Kanał jonowy bramkowany napięciem
 Każda z czterech homologicznych domen tworzy jedną podjednostkę kanału jonowego. Segmenty wykrywające napięcie S4 (oznaczone symbolami +) są pokazane jako naładowane.
| |
| Identyfikatory | |
|---|---|
| Symbol | VIC |
| Klan Pfam | CL0030 |
| TCDB | 1.A.1 |
| Nadrodzina OPM | 8 |
| Białko OPM | 2a79 |
Kanały jonowe bramkowane napięciem to klasa białek transbłonowych , które tworzą kanały jonowe aktywowane przez zmiany potencjału błony elektrycznej w pobliżu kanału. Potencjał błonowy zmienia konformację białek kanałowych, regulując ich otwieranie i zamykanie. Błony komórkowe są na ogół nieprzepuszczalne dla jonów , dlatego muszą one dyfundować przez błonę przez transbłonowe kanały białkowe. Odgrywają kluczową rolę w komórkach pobudliwych, takich jak nerwowe i mięśniowe, umożliwiając szybkie i skoordynowane depolaryzacja w odpowiedzi na wyzwalającą zmianę napięcia . Znajdujące się wzdłuż aksonu i synapsy kanały jonowe bramkowane napięciem kierunkowo propagują sygnały elektryczne. Kanały jonowe bramkowane napięciem są zwykle specyficzne dla jonów, a kanały specyficzne dla sodu (Na + ), potasu (K + ), wapnia (Ca 2+ ) i chlorków (Cl - ) jony zostały zidentyfikowane. Otwieranie i zamykanie kanałów jest wyzwalane przez zmianę stężenia jonów, a tym samym gradientu ładunku, między bokami błony komórkowej.
Struktura
Kanały jonowe bramkowane napięciem składają się na ogół z kilku podjednostek ułożonych w taki sposób, że istnieje centralny por, przez który jony mogą przemieszczać się wzdłuż swoich gradientów elektrochemicznych . Kanały są zwykle specyficzne dla jonów, chociaż czasami mogą przez nie przepływać jony o podobnej wielkości i naładowaniu. Funkcjonalność kanałów jonowych bramkowanych napięciem przypisuje się trzem głównym jednostkom dyskretnym: czujnikowi napięcia, porowi lub ścieżce przewodzącej oraz bramce. Na + , K + i Ca2 + kanały składają się z czterech domen transbłonowych rozmieszczonych wokół centralnego poru; te cztery domeny są częścią pojedynczej podjednostki α w przypadku większości kanałów Na + i Ca2 + , podczas gdy w większości kanałów K + występują cztery podjednostki α, z których każda wnosi jedną domenę transbłonową . Segmenty obejmujące błonę, oznaczone jako S1-S6, mają postać helis alfa ze specjalistycznymi funkcjami. Piąty i szósty segment transbłonowy (S5 i S6) oraz pętla porów pełnią główną rolę przewodzenia jonów, obejmując bramkę i por kanału, podczas gdy S1-S4 służą jako obszar wykrywania napięcia. Cztery podjednostki mogą być identyczne lub różne od siebie. Oprócz czterech centralnych podjednostek α istnieją również regulatorowe podjednostki β o oksydoreduktazy , które znajdują się na wewnętrznej powierzchni błony komórkowej i nie przechodzą przez błonę, i które łączą się z podjednostkami α w retikulum endoplazmatycznego .
Mechanizm
Krystalograficzne badania strukturalne kanału potasowego wykazały, że gdy różnica potencjałów jest wprowadzana przez membranę, związane z tym pole elektryczne indukuje zmianę konformacyjną w kanale potasowym. Zmiana konformacyjna zniekształca kształt białek kanałowych na tyle, że wnęka lub kanał otwiera się, umożliwiając napływ lub wypływ przez błonę. Ten ruch jonów w dół ich gradientów stężeń generuje następnie prąd elektryczny wystarczający do depolaryzacji błony komórkowej.
