Inligting

Halfleeftyd en produksietempo van ioonkanale

Halfleeftyd en produksietempo van ioonkanale


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Daar is "nie miljoene nie, nie 'n paar honderd ... iewers tussenin (sowat tienduisende)" ioonkanale in 'n neuron.

Gegewe die aantal ioonkanale per neuron, kan die produksietempo van ioonkanale bereken word deur die halfleeftyd van ioonkanale te ken, en omgekeerd.

Ek soek ramings van tipiese halfleeftye van ioonkanale, op een of ander manier soos hierdie: "nie jare nie, nie sekondes ... iewers tussenin nie", maar met beter boonste en onderste grense: maande, weke, ... minute, ure.

Alternatiewelik: skattings van produksietempo's: "nie duisende per sekonde nie, nie een per sekonde ... iewers tussenin nie".

[Ek weet, dat alle getalle - aantal ioonkanale, produksietempo's, effektiewe halfleeftye - met verloop van tyd vir 'n gegewe neuron kan verander - dit kan met langtermynversterking te doen hê. Ek praat dus van neurone in bestendige toestand oor 'n tydperk waarin geen langtermynversterking plaasvind nie. Maar ek dink dit sal nie die rowwe skattings waarvoor ek te veel gevra het verander nie.]


Die tempo wissel met kanale en kanaalsubeenhede, en jy kan ook onderskei tussen membraanhalfleeftyd en degradasiehalfleeftyd, want kanale kan tweerigting tussen die plasmamembraan en interne membrane soos die ER gesirkel word. Vir baie (heel waarskynlik alle??) kanale is hierdie prosesse onder die beheer van fosforilering en/of ubikinering.

Vir 'n rowwe skatting van omvang is die relevante tydvenster egter ure tot dae. Ek sal 'n paar verwysings hieronder insluit om hierdie tydraamwerk te ondersteun.

Verwysings


Bedford, F. K., Kittler, J. T., Muller, E., Thomas, P., Uren, J. M., Merlo, D., … & Moss, S. J. (2001). GABAA reseptor sel oppervlak getal en subeenheid stabiliteit word gereguleer deur die ubiquitin-agtige proteïen Plic-1. Nature neuroscience, 4(9), 908-916.

Colley, B. S., Biju, K. C., Visegrady, A., Campbell, S., & Fadool, D. A. (2007). Neurotrofien B reseptor kinase verhoog Kv subfamilielid 1.3 (Kv1. 3) ioonkanaal halfleeftyd en oppervlak uitdrukking. Neurowetenskap, 144(2), 531-546.

Huh, K.H., & Wenthold, R.J. (1999). Omsetanalise van glutamaatreseptore identifiseer 'n vinnig afgebreekte poel van die N-metiel-D-aspartaat reseptor subeenheid, NR1, in gekweekte serebellêre korrelselle. Tydskrif vir Biologiese Chemie, 274(1), 151-157.


Ioonkanale, lang QT-sindroom en aritmogenese in veroudering

Veroudering word geassosieer met verhoogde voorkoms van beide atriale en ventrikulêre aritmieë, wat die ontwrigting van die normale volgorde van ioonkanaalaktivering en inaktivering weerspieël wat die voortgeplante kardiale aksiepotensiaal genereer. Eksperimentele modelle met spesifieke ioonkanaal genetiese modifikasies het gehelp om die interaksie funksionele rolle van ioonkanale te verduidelik en hoe hul disregulering bydra tot aritmogene prosesse op sellulêre en sisteemvlak. Hulle het ook interaksies tussen hierdie ioonkanaalafwykings en ouderdomverwante prosesse in die vervaardiging van aritmiese neiging ondersoek. Vorige resensies het die verwantskappe tussen ouderdom en verlies van funksie Na ondersoekv 1.5 mutasies in die vervaardiging van aritmogenisiteit. Die huidige oorsig ondersoek nou komplementêre verwantskappe wat voortspruit uit wins-van-funksie Nav 1.5 mutasies wat verband hou met lang QT3 (LQTS3). LQTS3 pasiënte toon verhoogde risiko's van lewensgevaarlike ventrikulêre aritmieë, veral na 40 jaar oud, in ooreenstemming met sulke interaksies tussen die ioonkanaalafwykings en veroudering. Op sy beurt dui kliniese bewyse daarop dat veroudering gepaard gaan met strukturele, veral fibrotiese, sowel as elektrofisiologiese verandering. Hierdie abnormaliteite kan voortspruit uit biochemiese veranderinge wat laegraadse inflammasie veroorsaak as gevolg van verhoogde produksie van reaktiewe suurstofspesies en superoksied. Eksperimentele studies bied verdere insigte in die onderliggende meganismes onderliggend aan hierdie fenotipes. Studies in geneties gemodifiseerde muriene modelle vir LQTS het dus aksiepotensiaal herstelprosesse in aritmogenese geïmpliseer as gevolg van funksionele ioonkanaalafwykings. Daarbenewens het veroudering van wilde tipe (WT) muismodelle beide ioonkanaalveranderinge en fibrotiese veranderinge met veroudering getoon. Muurmodelle het toe bewyse vir interaksies tussen veroudering en ioonkanaalmutasies voorgestel en insigte verskaf in potensiële aritmiese meganismes wat toekomstige verkenning uitnooi.

Sleutelwoorde: veroudering hartaritmie fibrotiese verandering lang QT-sindroom murine modelle natriumkanaal.

© 2017 Die Skrywers. Kliniese en eksperimentele farmakologie en fisiologie Gepubliseer deur John Wiley & Sons Australia, Ltd. © 2017 The Authors. Kliniese en eksperimentele farmakologie en fisiologie Gepubliseer deur John Wiley & Sons Australia, Ltd.


Struktuur

Die proksimale kronkelbuis (PCT) het 'n hoë kapasiteit vir herabsorpsie, daarom het dit gespesialiseerde kenmerke om hiermee te help. Dit is uitgevoer met eenvoudige kubusvormige epiteelselle wat 'n kwasrand het om die oppervlakte aan die apikale kant te vergroot. Die epiteelselle het groot hoeveelhede mitochondria teenwoordig om die prosesse betrokke by die vervoer van ione en stowwe te ondersteun.

Boonop het hulle ook 'n groot aantal kanale op beide die apikale en basolaterale membraan wat 'n groot oppervlak bied vir vervoer van ione en ander stowwe om plaas te vind.

Die proksimale buis kan verdeel word in pars kronkel en pars recta. Die pars convolute woon in die nierkorteks en dit kan verder verdeel word in 2 segmente S1 (segment 1) en die proksimale deel van S2. Die pars recta is 'n reguit segment wat in die buitenste medulla voorkom. Dit maak die distale deel van S2 en S3 uit.

Fig 1.0 – Histologie van die nefron. Die volgende strukture word getoon: 1 (Glomerulus), 2 (PCT) en 3 (DCT).


Diere gifstowwe

Maurocalcine is 'n stabiele CPP-vektor in vivo

Gifpeptiede is deur die natuur ontwerp om stabiel te wees tydens inspuiting in vivo. Die disulfiedoorbrugging en die kompakte vou is heel waarskynlik ook 'n voordeel in daardie opsig. Ons het hierdie vraag in die geval van maurocalcine ondersoek. 'n Eerste analoog is gesintetiseer, tyr-maurocalcine, en gejodium met 125 I op die ekstra N-terminale tirosienresidu. Vervolgens is die peptied met muisbloed geïnkubeer en sy stabiliteit is mettertyd gevolg deur HPLC. Soos in Figuur 3 getoon, het die gevoude maurocalcine-analoog met sy disulfiedbrûe uitstekende bloedstabiliteit omdat een-derde van die peptied steeds nie afgebreek word na 24 uur se inkubasie nie. 'n Enkele metaboliet is duidelik wat daarop dui dat maurocalcine verder geoptimaliseer kan word in terme van in vivo stabiliteit. Dieselfde tipe eksperiment is uitgevoer met 'n soortgelyke analoog maar waarin alle sisteïenreste vervang is deur isosteriese 2-aminobottersuurreste. So 'n peptied het nie disulfiedbrûe nie en ook sekondêre strukture. In daardie geval het ons gevind dat die peptied 'n tweevoudige verminderde stabiliteit het en ook dat meer metaboliete ook teenwoordig is (nie getoon nie). Hierdie studie illustreer dat disulfiedbrûe 'n beduidende mededingende voordeel in terme van peptiedstabiliteit inhou in vivo. Byvoorbeeld, Tat, 'n CPP wat nie disulfiedbrûe het nie, degradeer vinnig selfs in die ekstrasellulêre kultuurmedium van epiteelselle.

FIGUUR 3 . HPLC elueringsprofiel van gejodeerde Tyr-maurocalcine analoog as 'n funksie van tyd van inkubasie in muise bloed. Die peptied is bygevoeg teen 'n konsentrasie van 1 mCi per milliliter bloed en by 37 °C geïnkubeer. HPLC-profiel is van die proteïenvrye plasmafraksie. Die halfleeftyd van maurocalcine oorskry 9 uur in hierdie toestande.


