Ion Csatornák
ezzel szemben A fuvarozó fehérjék, csatorna fehérjék egyszerűen formában nyitott pórusok, a membrán, amely lehetővé teszi kis molekulák a megfelelő méretű fel, hogy adja át szabadon a lipid bilayer. A korábban tárgyalt csatornafehérjék egyik csoportja a porinok, amelyek lehetővé teszik az ionok és a kis poláris molekulák szabad áthaladását a baktériumok külső membránjain keresztül (lásd a 12.8 ábrát)., A csatornafehérjék lehetővé teszik a molekulák áthaladását a gap csomópontokban összekapcsolt sejtek között, amelyeket később tárgyalunk a fejezetben. Sok sejt plazmamembránjai vízcsatornás fehérjéket (aquaporinokat) is tartalmaznak, amelyeken keresztül a vízmolekulák sokkal gyorsabban képesek átjutni a membránon, mint a foszfolipid kétrétegen keresztül. A legjobban jellemzett csatornafehérjék azonban az ioncsatornák, amelyek közvetítik az ionok átjutását a plazmamembránokon., Bár az ioncsatornák jelen vannak az összes sejt membránjaiban, különösen jól tanulmányozták az ideg-és izomrendszert, ahol szabályozott nyitásuk és zárásuk felelős az elektromos jelek továbbításáért.
az ioncsatornák három tulajdonsága központi szerepet játszik a funkciójukban (12.18 ábra). Először is, a csatornákon keresztül történő szállítás rendkívül gyors. Másodpercenként több mint egymillió Ion áramlik nyílt csatornákon keresztül—az áramlási sebesség körülbelül ezerszer nagyobb, mint a hordozófehérjék által történő szállítás sebessége., Másodszor, az ioncsatornák nagyon szelektívek, mivel a csatorna keskeny pórusai korlátozzák a megfelelő méretű és töltésű ionokra való átjutást. Így a specifikus csatornafehérjék lehetővé teszik a Na+, K+, Ca2+, CL átjutását a membránon. Harmadszor, a legtöbb ioncsatorna nem állandóan nyitva van. Ehelyett az ioncsatornák megnyitását olyan “kapuk” szabályozzák, amelyek átmenetileg megnyílnak a specifikus ingerekre adott válaszként., Egyes csatornák (úgynevezett ligand-kapuzott csatornák) nyílnak a neurotranszmitterek vagy más jelátviteli molekulák kötődésére válaszul; mások (feszültség-kapuzott csatornák) a plazmamembránon belüli elektromos potenciál változásaira válaszul nyílnak meg.
12.18
ioncsatorna modellje. A zárt konformációban az ionok áramlását egy kapu blokkolja. A kapu megnyitása lehetővé teszi az ionok gyors áramlását a csatornán keresztül. A csatorna egy keskeny pórust tartalmaz, amely korlátozza a megfelelő méretű ionok áthaladását (több…,)
az ioncsatornák alapvető szerepét az elektromos impulzusok továbbításában Alan Hodgkin és Andrew Huxley által 1952-ben jelentett elegáns kísérletek sorozata tisztázta. Ezek a nyomozók modellként használták a tintahal óriás idegsejtjeit. Ezeknek az Óriás neuronoknak az axonjai átmérője körülbelül 1 mm, lehetővé téve az elektródák behelyezését, valamint az idegimpulzusok átvitele során bekövetkező membránpotenciál változásainak mérését., Ezzel a megközelítéssel Hodgkin és Huxley kimutatták, hogy ezek a membránpotenciálbeli változások a Na+ és K+ csatornák plazmamembránban történő szabályozott nyitásából és zárásából erednek. Ezt követően lehetővé vált az egyes ioncsatornák aktivitásának tanulmányozása az Erwin Neher és Bert Sakmann által 1976-ban kifejlesztett patch clamp technikával (12.19 ábra)., Ebben a módszerben egy körülbelül 1 µm-es csúcsátmérővel ellátott mikropipettát használnak egy kis membrán-folt izolálására, amely lehetővé teszi az ionok egyetlen csatornán keresztüli áramlásának elemzését, és nagymértékben növeli az ioncsatornák működésének pontosságát.
