– Ion-Tv
I motsetning til transportøren proteiner, kanal proteiner rett og slett form åpne porene i membranen, slik at små molekyler i passende størrelse og kostnad å passere fritt gjennom lipid bilayer. En gruppe av kanal proteiner, som er diskutert tidligere, er porins, som tillater fri passasje av ioner og små polare molekyler gjennom den ytre membran av bakterier (se Figur 12.8)., Kanal proteiner også tillate passering av molekyler mellom celler koblet på gapet veikryss, som er omtalt senere i kapitlet. Plasma-membraner av mange celler inneholder også vann kanal proteiner (aquaporins), gjennom vann-molekylene er i stand til å krysse membranen mye raskere enn de kan spre gjennom fosfolipid bilayer. Den beste-preget kanal proteiner, er imidlertid ion-tv, noe som megle passering av ioner over plasma-membraner., Selv om ion-tv er til stede i slimhinner i alle celler, de har blitt spesielt godt studert i nerve og muskel, hvor deres regulert åpning og lukking er ansvarlig for overføring av elektriske signaler.
Tre egenskaper av ion-tv er sentrale for deres funksjon (Figur 12.18). Første, transport via tv er ekstremt rask. Mer enn en million ioner per sekund strømme gjennom åpne tv—en vannføring på ca tusen ganger større enn pris for transport av transportøren proteiner., Andre, ion-tv er svært selektiv fordi trange porer i kanalen begrense passasje til ioner i passende størrelse og kostnad. Dermed bestemt kanal proteiner tillate passering av Na+, K+, Ca2+ og Cl – over membranen. For det tredje, de fleste ion-tv er ikke permanent åpne. I stedet for åpning av ion-tv er regulert av «porter» som forbigående kan åpne i respons til spesifikke stimuli., Noen kanaler (kalt ligand-gating-tv) åpne i respons til binding av nevrotransmittere eller andre signalmolekyler, andre (spenning-gating-tv) åpne i respons til endringer i elektriske potensialet over plasma membran.
Figur 12.18
Modell av et ion-kanal. I lukket konformasjon, strømmen av ioner er blokkert av en gate. Åpning av porten lar ioner til å flyte raskt gjennom kanalen. Kanalen inneholder en smal pore som begrenser passasje til ioner i passende størrelse (mer…,)
grunnleggende rolle ion-tv i overføring av elektriske impulser ble belyst gjennom en rekke elegante eksperimenter som er rapportert av Alan Hodgkin og Andrew Huxley i 1952. Disse etterforskerne brukte gigantiske nerve celler av blekksprut som en modell. Den axons av disse gigantiske nevroner har en diameter på ca 1 mm, noe som gjør det mulig å sette inn elektroder og måle endringer i membranen potensial som finner sted under overføring av nervesignaler., Ved hjelp av denne tilnærmingen, Hodgkin og Huxley vist at disse endringene i membranen potensielt resultat fra regulert åpning og lukking av Na+ og K+ – kanaler i plasma membran. Det ble deretter mulig å studere aktivitet i enkelte ion-tv, bruker patch-clamp-teknikk utviklet av Erwin Neher og Bert Sakmann i 1976 (Figur 12.19)., I denne metoden, en micropipette med tips en diameter på ca 1 µm brukes til å isolere en liten lapp av membranen, slik at strømmen av ioner gjennom en felles kanal for å bli analysert, og i stor grad øke presisjonen som aktiviteter av ion-tv kan bli studert.
Figur 12.19
patch-clamp-teknikk. En liten lapp av membranen er isolert i spissen av en micropipette. Stimuli kan deretter brukes fra dråpetelleren, slik at oppførselen til de som er fanget kanal som skal måles. (Tilpasset fra E. Neher og B. Sakmann, 1992. (mer.,..)
strømmen av ioner gjennom membranen tv er avhengig av etablering av ion-gradienter over plasma membran. Alle celler, inkludert nerve og muskel, inneholder ion-pumper (omtalt i neste avsnitt) som bruker energi fra ATP hydrolyse til aktivt å transportere ioner over plasma membran. Som et resultat, de ioniske sammensetning av cytoplasma er vesentlig forskjellige fra det som ekstracellulære væsker (Tabell 12.1). For eksempel, Na+ er aktivt pumpet ut av celler, mens K+ pumpes inn., I squid axon, derfor er konsentrasjonen av Na+ er ca 10 ganger høyere i ekstracellulære væsker enn inne i cellen, mens konsentrasjonen av K+ er ca 20 ganger høyere i cytosol enn i det omkringliggende mediet.