SIKLIESE NUKLEOTIDE-GEDIEDE IOONKANALE 14 en 16 Bevorder verdraagsaamheid teen hitte en verkoeling in rys

Daar word gepostuleer dat kalsiumsein van kritieke belang is vir beide hitte- en koueverdraagsaamheid in plante, maar die molekulêre meganismes daarvan word nie ten volle verstaan ​​nie. Hier het ons die funksie van twee nou verwante sikliese nukleotied-gehekte ioonkanaal (CNGC) proteïene, OsCNGC14 en OsCNGC16, in temperatuur-stres toleransie in rys (Oryza sativa) deur hul verlies-van-funksie-mutante te ondersoek wat deur genoomredigering gegenereer word. Onder beide hitte en koue stres, beide die cngc14 en cngc16 mutante het verminderde oorlewingsyfers, hoër akkumulasievlakke van waterstofperoksied en verhoogde seldood vertoon. In die cngc16 mutant, die mate waarin sommige gene geïnduseer en onderdruk is in reaksie op hittestres is verander en sommige Hitte skok faktor (HSF) en Hitteskokproteïen (HSP) gene is effens meer geïnduseer in vergelyking met die wilde tipe. Verder die verlies van óf OsCNGC14 of OsCNGC16 verminderde of afgeskafde sitosoliese kalsiumseine geïnduseer deur óf hitte óf koue stres. Daarom, OsCNGC14 en OsCNGC16 word benodig vir hitte- en koueverdraagsaamheid en is moduleerders van kalsiumseine in reaksie op temperatuurstres. Daarbenewens, verlies van hul homoloë ByCNGC2 en ByCNGC4 in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) het ook gelei tot gekompromitteerde toleransie van lae temperatuur. Hierdie studie dui dus op 'n kritieke rol van CNGC gene in beide verkoelings- en hitteverdraagsaamheid in plante, wat 'n potensiële oorvleueling in kalsiumsein in reaksie op hoë- en laetemperatuurstres voorstel.

© 2020 Amerikaanse Vereniging van Plantbioloë. Alle regte voorbehou.

Syfers

Mutante van OsCNGC14 en OsCNGC16…

Mutante van OsCNGC14 en OsCNGC16 gegenereer deur CRISPR/Cas9-tegnologie. Diagram van die genomiese...

Mutante van OsCNGC14 en OsCNGC16…

Mutante van OsCNGC14 en OsCNGC16 is hitte-gevoelig in die saailingstadium. A, Morfologies...

Hitte-geïnduseerde sitosoliese Ca 2+ veranderinge...

Hitte-geïnduseerde sitosoliese Ca 2+ veranderinge in wagselle van cngc14 en cngc16 mutante...

RNA-Seq analise van die cngc16...

RNA-Seq analise van die cngc16 mutant. A en B, Venn-diagramme van hitte-geïnduseerde...

Mutante van OsCNGC14 en OsCNGC16…

Mutante van OsCNGC14 en OsCNGC16 is verkoelingsgevoelig in die saailingstadium. A, Morfologiese...

Koue-geïnduseerde sitosoliese Ca 2+ veranderinge ...

Koue-geïnduseerde sitosoliese Ca 2+ veranderinge in wagselle van cngc14 en cngc16 mutante...

Arabidopsis mutante van ByCNGC2 en …

Arabidopsis mutante van ByCNGC2 en ByCNGC4 is vatbaar vir verkoeling en vries. A en…


Inleiding tot Forensiese Plantwetenskap

Jane H. Bock, David O. Norris, in Forensiese Plantwetenskap, 2016

3.1.2.2 Akonitien

Akonitien (Figuur 1.9(B) ) word deur die 250 spesies van Aconitum algemeen genoem monnikskap (Figuur 1.10). Alle dele van hierdie plante is uiters giftig, veral die wortels.

Figuur 1.10 . Monnikskap, Aconitum variegatum.

Aconitum variegatum, Härtsfeld, Duitsland, met vergunning van Bernd Haynold, beskikbaar by http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aconitum_variegatum_110807f.jpg .

Benewens die gebruik daarvan in antieke medisyne, is dit gebruik om vergiftigde pyle vir jag (Chinees, Japannese Ainu, Aleuts) en oorlogvoering (Chinees) te maak.

Akonitien maak effektief natriumkanale oop sodat spiere en neurone nie herpolariseer kan word nie. Dus kan akonitien ventrikulêre disritmie van die hart produseer wat tot die dood lei. Dit kan ook die bloed-breinversperring oorsteek en neurale effekte veroorsaak. Een van die vroeë gebruike van Aconitum uittreksels in Europa was om wolwe dood te maak, daarom is nog een van die plante se baie algemene name wolfsvloek. Die dodelike dosis vir mense is 32 mg/kg liggaamsgewig. Verbasend genoeg voed die ruspes van talle motspesies op hierdie plant ondanks sy toksisiteit vir baie ander diere. Die laagste orale dosis wat aangemeld is om 'n mens dood te maak, is slegs 29 μg/kg liggaamsgewig (100 × dodeliker as strignien).

Na berig word, het Cleopatra akonitien gebruik om haar broer (en man) Ptolemeus XIV te vergiftig sodat sy hom met haar seun kon vervang ( http://en.wikipedia.org/wiki/Aconitum ). 'n Belowende jong Kanadese TV- en filmakteur, Andre Noble, is dood nadat hy monnikskap verorber het terwyl hy op 'n staptog in Newfoundland was (Gallagher, 2004). In 2009 het die Britse "Curry Killer", Lakhvir Singh, haar minnaar vermoor deur vir hom 'n kerriegereg te voer wat met akonitien geryg is (BBC, 2010).


INLEIDING

Sistiese fibrose is 'n genetiese afwyking van die kanaal en regulatoriese proteïen sistiese fibrose transmembraangeleidingsreguleerder (CFTR). 'n Belangrike eienskap van soogdier- (Aleksandrov et al., 2007) en killifish (Singer et al., 1998) CFTR is die aktivering daarvan via sikliese AMP (cAMP) en proteïenkinase A (PKA), 'n pad wat eindig met serien- en treonienresidu-fosforilering in die regulatoriese (R) domein van CFTR-proteïen, ekson 13, nominaal aminosuurreste 590-831 (hersien deur Dahan et al. ., 2001 Aleksandrov et al., 2007). In menslike en killifish CFTR-volgordes is daar ongeveer 20 PKA- en proteïenkinase C (PKC)-plekke in die R-domein. Die siekte sistiese fibrose spruit dikwels voort uit mutasies wat inmeng met die verhandeling van CFTR-produk in die plasmamembraan, waarvan die delta F508 delesie die algemeenste is (Aleksandrov et al., 2007). Die siekte vorder dikwels tot chroniese longinfeksie, sistiese letsels en uiteindelik die dood. Daar is nog 'n ietwat meer skaars en minder ernstige tipe manifestasie van die siekte, een wat die normale invoeging van die CFTR-proteïen in die plasmamembraan behels, maar steeds abnormale werking as gevolg van 'n mislukking van die ioonkanaal om ten volle geaktiveer te word. Hierdie vorm kan die gevolg wees van onvoldoende fosforilering van die regulatoriese domein vir aktivering van die kanaal. Die belemmering van cAMP-gemedieerde aktivering dui daarop dat hierdie vorm 'n fosforileringsaktiveringsweg behels.

Teleost-visse besit CFTR in die apikale membraan van mitochondria ryk sout vervoer (MR) selle in die kieue en operkulêre membraan, wat verantwoordelik is vir soutafskeiding en suksesvolle akklimatisering van seevisse by seewater en ook vir akklimatisering van geharde euryhalien spesies, soos bv. Fundulus heteroclitus (Griffith, 1974 Hoffmann et al., 2002 Zadunaisky et al., 1995), tot hipersoute toestande. CFTR is gekloon en opvolgorde van moordviskieue en is 'n uiteenlopende homoloog van die soogdierweergawe van die geen (Singer et al., 1998). Die gebrek aan ander identifiseerbare anioonkanale en onsensitiwiteit van chloriedafskeiding vir die disulfoniese stilbeen DIDS dui op CFTR as die cAMP-geaktiveerde anioonkanaal van MR-selle in teleost-visse (Marshall et al., 1995). Die kanaal word geaktiveer deur cAMP en PKA (Marshall et al., 1995 Singer et al., 1998), soos waar is vir soogdierstelsels (Aleksandrov et al., 2007). Die meeste fosforileringsplekke van menslike en teleost-CFTR word bewaar, sodanig dat die regulering en aktivering van CFTR in teleoste in baie opsigte soortgelyk is aan dié in soogdiere. Euryhalien-teloste word onderskei deurdat CFTR, wat gewoonlik op 'n statiese 'huishouding'-wyse in soogdierweefsels uitgedruk word, geïnduseer kan word om uitdrukking te verhoog deur eenvoudige oordrag van die dier van verdunde soutgehalte na seewater of hoër soutgehaltes (Singer et al., 1998) ). Dus word regulering van CFTR-uitdrukking en die plastisiteit daarvan maklik bestudeer in die teleost-modelstelsel. Verder kan teleostean CFTR vinnig gedeaktiveer en geaktiveer word deur manipulasie van neurotransmitters, hormone en medium osmolaliteit. Op hierdie manier, die euryhalien teleost F. heteroclitus, 'n bekende en intens bestudeerde fisiologiese en genomiese model van soutvervoer (Burnett et al., 2007), bied 'n unieke geleentheid om die regulering van hierdie klinies belangrike regulatoriese ioonkanaal te bestudeer.

