stringtranslate.com

Потенциал-управляемый ионный канал

Ионы изображены красными кружками. Градиент представлен различной концентрацией ионов по обе стороны мембраны. Открытая конформация ионного канала допускает перемещение ионов через клеточную мембрану, а закрытая — нет.

Потенциал-зависимые ионные каналы — это класс трансмембранных белков , которые образуют ионные каналы , активируемые изменениями электрического мембранного потенциала клетки вблизи канала. Мембранный потенциал изменяет конформацию белков канала, регулируя их открытие и закрытие. Клеточные мембраны, как правило, непроницаемы для ионов , поэтому они должны диффундировать через мембрану через трансмембранные белковые каналы.

Потенциалзависимые ионные каналы играют важную роль в возбудимых клетках, таких как нейронные и мышечные ткани, обеспечивая быструю и скоординированную деполяризацию в ответ на изменение напряжения . Расположенные вдоль аксона и в синапсе , потенциалзависимые ионные каналы направленно распространяют электрические сигналы.

Потенциалзависимые ионные каналы обычно являются ион-специфичными, и были идентифицированы каналы, специфичные для ионов натрия (Na + ), калия (K + ), кальция (Ca 2+ ) и хлорида (Cl − ). [1] Открытие и закрытие каналов запускается изменением концентрации ионов и, следовательно, градиента заряда между сторонами клеточной мембраны. [2]

Структура

Конформация четырех гомологичных доменов, демонстрирующая образование центральной поры

Потенциал-зависимые ионные каналы обычно состоят из нескольких субъединиц, расположенных таким образом, что имеется центральная пора, через которую ионы могут перемещаться по своим электрохимическим градиентам . Каналы, как правило, являются ионоспецифичными, хотя иногда через них могут проходить ионы схожего размера и заряда.

Функциональность потенциалзависимых ионных каналов обусловлена ​​тремя основными дискретными единицами: датчиком напряжения, порой или проводящим путем и затвором. [3] Каналы Na + , K + и Ca2 + состоят из четырех трансмембранных доменов, расположенных вокруг центральной поры; эти четыре домена являются частью одной α-субъединицы в случае большинства каналов Na + и Ca2 + , тогда как в большинстве каналов K + имеется четыре α-субъединицы, каждая из которых вносит свой вклад в один трансмембранный домен . [4]

Сегменты, охватывающие мембрану, обозначенные как S1-S6, все принимают форму альфа-спиралей со специализированными функциями. Пятый и шестой трансмембранные сегменты (S5 и S6) и поровая петля выполняют основную роль в ионной проводимости, составляя ворота и поры канала, в то время как S1-S4 служат в качестве области чувствительности к напряжению. [3]

Четыре субъединицы могут быть идентичными или отличаться друг от друга. В дополнение к четырем центральным α-субъединицам существуют также регуляторные β-субъединицы с оксидоредуктазной активностью, которые расположены на внутренней поверхности клеточной мембраны и не пересекают мембрану, и которые собраны вместе с α-субъединицами в эндоплазматическом ретикулуме . [5]

Механизм

Кристаллографические структурные исследования калиевого канала показали, что при подаче разности потенциалов на мембрану связанное с ней электрическое поле вызывает конформационное изменение в калиевом канале. Конформационное изменение искажает форму белков канала в достаточной степени, так что полость или канал открывается, позволяя притоку или оттоку через мембрану. Это движение ионов вниз по градиентам их концентрации впоследствии генерирует электрический ток, достаточный для деполяризации клеточной мембраны.

Потенциалзависимые натриевые каналы и кальциевые каналы состоят из одного полипептида с четырьмя гомологичными доменами. Каждый домен содержит 6 альфа-спиралей , охватывающих мембрану . Одна из этих спиралей, S4, является спиралью, чувствительной к потенциалу. [6] Сегмент S4 содержит много положительных зарядов, так что высокий положительный заряд снаружи клетки отталкивает спираль, удерживая канал в закрытом состоянии.