Kanały sodowe bramkowane napięciem i kanały wapniowe składają się z pojedynczego polipeptydu z czterema homologicznymi domenami. Każda domena zawiera 6 helis alfa obejmujących membranę . Jedna z tych helis, S4, jest helisą wykrywającą napięcie. Segment S4 zawiera wiele ładunków dodatnich, tak że wysoki ładunek dodatni na zewnątrz komórki odpycha helisę, utrzymując kanał w stanie zamkniętym.
Ogólnie rzecz biorąc, część kanału jonowego wykrywająca napięcie jest odpowiedzialna za wykrywanie zmian potencjału transbłonowego, które wyzwalają otwarcie lub zamknięcie kanału. Ogólnie uważa się, że helisy alfa S1-4 pełnią tę rolę. W kanałach potasowych i sodowych czułe na napięcie helisy S4 zawierają dodatnio naładowane reszty lizyny lub argininy w powtarzających się motywach. W stanie spoczynku połowa każdej helisy S4 styka się z cytozolem komórki. Po depolaryzacji dodatnio naładowane reszty w domenach S4 przesuwają się w kierunku egzoplazmatycznej powierzchni błony. Uważa się, że pierwsze 4 argininy odpowiadają za prąd bramkowania, poruszający się w kierunku rozpuszczalnika pozakomórkowego po aktywacji kanału w odpowiedzi na depolaryzację błony. Ruch 10-12 tych dodatnich ładunków związanych z białkami wyzwala zmianę konformacyjną, która otwiera kanał. Dokładny mechanizm, za pomocą którego zachodzi ten ruch, nie jest obecnie uzgodniony, jednak modele kanoniczne, transporterowe, wiosłowe i skręcone są przykładami aktualnych teorii.
Ruch czujnika napięcia wyzwala zmianę konformacyjną bramki ścieżki przewodzącej, kontrolując przepływ jonów przez kanał.
Główna funkcjonalna część wrażliwej na napięcie domeny białkowej tych kanałów zawiera na ogół region składający się z helis S3b i S4, znany jako „łopatka” ze względu na swój kształt, który wydaje się być konserwatywną sekwencją, wymienną w szerokim zakresie komórki i gatunki. Podobną łopatkę czujnika napięcia znaleziono również w rodzinie fosfataz wrażliwych na napięcie u różnych gatunków. Inżynieria genetyczna regionu wiosła z gatunku archebakterii zamieszkujących wulkany do kanałów potasowych w mózgu szczura skutkuje w pełni funkcjonalnym kanałem jonowym, o ile cała nienaruszona łyżka zostanie wymieniona. Ta „ modułowość ” pozwala na wykorzystanie prostych i niedrogich systemów modelowych do badania funkcji tego regionu, jego roli w chorobie i farmaceutycznej kontroli jego zachowania, zamiast ograniczania się do słabo scharakteryzowanych, drogich i/lub trudnych do zbadania preparatów.
Chociaż kanały jonowe bramkowane napięciem są zwykle aktywowane przez depolaryzację błony , niektóre kanały, takie jak kanały jonowe potasowe prostownika skierowanego do wewnątrz , są aktywowane zamiast tego przez hiperpolaryzację .
Uważa się, że bramka jest połączona z obszarami wykrywania napięcia w kanałach i wydaje się zawierać mechaniczną przeszkodę dla przepływu jonów. Chociaż domena S6 została uzgodniona jako segment działający jako ta przeszkoda, jej dokładny mechanizm nie jest znany. Możliwe wyjaśnienia to: segment S6 wykonuje ruch nożycowy umożliwiający przepływ jonów, segment S6 rozpada się na dwa segmenty umożliwiające przejście jonów przez kanał lub kanał S6 pełniący rolę samej bramki. Mechanizm, za pomocą którego ruch segmentu S4 wpływa na ruch S6, jest nadal nieznany, jednak istnieje teoria, że istnieje łącznik S4-S5, którego ruch umożliwia otwarcie S6.
