Войти
Анимированное представление молекулярной структуры простого ионного канала В электрофизиологии термин стробирование относится к открытию (активация ) или закрытию (посредством деактивации или инактивации) ионных каналов. Это изменение конформации является ответом на изменения трансмембранного напряжения.
Когда ионные каналы находятся в «закрытом» (непроводящем) состоянии, они непроницаемы для ионов 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 плазматическую мембрану клетки. Стробирование - это процесс перехода ионного канала между открытым и закрытым состояниями.
В зависимости от ионного канала запускаются различные клеточные изменения, включая изменения напряжения на клеточной мембране (потенциал-управляемые ионные каналы ), химические вещества, взаимодействующие с ионным каналом (лиганд-управляемые ионные каналы ), изменения температуры, растяжение или деформация клеточной мембраны, добавление фосфата к ионному каналу (фосфорилирование ) и взаимодействие с другими молекулами в клетке (например, G-белками ). 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.
Управляемые по напряжению ионные каналы потенциала действия часто бывают описывается как имеющий четыре процесса стробирования: активация, деактивация, инактивация и реактивация (также называемая «восстановление после инактивации»). Активация - это процесс открытия ворот активации, который происходит в ответ на то, что напряжение внутри клеточной мембраны (мембранный потенциал ) становится более положительным по отношению к внешней части клетки (деполяризация ), а «дезактивация» - это процесс, противоположный закрытию ворот активации в ответ на то, что внутренняя часть мембраны становится более отрицательной (реполяризация). «Инактивация» - это закрытие ворот инактивации, которое происходит в ответ на то, что напряжение внутри мембраны становится более положительным, но медленнее, чем активация. «Реактивация» является противоположностью инактивации и представляет собой процесс повторного открытия ворот инактивации.
Эти зависимые от напряжения изменения функции критичны для большого количества процессов в возбудимых и невозбудимых клетках.
Напряжение закрытый ионный канал. Когда мембрана поляризована, область измерения напряжения канала смещается, открывая канал для потока ионов (ионы представлены желтыми кружками). Ионные каналы, управляемые напряжением, открываются и закрываются в ответ на электрический потенциал на клеточная мембрана. Части области канала действуют как датчики напряжения. Поскольку мембранный потенциал изменяется, это приводит к изменениям электростатических сил, перемещающих эти области, чувствительные к напряжению. Это изменяет конфигурацию других элементов канала в открытое или закрытое положение. Когда они переходят из закрытого положения в открытое, это называется «активацией». Управляемые напряжением ионные каналы лежат в основе многих электрических свойств клетки, включая потенциалы действия, мембранные потенциалы покоя и синаптическую передачу.
Ионные каналы, управляемые напряжением, часто специфичны для ионов, включая Na, K, Ca, и кл. Каждый из этих ионов играет важную роль в электрическом поведении клетки. Ворота также обладают уникальными свойствами, имеющими важное физиологическое значение. Например, Na-каналы открываются и закрываются быстро, тогда как K-ворота открываются и закрываются намного медленнее. Разница в скорости между этими каналами лежит в основе фаз деполяризации и реполяризации потенциала действия.
Натриевые каналы, управляемые напряжением (Na), имеют большое значение, когда дело доходит до распространения потенциалов действия в нейроны и другие возбудимые клетки, в основном используемые для распространения потенциала действия в аксонах, мышечных волокнах и нервном соматодендритном компартменте. Каналы натрия (Na) являются одними из основных ионных каналов, ответственных за потенциалы действия. Будучи сложными, они состоят из больших α-субъединиц, которые затем соединяются с двумя меньшими β-субъединицами. 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. Это вызывает движение линкера S4-S5, что вызывает скручивание линкера S5-S6 и открытие канала.
