jonkanaler
i motsats till bärarproteiner bildar kanalproteiner helt enkelt öppna porer i membranet, vilket gör att små molekyler av lämplig storlek och laddning passerar fritt genom lipidskiktet. En grupp av kanalproteiner, som diskuterades tidigare, är porinerna, som tillåter fri passage av joner och små polära molekyler genom bakteriens yttre membran (se figur 12.8)., Kanalproteiner tillåter också passage av molekyler mellan celler kopplade vid klyftkorsningar, som diskuteras senare i kapitlet. Plasmamembran i många celler innehåller också vattenkanalproteiner (aquaporiner), genom vilka vattenmolekyler kan korsa membranet mycket snabbare än de kan diffundera genom fosfolipidbilagret. De bäst karaktäriserade kanalproteinerna är emellertid jonkanalerna, som förmedlar jonernas passage över plasmamembran., Även om jonkanaler är närvarande i alla cellers membran, har de blivit särskilt väl studerade i nerv och muskel, där deras reglerade öppning och stängning är ansvarig för överföring av elektriska signaler.
tre egenskaper hos jonkanaler är centrala för deras funktion (figur 12.18). För det första är transport via kanaler extremt snabb. Mer än en miljon joner per sekund strömmar genom öppna kanaler-en flödeshastighet ungefär tusen gånger större än transporthastigheten med bärarproteiner., För det andra är jonkanaler mycket selektiva eftersom smala porer i kanalen begränsar passage till joner av lämplig storlek och laddning. Sålunda tillåter specifika kanalproteiner passagen av Na+, K+, Ca2+ och Cl – över membranet. För det tredje är de flesta jonkanaler inte permanent öppna. I stället regleras öppningen av jonkanaler av ”grindar” som transient öppnas som svar på specifika stimuli., Vissa kanaler (kallade ligand-gated kanaler) öppnas som svar på bindningen av neurotransmittorer eller andra signalmolekyler; andra (spänningsgaterade kanaler) öppnas som svar på förändringar i elektrisk potential över plasmamembranet.
figur 12.18
modell av en jonkanal. I den slutna konformationen blockeras flödet av joner av en grind. Öppning av porten tillåter joner att strömma snabbt genom kanalen. Kanalen innehåller en smal por som begränsar passage till joner av lämplig storlek (mer…,)
jonkanalernas grundläggande roll i överföringen av elektriska impulser belystes genom en serie eleganta experiment som rapporterades av Alan Hodgkin och Andrew Huxley 1952. Dessa utredare använde bläckfiskens jätte nervceller som modell. Axonerna hos dessa jätteneuroner har en diameter på ca 1 mm, vilket gör det möjligt att sätta in elektroder och mäta förändringarna i membranpotentialen som äger rum under överföringen av nervimpulser., Med hjälp av detta tillvägagångssätt visade Hodgkin och Huxley att dessa förändringar i membranpotentialen berodde på den reglerade öppningen och stängningen av NA+ – och K+ – kanaler i plasmamembranet. Det blev därefter möjligt att studera aktiviteten hos enskilda jonkanaler, använda patch-clamp-teknik som utvecklats av Erwin Neher och Bert Sakmann 1976 (Figur 12.19)., I denna metod används en mikropipett med en spetsdiameter på ca 1 µm för att isolera ett litet membran, vilket gör att flödet av joner genom en enda kanal kan analyseras och kraftigt ökar precisionen med vilken jonkanalernas verksamhet kan studeras.
figur 12.19
patch clamp-tekniken. En liten fläck av membran isoleras i spetsen av en mikropipett. Stimuli kan sedan appliceras inifrån pipetten, vilket gör att beteendet hos den fångade kanalen kan mätas. (Anpassad från E. Neher och B. Sakmann, 1992. (mer.,..)
