canale ionice
spre deosebire de proteinele purtătoare, proteinele canalului formează pur și simplu pori deschiși în membrană, permițând moleculelor mici de dimensiunea și încărcarea corespunzătoare să treacă liber prin bistrat lipidic. Un grup de proteine de canal, discutate mai devreme, este porinele, care permit trecerea liberă a ionilor și a moleculelor polare mici prin membranele exterioare ale bacteriilor (vezi figura 12.8)., Proteinele canalului permit, de asemenea, trecerea moleculelor între celulele conectate la joncțiunile gap, care sunt discutate mai târziu în Capitol. Membranele plasmatice ale multor celule conțin, de asemenea, proteine ale canalelor de apă (aquaporine), prin care moleculele de apă sunt capabile să traverseze membrana mult mai rapid decât pot difuza prin bistrat fosfolipid. Cu toate acestea, cele mai bine caracterizate proteine de canal sunt canalele ionice, care mediază trecerea ionilor prin membranele plasmatice., Deși canalele ionice sunt prezente în membranele tuturor celulelor, acestea au fost deosebit de bine studiate în nervi și mușchi, unde deschiderea și închiderea lor reglementată sunt responsabile de transmiterea semnalelor electrice.trei proprietăți ale canalelor ionice sunt centrale pentru funcția lor (figura 12.18). În primul rând, transportul prin canale este extrem de rapid. Mai mult de un milion de ioni pe secundă curg prin canale deschise—un debit de aproximativ o mie de ori mai mare decât rata de transport de către proteinele purtătoare., În al doilea rând, canalele ionice sunt foarte selective, deoarece porii înguste din canal restricționează trecerea la ioni de dimensiune și încărcare corespunzătoare. Astfel, proteinele specifice canalului permit trecerea Na+, K+, Ca2+ și Cl – peste membrană. În al treilea rând, majoritatea canalelor ionice nu sunt deschise permanent. În schimb, deschiderea canalelor ionice este reglementată de” porți ” care se deschid tranzitoriu ca răspuns la stimuli specifici., Unele canale (numite canale cu ligand) se deschid ca răspuns la legarea neurotransmițătorilor sau a altor molecule de semnalizare; altele (canale cu tensiune) se deschid ca răspuns la modificările potențialului electric din membrana plasmatică.
figura 12.18
modelul unui canal ion. În conformația închisă, fluxul de ioni este blocat de o poartă. Deschiderea porții permite ionilor să curgă rapid prin canal. Canalul conține un por îngust care restricționează trecerea la ioni de dimensiunea corespunzătoare (mai mult…,rolul fundamental al canalelor ionice în transmiterea impulsurilor electrice a fost elucidat printr-o serie de experimente elegante raportate de Alan Hodgkin și Andrew Huxley în 1952. Acești anchetatori au folosit celulele nervoase gigantice ale calmarului ca model. Axonii acestor neuroni giganți au un diametru de aproximativ 1 mm, ceea ce face posibilă introducerea electrozilor și măsurarea modificărilor potențialului membranei care au loc în timpul transmiterii impulsurilor nervoase., Folosind această abordare, Hodgkin și Huxley au demonstrat că aceste modificări ale potențialului membranei rezultă din deschiderea și închiderea reglementată a canalelor Na+ și K+ din membrana plasmatică. Ulterior a devenit posibilă studierea activității canalelor ionice individuale, folosind tehnica clemei de plasture dezvoltată de Erwin Neher și Bert Sakmann în 1976 (figura 12.19)., În această metodă, o micropipetă cu un diametru al vârfului de aproximativ 1 µm este utilizată pentru a izola un mic plasture de membrană, permițând analiza fluxului de ioni printr-un singur canal și creșterea foarte mare a preciziei cu care pot fi studiate activitățile canalelor ionice.
