Ion-Kanaler
I modsætning til transportøren proteiner, kanal proteiner simpelthen form åbne porer i membranen, der tillader små molekyler af passende størrelse og afgift for at passere frit gennem tolagede. En gruppe af kanalproteiner, diskuteret tidligere, er porinerne, som tillader fri passage af ioner og små polære molekyler gennem bakteriens ydre membraner (se figur 12.8)., Kanalproteiner tillader også passage af molekyler mellem celler forbundet ved spalteforbindelser, som diskuteres senere i kapitlet. Plasmamembraner i mange celler indeholder også vandkanalproteiner (a .uaporiner), hvorigennem vandmolekyler er i stand til at krydse membranen meget hurtigere, end de kan diffundere gennem phospholipid-dobbeltlaget. De bedst karakteriserede kanalproteiner er imidlertid ionkanalerne, som formidler passagen af ioner over plasmamembraner., Selvom ionkanaler er til stede i membranerne i alle celler, er de især blevet undersøgt i nerve og muskler, hvor deres regulerede åbning og lukning er ansvarlig for transmission af elektriske signaler.
tre egenskaber af ionkanaler er centrale for deres funktion (Figur 12.18). For det første er transport gennem kanaler ekstremt hurtig. Mere end en million ioner per sekund strømmer gennem åbne kanaler—en strømningshastighed, der er cirka tusind gange større end transporthastigheden med bærerproteiner., For det andet er ionkanaler meget selektive, fordi smalle porer i kanalen begrænser passagen til ioner af passende størrelse og ladning. Således tillader specifikke kanalproteiner passage af Na+, K+, Ca2 + og Cl – over membranen. For det tredje er de fleste ionkanaler ikke permanent åbne. I stedet reguleres åbningen af ionkanaler af “porte”, der forbigående åbner som reaktion på specifikke stimuli., Nogle kanaler (kaldet ligand-gatede kanaler) åbnes som reaktion på bindingen af neurotransmittere eller andre signalmolekyler; andre (spændingsgatede kanaler) åbnes som reaktion på ændringer i elektrisk potentiale over plasmamembranen.
Figur 12.18
Model af en ion-kanal. I den lukkede konformation blokeres strømmen af ioner af en port. Åbning af porten tillader ioner at strømme hurtigt gennem kanalen. Kanalen indeholder en smal pore, der begrænser passage til ioner af passende størrelse (mere…,)
ionkanalernes grundlæggende rolle i transmissionen af elektriske impulser blev belyst gennem en række elegante eksperimenter rapporteret af Alan Hodgkin og andre.Hu .ley i 1952. Disse efterforskere brugte blækspruttens kæmpe nerveceller som model. 1 mm, hvilket gør det muligt at indsætte elektroder og måle ændringerne i membranpotentialet, der finder sted under transmissionen af nerveimpulser., Ved hjælp af denne tilgang demonstrerede Hodgkin og Hu .ley, at disse ændringer i membranpotentiale skyldes den regulerede åbning og lukning af Na+ og K+ kanaler i plasmamembranen. Det blev efterfølgende muligt at studere aktiviteten af individuelle ionkanaler ved hjælp af patchklemmeteknikken udviklet af er .in Neher og Bert Sakmann i 1976 (figur 12.19)., Ved denne metode anvendes en mikropipette med en spidsdiameter på cirka 1 Um til at isolere en lille plaster af membran, hvilket gør det muligt at analysere strømmen af ioner gennem en enkelt kanal og i høj grad øge præcisionen, hvormed ionkanalernes aktiviteter kan studeres.
figur 12.19
patch clamp teknikken. En lille plaster af membran isoleres i spidsen af en mikropipette. Stimuli kan derefter påføres inde fra pipetten, så den fangede kanals opførsel kan måles. (Tilpasset fra E. Neher og B. Sakmann, 1992. (mere.,..)