В целом, чувствительная к напряжению часть ионного канала отвечает за обнаружение изменений трансмембранного потенциала, которые запускают открытие или закрытие канала. Обычно считается, что эту роль выполняют альфа-спирали S1-4. В калиевых и натриевых каналах чувствительные к напряжению спирали S4 содержат положительно заряженные остатки лизина или аргинина в повторяющихся мотивах. [3] В состоянии покоя половина каждой спирали S4 контактирует с цитозолем клетки. При деполяризации положительно заряженные остатки на доменах S4 перемещаются к экзоплазматической поверхности мембраны. Считается, что первые 4 аргинина отвечают за ток ворот, перемещаясь к внеклеточному растворителю при активации канала в ответ на деполяризацию мембраны. Движение 10–12 из этих связанных с белком положительных зарядов запускает конформационное изменение, которое открывает канал. [4] Точный механизм, посредством которого происходит это движение, в настоящее время не согласован, однако каноническая, транспортная, лопастная и скрученная модели являются примерами современных теорий. [7]

Перемещение датчика напряжения вызывает конформационное изменение ворот проводящего пути, контролируя поток ионов через канал. [3]

Основная функциональная часть домена белка, чувствительного к напряжению, этих каналов обычно содержит область, состоящую из спиралей S3b и S4, известную как «лопасть» из-за ее формы, которая, по-видимому, является консервативной последовательностью , взаимозаменяемой среди самых разных клеток и видов. Подобная лопасть датчика напряжения также была обнаружена в семействе чувствительных к напряжению фосфатаз у различных видов. [8] Генетическая инженерия области лопасти из вида архебактерий, обитающих в вулканах , в калиевые каналы мозга крысы приводит к полностью функциональному ионному каналу, при условии замены всей неповрежденной лопасти. [9] Эта « модульность » позволяет использовать простые и недорогие модельные системы для изучения функции этой области, ее роли в заболевании и фармацевтического контроля ее поведения, а не ограничиваться плохо охарактеризованными, дорогими и/или сложными для изучения препаратами. [10]

Хотя потенциалзависимые ионные каналы обычно активируются деполяризацией мембраны , некоторые каналы, такие как калиевые ионные каналы внутреннего выпрямления , активируются гиперполяризацией .

Предполагается, что затвор связан с чувствительными к напряжению областями каналов и, по-видимому, содержит механическое препятствие для потока ионов. [11] Хотя домен S6 был согласован как сегмент, действующий как это препятствие, его точный механизм неизвестен. Возможные объяснения включают: сегмент S6 совершает ножницеобразное движение, позволяя ионам проходить через него, [12] сегмент S6 распадается на два сегмента, позволяя ионам проходить через канал, [13] или канал S6 сам служит затвором. [14] Механизм, посредством которого движение сегмента S4 влияет на движение сегмента S6, до сих пор неизвестен, однако предполагается, что существует линкер S4-S5, движение которого позволяет открывать S6. [3]

Инактивация ионных каналов происходит в течение миллисекунд после открытия. Считается, что инактивация опосредована внутриклеточными воротами, которые контролируют открытие поры внутри клетки. [15] Эти ворота моделируются как шарик, привязанный к гибкой цепи . Во время инактивации цепь сворачивается сама в себя, и шарик блокирует поток ионов через канал. [16] Быстрая инактивация напрямую связана с активацией, вызванной внутримембранными движениями сегментов S4, [17] хотя механизм, связывающий движение S4 и задействование инактивационных ворот, неизвестен.

Разные типы

Натрий (Na+) каналы

Натриевые каналы имеют схожие функциональные свойства во многих различных типах клеток. Хотя было идентифицировано десять человеческих генов, кодирующих натриевые каналы, их функция обычно сохраняется между видами и различными типами клеток. [17]

Кальций (Ca2+) каналы

С шестнадцатью различными идентифицированными генами для человеческих кальциевых каналов этот тип канала отличается по функции между типами клеток. Каналы Ca 2+ производят потенциалы действия , аналогичные каналам Na + в некоторых нейронах. Они также играют роль в высвобождении нейротрансмиттера в пресинаптических нервных окончаниях. В большинстве клеток каналы Ca 2+ регулируют широкий спектр биохимических процессов из-за их роли в контроле внутриклеточных концентраций Ca 2+ . [13]