12.19
a patch bilincs technika. Egy kis membrán tapaszt izolálunk egy mikropipetta csúcsán. Az ingereket ezután a pipettán belül lehet alkalmazni,lehetővé téve a csapdába eső csatorna viselkedését. (Adaptálva: E. Neher és B. Sakmann, 1992. (több.,..)
az ionok membráncsatornákon keresztüli áramlása az ion gradiensek plazmamembránon keresztüli kialakulásától függ. Minden sejt, beleértve az idegeket és az izmokat is, ionszivattyúkat tartalmaz (a következő részben tárgyaljuk), amelyek az ATP hidrolízisből származó energiát használják az ionok aktív szállítására a plazmamembránon keresztül. Ennek eredményeképpen a citoplazma ionos összetétele lényegesen különbözik az extracelluláris folyadékok összetételétől (12.1.táblázat). Például a Na+ – t aktívan szivattyúzzák ki a sejtekből, miközben a K+ – t szivattyúzzák., A tintahal axonban tehát a Na + koncentrációja körülbelül 10-szer magasabb az extracelluláris folyadékokban, mint a sejt belsejében, míg a K+ koncentrációja körülbelül 20-szor magasabb a citozolban, mint a környező közegben.
12.1
extracelluláris és intracelluláris Ion koncentráció.
mivel az ionok elektromosan töltődnek, szállításuk elektromos gradiens létrehozását eredményezi a plazmamembránon keresztül., A nyugalmi tintahal axonok esetében a plazmamembránon körülbelül 60 mV elektromos potenciál van, a sejt belseje kívülről negatív (12.20 ábra). Ez az elektromos potenciál mind az ionszivattyúkból, mind az ionok áramlásából származik a nyugalmi sejtplazmamembránban nyitott csatornákon keresztül. A nyugalmi tintahal axonok plazmamembránja nyitott K + csatornákat tartalmaz, így jobban áteresztő a K+ – ra, mint a Na+ – ra vagy más ionokra. Következésképpen a K+ áramlása a legnagyobb mértékben hozzájárul a nyugalmi membránpotenciálhoz.,
12.20
Az óriás tintahal axon Ion gradiensei és nyugalmi membránpotenciálja. Csak a Na+ és K + koncentrációk jelennek meg, mivel ezek az ionok, amelyek az idegimpulzusok átvitelében működnek. Na + szivattyúzzák ki a cellából, míg K + szivattyúzzák, (több…)
amint azt a 10. fejezet tárgyalja, az ionok membránon keresztüli áramlását mind az elektrokémiai gradiens koncentráció -, mind feszültségösszetevői vezérlik., Például a K+ 20-szor nagyobb koncentrációja a tintahal axon belsejében az extracelluláris folyadékhoz képest a K+ áramlását hajtja ki a sejtből. Mivel azonban a K+ pozitív töltésű, ez a K + efflux a sejtből elektromos potenciált generál a membránon keresztül, a sejt belseje negatív töltéssé válik. Ez a membránpotenciál ellenzi a k+ folyamatos áramlását a sejtből, a rendszer pedig megközelíti az egyensúlyi állapotot, amelyben a membránpotenciál kiegyensúlyozza a K+ koncentráció gradienst.,
Mennyiségileg, a kapcsolat ion koncentráció, illetve a membrán potenciál által megadott Nernst egyenlet:
ahol V az egyensúlyi potenciál v, R a gázállandó, T az abszolút hőmérséklet, a z a felelős az ion, F a Faraday-állandó, , Co, Ci a koncentráció, az ion kint is, de bent a cellában, ill. Minden egyes ion esetében külön-külön létezik egyensúlyi potenciál, a membránpotenciált pedig a plazmamembránon áthaladó összes Ion áramlása határozza meg., Mivel azonban pihen tintahal axonok nagyobb áteresztő, hogy a K+, mint a Na+, vagy más ionok (beleértve a Cl-), a membrán nyugalmi potenciál (-60 mV) közel van az egyensúlyi potenciál határozza meg a sejten belüli, mind az extracelluláris K+ koncentráció (-75 mV).
