kanały jonowe
w przeciwieństwie do białek nośnikowych, białka kanałowe po prostu tworzą otwarte pory w błonie, umożliwiając małym cząsteczkom o odpowiedniej wielkości i ładunku swobodne przechodzenie przez dwuwarstwę lipidową. Jedną z grup białek kanałowych, omówionych wcześniej, są poryny, które umożliwiają swobodny przepływ jonów i małych cząsteczek polarnych przez zewnętrzne błony bakterii (patrz rysunek 12.8)., Białka kanałowe umożliwiają również przejście cząsteczek między komórkami połączonymi w węzłach szczelinowych, które są omówione w dalszej części rozdziału. Błony plazmowe wielu komórek zawierają również białka kanału wodnego (akwaporyny), przez które cząsteczki wody są w stanie przenikać przez błonę znacznie szybciej, niż mogą dyfundować przez dwuwarstwę fosfolipidową. Najlepiej scharakteryzowane białka kanałowe to jednak kanały jonowe, które pośredniczą w przepływie jonów przez błony plazmatyczne., Chociaż kanały jonowe są obecne w błonach wszystkich komórek, zostały one szczególnie dobrze zbadane w nerwach i mięśniach, gdzie ich regulowane otwieranie i zamykanie jest odpowiedzialne za przekazywanie sygnałów elektrycznych.
trzy właściwości kanałów jonowych są kluczowe dla ich funkcji (rysunek 12.18). Po pierwsze, transport kanałami jest niezwykle szybki. Ponad milion jonów na sekundę przepływa przez otwarte kanały—szybkość przepływu około tysiąc razy większa niż szybkość transportu przez białka nośnikowe., Po drugie, kanały jonowe są wysoce selektywne, ponieważ wąskie pory w kanale ograniczają przejście do jonów o odpowiedniej wielkości i ładunku. W ten sposób specyficzne białka kanału umożliwiają przejście Na+, K+, Ca2+ i Cl – przez błonę. Po trzecie, większość kanałów jonowych nie jest stale otwarta. Zamiast tego otwieranie kanałów jonowych jest regulowane przez „bramy”, które przejściowo otwierają się w odpowiedzi na określone bodźce., Niektóre kanały (zwane ligandami) otwierają się w odpowiedzi na Wiązanie neuroprzekaźników lub innych cząsteczek sygnalizacyjnych; inne (kanały bramkowane napięciem) otwierają się w odpowiedzi na zmiany potencjału elektrycznego w błonie plazmowej.
rysunek 12.18
Model kanału jonowego. W konformacji zamkniętej przepływ jonów jest blokowany przez bramę. Otwarcie bramy umożliwia szybki przepływ jonów przez kanał. Kanał zawiera wąski por, który ogranicza przejście do jonów o odpowiedniej wielkości (więcej …,)
fundamentalna rola kanałów jonowych w transmisji impulsów elektrycznych została wyjaśniona poprzez serię eleganckich eksperymentów opisanych przez Alana Hodgkina i Andrew Huxleya w 1952 roku. Badacze ci użyli gigantycznych komórek nerwowych kałamarnicy jako modelu. Aksony tych gigantycznych neuronów mają średnicę około 1 mm, dzięki czemu możliwe jest wstawianie elektrod i mierzenie zmian potencjału błonowego, które zachodzą podczas przekazywania impulsów nerwowych., Stosując to podejście Hodgkin i Huxley wykazali, że te zmiany potencjału błonowego wynikają z regulowanego otwierania i zamykania kanałów Na+ I K+ w błonie osocza. Następnie stało się możliwe badanie aktywności poszczególnych kanałów jonowych, przy użyciu techniki patch clamp opracowanej przez Erwina Nehera i Berta Sakmanna w 1976 roku (rysunek 12.19)., W tej metodzie mikropipeta o średnicy końcówki około 1 µm jest używana do wyizolowania małego fragmentu membrany, umożliwiając analizę przepływu jonów przez pojedynczy kanał i znacznie zwiększając precyzję, z jaką można badać aktywność kanałów jonowych.
rysunek 12.19
technika zacisku łaty. W końcówce mikropipety wyizolowany jest niewielki fragment membrany. Bodźce mogą być następnie stosowane z wnętrza pipety, umożliwiając pomiar zachowania uwięzionego kanału. (Adaptacja E. Neher I B. Sakmann, 1992. (więcej.,..)