Калий (К+) каналы

Калиевые каналы являются крупнейшим и наиболее разнообразным классом потенциалзависимых каналов, с более чем 100 кодирующими генами человека. Эти типы каналов значительно различаются по своим свойствам пропускания; некоторые инактивируются крайне медленно, а другие — крайне быстро. Эта разница во времени активации влияет на продолжительность и скорость срабатывания потенциала действия, что оказывает существенное влияние на электрическую проводимость по аксону, а также на синаптическую передачу. Калиевые каналы отличаются по структуре от других каналов тем, что они содержат четыре отдельных полипептидных субъединицы, в то время как другие каналы содержат четыре гомологичных домена, но на одной полипептидной единице. [7]

Хлорид (Cl−) каналы

Хлоридные каналы присутствуют во всех типах нейронов. Имея главную ответственность за контроль возбудимости, хлоридные каналы способствуют поддержанию потенциала покоя клетки и помогают регулировать объем клетки. [1]

Протон (H+) каналы

Потенциал-зависимые протонные каналы переносят токи, опосредованные ионами водорода в форме гидроксония , и активируются деполяризацией в зависимости от pH . Они функционируют для удаления кислоты из клеток. [18] [19] [20]

Филогенетика

Филогенетические исследования белков, экспрессируемых в бактериях, выявили существование суперсемейства потенциалзависимых натриевых каналов. [21] Последующие исследования показали, что множество других ионных каналов и транспортеров филогенетически связаны с потенциалзависимыми ионными каналами, включая:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, Katz LC, LaMantia AS, McNamara JO, Williams SM (2001). "Потенциал-зависимые ионные каналы". Neuroscience (2-е изд.). Sunderland, Mass: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-742-4.
  2. ^ Catterall WA (апрель 2000 г.). «От ионных токов к молекулярным механизмам: структура и функция потенциалзависимых натриевых каналов». Neuron . 26 (1): 13–25. doi : 10.1016/S0896-6273(00)81133-2 . ​​PMID  10798388.
  3. ^ abcde Bezanilla F (март 2005). "Потенциал-управляемые ионные каналы". IEEE Transactions on NanoBioscience . 4 (1): 34–48. doi :10.1109/tnb.2004.842463. PMID  15816170. S2CID  8212388.
  4. ^ ab Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J (2000). "Раздел 21.3, Молекулярные свойства потенциал-зависимых ионных каналов". Молекулярная клеточная биология (4-е изд.). Нью-Йорк: Scientific American Books. ISBN 978-0-7167-3136-8.
  5. ^ Gulbis JM, Mann S, MacKinnon R (июнь 1999). «Структура бета-субъединицы зависимого от напряжения K+ канала». Cell . 97 (7): 943–52. doi : 10.1016/s0092-8674(00)80805-3 . PMID  10399921.
  6. ^ Catterall WA (2010). «Датчики напряжения ионных каналов: структура, функция и патофизиология». Neuron . 67 (6): 915–28. doi :10.1016/j.neuron.2010.08.021. PMC 2950829 . PMID  20869590. 
  7. ^ ab Sands Z, Grottesi A, Sansom MS (2005). "Потенциал-управляемые ионные каналы". Current Biology . 15 (2): R44–7. Bibcode : 2005CBio...15..R44S. doi : 10.1016/j.cub.2004.12.050 . PMID  15668152.
  8. ^ Murata Y, Iwasaki H, Sasaki M, Inaba K, Okamura Y (июнь 2005 г.). «Активность фосфоинозитидфосфатазы, связанная с собственным датчиком напряжения». Nature . 435 (7046): 1239–43. Bibcode :2005Natur.435.1239M. doi :10.1038/nature03650. PMID  15902207. S2CID  4427755.
  9. ^ Alabi AA, Bahamonde MI, Jung HJ, Kim JI, Swartz KJ (ноябрь 2007 г.). «Переносимость функции мотива лопасти и фармакология в датчиках напряжения». Nature . 450 (7168): 370–5. Bibcode :2007Natur.450..370A. doi :10.1038/nature06266. PMC 2709416 . PMID  18004375. 