mivel az idegimpulzusok (akciós potenciálok) axonok mentén haladnak, a membrán depolarizálódik (12.21 ábra). A membránpotenciál -60 mV-ról körülbelül +30 mV-ra változik kevesebb, mint egy milliszekundum alatt, majd ismét negatívvá válik, és visszatér nyugalmi értékéhez., Ezek a változások a feszültséghatású Na + és K+ csatornák gyors szekvenciális nyitásából és zárásából erednek. A membránpotenciál viszonylag kis kezdeti változásai (-60-ról -40 mV-ra) a Na+ csatornák gyors megnyitásához vezetnek. Ez lehetővé teszi, hogy a Na+ bejusson a sejtbe, mind a koncentrációs gradiens, mind a membránpotenciál által vezérelve. A Na + hirtelen belépése a membránpotenciál nagy változásához vezet, ami közel +30 mV-ra nő, közelítve a Na+ egyensúlyi potenciálját körülbelül +50 mV-ra., Ebben az időben a Na+ csatornák inaktiválódnak, a feszültség-gált K+ csatornák kinyílnak, jelentősen növelve a membrán permeabilitását K+ – ra. K + ezután gyorsan áramlik ki a sejtből, mind a membránpotenciál, mind a K+ koncentráció gradiens hajtja, ami a membránpotenciál gyors csökkenéséhez vezet -75 mV-ig (a K+ egyensúlyi potenciál). A feszültséggátos k + csatornákat ezután inaktiváljuk, és a membránpotenciál visszatér a -60 mV nyugalmi szintjére, amelyet a K+ és más ionok áramlása határoz meg a nem stimulált sejtekben nyitott csatornákon keresztül.,
12.21
membránpotenciál és ioncsatornák egy akciós potenciál során. A) a membránpotenciál változása egy ponton egy tintahal óriás axonon egy inger után. Az ENA és az EK a na+ és a K + egyensúlyi potenciálja. B) a membránpotenciál (több…)
depolarizációjához szomszédos régiók a plazma membrán lehetővé teszi, cselekvési lehetőségek utazás hossza idegsejtek axonok, mint az elektromos jeleket, így a gyors továbbítása az idegi impulzusok nagy távolságokra., Például az emberi motoros neuronok axonjai több mint egy méter hosszúak lehetnek. Az akciópotenciálok érkezése a legtöbb Neuron terminusába jelzi a neurotranszmitterek, például az acetilkolin felszabadulását, amelyek jeleket hordoznak a sejtek között szinapszisban (12.22 ábra). A preszinaptikus sejtekből felszabaduló neurotranszmitterek a posztszinaptikus sejtek membránjain lévő receptorokhoz kötődnek, ahol ligand-gált ioncsatornák megnyitására hatnak. Ezeknek a csatornáknak az egyik legjobban jellemezhető az izomsejtek acetilkolin receptora., Az acetilkolin kötődése olyan csatornát nyit meg, amely mind a Na+, mind a K+számára átjárható. Ez lehetővé teszi a Na + gyors beáramlását, amely depolarizálja az izomsejt membránt, és cselekvési potenciált vált ki. Az akciós potenciál ezután feszültséggátos Ca2+ csatornák megnyitását eredményezi, ami az intracelluláris Ca2+ növekedéséhez vezet, amely összehúzódást jelez (lásd a 11.25 ábrát).
12.22
jelátvitel neurotranszmitter felszabadulással szinapszisban., Az idegimpulzus érkezése a neuron terminusába jelzi a szinaptikus vezikulumok fúzióját a plazmamembránnal, ami a neurotranszmitter felszabadulását eredményezi a preszinaptikus sejtből (több…)
az acetilkolin receptor, amelyet eredetileg a Torpedórugók elektromos szervéből izoláltak az 1970-es években, a ligandumos csatornák prototípusa. A receptor öt alegységből áll, amelyek hengerként vannak elrendezve a membránban (12.23 ábra). Zárt állapotában a csatorna pórusát úgy gondolják, hogy a hidrofób aminosavak oldalláncai blokkolják., A kötelező acetilkolin indukálja a reakcióelegy a receptor ilyen, hogy ezek a hidrofób oldalon láncok shift ki a csatorna nyitó pórusok, amely lehetővé teszi a folyosón a pozitív töltésű ionok, beleértve a Na+ K+. A csatorna azonban továbbra is áthatolhatatlan a negatív töltésű ionokra, például a Cl-re, mert negatív töltésű aminosavakkal van bélelve.
12.23
az acetilkolin receptor modellje. A receptor öt alegységből áll, amelyek egy központi pórus körül vannak elrendezve., Az acetilkolin kötődése a receptor extracelluláris régiójában lévő helyhez alloszterikus változásokat idéz elő, amelyek megnyitják a csatorna kapuját. A csatorna (több…)
a feszültséghatású Na+ és K+ csatornák nagyobb fokú ionszelektivitást mutatnak. Na + csatornák több mint tízszer több áteresztő Na + mint K+, míg K + csatornák több mint ezerszer több áteresztő K + mint Na+. A Na+ csatorna szelektivitása legalább részben magyarázható egy keskeny pórus alapján, amely méretszűrőként működik. A na + ionos sugara (0.,95 Å) kisebb, mint a K+ (1.33 Å), és úgy gondolják, hogy a Na + csatorna pórusa elég keskeny ahhoz, hogy zavarja a K+ vagy nagyobb ionok áthaladását (12.24 ábra).
