Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Анимированное представление молекулярной структуры простого ионного канала

В электрофизиологии термин " стробирование" относится к открытию ( активации ) или закрытию (путем деактивации или инактивации) ионных каналов . [1] Это изменение конформации является ответом на изменения трансмембранного напряжения. [2]

Когда ионные каналы находятся в «закрытом» (непроводящем) состоянии, они непроницаемы для ионов и не проводят электрический ток. Когда ионные каналы находятся в их открытом состоянии, они проводят электрический ток, позволяя типы конкретных ионов , чтобы пройти через них, и , таким образом, через плазматическую мембрану в клетку . Стробирование - это процесс перехода ионного канала между открытым и закрытым состояниями. [3]

Разнообразные клеточные изменения могут запускать стробирование, в зависимости от ионного канала, включая изменения напряжения на клеточной мембране ( ионные каналы , управляемые напряжением ), химические вещества, взаимодействующие с ионным каналом ( ионные каналы , управляемые лигандами ), изменения температуры, [ 4] растяжение или деформация клеточной мембраны, добавление фосфатной группы к ионному каналу ( фосфорилирование ) и взаимодействие с другими молекулами в клетке (например, G-белками ). [5] Скорость, с которой происходит любой из этих процессов стробирования в ответ на эти триггеры, известна как кинетика.стробирования. Некоторые лекарства и многие токсины ионных каналов действуют как «модификаторы стробирования» потенциал-управляемых ионных каналов, изменяя кинетику стробирования. [6]

Управляемые по напряжению ионные каналы потенциала действия часто описываются как имеющие четыре стробирующих процесса: активация, дезактивация, инактивация и реактивация (также называемые «восстановлением после инактивации»). Активация - это процесс открытия ворот активации, который происходит в ответ на то, что напряжение внутри клеточной мембраны ( мембранный потенциал ) становится более положительным по отношению к внешней стороне клетки ( деполяризация), а «дезактивация» - это процесс, противоположный закрытию ворот активации в ответ на то, что внутренняя часть мембраны становится более отрицательной (реполяризация). «Инактивация» - это закрытие ворот инактивации, которое происходит в ответ на то, что напряжение внутри мембраны становится более положительным, но медленнее, чем активация. «Реактивация» противоположна инактивации и представляет собой процесс повторного открытия ворот инактивации. [7]

Эти зависимые от напряжения изменения функции критичны для большого количества процессов в возбудимых и невозбудимых клетках. [2]

Активация [ править ]

Управляемые по напряжению ионные каналы [ править ]

Управляемый по напряжению ионный канал. Когда мембрана поляризована, область измерения напряжения канала смещается, открывая канал для потока ионов (ионы представлены желтыми кружками).

Управляемые напряжением ионные каналы открываются и закрываются в ответ на электрический потенциал на клеточной мембране. Части области канала действуют как датчики напряжения. Поскольку мембранный потенциал изменяется, это приводит к изменениям электростатических сил , перемещающих эти чувствительные к напряжению домены. Это изменяет конфигурацию других элементов канала в открытое или закрытое положение. [8] Когда они переходят из закрытого положения в открытое, это называется «активацией». Управляемые напряжением ионные каналы лежат в основе многих электрических характеристик клетки, включая потенциалы действия, мембранные потенциалы покоя и синаптическую передачу. [9]

Управляемые напряжением ионные каналы часто специфичны для ионов, включая Na + , K + , Ca 2+ и Cl - . Каждый из этих ионов играет важную роль в электрическом поведении клетки. [9] Ворота также обладают уникальными свойствами, имеющими важное физиологическое значение. Например, каналы Na + открываются и закрываются быстро, тогда как ворота K + открываются и закрываются намного медленнее. Разница в скорости между этими каналами лежит в основе фаз деполяризации и реполяризации потенциала действия. [10]

Na + каналы [ править ]