figura 12.19
tehnica clemei de plasture. Un mic plasture de membrană este izolat în vârful unei micropipete. Stimulii pot fi apoi aplicați din interiorul pipetei, permițând măsurarea comportamentului canalului prins. (Adaptat după E. Neher și B. Sakmann, 1992. (mai mult.,..fluxul de ioni prin canalele membranare depinde de stabilirea gradienților ionici pe membrana plasmatică. Toate celulele, inclusiv nervii și mușchii, conțin pompe de ioni (discutate în secțiunea următoare) care utilizează energia derivată din hidroliza ATP pentru a transporta în mod activ ioni în membrana plasmatică. Ca rezultat, compoziția ionică a citoplasmei este substanțial diferită de cea a fluidelor extracelulare (tabelul 12.1). De exemplu, Na+ este pompat activ din celule în timp ce K+ este pompat., Prin urmare, în axonul calmarului, concentrația de Na+ este de aproximativ 10 ori mai mare în fluidele extracelulare decât în interiorul celulei, în timp ce concentrația de K+ este de aproximativ 20 de ori mai mare în citosol decât în mediul înconjurător.
tabelul 12.1
concentrațiile ionilor extracelulare și intracelulare. deoarece ionii sunt încărcați electric, transportul lor are ca rezultat stabilirea unui gradient electric pe membrana plasmatică., În cazul axonilor calmari în repaus, există un potențial electric de aproximativ 60 mV pe membrana plasmatică, cu interiorul celulei negativ față de exterior (figura 12.20). Acest potențial electric apare atât din pompele de ioni, cât și din fluxul de ioni prin canale care sunt deschise în membrana plasmatică a celulei de repaus. Membrana plasmatică a axonilor calmari în repaus conține canale deschise K+, deci este mai permeabilă la K+ decât la Na+ sau alți ioni. În consecință, fluxul de k+ aduce cea mai mare contribuție la potențialul membranei de repaus.,
figura 12.20
gradienții ionici și potențialul membranei de repaus al axonului calmarului gigant. Sunt prezentate numai concentrațiile de Na+ și K+, deoarece acestea sunt ionii care funcționează în transmiterea impulsurilor nervoase. Na+ este pompat din celulă în timp ce K+ este pompat în, (mai mult…așa cum s-a discutat în Capitolul 10, fluxul de ioni pe o membrană este condus atât de componentele de concentrație, cât și de tensiune ale unui gradient electrochimic., De exemplu, concentrația de K+ de 20 de ori mai mare în interiorul axonului squid în comparație cu fluidul extracelular conduce fluxul de K+ din celulă. Cu toate acestea, deoarece K+ este încărcat pozitiv, acest eflux de K+ din celulă generează un potențial electric pe membrană, interiorul celulei devenind încărcat negativ. Acest potențial de membrană se opune fluxului continuu de K+ din celulă, iar sistemul se apropie de starea de echilibru, în care potențialul membranei echilibrează gradientul de concentrație K+.,
din punct de vedere Cantitativ, relația dintre concentrația de ioni și potențialul de membrană este dată de ecuația lui Nernst:
în cazul în care V este potențialul de echilibru în volți, R este constanta de gaz, T este temperatura absolută, z este sarcina ionului, F este a lui Faraday constanta, și Co și Ci sunt concentrațiile de ioni în afara și în interiorul celulei, respectiv. Un potențial de echilibru există separat pentru fiecare ion, iar potențialul membranei este determinat de fluxul tuturor ionilor care traversează membrana plasmatică., Cu toate acestea, deoarece axonii calmarului de repaus sunt mai permeabili la K+ decât la Na+ sau alți ioni (inclusiv Cl -), potențialul membranei de repaus (-60 mV) este aproape de potențialul de echilibru determinat de concentrațiile intracelulare și extracelulare K+ (-75 mV).pe măsură ce impulsurile nervoase (potențialele de acțiune) se deplasează de-a lungul axonilor, membrana se depolarizează (figura 12.21). Potențialul membranei se modifică de la -60 mV la aproximativ +30 mV în mai puțin de o milisecundă, după care devine din nou negativ și revine la valoarea sa de repaus., Aceste modificări rezultă din deschiderea și închiderea secvențială rapidă a canalelor Na+ și K + cu tensiune. Modificările inițiale relativ mici ale potențialului membranei (de la -60 la aproximativ -40 mV) conduc la deschiderea rapidă a canalelor Na+. Acest lucru permite Na + să curgă în celulă, condus