Spänningsstyrd jonkanal
 Var och en av de fyra homologa domänerna utgör en subenhet av jonkanalen. De S4-spänningsavkännande segmenten (markerade med +-symboler) visas som laddade.
| |
| Identifierare | |
|---|---|
| Symbol | VIC |
| Pfam klan | CL0030 |
| TCDB | 1.A.1 |
| OPM superfamilj | 8 |
| OPM-protein | 2a79 |
Spänningsstyrda jonkanaler är en klass av transmembranproteiner som bildar jonkanaler som aktiveras av förändringar i den elektriska membranpotentialen nära kanalen. Membranpotentialen förändrar konformationen av kanalproteinerna och reglerar deras öppning och stängning. Cellmembran är i allmänhet ogenomträngliga för joner , så de måste diffundera genom membranet genom transmembrana proteinkanaler. De har en avgörande roll i exciterbara celler som neuron- och muskelvävnader, vilket möjliggör en snabb och koordinerad depolarisering som svar på utlösande spänningsförändringar . Finns längs axonet och vid synapsen , spänningsstyrda jonkanaler sprider elektriska signaler i riktning. Spänningsstyrda jonkanaler är vanligtvis jonspecifika och kanaler specifika för natrium (Na + ), kalium (K + ), kalcium (Ca 2 + ) och klorid (Cl - ) joner har identifierats. Öppningen och stängningen av kanalerna utlöses av ändrad jonkoncentration, och därmed laddningsgradienten, mellan sidorna av cellmembranet.
Strukturera
Spänningsstyrda jonkanaler är i allmänhet sammansatta av flera underenheter arrangerade på ett sådant sätt att det finns en central por genom vilken joner kan färdas ner i sina elektrokemiska gradienter . Kanalerna tenderar att vara jonspecifika, även om lika stora och laddade joner ibland kan färdas genom dem. Funktionaliteten hos spänningsstyrda jonkanaler tillskrivs dess tre huvudsakliga diskreta enheter: spänningssensorn, poren eller den ledande vägen och grinden. Na +- , K +- och Ca2 + -kanaler är sammansatta av fyra transmembrandomäner arrangerade runt en central por; dessa fyra domäner är en del av en enda a-subenhet i fallet med de flesta Na +- och Ca2 + -kanaler, medan det finns fyra a-subenheter, som var och en bidrar med en transmembrandomän, i de flesta K + -kanaler. De membranomspännande segmenten, betecknade S1-S6, har alla formen av alfaspiraler med specialiserade funktioner. De femte och sjätte transmembransegmenten (S5 och S6) och porslingan tjänar den huvudsakliga rollen för jonledning, innefattande kanalens grind och por, medan S1-S4 fungerar som det spänningsavkännande området. De fyra underenheterna kan vara identiska eller olika från varandra. Utöver de fyra centrala α-subenheterna finns även regulatoriska β-subenheter, med oxidoreduktasaktivitet , som är belägna på cellmembranets inre yta och inte korsar membranet, och som är sammansatta med α-subenheterna i det endoplasmatiska retikulumet .
Mekanism
Kristallografiska strukturella studier av en kaliumkanal har visat att, när en potentialskillnad införs över membranet, inducerar det associerade elektriska fältet en konformationsförändring i kaliumkanalen. Konformationsförändringen förvränger formen på kanalproteinerna tillräckligt så att kaviteten, eller kanalen, öppnas för att tillåta inflöde eller utflöde genom membranet. Denna rörelse av joner nedför sina koncentrationsgradienter genererar därefter en elektrisk ström som är tillräcklig för att depolarisera cellmembranet.
Spänningsstyrda natriumkanaler och kalciumkanaler är uppbyggda av en enda polypeptid med fyra homologa domäner. Varje domän innehåller 6 membranspännande alfahelixer . En av dessa spiraler, S4, är den spänningsavkännande helixen. S4-segmentet innehåller många positiva laddningar så att en hög positiv laddning utanför cellen stöter bort helixen och håller kanalen i sitt stängda tillstånd.
I allmänhet är den spänningsavkännande delen av jonkanalen ansvarig för detekteringen av förändringar i transmembranpotential som utlöser öppning eller stängning av kanalen. S1-4 alfaspiralerna anses generellt tjäna denna roll. I kalium- och natriumkanaler innehåller spänningsavkännande S4-helixar positivt laddade lysin- eller argininrester i upprepade motiv. I sitt viloläge är hälften av varje S4-helix i kontakt med cellcytosolen. Vid depolarisering rör sig de positivt laddade resterna på S4-domänerna mot den exoplasmatiska ytan av membranet. Man tror att de första 4 argininerna står för grindströmmen, som rör sig mot det extracellulära lösningsmedlet vid kanalaktivering som svar på membrandepolarisering. Rörelsen av 10–12 av dessa proteinbundna positiva laddningar utlöser en konformationsförändring som öppnar kanalen. Den exakta mekanismen genom vilken denna rörelse sker är för närvarande inte överens om, men de kanoniska, transporterande, paddel- och vridna modellerna är exempel på aktuella teorier.
Rörelse av spänningssensorn utlöser en konformationsändring av grinden för den ledande banan, som styr flödet av joner genom kanalen.
