Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Субъединицы ионных каналов в мембране .png
Каждый из четырех гомологичных доменов составляет одну субъединицу ионного канала. Сегменты измерения напряжения S4 (отмеченные символом +) показаны заряженными.
Идентификаторы
СимволВИК
Клан пфамCL0030
TCDB1.A.1
OPM суперсемейство8
Белок OPM2a79
Ионы изображены красными кружками. Градиент представлен разной концентрацией ионов по обе стороны от мембраны. Открытая конформация ионного канала допускает перемещение ионов через клеточную мембрану, а закрытая конформация - нет.

Управляемые напряжением ионные каналы представляют собой класс трансмембранных белков, которые образуют ионные каналы , которые активируются изменениями электрического мембранного потенциала вблизи канала. Мембранный потенциал изменяет конформацию белков канала, регулируя их открытие и закрытие. Клеточные мембраны обычно непроницаемы для ионов , поэтому они должны диффундировать через мембрану через трансмембранные белковые каналы. Они играют решающую роль в возбудимых клетках, таких как нейрональные и мышечные ткани, обеспечивая быструю и скоординированную деполяризацию в ответ на изменение напряжения . Найдено вдоль аксонаи в синапсе по потенциалозависимым ионным каналам направленно распространяются электрические сигналы. Управляемые напряжением ионные каналы обычно являются ион-специфическими, 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 [ править ]

Дополнительная информация: надсемейство катионных каналов
Конформация четырех гомологичных доменов, показывающая образование центральной поры

Управляемые напряжением ионные каналы обычно состоят из нескольких субъединиц, расположенных таким образом, что имеется центральная пора, через которую ионы могут перемещаться по своим электрохимическим градиентам . Каналы имеют тенденцию быть ион-специфическими, хотя иногда через них могут проходить ионы аналогичного размера и заряженные ионы. Функциональность потенциалзависимых ионных каналов приписывается его трем основным дискретным элементам: датчику напряжения, порам или проводящему пути и затвору. [3] Каналы Na + , K + и Ca 2+ состоят из четырех трансмембранных доменов, расположенных вокруг центральной поры; эти четыре домена являются частью одной α-субъединицы в случае большинства Na + и Ca 2+.каналов, тогда как существует четыре α-субъединицы, каждая из которых вносит вклад в один трансмембранный домен в большинстве K + каналов. [4] Пересекающие мембраны сегменты, обозначенные S1-S6, имеют форму альфа-спиралей со специальными функциями. Пятый и шестой трансмембранные сегменты (S5 и S6) и петля пор выполняют главную роль ионной проводимости, включая затвор и поры канала, в то время как S1-S4 служат областью измерения напряжения. [3] Четыре субъединицы могут быть идентичными или отличаться друг от друга. Помимо четырех центральных α-субъединиц, существуют также регуляторные β-субъединицы с оксидоредуктазой.активности, которые расположены на внутренней поверхности клеточной мембраны и не пересекают мембрану, и которые объединены с α-субъединицами в эндоплазматическом ретикулуме . [5]

Механизм [ править ]

Кристаллографические структурные исследования калиевого канала показали, что когда через мембрану вводится разность потенциалов , связанное электрическое поле вызывает конформационные изменения в калиевом канале. Конформационное изменение искажает форму белков канала в достаточной степени, так что полость или канал открывается, позволяя притоку или оттоку происходить через мембрану. Это движение ионов вниз по градиенту их концентрации впоследствии генерирует электрический ток, достаточный для деполяризации клеточной мембраны.

Управляемые напряжением натриевые и кальциевые каналы состоят из одного полипептида с четырьмя гомологичными доменами. Каждый домен содержит 6 мембранных альфа-спиралей . Одна из этих спиралей, S4, является спиралью измерения напряжения. [6] Сегмент S4 содержит много положительных зарядов, так что высокий положительный заряд вне ячейки отталкивает спираль, сохраняя канал в закрытом состоянии.

В общем, часть ионного канала, чувствительная к напряжению, отвечает за обнаружение изменений трансмембранного потенциала, которые запускают открытие или закрытие канала. Считается, что альфа-спирали S1-4 выполняют эту роль. 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 находится в контакте с цитозолем клетки. После деполяризации положительно заряженные остатки на доменах S4 перемещаются к экзоплазматической поверхности мембраны. Считается, что первые 4 аргинина отвечают за управляющий ток, движущийся к внеклеточному растворителю при активации канала в ответ на деполяризацию мембраны. Движение 10–12 этих связанных с белком положительных зарядов запускает конформационное изменение, которое открывает канал. [4] Точный механизм, с помощью которого происходит это движение, в настоящее время не согласован, однако каноническая модель, модель транспортера, весла и скрученная модель являются примерами текущих теорий. [7]

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

Основная функциональная часть потенциалочувствительного белкового домена этих каналов обычно содержит область, состоящую из спиралей S3b и S4, известную как «лопасть» из-за своей формы, которая, по-видимому, представляет собой консервативную последовательность , взаимозаменяемую в широком спектре спиралей. клетки и виды. Аналогичная лопасть датчика напряжения также была обнаружена в семействе чувствительных к напряжению фосфатаз у различных видов. [8] Генетическая инженерия области лопасти от вида обитающих в вулканах архебактерий в калиевые каналы мозга крысы приводит к полностью функциональному ионному каналу, если заменяется целая лопасть. [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 трудными для изучения препаратами. [10]

Хотя потенциалзависимые ионные каналы обычно активируются деполяризацией мембраны , некоторые каналы, такие как каналы ионов калия внутреннего выпрямителя , вместо этого активируются гиперполяризацией .

Считается, что затвор соединен с зонами измерения напряжения 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 ножничное движение, позволяя ионам проходить через него, [12] сегмент S6 разбивается на два сегмента, позволяя проходить ионам через канал, [13] или канал S6, служащий самим затвором. . [14] Механизм, с помощью которого движение сегмента S4 влияет на движение сегмента S6, все еще 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 опосредуется внутриклеточными воротами, которые контролируют открытие поры внутри клетки. [15] Эти ворота смоделированы как шар, привязанный к гибкой цепи . Во время инактивации цепь сворачивается, 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 включение ворот инактивации, неизвестен.

Разные типы [ править ]

Натриевые (Na + ) каналы [ править ]

Натриевые каналы обладают схожими функциональными свойствами для многих разных типов клеток. Хотя были идентифицированы десять человеческих генов, кодирующих натриевые каналы, их функция обычно сохраняется у разных видов и разных типов клеток. [17]

Каналы кальция (Ca 2+ ) [ править ]

Основная статья: Управляемый напряжением кальциевый канал
См. Также: Блокатор кальциевых каналов

Имея шестнадцать различных идентифицированных генов кальциевых каналов человека, этот тип канала различается по функциям между типами клеток. Каналы Ca 2+ производят потенциалы действия аналогично каналам Na + в некоторых нейронах. Они также играют роль в высвобождении нейромедиаторов 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]

Калиевые (K + ) каналы [ править ]

Калиевые каналы - это самый большой и разнообразный класс потенциалзависимых каналов, более 100 кодирующих человеческие гены. Эти типы каналов существенно различаются по своим стробирующим свойствам; одни инактивируются очень медленно, другие - очень 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 отдельные полипептидные субъединицы, тогда как другие каналы содержат четыре гомологичных домена, но на одной полипептидной единице. [7]

Каналы хлорида (Cl - ) [ править ]

Хлоридные каналы присутствуют во всех типах нейронов. Обладая главной ответственностью за контроль возбудимости, хлоридные каналы способствуют поддержанию потенциала покоя клеток и помогают регулировать объем клеток. [1]

Протонные (H + ) каналы [ править ]

Управляемые напряжением протонные каналы переносят токи, опосредованные ионами водорода в форме гидроксония , и активируются деполяризацией в зависимости от pH . Они действуют, чтобы удалить кислоту из клеток. [18] [19] [20]

Филогенетика [ править ]

Дополнительная информация: Семейство ионных каналов

Филогенетические исследования белков, экспрессируемых в бактериях, показали существование суперсемейства потенциалзависимых натриевых каналов. [21] Последующие исследования показали , что целый ряд других ионных каналов и транспортеров филогенетический связаны с напряжением закрытого ионных каналов, в том числе внутрь выпрямления K + каналов , рианодиновый-инозитол 1,4,5-трифосфат рецепторов Са 2+ каналов , переходный потенциал рецептора Ca 2+ каналы , катионные каналы полицистина , глутамат-управляемые ионные каналы , кальций-зависимые хлоридные каналы, одновалентный катион: антипортеры протонов, тип 1 и переносчики калия . [22]

См. Также [ править ]

  • Калиевый канал
  • Катехоламинергическая полиморфная желудочковая тахикардия

Ссылки [ править ]

  1. ↑ a b Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, Katz LC, LaMantia A, McNamara JO, Williams SM (2001). «Ионные каналы, управляемые напряжением» . Неврология (2-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-742-4.
  2. ^ Catterall WA (апрель 2000). «От ионных токов к молекулярным механизмам: структура и функция потенциалзависимых натриевых каналов». Нейрон . 26 (1): 13–25. DOI : 10.1016 / S0896-6273 (00) 81133-2 . PMID 10798388 . 
  3. ^ a b c d e Bezanilla F (март 2005 г.). "Напряжение-управляемые ионные каналы". IEEE Transactions по NanoBioscience . 4 (1): 34–48. DOI : 10.1109 / tnb.2004.842463 . PMID 15816170 . 
  4. ^ a b Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J (2000). «Раздел 21.3, Молекулярные свойства ионных каналов, управляемых напряжением» . Молекулярная клеточная биология (4-е изд.). Нью-Йорк: Книги Scientific American. ISBN 978-0-7167-3136-8.
  5. ^ Гулбис JM, Mann S, Маккиннон R (июнь 1999). "Структура зависимой от напряжения бета-субъединицы K + канала". Cell . 97 (7): 943–52. DOI : 10.1016 / s0092-8674 (00) 80805-3 . PMID 10399921 . 
  6. ^ Catterall WA (2010). «Датчики напряжения ионного канала: устройство, функции, патофизиология» . Нейрон . 67 (6): 915–28. DOI : 10.1016 / j.neuron.2010.08.021 . PMC 2950829 . PMID 20869590 .  
  7. ^ a b Sands Z, Grottesi A, Sansom MS (2005). "Напряжение-управляемые ионные каналы" . Текущая биология . 15 (2): R44–7. 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 датчиком внутреннего напряжения». Природа . 435 (7046): 1239–43. Bibcode : 2005Natur.435.1239M . DOI : 10,1038 / природа03650 . PMID 15902207 . 
  9. ^ Alabi А.А., Баамонде М.И., Юнг HJ, Ким JI, Сварц KJ (ноябрь 2007). «Переносимость функции лопаточного мотива и фармакология в датчиках напряжения» . Природа . 450 (7168): 370–5. Bibcode : 2007Natur.450..370A . DOI : 10,1038 / природа06266 . 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». Природа . 450 (7168): 376–82. Bibcode : 2007Natur.450..376L . DOI : 10,1038 / природа06265 . PMID 18004376 . 
  11. ^ Йеллен G (август 1998). «Подвижные части потенциалозависимых ионных каналов». Ежеквартальные обзоры биофизики . 31 (3): 239–95. DOI : 10.1017 / s0033583598003448 . PMID 10384687 . 
  12. ^ Perozo E, Cortes DM, Куэлло LG (июль 1999). «Структурные перестройки, лежащие в основе стробирования активации K + -каналов» . Наука . 285 (5424): 73–8. DOI : 10.1126 / science.285.5424.73 . PMID 10390363 . 
  13. ^ a b Jiang Y, Lee A, Chen J, Cadene M, Chait BT, MacKinnon R (май 2002 г.). «Кристаллическая структура и механизм кальциевого калиевого канала». Природа . 417 (6888): 515–22. Bibcode : 2002Natur.417..515J . DOI : 10.1038 / 417515a . PMID 12037559 . 
  14. Перейти ↑ Webster SM, Del Camino D, Dekker JP, Yellen G (апрель 2004 г.). «Внутриклеточное открытие ворот в каналах Shaker K +, определяемое металлическими перемычками с высоким сродством». Природа . 428 (6985): 864–8. Bibcode : 2004Natur.428..864W . DOI : 10,1038 / природа02468 . PMID 15103379 . 
  15. ^ Армстронг CM (июль 1981). «Натриевые каналы и затворные токи». Физиологические обзоры . 61 (3): 644–83. DOI : 10.1152 / Physrev.1981.61.3.644 . PMID 6265962 . 
  16. ^ Василев P, T Scheuer, 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. ^ a b Бенита Дж. П., Чен З., Бальсер Дж. Р., Томаселли Г. Ф., Марбан Е. (март 1999 г.). «Молекулярная динамика поры натриевого канала меняется в зависимости от стробирования: взаимодействия между движениями Р-сегмента и инактивацией» . Журнал неврологии . 19 (5): 1577–85. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.19-05-01577.1999 . PMC 6782169 . PMID 10024345 .  
  18. ^ Черный, В.В.; Маркин В.С.; DeCoursey, TE (1995), «Активированная напряжением проводимость водородных ионов в альвеолярных эпителиальных клетках крысы определяется градиентом pH», Journal of General Physiology (опубликовано в июне 1995 г.), 105 (6), стр. 861–896, doi : 10.1085 / jgp.105.6.861 , PMC 2216954 , PMID 7561747  
  19. ^ DeCoursey, TE (2003), "потенциалзависимые протонные каналы и другие пути передачи протона", Физиологические Отзывы , 83 (2), стр 475-579,. Дои : 10,1152 / physrev.00028.2002 , OCLC 205658168 , PMID 12663866  
  20. ^ Рэмси, И. Скотт; Мокраб, Юнес; Карвачо, Ингрид; Sands, Zara A .; Sansom, Mark SP; Клэпхэм, Дэвид Э. (2010). « Путь проникновения водного H + в потенциал-зависимом протонном канале Hv1» . Структурная и молекулярная биология природы . 17 (7): 869–875. DOI : 10.1038 / nsmb.1826 . PMC 4035905 . PMID 20543828 .  
  21. ^ Koishi R, Сюй Н, Рен Д, Наварро В, Спилер BW, Ши Q, Клэпхем ДЕ (март 2004 г.). «Суперсемейство потенциалзависимых натриевых каналов у бактерий» . Журнал биологической химии . 279 (10): 9532–8. DOI : 10.1074 / jbc.M313100200 . PMID 14665618 . 
  22. ^ Чанг, Авраам Б .; Лин, Рон; Studley, W. Keith; Тран, Кан В .; Сайер, Милтон Х., младший (2004). «Филогения как руководство к структуре и функции мембранных транспортных белков». Mol Membr Biol . 21 (3): 171–181. DOI : 10.1080 / 09687680410001720830 . PMID 15204625 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • IUPHAR-DB Субблоки управляемых напряжением ионных каналов
  • Компендиум IUPHAR по ионным каналам с регулируемым напряжением, 2005 г.
  • Зависимые от напряжения + анионные + каналы в предметных заголовках медицинской тематики Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)