Ионный канал с регулируемым напряжением - Voltage-gated ion channel
 Каждый из четырех гомологичных доменов составляет одну субъединицу ионного канала. Сегменты измерения напряжения S4 (отмеченные символом +) показаны заряженными.
| |
| Идентификаторы | |
|---|---|
| Символ | ВИК |
| Клан пфам | CL0030 |
| TCDB | 1.A.1 |
| OPM суперсемейство | 8 |
| Белок OPM | 2a79 |
Управляемые напряжением ионные каналы представляют собой класс трансмембранных белков, которые образуют ионные каналы , которые активируются изменениями электрического мембранного потенциала вблизи канала. Мембранный потенциал изменяет конформацию белков канала, регулируя их открытие и закрытие. Клеточные мембраны обычно непроницаемы для ионов , поэтому они должны диффундировать через мембрану через трансмембранные белковые каналы. Они играют решающую роль в возбудимых клетках, таких как нейронные и мышечные ткани, обеспечивая быструю и скоординированную деполяризацию в ответ на изменение напряжения . Находящиеся вдоль аксона и в синапсе , управляемые напряжением ионные каналы направленно распространяют электрические сигналы. Управляемые напряжением ионные каналы обычно являются ион-специфическими, и были идентифицированы каналы, специфичные для ионов натрия (Na + ), калия (K + ), кальция (Ca 2+ ) и хлорида (Cl - ). Открытие и закрытие каналов запускается изменением концентрации ионов и, следовательно, градиента заряда между сторонами клеточной мембраны.
Структура
Управляемые напряжением ионные каналы обычно состоят из нескольких субъединиц, расположенных таким образом, что имеется центральная пора, через которую ионы могут перемещаться по своим электрохимическим градиентам . Каналы имеют тенденцию быть специфичными для ионов, хотя иногда через них могут проходить ионы аналогичного размера и заряженные ионы. Функциональность потенциалзависимых ионных каналов приписывается его трем основным дискретным элементам: датчику напряжения, порам или проводящему пути и затвору. Каналы Na + , K + и Ca 2+ состоят из четырех трансмембранных доменов, расположенных вокруг центральной поры; эти четыре домена являются частью одной α-субъединицы в случае большинства каналов Na + и Ca 2+ , тогда как существует четыре α-субъединицы, каждая из которых вносит вклад в один трансмембранный домен в большинстве каналов K + . Пересекающие мембраны сегменты, обозначенные S1-S6, все имеют форму альфа-спиралей со специализированными функциями. Пятый и шестой трансмембранные сегменты (S5 и S6) и петля пор выполняют основную роль ионной проводимости, включая затвор и поры канала, в то время как S1-S4 служат областью измерения напряжения. Четыре субъединицы могут быть идентичными или отличаться друг от друга. В дополнение к четырем центральным α-субъединицам, существуют также регуляторные β-субъединицы с оксидоредуктазной активностью, которые расположены на внутренней поверхности клеточной мембраны и не пересекают мембрану и которые объединены с α-субъединицами в эндоплазматический ретикулум .
Механизм
Кристаллографические структурные исследования калиевого канала показали, что, когда через мембрану вводится разность потенциалов , связанное электрическое поле вызывает конформационные изменения в калиевом канале. Конформационное изменение искажает форму белков канала в достаточной степени, так что полость или канал открывается, позволяя притоку или оттоку происходить через мембрану. Это движение ионов вниз по градиенту их концентрации впоследствии генерирует электрический ток, достаточный для деполяризации клеточной мембраны.
Управляемые напряжением натриевые каналы и кальциевые каналы состоят из одного полипептида с четырьмя гомологичными доменами. Каждый домен содержит 6 альфа-спиралей, охватывающих мембрану . Одна из этих спиралей, S4, является спиралью измерения напряжения. Сегмент S4 содержит много положительных зарядов, так что высокий положительный заряд вне ячейки отталкивает спираль, сохраняя канал в закрытом состоянии.
В общем, часть ионного канала, чувствительная к напряжению, отвечает за обнаружение изменений трансмембранного потенциала, которые запускают открытие или закрытие канала. Считается, что альфа-спирали S1-4 выполняют эту роль. В калиевых и натриевых каналах чувствительные к напряжению спирали S4 содержат положительно заряженные остатки лизина или аргинина в повторяющихся мотивах. В состоянии покоя половина каждой спирали S4 контактирует с цитозолем клетки. После деполяризации положительно заряженные остатки на доменах S4 перемещаются к экзоплазматической поверхности мембраны. Считается, что первые 4 аргинина отвечают за стробирующий ток, движущийся к внеклеточному растворителю при активации канала в ответ на деполяризацию мембраны. Движение 10–12 этих связанных с белком положительных зарядов запускает конформационное изменение, которое открывает канал. Точный механизм, с помощью которого происходит это движение, в настоящее время не согласован, однако каноническая модель, модель транспортера, весла и скрученная модель являются примерами текущих теорий.