Tabell 12.1
Ekstracellulære og Intracellulære Ion-Konsentrasjoner.
Fordi ionene er elektrisk ladet, transport resulterer i etablering av en elektrisk gradient over plasma membran., Med hvilende blekksprut axons det er en elektrisk potensial på ca 60 mV over plasma membran, med innsiden av cellen negative med hensyn til utsiden (Figur 12.20). Denne elektriske potensialet oppstår både fra ion-pumper og fra strømmen av ioner gjennom kanaler som er åpne i hvile celle plasma membran. Plasma membran hvile blekksprut axons inneholder åpne K+ – kanaler, så det er mer gjennomtrengelig for K+ enn Na+ eller andre ioner. Følgelig, flyten av K+ gjør det største bidraget til hvile membran potensial.,
Figur 12.20
Ion-graderinger og hvile membran potensial av kjempeblekksprut axon. Bare konsentrasjoner av Na+ og K+ er vist, fordi disse er ioner som fungerer i overføring av nerveimpulser. Na+ pumpes ut av cellen mens K+ pumpes i, (mer…)
Som omtalt i Kapittel 10, strømmen av ioner over en membran er drevet av både konsentrasjon og spenning komponenter i en elektrokjemisk gradient., For eksempel 20 ganger høyere konsentrasjon av K+ inne blekksprut axon i forhold til den ekstracellulære væsken stasjoner flyten av K+ ut av cellen. Imidlertid, fordi K+ er positivt ladet, dette efflux av K+ ut av cellen genererer et elektrisk potensial over membranen, og med innsiden av cellen blir negativt ladet. Denne membranen potensielle motsetter seg den kontinuerlige strømmen av K+ ut av cellen, og systemet nærmer seg likevekt tilstand, der membranen potensielle balanserer K+ konsentrasjon gradient.,
Kvantitativt, forholdet mellom ion konsentrasjon og membran potensialet er gitt ved Nernst ligning:
hvor V er likevekt potensial i volt, R er gass konstant, T er den absolutte temperaturen, z er ansvarlig for ion, F er Faraday ‘ s konstant, og Co og Ci er konsentrasjonene av ion innsiden og utsiden av cellen, henholdsvis. En likevekt potensial separat for hvert ion, og membranen potensialet er bestemt av flyten av alle ioner som krysser plasma membran., Imidlertid, fordi hviler blekksprut axoner mer gjennomtrengelig for K+ enn Na+ eller andre ioner (inkludert Cl-), hviler membran potensial (-60 mV) er nær likevekt potensielle bestemt av den intracellulære og ekstracellulære K+ – konsentrasjoner (-75 mV).