Управляемые напряжением натриевые каналы (Na + ) имеют большое значение, когда дело доходит до распространения потенциалов действия в нейронах и других возбудимых клетках, в основном они используются для распространения потенциала действия в аксонах, мышечных волокнах и нервном соматодендритном компартменте. [11] Натриевые (Na + ) каналы являются одними из основных ионных каналов, ответственных за потенциалы действия. [9] Будучи сложными, они состоят из более крупных α-субъединиц, которые затем соединяются с двумя меньшими β-субъединицами. [11] Они содержат трансмембранные сегменты, известные как S1-6. Заряженные сегменты S4 являются датчиками напряжения каналов. При воздействии определенной минимальной разности потенциалов сегменты S4 перемещаются по мембране. [12]Это вызывает движение линкера S4-S5, которое заставляет линкер S5-S6 скручиваться и открывает канал. [13]

K + каналы [ править ]

Калиевые (K + ) каналы играют большую роль в настройке мембранного потенциала покоя. [9] Когда клеточная мембрана деполяризуется, внутриклеточная часть канала становится положительно заряженной, что приводит к тому, что открытая конфигурация канала становится более стабильным состоянием, чем закрытая конфигурация. Существует несколько моделей активации калиевых каналов:

  • Модель скользящей спирали утверждает, что калиевый канал открывается из-за завинчивания спирали S4.
  • Модель лопастей утверждает, что спирали S3 и S4 канала образуют «лопасти», которые движутся через деполяризованную мембрану и оттягивают спираль S5 от отверстия канала.
  • В транспортной модели утверждает , что сфокусированная электрические поля вызывают заряженные частицы двигаться через канал только с небольшим движением спирали S4.
  • Модель скоординированного движения спиралей утверждает, что обе спирали S4 и S5 вращаются, а линкер S4-S5 заставляет спираль S6 двигаться, открывая канал.
  • Модель консенсуса представляет собой среднее из приведенных выше моделей, которое помогает согласовать их с экспериментальными данными. [14]
Каналы Ca 2+ [ править ]

Каналы кальция (Ca 2+ ) регулируют высвобождение нейротрансмиттеров в синапсах, контролируют форму потенциалов действия, создаваемых натриевыми каналами, а в некоторых нейронах генерируют потенциалы действия. [9] Кальциевые каналы состоят из шести трансмембранных спиралей. S4 действует как датчик напряжения, вращаясь при воздействии определенных мембранных потенциалов, тем самым открывая канал. [15]

Высвобождение кальция вызывает сильное притяжение между множеством белков, включая синаптобревин и белки SNARE, притягивая везикулу нейромедиатора к мембране и высвобождая ее содержимое в синаптическую щель.

Изначально нейротрансмиттеры хранятся и синтезируются в везикулах в синапсе нейрона. Когда в клетке возникает потенциал действия, электрический сигнал достигает пресинаптического конца, и деполяризация заставляет кальциевые каналы открываться, высвобождая кальций для перемещения вниз по его электрохимическому градиенту. Этот приток кальция впоследствии заставляет везикулы нейротрансмиттеров сливаться с пресинаптической мембраной. [16] Ионы кальция инициируют взаимодействие обязательных белков-кофакторов с белками SNARE с образованием комплекса SNARE. [16]Эти комплексы SNARE опосредуют слияние везикул, стягивая мембраны вместе, просачивая нейротрансмиттеры в синаптическую щель. Затем молекулы нейротрансмиттера могут передавать сигнал следующей клетке через рецепторы на постсинаптической мембране. Эти рецепторы могут действовать как ионные каналы или GPCR (рецепторы, связанные с G-белками). [17] В целом нейромедиатор может вызывать возбуждающую или тормозную реакцию, в зависимости от того, что происходит на рецепторе.

Cl - каналы

Хлоридные каналы - это еще одна группа потенциалозависимых ионных каналов, о которых меньше всего известно. Они участвуют в таких процессах, как гладкие мышцы скелета и сердца, регулирование объема клеток, клеточный цикл и апоптоз. [18] Одно из основных семейств хлоридных белков называется белками CLC - общими каналами и переносчиками основных физиологических процессов у млекопитающих. Каналы CLC действуют как каналы с медленным стробированием; ионы водорода обмениваются на приток ионов хлора, позволяя анионам перемещаться через их электрохимический градиент. [19] Зависимый от напряжения канал хлорида C1C-1 представляет собой гомологичный димер, который относится к этому семейству и обнаруживается преимущественно в волокнах скелетных мышц. [20]В этом канале правильная деполяризация и реполяризация через хлорид-ионы важны для распространения потенциала действия. [18]

