Iontové Kanály
na rozdíl od nosné proteiny, kanál proteiny jednoduše podobě otevřené póry v membráně, který umožňuje malých molekul o vhodné velikosti a poplatku projít volně přes lipidové dvojvrstvy. Jedna skupina kanál proteiny, diskutovali dříve, je porins, které umožňují volný průchod iontů a malých polárních molekul skrze vnější membrány bakterií (viz Obrázek 12.8)., Kanálové proteiny také umožňují průchod molekul mezi buňkami spojenými v mezerových křižovatkách, které jsou popsány později v kapitole. Plazmatické membrány mnoho buňky obsahují také vodní kanál proteiny (aquaporiny), přes které se molekuly vody jsou schopny přes membránu mnohem rychleji, než se může šířit přes fosfolipidové dvojvrstvy. Nejlépe charakterizované kanálové proteiny jsou však iontové kanály, které zprostředkovávají průchod iontů přes plazmatické membrány., Přestože jsou iontové kanály přítomny v membránách všech buněk, byly zvláště dobře studovány v nervu a svalu, kde jejich regulované otevírání a zavírání je zodpovědné za přenos elektrických signálů.
tři vlastnosti iontových kanálů jsou ústřední pro jejich funkci (obrázek 12.18). Za prvé, doprava přes kanály je extrémně rychlá. Více než milion iontů za sekundu průtok přes otevřené kanály—průtok přibližně tisíckrát větší než rychlost dopravy na nosné proteiny., Za druhé, iontové kanály jsou vysoce selektivní, protože úzké póry v kanálu omezují průchod na ionty odpovídající velikosti a náboje. Specifické kanálové proteiny tak umožňují průchod na+, K+, Ca2+ a Cl – přes membránu. Za třetí, většina iontových kanálů není trvale otevřená. Místo toho je otevření iontových kanálů regulováno „branami“, které se přechodně otevírají v reakci na specifické podněty., Některé programy (tzv. ligand-gated kanály) otevřít v reakci vazby neurotransmiterů nebo jiné signální molekuly; ostatní (voltage-gated) otevřít v reakci na změny v elektrický potenciál přes plazma membránu.
obrázek 12.18
Model iontového kanálu. V uzavřené konformaci je tok iontů blokován bránou. Otevření brány umožňuje ionty rychle protékat kanálem. Kanál obsahuje úzký pór, který omezuje průchod iontů odpovídající velikosti (více…,)
základní role iontových kanálů v přenosu elektrických impulzů byla objasněna řadou elegantních experimentů hlášených Alanem Hodgkinem a Andrewem Huxleym v roce 1952. Tito vyšetřovatelé použili jako model obří nervové buňky chobotnice. Axony těchto obřích neuronů mají průměr asi 1 mm, takže je možné vkládat elektrody a změřit změny v membránovém potenciálu, které se konají během přenosu nervových impulsů., Pomocí tohoto přístupu Hodgkin a Huxley prokázali, že tyto změny v membránovém potenciálu vyplývají z regulovaného otevírání a zavírání kanálů Na+ A K+ v plazmatické membráně. Následně bylo možné studovat aktivitu jednotlivých iontových kanálů pomocí techniky patch clamp vyvinuté Erwinem Neherem a Bertem Sakmannem v roce 1976 (obrázek 12.19)., Při této metodě se mikropipeta s průměrem špičky asi 1 µm používá k izolaci malého náplasti membrány, což umožňuje analýzu toku iontů přes jeden kanál a výrazně zvyšuje přesnost, s jakou lze studovat aktivity iontových kanálů.
obrázek 12.19
technika patch clamp. Malá část membrány je izolována ve špičce mikropipety. Podněty pak mohou být aplikovány zevnitř pipety, což umožňuje měřit chování zachyceného kanálu. (Upraveno Od e. Nehera a B.Sakmanna, 1992. (mnoho.,..)