atât de gradientul său de concentrație, cât și de potențialul membranei. Intrarea bruscă a Na+ duce la o schimbare mare a potențialului membranei, care crește până la aproape +30 mV, apropiindu-se de potențialul de echilibru Na+ de aproximativ +50 mV., În acest moment, canalele Na+ sunt inactivate și canalele K+ cu tensiune deschisă, crescând substanțial permeabilitatea membranei la K+. K+ curge apoi rapid din celulă, condus atât de potențialul membranei, cât și de gradientul de concentrație K+, ceea ce duce la o scădere rapidă a potențialului membranei la aproximativ -75 MV (potențialul de echilibru K+). Canalele K + cu tensiune închisă sunt apoi inactivate și potențialul membranei revine la nivelul său de repaus de -60 MV, determinat de fluxul de K+ și alți ioni prin canalele care rămân deschise în celulele nestimulate.,
figura 12.21
potențialul membranei și canalele ionice în timpul unui potențial de acțiune. (A) Modificări ale potențialului membranei la un moment dat pe un axon gigant calmar în urma unui stimul. ENa și EK sunt potențialele de echilibru pentru Na+ și, respectiv, K+. (B) potențialul membranei (mai mult…depolarizarea regiunilor adiacente ale membranei plasmatice permite potențialelor de acțiune să călătorească pe lungimea axonilor celulelor nervoase ca semnale electrice, ducând la transmiterea rapidă a impulsurilor nervoase pe distanțe lungi., De exemplu, axonii neuronilor motori umani pot avea o lungime mai mare de un metru. Sosirea potențialelor de acțiune la capătul majorității neuronilor semnalează apoi eliberarea neurotransmițătorilor, cum ar fi acetilcolina, care transportă semnale între celule la o sinapsă (figura 12.22). Neurotransmițătorii eliberați din celulele presinaptice se leagă de receptorii de pe membranele celulelor postsinaptice, unde acționează pentru a deschide canalele ionice ligandate. Unul dintre cele mai bine caracterizate dintre aceste canale este receptorul de acetilcolină al celulelor musculare., Legarea acetilcolinei deschide un canal permeabil atât la Na+ cât și la K+. Acest lucru permite afluxul rapid de Na+, care depolarizează membrana celulelor musculare și declanșează un potențial de acțiune. Potențialul de acțiune are ca rezultat apoi deschiderea canalelor Ca2+ dependente de tensiune, ceea ce duce la creșterea Ca2+ intracelular care semnalează contracția (vezi figura 11.25).
figura 12.22
semnalizarea prin eliberarea neurotransmițătorului la o sinapsă., Sosirea unui impuls nervos la capătul neuronului semnalează fuziunea veziculelor sinaptice cu membrana plasmatică, rezultând eliberarea neurotransmițătorului din celula presinaptică în (mai mult…receptorul acetilcolinei, izolat inițial de organul electric al razelor torpile în anii 1970, este prototipul canalelor cu ligand. Receptorul este format din cinci subunități aranjate ca un cilindru în membrană (figura 12.23). În starea sa închisă, se crede că porii canalului sunt blocați de lanțurile laterale ale aminoacizilor hidrofobi., Legarea acetilcolinei induce o schimbare conformațională a receptorului, astfel încât aceste lanțuri laterale hidrofobe se deplasează din canal, deschizând un por care permite trecerea ionilor încărcați pozitiv, inclusiv Na+ și K+. Cu toate acestea, canalul rămâne impermeabil la ionii încărcați negativ, cum ar fi Cl -, deoarece este căptușit de aminoacizi încărcați negativ.
figura 12.23
modelul receptorului acetilcolinei. Receptorul este format din cinci subunități dispuse în jurul unui por central., Legarea acetilcolinei la un situs din regiunea extracelulară a receptorului induce modificări alosterice care deschid poarta canalului. Canalul (mai mult…)
un grad mai mare de selectivitate a ionilor este afișat de canalele Na+ și K+ cu tensiune închisă. Canalele Na+ sunt de peste zece ori mai permeabile la Na+ decât la K+, în timp ce canalele K+ sunt de peste o mie de ori mai permeabile la K+ decât la Na+. Selectivitatea canalului Na+ poate fi explicată, cel puțin parțial, pe baza unui por îngust care acționează ca un filtru de dimensiuni. Raza ionică a Na+ (0.,95 Å) este mai mică decât cea a lui K + (1,33 Å) și se crede că porul canalului Na+ este suficient de îngust pentru a interfera cu trecerea ionilor K+ sau mai mari (figura 12.24).