strømmen af ioner gennem membrankanaler er afhængig af etableringen af iongradienter over plasmamembranen. Alle celler, inklusive nerve og muskler, indeholder ionpumper (diskuteret i næste afsnit), der bruger energi afledt af ATP-hydrolyse til aktivt at transportere ioner over plasmamembranen. Som et resultat er cytoplasmens ioniske sammensætning væsentligt forskellig fra den for ekstracellulære væsker (tabel 12.1). For eksempel pumpes Na+ aktivt ud af celler, mens K+ pumpes ind., 10 gange højere i ekstracellulære væsker end inde i cellen, mens koncentrationen af K+ er cirka 20 gange højere i cytosolen end i det omgivende medium.
tabel 12.1
ekstracellulære og intracellulære Ionkoncentrationer.
da ioner er elektrisk ladede, resulterer deres transport i etablering af en elektrisk gradient over plasmamembranen., 60 mV på tværs af plasmamembranen, med indersiden af cellen negativ med hensyn til ydersiden (figur 12.20). Dette elektriske potentiale opstår både fra ionpumper og fra strømmen af ioner gennem kanaler, der er åbne i hvilecelleplasmembranen. Plasmamembranen af hvile blæksprutte a .oner indeholder åbne K+ kanaler, så det er mere gennemtrængeligt for K+ end til Na+ eller andre ioner. Følgelig udgør strømmen af K+ det største bidrag til hvilemembranpotentialet.,
figur 12.20
Iongradienter og hvilemembranpotentiale for den gigantiske blæksprutte-a .on. Kun koncentrationerne af Na+ og K+ er vist, fordi disse er de ioner, der fungerer i transmissionen af nerveimpulser. Na+ pumpes ud af cellen, mens K+ pumpes i, (mere…)
som beskrevet i kapitel 10 drives strømmen af ioner over en membran af både koncentrations-og spændingskomponenterne i en elektrokemisk gradient., For eksempel driver den 20 gange højere koncentration af K+ inde i blæksprutte-a .onen sammenlignet med den ekstracellulære væske strømmen af K+ ud af cellen. Da K+ imidlertid er positivt ladet, genererer denne udstrømning af K + fra cellen et elektrisk potentiale over membranen, hvor indersiden af cellen bliver negativt ladet. Dette membranpotentiale modsætter sig den fortsatte strømning af K + ud af cellen, og systemet nærmer sig ligevægtstilstanden, hvor membranpotentialet afbalancerer k+ – koncentrationsgradienten.,
Kvantitativt, forholdet mellem ion-koncentration og membran potentiale er givet af Nernst ligning:
hvor V er den balance potentiale i volt), R er gas konstant, T er den absolutte temperatur, z er ansvarlig for den ion, F er Faradays konstant, der og Co og Ci er koncentrationen af ion udenfor og inde i cellen, hhv. Et ligevægtspotentiale eksisterer separat for hver ion, og membranpotentialet bestemmes af strømmen af alle de ioner, der krydser plasmamembranen., Da hvilende blæksprutte-a axoner er mere permeable for K + end for Na+ eller andre ioner (inklusive Cl-), er hvilemembranpotentialet (-60 mV) tæt på ligevægtspotentialet bestemt af de intracellulære og ekstracellulære k+ – koncentrationer (-75 mV).
