเกิดเป็น over shoot คือ potential จะเพิ่มขึ้นจนเกิน 0 และขึ้นไปถึงประมาณ +35 mV.
      3. Repolarization
เป็นการเปลี่ยนศักดาไฟฟ้าจาก depolarization ให้กลับเข้าสู่ค่า resting membrane potential ปกติ โดยภายในเวลา 0.2 m.sec. หลังจาก cell membrane มีการเปลี่ยนแปลง permeability ต่อ Na+ แล้วนั้น Na+ channel ก็จะปิด และมีการเปิดของ K+ channel มากกว่าปกติ K+ จะถูกปล่อยออกมานอก cell ทำให้ภายใน cell กลับเข้าสู่ negative potential ตามปกติจึงเรียกว่า repolarization
     4. Hyperpolarization
hyperpolarization (หรือเดิมเรียกว่า positive after potential) เป็นภาวะที่ membrane potential มีความเป็นลบเพิ่มมากขึ้นจากระยะพัก ซึ่งเกิดจาก K+ channel ปิดอย่างช้าๆ หรือบาง channel ยังคงเปิดอยู่ ทำให้มีการรั่วไหลของ K+ ออกมานอก cell หลังจากช่วง repolarization

All or none law
    การที่จะเกิด action potential นั้นจะต้องเริ่มจากมีการเปลี่ยนแปลงของ membrane potential (ซึ่งปกติมีค่า-90mV.ที่ระยะพัก)ซึ่งการที่ membrane potential ลดลง (ความเป็นลบลดลงความเป็นบวกเพิ่มขึ้น)ค่าแรงกระตุ้นที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของ membrane potential จนถึงขั้นที่ทำให้เกิด action potential นั้นเรียกว่า threshold (คือที่ membrane potential ประมาณ-65 mV.)หากแรงกระตุ้นต่ำกว่านี้ไม่สามารถทำให้เกิด action potential แต่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง potential เรียกว่า acute local potential หรือ acute subthreshold potential หรือ partial depolarization ในทางตรงข้ามแม้ว่าจะเพิ่มแรงกระตุ้นมากเพียงใดก็ไม่สามารถทำให้เกิด action potential ที่มี over shoot สูงกว่าเดิมได้ ทั้งนี้อาจเป็นไปได้ว่าขณะเกิด action potential นั้น Na+ที่ไหลผ่านเข้าสู่ cell เป็นค่าสูงสุดแล้วแม้จะมีแรงกระตุ้นสูงกว่านี้ก็ไม่มีผลเพิ่มจำนวน Na+ได้อีกการตอบสนองจึงเท่าเดิม สรุปก็คือการตอบสนองของ membrane จึงมีเพียง 2 ลักษณะ คือ เกิด action potential เมื่อแรงกระตุ้นถึง threshold หรือไม่เกิด action potential เมื่อแรงกระตุ้นไม่ถึง threshold ลักษณะการตอบสนองเช่นนี้เรียกว่า all or none

Refractory period
        เมื่อเกิด action potential อันแรกแล้ว อันใหม่จะไม่สามารถเกิดขึ้นมาอีกก่อนที่ depolarization อันแรกจะสิ้นสุดลงไปแล้ว เนื่องจากหลังจากเกิด action potential แล้ว Na+ channel (หรือ Ca++ channel) จะ inactive การกระตุ้นใดๆ จะไม่สามารถทำให้ inactivated gate นี้เปิดได้ จึงไม่สามารถเกิด action potential อันใหม่ได้ ช่วงเวลาที่ action potential อันใหม่ไม่สามารถถูกกระตุ้นให้เกิดได้แม้จะใช้แรงกระตุ้นมากเพียงใดก็ตามเรียกว่า absolute refractory period ซึ่งช่วงนี้ สำหรับใน myelinated nerve ขนาดใหญ่มีค่าประมาณ 1/2500 second ระยะที่ต่อจาก absolute refractory period นั้นเรียกว่า relative refractory period ช่วงนี้กินเวลาประมาณ 1/4 ถึง 1/2 ของระยะ absolute refractory period ในระยะนี้หากใช้แรงกระตุ้นสูงมากๆ (สูงกว่าค่า threshold ปกติมากๆ) อาจสามารถกระตุ้นให้เกิด action potential อันใหม่ขึ้นได้ สาเหตุของการเกิด refractory period มี 2 ประการคือ
     1. ที่ช่วงนี้ Na+ channel บางอันยังอยู่ในภาวะ inactive อยู่จึงกระตุ้นได้ยาก
     2. K+ channel โดยปกติจะยังคงเปิดกว้างอยู่ในช่วงนี้ยังคงมี K+ ไหลออกไปนอก cell ทำให้เกิด hyperpolarization จึงยากต่อการกระตุ้นเช่นกัน

ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของ ion
         การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของ ion ต่างๆ ใน extracellular fluid มีผลกระทบต่อกระบวนการเกิด action potential ด้วย ทั้งนี้เพราะค่า resting membrane potential นั้นเป็นค่าผลลัพท์รวมของ ion ต่างๆ ซึ่งเป็น ratio ของค่า ion แต่ละชนิดระหว่างความเข้มข้นในภายในกับภายนอก cell
     1. การลดของ Na+ ถ้า Na+ ใน extracellular fluid ลดลงจะมีผลให้ขนาดของ action potential ลดลง แต่มีผลน้อยมากต่อ resting membrane potential เนื่องจาก permeability ของ membrane ต่อ Na+ ในระยะพักค่อนข้างต่ำอยู่แล้ว
     2. การเพิ่มของ K+ ถ้า K+ ใน extracellular fluid เพิ่มขึ้นจะมีผลลด resting membrane potential (ทำให้ membrane potential เพิ่มขึ้น) ผลก็คือทำให้ nerve fiber มี excitability ลดลงกระตุ้นได้ยาก
     3. การลดลงของ Ca++ ถ้า Ca++ ใน extracellular fluid ลดลงจะมีผลทำให้ nerve fiber มี excitability เพิ่มขึ้น เนื่องจากความเข้มข้น ของ Ca++ ใน extracellular fluid ลดลงจะทำให้เกิดผลกระทบไปถึง Na+ channel คือ ทำให้ Na+ channel ถูก activate ได้ง่าย ทั้งนี้เชื่อกันว่าในภาวะปกติ Ca++ มีผลต่อ Na+ channel เนื่องจาก Ca++ สามารถเกาะกับผิดด้านนอกของ Na+ channel แล้วทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงศักดาไฟฟ้าของ Na+ channel เป็นผลให้การเปิด Na+ channel ต้องการความต่างศักย์สูงมาก ระหว่างนอกกับใน cell (high voltage) เมื่อใดก็ตามที่ Ca++ ใน Interstitial fluid ลดลง จะเป็นผลให้ Na+ channel เปิดได้ง่ายขึ้นเพราะไม่ต้องใช้ความต่างศักย์มาก ผลก็คือหากมี membrane potential เปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยก็จะเกิด depolarization และ action potential ได้ง่าย พบว่าหากความเข้มข้นของ Ca++ ลดลงกว่าระดับปกติ 30-50% จะทำให้เกิดการกระตุ้นของ nerve fiber ซ้ำๆ กัน มีผลทำให้เกิดการหดตัวซ้ำๆ กันของกล้ามเนื้อที่เรียกว่า tetany หรือ tetanic contraction อาจทำให้ตายได้ถ้าเกิดกับกล้ามเนื้อของระบบหายใจ
      ในทางตรงข้ามการเพิ่มขึ้นของ Ca++ ถ้า Ca++ ใน extracellular fluid เพิ่มขึ้นจะลด membrane permeability ต่อ Na+ ทำให้ลด excitability ของ nerve โดยมีฤทธิ์เหมือน local anesthetic drug พบว่าทั้งการเพิ่มขึ้นของ Ca++ และการเพิ่มขึ้นของ K+ ใน extracellular fluid จะมีผลคล้ายกัน โดยทำให้ excitability ของ nerve ลดลงทำให้กระตุ้นได้ยาก
      อย่างไรก็ตาม ion channel สำหรับ ion ตัวเดียวกันเช่น K+ ก็มีหลายชนิด แต่ละชนิดก็จะมีคุณลักษณะที่แตกต่างกันและถูก block ด้วยสารที่ต่างกันด้วย สำหรับยาระงับความรู้สึกเฉพาะที่ (local anesthetics) ซึ่งอยู่ในกลุ่มของ stabilizer ได้แก่ พวก procaine, tetracaine ยาพวกนี้จะออกฤทธิ์โดยตรงที่ activated gate ของ Na+ channel ทำให้ gate เปิดได้ยาก เป็นการลด membrane excitability โอกาสที่ nerve fiber จะถูกกระตุ้นก็ลดลงทำให้กระแสประสาทถูกส่งต่อไปได้ยาก

