Вольтқа сезімтал ион каналдары: құрылымы мен жұмыс істеу механизмі
Voltage-gated ion channel
Вольтaждық иондық каналдар: мембраналық белоктар, нейрондарда & бұлшық еттерде электр сигналдарын таратуға жауапты. Жұмыс механизмі, маңыздылығы туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Иондық арнаның түрі – трансмембраналық ақуыз.
Type of ion channel transmembrane protein
Кернеуге сезімтал иондық арналар – бұл иондық арналарды құрайтын трансмембраналық ақуыздардың класы, олар арна маңындағы электрлік мембраналық потенциалдың өзгеруімен белсендіріледі. Мембраналық потенциал арна ақуыздарының құрылымын өзгертіп, олардың ашылуын және жабылуын реттейді. Жасуша мембраналары, әдетте, иондарға өткізбейді, сондықтан олар трансмембраналық ақуыз арналары арқылы мембранадан өтуі керек. Олар нейрондық және бұлшықет тіндері сияқты қозғыш жасушаларда маңызды рөл атқарады, бұл кернеудің өзгеруіне жауап ретінде жылдам және үйлесімді деполяризацияға мүмкіндік береді. Аксон бойымен және синапста орналасқан кернеуге сезімтал иондық арналар электр сигналдарын бағытталған түрде таратады. Кернеуге сезімтал иондық арналар көбінесе ионға қатысты болады, және натрий (Na+), калий (K+), кальций (Ca2+) және хлорид (Cl-) иондарына арналған арналар анықталған. Арналардың ашылуы мен жабылуы жасуша мембранасының екі жағындағы ион концентрациясының өзгеруімен және осыған байланысты заряд градиентімен шақырылады.
Voltage gated ion channels are a class of transmembrane proteins that form ion channels that are activated by changes in the electrical membrane potential near the channel. The membrane potential alters the conformation of the channel proteins, regulating their opening and closing. Cell membranes are generally impermeable to ions, thus they must diffuse through the membrane through transmembrane protein channels. They have a crucial role in excitable cells such as neuronal and muscle tissues, allowing a rapid and co ordinated depolarization in response to triggering voltage change. Found along the axon and at the synapse, voltage gated ion channels directionally propagate electrical signals. Voltage gated ion channels are usually ion specific, and channels specific to sodium (Na+), potassium (K+), calcium (Ca2+), and chloride (Cl−) ions have been identified. The opening and closing of the channels are triggered by changing ion concentration, and hence charge gradient, between the sides of the cell membrane.
Құрылымы
Кернеумен жабылатын иондық арналар әдетте бірнеше кіші бірліктерден тұрады, олар иондардың электрохимиялық градиенттері бойынша орталық тесіктен өтуіне мүмкіндік беретіндей етіп орналасқан. Каналдар көбінесе ионға қатысты болып келеді, бірақ ұқсас өлшемдегі және зарядталған иондар кейде олар арқылы өтуі мүмкін. Кернеумен жабылатын иондық арналардың жұмыс істеуі оның үш негізгі бөлігіне байланысты: кернеу сенсоры, тесік немесе өткізгіш жол және қақпа. Na+, K+ және Ca2+ арналары орталық тесік төңірегінде орналасқан төрт трансмембраналық доменнен тұрады; бұл төрт домен көптеген Na+ және Ca2+ арналарында бір α-кішібірліктің құрамына кіреді, ал көптеген K+ арналарында әрқайсысы бір трансмембраналық доменді қамтитын төрт α-кішібірлік болады. С1–С6 деп белгіленген мембрана арқылы өтетін сегменттердің бәрі арнайы функциялары бар альфа-спиральдар түрінде болады. Бесінші және алтыншы трансмембраналық сегменттер (S5 және S6) және тесік тізбегі иондарды өткізуде маңызды рөл атқарады, олар каналдың қақпасы мен тесігін құрайды, ал S1–S4 кернеуді сезетін аймақ ретінде қызмет етеді.