Som nerve impulser (handling potensialer) reise langs axons, membran depolarizes (Figur 12.21). Membranen potensielle endringer fra -60 mV til ca +30 mV i mindre enn ett millisekund, etter som det blir negativ igjen og går tilbake til sitt hvilested verdi., Disse endringene er en følge av den raske sekvensiell åpning og lukking av spenning-gating Na+ og K+ – kanaler. Relativt små innledende endringer i membranen potensial (fra -60 til ca -40 mV) føre til rask åpning av Na+ – kanaler. Dette gjør at Na+ strømmer inn i cellen, drevet av både konsentrasjon fargeovergang og membran potensial. Den plutselige oppføring av Na+ fører til en stor endring i membranen potensial, som øker til nesten +30 mV, nærmer seg Na+ likevekt potensial på ca +50 mV., På denne tiden, Na+ – kanaler er inaktivert og spenning-gating K+ – kanaler åpne, betydelig økt permeabilitet av membranen K+. K+ strømmer så raskt ut av cellen, drevet av både membran potensial og K+ – konsentrasjonen gradient, som fører til en rask reduksjon i membranen potensial til om -75 mV (K+ likevekt potensial). Spenning-gating K+ – kanaler er så inaktivert og membranen potensielle returnerer til sitt hvilested nivå av -60 mV, bestemmes av flyten av K+ og andre ioner gjennom kanaler som fortsatt er åpne i unstimulated celler.,
Figur 12.21
Membran potensial og ion-tv i løpet av en handling potensial. (En) Endringer i membranen potensialet i et punkt på en gigantisk blekksprut axon etter en stimulus. ENa og EK er det likevekt potensialer for Na+ og K+, henholdsvis. (B) membranen potensial (mer…)
Depolarization av tilstøtende regioner i plasma membran gjør action-potensialer til å reise ned lengden av nervecelle axons som elektriske signaler, noe som resulterer i rask overføring av nerveimpulser over lange avstander., For eksempel, den axons av menneskets motoriske nevroner kan være mer enn en meter lang. Ankomsten av action-potensialer ved endestasjonen mest nevroner deretter signaler frigjøring av nevrotransmittere, slik som acetylkolin, som bærer signaler mellom cellene i en synapse (Figur 12.22). Nevrotransmittere utgitt fra presynaptic cellene binder seg til reseptorer på membraner av postsynaptiske celler, der de lov til å åpne ligand-gating-ion-tv. En av de beste-preget av disse kanalene er acetylkolin reseptor av muskelceller., Binding av acetylkolin åpner en kanal som er gjennomtrengelig for både Na+ og K+. Dette tillater rask strøm av Na+, som depolarizes muskel celle membran og utløser en handling potensial. Handlingen potensielle deretter resultatene i åpningen av spenning-gating Ca2+ – kanaler, noe som fører til økning i intracellulære Ca2+ som signaliserer sammentrekning (se Figur 11.25).
Figur 12.22
Signalering av nevrotransmitter slipp på en synapse., Ankomsten av en nerve impuls på terminus av nevron signaler fusjon av synaptisk blemmer med plasma membran, noe som resulterer i utslipp av nevrotransmitter fra presynaptic celle til (mer…)
acetylkolin reseptoren, er opprinnelig isolert fra elektrisk orgel av Torpedo stråler på 1970-tallet, er prototypen av ligand-gating-tv. Reseptoren består av fem underenhetene arrangert som en sylinder i membranen (Figur 12.23). I lukket tilstand, kanal pore er tenkt å bli blokkert av sidekjeder av hydrofobe aminosyrer., Binding av acetylkolin induserer en conformational endring i reseptoren, slik at disse hydrofobe sidekjeder skift ut av kanalen, åpne en pore som tillater passering av positivt ladede ioner, inkludert Na+ og K+. Men kanalen fortsatt er ugjennomtrengelig for negativt ladede ioner, som for eksempel Cl-, fordi det er omgitt av negativt ladede aminosyrer.
Figur 12.23
Modell av acetylkolin reseptor. Reseptoren består av fem underenhetene arrangert rundt en sentral pore., Binding av acetylkolin til et webområde i den ekstracellulære delen av reseptoren induserer allosteric endringer som åpner kanalen gate. Kanalen (mer…)
En større grad av ion-selektivitet vises av spenning-gating Na+ og K+ – kanaler. Na+ kanalene er mer enn ti ganger mer gjennomtrengelig for Na+ enn for K+, mens K+ – tv er mer enn tusen ganger mer gjennomtrengelig for K+ enn Na+. Den selektivitet av Na+ kanaler kan forklares, i det minste delvis, på grunnlag av en smal pore som fungerer som en størrelse filter. Ionic radius av Na+ (0.,95➀) er mindre enn K+ (1.33➀), og det er antatt at Na+ kanaler pore er smale nok til å forstyrre passering av K+ eller større ioner (Figur 12.24).