flödet av joner genom membrankanaler är beroende av upprättandet av jongradienter över plasmamembranet. Alla celler, inklusive nerv och muskel, innehåller jonpumpar (diskuteras i nästa avsnitt) som använder energi som härrör från ATP-hydrolys för att aktivt transportera joner över plasmamembranet. Som ett resultat skiljer sig den joniska sammansättningen av cytoplasman väsentligt från den hos extracellulära vätskor (tabell 12.1). Till exempel pumpas Na+ aktivt ut ur celler medan K+ pumpas in., I bläckfiskaxonen är koncentrationen av Na + därför ca 10 gånger högre i extracellulära vätskor än inuti cellen, medan koncentrationen av K+ är ungefär 20 gånger högre i cytosolen än i det omgivande mediet.
tabell 12.1
extracellulära och intracellulära Jonkoncentrationer.
eftersom joner är elektriskt laddade resulterar deras transport i inrättandet av en elektrisk gradient över plasmamembranet., Med vilande squid axoner finns en elektrisk potential på ca 60 mV över plasmamembranet, med insidan av cellen negativ med avseende på utsidan (figur 12.20). Denna elektriska potential uppstår både från jonpumpar och från flödet av joner genom kanaler som är öppna i vilande cellplasmembranet. Plasmamembranet för vilande bläckfiskaxoner innehåller öppna k+ – kanaler, så det är mer permeabelt att K+ än till Na+ eller andra joner. Följaktligen ger flödet av K+ det största bidraget till vilomembranpotentialen.,
figur 12.20
Jon gradienter och vilande membranpotential hos jätte squid axon. Endast koncentrationerna av Na+ och K+ visas, eftersom dessa är de joner som fungerar vid överföring av nervimpulser. Na + pumpas ut ur cellen medan K + pumpas in, (mer…)
som diskuterats i kapitel 10 drivs flödet av joner över ett membran av både koncentrations-och spänningskomponenterna i en elektrokemisk gradient., Till exempel driver den 20-faldiga högre koncentrationen av k+ inuti bläckfiskaxonen jämfört med den extracellulära vätskan flödet av K+ ut ur cellen. Men eftersom K+ är positivt laddad, genererar denna efflux av K + från cellen en elektrisk potential över membranet, med insidan av cellen blir negativt laddad. Denna membranpotential motsätter sig det fortsatta flödet av K + ut ur cellen, och systemet närmar sig jämviktstillståndet, där membranpotentialen balanserar k+ koncentrationsgradienten.,
kvantitativt ges förhållandet mellan jonkoncentration och membranpotential genom Nernst-ekvationen:
där V är jämviktspotentialen i volt, R är gaskonstanten, T är den absoluta temperaturen, z är laddningen av jonen, F är Faradays konstant och Co och Ci är koncentrationerna av jonen utanför respektive inuti cellen. En jämviktspotential finns separat för varje jon, och membranpotentialen bestäms av flödet av alla joner som korsar plasmamembranet., Eftersom vilande squid-axoner är mer permeabla för K+ än för Na + eller andra joner (inklusive Cl -) ligger vilande membranpotential (-60 mV) nära jämviktspotentialen bestämd av de intracellulära och extracellulära k+ – koncentrationerna (-75 MV).