Движение датчика напряжения запускает конформационное изменение ворот проводящего пути, контролируя поток ионов через канал.
Основная функциональная часть потенциалочувствительного белкового домена этих каналов обычно содержит область, состоящую из спиралей S3b и S4, известную как «лопасть» из-за своей формы, которая, по-видимому, представляет собой консервативную последовательность , взаимозаменяемую в широком спектре спиралей. клетки и виды. Аналогичная лопасть датчика напряжения также была обнаружена в семействе чувствительных к напряжению фосфатаз у различных видов. Генетическая инженерия области лопастей от видов архебактерий, обитающих на вулканах, в калиевые каналы мозга крысы приводит к полностью функциональному ионному каналу, если заменяется целая лопасть. Эта « модульность » позволяет использовать простые и недорогие модельные системы для изучения функции этой области, ее роли в заболевании и фармацевтического контроля ее поведения, а не ограничиваться плохо охарактеризованными, дорогими и / или трудными для изучения препаратами.
Хотя потенциалзависимые ионные каналы обычно активируются деполяризацией мембраны , некоторые каналы, такие как каналы ионов калия внутреннего выпрямителя , вместо этого активируются гиперполяризацией .
Считается, что затвор соединен с зонами измерения напряжения каналов и, по-видимому, содержит механическое препятствие для потока ионов. Хотя домен S6 был согласован в качестве сегмента, действующего как это препятствие, его точный механизм неизвестен. Возможные объяснения включают: сегмент S6 совершает ножничное движение, позволяя ионам проходить через него, сегмент S6 разбивается на два сегмента, позволяя проходить ионам через канал, или канал S6, служащий самим затвором. Механизм, с помощью которого движение сегмента S4 влияет на движение сегмента S6, все еще неизвестен, однако предполагается, что существует линкер S4-S5, движение которого позволяет открывать S6.
Инактивация ионных каналов происходит в течение миллисекунд после открытия. Считается, что инактивация опосредуется внутриклеточными воротами, которые контролируют открытие пор внутри клетки. Эти ворота смоделированы как шар, привязанный к гибкой цепи . Во время инактивации цепь сворачивается, и шарик блокирует поток ионов через канал. Быстрая инактивация напрямую связана с активацией, вызванной внутримембранными движениями сегментов S4, хотя механизм, связывающий движение S4 и включение ворот инактивации, неизвестен.
Различные виды
Натриевые (Na + ) каналы
Натриевые каналы обладают схожими функциональными свойствами для многих разных типов клеток. Хотя было идентифицировано десять человеческих генов, кодирующих натриевые каналы, их функция обычно сохраняется у разных видов и разных типов клеток.
Кальциевые (Ca 2+ ) каналы
Имея шестнадцать различных идентифицированных генов кальциевых каналов человека, этот тип канала различается по функциям для разных типов клеток. Каналы Ca 2+ производят потенциалы действия аналогично каналам Na + в некоторых нейронах. Они также играют роль в высвобождении нейромедиаторов в пресинаптических нервных окончаниях. В большинстве клеток каналы Ca 2+ регулируют широкий спектр биохимических процессов из-за их роли в контроле внутриклеточных концентраций Ca 2+ .
Калиевые (K + ) каналы
Калиевые каналы - это самый большой и разнообразный класс потенциалзависимых каналов, более 100 кодирующих человеческие гены. Эти типы каналов существенно различаются по своим стробирующим свойствам; одни инактивируются очень медленно, другие - очень быстро. Эта разница во времени активации влияет на продолжительность и скорость срабатывания потенциала действия, что оказывает значительное влияние на электрическую проводимость вдоль аксона, а также на синаптическую передачу. Калиевые каналы отличаются по структуре от других каналов тем, что они содержат четыре отдельных полипептидных субъединицы, в то время как другие каналы содержат четыре гомологичных домена, но на одной полипептидной единице.
Хлоридные (Cl - ) каналы
Хлоридные каналы присутствуют во всех типах нейронов. Обладая главной ответственностью за контроль возбудимости, хлоридные каналы способствуют поддержанию потенциала покоя клеток и помогают регулировать объем клеток.
Протонные (H + ) каналы
Управляемые по напряжению протонные каналы переносят токи, опосредованные ионами водорода в форме гидроксония , и активируются деполяризацией в зависимости от pH . Они действуют, чтобы удалить кислоту из клеток.
Филогенетика
Филогенетические исследования белков, экспрессируемых в бактериях, выявили существование суперсемейства потенциалзависимых натриевых каналов. Последующие исследования показали , что целый ряд других ионных каналов и транспортеров филогенетический связаны с напряжением закрытого ионных каналов, в том числе внутрь выпрямления K + каналов , рианодиновый-инозит 1,4,5-трифосфат рецепторов Са 2+ каналов , потенциал переходных рецепторов Ca 2+ каналы , polycystin катионных каналов , глутамат-ионные каналы , кальций-зависимые каналы хлорида , одновалентный катион: протонные антипортеры, тип 1 , и калиевые транспортеры .