Ioni-Kanavat
toisin kuin kantajaproteiineihin, kanava proteiineja yksinkertaisesti muodossa avaa huokoset kalvo, jolloin pienet molekyylit sopiva koko ja maksutta kulkea vapaasti läpi rasva bilayer. Yksi ryhmä kanava proteiineja, aiemmin, on porins, jotka mahdollistavat vapaan kulun ionien ja pienten polaaristen molekyylien kautta ulompi limakalvojen bakteerit (ks. Luku 12.8)., Kanavaproteiinit mahdollistavat myös molekyylien kulkemisen aukkoliitoksissa yhdistettyjen solujen välillä, joita käsitellään myöhemmin luvussa. Plasmassa limakalvojen useita soluja, jotka sisältävät myös veden kanava proteiineja (akvaporiineja), jonka kautta vesimolekyylit voivat ylittää kalvo paljon nopeammin kuin he voivat diffundoitua fosfolipidin bilayer. Parhaat-tunnettu kanava proteiineja, kuitenkin, ovat ioni-kanavia, jotka välittävät kulkua ioneja eri plasma-kalvoja., Vaikka ioni-kanavat ovat läsnä limakalvojen kaikki solut, ne ovat olleet erityisen hyvin tutkittu hermoihin ja lihaksiin, missä niiden säänneltyjen avaaminen ja sulkeminen on vastuussa lähetyksen sähköiset signaalit.
ionikanavien kolme ominaisuutta ovat keskeisessä asemassa niiden toiminnassa (Kuva 12.18). Ensinnäkin liikenne kanavien kautta on erittäin nopeaa. Yli miljoona ionia sekunnissa läpi avoimet kanavat—virtausnopeus on noin tuhat kertaa suurempi kuin määrä liikenteen harjoittaja proteiineja., Toiseksi ionikanavat ovat erittäin valikoivia, koska kanavan kapeat huokoset rajoittavat kulkua sopivan kokoisiin ja varaaviin ioneihin. Siten erityiset kanavaproteiinit mahdollistavat Na+: n, K+: n, Ca2+: n ja Cl: n siirtymisen kalvon poikki. Kolmanneksi useimmat ionikanavat eivät ole pysyvästi auki. Sen sijaan ionikanavien avautumista säätelevät ”portit”, jotka avautuvat hetkellisesti vastauksena tiettyihin ärsykkeisiin., Joitakin kanavia (kutsutaan ligandi-gated channels) avaa vastauksena sitova välittäjäaineiden tai muita molekyylejä, toiset (voltage-gated channels) avaa vastauksena muutoksiin potentiaalissa koko solukalvon.
Kuva 12.18
Malli ioni-kanava. Suljetussa konformaatiossa ionien virtaus estetään portilla. Portin avaaminen mahdollistaa ionien nopean virtauksen kanavan läpi. Kanava sisältää kapea huokosten, joka rajoittaa kulku ioneja sopiva koko (enemmän…,)
keskeinen rooli ioni-kanavien siirto sähkö impulsseja oli selvitetty läpi sarjan tyylikäs kokeet raportoitiin Alan Hodgkin ja Andrew Huxley vuonna 1952. Tutkijat käyttivät mallina Kalmarin jättihermosoluja. Axons nämä jättiläinen neuronit ovat halkaisijaltaan noin 1 mm, joten se on mahdollista lisätä elektrodit ja mitata muutoksia solukalvon potentiaalia, jotka tapahtuvat aikana hermoimpulssien., Käyttämällä tätä lähestymistapaa, Hodgkin ja Huxley osoittaa, että nämä muutokset kalvo mahdollinen tulos säännelty avaaminen ja sulkeminen Na+ ja K+ – kanavia solukalvon. Se tuli myöhemmin mahdollista tutkia toimintaa yksittäisten ionikanavien käyttämällä patch-clamp tekniikka kehittämä Erwin Neher ja Bert Sakmann vuonna 1976 (Kuva 12.19)., Tässä menetelmässä, mikropipetillä kärki halkaisija on noin 1 µm, käytetään eristämään pieni laastari kalvo, jolloin virtaus ionit läpi yhden kanavan analysoidaan ja lisäämällä suuresti se tarkkuus, jolla toimintaa ioni-kanavia voidaan tutkia.
