ionenkanalen
in tegenstelling tot dragereiwitten vormen kanaaleiwitten eenvoudig open poriën in het membraan, waardoor kleine moleculen van de juiste grootte en lading vrij door de lipide bilaag kunnen passeren. Een groep kanaaleiwitten, die eerder werd besproken, is de porinen, die de vrije doorgang van ionen en kleine polaire moleculen door de buitenste membranen van bacteriën mogelijk maken (zie figuur 12.8)., De kanaalproteã nen staan ook de passage van molecules tussen cellen toe die bij gapverbindingen worden verbonden, die later in het hoofdstuk worden besproken. De plasmamembranen van veel cellen bevatten ook waterkanaalproteïnen (aquaporinen), waardoor watermoleculen het membraan veel sneller kunnen passeren dan ze door de fosfolipide bilayer kunnen diffunderen. De best-gekarakteriseerde kanaalproteã nen, echter, zijn de ionenkanalen, die de passage van ionen over plasmamembranen bemiddelen., Hoewel ionenkanalen aanwezig zijn in de membranen van alle cellen, zijn ze vooral goed bestudeerd in zenuw en spier, waar hun gereguleerde opening en sluiting verantwoordelijk is voor de transmissie van elektrische signalen.
drie eigenschappen van ionenkanalen staan centraal in hun functie (figuur 12.18). Ten eerste verloopt het vervoer via de kanalen zeer snel. Meer dan een miljoen ionen per seconde stromen door open kanalen – een stroomsnelheid ongeveer duizend keer groter dan het tarief van vervoer door dragerproteã nen., Ten tweede zijn ionenkanalen zeer selectief omdat smalle poriën in het kanaal de doorgang beperken tot ionen van de juiste grootte en lading. Aldus, staan de specifieke kanaalproteã nen de passage van Na+, K+, Ca2+, en Cl – over het membraan toe. Ten derde zijn de meeste ionenkanalen niet permanent open. In plaats daarvan, wordt het openen van ionenkanalen geregeld door “poorten” die tijdelijk in reactie op specifieke stimuli openen., Sommige kanalen (genoemd ligand-gated kanalen) openen in reactie op de band van neurotransmitters of andere signalerende molecules; andere (voltage-gated kanalen) openen in reactie op veranderingen in elektrisch potentieel over het plasmamembraan.
figuur 12.18
Model van een ionenkanaal. In de gesloten bouw wordt de stroom van ionen geblokkeerd door een poort. Door het openen van de poort kunnen ionen snel door het kanaal stromen. Het kanaal bevat een smalle porie die de doorgang beperkt tot ionen van de juiste grootte (meer…,)
de fundamentele rol van ionenkanalen in de transmissie van elektrische impulsen werd opgehelderd door een reeks elegante experimenten die werden gerapporteerd door Alan Hodgkin en Andrew Huxley in 1952. Deze onderzoekers gebruikten de gigantische zenuwcellen van de inktvis als model. De axonen van deze gigantische neuronen hebben een diameter van ongeveer 1 mm, waardoor het mogelijk is om elektroden in te voegen en de veranderingen in membraanpotentiaal te meten die plaatsvinden tijdens de overdracht van zenuwimpulsen., Met behulp van deze aanpak toonden Hodgkin en Huxley aan dat deze veranderingen in membraanpotentiaal het gevolg zijn van het gereguleerde openen en sluiten van na+ – en K+ – kanalen in het plasmamembraan. Vervolgens werd het mogelijk de activiteit van individuele ionenkanalen te bestuderen met behulp van de patchklem techniek ontwikkeld door Erwin Neher en Bert Sakmann in 1976 (figuur 12.19)., In deze methode, wordt een micropipet met een puntdiameter van ongeveer 1 µm gebruikt om een klein Flard van membraan te isoleren, toestaand de stroom van ionen door één enkel kanaal om worden geanalyseerd en zeer verhogend de precisie waarmee de activiteiten van ionenkanalen kunnen worden bestudeerd.
figuur 12.19
de patch clamp techniek. Een kleine Flard van membraan wordt geïsoleerd in de punt van een micropipet. Stimuli kunnen dan vanuit de pipet worden toegepast, waardoor het gedrag van het ingesloten kanaal kan worden gemeten. (Naar E. Neher en B. Sakmann, 1992. (meer.,..)