Figur 12.24
Ion-selektivitet av Na+ – kanaler. En smal pore tillater passering av Na+ er bundet til en enkelt vann molekylet, men kommer i konflikt med passering av K+ eller større ioner.
K+ kanaler har også trange porer, som hindrer passering av større ioner., Imidlertid, siden Na+ har en mindre ioniske radius, dette gjør ikke rede for den selektive permeabilitet av disse kanalene for K+. Selektivitet av K+ – kanal er basert på en annen mekanisme, som ble belyst med fastsettelsen av den tredimensjonale struktur av et K+ – kanal ved X-ray crystallography i 1998 (Figur 12.25). Kanalen pore inneholder en smal selektivitet filter som er foret med karbonyl oksygen (C=O) atomer fra polypeptid ryggraden., Når en K+ – ion går selektivitet filter, interaksjoner med disse karbonyl oxygens fortrenge vann molekyler som K+ er bundet, slik at dehydrert K+ for å passere gjennom porene. I motsetning, en dehydrert Na+ er for små til å samhandle med disse karbonyl oxygens i selektivitet filter, som er holdt strengt åpne. Derfor, Na+ forblir bundet til vannmolekyler i en hydrert kompleks som er for store til å passere gjennom kanalen.
Figur 12.25
Selektivitet av K+ – kanaler., K+ – kanal inneholder en smal selektivitet filter foret med karbonyl oksygen (C=O) atomer. Porene er akkurat stor nok til å tillate passering av dehydrert K+ som alle er tilknyttet vann-molekylene har blitt fordrevet som (mer…)
Spenning-gating Na+, K+ og Ca2+ – kanaler hører alle til en stor familie av beslektede proteiner (Figur 12.26). For eksempel, den genom sekvens av C. elegans har avslørt nesten 200 genene som koder ion-tv, noe som antagelig er nødvendig for å spille ulike roller i celle signalering., K+ kanaler består av fire identiske underenhetene, som hver inneholder to eller seks av verdens α helices. Na+ og Ca2+ – kanaler bestå av ett polypeptid kjede, men hver polypeptid inneholder fire gjentatt domener som svarer til K+ – kanal underenhetene. Spenning avgrensning er mediert av en av verdens α helices, som inneholder flere positivt ladet aminosyrer. Membran depolarization induserer bevegelse av disse positive ladninger mot utsiden av cellen, skifter posisjon, dette er en av verdens segment og åpne kanalen., Rask inaktivering av Na+ og K+ – kanaler i løpet av forplantning av handlingen potensialet er så mediert av cytoplasmatiske deler av polypeptid-kjeden, som binder seg til cytoplasma munningen av kanalen pore og hindre ytterligere ion-flow (Figur 12.27).
Figur 12.26
Strukturer av spenning-gating kation-tv. K+, Na+ og Ca2+ – kanaler tilhører en familie av beslektede proteiner. K+ – kanal er dannet fra foreningen av fire identiske underenhetene, en som er vist. Na+ – kanal består av en enkelt polypeptid (mer…,)
Figur 12.27
Inaktivering av K+og Na+ – kanaler. Følgende spenning-gating åpning, K+ og Na+ – kanaler er raskt inaktivert ved binding av cytoplasmatiske deler av polypeptid kjeder til sykdommen. For K+ – kanal, inaktivering er mediert av en ball-og-kjede (mer…)
Et bredt utvalg av ion-tv (inkludert Ca2+ og Cl – tv) reagerer på ulike nevrotransmittere eller åpne og lukke med forskjellige kinetikk følgende membran depolarization., Felles handlinger av disse flere kanaler er ansvarlig for kompleksiteten av signalering i nervesystemet. Dessuten, som vi har diskutert i neste kapittel, roller av ion-tv er ikke begrenset til elektrisk hissige celler av nerve og muskel, de spiller også viktige roller i signalering i andre celletyper. Regulert for åpning og lukking av ion-tv dermed gir cellene med en følsom og allsidig mekanisme for å svare på en rekke stimuli fra miljøet.