Inaktywacja kanałów jonowych następuje w ciągu milisekund po otwarciu. Uważa się, że w inaktywacji pośredniczy bramka wewnątrzkomórkowa, która kontroluje otwieranie porów wewnątrz komórki. Ta bramka jest modelowana jako kula przywiązana do elastycznego łańcucha . Podczas inaktywacji łańcuch zwija się, a kulka blokuje przepływ jonów przez kanał. Szybka inaktywacja jest bezpośrednio związana z aktywacją spowodowaną ruchami wewnątrzbłonowymi segmentów S4, chociaż mechanizm łączący ruch S4 i zaangażowanie bramki inaktywacyjnej jest nieznany.
Różne rodzaje
sodowe (Na + ).
Kanały sodowe mają podobne właściwości funkcjonalne w wielu różnych typach komórek. Chociaż zidentyfikowano dziesięć ludzkich genów kodujących kanały sodowe, ich funkcja jest zwykle zachowana między gatunkami i różnymi typami komórek.
wapniowe (Ca 2+ ).
Z szesnastoma różnymi zidentyfikowanymi genami dla ludzkich kanałów wapniowych, ten typ kanału różni się pod względem funkcji między typami komórek. Kanały Ca 2+ wytwarzają potencjały czynnościowe podobnie jak kanały Na + w niektórych neuronach. Odgrywają również rolę w uwalnianiu neuroprzekaźników w presynaptycznych zakończeniach nerwowych. W większości komórek kanały Ca 2+ regulują wiele różnych procesów biochemicznych ze względu na ich rolę w kontrolowaniu wewnątrzkomórkowego stężenia Ca 2+ .
Kanały potasowe (K + ).
Kanały potasowe to największa i najbardziej zróżnicowana klasa kanałów bramkowanych napięciem, z ponad 100 kodującymi ludzkimi genami. Te typy kanałów znacznie różnią się właściwościami bramkowania; niektóre inaktywują się bardzo wolno, a inne bardzo szybko. Ta różnica w czasie aktywacji wpływa na czas trwania i szybkość wyzwalania potencjału czynnościowego, co ma znaczący wpływ na przewodnictwo elektryczne wzdłuż aksonu, jak również transmisję synaptyczną. Kanały potasowe różnią się strukturą od innych kanałów tym, że zawierają cztery oddzielne podjednostki polipeptydowe, podczas gdy inne kanały zawierają cztery domeny homologiczne, ale na jednej jednostce polipeptydowej.
chlorkowe (Cl - ).
Kanały chlorkowe są obecne we wszystkich typach neuronów. Z główną odpowiedzialnością za kontrolowanie pobudliwości, kanały chlorkowe przyczyniają się do utrzymania potencjału spoczynkowego komórek i pomagają regulować objętość komórek.
Kanały protonowe (H + ).
Bramkowane napięciem kanały protonowe przenoszą prądy, w których pośredniczą jony wodoru w postaci hydroniowej i są aktywowane przez depolaryzację w sposób zależny od pH . Działają w celu usunięcia kwasu z komórek.
Filogenetyka
filogenetyczne białek ulegających ekspresji w bakteriach ujawniły istnienie nadrodziny kanałów sodowych bramkowanych napięciem. Późniejsze badania wykazały, że wiele innych kanałów jonowych i transporterów jest filogenetycznie powiązanych z bramkowanymi napięciem kanałami jonowymi, w tym prostownymi do wewnątrz kanałami K + , kanałami receptora rianodyno-inozytolu 1,4,5-trifosforanowego Ca 2+ , przejściowym potencjałem receptora kanały Ca 2+ , kanały kationowe policystyny , kanały jonowe bramkowane glutaminianem , kanały chlorkowe zależne od wapnia , jednowartościowe kationy: antyportery protonów typu 1 i transportery potasu .
Zobacz też
Linki zewnętrzne
- IUPHAR-DB Podjednostki kanałów jonowych bramkowanych napięciem
- Kompendium IUPHAR kanałów jonowych bramkowanych napięciem 2005
- Zależne od napięcia + anionowe + kanały w Narodowej Bibliotece Medycznej Stanów Zjednoczonych Nagłówki przedmiotów medycznych (MeSH)