Калиевые (K) каналы играют большую роль в настройке мембранный потенциал покоя. 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:
Каналы кальция (Са) регулируют высвобождение нейротрансмиттеров в синапсах, контролируют форму потенциалов действия производятся натриевыми каналами, а в некоторых нейронах генерируют потенциал действия данные. Кальциевые каналы состоят из шести трансмембранных спиралей. S4 действует как датчик напряжения, вращаясь при воздействии определенных мембранных потенциалов, тем самым открывая канал.
Высвобождение кальция вызывает сильное притяжение между множественными белками, включая синаптобревин и белки SNARE, притягивая везикулу нейротрансмиттера к мембране и высвобождая ее содержимое в синаптическая щель Нейротрансмиттеры первоначально хранятся и синтезируются в пузырьках 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. Ионы кальция инициируют взаимодействие обязательных белков-кофакторов с белками SNARE с образованием комплекса SNARE. 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). В целом нейромедиатор может вызывать возбуждающую или тормозную реакцию, в зависимости от того, что происходит на рецепторе.
Каналы Cl
Хлоридные каналы представляют собой другую группу потенциалозависимых ионных каналов, о которых менее известно. Они участвуют в таких процессах, как гладкие мышцы скелета и сердца, регулирование объема клеток, клеточный цикл и апоптоз. 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. Зависимый от напряжения канал хлорида C1C-1 представляет собой гомологичный димер, который относится к этому семейству и обнаруживается преимущественно в волокнах скелетных мышц. В этом канале правильная деполяризация и реполяризация через хлорид-ионы важны для распространения потенциала действия.
Ионные каналы, управляемые лигандами, обнаруживаются 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. Каждый ионный канал, управляемый лигандом, имеет широкий спектр рецепторов с различными биофизическими свойствами, а также паттернами экспрессии в нервной системе.
Инактивация - это когда поток ионов блокируется механизм, отличный от закрытия канала. Канал в открытом состоянии может перестать пропускать ионы, или канал в своем закрытом состоянии может быть предварительно инактивирован для предотвращения потока ионов. Инактивация обычно происходит, когда клеточная мембрана деполяризуется, и заканчивается, когда восстанавливается потенциал покоя.
В натриевых каналах инактивация, по-видимому, является результатом действия спиралей III-VI, где III и IV действуют как своего рода откидная крышка, перекрывающая канал. Точный механизм плохо изучен, но, похоже, он полагается на частицу, которая имеет высокое сродство к экспонированной внутри открытого канала. Быстрая инактивация позволяет каналу останавливать поток натрия очень скоро после принятия его открытой конформации.
Управляемый напряжением ионный канал в закрытом, открытом и инактивированном состояниях. Инактивированный канал все еще находится в открытом состоянии, но сферический домен блокирует проникновение ионов. Модель с шариком и цепочкой, также известная как инактивация N-типа или инактивация откидной крышки, представляет собой стробирующий механизм для некоторые потенциалзависимые ионные каналы. Управляемые напряжением ионные каналы состоят из 4 субъединиц, одна или несколько из которых будут иметь шаровой домен, расположенный на ее цитоплазматическом N-конце. 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. Канал возвращается в свое закрытое состояние, блокируя домен канала, и шарик покидает пору.
Поскольку мембранный потенциал возвращается к своему исходному значению, разность напряжений недостаточна для сохранения канала в его открытом состоянии, вызывая закрытие 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 исходному значению.
В каналах с регулируемым напряжением натриевых каналов деактивация необходима для восстановления после инактивации.
Для калиевых каналов, управляемых напряжением, верно обратное, и деактивация замедляет восстановление канала после активации. 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.
Стробирующий заряд можно рассчитать, решив коэффициент Пуассона. уравнение. Недавние исследования предложили основанный на моделировании молекулярной динамики метод определения стробирующего заряда путем измерения электрических конденсаторных свойств белков, встроенных в мембрану. Активность ионных каналов, расположенных в плазматической мембране, можно измерить, просто прикрепив стеклянный капиллярный электрод непрерывно к мембране. 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.