Ионные каналы, управляемые лигандами [ править ]

Ионные каналы, управляемые лигандами , обнаруживаются на постсинаптических нейронах. По умолчанию они принимают свою закрытую форму. Когда пресинаптический нейрон высвобождает нейротрансмиттеры в конце потенциала действия, они связываются с ионными каналами, управляемыми лигандами. Это заставляет каналы принимать свою открытую конформацию, позволяя ионам проходить через каналы вниз по градиенту их концентрации. Ионные каналы, управляемые лигандами, отвечают за быструю синаптическую передачу в нервной системе и нервно-мышечном соединении. [21] Каждый лиганд-управляемый ионный канал имеет широкий спектр рецепторов с различными биофизическими свойствами, а также паттернами экспрессии в нервной системе. [22]

Деактивация [ править ]

Инактивация - это когда поток ионов блокируется другим механизмом, кроме закрытия канала. [8] Канал в открытом состоянии может перестать пропускать ионы, или канал в своем закрытом состоянии может быть предварительно инактивирован, чтобы предотвратить поток ионов. [23] Инактивация обычно происходит, когда клеточная мембрана деполяризуется, и заканчивается, когда восстанавливается потенциал покоя. [8]

В натриевых каналах инактивация, по-видимому, является результатом действия спиралей III-VI, при этом III и IV действуют как своего рода откидная крышка, которая блокирует канал. Точный механизм плохо изучен, но, похоже, он полагается на частицу, которая имеет высокое сродство к экспонированной внутри открытого канала. [24] Быстрая инактивация позволяет каналу останавливать поток натрия очень скоро после принятия своей открытой конформации. [25]

Инактивация шара и цепи [ править ]

Управляемый по напряжению ионный канал в закрытом, открытом и неактивированном состояниях. Инактивированный канал все еще находится в открытом состоянии, но сферический домен блокирует проникновение ионов.

Модель шара и цепочки , также известная как инактивация N-типа или инактивация с откидной крышкой, представляет собой стробирующий механизм для некоторых потенциалзависимых ионных каналов. Управляемые напряжением ионные каналы состоят из 4 [ сомнительно - обсудить ] субъединиц, одна или несколько из которых будут иметь шаровой домен, расположенный на ее цитоплазматическом N-конце. [26] Шаровая область электростатически притягивается к внутренней области канала. Когда ионный канал активирован, область внутреннего канала обнажается, и в течение миллисекунд цепь складывается, и шарик входит в канал, перекрывая проникновение ионов. [27]Канал возвращается в закрытое состояние, блокируя домен канала, и шарик выходит из поры. [28]

Деактивация [ править ]

Поскольку мембранный потенциал возвращается к своему исходному значению, разность напряжений недостаточна для поддержания канала в его открытом состоянии, что приводит к закрытию канала.

Деактивация - это возвращение ионного канала к его закрытой конформации. Для каналов с ограничением по напряжению это происходит, когда разность напряжений, которая изначально вызвала открытие канала, возвращается к своему исходному значению. [29]

В потенциал-управляемых натриевых каналах дезактивация необходима для восстановления после инактивации. [24]

В калиевых каналах, управляемых напряжением, верно обратное, и деактивация замедляет восстановление канала после активации. [30] Закрытая конформация предполагается по умолчанию и включает частичное выпрямление спирали VI линкером IV-V. Механизмы, вызывающие открытие и закрытие, до конца не изучены. Закрытая конформация, по-видимому, имеет более высокую энергетическую конформацию, чем открытая, что также может помочь объяснить, как активируется ионный канал. [31]

Количественная оценка [ править ]