CFTR-regulering is goed bestudeer, maar die manier waarop fosforilering van die R-domein plaasvind, word steeds nie goed verstaan ​​nie (Alexsandrov et al., 2007). R-domein-fosforilering is noodsaaklik vir kanaalhek, en ATP-binding in die twee nukleotiedbindingsdomeine (NBD1 en 2) is ook 'n noodsaaklike voorvereiste. Daar is 'n PDZ-bindingsdomein (–DTRL) by die karboksiterminus van CFTR wat van vis tot mens bewaar word (Singer et al., 1998) en kan funksioneer in kanaalpoort sowel as membraaninsersie van CFTR (Li et al., 2005) ). CFTR word ook aangehelp deur serum- en glukokortikoïed-geaktiveerde kinase (SGK1) in soogdierstelsels en in killifish (Shaw et al., 2008 Sato et al., 2007). Alhoewel regulatoriese komplekse wat CFTR betrek dus geïdentifiseer is (Naren et al., 2003 Li et al., 2005), het geeneen CFTR met osmosensiestelsels of met tyrosienkinase-aktivering verbind nie, maar tog bestaan ​​tyrosienkinase-plekke in die R-domein van CFTR.

Om hierdie rede het ons begin met studies om die haalbaarheid van tirosienfosforilering van die regulatoriese domein te ondersoek wat 'n manier is om CFTR-kanaalaktivering te ondersoek. Fokale adhesie kinase (FAK) is 'n nie-reseptor tirosien kinase wat oor die algemeen in fokale adhesies voorkom (Tani et al., 1996), word geassosieer met selmotiliteit (Parsons, 2003) en indringende kanker (Owens et al., 1995), beskik oor 'n proteïen 4.1, ezrin-radixin-moesin (FERM)-domein (Parsons, 2003) en kan gefosforileer word by tirosiene Y397, Y407, Y576, Y577, Y861 en Y925 (Parsons, 2003). Tyrosien 407 en die onmiddellike C-terminale flankerende residue (Y407-T-M-P) word bewaar onder FAK-volgordes van diverse vertebrate (Hanks en Polte, 1997). FAK Y407-fosforileringsfunksie bly egter onduidelik. In soogdierfibroblaste word fosforilering van FAK by Y407 geassosieer met kontakinhibisie (Lim et al., 2007). Hiperosmotiese skok aktiveer FAK, wat fosforilering by Y397 en Y577 in verskeie verskillende soogdiersellyne produseer (Lunn en Rozengurt, 2004) en FAK reguleer osmotiese reaksies (hersien deur Hoffmann et al., 2009).

In voorlopige studies het ons waargeneem dat CFTR teenwoordig is in die apikale membraan van seewater MR-selle in 'n verskeidenheid teleost-viskieue en vel[modderskipper (Wilson et al., 2000) killifish (Marshall et al., 2002) Hawaiian goby (McCormick et al. al., 2003) Europese paling (Wilson et al., 2004) en tilapia (Hiroi et al., 2005)]. In vorige immunositochemiese eksperimente het ons 'n nuwe assosiasie van CFTR en die tyrosienkinase FAK ontdek (Marshall et al., 2008). Deur gebruik te maak van fosforilering-spesifieke teenliggaampies wat gerig is op gekonserveerde tyrosine-fosforileringsplekke op FAK, het ons FAK pY407 gelokaliseer en FAK pY576 gekolokaliseer met CFTR in die apikale membrane van MR-selle (Marshall et al., 2008). Verder het ons waargeneem dat ander stimuli wat Cl-afskeiding deur die MR-selle inhibeer, ook FAK pY407 defosforileer, en sodoende FAK-immuunkleuring by pY407 voorkom (Marshall et al.,2008). Daarom is daar 'n potensiële funksionele verwantskap tussen CFTR en FAK in die apikale membraan van MR-selle.

Die huidige studie brei uit op hierdie voorlopige eksperimente om die verband tussen FAK-fosforilering en CFTR-aktivering te begin onthul. Dit is gedoen deur vorige bevindinge uit te brei om immuno-oordrag elektronmikroskopie (TEM) eksperimente in te sluit om hul kolokalisering vas te stel, deur stimulasie van voorheen geïnhibeerde membrane eksperimenteel in verband te bring met die herfosforilering van FAK (d.w.s. omkeerbaarheid) en om die fosforilering/aktivering van CFTR vas te stel. via tirosienfosforilering.


Laboratorium vir Molekulêre Neurobiologie en Biofisika

Roderick MacKinnon
John D. Rockefeller Jr. Professor Ondersoeker, HHMI

Ioonkanale kataliseer die diffusie van anorganiese ione langs hul elektrochemiese gradiënte oor selmembrane. Omdat die ioniese bewegings passief is, blyk ioonkanale buitengewoon eenvoudige fisiese stelsels te wees, maar tog is hulle verantwoordelik vir elektriese sein in lewende selle. Onder hul vele funksies beheer ioonkanale die pas van die hart, reguleer die afskeiding van hormone in die bloedstroom, en genereer die elektriese impulse onderliggend aan inligtingoordrag in die senuweestelsel. My navorsing is daarop gemik om die fisiese en chemiese beginsels onderliggend aan ioonkanaalfunksie te verstaan.

Lintvoorstelling van die Kv1.2-Kv 2.1 paddle chimera tetrameer (PDB 2R9R, spanningsensor paddle gekleur in oranje en die res van kanaal in mariene, K + ione getoon as groen sfere) gesien van die kant met die ekstrasellulêre oplossing hierbo.

Ioongeleiding en selektiwiteit

Ioonkanale, soos ensieme, het hul spesifieke substrate: kalium-, natrium-, kalsium- en chloriedkanale laat slegs hul naamgenoot-ione toe om deur hul porieë te diffundeer. Ioonselektiwiteit verwys na die vermoë van kanale om tussen ione te onderskei. Sonder ioonselektiwiteit sou elektriese seinproduksie in biologie soos ons dit ken onmoontlik wees. My laboratorium het mutasie-analise gebruik om te wys dat kaliumkanale tetramere van identiese subeenhede is en dat spesifieke "handtekeningvolgorde" aminosure verantwoordelik is vir kaliumselektiwiteit. Die handtekeningvolgorde word in alle kaliumkanale regdeur die natuur bewaar en vorm 'n strukturele eenheid wat die selektiwiteitsfilter genoem word.

Om te verstaan ​​hoe die selektiwiteitsfilter kaliumione vinnig en selektief gelei, het ons die x-straalstrukture van talle kaliumkanale bepaal, insluitend die KcsA kaliumkanaal by 'n resolusie hoër as 2.0 Å. Die selektiwiteitsfilter is 'n smal, 12-Å-lange segment van die porie wat uitgevoer is met karboniel suurstofatome, soos getoon in Figuur 1. Hierdie atome tree op as surrogaatwatermolekules, wat toelaat dat kaliumione hul hidrasiedop afskud en in die porie. Ons het getoon dat twee kaliumione gelyktydig in die selektiwiteitsfilter bind, heel waarskynlik met 'n enkele tussenliggende watermolekule. Die data ondersteun 'n meganisme waarin die toegang van 'n derde kaliumioon aan die een kant van die filter geassosieer word met gesamentlike kaliumioonuitgang van die teenoorgestelde kant, wat aanleiding gee tot doeltreffende kaliumioongeleiding. Elektrostatiese afstoting tussen ione binne die filter verhoed dat die kaliumione te styf bind, wat hulle dus toelaat om teen 'n hoë tempo te geleid.

Ons het metodes ontwikkel vir chemiese sintese en vou van 'n funksionele kaliumkanaal in samewerking met Tom Muir (Princeton Universiteit). Deur hierdie metodes te gebruik, het ons kaliumkanale gesintetiseer met hoofketting- en syketting chemiese groepe wat nie in natuurlike proteïene voorkom nie. Die chemiese sintese van "onnatuurlike" kaliumkanale het ons geleer dat 'n spesifieke konformasie van die selektiwiteitsfilter belangrik is om natriumgeleiding te voorkom wanneer kaliumione nie in oplossing teenwoordig is nie. Wanneer kaliumione teenwoordig is, verhoed hulle natriumgeleiding deur kompetisie vir bindingsplekke.

Chloriedkanale en vervoerders bemiddel die geleiding van chloriedione oor selmembrane. Om die chemie van anioon-selektiwiteit te verstaan, het ons die atoomstrukture van twee prokariotiese en een eukariotiese lid van die CLC-chloriedkanaalfamilie bepaal. Hierdie anioon-selektiewe vervoerproteïene is gebou op 'n heeltemal ander argitektoniese plan as dié van kaliumkanale, maar hulle gebruik nietemin baie van dieselfde basiese fisiese beginsels om selektiewe ioniese beweging oor die membraan te kataliseer. Hierdie beginsels van selektiewe ioonbeweging sluit in georiënteerde alfa-helikale-eindladings om ione binne die membraan te stabiliseer en kort selektiwiteitsfilters wat veelvuldige ione in 'n tou bevat om geleiding te bemiddel, soos getoon in Figuur 2. Hierdie strukture het ons ook na 'n atoommodel gelei. wat verduidelik hoe CLC-vervoerders die teenvervoer van 2 chloriedione per enkele proton oor die selmembraan koppel.

Ioonkanaalpoort

By mense lê 78 unieke kaliumkanaalgene onder 'n indrukwekkende vlak van funksionele diversiteit. Die verskillende kaliumkanale het die vermoë ontwikkel om oop te maak deur 'n proses genaamd gating &ndash in reaksie op verskillende kragte in hul omgewing. Sekere kaliumkanale word omhein deur die binding van kalsiumione, spesifieke membraanlipiede of G-proteïensubeenhede. Ander reageer op meganiese versteurings van die membraan of veranderinge in spanning oor die membraan. Die kaliumkanale beheer dus 'n sel se elektriese toestand deur baie verskillende weë.

Om die atoombasis van kaliumkanaalhek te verstaan, het ons die funksie ontleed en die strukture van verskeie verskillende lede van die kaliumkanaalfamilie bepaal. MthK is 'n prokariotiese kalsium-omheinde kaliumkanaal, en die BK-kanaal is 'n eukariotiese neef van MthK wat vaskulêre en lugweg gladdespiertonus in soogdiere reguleer. Deur studies van hierdie kanale het ons begin verstaan ​​hoe die vrye energie van kalsiumbinding omgeskakel word na meganiese werk om die porieë oop te maak.

Inwaartse gelykrigter kalium (Kir) kanale beheer die rustende membraanspanning in baie neuronale en spierselle. Ons het onlangs atoomstrukture bepaal om te verstaan ​​hoe die seinlipied PIP2 gate reguleer in Kir2 ('n lipied-gehekte kanaal) en hoe G-proteïene gate reguleer in Kir3 ('n G-proteïen-gehekte kanaal). In Kir2, wanneer PIP2 aan die kanaal bind, veroorsaak dit dat 'n groot sitoplasmiese domein 6 Å beweeg na 'n posisie wat die porie oopmaak. In wese dien PIP2 as molekulêre klittenband om twee komponente van die kanaal saam te bind, 'n vereiste om die geleidingsbaan oop te maak. In Kir3 bind groot G-proteïensubeenhede (b- en g-subeenhede) aan die kanaal by die intrasellulêre koppelvlak waar die kanaal die sel se binnekant ontmoet. Wanneer die G-proteïensubeenhede bind, veroorsaak hulle 'n draai van die a-helikse wat die porie-hek vorm, en begin dit oopmaak. Die struktuur van Kir3 met die G-proteïen subeenhede gebind voltooi 'n storie wat begin het in 1921, toe Otto Loewi ontdek het dat vagus senuwee stimulasie die hartklop vertraag. In Loewi&rsquos-eksperimente is die neurotransmitter asetielcholien uit die senuwee vrygestel en het 'n G-proteïengekoppelde reseptor in die hartpasaangeërselle geaktiveer. Die G-proteïene het aan Kir3 gebind en dit oopgemaak, deur 'n meganisme wat nou in atoombesonderhede geopenbaar is, om die pasaangeër-selmembraan te hiperpolariseer en die hartklop te vertraag.

Seker die moeilikste en in baie opsigte fassinerende vorm van hekke wat ons bestudeer het, word spanningsafhanklike hekke genoem. Hierdie poort laat "opwekbare" selle toe om elektriese impulse te produseer wat aksiepotensiale genoem word: dit is onderliggend aan spiersametrekking en senuweestelselfunksie. Ons het strukture van beide argebakteriese en eukariotiese spanning-afhanklike kalium (Kv) kanale bepaal. In 2005 het ons die struktuur van die Kv1.2-kanaal van rot gepubliseer, wat die eerste rekombinante eukariotiese membraanproteïenstruktuur was wat ooit deur x-straalkristallografie opgelos is. Sedertdien het ons talle strukture opgelos om meganismes af te lei. Gebaseer op ons bevindinge het ons verskeie fundamenteel nuwe idees gestel: (1) spanningsensor-domeine is losweg aan die porie by sy omtrek geheg, (2) dit bevat 'n helix-draai-heliks-element wat ons die spanning-sensor-roeispan genoem het, (3) die spanningsensor beweeg in intieme kontak met die membraan, en dra daarmee ladings binne die membraan elektriese veld, en (4) die spanningsensor is geheg aan hefbome wat die porie meganies oop- en toemaak. Hierdie strukture stel ons in staat om te begin verstaan ​​hoe die natuur, deur sy ioonkanaalspanningsensors, die analoog van 'n &lsquoveldeffektransistor&rsquo ontwikkel het om aksiepotensiale te produseer, wat vinnige inligtingoordrag in lewende stelsels moontlik gemaak het. Dit is fassinerend om te besef dat spanningsafhanklike hekke, wat op 'n sellulêre vlak na die mees komplekse vorm van hekke lyk, op 'n molekulêre vlak die eenvoudigste kan wees: die spanning oor die membraan stel 'n elektriese veld op wat trek en stoot 'n gelaaide spanningsensor wat aan 'n hefboom vasgemaak is wat die porie oop- en toemaak.

Mees onlangs het ons begin om 'n ander vorm van hekke te bestudeer wat meganiese hekke genoem word. Ons wil graag verstaan ​​hoe meganiese kragte elektriese seine uitlok. Hierdie vorm van hekke lê ten grondslag van sensoriese opsporing soos in aanraking en gehoor. Dit onderlê ook basiese fisiologiese prosesse soos selvolumeregulering en bloeddrukbeheer. Ons en ander het beduidende meganosensitiwiteit in die poort van sekere kalium- en kalsiumkanale waargeneem. Nou probeer ons verstaan ​​of meganosensitiwiteit fisiologies relevant is in kalium- en kalsiumkanale. Ons het ook atoomstrukture van die menslike TRAAK-kanaal, wat sterk meganosensitief is, bepaal om te verstaan ​​hoe dit meganiese kragte oordra, en hoekom die sentrale senuweestelsel 'n meganosensitiewe kaliumkanaal uitdruk.

Die familie van kaliumkanale bied 'n ongelooflike voorbeeld van molekulêre diversiteit. In 'n poging om hierdie molekules te verstaan ​​hou ons nooit op om verbaas te wees oor die lewe se eenvoudige oplossings vir wat aanvanklik na ingewikkelde take lyk nie.

’n Toekenning van die Nasionale Instituut vir Gesondheid het gedeeltelike ondersteuning gebied vir die werk oor spanningswaarneming.

Roderick MacKinnonJohn D. Rockefeller Jr. Professor Ondersoeker, HHMI Ioonkanale kataliseer die diffusie van anorganiese ione langs hul elektrochemiese gradiënte oor selmem.

Die Rockefeller Universiteit | Yorklaan 1230, New York, NY 10065 | 212-327-8000
Kopiereg & kopie 2004&ndash2021 Die Rockefeller Universiteit. Alle regte voorbehou.
Kontak | Kommentaar | Werfkaart | Kopiereg klagtes


Halfleeftyd en produksietempo van ioonkanale - Biologie

Die funksies van die senuweestelsel - sensasie, integrasie en reaksie - hang af van die funksies van die neurone onderliggend aan hierdie weë. Om te verstaan ​​hoe neurone in staat is om te kommunikeer, is dit nodig om die rol van 'n prikkelbare membraan in die opwekking van hierdie seine. Die basis van hierdie kommunikasie is die aksiepotensiaal, wat demonstreer hoe veranderinge in die membraan 'n sein kan vorm. Om te kyk na die manier waarop hierdie seine in meer veranderlike omstandighede werk, behels 'n blik op gegradeerde potensiaal, wat in die volgende afdeling gedek sal word.

Elektries aktiewe selmembrane

Die meeste selle in die liggaam maak gebruik van gelaaide deeltjies, ione, om 'n lading oor die selmembraan op te bou. Voorheen is getoon dat dit deel is van hoe spierselle werk. Vir skeletspiere om saam te trek, gebaseer op opwekking-sametrekking-koppeling, vereis insette van 'n neuron. Albei die selle maak gebruik van die selmembraan om ioonbeweging tussen die ekstrasellulêre vloeistof en sitosol te reguleer.

Soos jy in die hoofstuk oor selle geleer het, is die selmembraan hoofsaaklik verantwoordelik vir die regulering van wat die membraan kan oorsteek en wat net aan een kant bly. Die selmembraan is 'n fosfolipieddubbellaag, so slegs stowwe wat direk deur die hidrofobiese kern kan beweeg, kan sonder hulp deurdiffundeer. Gelaaide deeltjies, wat per definisie hidrofilies is, kan nie sonder hulp deur die selmembraan beweeg nie (Figuur 11.17). Transmembraanproteïene, spesifiek kanaalproteïene, maak dit moontlik. Verskeie kanale, sowel as gespesialiseerde energie-afhanklike "ioonpompe," is nodig om 'n transmembraanpotensiaal te genereer en 'n aksiepotensiaal te genereer. Van spesiale belang is die draerproteïen waarna verwys word as die natrium/kaliumpomp wat natriumione (Na + ) uit 'n sel en kaliumione (K + ) na 'n sel in beweeg, en sodoende ioonkonsentrasie aan beide kante van die selmembraan reguleer.

Die natrium/kaliumpomp benodig energie in die vorm van adenosientrifosfaat (ATP), daarom word dit ook na verwys as 'n ATPase. Soos in die selhoofstuk verduidelik is, is die konsentrasie van Na + hoër buite die sel as binne, en die konsentrasie van K + is hoër binne die sel is hoër as buite. Dit beteken dat hierdie pomp die ione teen die konsentrasiegradiënte vir natrium en kalium beweeg, en daarom benodig dit energie. Trouens, die pomp handhaaf basies daardie konsentrasiegradiënte.

Ioonkanale is porieë wat toelaat dat spesifieke gelaaide deeltjies die membraan oorsteek in reaksie op 'n bestaande konsentrasiegradiënt. Proteïene is in staat om oor die selmembraan te strek, insluitend sy hidrofobiese kern, en kan met die lading van ione in wisselwerking tree as gevolg van die uiteenlopende eienskappe van aminosure wat binne spesifieke domeine of streke van die proteïenkanaal voorkom. Hidrofobe aminosure word gevind in die domeine wat aan die koolwaterstofsterte van die fosfolipiede gekoppel is. Hidrofiliese aminosure word aan die vloeibare omgewings van die ekstrasellulêre vloeistof en sitosol blootgestel. Boonop sal die ione in wisselwerking tree met die hidrofiliese aminosure, wat selektief sal wees vir die lading van die ioon. Kanale vir katione (positiewe ione) sal negatief gelaaide sykettings in die porie hê. Kanale vir anione (negatiewe ione) sal positief gelaaide sykettings in die porie hê. Dit word genoem elektrochemiese uitsluiting , wat beteken dat die kanaalporie ladingspesifiek is.

Ione kan ook gespesifiseer word deur die deursnee van die porie. Die afstand tussen die aminosure sal spesifiek wees vir die deursnee van die ioon wanneer dit dissosieer van die watermolekules wat dit omring. As gevolg van die omliggende watermolekules, is groter porieë nie ideaal vir kleiner ione nie, want die watermolekules sal deur waterstofbindings makliker interaksie hê as die aminosuursykettings. Dit word genoem grootte uitsluiting . Sommige ioonkanale is selektief vir lading, maar nie noodwendig vir grootte nie, en word dus a genoem nie-spesifieke kanaal . Hierdie niespesifieke kanale laat katione - veral Na + , K + , en Ca 2+ - toe om die membraan te kruis, maar sluit anione uit.

Ioonkanale laat nie altyd ione vrylik oor die membraan diffundeer nie. Hulle word geopen deur sekere gebeurtenisse, wat beteken dat die kanale is omhein . Nog 'n manier waarop kanale gekategoriseer kan word, is op grond van hoe hulle omhein is. Alhoewel hierdie klasse van ioonkanale hoofsaaklik in selle van senuwee- of spierweefsel gevind word, kan hulle ook in selle van epiteel- en bindweefsel gevind word.

A ligand-omheinde kanaal maak oop omdat 'n seinmolekule, 'n ligand, aan die ekstrasellulêre gebied van die kanaal bind. Hierdie tipe kanaal staan ​​ook bekend as 'n ionotropiese reseptor want wanneer die ligand, bekend as 'n neurotransmitter in die senuweestelsel, aan die proteïen bind, kruis ione die membraan en verander sy lading (Figuur 11.18).

A meganies omheinde kanaal maak oop as gevolg van 'n fisiese vervorming van die selmembraan. Baie kanale wat met die gevoel van aanraking (somatosensasie) geassosieer word, word meganies omhein. Soos byvoorbeeld druk op die vel toegepas word, gaan hierdie kanale oop en laat ione die sel binnedring. Soortgelyk aan hierdie tipe kanaal sal die kanaal wees wat oopmaak op grond van temperatuurveranderinge, soos in die toets van die water in die stort (Figuur 11.19).

A spanning-omheinde kanaal is 'n kanaal wat reageer op veranderinge in die elektriese eienskappe van die membraan waarin dit ingebed is. Normaalweg is die binneste gedeelte van die membraan op 'n negatiewe spanning. Wanneer daardie spanning minder negatief word, begin die kanaal ione toelaat om die membraan te kruis (Figuur 11.20).

A lekkasie kanaal is randomly gated, meaning that it opens and closes at random, hence the reference to leaking. Daar is geen werklike gebeurtenis wat eerder die kanaal oopmaak nie, dit het 'n intrinsieke wisseltempo tussen die oop en geslote toestande. Leakage channels contribute to the resting transmembrane voltage of the excitable membrane (Figure 11.21).

Die membraanpotensiaal

The plasma membrane of neurons are polarized, meaning there is an electrical difference across the plasma membrane. Die elektriese toestand van die selmembraan kan verskeie variasies hê. These are all variations in the membraan potensiaal. 'n Potensiaal is 'n verspreiding van lading oor die selmembraan, gemeet in millivolt (mV). The standard is to compare the inside of the cell relative to the outside, so the membrane potential is a value representing the charge on the intracellular side of the membrane based on the outside being zero, relatively speaking (Figure 11.22).

Die konsentrasie van ione in ekstrasellulêre en intrasellulêre vloeistowwe is grootliks gebalanseerd, met 'n netto neutrale lading. 'n Geringe verskil in lading kom egter reg by die membraanoppervlak voor, beide intern en ekstern. Dit is die verskil in hierdie baie beperkte gebied wat al die krag in neurone (en spierselle) het om elektriese seine te genereer, insluitend aksiepotensiale.

Voordat hierdie elektriese seine beskryf kan word, moet die rustoestand van die membraan verduidelik word. Wanneer die sel in rus is, en die ioonkanale is gesluit (behalwe vir lekkasiekanale wat lukraak oopmaak), word ione op 'n baie voorspelbare manier oor die membraan versprei. Die konsentrasie van Na + buite die sel is 10 keer groter as die konsentrasie binne. Die konsentrasie van K + binne die sel is ook groter as buite. Die sitosol bevat 'n hoë konsentrasie anione, in die vorm van fosfaatione en negatief gelaaide proteïene. Groot anione is 'n komponent van die binneste selmembraan, insluitend gespesialiseerde fosfolipiede en proteïene wat verband hou met die binneste pamflet van die membraan (pamflet is 'n term wat gebruik word vir een kant van die lipied dubbellaagmembraan). Die negatiewe lading is gelokaliseer in die groot anione.

With the ions distributed across the membrane at these concentrations, the difference in charge is measured at -70 mV, the value described as the resting membrane potential . Die presiese waarde gemeet vir die rustende membraanpotensiaal wissel tussen selle, maar -70 mV word die meeste as hierdie waarde gebruik. Hierdie spanning sou eintlik baie laer wees, behalwe vir die bydraes van sommige belangrike proteïene in die membraan. Lekkanale laat Na + stadig in die sel beweeg of K + om stadig uit te beweeg, en die Na + /K + pomp herstel hulle. Dit lyk dalk of dit 'n vermorsing van energie is, maar elkeen speel 'n rol in die handhawing van die membraanpotensiaal.

Die aksiepotensiaal

Rusende membraanpotensiaal beskryf die bestendige toestand van die sel, wat 'n dinamiese proses is wat gebalanseer word deur ioonlekkasie en ioonpomp. Sonder enige invloed van buite sal dit nie verander nie. Om 'n elektriese sein aan die gang te kry, moet die membraanpotensiaal verander.

Dit begin met 'n kanaalopening vir Na + in die membraan. Omdat die konsentrasie van Na + met 'n faktor van 10 hoër buite die sel as binne die sel is, sal ione die sel binnestorm wat grootliks deur die konsentrasiegradiënt aangedryf word. Omdat natrium 'n positief gelaaide ioon is, sal dit die relatiewe spanning direk binne die sel relatief tot onmiddellik buite verander. Die ruspotensiaal is die toestand van die membraan by 'n spanning van -70 mV, so die natriumkation wat die sel binnedring sal veroorsaak dat dit minder negatief word. Dit staan ​​bekend as depolarization , meaning the membrane potential moves toward zero.

Die konsentrasiegradiënt vir Na + is so sterk dat dit sal aanhou om die sel binne te gaan selfs nadat die membraanpotensiaal nul geword het, sodat die spanning onmiddellik om die porie positief begin word. Die elektriese gradiënt speel ook 'n rol, aangesien negatiewe proteïene onder die membraan die natriumioon aantrek. Die membraanpotensiaal sal +30 mV bereik teen die tyd dat natrium die sel binnegedring het.

Soos die membraanpotensiaal +30 mV bereik, open ander spanningsgehekte kanale in die membraan. Hierdie kanale is spesifiek vir die kaliumioon. 'n Konsentrasiegradiënt werk ook op K + . Soos K + die sel begin verlaat en 'n positiewe lading saamneem, begin die membraanpotensiaal terugbeweeg na sy russpanning. This is called repolarization , meaning that the membrane voltage moves back toward the -70 mV value of the resting membrane potential.

Repolarisasie gee die membraanpotensiaal terug na die -70 mV waarde wat die rustende potensiaal aandui, maar dit oorskiet eintlik daardie waarde. Kaliumione bereik ewewig wanneer die membraanspanning onder -70 mV is, dus vind 'n tydperk van hiperpolarisasie plaas terwyl die K + kanale oop is. Daardie K + kanale is effens vertraag met die sluiting, wat verantwoordelik is vir hierdie kort oorskiet.

What has been described here is the action potential, which is presented as a graph of voltage over time in Figure 11.23. It is the electrical signal that nervous tissue generates for communication. Die verandering in die membraanspanning van -70 mV in rus tot +30 mV aan die einde van depolarisasie is 'n 100-mV verandering. Dit kan ook geskryf word as 'n 0.1-V verandering. Om daardie waarde in perspektief te plaas, dink aan 'n battery. 'n AA-battery wat jy in 'n televisie-afstandsbediening kan kry, het 'n spanning van 1,5 V, of 'n 9-V-battery (die reghoekige battery met twee paaltjies aan die een kant) is natuurlik 9 V. Die verandering wat in die aksiepotensiaal gesien word, is een of twee ordes van grootte minder as die lading in hierdie batterye. Trouens, die membraanpotensiaal kan beskryf word as 'n battery. ’n Lading word oor die membraan gestoor wat onder die regte toestande vrygestel kan word. A battery in your remote has stored a charge that is “released” when you push a button.

Wat oor die membraan van 'n elektries aktiewe sel gebeur, is 'n dinamiese proses wat moeilik is om te visualiseer met statiese beelde of deur teksbeskrywings. View this animation to learn more about this process. Wat is die verskil tussen die dryfkrag vir Na + en K +? En wat is soortgelyk aan die beweging van hierdie twee ione?

Die vraag is nou wat die aksiepotensiaal inisieer? Die beskrywing hierbo verbloem die punt gerieflik. Maar dit is noodsaaklik om te verstaan ​​wat aan die gebeur is. Die membraanpotensiaal sal by die russpanning bly totdat iets verander. Die beskrywing hierbo sê net dat 'n Na + kanaal oopmaak. Now, to say “a channel opens” does not mean that one individual transmembrane protein changes. In plaas daarvan beteken dit dat een soort kanaal oopmaak. Daar is 'n paar verskillende tipes kanale wat Na + toelaat om die membraan te kruis. 'n Ligand-gehekte Na +-kanaal sal oopmaak wanneer 'n neurotransmitter daaraan bind en 'n meganies-gehekte Na +-kanaal sal oopmaak wanneer 'n fisiese stimulus 'n sensoriese reseptor affekteer (soos druk wat op die vel toegepas word, 'n aanrakingsreseptor saamdruk). Of dit nou 'n neurotransmitter is wat aan sy reseptorproteïen bind of 'n sensoriese stimulus wat 'n sensoriese reseptorsel aktiveer, een of ander stimulus laat die proses begin. Natrium begin die sel binnedring en die membraan word minder negatief.

'n Derde tipe kanaal wat 'n belangrike deel van depolarisasie in die aksiepotensiaal is, is die spanning-gehekte Na + kanaal. The channels that start depolarizing the membrane in response to a stimulus cause the cell to depolarize from -70 mV to -55 mV. -55mV is the drempelpotensiaal. Once the membrane reaches the threshold potential, the voltage-gated Na + channels open and an action potential will be initiated. Any depolarization that does not depolarize the membrane potential to -55 mV or higher will not reach threshold, and thus will not result in an action potential. This type of stimulus would be a subthreshold stimulus.

Because of the threshold, the action potential can be likened to a digital event—it either happens or it does not. As die drempel nie bereik word nie, vind geen aksiepotensiaal plaas nie. As depolarisasie -55 mV bereik, gaan die aksiepotensiaal voort en loop tot by +30 mV, waarby K + repolarisasie veroorsaak, insluitend die hiperpolariserende oorskiet. Ook, daardie veranderinge is dieselfde vir elke aksiepotensiaal, wat beteken dat sodra die drempel bereik is, presies dieselfde ding gebeur. A stronger stimulus, which might depolarize the membrane well past threshold, will not make a “bigger” action potential. Action potentials are “all or none.” Either the membrane reaches the threshold and everything occurs as described above, or the membrane does not reach the threshold and nothing else happens. Alle aksiepotensiale bereik 'n piek by dieselfde spanning (+30 mV), dus een aksiepotensiaal is nie groter as 'n ander nie. Sterker stimuli sal veelvuldige aksiepotensiale vinniger inisieer, maar die individuele seine is nie groter nie. So, byvoorbeeld, sal jy nie 'n groter sensasie van pyn voel, of 'n sterker spiersametrekking hê nie, as gevolg van die grootte van die aksiepotensiaal omdat hulle nie verskillende groottes is nie.

Soos ons gesien het, is die depolarisasie en herpolarisasie van 'n aksiepotensiaal afhanklik van twee tipes kanale (die spanning-gehekte Na + kanaal en die spanning-gehekte K + kanaal). Die spanning-omheinde Na +-kanaal het eintlik twee hekke. One is the activation gate , which opens when the membrane potential crosses -55 mV. The other gate is the inactivation gate , which closes after a specific period of time—on the order of a fraction of a millisecond. Wanneer 'n sel in rus is, is die aktiveringshek gesluit en die inaktiveringshek is oop. Wanneer die drumpel egter bereik word, gaan die aktiveringshek oop, wat Na + toelaat om in die sel in te jaag. Betyds met die hoogtepunt van depolarisasie, sluit die inaktiveringshek. Tydens herpolarisasie kan geen natrium meer die sel binnedring nie. Wanneer die membraanpotensiaal weer -55 mV verbygaan, sluit die aktiveringshek. Daarna gaan die inaktiveringshek weer oop, wat die kanaal gereed maak om die hele proses weer te begin.

Die spanning-omheinde K +-kanaal het slegs een hek, wat sensitief is vir 'n membraanspanning van -50 mV. Dit maak egter nie so vinnig oop soos die spanning-gehekte Na +-kanaal nie. Dit kan 'n fraksie van 'n millisekonde neem vir die kanaal om oop te maak sodra daardie spanning bereik is. Die tydsberekening hiervan val presies saam met wanneer die Na + vloei piek bereik, so spanning-gehekte K + kanale maak oop net soos die spanning-gehekte Na + kanale geïnaktiveer word. As the membrane potential repolarizes and the voltage passes -50 mV again, the channel closes—again, with a little delay. Kalium gaan voort om die sel vir 'n kort rukkie te verlaat en die membraanpotensiaal word meer negatief, wat lei tot die hiperpolariserende oorskiet. Dan sluit die kanaal weer en die membraan kan terugkeer na die ruspotensiaal as gevolg van die voortdurende aktiwiteit van die nie-omheinde kanale en die Na + /K + pomp.

All of this takes place within approximately 2 milliseconds (Figure 11.24). Terwyl 'n aksiepotensiaal aan die gang is, kan 'n ander een nie geïnisieer word nie. That effect is referred to as the vuurvaste tydperk. There are two phases of the refractory period: the absolute refractory period en die relatiewe vuurvaste tydperk. Tydens die absolute fase sal 'n ander aksiepotensiaal nie begin nie. Dit is as gevolg van die inaktiveringshek van die spanning-gehekte Na + kanaal. Sodra daardie kanaal terug is na sy rustende konformasie (minder as -55 mV), kan 'n nuwe aksiepotensiaal begin word, maar slegs deur 'n sterker stimulus as die een wat die huidige aksiepotensiaal geïnisieer het. Dit is as gevolg van die vloei van K + uit die sel. Omdat daardie ioon uitstorm, sal enige Na + wat probeer inkom nie die sel depolariseer nie, maar sal net die sel daarvan weerhou om te hiperpolariseer.