Voltage gated ion channels are generally composed of several subunits arranged in such a way that there is a central pore through which ions can travel down their electrochemical gradients. The channels tend to be ion specific, although similarly sized and charged ions may sometimes travel through them. The functionality of voltage gated ion channels is attributed to its three main discrete units: the voltage sensor, the pore or conducting pathway, and the gate. Na+, K+, and Ca2+ channels are composed of four transmembrane domains arranged around a central pore; these four domains are part of a single α subunit in the case of most Na+ and Ca2+ channels, whereas there are four α subunits, each contributing one transmembrane domain, in most K+ channels. The membrane spanning segments, designated S1 S6, all take the form of alpha helices with specialized functions. The fifth and sixth transmembrane segments (S5 and S6) and pore loop serve the principal role of ion conduction, comprising the gate and pore of the channel, while S1 S4 serve as the voltage sensing region.
Механизм
Калий арнасының кристаллографиялық құрылымдық зерттеулері көрсеткендей, мембранаға потенциалдар айырмашылығы енгізілген кезде, байланысты электр өрісі калий арнасында конформациялық өзгеріске әкеледі. Бұл конформациялық өзгеріс арна ақуыздарының пішінін соншалықты өзгертеді, нәтижесінде қуыс немесе арна ашылып, мембрана арқылы иондардың ағынына немесе шығысына мүмкіндік туады. Иондардың концентрациялық градиенті бойынша қозғалысы жасуша мембранасын деполяризациялауға жеткілікті электр тогын жасайды. Кернеуге сезімтал натрий және кальций арналары төрт гомологты доменнен тұратын бір полипептидтен құралған. Әр доменде 6 мембраналық альфа-спираль бар. Осы спиральдардың бірі – S4, кернеуді сезгіш спираль болып табылады. S4 сегменті көптеген оң зарядтарды қамтиды, сондықтан жасуша сыртындағы жоғары оң заряд спиральды итеріп, арнаны жабық күйде ұстайды. Жалпы, ион арнасының кернеуді сезгіш бөлігі арнаның ашылуына немесе жабылуына себеп болатын трансмембраналық потенциалдағы өзгерістерді анықтау үшін жауапты. S1-4 альфа-спиральдары осы рөлді атқарады деп саналады. Калий және натрий арналарында кернеуді сезгіш S4 спиральдары қайталама мотивтерде оң зарядталған лизин немесе аргинин қалдықтарын қамтиды. Кернеу сенсорының қозғалысы өткізгіш жолдың қақпасының конформациялық өзгерісін тудырады, бұл арна арқылы иондардың ағынын реттейді. Желбезек аймағының генетикалық инженериясы, жанартауға бейімделген архебактериялардың бір түрінен, егер толыққанды желбезек ауыстырылса, егеуқұйрық миының калий арналарында толыққанды жұмыс істейтін ион арнасын құрады. Бұл "модульділік" осы аймақтың функциясын, аурулардағы рөлін және оның мінез-құлқына фармацевтикалық бақылауды зерттеу үшін қарапайым және арзан модельдік жүйелерді пайдалануға мүмкіндік береді, бұл нашар сипатталған, қымбат және/немесе зерттеуге қиын дайындықтармен шектелмейді. Кернеуге сезімтал ион арналары әдетте мембрананың деполяризациясымен белсендіріледі, бірақ кейбір арналар, мысалы, ішкі түзетуші калий ион арналары, гиперполяризациямен белсендіріледі. Қақпа арнаның кернеуді сезгіш аймақтарымен байланысқан деп саналады және ион ағынына механикалық кедергі бар сияқты. S6 домені осы кедергі ретінде әрекет ететін сегмент ретінде қабылданғанмен, оның нақты механизмі белгісіз. Мүмкін болатын түсіндірмелер: S6 сегменті иондардың өтуіне мүмкіндік беретін қайшы тәрізді қозғалыс жасайды, S6 сегменті екі сегментке бөлініп, иондардың арнадан өтуіне мүмкіндік береді, немесе S6 арнасының өзі қақпа ретінде қызмет етеді. S4 сегментінің қозғалысы S6 сегментінің қозғалысына қалай әсер ететіні әлі белгісіз, бірақ S4-S5 байланыстырғышы бар, оның қозғалысы S6 ашылуына мүмкіндік береді деп есептеледі. Бұл қақпа иілгіш тізбекке байланған шар ретінде моделендірілген. Инактивация кезінде тізбек өзіне бүгіліп, шар арна арқылы иондардың ағынын тоқтатады. Жылдам инактивация S4 сегменттерінің мембраналық қозғалыстарынан туындаған белсендірумен тікелей байланысты, бірақ S4 қозғалысы мен инактивациялық қақпаның қосылуы арасындағы механизм белгісіз.
