Bramkowanie (elektrofizjologia) - Gating (electrophysiology)
W elektrofizjologii termin bramkowanie odnosi się do otwierania ( aktywacji ) lub zamykania (przez dezaktywację lub inaktywację) kanałów jonowych . Ta zmiana konformacji jest odpowiedzią na zmiany napięcia transbłonowego.
Gdy kanały jonowe są w stanie „zamkniętym” (nie przewodzą), są nieprzepuszczalne dla jonów i nie przewodzą prądu elektrycznego. Gdy jonowe kanały są w stanie otwartym, przeprowadza się prąd elektryczny, umożliwiając specyficznych rodzajów jonów przez nie przechodzić, a więc w poprzek błony komórkowej w komórkach . Bramkowanie to proces, w którym kanał jonowy przechodzi między stanem otwartym i zamkniętym.
Różne zmiany komórkowe mogą wyzwalać bramkowanie, w zależności od kanału jonowego, w tym zmiany napięcia w błonie komórkowej ( kanały jonowe bramkowane napięciem ), substancje chemiczne oddziałujące z kanałem jonowym ( kanały jonowe bramkowane ligandem ), zmiany temperatury, rozciąganie lub deformacja błony komórkowej, dodanie grupy fosforanowej do kanału jonowego ( fosforylacja ) i oddziaływanie z innymi cząsteczkami w komórce (np. białkami G ). Szybkość, z jaką którykolwiek z tych procesów bramkowania zachodzi w odpowiedzi na te wyzwalacze, jest znana jako kinetyka bramkowania. Niektóre leki i wiele toksyn kanałów jonowych działają jako „modyfikatory bramkowania” kanałów jonowych bramkowanych napięciem poprzez zmianę kinetyki bramkowania.
Bramkowane napięciem kanały jonowe potencjału czynnościowego są często opisywane jako posiadające cztery procesy bramkowania: aktywację, dezaktywację, dezaktywację i reaktywację (zwaną również „odzyskiwaniem z dezaktywacji”). Aktywacja to proces otwierania bramki aktywacyjnej, który następuje w odpowiedzi na napięcie wewnątrz błony komórkowej ( potencjał błonowy ) staje się bardziej dodatnie względem zewnątrz komórki ( depolaryzacja ), a „dezaktywacja” jest procesem odwrotnym bramka aktywacyjna zamyka się w odpowiedzi na to, że wnętrze membrany staje się bardziej ujemne (repolaryzacja). „Inaktywacja” to zamknięcie bramki inaktywacji i następuje w odpowiedzi na napięcie wewnątrz membrany, które staje się bardziej dodatnie, ale wolniej niż aktywacja. „Reaktywacja” jest przeciwieństwem inaktywacji i jest procesem ponownego otwierania bramy inaktywacji.
Te zależne od napięcia zmiany funkcji są krytyczne dla dużej liczby procesów w ogniwach pobudliwych i niepobudliwych.
Aktywacja
Kanały jonowe bramkowane napięciem
Bramkowane napięciem kanały jonowe otwierają się i zamykają w odpowiedzi na potencjał elektryczny w błonie komórkowej. Części domeny kanału działają jak czujniki napięcia. Gdy zmienia się potencjał błony, powoduje to zmiany sił elektrostatycznych , przesuwając te domeny wykrywające napięcie. Zmienia to konformację innych elementów kanału do pozycji otwartej lub zamkniętej. Kiedy przechodzą z pozycji zamkniętej do pozycji otwartej, nazywa się to „aktywacją”. Bramkowane napięciem kanały jonowe leżą u podstaw wielu elektrycznych zachowań komórki, w tym potencjałów czynnościowych, spoczynkowych potencjałów błonowych i transmisji synaptycznej.
Bramkowane napięciem kanały jonowe są często specyficzne dla jonów, w tym Na + , K + , Ca 2+ i Cl − . Każdy z tych jonów odgrywa ważną rolę w zachowaniu elektrycznym komórki. Bramy mają również unikalne właściwości o ważnych implikacjach fizjologicznych. Na przykład kanały Na + otwierają się i zamykają szybko, podczas gdy bramki K + otwierają się i zamykają znacznie wolniej. Różnica prędkości między tymi kanałami leży u podstaw faz depolaryzacji i repolaryzacji potencjału czynnościowego.
Na + kanały
Kanały sodowe bramkowane napięciem (Na + ) są istotne, jeśli chodzi o propagację potencjałów czynnościowych w neuronach i innych komórkach pobudliwych, najczęściej są wykorzystywane do propagacji potencjału czynnościowego w aksonach, włóknach mięśniowych i nerwowym przedziale somatodendrytycznym. Kanały sodowe (Na + ) są jednymi z głównych kanałów jonowych odpowiedzialnych za potencjały czynnościowe. Ponieważ są złożone, składają się z większych podjednostek α, które są następnie łączone z dwiema mniejszymi podjednostkami β. Zawierają segmenty transbłonowe znane jako S1-6. Naładowane segmenty S4 to czujniki napięcia kanałów. Po wystawieniu na pewną minimalną różnicę potencjałów segmenty S4 poruszają się po membranie. Powoduje to ruch łącznika S4-S5, który powoduje skręcenie łącznika S5-S6 i otwarcie kanału.