Voortplanting van die aksiepotensiaal

Die aksiepotensiaal word aan die begin van die akson geïnisieer, by wat die aanvanklike segment genoem word. Daar is 'n hoë digtheid van spanning-gehekte Na + kanale sodat vinnige depolarisasie hier kan plaasvind. Deur die lengte van die akson af te gaan, word die aksiepotensiaal voortgeplant omdat meer spanning-gehekte Na +-kanale oopgemaak word soos die depolarisasie versprei. Hierdie verspreiding vind plaas omdat Na + deur die kanaal ingaan en langs die binnekant van die selmembraan beweeg. Soos die Na + 'n kort afstand langs die selmembraan beweeg, of vloei, depolariseer sy positiewe lading 'n bietjie meer van die selmembraan. Soos daardie depolarisasie versprei, gaan nuwe spanning-gehekte Na +-kanale oop en meer ione jaag die sel binne, wat die depolarisasie 'n bietjie verder versprei.

Because voltage-gated Na + channels are inactivated at the peak of the depolarization, they cannot be opened again for a brief time—the absolute refractory period. As gevolg hiervan het depolarisasie wat terugverspreid na voorheen oopgemaakte kanale geen effek nie. Die aksiepotensiaal moet na die aksonterminale voortplant as gevolg daarvan, word die polariteit van die neuron gehandhaaf, soos hierbo genoem.

Voortplanting, soos hierbo beskryf, is van toepassing op ongemiëlineerde aksone. Wanneer miëlinasie teenwoordig is, versprei die aksiepotensiaal anders. Natriumione wat die sel by die aanvanklike segment binnedring, begin langs die lengte van die aksonsegment versprei, maar daar is geen spanning-gehekte Na +-kanale tot by die eerste nodus van Ranvier nie. Omdat daar nie konstante opening van hierdie kanale langs die aksonsegment is nie, versprei die depolarisasie teen 'n optimale spoed. Die afstand tussen nodusse is die optimale afstand om die membraan steeds gedepolariseer bo die drempel by die volgende nodus te hou. Soos Na + langs die binnekant van die membraan van die aksonsegment versprei, begin die lading verdwyn. As die nodus enigsins verder in die akson af was, sou daardie depolarisasie te veel afgeval het vir spanning-gehekte Na +-kanale om by die volgende nodus van Ranvier geaktiveer te word. As die nodusse enigsins nader aan mekaar was, sou die voortplantingsspoed stadiger wees.

Propagation along an unmyelinated axon is referred to as deurlopend geleiding along the length of a myelinated axon, it is saltatory conduction . Deurlopende geleiding is stadig omdat daar altyd spanning-gehekte Na + kanale oopmaak, en meer en meer Na + jaag die sel binne. Saltatory conduction is faster because the action potential basically jumps from one node to the next (saltare = “to leap”), and the new influx of Na + renews the depolarized membrane. Saam met die miëlinering van die akson kan die deursnee van die akson die spoed van geleiding beïnvloed. Net soos water vinniger in 'n wye rivier loop as in 'n nou spruit, versprei Na + -gebaseerde depolarisasie vinniger langs 'n wye akson as in 'n nou een. This concept is known as resistance and is generally true for electrical wires or plumbing, just as it is true for axons, although the specific conditions are different at the scales of electrons or ions versus water in a river.

Homeostatic Imbalances: Potassium Concentration

Gliale selle, veral astrasiete, is verantwoordelik vir die instandhouding van die chemiese omgewing van die SSS-weefsel. Die konsentrasies van ione in die ekstrasellulêre vloeistof is die basis vir hoe die membraanpotensiaal gevestig word en veranderinge in elektrochemiese sein. As die balans van ione versteur word, is drastiese uitkomste moontlik.

Normaalweg is die konsentrasie van K + hoër binne die neuron as buite. Na die herpolariserende fase van die aksiepotensiaal verseker K + lekkasiekanale en die Na + /K + pomp dat die ione terugkeer na hul oorspronklike liggings. Na 'n beroerte of ander isgemiese gebeurtenis, word ekstrasellulêre K + vlakke verhoog. Die astrasiete in die area is toegerus om oortollige K + skoon te maak om die pomp te help. Maar wanneer die vlak ver uit balans is, kan die effekte onomkeerbaar wees.

Astrosiete kan in gevalle soos hierdie reaktief raak, wat hul vermoë om die plaaslike chemiese omgewing te handhaaf, benadeel. Die gliale selle vergroot en hul prosesse swel. Hulle verloor hul K + buffervermoë en die funksie van die pomp word aangetas, of selfs omgekeer. If a Na + gradient breaks down, this has a more important effect than interrupting the action potential. Glucose transport into cells is coupled with Na + co-transport. When that is lost, the cell cannot get the energy it needs. In the central nervous system, carbohydrate metabolism is the only means of producing ATP. Elsewhere in the body, cells rely on carbohydrates, lipids, or amino acids to power mitochondrial ATP production. But the CNS does not store lipids in adipocytes (fat cells) as an energy reserve. The lipids in the CNS are in the cell membranes of neurons and glial cells, notably as an integral component of myelin. Proteins in the CNS are crucial to neuronal function, in roles such as channels for electrical signaling or as part of the cytoskeleton. Those macromolecules are not used to power mitochondrial ATP production in neurons.

Interaktiewe skakel

Visit this site to see a virtual neurophysiology lab, and to observe electrophysiological processes in the nervous system, where scientists directly measure the electrical signals produced by neurons. Often, the action potentials occur so rapidly that watching a screen to see them occur is not helpful. A speaker is powered by the signals recorded from a neuron and it “pops” each time the neuron fires an action potential. These action potentials are firing so fast that it sounds like static on the radio. Electrophysiologists can recognize the patterns within that static to understand what is happening. Why is the leech model used for measuring the electrical activity of neurons instead of using humans?


Half-life and production rate of ion channels - Biology

Ion Channels: Structure and Function

Ion channels are membrane protein complexes and their function is to facilitate the diffusion of ions across biological membranes. Membranes, or phospholipid bilayers, build a hydrophobic, low dielectric barrier to hydrophilic and charged molecules. They are electrical insulators. Ion channels provide a high conducting, hydrophilic pathway across the hydrophobic interior of the membrane. The channel, or pore structure, is said to catalyze the 'reaction' of transporting charged molecules across a low dielectric medium. The 'catalytic site', the central channel, is either oopmaak of gesluit. The open channel conformation can be compared to the transition state of the enzyme-substrate complex, where ions are tightly associated to the catalytic site. The conformational change between closed and open state is called gating, as in opening and closing a gate. Channel gating is controlled by external factors like enzymes are controlled by modulators and effectors. Ion channels can be classified according to which chemical or physical modulator controls their gating activity. Thus we have different groups of channels as summarized below:

- ligand gated channels neurotransmitters

- voltage gated channels transmembrane potential (electric field)

- second messenger gated channels nucleotides, G-proteins

- mechanosensitive channels osmotic pressure, membrane curvature

- gap junctions, porins not gated


Channels are also ion selective. They can discriminate between size and charge of the permeant molecule. All ion channels are complexes of transmembrane proteins, sometimes they contain cytoplasmic subunits, often they are glycosylated. The 3-D structure of most ion channels, is not known, with two notable exceptions, porins and a K-channel, both of bacterial origin. There exists, however, a multitude of biochemical and functional data, combined with mutagenesis experiments that give information about the transmembrane topology of these proteins, dividing it into transmembrane segments and extramembraneous loops/domains. Often size and location of loops on one side or the other of the membrane can be determined by chemically modifying the protein and analyzing which amino acids have been modified.

The first structure (in 1990) of an ion channel solved at atomic resolution <0.3nm is that of the bacterial porins, a family of homo-trimeric channel proteins. Each subunit contains 16 to 18 transmembrane, anti-parallel b -strands forming a b -barrel structure. The b -strands are amphipathic, they contain alternating polar and non-polar residues and the inter-strand interaction is fully saturated with H-bonding. This creates a hydrophilic pore interior providing a water filled channel. The channel has a large diameter of 0.8x1.1nm, and is non-selective for small ions. However, it has an upper exclusion size limit corresponding to molecular weights of about 600 Dalton of permeants. Because most metabolites have molecular weights lower than 600 Da and have been shown to pass through porin channels, porins are called general diffusion pores.

Fig. Ribbon diagram of porin barrel and projection of outer face of this barrel

Fig. Projection map of porin barrel

from Weiss and Schulz, 1992

3. Nicotinic Acetylcholine Receptor - nAChR

The structure of another ion channel, the nicotinic acetylcholine receptor, has been determined to 0.9nm resolution by cryo-electron microscopy. The nAChR is a heteromeric glycoprotein complex composed of five integral membrane proteins in a stoichiometry of a2bgd .