Kuva 12.19
patch-clamp tekniikka. Pieni laastari kalvo on eristetty kärki mikropipetillä. Ärsykkeitä voidaan sitten soveltaa pipetin sisältä, jolloin loukussa olevan kanavan käyttäytymistä voidaan mitata. (Sovitettu E. Neher ja B. Sakmann, 1992. (enemmän.,..)
virtaus ionit läpi kalvon kanavia on riippuvainen perustaminen ion kaltevuudet koko solukalvon. Kaikki solut, mukaan lukien hermo ja lihas, sisältävät ioni pumput (käsitellään seuraavassa jaksossa), joka käyttää energiaa johdettu ATP hydrolyysi aktiivisesti liikenne-ioneja koko solukalvon. Tämän seurauksena sytoplasman ionikoostumus poikkeaa huomattavasti solunulkoisten nesteiden koostumuksesta (taulukko 12.1). Esimerkiksi Na+ pumpataan aktiivisesti ulos soluista, kun taas K+ pumpataan sisään., Vuonna kalmari axon, näin ollen, pitoisuus Na+ on noin 10 kertaa suurempi ulkoisissa nesteissä kuin solun sisällä, kun taas pitoisuus K+ on noin 20 kertaa suurempi sytosolissa kuin väliaineessa.
Taulukko 12.1
Solunulkoinen ja Solunsisäinen Ioni-Pitoisuudet.
Koska ionit ovat sähköisesti varautuneita, niiden kuljetus tuloksia perustaminen sähköinen gradientti koko solukalvon., Lepo kalmari axons on sähköinen potentiaali noin 60 mV poikki plasma-kalvo, jossa on sisällä solu negatiivinen suhteen ulkopuolella (Kuva 12.20). Tämä sähköinen potentiaali syntyy sekä ioni pumput ja virtaus ionit läpi kanavia, jotka ovat avoinna lepää solun solukalvon. Solukalvon lepää kalmari sisältää axons avata K+ – kanavia, joten se on enemmän läpäisevä K+ kuin Na+ tai muita ioneja. Näin ollen K+: n virtaus vaikuttaa eniten lepokalvopotentiaaliin.,
Kuva 12.20
Ion kaltevuudet ja lepää kalvon potentiaalia jättiläinen kalmari axon. Vain pitoisuudet Na+ ja K+ näkyvät, koska nämä ovat ioneja, jotka toimivat hermoimpulssien. Na+ pumpataan ulos solusta, kun k+ pumpataan sisään, (lisää…)
Kuten edellä Luvussa 10, virtaus ionien koko kalvo ohjaa sekä keskittymistä ja jännite osat sähkökemiallinen gradientti., Esimerkiksi 20 kertaa suurempi k+ – pitoisuus kalmariaksonin sisällä verrattuna solunulkoiseen nesteeseen ajaa K+: n virtauksen ulos solusta. Kuitenkin, koska K+ on positiivisesti varautunut, tämä ulosvirtaus K+ solusta aiheuttaa sähköinen potentiaali koko kalvo, jossa on sisällä solu tulossa negatiivisesti varautuneita. Tämä kalvo mahdollinen vastustaa jatkuva virtaus K+ ulos solusta, ja järjestelmä lähestymistapoja tasapainotila, jossa kalvo mahdolliset saldot K+ – pitoisuus kaltevuus.,
Kvantitatiivisesti, suhde ioni pitoisuus ja mahdollinen kalvo on antanut Nernst yhtälö:
missä V on tasapaino potentiaalia volttia, R on kaasuvakio, T on absoluuttinen lämpötila ja z on vastuussa ion, F on Faradayn vakio, ja Co ja Ci ovat pitoisuudet ion sisä-ja ulkopuolella solun, vastaavasti. Tasapainon mahdollisuuksia on olemassa erikseen kullekin ioni -, ja kalvon potentiaali määräytyy virtauksen kaikki ionit, jotka kulkevat solukalvon., Kuitenkin, koska lepää kalmari axons ovat enemmän läpäisevä K+ kuin Na+ – tai muita ioneja (mukaan lukien Cl-), lepää kalvon potentiaali (-60 mV) on majoitusliike, tasapainon potentiaali määräytyy solunsisäisen ja solunulkoisen K+ pitoisuutta (-75 mV).