som nervimpulser (aktionspotentialer) färdas längs axoner, depolariserar membranet (figur 12.21). Membranpotentialen förändras från -60 MV till ungefär +30 MV på mindre än en millisekund, varefter den blir negativ igen och återgår till viloläge., Dessa förändringar beror på den snabba sekventiella öppningen och stängningen av spänningsgaterade NA+-och K+ – kanaler. Relativt små initiala förändringar i membranpotentialen (från -60 till ca -40 MV) leder till snabb öppning av Na+ – kanaler. Detta gör det möjligt för Na+ att strömma in i cellen, driven av både dess koncentrationsgradient och membranpotentialen. Den plötsliga inträdet av Na+ leder till en stor förändring i membranpotentialen, vilket ökar till nästan +30 MV, närmar sig na+ jämviktspotentialen på cirka +50 MV., Vid denna tidpunkt inaktiveras Na+ – kanalerna och spänningsgaterade k+-kanaler öppnas, vilket väsentligt ökar membranets permeabilitet till K+. K + strömmar sedan snabbt ut ur cellen, driven av både membranpotentialen och k+ koncentrationsgradienten, vilket leder till en snabb minskning av membranpotentialen till ca -75 MV (k + jämviktspotentialen). De spänningsgaterade k + – kanalerna inaktiveras sedan och membranpotentialen återgår till viloläget på -60 mV, bestämt av flödet av K+ och andra joner genom kanalerna som förblir öppna i ostimulerade celler.,
figur 12.21
membranpotential och jonkanaler under en aktionspotential. A) förändringar i membranpotentialen vid en punkt på en bläckfiskjätten axon efter en stimulans. ENa och EK är jämviktspotentialerna för Na+ respektive K+. B) membranpotentialen (mer…)
depolarisering av intilliggande områden av plasmamembranet tillåter aktionspotentialer att resa ner längden av nervcellsaxoner som elektriska signaler, vilket resulterar i snabb överföring av nervimpulser över långa avstånd., Till exempel kan axonerna av mänskliga motorneuroner vara mer än en meter lång. Ankomsten av aktionspotentialer vid terminalen hos de flesta neuroner signalerar sedan frisättningen av neurotransmittorer, såsom acetylkolin, som bär signaler mellan celler vid en synaps (figur 12.22). Neurotransmittorer som frigörs från presynaptiska celler binder till receptorer på membranen hos postsynaptiska celler, där de verkar för att öppna ligand-gated jonkanaler. En av de bäst karaktäriserade av dessa kanaler är acetylkolinreceptorn hos muskelceller., Bindning av acetylkolin öppnar en kanal som är genomsläpplig för både Na + och K+. Detta möjliggör den snabba tillströmningen av Na+, som depolariserar muskelcellmembranet och utlöser en aktionspotential. Aktionspotentialen resulterar sedan i öppnandet av spänningsgaterade Ca2 + – kanaler, vilket leder till ökningen av intracellulär Ca2 + som signalerar sammandragning (se figur 11.25).
figur 12.22
signalering av signalsubstans vid en synaps., Ankomsten av en nervimpuls vid neurons terminus signalerar sammansmältningen av synaptiska vesiklar med plasmamembranet, vilket resulterar i frisättning av neurotransmittor från den presynaptiska cellen till (mer…)
acetylkolinreceptorn, ursprungligen isolerad från det elektriska organet av Torpedstrålar på 1970-talet, är prototypen för ligand-gated kanaler. Receptorn består av fem subenheter anordnade som en cylinder i membranet (figur 12.23). I sitt slutna tillstånd tros kanalporen blockeras av sidokedjorna av hydrofoba aminosyror., Bindningen av acetylkolin inducerar en konformationell förändring i receptorn så att dessa hydrofoba sidokedjor skiftar ut ur kanalen och öppnar en Por som möjliggör passage av positivt laddade joner, inklusive Na + och K+. Kanalen förblir emellertid ogenomtränglig för negativt laddade joner, såsom Cl -, eftersom den är kantad av negativt laddade aminosyror.
figur 12.23
modell av acetylkolinreceptorn. Receptorn består av fem subenheter anordnade runt en central por., Bindningen av acetylkolin till en plats i den extracellulära regionen av receptorn inducerar allosteriska förändringar som öppnar kanalporten. Kanalen (mer…)
en större grad av jonselektivitet visas av de spänningsgaterade Na+-och K+ – kanalerna. Na + kanaler är mer än tio gånger mer genomsläpplig för Na + än till K+ , medan K + kanaler är mer än tusen gånger mer genomsläpplig för K + än för Na+. Selektiviteten hos Na + – kanalen kan förklaras, åtminstone delvis, på grundval av en smal por som fungerar som ett storleksfilter. Jonradien av Na+ (0.,95 Å) är mindre än K + (1,33 Å), och man tror att na + kanalporren är smal nog för att störa passagen av K + eller större joner (figur 12.24).