The five subunits are arranged in a circular fashion around a central hole that provides an ion pathway across the post-synaptic cell membrane. The pentameric complex has a five fold pseudo-symmetry because its subunits are not identical. The receptor complex binds two molecules of acetylcholine. Acetylcholine binding induces the opening of the channel. Coupling between the two ACh binding sites and the channel gate is an allosteric mechanism because the binding of a ligand causes a structural change on a distant place in the receptor unit.

Fig. Pentameric arrangement of nAChR subunits

Die transmembrane topology of the AChR has been inferred from hydrophobicity analysis en secondary structure prediction of the primary sequence. So called hydropathy plots indicate the grouping of hydrophobic stretches in the sequence that are identified as spanning the membrane, usually in the form of a -helices. Four transmembrane segments have been proposed for the nAChR subunits, and the orientation of the receptor within the post-synaptic membrane has been modeled has having a large N-terminal domain outside the cell facing the synaptic cleft. This is also the location of the agonist binding site in the alpha subunits discussed above.

Fig. Two hydrophobicity scales of amino acids

The figure compares two hydrophobicity scales showing the sometimes different results obtained by different groups. Upper scale by Kyte and Doolittle, 1982, A simple method for displaying the hydropathic character of a protein, J.Mol.Biol. 157:105-132. The lower scale by Rose et. al., 1985, Hydrophobicity of amino acid residues in globular proteins, Science 229:834. Fig. Hydropathy plot for acetylcholine receptor subunit

Afkortings: LSS-leader signal sequence ED-extracellular domain CL-cytoplasmic domain M1-M4-transmembrane spanning segments positive hydropathy means non-polar, negative values polar domains Early experiments on identifying the amino acids involved in ion flux through the nAChR channel indicated that residues in transmembrane segment 2, or M2, form the channel lining structure of the receptor. Each of the five subunits contributes its M2 segment to the channel thus forming a five fold symmetry. Rings of identical (or similar, because M2 sequences of different subunits are not totally conserved) amino acids thought to be part of the channel thereby determining its selectivity properties. The M2 segment is likely to line the pore also because it is the only transmembrane segment that could form an amphipathic a -helix. The hydrophilic residues are aligned on the side of the helical cylinder that faces the channel interior.

Electron microscopy providing a high resolution of 0.9nm shows the presence of such an a -helix surrounding the central pore. It also shows that the helix is found in a linear form when the channel is open, but exhibits a kink in the middle of the membrane when the channel is closed. A leusien residue in each subunit is located at this kink. The large part of the membrane buried structure, however, does not seem to exhibit any a -helices. It has tentatively been proposed (but not shown) to form a b -barrel structure giving the nAChR pentamer a similar membrane anchoring structure as found in porin trimers. Fig. Channel cross section (electron density map) with positions of the pore lining transmembrane segment M2 (left solid bars) and helical plot of the amino acid sequence of transmembrane segment M2.

4. The acetylcholine binding site

Acetylcholine is a neurotransmitter and the natural agonist of the acetylcholine receptor.

Fig. Chemical structure of acetylcholine

Besides ACh there are many other agonists that are important pharmacological agents or drugs that affect the activity of the receptor. The most important one is nicotine, which also gave this receptor type its specific name, nicotinic acetylcholine receptor. Agoniste are positive modulators of the receptor activity. Antagoniste are molecules that have the opposite effect of agonists, they inhibit receptor activity. The most commonly known inhibitors are the curare alkaloids en a -bungarotoxin, a small protein that irreversibly binds to the agonist binding pocket thus inactivating the receptor by blocking access for the agonist.

There are two ACh binding pockets in the receptor complex located in the clefts (subunit interface) between the a subunits and the g and b subunits respectively. Two molecules of ACh must bind to activate the receptor, i.e., to open the channel for ions to flow across the membrane. Labeling experiments, where small detector molecules can be covalently linked to amino acid side chains, showed that 5 residues in the N-terminal part (extracellular) of the a subunits are involved in agonist binding. These are residues Tyr93, Trp149, Tyr190, Cys192, and Cys193. The location of the amino acids in the polypeptide indicates that loops from different sites in the sequence are forming the binding pocket, similar to the catalytic triade of serine proteases and the heme binding pocket in globins.

The mechanism to open the channel is a long range effect of a conformational change that starts out as a small local conformational change as described for the oxygen binding to the heme group in globins. The distance between two heme binding sites in hemoglobin is about 2.5nm and the distance between the acetylcholine binding sites and the channel gate (distance between ACh binding site and membrane), the structure in the complex that opens and closes the ion pathway across the membrane, is about 2.5nm as well. This allosteric mechanism can be summarized in the following reaction scheme:

CLOSED R + A <=> RA + A <=> RA2 <=> R*A2 OPEN

The scheme shows that the combined effect of two bound agonists brings the receptor into its transition, or open state (R*), where the receptor exhibits an equilibrium between the closed and open channel. This equilibrium is measured as open probability of the channel P(open).

In addition to the kinetic scheme of ligand binding and channel opening, the receptor can switch into a desensitized state, i.e., a conformation where the channel is closed in the presence of two bound acetylcholine molecules. The channel is unable to reopen until the ligands first dissociate from their binding site. It could be shown that the affinity of the ligand to the receptor in the desensitized state, D, is much higher than in the normal, open or closed state R therbey preventing the postsynaptic membrane from overstimulation.

The crystal structure of a non-voltage gated, two-transmembrane spanning K-channel from the bacteria Streptomyces lividans (KcsA K + channel) has been solved to 3.2 angstrom resolution (amino acids 126-158 at the carboxy terminal end have been cleaved off). Like several other membrane proteins (see projection map for porin barrel), it has two rings of aromatic amino acids positioned to extend into the lipid bilayer, presumably near the membrane-water interfaces. A subunit is inserted into the tetramer such that one transmembrane helix (inner helix) partially facing the central pore (45Å long) while the other (outer helix) faces the lipid membrane. The inner helices are tilted with respect to the membrane normal by about 25° and are slightly kinked with the wider part facing the outside of the cell allowing the structure to form the pore region near the extracellular surface of the membrane. This region contains the K + channel signature sequence, which forms the selectivity filter. Within the selectivity filter the side chain orientation preclude their participation in ion coordination, leaving this function to the oxygen atoms of the main chain carbonyls. They are forming an oxygen ring coordinating a dehydrated K + ion. The K + ion thus has only a very small distance to diffuse from one site to the next within the selectivity filter. Fig. Three different views of the K-channel structure from Streptomyces lividans (KcsA K + channel)

electrostatic surface pore volume selectivity filter & ion binding sites
(from Doyle, 1998)

The crystal structure includes permeating ions (Rb + or Cs + ) and shows three binding sites. One of three cations is stabilized in the middle of the membrane within an aqueous cavity (10 Å diameter) at the negatively charged carboxyl end (helix dipole) of four central a -helices, one from each subunit. Because of the size of the cavity, this central ion is proposed to be hydrated. Furthermore, the structure shows that, with the exception of the selectivity filter (12Å long), the pore lining is mainly hydrophobic (cytoplasmic side of channel lumen, corresponds to lower half of pore in above figure), a general property of K-channels. This might explain why most K-channels have a very high flux rate, or ion conductance.

Potassium channels form a family of K + selective, voltage-gated channels in excitable membranes such as neuronal and muscle cell membranes. So far over 50 different genes have been cloned and sequenced from mammals, plants, and microorganisms. Most potassium channels form homo- or hetero-tetrameric protein complexes with each subunit having 6 transmembrane segments (S1 - S6) and a pore loop structure connecting the fifth and sixth segments. Transmembrane segment S4 contains a series of positively charges amino acids which have been shown to be essential for voltage-sensing. Although the crystal structure of KcsA is a non-voltage-gated type, the sequence similarities of the pore loop strongly suggest that all potassium channels have the same quaternary pore architecture.

6. Measuring single channel activity

How are ion channels studied experimentally? Ion channels catalyze the diffusion of ions across membranes with electrical currents in the order of pico Amperes (10 -12 A). The recording of single channel currents shows two current levels corresponding to the closed and open state respectively. Transitions between these two states are very fast and in the order of fractions of a millisecond, and appear in the recordings as rectangular jumps from one level to the other. The amplitude of the jump corresponds to the current. The current can be normalized and expressed as resistance (or its inverse, the conductance) because it is proportional to the membrane potential as defined by Ohm's law (E = R*I). Channels have ion flux rates of up to 10 6 ions/second.

Normally, the channels stay open for only a fraction of seconds, allowing the flux of tens of thousands of ions through the pore. The activity of the channel can be quantified as open probability, the fraction of time it stays in the open conformation. The open probability of a channel can be compared to the fractional saturation of hemoglobin with molecular oxygen. Whereas in hemoglobin the fractional saturation is related to the saturation pressure of the oxygen (the ligand of the heme), the open probability is related to the concentration of the acetylcholine in the synaptic cleft.

Fig. Single channel activity and voltage dependence of a Na-channel (from Catterall, 1988)


Kyk die video: OBSERVASI PABRIK TEMPE TEAM4 2016 (Oktober 2022).