Стробирующий заряд можно рассчитать, решив уравнение Пуассона . Недавние исследования предложили основанный на моделировании молекулярной динамики метод определения стробирующего заряда путем измерения электрических конденсаторных свойств белков, встроенных в мембрану. [2] Активность ионных каналов, расположенных в плазматической мембране, можно измерить, просто прикрепив к мембране стеклянный капиллярный электрод. [32] Другие ионные каналы, расположенные в мембранах митохондрий, лизосом и аппарата Гольджи, можно измерить новым методом, который включает использование искусственной двухслойной липидной мембраны, прикрепленной к устройству с 16 электродами, которое измеряет электрическую активность. [32]

См. Также [ править ]

  • Синаптический строб
  • Синаптические потенциалы

Ссылки [ править ]

  1. ^ Альбертс, Брюс; Брей, Деннис; Льюис, Джулиан; Рафф, Мартин; Робертс, Кейт; Уотсон, Джеймс Д. (1994). Молекулярная биология клетки . Нью-Йорк: Гарленд. С.  523–547 . ISBN 978-0-8153-1620-6.
  2. ^ a b c Махтенс, Ян-Филипп; Брионес, Родольфо; Аллева, Клаудиа; de Groot, Bert L .; Фальке, Кристоф (11 апреля 2017 г.). «Расчеты стробирующего заряда с помощью компьютерного моделирования электрофизиологии» . Биофизический журнал . 112 (7): 1396–1405. Bibcode : 2017BpJ ... 112.1396M . DOI : 10.1016 / j.bpj.2017.02.016 . ISSN 0006-3495 . PMC 5389965 . PMID 28402882 .   
  3. ^ Goychuk, Игорь; Хенгги, Питер (19 марта 2002). «Стробирование ионного канала: анализ времени первого прохождения типа Крамерса» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (6): 3552–3556. arXiv : физика / 0111187 . Bibcode : 2002PNAS ... 99.3552G . DOI : 10.1073 / pnas.052015699 . ISSN 0027-8424 . PMC 122561 . PMID 11891285 .   
  4. ^ Чезаре Р, Moriondo А, Vellani В, McNaughton ПА (июль 1999 г.). «Ионные каналы, закрытые теплом» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 96 (14): 7658–63. Bibcode : 1999PNAS ... 96.7658C . DOI : 10.1073 / pnas.96.14.7658 . PMC 33597 . PMID 10393876 .  
  5. ^ Хилле, Бертил (2001). Ионные каналы возбудимых мембран . Сандерленд, Массачусетс: Синауэр. ISBN 978-0-87893-321-1.
  6. ^ Waszkielewicz, AM; Гуния, А; Szkaradek, N; Słoczyńska, K; Крупинская, С; Марона, H (апрель 2013 г.). «Ионные каналы как мишени для лекарств при заболеваниях центральной нервной системы» . Современная лекарственная химия . 20 (10): 1241–1285. DOI : 10.2174 / 0929867311320100005 . ISSN 0929-8673 . PMC 3706965 . PMID 23409712 .   
  7. ^ Ахерн, Кристофер А .; Паяндех, Цзянь; Босманс, Франк; Чанда, барон (январь 2016). "Автостопом по галактике с натриевым каналом, управляемой напряжением" . Журнал общей физиологии . 147 (1): 1–24. DOI : 10,1085 / jgp.201511492 . ISSN 0022-1295 . PMC 4692491 . PMID 26712848 .   
  8. ^ a b c Бэринг, Роберт; Коваррубиас, Мануэль (01.02.2011). «Механизмы инактивации закрытого состояния в потенциалзависимых ионных каналах» . Журнал физиологии . 589 (Pt 3): 461–479. DOI : 10.1113 / jphysiol.2010.191965 . ISSN 0022-3751 . PMC 3055536 . PMID 21098008 .   
  9. ^ a b c d e Purves, Дейл; Августин, Джордж Дж .; Фитцпатрик, Дэвид; Кац, Лоуренс С .; Ламантия, Энтони-Самуэль; Макнамара, Джеймс О .; Уильямс, С. Марк (2001). «Ионные каналы, управляемые напряжением» . Неврология. 2-е издание .