hermoimpulssien (toimintapotentiaalien) kulkiessa aksoneja pitkin kalvo depolarisoituu (Kuva 12.21). Kalvo mahdolliset muutokset -60 mV on noin +30 mV alle millisekunnin, jonka jälkeen se muuttuu negatiiviseksi uudelleen ja palautuu lepo-arvo., Nämä muutokset johtuvat nopea juokseva avaaminen ja sulkeminen jänniteherkkiin Na+ – ja K+ – kanavia. Suhteellisen pieni alkuperäinen muutokset kalvo mahdollinen (-60 noin -40 mV) johtaa nopeaan avaa Na+ – kanavia. Tämä mahdollistaa Na+: n virtauksen soluun sekä sen konsentraatiogradientin että kalvopotentiaalin vaikutuksesta. Äkillinen tulo Na+ johtaa suuri muutos solukalvon potentiaalia, joka nousee lähes +30 mV, lähestyy Na+ – tasapainon potentiaalia noin +50 mV., Tällä hetkellä, Na+ – kanavat ovat inaktivoituja ja jänniteherkkiin K+ – kanavia avata, lisätä merkittävästi läpäisevyyttä kalvo K+. K+ sitten virtaa nopeasti ulos solusta vetämänä sekä mahdollinen kalvo ja K+ – pitoisuus kaltevuus, mikä nopea lasku kalvo potentiaalia noin -75 mV (K+ tasapaino mahdollisia). Jännite-aidatulla K+ – kanavat ovat sitten inaktivoitu ja kalvon potentiaalia palautuu lepo-tason -60 mV, määräytyy virtaus K+ ja muut ionit läpi kanavia, jotka pysyvät auki stimuloimattomissa soluissa.,
Kuva 12.21
– Kalvo potentiaalia ja ionikanavien aikana aktiopotentiaalin. A) kalvopotentiaalin muutokset yhdessä pisteessä Kalmarin jättiaksonilla ärsykkeen jälkeen. ENa ja EK ovat vastaavasti Na+: n ja K+: n tasapainopotentiaalit. B) kalvopotentiaali (lisää…)
Depolarisaatio vierekkäisten alueiden plasma-kalvo mahdollistaa aktiopotentiaalien matkustaa alas pituus hermosolujen aksoneja, koska sähköiset signaalit, jolloin nopea hermoimpulssien pitkiä matkoja., Esimerkiksi ihmisen motoristen neuronien aksonit voivat olla yli metrin pituisia. Saapuminen aktiopotentiaalien terminus useimpien neuronien sitten signaaleja vapauttaa välittäjäaineiden, kuten asetyylikoliinin, joka kuljettaa signaaleja solujen välillä klo synapse (Kuva 12.22). Presynaptisista soluista vapautuvat välittäjäaineet sitoutuvat postsynaptisten solujen kalvojen reseptoreihin, joissa ne toimivat ligandigationaalisten ionikanavien avaamiseen. Yksi parhaiten tunnettu näistä kanavista on lihassolujen asetyylikoliinireseptori., Sitova asetyylikoliinin avaa kanavan, joka on läpäisevä sekä Na+ ja K+. Tämä mahdollistaa nopean virtaa Na+, joka depolarizes lihaksen solukalvon ja laukaisee aktiopotentiaalin. Aktiopotentiaalin sitten tuloksia avaaminen jänniteherkkiin Ca2+ – kanavia, jotka johtavat nousu solunsisäisen Ca2+, että signaalit supistuminen (ks. Kuva 11.25).
Kuva 12.22
Signalointi, jonka välittäjäaineen vapautumista at synapsi., Saapuminen hermoimpulssin terminus neuroni signaaleja fuusio synaptic rakkulat, jossa solukalvon, mikä vapauttaa välittäjäaine päässä presynaptisen solun sisään (enemmän…)
asetyylikoliinin reseptorin, alun perin eristetty sähkö urut Torpedo-säteiltä 1970-luvulla, on prototyyppi ligandi-aidatulla kanavia. Reseptori koostuu viidestä alayksiköstä, jotka on järjestetty sylinteriksi kalvoon (Kuva 12.23). Suljetussa tilassaan kanavahormin arvellaan tukkeutuvan hydrofobisten aminohappojen sivuketjuista., Sitova asetyylikoliinin, joka aiheuttaa conformational muuttaa reseptorin siten, että nämä hydrofobinen puolella ketjut vaihto ulos kanavan, avaa huokosten, että mahdollistaa kulun positiivisesti varautuneita ioneja, kuten Na+ ja K+. Kanava pysyy kuitenkin läpäisemättömänä negatiivisesti varautuneille ioneille, kuten Cl-, koska sitä reunustavat negatiivisesti varautuneet aminohapot.
Kuva 12.23
Malli asetyylikoliinin reseptorin. Reseptori koostuu viidestä alayksiköstä, jotka on järjestetty Keskisen huokosen ympärille., Sitova asetyylikoliinin sivuston solunulkoisen alueen reseptorin aiheuttaa allosteerinen muutoksia, jotka avaa kanavan portilla. Kanava (täsmennyssivu..)
suuremman ion valikoivuus näkyy jänniteherkkiin Na+ – ja K+ – kanavia. Na+ – kanavat ovat enemmän kuin kymmenen kertaa enemmän läpäisevä Na+ kuin K+, kun taas K+ – kanavia on enemmän kuin tuhat kertaa enemmän läpäisevä K+ kuin Na+. Na+ – kanavan selektiivisyys voidaan selittää ainakin osittain kapealla huokosella, joka toimii kokosuodattimena. Ionisäde Na+ (0.,95 Å) on pienempi kuin K+ (1.33 Å), ja se on ajatellut, että Na+ – kanavan huokosten on kapea tarpeeksi häiritä kulkua K+ tai suurempi ionien (Kuva 12.24).