tok iontů membránovými kanály závisí na vytvoření iontových gradientů přes plazmatickou membránu. Všech buněk, včetně nervových a svalových, obsahují iontové pumpy (popsáno v další části), které používají energii získanou z hydrolýzy ATP k aktivní transport iontů přes plazmatickou membránu. Výsledkem je, že iontové složení cytoplazmy se podstatně liší od složení extracelulárních tekutin (tabulka 12.1). Například na+ je aktivně čerpána z buněk, zatímco K+ je čerpána., V axonu chobotnice je tedy koncentrace na + asi 10krát vyšší v extracelulárních tekutinách než uvnitř buňky, zatímco koncentrace K+ je v cytosolu přibližně 20krát vyšší než v okolním médiu.
tabulka 12.1
extracelulární a intracelulární koncentrace iontů.
protože ionty jsou elektricky nabité, jejich transport vede k vytvoření elektrického gradientu přes plazmovou membránu., S klidovými olihněmi axony existuje elektrický potenciál asi 60 mV přes plazmatickou membránu, přičemž vnitřek buňky je negativní vzhledem k vnějšímu (obrázek 12.20). Tento elektrický potenciál vzniká jak z iontových čerpadel, tak z toku iontů kanály, které jsou otevřené v plazmové membráně klidových buněk. Plazmatická membrána klidových axonů chobotnice obsahuje otevřené kanály K+, takže je propustnější pro k+ než Na+ nebo jiné ionty. V důsledku toho tok k+ nejvíce přispívá k klidovému membránovému potenciálu.,
obrázek 12.20
iontové gradienty a klidový membránový potenciál Obřího chobotnice axon. Jsou zobrazeny pouze koncentrace Na + A K+, protože to jsou ionty, které fungují při přenosu nervových impulzů. Na+ je čerpána z buňky, zatímco K+ je čerpána, (více…)
jak je popsáno v kapitole 10, tok iontů přes membránu je poháněn jak koncentračními, tak napěťovými složkami elektrochemického gradientu., Například 20krát vyšší koncentrace k + uvnitř chobotnice axon ve srovnání s extracelulární tekutinou pohání tok k+ z buňky. Protože je však k+ kladně nabitá, vytváří tento eflux k + z buňky elektrický potenciál přes membránu, přičemž vnitřek buňky se stává záporně nabitým. Tento membránový potenciál je proti pokračujícímu toku k + z buňky a systém se blíží rovnovážnému stavu, ve kterém membránový potenciál vyrovnává gradient koncentrace k+.,
Kvantitativně vztah mezi koncentrací iontů a membránový potenciál je dán Nernstova rovnice:
kde V je rovnovážný potenciál ve voltech, R je plynová konstanta, T je absolutní teplota, z je náboj iontu, F je Faradayova konstanta, a Co a Ci jsou koncentrace iontů vně a uvnitř buňky, v tomto pořadí. Rovnovážný potenciál existuje odděleně pro každý iont a membránový potenciál je určen průtokem všech iontů, které procházejí plazmatickou membránou., Nicméně, protože odpočívá chobotnice axony jsou více propustná pro K+ než pro Na+ a dalších iontů (včetně Cl-), klidového membránového potenciálu (-60 mV) se blíží k rovnovážnému potenciálu určuje intracelulární a extracelulárního K+ koncentrace (-75 mV).