przepływ jonów przez kanały membranowe jest zależny od ustalenia gradientów jonów przez błonę plazmową. Wszystkie komórki, w tym nerwy i mięśnie, zawierają pompy jonowe (omówione w następnej sekcji), które wykorzystują energię pochodzącą z hydrolizy ATP do aktywnego transportu jonów przez błonę osocza. W rezultacie skład jonowy cytoplazmy znacznie różni się od składu płynów pozakomórkowych (tabela 12.1). Na przykład Na+ jest aktywnie wypompowywana z komórek, podczas gdy k+ jest pompowana., W aksonie kałamarnicy stężenie Na+ jest około 10 razy wyższe w płynach pozakomórkowych niż wewnątrz komórki, podczas gdy stężenie K+ jest około 20 razy wyższe w cytozolu niż w otaczającym ośrodku.
tabela 12.1
zewnątrzkomórkowe i wewnątrzkomórkowe stężenia jonów.
ponieważ jony są naładowane elektrycznie, ich transport powoduje powstanie gradientu elektrycznego przez błonę plazmową., W przypadku aksonów kałamarnicy spoczynkowej istnieje potencjał elektryczny około 60 mV przez błonę plazmową, przy czym wnętrze komórki jest ujemne w stosunku do zewnątrz (rysunek 12.20). Ten potencjał elektryczny powstaje zarówno z pomp jonowych, jak i z przepływu jonów przez kanały, które są otwarte w spoczynkowej błonie plazmowej komórki. Błona plazmowa spoczynkowych aksonów kałamarnicy zawiera otwarte kanały K+, więc jest bardziej przepuszczalna dla K+ niż dla Na+ lub innych jonów. W konsekwencji przepływ K+ ma największy udział w potencjale membrany spoczynkowej.,
rysunek 12.20
gradienty jonów i potencjał spoczynkowy aksonu kałamarnicy olbrzymiej. Pokazano tylko stężenia Na + I K+, ponieważ są to jony, które działają w przekazywaniu impulsów nerwowych. Na+ jest pompowana z komórki, podczas gdy k+ jest pompowana, (więcej…)
jak opisano w rozdziale 10, przepływ jonów przez membranę jest napędzany zarówno przez składowe stężenia, jak i napięcia gradientu elektrochemicznego., Na przykład 20-krotnie wyższe stężenie K+ wewnątrz aksonu kałamarnicy w porównaniu do płynu pozakomórkowego napędza przepływ k+ z komórki. Jednakże, ponieważ K+ jest naładowany dodatnio, ten wypływ K+ z komórki generuje potencjał elektryczny przez membranę, a wnętrze komórki staje się naładowane ujemnie. Ten potencjał błonowy sprzeciwia się ciągłemu przepływowi K+ z komórki, a układ zbliża się do stanu równowagi, w którym potencjał błonowy równoważy gradient stężenia K+.,
ilościowo zależność między stężeniem jonów a potencjałem membranowym jest określona przez równanie Nernsta:
gdzie V jest potencjałem równowagi w woltach, R jest stałą gazową, T jest temperaturą bezwzględną, z jest ładunkiem jonu, F jest stałą Faradaya, a Co i Ci są stężeniami jonu Na zewnątrz i wewnątrz komórki, odpowiednio. Potencjał równowagi istnieje oddzielnie dla każdego jonu, a potencjał błonowy jest określony przez przepływ wszystkich jonów, które przecinają błonę plazmową., Jednakże, ponieważ aksony kałamarnicy spoczynkowej są bardziej przepuszczalne dla K + niż dla na + lub innych jonów (w tym Cl -), potencjał spoczynkowy błony (-60 mV) jest zbliżony do potencjału równowagi wyznaczonego przez wewnątrzkomórkowe i zewnątrzkomórkowe stężenia K+ (-75 mV).