Den huvudsakliga funktionella delen av den spänningskänsliga proteindomänen av dessa kanaler innehåller i allmänhet en region som består av S3b- och S4-helixar, känd som "paddeln" på grund av sin form, som verkar vara en konserverad sekvens, utbytbar över en mängd olika celler och arter. En liknande spänningssensorpaddel har också hittats i en familj av spänningskänsliga fosfataser i olika arter. Genteknik av paddelregionen från en art av vulkanboende arkaebakterier till råtthjärnans kaliumkanaler resulterar i en fullt fungerande jonkanal, så länge som hela den intakta paddeln byts ut. Denna " modularitet " tillåter användning av enkla och billiga modellsystem för att studera funktionen av denna region, dess roll i sjukdomar och farmaceutisk kontroll av dess beteende snarare än att vara begränsad till dåligt karakteriserade, dyra och/eller svårstuderade preparat.
Även om spänningsstyrda jonkanaler vanligtvis aktiveras av membrandepolarisering , aktiveras vissa kanaler, såsom inåtriktade kaliumjonkanaler , istället av hyperpolarisering .
Grinden tros vara kopplad till de spänningsavkännande områdena i kanalerna och verkar innehålla ett mekaniskt hinder för jonflödet. Även om S6-domänen har överenskommits som segmentet som fungerar som detta hinder, är dess exakta mekanism okänd. Möjliga förklaringar inkluderar: S6-segmentet gör en saxliknande rörelse som tillåter joner att flöda igenom, S6-segmentet bryts upp i två segment som tillåter passage av joner genom kanalen, eller så fungerar S6-kanalen som själva grinden. Mekanismen genom vilken rörelsen av S4-segmentet påverkar den för S6 är fortfarande okänd, men det är teoretiskt att det finns en S4-S5-linker vars rörelse tillåter öppning av S6.
Inaktivering av jonkanaler sker inom millisekunder efter öppning. Inaktivering tros förmedlas av en intracellulär gate som styr öppningen av poren på insidan av cellen. Denna grind är modellerad som en boll bunden till en flexibel kedja . Vid inaktivering viks kedjan in i sig själv och kulan blockerar flödet av joner genom kanalen. Snabb inaktivering är direkt kopplad till aktiveringen som orsakas av intramembranrörelser av S4-segmenten, även om mekanismen som länkar rörelsen av S4 och inkopplingen av inaktiveringsporten är okänd.
Olika typer
Natrium (Na + )-kanaler
Natriumkanaler har liknande funktionella egenskaper över många olika celltyper. Medan tio mänskliga gener som kodar för natriumkanaler har identifierats, är deras funktion typiskt bevarad mellan arter och olika celltyper.
Kalcium (Ca 2+ ) kanaler
Med sexton olika identifierade gener för mänskliga kalciumkanaler skiljer sig denna typ av kanal i funktion mellan celltyper. Ca 2+ -kanaler producerar aktionspotentialer på liknande sätt som Na + -kanaler i vissa neuroner. De spelar också en roll vid frisättning av neurotransmittorer i presynaptiska nervändar. I de flesta celler reglerar Ca2 + -kanaler en mängd olika biokemiska processer på grund av deras roll i att kontrollera intracellulära Ca2 + -koncentrationer.
Kalium (K + ) kanaler
Kaliumkanaler är den största och mest mångsidiga klassen av spänningsstyrda kanaler, med över 100 kodande mänskliga gener. Dessa typer av kanaler skiljer sig markant i sina grindegenskaper; vissa inaktiveras extremt långsamt och andra inaktiveras extremt snabbt. Denna skillnad i aktiveringstid påverkar varaktigheten och hastigheten för aktionspotentialavfyrning, vilket har en betydande effekt på elektrisk ledning längs ett axon såväl som synaptisk transmission. Kaliumkanaler skiljer sig i struktur från de andra kanalerna genom att de innehåller fyra separata polypeptidsubenheter, medan de andra kanalerna innehåller fyra homologa domäner men på en enda polypeptidenhet.
Klorid (Cl − ) kanaler
Kloridkanaler finns i alla typer av neuroner. Med huvudansvaret för att kontrollera excitabilitet bidrar kloridkanaler till upprätthållandet av cellvilopotential och hjälper till att reglera cellvolymen.
Proton (H + ) kanaler
Spänningsstyrda protonkanaler bär strömmar som medieras av vätejoner i form av hydronium och aktiveras genom depolarisering på ett pH -beroende sätt. De fungerar för att avlägsna syra från celler.
Fylogenetik
Fylogenetiska studier av proteiner uttryckta i bakterier avslöjade förekomsten av en superfamilj av spänningsstyrda natriumkanaler. Efterföljande studier har visat att en mängd andra jonkanaler och transportörer är fylogenetiskt relaterade till de spänningsstyrda jonkanalerna, inklusive inåtriktande K + -kanaler , ryanodin-inositol-1,4,5-trifosfatreceptor-Ca2 + -kanaler , transient receptorpotential Ca 2+ kanaler , polycystinkatjonkanaler , glutamatstyrda jonkanaler , kalciumberoende kloridkanaler , monovalenta katjon:proton-antiporter, typ 1 och kaliumtransportörer .
Se även
externa länkar
- IUPHAR-DB Spänningsstyrda jonkanalsubenheter
- IUPHAR Compendium of Voltage-Gated Ion Channels 2005
- Spänningsberoende+anjon+kanaler vid US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)