de stroom van ionen door membraankanalen is afhankelijk van de vestiging van iongradiënten door het plasmamembraan. Alle cellen, inclusief zenuw en spier, bevatten ionenpompen (besproken in de volgende paragraaf) die energie uit ATP hydrolyse gebruiken om actief ionen door het plasmamembraan te transporteren. Dientengevolge, is de ionische samenstelling van het cytoplasma wezenlijk verschillend van die van extracellulaire vloeistoffen (tabel 12.1). Bijvoorbeeld, Na + wordt actief gepompt uit cellen terwijl K+ wordt gepompt in., In de pijlinktvis axon, daarom, is de concentratie van Na + ongeveer 10 keer hoger in extracellulaire vloeistoffen dan in de cel, terwijl de concentratie van K+ ongeveer 20 keer hoger in cytosol is dan in het omringende medium.
tabel 12.1
extracellulaire en intracellulaire Ionconcentraties.
omdat ionen elektrisch geladen zijn, resulteert hun transport in de vorming van een elektrische gradiënt over het plasmamembraan., Bij rustgevende pijlinktvisaxonen is er een elektrisch potentiaal van ongeveer 60 mV over het plasmamembraan, met de binnenkant van de cel negatief ten opzichte van de buitenkant (figuur 12.20). Deze elektrische potentiaal ontstaat zowel uit ionenpompen als uit de stroom van ionen door kanalen die open zijn in het membraan van het rustcelplasma. Het plasmamembraan van rustgevende inktvis axonen bevat open K + kanalen, dus het is meer permeabel voor K+ dan voor Na+ of andere ionen. Daardoor levert de stroom van K+ de grootste bijdrage aan het rustmembraan potentieel.,
figuur 12.20
Iongradiënten en restmembraanpotentiaal van de reuzeninktvis axon. Alleen de concentraties van Na+ en K+ worden getoond, omdat dit de ionen zijn die in de transmissie van zenuwimpulsen functioneren. Na+ wordt uit de cel gepompt terwijl K+ wordt gepompt, (meer…)
zoals besproken in hoofdstuk 10 wordt de stroom van ionen door een membraan aangedreven door zowel de concentratie-als spanningscomponenten van een elektrochemische gradiënt., Bijvoorbeeld, drijft de 20-voudige hogere concentratie van K + binnen pijlinktvis axon in vergelijking met de extracellulaire vloeistof de stroom van K + uit de cel. Nochtans, omdat K + positief geladen is, produceert deze efflux van K+ van de cel een elektrisch potentieel over het membraan, met de binnenkant van de cel negatief geladen wordt. Dit membraanpotentiaal verzet zich tegen de voortdurende stroom van K + uit de cel, en het systeem benadert de evenwichtstoestand, waarin het membraanpotentiaal de k+ concentratiegradiënt in evenwicht brengt.,
kwantitatief wordt het verband tussen ionenconcentratie en membraanpotentiaal aangegeven met de Nernst-vergelijking:
waarbij V het evenwichtspotentiaal in volt is, R de gasconstante is, T de absolute temperatuur is, z de lading van het ion is, F de constante van Faraday is, en co en Ci de concentraties van het ion buiten en binnen in de cel zijn. Een evenwichtspotentiaal bestaat afzonderlijk voor elk ion, en het membraanpotentiaal wordt bepaald door de stroom van alle ionen die het plasmamembraan passeren., Omdat rustgevende pijlinktvisaxonen echter meer doorlaatbaar zijn voor K+ dan voor Na+ of andere ionen (inclusief Cl -), ligt het rustmembraan potentiaal (-60 mV) dicht bij het evenwicht potentiaal bepaald door de intracellulaire en extracellulaire K+ concentraties (-75 mV).