  10. ^ Long SB, Tao X, Campbell EB, MacKinnon R (ноябрь 2007 г.). «Атомная структура потенциал-зависимого канала K + в липидной мембраноподобной среде». Nature . 450 (7168): 376–82. Bibcode :2007Natur.450..376L. doi :10.1038/nature06265. PMID  18004376. S2CID  4320272.
  11. ^ Йеллен Г. (август 1998 г.). «Подвижные части потенциал-зависимых ионных каналов». Quarterly Reviews of Biophysics . 31 (3): 239–95. doi :10.1017/s0033583598003448. PMID  10384687. S2CID  2605660.
  12. ^ Perozo E, Cortes DM, Cuello LG (июль 1999). «Структурные перестройки, лежащие в основе активации K + -канала». Science . 285 (5424): 73–8. doi :10.1126/science.285.5424.73. PMID  10390363. S2CID  26775433.
  13. ^ ab Jiang Y, Lee A, Chen J, Cadene M, Chait BT, MacKinnon R (май 2002 г.). «Кристаллическая структура и механизм кальций-управляемого калиевого канала». Nature . 417 (6888): 515–22. Bibcode :2002Natur.417..515J. doi :10.1038/417515a. PMID  12037559. S2CID  205029269.
  14. ^ Webster SM, Del Camino D, Dekker JP, Yellen G (апрель 2004 г.). «Внутриклеточное открытие ворот в каналах Shaker K +, определяемое высокоаффинными металлическими мостиками». Nature . 428 (6985): 864–8. Bibcode :2004Natur.428..864W. doi :10.1038/nature02468. PMID  15103379. S2CID  1329210.
  15. ^ Armstrong CM (июль 1981). «Натриевые каналы и воротные токи». Physiological Reviews . 61 (3): 644–83. doi :10.1152/physrev.1981.61.3.644. PMID  6265962.
  16. ^ Vassilev P, Scheuer T, Catterall WA (октябрь 1989). «Ингибирование инактивации одиночных натриевых каналов сайт-направленным антителом». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 86 (20): 8147–51. Bibcode :1989PNAS...86.8147V. ​​doi : 10.1073/pnas.86.20.8147 . PMC 298232 . PMID  2554301. 
  17. ^ ab Bénitah JP, Chen Z, Balser JR, Tomaselli GF, Marbán E (март 1999). «Молекулярная динамика поры натриевого канала меняется в зависимости от пропускания: взаимодействие между движениями P-сегмента и инактивацией». The Journal of Neuroscience . 19 (5): 1577–85. doi :10.1523/JNEUROSCI.19-05-01577.1999. PMC 6782169 . PMID  10024345. 
  18. ^ Черный, В.В.; Маркин, В.С.; ДеКурси, TE (1995), «Проводимость ионов водорода, активируемая напряжением, в альвеолярных эпителиальных клетках крыс определяется градиентом pH», Журнал общей физиологии , т. 105, № 6 (опубликовано в июне 1995 г.), стр. 861–896, doi :10.1085/jgp.105.6.861, PMC 2216954 , PMID  7561747 
  19. ^ DeCoursey, TE (2003), «Потенциал-зависимые протонные каналы и другие пути переноса протонов», Physiological Reviews , т. 83, № 2, стр. 475–579, doi :10.1152/physrev.00028.2002, OCLC  205658168, PMID  12663866
  20. ^ Рэмси, И. Скотт; Мокраб, Юнес; Карвачо, Ингрид; Сэндс, Зара А.; Сэнсом, Марк СП; Клэпхэм, Дэвид Э. (2010). «Путь проникновения водного H+ в потенциалзависимый протонный канал Hv1». Nature Structural & Molecular Biology . 17 (7): 869–875. doi :10.1038/nsmb.1826. PMC 4035905 . PMID  20543828. 
  21. ^ Koishi R, Xu H, Ren D, Navarro B, Spiller BW, Shi Q, Clapham DE (март 2004). «Суперсемейство потенциалзависимых натриевых каналов у бактерий». Журнал биологической химии . 279 (10): 9532–8. doi : 10.1074/jbc.M313100200 . PMID  14665618.
  22. ^ Чанг, Абрахам Б.; Лин, Рон; Стадли, В. Кит; Тран, Кан В.; Сайер, Милтон Х. младший (2004). «Филогения как руководство по структуре и функции мембранных транспортных белков». Mol Membr Biol . 21 (3): 171–181. doi :10.1080/09687680410001720830. PMID  15204625. S2CID  45284885.

Внешние ссылки