Crystallographic structural studies of a potassium channel have shown that, when a potential difference is introduced over the membrane, the associated electric field induces a conformational change in the potassium channel. The conformational change distorts the shape of the channel proteins sufficiently such that the cavity, or channel, opens to allow influx or efflux to occur across the membrane. This movement of ions down their concentration gradients subsequently generates an electric current sufficient to depolarize the cell membrane. Voltage gated sodium channels and calcium channels are made up of a single polypeptide with four homologous domains. Each domain contains 6 membrane spanning alpha helices. One of these helices, S4, is the voltage sensing helix. The S4 segment contains many positive charges such that a high positive charge outside the cell repels the helix, keeping the channel in its closed state. In general, the voltage sensing portion of the ion channel is responsible for the detection of changes in transmembrane potential that trigger the opening or closing of the channel. The S1 4 alpha helices are generally thought to serve this role. In potassium and sodium channels, voltage sensing S4 helices contain positively charged lysine or arginine residues in repeated motifs. Movement of the voltage sensor triggers a conformational change of the gate of the conducting pathway, controlling the flow of ions through the channel. Genetic engineering of the paddle region from a species of volcano dwelling archaebacteria into rat brain potassium channels results in a fully functional ion channel, as long as the whole intact paddle is replaced. This "modularity" allows use of simple and inexpensive model systems to study the function of this region, its role in disease, and pharmaceutical control of its behavior rather than being limited to poorly characterized, expensive, and/or difficult to study preparations. Although voltage gated ion channels are typically activated by membrane depolarization, some channels, such as inward rectifier potassium ion channels, are activated instead by hyperpolarization. The gate is thought to be coupled to the voltage sensing regions of the channels and appears to contain a mechanical obstruction to ion flow. While the S6 domain has been agreed upon as the segment acting as this obstruction, its exact mechanism is unknown. Possible explanations include: the S6 segment makes a scissor like movement allowing ions to flow through, the S6 segment breaks into two segments allowing of passing of ions through the channel, or the S6 channel serving as the gate itself. The mechanism by which the movement of the S4 segment affects that of S6 is still unknown, however it is theorized that there is a S4 S5 linker whose movement allows the opening of S6. This gate is modeled as a ball tethered to a flexible chain. During inactivation, the chain folds in on itself and the ball blocks the flow of ions through the channel. Fast inactivation is directly linked to the activation caused by intramembrane movements of the S4 segments, though the mechanism linking movement of S4 and the engagement of the inactivation gate is unknown.
Натрий (Na+) арналары
Натрий арналары көптеген түрлі жасушаларда ұқсас функционалды қасиеттерге ие. Адамда натрий арналарын кодтайтын он ген анықталғанмен, олардың функциясы әдетте түрлер арасында және әртүрлі жасуша түрлерінде сақталады.
Sodium channels have similar functional properties across many different cell types. While ten human genes encoding for sodium channels have been identified, their function is typically conserved between species and different cell types.