  10. ^ Грайдер, Майкл Х .; Глаубенскли, Кэролайн С. (2019), «Физиология, потенциал действия» , StatPearls , StatPearls Publishing, PMID 30844170 , данные получены 29 октября 2019 г. 
  11. ^ а б Мантегацца, Массимо; Каттералл, Уильям А. (2012), Ноэбелс, Джеффри Л .; Аволи, Массимо; Rogawski, Michael A .; Олсен, Ричард В. (ред.), «Управляемые напряжением Na + каналы: структура, функция и патофизиология» , Основные механизмы эпилепсии Джаспера (4-е изд.), Национальный центр биотехнологической информации (США), PMID 22787615 , извлечено 2019-11-03 
  12. ^ Сула, Алтын; Букер, Дженнифер; Нг, Лев CT; Нейлор, Клэр Э .; DeCaen, Paul G .; Уоллес, BA (2017-02-16). «Полная структура активированного открытого натриевого канала» . Nature Communications . 8 (1): 14205. Bibcode : 2017NatCo ... 814205S . DOI : 10.1038 / ncomms14205 . ISSN 2041-1723 . PMC 5316852 . PMID 28205548 .   
  13. ^ Catterall, Уильям А. (2013-11-14). «Структура и функция потенциалзависимых натриевых каналов при атомном разрешении» . Экспериментальная физиология . 99 (1): 35–51. DOI : 10.1113 / expphysiol.2013.071969 . ISSN 0958-0670 . PMC 3885250 . PMID 24097157 .   
  14. ^ Гризель, А.В.; Глухов, Г.С.; Соколова, О.С. (октябрь – декабрь 2014 г.). «Механизмы активации потенциалозависимых калиевых каналов» . Acta Naturae . 6 (4): 10–26. DOI : 10.32607 / 20758251-2014-6-4-10-26 . PMC 4273088 . PMID 25558391 .  
  15. ^ Catterall, Уильям А. (август 2011). "Кальциевые каналы, управляемые напряжением" . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 3 (8): a003947. DOI : 10.1101 / cshperspect.a003947 . ISSN 1943-0264 . PMC 3140680 . PMID 21746798 .   
  16. ^ a b Südhof, Томас К. (январь 2012 г.). «Кальций-контроль высвобождения нейротрансмиттеров» . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 4 (1): a011353. DOI : 10.1101 / cshperspect.a011353 . ISSN 1943-0264 . PMC 3249630 . PMID 22068972 .   
  17. ↑ Юн, Тэ Ён; Лу, Сяобин; Дяо, Цзяцзе; Ли, Су-Мин; Ха, Таэкджип; Шин, Ён-Кюн (июнь 2008 г.). «Комплексин и Ca 2+ стимулируют слияние мембран, опосредованное SNARE» . Структурная и молекулярная биология природы . 15 (7): 707–713. DOI : 10.1038 / nsmb.1446 . ISSN 1545-9985 . PMC 2493294 . PMID 18552825 .   
  18. ^ a b «Хлоридные каналы» . Британский журнал фармакологии . 158 (Дополнение 1): S130 – S134. Ноябрь 2009 г. doi : 10.1111 / j.1476-5381.2009.00503_6.x . ISSN 0007-1188 . PMC 2884561 .  
  19. ^ Аккарди, Алессио; Пиколло, Алессандра (август 2010 г.). «Каналы и транспортеры CLC: белки с пограничными характеристиками» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1798 (8): 1457–1464. DOI : 10.1016 / j.bbamem.2010.02.022 . ISSN 0006-3002 . PMC 2885512 . PMID 20188062 .   
  20. ^ Имбрици, Паола; Альтамура, Кончетта; Пессия, Мауро; Мантегацца, Ренато; Деафи, Жан-Франсуа; Камерино, Диана Конте (2015-04-27). «Хлоридные каналы ClC-1: современные исследования и будущие задачи» . Границы клеточной неврологии . 9 : 156. DOI : 10,3389 / fncel.2015.00156 . ISSN 1662-5102 . PMC 4410605 . PMID 25964741 .   