når nerveimpulser (handlingspotentialer) bevæger sig langs aonsoner, depolariserer membranen (figur 12.21). Membranpotentialet ændres fra -60 mV til cirka + 30 mV på mindre end et millisekund, hvorefter det bliver negativt igen og vender tilbage til sin hvileværdi., Disse ændringer skyldes den hurtige sekventielle åbning og lukning af spænding-gated Na+ og K+ kanaler. Relativt små indledende ændringer i membranpotentiale (fra -60 til omkring -40 mV) fører til hurtig åbning af Na+ kanaler. Dette gør det muligt for Na+ at strømme ind i cellen, drevet af både dens koncentrationsgradient og membranpotentialet. Den pludselige indtræden af Na+ fører til en stor ændring i membranpotentiale, som stiger til næsten +30 mV, nærmer Na+ ligevægtspotentialet på cirka +50 mV., På dette tidspunkt inaktiveres Na+ – kanalerne, og spændingsgatede K+ – kanaler åbnes, hvilket væsentligt øger membranets permeabilitet til K+. K+ strømmer derefter hurtigt ud af cellen, drevet af både membranpotentialet og K+ koncentrationsgradienten, hvilket fører til et hurtigt fald i membranpotentialet til ca.-75 mV (k+ ligevægtspotentialet). De spændingsgatede K+ – kanaler inaktiveres derefter, og membranpotentialet vender tilbage til dets hvileniveau på -60 mV, bestemt af strømmen af K + og andre ioner gennem kanalerne, der forbliver åbne i ustimulerede celler.,
figur 12.21
membranpotentiale og ionkanaler under et handlingspotentiale. (A) ændringer i membranpotentialet på et tidspunkt på en blækspruttegigantakson efter en stimulus. Ena og EK er ligevægtspotentialerne for henholdsvis Na+ og K+. (B) membranen potentiale (mere…)
depolarisering af tilstødende områder af plasmamembranen tillader handlingspotentialer at bevæge sig ned i længden af nervecelleaksoner som elektriske signaler, hvilket resulterer i hurtig transmission af nerveimpulser over lange afstande., For eksempel kan aonsonerne af humane motorneuroner være mere end en meter lange. Ankomsten af handlingspotentialer ved terminalen for de fleste neuroner signalerer derefter frigivelsen af neurotransmittere, såsom acetylcholin, der bærer signaler mellem celler ved en synapse (figur 12.22). Neurotransmittere frigivet fra presynaptiske celler binder til receptorer på membranerne i postsynaptiske celler, hvor de virker for at åbne ligand-gatede ionkanaler. En af de bedst karakteriserede af disse kanaler er acetylcholinreceptoren i muskelceller., Binding af acetylcholin åbner en kanal, der er gennemtrængelig for både Na + og K+. Dette tillader den hurtige tilstrømning af Na+, som depolariserer muskelcellemembranen og udløser et handlingspotentiale. Handlingspotentialet resulterer derefter i åbningen af spændingsgatede Ca2+-kanaler, hvilket fører til stigningen i intracellulær Ca2+, der signalerer sammentrækning (se figur 11.25).
figur 12.22
signalering ved frigivelse af neurotransmitter ved en synapse., Ankomsten af en nerveimpuls ved neuronens ende signalerer fusionen af synaptiske vesikler med plasmamembranen, hvilket resulterer i frigivelse af neurotransmitter fra den presynaptiske celle til (mere…)
acetylcholinreceptoren, der oprindeligt blev isoleret fra det elektriske organ af Torpedostråler i 1970 ‘ erne, er prototypen af ligand-gatede kanaler. Receptoren består af fem underenheder arrangeret som en cylinder i membranen (figur 12.23). I sin lukkede tilstand antages kanalporen at være blokeret af sidekæderne af hydrofobe aminosyrer., Bindingen af acetylcholin inducerer en konformationsændring i receptoren, således at disse hydrofobe sidekæder skifter ud af kanalen og åbner en pore, der tillader passage af positivt ladede ioner, inklusive Na+ og K+. Kanalen forbliver imidlertid uigennemtrængelig for negativt ladede ioner, såsom Cl-, fordi den er foret med negativt ladede aminosyrer.
Figur 12.23
Model af acetylcholin-receptor. Receptoren består af fem underenheder arrangeret omkring en central pore., Bindingen af acetylcholin til et sted i det ekstracellulære område af receptoren inducerer allosteriske ændringer, der åbner kanalporten. Kanalen (mere…)
en større grad af ionselektivitet vises af de spændingsgatede Na+ og K+ kanaler. Na + kanaler er mere end ti gange mere gennemtrængelige for Na+ end til K+, mens K+ kanaler er mere end tusind gange mere gennemtrængelige for K+ end til Na+. Selektiviteten af Na + – kanalen kan i det mindste delvist forklares på basis af en smal pore, der fungerer som et størrelsesfilter. Den ioniske radius af Na +(0.,95 Å) er mindre end K+ (1.33 Å), og det menes, at Na+ kanal pore er smal nok til at forstyrre passagen af K+ eller større ioner (figur 12.24).