12.24
Na+csatornák Ionszelektivitása. A keskeny pórus lehetővé teszi a na + áthaladását egyetlen vízmolekulához kötve, de zavarja a K+ vagy nagyobb ionok áthaladását.
k + csatornák is szűk pórusok, amelyek megakadályozzák a folyosón a nagyobb ionok., Mivel azonban a Na+ kisebb Ionos sugárral rendelkezik, ez nem jelenti ezeknek a csatornáknak a K+ – ra történő szelektív áteresztőképességét. A K+ csatorna szelektivitása egy másik mechanizmuson alapul, amelyet 1998-ban Röntgenkristályográfiával határoztak meg egy K+ csatorna háromdimenziós szerkezetének meghatározásával (12.25 ábra). A csatorna pórusa keskeny szelektivitási szűrőt tartalmaz, amely a polipeptid gerincéből származó karbonil-oxigén (C=O) atomokkal van bélelve., Amikor egy K + ion belép a szelektivitási szűrőbe, az ezekkel a karbonil-oxigénekkel való kölcsönhatások kiszorítják azokat a vízmolekulákat, amelyekhez a K+ kötődik, lehetővé téve a dehidratált k+ átjutását a póruson. Ezzel szemben a dehidratált Na+ túl kicsi ahhoz, hogy kölcsönhatásba lépjen ezekkel a karbonil-oxigénekkel a szelektivitási szűrőben, amelyet mereven nyitva tartanak. Következésképpen a Na+ vízmolekulákhoz kötődik egy hidratált komplexben, amely túl nagy ahhoz, hogy áthaladjon a csatornán.
12.25
k+csatornák szelektivitása., A K + csatorna keskeny szelektivitási szűrőt tartalmaz, amely karbonil-oxigén (C=O) atomokkal van bélelve. A pórus elég széles ahhoz, hogy lehetővé tegye a dehidratált k+ áthaladását, amelyből az összes kapcsolódó vízmolekulát elmozdították (több…)
Feszültséggátos Na+, K + és Ca2+ csatornák mind a kapcsolódó fehérjék nagy családjához tartoznak (12.26 ábra). Például a C. elegans genomszekvenciája közel 200 ioncsatornákat kódoló gént tárt fel, amelyek feltehetően szükségesek a sejtjelzés különböző szerepének lejátszásához., A K + csatornák négy azonos alegységből állnak, amelyek mindegyike két vagy hat transzmembrán α helixet tartalmaz. A Na+ és Ca2 + csatornák Egyetlen polipeptidláncból állnak, de minden polipeptid négy ismétlődő domaint tartalmaz, amelyek megfelelnek a K + csatorna alegységeknek. A feszültséggátozást az egyik transzmembrán α Helix közvetíti, amely több pozitív töltésű aminosavat tartalmaz. A membrán depolarizációja indukálja ezen pozitív töltések mozgását a sejt külső része felé, eltolva ennek a transzmembrán szegmensnek a helyzetét, megnyitva a csatornát., A Na+ és K+ csatornák gyors inaktiválását az akciós potenciál szaporítása során a polipeptidlánc citoplazmatikus részei közvetítik, amelyek a csatorna pórusának citoplazmatikus szájához kötődnek, és megakadályozzák a további ionáramlást (12.27 ábra).
12.26
Feszültséghatású kationcsatornák szerkezete. A K+, Na+ és Ca2 + csatornák a rokon fehérjék családjába tartoznak. A K + csatorna négy azonos alegység társulásából áll, amelyek közül az egyik látható. A Na + csatorna egyetlen polipeptidből áll (több…,)
12.27
k+és Na+csatornák inaktiválása. A feszültséggátos nyílást követően a K+ és Na + csatornák gyorsan inaktiválódnak a polipeptidláncok citoplazmatikus részeinek a pórushoz való kötődésével. A K + csatorna esetében az inaktivációt egy gömb-lánc közvetíti (több…)
az ioncsatornák széles választéka (beleértve a Ca2+ és Cl – csatornákat is) különböző neurotranszmitterekre reagál, vagy a membrán depolarizációját követően különböző kinetikával nyitott és közeli., Ezeknek a több csatornának az összehangolt akciói felelősek az idegrendszer jelátvitelének összetettségéért. Továbbá, amint azt a következő fejezetben tárgyaljuk, az ioncsatornák szerepe nem korlátozódik az ideg-és izomsejtek elektromosan gerjeszthető sejtjeire, hanem kritikus szerepet játszanak a jelátvitelben más sejttípusokban is. Az ioncsatornák szabályozott megnyitása és lezárása így a sejtek számára érzékeny és sokoldalú mechanizmust biztosít a különböző környezeti ingerekre való reagáláshoz.