Введение
Тип ионного канала – трансмембранный белок. Ионные каналы, активируемые напряжением, – это класс трансмембранных белков, формирующих ионные каналы, которые активируются изменениями электрического потенциала мембраны вблизи канала. Потенциал мембраны изменяет конформацию белков канала, регулируя их открытие и закрытие. Клеточные мембраны обычно непроницаемы для ионов, поэтому они должны диффундировать через мембрану посредством трансмембранных белковых каналов. Они играют решающую роль в возбудимых клетках, таких как нейронные и мышечные ткани, обеспечивая быструю и скоординированную деполяризацию в ответ на изменение напряжения. Расположенные вдоль аксона и в синапсе, ионные каналы, активируемые напряжением, направленно проводят электрические сигналы. Эти каналы обычно обладают ионной специфичностью, и были идентифицированы каналы, специфичные для ионов натрия (Na+), калия (K+), кальция (Ca2+) и хлорида (Cl−). Открытие и закрытие каналов запускается изменением концентрации ионов, а следовательно, градиента заряда по обе стороны клеточной мембраны.
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.
Структура
Вольтаж-зависимые ионные каналы обычно состоят из нескольких субъединиц, расположенных таким образом, что образуют центральный пор, через который ионы могут перемещаться по своим электрохимическим градиентам. Каналы, как правило, обладают ионной селективностью, хотя ионы схожего размера и заряда иногда могут через них проходить. Функциональность вольтаж-зависимых ионных каналов определяется тремя основными функциональными единицами: датчиком напряжения, пором (проводящим путем) и воротами. Na+, K+ и Ca2+ каналы состоят из четырех трансмембранных доменов, расположенных вокруг центрального пора; эти четыре домена являются частью одной α-субъединицы в большинстве Na+ и Ca2+ каналов, в то время как в большинстве K+ каналов присутствуют четыре α-субъединицы, каждая из которых вносит один трансмембранный домен. Мембранопроникающие сегменты, обозначенные S1-S6, имеют форму альфа-спиралей и выполняют специализированные функции. Пятый и шестой трансмембранные сегменты (S5 и S6) и петля пора играют ключевую роль в ионной проводимости, формируя ворота и пор канала, в то время как S1-S4 служат областью детектирования напряжения.
Механизм
Кристаллографические структурные исследования калийного канала показали, что при создании разности потенциалов на мембране, связанное с этим электрическое поле индуцирует конформационное изменение калийного канала. Это изменение конформации достаточно искажает форму белков канала, чтобы полость, или канал, открылась, позволяя притоку или вытоку ионов через мембрану. Движение ионов по градиенту концентрации впоследствии генерирует электрический ток, достаточный для деполяризации клеточной мембраны. Натриевые и кальциевые каналы, активируемые напряжением, состоят из одного полипептида с четырьмя гомологичными доменами. Каждый домен содержит 6 трансмембранных альфа-спиралей. Одна из этих спиралей, S4, является спиралью, чувствительной к напряжению. Сегмент S4 содержит множество положительных зарядов, поэтому высокий положительный заряд вне клетки отталкивает спираль, удерживая канал в закрытом состоянии. В целом, часть ионного канала, отвечающая за восприятие напряжения, отвечает за обнаружение изменений трансмембранного потенциала, которые запускают открытие или закрытие канала. Считается, что альфа-спирали S1-S4 выполняют эту роль. В калийных и натриевых каналах спирали S4, чувствительные к напряжению, содержат положительно заряженные остатки лизина или аргинина в повторяющихся мотивах. Движение датчика напряжения вызывает конформационное изменение ворот проводящего пути, контролируя поток ионов через канал. Генетическая инженерия области-«весла» из вида архебактерий, обитающих в вулканах, в калийные каналы мозга крысы приводит к полностью функциональному ионному каналу, при условии, что заменяется вся неповрежденная область-«весло». Эта «модульность» позволяет использовать простые и недорогие модельные системы для изучения функции этой области, ее роли в заболеваниях и фармацевтического контроля ее поведения, вместо того чтобы ограничиваться плохо охарактеризованными, дорогими и/или сложными в изучении препаратами. Хотя ионные каналы, активируемые напряжением, обычно активируются деполяризацией мембраны, некоторые каналы, такие как калийные каналы с внутренним выпрямлением, активируются гиперполяризацией. Считается, что ворота связаны с областями, чувствительными к напряжению, каналов и, по-видимому, содержат механическое препятствие для потока ионов. Хотя было достигнуто соглашение, что домен S6 является сегментом, выполняющим роль этого препятствия, его точный механизм неизвестен. Возможные объяснения включают: сегмент S6 совершает движение, подобное ножницам, позволяя ионам протекать через него; сегмент S6 расщепляется на два сегмента, позволяя ионам проходить через канал; или канал S6 сам служит воротами. Механизм, посредством которого движение сегмента S4 влияет на движение сегмента S6, до сих пор неизвестен, однако предполагается, что существует линкер S4-S5, движение которого позволяет открыть S6. Эти ворота моделируются как шар, прикрепленный к гибкой цепи. Во время инактивации цепь складывается сама на себя, и шар блокирует поток ионов через канал. Быстрая инактивация напрямую связана с активацией, вызванной внутримембранными движениями сегментов S4, хотя механизм, связывающий движение S4 и включение инактивационного механизма, остается неизвестным.
Натриевые (Na+) каналы
Натриевые каналы обладают сходными функциональными свойствами в различных типах клеток. Хотя идентифицировано десять человеческих генов, кодирующих натриевые каналы, их функция обычно сохраняется как между видами, так и в разных типах клеток.