Светозависимые ионные каналы — это семейство ионных каналов , регулируемых электромагнитным излучением . Другие механизмы управления для ионных каналов включают в себя потенциалзависимые ионные каналы , лигандзависимые ионные каналы , механочувствительные ионные каналы и температурнозависимые ионные каналы. Большинство светозависимых ионных каналов были синтезированы в лабораторных условиях для изучения, хотя в настоящее время известны два природных примера: каналородопсин и анионпроводящий каналородопсин . [1] [2] Фоторецепторные белки , которые действуют аналогично светозависимым ионным каналам, обычно классифицируются как рецепторы, сопряженные с G-белком .
Светозависимые ионные каналы функционируют аналогично другим управляемым ионным каналам. Такие трансмембранные белки образуют поры через липидные бислои для облегчения прохождения ионов . Эти ионы перемещаются с одной стороны мембраны на другую под влиянием электрохимического градиента . При воздействии стимула в трансмембранной области белка происходит конформационное изменение, открывающее или закрывающее ионный канал. В конкретном случае светозависимых ионных каналов трансмембранные белки обычно связаны с меньшей молекулой, которая действует как фотопереключатель , посредством чего фотоны связываются с переключающей молекулой, чтобы затем изменить конформацию белков, так что пора переходит из закрытого состояния в открытое или наоборот, тем самым увеличивая или уменьшая ионную проводимость. Ретиналь является хорошим примером молекулярного фотопереключателя и обнаруживается в естественных канальных родопсинах. [3] [4]
После того, как каналрозопсин был идентифицирован и охарактеризован, селективность ионов канала была изменена для того, чтобы контролировать мембранный потенциал посредством оптогенетического контроля. Направленные мутации канала изменили заряды, выстилающие пору, что привело к образованию поры, которая вместо этого исключала катионы в пользу анионов . [5]
Другие типы управляемых ионных каналов, лиганд-управляемые и потенциал-управляемые , были синтезированы с компонентом, управляемым светом, в попытке лучше понять их природу и свойства. При добавлении секции, управляемой светом, кинетика и механизмы работы могут быть изучены глубоко. Например, добавление компонента, управляемого светом, позволяет вводить множество очень похожих лигандов в сайт связывания лиганд-управляемого ионного канала, чтобы помочь в определении механизма.
Такие ионные каналы были модифицированы путем связывания фотопереключателя для придания ионному каналу светочувствительности. Это делается путем тщательного выбора привязки, которая может удлиняться или укорачиваться посредством фотоизомеризации . Одна сторона привязки связана с белком ионного канала, а другой конец привязки связан с блокирующей группой, которая имеет высокое связывающее сродство к открытой части поры. Когда привязка удлиняется, она позволяет блокирующей секции связываться с порой и предотвращать ионный ток. Когда привязка укорачивается, она разрушает это препятствие и открывает пору. Кинетические исследования продемонстрировали, что таким образом можно достичь тонкого временного и пространственного контроля. [6] [7]
Азобензол является обычным выбором для функциональной части привязки для синтетически разработанных светочувствительных ионных каналов из-за его хорошо документированного изменения длины как цис- , так и транс -изомеров , а также длины волны возбуждения , необходимой для индуцирования фотоизомеризации. Азобензол преобразуется в свой более длинный транс -изомер при длине волны λ = 500 нм и в свой цис -изомер при λ = 380 нм. [6]
В 1980 году первым ионным каналом, адаптированным для изучения с помощью светочувствительного механизма, стал никотиновый ацетилхолиновый рецептор . [8] Этот рецептор был хорошо известен в то время и поэтому хорошо подходил для адаптации, а также позволял изучать кинетику, что ранее было невозможно.
Экспрессия светочувствительных ионных каналов в определенном типе клеток посредством контроля промотора позволяет регулировать клеточный потенциал либо путем деполяризации мембраны до 0 мВ для катионопроницаемого каналородопсина, либо путем удержания напряжения на уровне –67 мВ для анионопроводящего каналородопсина. [9] Деполяризация может проводить ток в диапазоне 5 фА на канал и происходит во временной шкале потенциалов действия и экзоцитоза нейротрансмиттера . [10] [4] Они имеют преимущество перед другими типами регуляции ионных каналов в том, что они обеспечивают неинвазивные, обратимые изменения мембранного потенциала с тонким временным и пространственным контролем, предоставляемым индукцией посредством лазерных стимулов. [3] [6] Они надежно стимулируют одиночные потенциалы действия с быстрой деполяризацией и могут использоваться in vivo, поскольку им не требуется высокоинтенсивное освещение для поддержания функции, в отличие от других методов, таких как активируемые светом протонные насосы и фотоактивируемые зонды . [5] [10]
Примеры светочувствительных ионных каналов встречаются как в природных, так и в синтетических средах. К ним относятся: