Гейтинг (электрофизиология) - Gating (electrophysiology)

Анимированное представление молекулярной структуры простого ионного канала

В электрофизиология, период, термин ворота относится к открытию (активация ) или закрытие (путем деактивации или деактивации) ионные каналы.[1] Это изменение конформации является ответом на изменения трансмембранного напряжения.[2]

Когда ионные каналы находятся в «закрытом» (непроводящем) состоянии, они непроницаемый к ионам и не проводят электрический ток. Когда ионные каналы находятся в открытом состоянии, они проводят электрический ток, позволяя ионам определенного типа проходить через них и, таким образом, через плазматическая мембрана из клетка. Стробирование - это процесс перехода ионного канала между открытым и закрытым состояниями.[3]

В зависимости от ионного канала могут запускаться различные клеточные изменения, в том числе изменения напряжения на клеточной мембране (потенциалзависимые ионные каналы ), химические вещества, взаимодействующие с ионным каналом (ионные каналы, управляемые лигандами ), изменения температуры,[4] растяжение или деформация клеточной мембраны, добавление фосфат группу к ионному каналу (фосфорилирование ) и взаимодействие с другими молекулами в клетке (например, G белки ).[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]

Потенциал-зависимые ионные каналы потенциал действия часто описываются как имеющие четыре процесса стробирования: активация, деактивация, инактивация и реактивация (также называемые «восстановлением после инактивации»). Активация - это процесс открытия ворот активации, который происходит в ответ на напряжение внутри клеточной мембраны ( мембранный потенциал ) становится более положительным по отношению к внешней части ячейки (деполяризация ), а «дезактивация» - это процесс, противоположный закрытию ворот активации в ответ на то, что внутренняя часть мембраны становится более негативной (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 изменения функции, зависящие от напряжения, критичны для большого количества процессов в возбудимых и невозбудимых клетках.[2]

Активация

Управляемые по напряжению ионные каналы

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

Управляемые по напряжению ионные каналы открываются и закрываются в ответ на электрический потенциал через клеточную мембрану. Части области канала действуют как датчики напряжения. По мере изменения мембранного потенциала это приводит к изменению электростатические силы, перемещая эти области измерения напряжения. 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 по напряжению ионные каналы часто специфичны для ионов, включая Na+, К+, Ca2+, а Cl−. Каждый из этих ионов играет важную роль в электрическом поведении клетки.[9] Ворота также обладают уникальными свойствами, имеющими важное физиологическое значение. Например, Na+ каналы открываются и закрываются быстро, а K+ ворота открываются и закрываются намного медленнее. Разница в скорости между этими каналами лежит в основе фаз деполяризации и реполяризации потенциала действия.[10]

Na+ каналы

Натрий, управляемый напряжением (Na+) каналы важны, 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] Натрий (Na+) каналы являются одними из основных ионных каналов, ответственных за потенциалы действия.[9] Будучи сложными, они состоят из больших 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

Калий (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:

  • В модель скользящей спирали утверждает, что калиевый канал открывается из-за завинчивания спирали S4.
  • В весло модель утверждает, что спирали S3 и S4 канала образуют «лопасти», которые движутся через деполяризованную мембрану и оттягивают спираль S5 от отверстия канала.
  • В транспортная модель утверждает, что сфокусированное электрическое поле заставляет заряженные частицы перемещаться по каналу с небольшим перемещением спирали S4.
  • Модель согласованное движение спиралей утверждает, что обе спирали S4 и S5 вращаются, а линкер S4-S5 заставляет спираль S6 двигаться, открывая канал.
  • В модель консенсуса представляет собой среднее из приведенных выше моделей, которое помогает согласовать их с экспериментальными данными.[14]
Ca2+ каналы

Кальций (Ca2+) каналы 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 множественными белками, включая синаптобревин и белки SNARE, притягивая везикулу нейромедиатора к мембране и высвобождая ее содержимое в синаптическую щель

Нейротрансмиттеры изначально 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 нейротрансмиттера слиться 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] Как правило, 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 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 называют 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

Ионные каналы, управляемые лигандами находятся 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 форму, позволяя ионам проходить через каналы вниз по градиенту их концентрации. Ионные каналы, управляемые лигандами, отвечают за быструю синаптическую передачу в нервной системе и в 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]

Инактивация

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 для предотвращения потока ионов.[23] Инактивация обычно происходит при деполяризации клеточной мембраны 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 экспонируемой части открытого канала.[24] Быстрая инактивация позволяет каналу останавливать поток натрия очень скоро после принятия его открытой конформации.[25]

Инактивация шара и цепи

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

В модель шара и цепи, также известная как инактивация N-типа или инактивация с откидной крышкой, является стробирующим механизмом для некоторых потенциалзависимых ионных каналов. Управляемые по напряжению ионные каналы состоят из 4[сомнительный – обсуждать] α-субъединицы, одна или несколько из которых будут иметь шаровой домен, расположенный на его цитоплазматический N-конец.[26] Область шара электростатически притягивается к области внутреннего канала. Когда ионный канал активирован, внутренняя область канала обнажается, и в течение миллисекунд цепь складывается, и шарик входит в канал, перекрывая проникновение ионов.[27] Канал возвращается в свое закрытое состояние, блокируя домен канала, и шарик выходит из поры.[28]

Деактивация

Когда 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 регулируемым напряжением 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]

Для калиевых каналов, 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

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 стеклянный капиллярный электрод непрерывно к мембране.[32] Другие ионные каналы, расположенные в мембранах митохондрий, лизосом и аппарата Гольджи, могут быть измерены новым методом, который включает использование искусственной двухслойной липидной мембраны, прикрепленной к 16-электродному устройству, которое измеряет электрическую активность.[32]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Альбертс, Брюс; Брей, Деннис; Льюис, Джулиан; Рафф, Мартин; Робертс, Кейт; Уотсон, Джеймс Д. (1994). Молекулярная биология клетки. Нью-Йорк: Гарленд. стр.523–547. ISBN  978-0-8153-1620-6.
  2. ^ а б c Махтенс, Ян-Филипп; Брионес, Родольфо; Аллева, Клаудиа; de Groot, Bert L .; Фальке, Кристоф (11 апреля 2017 г.). «Расчет стробирующего заряда с помощью компьютерного моделирования электрофизиологии». Биофизический журнал. 112 (7): 1396–1405. Bibcode:2017BpJ ... 112,1396M. Дои:10.1016 / j.bpj.2017.02.016. ISSN  0006-3495. ЧВК  5389965. PMID  28402882.
  3. ^ Гейчук Игорь; Хангги, Питер (19 марта 2002 г.). "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. Дои:10.1073 / pnas.052015699. ISSN  0027-8424. ЧВК  122561. PMID  11891285.
  4. ^ Чезаре П., Мориондо А., Веллани В., Макнотон, Пенсильвания (июль 1999 г.). «Ионные каналы, закрытые теплом». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 96 (14): 7658–63. Bibcode:1999PNAS ... 96.7658C. Дои:10.1073 / pnas.96.14.7658. ЧВК  33597. PMID  10393876.
  5. ^ Хилле, Бертил (2001). Ионные каналы возбудимых мембран. Сандерленд, Массачусетс: Синауэр. ISBN  978-0-87893-321-1.
  6. ^ Вашкелевич, A.M; 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. Дои:10.2174/0929867311320100005. ISSN  0929-8673. ЧВК  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. Дои:10.1085 / jgp.201511492. ISSN  0022-1295. ЧВК  4692491. PMID  26712848.
  8. ^ а б c Беринг, Роберт; Коваррубиас, Мануэль (01.02.2011). «Механизмы инактивации закрытого состояния в потенциалозависимых ионных каналах». Журнал физиологии. 589 (Pt 3): 461–479. Дои:10.1113 / jphysiol.2010.191965. ISSN  0022-3751. ЧВК  3055536. PMID  21098008.
  9. ^ а б c d е Первес, 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, получено 2019-10-29
  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, получено 2019-11-03
  12. ^ Сула, Алтын; Букер, Дженнифер; Ng, Leo C.T .; Нейлор, Клэр Э .; DeCaen, Paul G .; Уоллес, Б. А. (2017-02-16). «Полная структура активированного открытого натриевого канала». Nature Communications. 8 (1): 14205. Bibcode:2017НатКо ... 814205S. Дои:10.1038 / ncomms14205. ISSN  2041-1723. ЧВК  5316852. PMID  28205548.
  13. ^ Каттералл, Уильям А. (14 ноября 2013 г.). «Структура и функция потенциалзависимых натриевых каналов при атомном разрешении». Экспериментальная физиология. 99 (1): 35–51. Дои:10.1113 / expphysiol.2013.071969. ISSN  0958-0670. ЧВК  3885250. PMID  24097157.
  14. ^ Grizel, A. V .; Глухов, Г. С .; Соколова, О.С. (октябрь – декабрь 2014 г.). «Механизмы активации потенциалозависимых калиевых каналов». Acta Naturae. 6 (4): 10–26. Дои:10.32607/20758251-2014-6-4-10-26. ЧВК  4273088. PMID  25558391.
  15. ^ Каттералл, Уильям А. (август 2011 г.). "Кальциевые каналы, управляемые напряжением". Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. 3 (8): a003947. Дои:10.1101 / cshperspect.a003947. ISSN  1943-0264. ЧВК  3140680. PMID  21746798.
  16. ^ а б Зюдхоф, Томас К. (январь 2012 г.). «Кальциевый контроль высвобождения нейротрансмиттеров». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. 4 (1): a011353. Дои:10.1101 / cshperspect.a011353. ISSN  1943-0264. ЧВК  3249630. PMID  22068972.