Figur 12.24
Ion selektivitet af Na+ – kanaler. En smal pore tillader passage af Na+ bundet til et enkelt vandmolekyle, men forstyrrer passagen af K+ eller større ioner.
K+ kanaler har også smalle porer, som forhindrer passage af større ioner., Da Na+ imidlertid har en mindre ionradius, tager dette ikke højde for den selektive permeabilitet af disse kanaler til K+. Selektiviteten af K + – kanalen er baseret på en anden mekanisme, som blev belyst med bestemmelsen af den tredimensionelle struktur af en k+-kanal ved røntgenkrystallografi i 1998 (figur 12.25). Kanalporerne indeholder et smalt selektivitetsfilter, der er foret med carbonylo .ygen (C=O) atomer fra polypeptidrygraden., Når en k+ – ion kommer ind i selektivitetsfilteret, fortrænger interaktioner med disse carbonylo .ygener de vandmolekyler, som K+ er bundet til, så dehydreret K+ kan passere gennem porerne. I modsætning hertil er en dehydreret Na+ for lille til at interagere med disse carbonylo .ygener i selektivitetsfilteret, som holdes stift åbent. Derfor forbliver Na+ bundet til vandmolekyler i et hydreret kompleks, der er for stort til at passere gennem kanalen.
Figur 12.25
Selektivitet af K+ – kanaler., K + – kanalen indeholder et smalt selektivitetsfilter foret med carbonylo .ygen (C=O) atomer. Poren er lige bred nok til at tillade passage af dehydreret K+, hvorfra alle tilknyttede vandmolekyler er blevet forskudt som (mere …)
spændingsgatede Na+, K+ og Ca2+ kanaler tilhører alle en stor familie af beslægtede proteiner (figur 12.26). For eksempel har Genomsekvensen af C. elegans afsløret næsten 200 gener, der koder for ionkanaler, som formodentlig er nødvendige for at spille forskellige roller i cellesignalering., K + kanaler består af fire identiske underenheder, der hver indeholder enten to eller seks transmembrane hel helices. Na + og Ca2+ kanaler består af en enkelt polypeptidkæde, men hvert polypeptid indeholder fire gentagne domæner, der svarer til K+ – kanalunderenhederne. Spænding gating medieres af en af de transmembrane a helices, som indeholder flere positivt ladede aminosyrer. Membran depolarisering inducerer bevægelsen af disse positive ladninger mod ydersiden af cellen, skifter positionen af dette transmembrane segment og åbner kanalen., Hurtig inaktivering af Na+ og K + kanaler under udbredelsen af handlingspotentialer medieres derefter af cytoplasmatiske dele af polypeptidkæden, som binder til den cytoplasmatiske munding af kanalporen og forhindrer yderligere ionstrømning (figur 12.27).
figur 12.26
strukturer af spændingsgatede kationkanaler. Kanalerne K+, Na+ og Ca2+ hører til en familie af beslægtede proteiner. K + – kanalen er dannet af foreningen af fire identiske underenheder, hvoraf den ene er vist. Na + – kanalen består af et enkelt polypeptid (mere…,)
Figur 12.27
Inaktivering af K+og Na+ – kanaler. Efter spændingsindtaget åbning inaktiveres K + – og Na+ – kanalerne hurtigt ved binding af cytoplasmatiske dele af polypeptidkæderne til porerne. For K + – kanalen medieres inaktivering af en kugle-og-kæde (mere…)
en lang række ionkanaler (inklusive Ca2+ og Cl – kanaler) reagerer på forskellige neurotransmittere eller åbner og lukker med forskellige kinetik efter membran depolarisering., De samordnede handlinger af disse flere kanaler er ansvarlige for kompleksiteten af signalering i nervesystemet. Som diskuteret i det næste kapitel er ionkanalernes roller ikke begrænset til de elektrisk spændende celler i nerve og muskel; de spiller også kritiske roller i signalering i andre celletyper. Den regulerede åbning og lukning af ionkanaler giver således celler en følsom og alsidig mekanisme til at reagere på en række miljømæssige stimuli.