  21. ^ Александр, SPH; Мэти, А; Петерс, Дж. А. (ноябрь 2011 г.). «Ионные каналы, управляемые лигандами» . Британский журнал фармакологии . 164 (Дополнение 1): S115 – S135. DOI : 10.1111 / j.1476-5381.2011.01649_4.x . ISSN 0007-1188 . PMC 3315629 .  
  22. ^ Александр, SPH; Мэти, А; Петерс, Дж. А. (2011). «Ионные каналы, управляемые лигандами» . Br J Pharmacol . 164 (Дополнение 1): S115 – S135. DOI : 10.1111 / j.1476-5381.2011.01649_4.x . PMC 3315629 . 
  23. Перейти ↑ Armstrong, Clay M. (21.11.2006). «Деактивация Na канала из открытого и закрытого состояний» . Труды Национальной академии наук . 103 (47): 17991–17996. Bibcode : 2006PNAS..10317991A . DOI : 10.1073 / pnas.0607603103 . ISSN 0027-8424 . PMC 1693860 . PMID 17101981 .   
  24. ^ а б Куо, Чун-Чин; Бин, Брюс П. (1994-04-01). «Каналы Na + должны быть отключены для восстановления после деактивации». Нейрон . 12 (4): 819–829. DOI : 10.1016 / 0896-6273 (94) 90335-2 . ISSN 0896-6273 . PMID 8161454 . S2CID 41285799 .   
  25. ^ Ю, Фрэнк H; Каттералл, Уильям А. (2003). «Обзор семейства натриевых каналов с регулируемым напряжением» . Геномная биология . 4 (3): 207. DOI : 10,1186 / GB-2003-4-3-207 . ISSN 1465-6906 . PMC 153452 . PMID 12620097 .   
  26. ^ "Модуляция инактивации K + канала N-типа сульфидратацией через сероводород и полисульфиды" . rdcu.be . Проверено 22 ноября 2018 .
  27. ^ Holmgren, M .; Jurman, ME; Йеллен, Г. (сентябрь 1996 г.). «Инактивация N-типа и область S4-S5 канала Shaker K +» . Журнал общей физиологии . 108 (3): 195–206. DOI : 10,1085 / jgp.108.3.195 . ISSN 0022-1295 . PMC 2229322 . PMID 8882863 .   
  28. ^ Bénitah, JP; Chen, Z .; Бальсер, младший; Tomaselli, GF; Марбан, Э. (1999-03-01). «Молекулярная динамика поры натриевого канала зависит от стробирования: взаимодействия между движениями P-сегмента и инактивацией» . Журнал неврологии . 19 (5): 1577–1585. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.19-05-01577.1999 . ISSN 0270-6474 . PMC 6782169 . PMID 10024345 .   
  29. ^ Беринг, Роберт; Коваррубиас, Мануэль (28 января 2011 г.). «Механизмы инактивации закрытого состояния в потенциалзависимых ионных каналах» . Журнал физиологии . 589 (3): 461–479. DOI : 10.1113 / jphysiol.2010.191965 . ISSN 0022-3751 . PMC 3055536 . PMID 21098008 .   
  30. ^ Го, Chung-Chin (1997-05-15). «Деактивация замедляет восстановление после инактивации в каналах K + шейкер» . Журнал неврологии . 17 (10): 3436–3444. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.17-10-03436.1997 . ISSN 0270-6474 . PMC 6573675 . PMID 9133369 .   
  31. ^ Фаулер, Филип В .; Сансом, Марк С.П. (21 мая 2013 г.). «Пора потенциалзависимых каналов с ионами калия напряжена, когда закрывается» . Nature Communications . 4 (1): 1872. Bibcode : 2013NatCo ... 4.1872F . DOI : 10.1038 / ncomms2858 . ISSN 2041-1723 . PMC 3674235 . PMID 23695666 .   
  32. ^ a b Камия, Коки; Осаки, Тошихиса; Накао, Кендзи; Кавано, Рюдзи; Фудзи, Сатоши; Мисава, Нобуо; Хаякава, Масатоши; Такеучи, Сёдзи (30.11.2018). «Электрофизиологическое измерение ионных каналов на мембранах плазмы / органелл с использованием липидной двухслойной системы на кристалле» . Научные отчеты . 8 (1): 17498. Bibcode : 2018NatSR ... 817498K . DOI : 10.1038 / s41598-018-35316-4 . ISSN 2045-2322 . PMC 6269590 . PMID 30504856 .