  17. ^ Юн, Тэ Ён; Лу, Сяобин; Дяо, Цзяцзе; Ли, Су-Мин; Ха, Тэкджип; Шин, Ён-Кюн (июнь 2008 г.). «Комплексин и Ca 2+ стимулируют слияние мембран, опосредованное SNARE». Структурная и молекулярная биология природы. 15 (7): 707–713. Дои:10.1038 / nsmb.1446. ISSN  1545-9985. ЧВК  2493294. PMID  18552825.
  18. ^ а б «Хлоридные каналы». Британский журнал фармакологии. 158 (Приложение 1): S130 – S134. Ноябрь 2009 г. Дои:10.1111 / j.1476-5381.2009.00503_6.x. ISSN  0007-1188. ЧВК  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. Дои:10.1016 / j.bbamem.2010.02.022. ISSN  0006-3002. ЧВК  2885512. PMID  20188062.
  20. ^ Имбричи, Паола; Альтамура, Кончетта; Пессия, Мауро; Мантегацца, Ренато; Деафи, Жан-Франсуа; Камерино, Диана Конте (2015-04-27). «Хлоридные каналы ClC-1: новейшие исследования и будущие задачи». Границы клеточной неврологии. 9: 156. Дои:10.3389 / fncel.2015.00156. ISSN  1662-5102. ЧВК  4410605. PMID  25964741.
  21. ^ Александр, SPH; Мэти, А; Петерс, Дж. А. (ноябрь 2011 г.). "Ионные каналы, управляемые лигандами". Британский журнал фармакологии. 164 (Приложение 1): S115 – S135. Дои:10.1111 / j.1476-5381.2011.01649_4.x. ISSN  0007-1188. ЧВК  3315629.
  22. ^ Александр, SPH; Мэти, А; Петерс, Дж. А. (2011). "Ионные каналы, управляемые лигандами". Br J Pharmacol. 164 (Приложение 1): S115 – S135. Дои:10.1111 / j.1476-5381.2011.01649_4.x. ЧВК  3315629.
  23. ^ Армстронг, Клэй М. (21 ноября 2006 г.). «Деактивация Na канала из открытого и закрытого состояний». Труды Национальной академии наук. 103 (47): 17991–17996. Bibcode:2006PNAS..10317991A. Дои:10.1073 / pnas.0607603103. ISSN  0027-8424. ЧВК  1693860. PMID  17101981.
  24. ^ а б Куо, Чунг-Чин; Бин, Брюс П. (1994-04-01). «Каналы Na + должны быть отключены для восстановления после деактивации». Нейрон. 12 (4): 819–829. Дои:10.1016/0896-6273(94)90335-2. ISSN  0896-6273. PMID  8161454. S2CID  41285799.
  25. ^ Ю, Фрэнк Х; Каттерал, Уильям А. (2003). «Обзор семейства натриевых каналов с регулируемым напряжением». Геномная биология. 4 (3): 207. Дои:10.1186 / gb-2003-4-3-207. ISSN  1465-6906. ЧВК  153452. PMID  12620097.
  26. ^ «Модуляция инактивации K + канала N-типа путем сульфидратации через сероводород и полисульфиды». rdcu.be. Получено 2018-11-22.
  27. ^ Holmgren, M .; Jurman, M.E .; Йеллен, Г. (сентябрь 1996 г.). «Инактивация N-типа и область S4-S5 канала Shaker K +». Журнал общей физиологии. 108 (3): 195–206. Дои:10.1085 / jgp.108.3.195. ISSN  0022-1295. ЧВК  2229322. PMID  8882863.
  28. ^ Bénitah, J. P .; Chen, Z .; Balser, J. R .; Tomaselli, G.F .; 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. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.19-05-01577.1999. ISSN  0270-6474. ЧВК  6782169. PMID  10024345.
  29. ^ Беринг, Роберт; Коваррубиас, Мануэль (28 января 2011 г.). «Механизмы инактивации закрытого состояния в потенциалозависимых ионных каналах». Журнал физиологии. 589 (3): 461–479. Дои:10.1113 / jphysiol.2010.191965. ISSN  0022-3751. ЧВК  3055536. PMID  21098008.
  30. ^ Куо, Чун-Чин (1997-05-15). «Деактивация замедляет восстановление после инактивации в каналах K + шейкер». Журнал неврологии. 17 (10): 3436–3444. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.17-10-03436.1997. ISSN  0270-6474. ЧВК  6573675. PMID  9133369.
  31. ^ Фаулер, Филип В .; Сансом, Марк С. П. (21 мая 2013 г.). «Пора потенциалзависимых каналов с ионами калия напряжена при закрытии». Nature Communications. 4 (1): 1872. Bibcode:2013 НатКо ... 4.1872F. Дои:10.1038 / ncomms2858. ISSN  2041-1723. ЧВК  3674235. PMID  23695666.
  32. ^ а б Камия, Коки; Осаки, Тошихиса; Накао, Кендзи; Кавано, Рюдзи; Фуджи, Сатоши; Мисава, Нобуо; Хаякава, Масатоши; Такеучи, Сёдзи (30.11.2018). «Электрофизиологическое измерение ионных каналов на мембранах плазмы / органелл с использованием встроенной липидной двухслойной системы». Научные отчеты. 8 (1): 17498. Bibcode:2018НатСР ... 817498K. Дои:10.1038 / s41598-018-35316-4. ISSN  2045-2322. ЧВК  6269590. PMID  30504856.