jako nervové impulsy (akční potenciály) cestují podél axonů, membrána depolarizuje (obrázek 12.21). Membránový potenciál se mění z -60 mV na přibližně +30 mV za méně než milisekundu, po které se opět stává záporným a vrací se k jeho klidové hodnotě., Tyto změny jsou důsledkem rychlého postupného otevírání a zavírání napěťových kanálů Na+ a k+. Relativně malé počáteční změny membránového potenciálu (od -60 do -40 mV) vedou k rychlému otevření kanálů Na+. To umožňuje na + proudit do buňky, poháněné jak koncentračním gradientem, tak membránovým potenciálem. Náhlý vstup na+ vede k velké změně membránového potenciálu, který se zvyšuje na téměř +30 mV, se blíží Na+ rovnovážný potenciál cca +50 mV., V tomto okamžiku jsou kanály Na+ inaktivovány a kanály K + s napětím otevřené, což podstatně zvyšuje propustnost membrány K+. K+ pak teče rychle ven z buňky, vedený oba membránového potenciálu a K+ koncentrační gradient, což vede k rychlému poklesu membránového potenciálu asi -75 mV (K+ rovnovážný potenciál). Napěťově řízené kanály K+ jsou pak inaktivovány a membránový potenciál se vrací na klidovou úroveň -60 mV, určenou průtokem K+ a dalších iontů kanály, které zůstávají otevřené v nestimulovaných buňkách.,
obrázek 12.21
membránový potenciál a iontové kanály během akčního potenciálu. (A) změny membránového potenciálu v jednom bodě na chobotnice obří axon po podnětu. ENa a EK jsou rovnovážné potenciály pro Na+ a k+. B) membránový potenciál (více…)
Depolarizace sousedních oblastech plazmatické membrány umožňuje akční potenciály k cestování po celé délce nervové buňky, axony, jako elektrické signály, což vede k rychlému přenosu nervových impulzů na dlouhé vzdálenosti., Například axony lidských motorických neuronů mohou být delší než jeden metr. Příchod akčních potenciálů na konec většiny neuronů pak signalizuje uvolňování neurotransmiterů, jako je acetylcholin, které přenášejí signály mezi buňkami v synapse (obrázek 12.22). Neurotransmitery uvolňované z presynaptických buněk se vážou na receptory na membránách postsynaptických buněk,kde působí na otevření ligandových iontových kanálů. Jedním z nejlépe charakterizovaných těchto kanálů je acetylcholinový receptor svalových buněk., Vazba acetylcholinu otevírá kanál, který je propustný jak pro Na+, tak pro k+. To umožňuje rychlý příliv Na+, který depolarizuje membránu svalových buněk a spouští akční potenciál. Akční potenciál pak vede k otevření napěťových kanálů Ca2+, což vede ke zvýšení intracelulárního Ca2+, které signalizuje kontrakci (viz obrázek 11.25).
Obrázek 12.22
Signalizace uvolňování neurotransmiterů na synapsi., Příchod nervového impulsu na konci neuron signály fúzi synaptických vezikul s plazmatickou membránou, což vede k uvolnění neurotransmiteru z presynaptické buňky do (více…)
receptor acetylcholinu, původně izolované z elektrického orgánu Torpédo paprsky v 1970, je prototyp ligand-gated kanály. Receptor se skládá z pěti podjednotek uspořádaných jako válec v membráně (obrázek 12.23). Ve svém uzavřeném stavu se předpokládá, že pór kanálu je blokován postranními řetězci hydrofobních aminokyselin., Vazba acetylcholinu vyvolá konformační změnu v receptoru tak, že tyto hydrofobní postranní řetězce posun z kanálu, otevření pórů, která umožňuje průchod kladně nabitých iontů včetně Na+ a K+. Kanál však zůstává nepropustný pro záporně nabité ionty, jako je Cl -, protože je lemován negativně nabitými aminokyselinami.
obrázek 12.23
Model acetylcholinového receptoru. Receptor se skládá z pěti podjednotek uspořádaných kolem centrálního póru., Vazba acetylcholinu na místo v extracelulární oblasti receptoru indukuje alosterické změny, které otevírají bránu kanálu. Kanál (více…)
větší stupeň selektivity iontů je zobrazen napěťovými kanály Na+ a k+. Na + kanály jsou více než desetkrát propustnější pro Na + než K+, zatímco K + kanály jsou více než tisíckrát propustnější pro k+ než Na+. Selektivitu kanálu Na + lze vysvětlit alespoň částečně na základě úzkého póru, který funguje jako filtr velikosti. Iontový poloměr Na + (0.,95 Å) je menší než u k+ (1.33 Å) a předpokládá se, že pór kanálu na+ je dostatečně úzký, aby narušoval průchod iontů K+ nebo větších (obrázek 12.24).