gdy impulsy nerwowe (potencjały działania) przemieszczają się wzdłuż aksonów, błona depolaryzuje (rysunek 12.21). Potencjał membrany zmienia się od -60 mV do około +30 mV w czasie krótszym niż milisekunda, po czym ponownie staje się ujemny i wraca do wartości spoczynkowej., Zmiany te wynikają z szybkiego sekwencyjnego otwierania i zamykania napięciowo bramkowanych kanałów Na+ I K+. Stosunkowo niewielkie początkowe zmiany potencjału membranowego (od -60 do około -40 mV) prowadzą do szybkiego otwarcia kanałów Na+. Umożliwia to przepływ Na+ do komórki, napędzany zarówno gradientem stężenia, jak i potencjałem błonowym. Nagłe wejście Na+ prowadzi do dużej zmiany potencjału membranowego, który wzrasta do prawie + 30 mV, zbliżając się do potencjału równowagi Na + około + 50 mV., W tym czasie kanały Na+ są inaktywowane i otwierane napięciowo kanały K+, znacznie zwiększając przepuszczalność membrany do K+. Następnie K+ szybko wypływa z komórki, napędzany zarówno potencjałem błonowym, jak i gradientem stężenia K+, co prowadzi do szybkiego spadku potencjału błonowego do około -75 mV (potencjału równowagi K+). Kanały bramkowane napięciem K+ są następnie inaktywowane, a potencjał membranowy powraca do stanu spoczynku -60 mV, określanego przez przepływ K+ i innych jonów przez kanały, które pozostają otwarte w komórkach niesymulowanych.,
rysunek 12.21
potencjał membranowy i kanały jonowe podczas potencjału czynnościowego. A) zmiany potencjału błonowego w jednym punkcie aksonu olbrzyma kałamarnicy w następstwie bodźca. ENa i EK są potencjałami równowagi odpowiednio dla Na+ I K+. B) potencjał błonowy (więcej…)
depolaryzacja sąsiednich regionów błony plazmowej umożliwia potencjałom działania przemieszczanie się w dół długości aksonów komórek nerwowych jako sygnałów elektrycznych, co powoduje szybkie przekazywanie impulsów nerwowych na duże odległości., Na przykład aksony ludzkich neuronów ruchowych mogą mieć ponad metr długości. Pojawienie się potencjałów działania na końcu większości neuronów sygnalizuje następnie uwalnianie neuroprzekaźników, takich jak acetylocholina, które przenoszą sygnały między komórkami w synapsie (rysunek 12.22). Neuroprzekaźniki uwalniane z komórek presynaptycznych wiążą się z receptorami na błonach komórek postsynaptycznych, gdzie działają na otwarte kanały jonowe bramkowane ligandem. Jednym z najlepiej charakteryzujących się tych kanałów jest receptor acetylocholiny komórek mięśniowych., Wiązanie acetylocholiny otwiera kanał przepuszczalny zarówno dla Na+ , jak i K+. Pozwala to na szybki napływ Na+, który depolaryzuje błonę komórkową mięśni i wyzwala potencjał działania. Potencjał działania skutkuje następnie otwarciem kanałów Ca2+ z bramką napięciową, prowadząc do wzrostu wewnątrzkomórkowego Ca2+, który sygnalizuje skurcz (patrz rysunek 11.25).
rysunek 12.22
Sygnalizacja przez uwalnianie neuroprzekaźników w synapsie., Pojawienie się impulsu nerwowego na końcu neuronu sygnalizuje fuzję pęcherzyków synaptycznych z błoną osocza, co skutkuje uwolnieniem neuroprzekaźnika z komórki presynaptycznej do (więcej…)
receptor acetylocholiny, początkowo wyizolowany z elektrycznego narządu promieni torpedowych w latach 70. Receptor składa się z pięciu podjednostek ułożonych jako cylinder w błonie (rysunek 12.23). W stanie zamkniętym uważa się, że pory kanału są blokowane przez łańcuchy boczne aminokwasów hydrofobowych., Wiązanie acetylocholiny indukuje zmianę konformacyjną w receptorze, tak że te hydrofobowe łańcuchy boczne przesuwają się poza kanał, otwierając pory, które umożliwiają przejście dodatnio naładowanych jonów, w tym na + I K+. Jednak kanał pozostaje nieprzepuszczalny dla ujemnie naładowanych jonów, takich jak Cl -, ponieważ jest wyłożony ujemnie naładowanymi aminokwasami.
rysunek 12.23
Model receptora acetylocholiny. Receptor składa się z pięciu podjednostek ułożonych wokół centralnego poru., Wiązanie acetylocholiny z miejscem w pozakomórkowym regionie receptora indukuje zmiany allosteryczne, które otwierają bramę kanału. Kanał (Więcej…)
większy stopień selektywności jonów jest wyświetlany przez bramki napięciowe kanałów Na+ I K+. Kanały Na+ są ponad dziesięć razy bardziej przepuszczalne dla Na+ niż dla K+, podczas gdy kanały K+ są ponad tysiąc razy bardziej przepuszczalne dla K+ niż dla na+. Selektywność kanału Na+ można wyjaśnić, przynajmniej częściowo, na podstawie wąskich porów, które działają jak filtr wielkości. Promień jonowy Na+ (0 .,95 Å) jest mniejszy niż K+ (1,33 Å) i uważa się, że pory kanału Na+ są wystarczająco wąskie, aby zakłócać Przejście K+ lub większych jonów (rysunek 12.24).