naarmate zenuwimpulsen (actiepotentialen) langs axonen bewegen, depolariseert het membraan (figuur 12.21). Het membraanpotentieel verandert van -60 MV aan ongeveer + 30 mV in minder dan een milliseconde, waarna het opnieuw negatief wordt en aan zijn rustwaarde terugkeert., Deze veranderingen zijn het gevolg van het snel sequentieel openen en sluiten van spanningsgesloten na+-en K+ – kanalen. Relatief kleine initiële veranderingen in membraanpotentiaal (van -60 tot ongeveer -40 mV) leiden tot de snelle opening van Na+ kanalen. Dit staat Na+ toe om in de cel te stromen, die door zowel zijn concentratiegradiënt als het membraanpotentieel wordt gedreven. De plotselinge ingang van Na+ leidt tot een grote verandering in membraanpotentiaal, die tot bijna +30 mV toeneemt, die het na+ – evenwichtspotentiaal van ongeveer +50 mV benaderen., Op dit moment, zijn de Na+ kanalen geïnactiveerd en voltage-gated K+ kanalen open, aanzienlijk verhogen van de permeabiliteit van het membraan aan K+. K + stroomt dan snel uit de cel, gedreven door zowel de membraanpotentiaal als de k + concentratiegradiënt, wat leidt tot een snelle afname van membraanpotentiaal tot ongeveer -75 mV (het K+ evenwichtspotentiaal). De voltage-gated K + kanalen worden dan geïnactiveerd en de membraanpotentiaal keert terug naar zijn rustniveau van -60 mV, bepaald door de stroom van K+ en andere ionen door de kanalen die open blijven in niet-gestimuleerde cellen.,
figuur 12.21
membraanpotentiaal en ionenkanalen tijdens een actiepotentiaal. (A) veranderingen in membraanpotentiaal op een bepaald punt op een pijlinktreus axon na een stimulus. ENa en EK zijn het evenwichtspotentieel voor respectievelijk Na+ en K+. (B) het membraanpotentieel (meer…)
depolarisatie van aangrenzende gebieden van het plasmamembraan maakt het mogelijk actiepotentialen als elektrische signalen over de lengte van zenuwcelaxonen te verplaatsen, wat resulteert in de snelle overdracht van zenuwimpulsen over lange afstanden., De axonen van menselijke motorische neuronen kunnen bijvoorbeeld meer dan een meter lang zijn. De komst van actiepotentialen aan het eind van de meeste neuronen signaleert dan de afgifte van neurotransmitters, zoals acetylcholine, die signalen tussen cellen in een synaps dragen (figuur 12.22). Neurotransmitters die van presynaptic cellen worden vrijgegeven binden aan receptoren op de membranen van postsynaptic cellen, waar zij werken om ligand-gated ionenkanalen te openen. Een van de best gekarakteriseerde van deze kanalen is de acetylcholine receptor van spiercellen., Binding van acetylcholine opent een kanaal dat doorlaatbaar is voor zowel Na+ als K+. Dit staat de snelle instroom van Na+ toe, die het membraan van de spiercel depolariseert en een actiepotentieel teweegbrengt. De actiepotentiaal resulteert dan in het openen van spanningsgesloten Ca2+ kanalen, wat leidt tot de toename van intracellulaire Ca2+ die contractie signaleert (zie figuur 11.25).
figuur 12.22
signalering door afgifte van neurotransmitters bij een synaps., De komst van een zenuwimpuls aan het eind van het neuron signaleert de fusie van synaptische blaasjes met het plasmamembraan, resulterend in de afgifte van neurotransmitter van de presynaptische cel in (meer…)
De acetylcholinereceptor, aanvankelijk geïsoleerd uit het elektrische orgaan van Torpedostralen in de jaren 1970, is het prototype van ligand-gated kanalen. De receptor bestaat uit vijf subeenheden gerangschikt als een cilinder in het membraan (figuur 12.23). In zijn gesloten staat, wordt de kanaalporie verondersteld om door de zijkettingen van hydrophobic aminozuren worden geblokkeerd., De band van acetylcholine veroorzaakt een conformational verandering in de receptor zodanig dat deze hydrophobic zijketens uit het kanaal verschuiven, die een porie openen die de passage van positief geladen ionen, met inbegrip van na+ en K+toestaat. Nochtans, blijft het kanaal ondoordringbaar aan negatief geladen ionen, zoals Cl -, omdat het door negatief geladen aminozuren wordt gevoerd.
figuur 12.23
Model van de acetylcholine receptor. De receptor bestaat uit vijf subeenheden rond een centrale porie., De band van acetylcholine aan een plaats in het extracellulaire gebied van de receptor veroorzaakt allosteric veranderingen die de kanaalpoort openen. Het kanaal (meer…)
een grotere mate van ionenselectiviteit wordt weergegeven door de spanningsgesloten na+-en K+ – kanalen. Na+ – kanalen zijn meer dan tien keer permeabel voor Na+ dan voor K+, terwijl K+ – kanalen meer dan duizend keer permeabel zijn voor K+ dan voor Na+. De selectiviteit van het na+ kanaal kan, althans gedeeltelijk, worden verklaard op basis van een smalle porie die fungeert als een groottefilter. De Ionische straal van Na+ (0.,95 Å) is kleiner dan die van K+ (1,33 Å), en men denkt dat de na+ kanaalporiën smal genoeg zijn om de doorgang van K+ of Grotere ionen te verstoren (figuur 12.24).