obrázek 12.24
selektivita iontů na+kanálů. Úzký pór umožňuje průchod Na + vázaný na jednu molekulu vody, ale narušuje průchod k+ nebo větších iontů.
k+ kanály mají také úzké póry, které zabraňují průchodu větších iontů., Vzhledem k tomu, že Na+ má menší iontový poloměr, nepředstavuje to selektivní propustnost těchto kanálů K+. Selektivita kanálu k+ je založena na jiném mechanismu, který byl objasněn stanovením trojrozměrné struktury kanálu k+ rentgenovou krystalografií v roce 1998 (obrázek 12.25). Pór kanálu obsahuje úzký filtr selektivity, který je lemován atomy karbonylového kyslíku (C=O) Z polypeptidové páteře., Když K+ iontů vstupuje do selektivita filtru, interakce s těmito karbonylové kyslíky vytlačení molekuly vody, na které K+ je vázán, což dehydrované K+ k průchodu pórem. V kontrastu, dehydrované Na+ je příliš malý, aby se komunikovat s těmito karbonylové kyslíky v selektivní filtr, který je držen pevně otevřít. V důsledku toho zůstává Na + vázán na molekuly vody v hydratovaném komplexu, který je příliš velký na to, aby prošel kanálem.
obrázek 12.25
selektivita kanálů k+., Kanál k + obsahuje úzký filtr selektivity lemovaný atomy karbonylového kyslíku (c=o). Pór je dostatečně široký, aby umožnil průchod dehydratovaného k+, ze kterého byly všechny přidružené molekuly vody přemístěny jako (více…)
napěťové kanály Na+, K+ a Ca2+ patří do velké rodiny příbuzných proteinů (obrázek 12.26). Například, sekvence genomu C. elegans odhalil téměř 200 genů kódujících iontové kanály, které pravděpodobně jsou potřeba hrát různé role v buněčné signalizaci., Kanály k+ se skládají ze čtyř identických podjednotek, z nichž každá obsahuje buď dvě nebo šest transmembránových α helixů. Na+ a Ca2+ kanály se skládají z jednoho polypeptidového řetězce, ale každý polypeptid obsahuje čtyři opakované domén, které odpovídají K+ kanál podjednotek. Napěťová brána je zprostředkována jednou z transmembránových α helixů, která obsahuje více kladně nabitých aminokyselin. Membránová depolarizace indukuje pohyb těchto pozitivních nábojů směrem ven z buňky, posouvá polohu tohoto transmembránového segmentu a otevírá kanál., Rychlé inaktivace Na+ a K+ kanály během šíření akčního potenciálu je pak zprostředkován cytoplazmatické části polypeptidového řetězce, které se váží na cytoplazmatické ústí kanálu pórů a zabránit dalšímu ion flow (Obrázek 12.27).
obrázek 12.26
struktury napěťově řízených kationtových kanálů. Kanály K+, Na+ a Ca2+ patří do rodiny příbuzných proteinů. Kanál k+ je tvořen sdružením čtyř identických podjednotek, z nichž jedna je zobrazena. Kanál Na + se skládá z jediného polypeptidu (více…,
obrázek 12.27
inaktivace kanálů k+a Na+. Po napěťovém otevření jsou kanály K+ a Na+ rychle inaktivovány vazbou cytoplazmatických částí polypeptidových řetězců na pór. Pro kanál k+ je inaktivace zprostředkována kuličkovým řetězcem (více…)
široká škála iontových kanálů (včetně Ca2+ a Cl – kanálů) reagovat na různé neurotransmitery nebo otevřít a zavřít s různými kinetika následující depolarizace., Společné akce těchto více kanálů jsou zodpovědné za složitost signalizace v nervovém systému. Navíc, jak je popsáno v další kapitole, role iontových kanálů nejsou omezeny na elektricky excitovatelné buňky nervů a svalů; hrají také kritické role v signalizaci v jiných typech buněk. Regulované otevírání a zavírání iontových kanálů tak poskytuje buňkám citlivý a všestranný mechanismus pro reakci na různé podněty prostředí.