Propagation of action potential (nerve impulse)
           การที่จะส่งต่อสัญญาณประสาทหรือ nerve signal ไปตาม nerve fiber จะต้องอาศัยการแพร่ของ action potential ไปตาม nerve fiber (ที่เรียกว่า nerve impulse) ไปจนสุดปลาย nerve fiber การแพร่ของ action potential นี้เกิดจาก local circuit โดยเมื่อเกิด action potential ที่จุดใดจุดหนึ่งของ nerve fiber ประจุบวกที่เกิดขึ้นก็จะแพร่ออกไปทั้ง 2 ทิศตาม core ของ axon เป็นผลให้บริเวณที่ถัดออกไปประมาณ 1 ถึง 3 mm. มีการเปลี่ยนแปลงของ membrane potential จนถึง threshold ก็จะเกิดเป็น action potential ขึ้น แล้วก็เกิดต่อๆ กันออกไป ทำให้เกิดเป็นกระแสประสาท หรือ nerve impules แพร่ออกไป ทั้ง 2 ทางจนกระทั่ง membrane ทั้งหมดเกิด depolarization

รูปที่ 3 แสดงการแพร่ของ action potential ออกไปทั้งสองทิศทางของ nerve fiber ที่มา : อนันต์ , 2541
หลังจากเกิด action potential แล้ว Na+ ก็จะถูก pump ออกจาก cell เพื่อกลับเข้าสู่ภาวะพัก (resting membrane potential) ซึ่งในการนี้ต้องอาศัยการทำงานของ Na+-K+ pump และการทำงานนี้ก็ต้องอาศัยพลังงาน ซึ่งได้มาจากการสลาย ATP ภายใน cell การทำงานของ cell นี้จะปลดปล่อยความร้อนออกมามากมาย การวัดความร้อนจึงจัดเป็นวิธีหนึ่งที่สามารถวัดการใช้พลังงานของ nerve เมื่อ nerve impulse มีความถี่เพิ่มขึ้น ลักษณะที่สำคัญของ Na+-K+ ATPase pump ก็คือการกระตุ้น pump นี้ขึ้นกับปริมาณ Na+ ที่สะสมภายใน cell membrane (การทำงานของ pump เพิ่มขึ้นเป็นสัดส่วนกำลังที่ 3 กับความเข้มข้นของ Na+ ที่เพิ่มขึ้น เช่น ถ้า Na+ เพิ่มขึ้น 2 เท่า จาก 10 เป็น 20 Eq/liter การทำงานของ pump จะเพิ่มขึ้นประมาณ 23 = 8 เท่า) ลักษณะเช่นนี้เองทำให้ nerve fiber สามารถเกิด action potential ต่อเนื่องกันได้อย่างรวดเร็วมาก