figuur 12.24
Ion selectiviteit van Na+kanalen. Een smalle porie staat de passage van na + toe gebonden aan één enkel watermolecuul maar interfereert met de passage van K+ of Grotere ionen.
k + kanalen hebben ook smalle poriën, die het passeren van Grotere ionen voorkomen., Aangezien Na+ echter een kleinere ionradius heeft, houdt dit geen rekening met de selectieve permeabiliteit van deze kanalen naar K+. De selectiviteit van het K+ kanaal is gebaseerd op een ander mechanisme, dat werd opgehelderd met de bepaling van de driedimensionale structuur van een K+ kanaal door röntgenkristallografie in 1998 (figuur 12.25). De kanaalporiën bevatten een smalle selectiviteitsfilter dat bekleed is met carbonylzuurstof (C=O) atomen uit de polypeptide backbone., Wanneer een K+ – ion het selectiviteitsfilter ingaat, verplaatsen de interacties met deze carbonyloxygenen de watermoleculen waaraan K+ gebonden is, waardoor uitgedroogde K+ door de porie kan gaan. Daarentegen is een gedehydrateerde Na+ te klein om met deze carbonyloxygenen te interageren in het selectiviteitsfilter, dat stevig open wordt gehouden. Bijgevolg blijft Na+ gebonden aan watermoleculen in een gehydrateerd complex dat te groot is om door het kanaal te gaan.
figuur 12.25
selectiviteit van K+ – kanalen., Het K + kanaal bevat een smalle selectiviteitsfilter bekleed met carbonylzuurstof (C=O) atomen. De porie is net breed genoeg om de passage van gedehydrateerde K+ waaruit alle bijbehorende watermoleculen zijn verplaatst als (meer…)
Spanningsgesloten Na+ -, K+ – en Ca2+ – kanalen behoren allen tot een grote familie van verwante eiwitten (figuur 12.26). Bijvoorbeeld, heeft de genoomopeenvolging van C. elegans bijna 200 genen geopenbaard die ionenkanalen coderen, die vermoedelijk nodig zijn om diverse rollen in cel het signaleren te spelen., K+ – kanalen bestaan uit vier identieke subeenheden die elk twee of zes transmembrane α-helices bevatten. De kanalen Na+ en Ca2+ bestaan uit één enkele polypeptideketen, maar elk polypeptide bevat vier herhaalde domeinen die aan de subeenheden van het K+ kanaal beantwoorden. Het spanningsgat wordt gemedieerd door een van de transmembrane α-helices, die meerdere positief geladen aminozuren bevat. Membraandepolarisatie veroorzaakt de beweging van deze positieve ladingen naar de buitenkant van de cel, die de positie van dit transmembraansegment verschuiven en het kanaal openen., De snelle inactivering van de na+ – en K+ – kanalen tijdens de voortplanting van actiepotentialen wordt dan gemedieerd door cytoplasmische delen van de polypeptideketen, die zich binden aan de cytoplasmische mond van de kanaalporiën en verdere ionenstroom verhinderen (figuur 12.27).
figuur 12.26
structuren van spanningsgesloten kationenkanalen. De kanalen K+, Na+, en Ca2+ behoren tot een familie van verwante proteã nen. Het K + kanaal wordt gevormd uit de associatie van vier identieke subeenheden, waarvan er één wordt getoond. Het na + kanaal bestaat uit een enkel polypeptide (meer…,)
figuur 12.27
inactivatie van K+ – en Na+ – kanalen. Na het voltage-gated openen, worden de kanalen K+ en na+ snel geïnactiveerd door de band van cytoplasmic delen van de polypeptidekettingen aan de porie. Voor het K + kanaal, inactivatie wordt gemedieerd door een bal-en-keten (meer…)
een grote verscheidenheid aan ionenkanalen (waaronder Ca2+ en Cl – kanalen) reageren op verschillende neurotransmitters of openen en sluiten met verschillende kinetiek na membraandepolarisatie., De gecoördineerde acties van deze meerdere kanalen zijn verantwoordelijk voor de complexiteit van het signaleren in het zenuwstelsel. Bovendien, zoals besproken in het volgende hoofdstuk, zijn de rollen van ionenkanalen niet beperkt tot de Elektrisch prikkelbare cellen van zenuw en spier; zij spelen ook kritieke rollen in het signaleren in andere celtypes. Het geregelde openen en sluiten van ionenkanalen voorziet cellen aldus van een gevoelig en veelzijdig mechanisme om aan een verscheidenheid van milieuprikkels te reageren.