figur 12.24
Jons selektivitet för Na+ – kanaler. En smal por tillåter passage av Na + bunden till en enda vattenmolekyl men stör passagen av K + eller större joner.
k+ kanaler har också smala porer, vilket förhindrar passage av större joner., Eftersom Na+ har en mindre jonradie står detta emellertid inte för dessa kanals selektiva permeabilitet till K+. Selektiviteten hos k + – kanalen är baserad på en annan mekanism, som belystes med bestämningen av den tredimensionella strukturen hos en k+-kanal genom röntgenkristallografi 1998 (figur 12,25). Kanalen pore innehåller en smal selektivitet filter som är fodrad med karbonylsyre (C=O) atomer från polypeptid ryggraden., När en k + Jon kommer in i selektivitetsfiltret förskjuter interaktioner med dessa karbonyloxygener de vattenmolekyler som K+ är bunden till, vilket gör att dehydratiserad K + passerar genom porerna. Däremot är en dehydrerad Na + för liten för att interagera med dessa karbonyloxygener i selektivitetsfiltret, som hålls fast Öppet. Följaktligen förblir Na+ bunden till vattenmolekyler i ett hydratiserat komplex som är för stort för att passera genom kanalen.
figur 12.25
selektivitet för K+ – kanaler., K + – kanalen innehåller ett smalt selektivitetsfilter fodrat med karbonylsyre (C=O) – atomer. Porren är bara tillräckligt bred för att tillåta passage av dehydrerad K+ från vilken alla associerade vattenmolekyler har förskjutits som (mer…)
Spänningsgaterad Na+, K+ och Ca2+ kanaler hör alla till en stor familj av relaterade proteiner (figur 12.26). Till exempel har genomsekvensen av C. elegans avslöjat nästan 200 gener som kodar för jonkanaler, vilket förmodligen behövs för att spela olika roller i cellsignalering., K + kanaler består av fyra identiska underenheter, var och en innehåller antingen två eller sex transmembrane α helices. NA+ och Ca2 + kanaler består av en enda polypeptidkedja, men varje polypeptid innehåller fyra upprepade domäner som motsvarar k+ – kanalens underenheter. Spänningsgating medieras av en av transmembranen α-helices, som innehåller flera positivt laddade aminosyror. Membrandepolarisering inducerar rörelsen av dessa positiva laddningar mot utsidan av cellen, skiftar positionen för detta transmembransegment och öppnar kanalen., Snabb inaktivering av NA+ – och K + – kanaler under förökning av aktionspotentialer medieras sedan av cytoplasmiska delar av polypeptidkedjan, som binder till kanalens cytoplasmiska mun och förhindrar ytterligare jonflöde (figur 12.27).
figur 12.26
strukturer av spänningsgaterade katjonkanaler. K+, Na+ och Ca2 + – kanalerna tillhör en familj av relaterade proteiner. K + – kanalen bildas från föreningen av fyra identiska underenheter, varav en visas. Na + – kanalen består av en enda polypeptid (mer…,)
figur 12.27
inaktivering av K+ – och Na+ – kanaler. Efter spänningsgaterad öppning inaktiveras k+ – och Na + – kanalerna snabbt genom bindning av cytoplasmiska delar av polypeptidkedjorna till porerna. För K + – kanalen medieras inaktivering av en boll-och-kedja (mer…)
en mängd olika jonkanaler (inklusive Ca2+ och Cl – kanaler) svarar på olika neurotransmittorer eller öppna och stänga med olika kinetik efter membrandepolarisering., De samordnade åtgärderna hos dessa flera kanaler är ansvariga för komplexiteten av signalering i nervsystemet. Dessutom, som diskuterats i nästa kapitel, är rollerna av jonkanaler inte begränsade till de elektriskt excitable cellerna i nerv och muskel; de spelar också kritiska roller vid signalering i andra celltyper. Den reglerade öppningen och stängningen av jonkanaler ger sålunda celler en känslig och mångsidig mekanism för att reagera på en mängd olika miljöstimuli.