figura 12.24
selectivitatea ionică a canalelor Na+. Un por îngust permite trecerea Na + legat la o singură moleculă de apă, dar interferează cu trecerea K+ sau ioni mai mari. canalele K + au, de asemenea, pori înguste, care împiedică trecerea ionilor mai mari., Cu toate acestea, deoarece Na+ are o rază Ionică mai mică, aceasta nu ține cont de permeabilitatea selectivă a acestor canale la K+. Selectivitatea canalului K+ se bazează pe un mecanism diferit, care a fost elucidat cu determinarea structurii tridimensionale a unui canal K+ prin cristalografie cu raze X în 1998 (figura 12.25). Porul canalului conține un filtru îngust de selectivitate care este căptușit cu atomi de carbonil oxigen (C=o) din coloana vertebrală a polipeptidei., Când un ion K+ intră în filtrul de selectivitate, interacțiunile cu acești oxizi de carbonil deplasează moleculele de apă la care K+ este legat, permițând k+ deshidratat să treacă prin pori. În schimb, un na + deshidratat este prea mic pentru a interacționa cu acești oxizi de carbonil în filtrul de selectivitate, care este ținut rigid deschis. În consecință, Na + rămâne legat de moleculele de apă într-un complex hidratat care este prea mare pentru a trece prin canal.
figura 12.25
selectivitatea canalelor K+., Canalul K + conține un filtru îngust de selectivitate căptușit cu atomi de carbonil oxigen (C=o). Porul este suficient de larg pentru a permite trecerea k+ deshidratat din care toate moleculele de apă asociate au fost deplasate ca (mai mult…)
canalele Na+, K+ și Ca2+ cu tensiune, toate aparțin unei familii mari de proteine înrudite (figura 12.26). De exemplu, secvența genomului lui C. elegans a dezvăluit aproape 200 de gene care codifică canalele ionice, care probabil sunt necesare pentru a juca roluri diverse în semnalizarea celulară., Canalele K + constau din patru subunități identice, fiecare conținând două sau șase helici α transmembranare. Canalele Na+ și Ca2 + constau dintr-un singur lanț polipeptidic, dar fiecare polipeptidă conține patru domenii repetate care corespund subunităților canalului K+. Tensiunea de închidere este mediată de una dintre helicele α transmembranare, care conține mai mulți aminoacizi încărcați pozitiv. Depolarizarea membranei induce mișcarea acestor sarcini pozitive spre exteriorul celulei, schimbând poziția acestui segment transmembranar și deschizând canalul., Inactivarea rapidă a canalelor Na+ și K+ în timpul propagării potențialelor de acțiune este apoi mediată de porțiuni citoplasmatice ale lanțului polipeptidic, care se leagă de gura citoplasmatică a porilor canalului și împiedică fluxul ionic suplimentar (figura 12.27).
figura 12.26
structuri de canale cation tensiune inchisa. Canalele K+, Na+ și Ca2+ aparțin unei familii de proteine înrudite. Canalul K+ este format din asocierea a patru subunități identice, dintre care una este prezentată. Canalul Na+ constă dintr-o singură polipeptidă (mai mult…,)
figura 12.27
inactivarea canalelor K+și Na+. După deschiderea cu tensiune închisă, canalele K+ și Na+ sunt inactivate rapid prin legarea porțiunilor citoplasmatice ale lanțurilor polipeptidice de pori. Pentru canalul K+, inactivarea este mediată de o bilă și lanț (mai mult…o mare varietate de canale ionice (inclusiv Ca2+ și canale Cl) răspund la diferiți neurotransmițători sau se deschid și se închid cu o cinetică diferită după depolarizarea membranei., Acțiunile concertate ale acestor canale multiple sunt responsabile de complexitatea semnalizării în sistemul nervos. Mai mult, așa cum s-a discutat în capitolul următor, rolurile canalelor ionice nu se limitează la celulele excitabile electric ale nervilor și mușchilor; ele joacă, de asemenea, roluri critice în semnalizarea în alte tipuri de celule. Deschiderea și închiderea reglementată a canalelor ionice oferă astfel celulelor un mecanism sensibil și versatil pentru a răspunde la o varietate de stimuli de mediu.