rysunek 12.24
selektywność jonowa kanałów Na+. Wąski por pozwala na przejście Na + związanego z pojedynczą cząsteczką wody, ale zakłóca Przejście K+ lub większych jonów.
kanały K+ mają również wąskie pory, które zapobiegają przenikaniu większych jonów., Ponieważ jednak Na+ ma mniejszy promień jonowy, nie uwzględnia to selektywnej przepuszczalności tych kanałów do K+. Selektywność kanału K+ opiera się na innym mechanizmie, który został wyjaśniony z wyznaczeniem trójwymiarowej struktury kanału K+ za pomocą krystalografii rentgenowskiej w 1998 roku (rysunek 12.25). Por kanału zawiera wąski filtr selektywności, który jest wyłożony atomami tlenu karbonylowego (C = O) ze szkieletu polipeptydu., Kiedy Jon K+ wchodzi do filtra selektywności, interakcje z tymi tlenami karbonylowymi wypierają cząsteczki wody, z którymi wiąże się K+, umożliwiając odwodnione K+ przechodzenie przez pory. Natomiast odwodniony Na+ jest zbyt mały, aby oddziaływać z tymi tlenkami karbonylowymi w filtrze selektywności, który jest sztywno otwarty. W związku z tym Na+ pozostaje związany z cząsteczkami wody w uwodnionym kompleksie, który jest zbyt duży, aby przejść przez kanał.
rysunek 12.25
selektywność kanałów K+., Kanał K+ zawiera wąski filtr selektywności wyłożony atomami tlenu karbonylowego (C = O). Por jest na tyle szeroki, że umożliwia przejście odwodnionego K+, z którego wszystkie związane z nim cząsteczki wody zostały wyparte jako (więcej…)
kanały na+, K+ i Ca2+ należą do dużej rodziny powiązanych białek (rysunek 12.26). Na przykład sekwencja genomu C. elegans ujawniła prawie 200 genów kodujących kanały jonowe, które prawdopodobnie są potrzebne do odgrywania różnych ról w sygnalizacji komórkowej., Kanały K+ składają się z czterech identycznych podjednostek, z których każda zawiera dwie lub sześć Helis transmembranowych α. Kanały na+ i Ca2 + składają się z pojedynczego łańcucha polipeptydowego, ale każdy polipeptyd zawiera cztery powtórzone domeny, które odpowiadają podjednostkom kanału K+. Bramkowanie napięciowe jest pośredniczone przez jedną z Helis transmembranowych α, która zawiera wiele dodatnio naładowanych aminokwasów. Depolaryzacja membrany indukuje ruch tych ładunków dodatnich Na zewnątrz komórki, przesuwając położenie tego segmentu transmembrany i otwierając kanał., Szybka inaktywacja kanałów Na + I K+ podczas propagacji potencjałów działania jest następnie pośredniczona przez cytoplazmatyczne części łańcucha polipeptydowego, które wiążą się z cytoplazmatycznym ujściem porów kanału i zapobiegają dalszemu przepływowi jonów (rysunek 12.27).
rysunek 12.26
struktury kanałów kationowych bramkowanych napięciem. Kanały K+, na+ i Ca2+ należą do rodziny powiązanych białek. Kanał K+ powstaje ze skojarzenia czterech identycznych podjednostek, z których jedna jest pokazana. Kanał Na+ składa się z pojedynczego polipeptydu (więcej…,)
rysunek 12.27
inaktywacja kanałów K+i Na+. Po otwarciu z bramką napięciową kanały K+ i Na+ są szybko inaktywowane przez wiązanie cytoplazmatycznych części łańcuchów polipeptydowych z porem. W przypadku kanału K+ inaktywacja odbywa się za pomocą kuli i łańcucha (więcej…)
szeroka gama kanałów jonowych (w tym kanały Ca2+ i CL) reaguje na różne neuroprzekaźniki lub otwiera się i zamyka z różną kinetyką po depolaryzacji membrany., Wspólne działania tych wielu kanałów są odpowiedzialne za złożoność sygnalizacji w układzie nerwowym. Co więcej, jak omówiono w następnym rozdziale, rola kanałów jonowych nie ogranicza się do elektrycznie pobudliwych komórek nerwowych i mięśniowych; odgrywają one również kluczową rolę w sygnalizacji w innych typach komórek. Regulowane otwieranie i zamykanie kanałów jonowych zapewnia komórkom wrażliwy i wszechstronny mechanizm reagowania na różne bodźce środowiskowe.