Kuva 12.24
Ion selektiivisyys Na+ – kanavat. Kapea huokosten sallii kulkua Na+ sidottu yksittäinen vesimolekyyli mutta häiritsee kulkua, K+ tai suurempi ioneja.
K+ – kanavissa on myös kapeita ihohuokosia, jotka estävät isompien ionien kulkua., Koska Na+: lla on kuitenkin pienempi ionisäde, tämä ei selitä näiden kanavien valikoivaa läpäisevyyttä K+: lle. Valikoivuus K+ – kanava perustuu eri mekanismilla, jossa oli selvitetty määritettäessä kolmiulotteinen rakenne K+ – kanavan X-ray crystallography vuonna 1998 (Luku 12.25). Kanavan huokosten sisältää kapea valikoivuus suodatin, joka on vuorattu karbonyyli happea (C=O) atomien polypeptidi selkäranka., Kun K+ – ioni siirtyy valikoivuus suodatin, yhteisvaikutuksia näiden karbonyyli oxygens syrjäyttää vettä molekyylejä, joihin K+ – sidottu, jolloin kuivattu K+ läpi huokosten. Sen sijaan kuivattu Na+ on liian pieni vuorovaikutuksessa näiden karbonyylihappojen kanssa selektiivisuodattimessa, joka pidetään tiukasti auki. Näin ollen Na+ pysyy varmasti veden molekyylien sammutettua monimutkainen, että on liian suuri läpi kanavan.
Luku 12.25
Valikoivuus K+ – kanavia., K+ – kanava sisältää kapea valikoivuus suodatin vuorattu karbonyyli happea (C=O) atomeja. Pore on juuri tarpeeksi leveä, jotta dehydratoidun K+: n kulku, josta kaikki siihen liittyvät vesimolekyylit on siirretty (more…)
jänniteherkkiin Na+, K+ ja Ca2+ – kanavat kuuluvat kaikki suuri perhe liittyviä proteiineja (Kuva 12.26). Esimerkiksi genomin sekvenssi C. elegans on paljastanut, lähes 200 koodaavat geenit ioni-kanavia, jotka oletettavasti tarvitaan pelata erilaisia rooleja solun signalointi., K + – kanavat koostuvat neljästä identtisestä alayksiköstä, joista jokainen sisältää joko kaksi tai kuusi transmembraani α-heliittiä. Na+ – ja Ca2+ – kanavat koostuvat yhden polypeptidi ketju, mutta jokainen polypeptidi sisältää neljä toistuva verkkotunnuksia, jotka vastaavat K+ – kanava alayksiköstä. Jännite gating välittyy yksi läpäisevä α-heliksejä, joka sisältää useita positiivisesti varautuneita aminohappoja. Kalvo depolarisaatio saa aikaan liikkeen nämä myönteiset maksut kohti ulkopuolella solu, siirtämällä asema tämän läpäisevä segmentti ja avaa kanavan., Nopean inaktivaation Na+ ja K+ – kanavien aikana eteneminen aktiopotentiaalien on sitten välittyvät sytoplasmisten osien polypeptidi ketju, joka sitoo sytoplasman suun kanavan huokosten ja estää ionien virtausta (Kuva 12.27).
Kuva 12.26
Rakenteiden jänniteherkkiin kationi-kanavia. K+ -, Na+ – ja Ca2 + – kanavat kuuluvat toisiinsa liittyvien proteiinien perheeseen. K + – kanava muodostuu neljän identtisen alayksikön liitoksesta, joista yksi esitetään. Na+ – kanava koostuu yhdestä polypeptidistä (lisää…,)
Kuva 12.27
Inaktivointi K+ja Na+ – kanavat. Seuraavat jänniteherkkiin aukko, K+ ja Na+ – kanavat ovat nopeasti inaktivoituu sitova sytoplasman osia polypeptidi ketjut pore. K + -kanavalle inaktivointi välittyy pallo-ja ketjulla (lisää…)
monenlaisia ioni-kanavia (kuten Ca2+ ja Cl – kanavia) vastata eri välittäjäaineiden tai avata ja sulkea eri kinetiikka seuraava kalvo depolarisaatio., Näiden useiden kanavien yhteistoiminta on vastuussa signaloinnin monimutkaisuudesta hermostossa. Lisäksi, joita käsitellään seuraavassa luvussa, roolit ioni-kanavat eivät rajoitu sähkötoiminen hermostunut solut hermoston ja lihasten; he myös pelata kriittinen rooli signalointi muita solutyyppejä. Ionikanavien säännelty avaaminen ja sulkeminen tarjoaa soluille siten herkän ja monipuolisen mekanismin, jolla voidaan reagoida erilaisiin ympäristöärsykkeisiin.