K + kanały
Kanały potasowe (K + ) odgrywają dużą rolę w ustalaniu spoczynkowego potencjału błonowego. Kiedy błona komórkowa ulega depolaryzacji, wewnątrzkomórkowa część kanału staje się naładowana dodatnio, co powoduje, że otwarta konfiguracja kanału staje się bardziej stabilnym stanem niż konfiguracja zamknięta. Istnieje kilka modeli aktywacji kanału potasowego:
- Model spirali ślizgowej zakłada, że kanał potasowy otwiera się w wyniku ruchu wkręcania przez spiralę S4.
- Model łopatkowy zakłada, że spirale S3 i S4 kanału tworzą „łopatki”, które poruszają się przez zdepolaryzowaną membranę i odciągają spiralę S5 od otworu kanału.
- Model transportu zakłada, że skupione pole elektryczne powoduje, że naładowane cząstki poruszają się w poprzek kanału przy niewielkim ruchu spirali S4.
- Model skoordynowanego ruchu helis zakłada, że helisy S4 i S5 obracają się, a łącznik S4-S5 powoduje ruch helisy S6, otwierając kanał.
- Model konsensusu jest średnią z powyższych modeli, która pomaga pogodzić je z danymi eksperymentalnymi.
Kanały Ca 2+
Kanały wapniowe (Ca 2+ ) regulują uwalnianie neuroprzekaźników w synapsach, kontrolują kształt potencjałów czynnościowych wytwarzanych przez kanały sodowe, aw niektórych neuronach generują potencjały czynnościowe. Kanały wapniowe składają się z sześciu transbłonowych helis. S4 działa jak czujnik napięcia, obracając się pod wpływem pewnych potencjałów błonowych, otwierając w ten sposób kanał.
Neuroprzekaźniki są początkowo przechowywane i syntetyzowane w pęcherzykach w synapsie neuronu. Kiedy w komórce pojawia się potencjał czynnościowy, sygnał elektryczny dociera do zacisku presynaptycznego, a depolaryzacja powoduje otwarcie kanałów wapniowych, uwalniając wapń w dół gradientu elektrochemicznego. Ten napływ wapnia następnie powoduje, że pęcherzyki neuroprzekaźnika łączą się z błoną presynaptyczną. Jony wapnia inicjują interakcję obowiązkowych białek kofaktora z białkami SNARE, tworząc kompleks SNARE. Te kompleksy SNARE pośredniczą w fuzji pęcherzyków, ściągając do siebie błonę, przepuszczając neuroprzekaźniki do szczeliny synaptycznej. Cząsteczki neuroprzekaźnika mogą następnie sygnalizować następnej komórce poprzez receptory na błonie postsynaptycznej. Receptory te mogą działać jako kanały jonowe lub GPCR (receptory sprzężone z białkiem G). Ogólnie neuroprzekaźnik może wywołać reakcję pobudzającą lub hamującą, w zależności od tego, co zachodzi na receptorze.
Cl − Kanały
Kanały chlorkowe to kolejna grupa kanałów jonowych bramkowanych napięciem, które są mniej znane. Są zaangażowane w takie procesy, jak mięśnie gładkie szkieletu i serca, regulacja objętości komórek, cykl komórkowy i apoptoza. Jedna główna rodzina białek chlorkowych to białka CLC – wspólne kanały i transportery dla podstawowych procesów fizjologicznych u ssaków. Kanały CLC działają jako wolno bramkowane kanały; Jony wodorowe są wymieniane na dopływ jonów chlorkowych, dzięki czemu aniony przemieszczają się w ich gradiencie elektrochemicznym. Zależny od napięcia kanał chlorkowy C1C-1 jest homologicznym dimerem, który należy do tej rodziny i jest widoczny głównie we włóknach mięśni szkieletowych. W przypadku tego kanału prawidłowa depolaryzacja i repolaryzacja za pomocą jonów chlorkowych jest niezbędna do propagacji potencjału czynnościowego.
Kanały jonowe bramkowane ligandem
Kanały jonowe bramkowane ligandem znajdują się na neuronach postsynaptycznych. Domyślnie przyjmują ich zamkniętą konformację. Kiedy neuron presynaptyczny uwalnia neuroprzekaźniki na końcu potencjału czynnościowego, wiążą się one z kanałami jonowymi bramkowanymi ligandami. Powoduje to, że kanały przyjmują konformację otwartą, umożliwiając przepływ jonów przez kanały w dół ich gradientu stężeń. Kanały jonowe bramkowane ligandem są odpowiedzialne za szybką transmisję synaptyczną w układzie nerwowym i na połączeniu nerwowo-mięśniowym. Każdy kanał jonowy bramkowany ligandem posiada szeroką gamę receptorów o różnych właściwościach biofizycznych, a także wzorcach ekspresji w układzie nerwowym.
Dezaktywacja
Dezaktywacja ma miejsce, gdy przepływ jonów jest blokowany przez mechanizm inny niż zamknięcie kanału. Kanał w stanie otwartym może przestać umożliwiać przepływ jonów lub kanał w stanie zamkniętym może zostać prewencyjnie dezaktywowany, aby zapobiec przepływowi jonów. Inaktywacja zwykle występuje, gdy błona komórkowa ulega depolaryzacji i kończy się, gdy przywrócony zostaje potencjał spoczynkowy.
W kanałach sodowych inaktywacja wydaje się być wynikiem działania helis III-VI, przy czym III i IV działają jako rodzaj zawiasowej pokrywy, która blokuje kanał. Dokładny mechanizm jest słabo poznany, ale wydaje się, że opiera się na cząstce, która ma wysokie powinowactwo do odsłoniętego wnętrza otwartego kanału. Szybka inaktywacja umożliwia kanałowi zatrzymanie przepływu sodu bardzo krótko po przyjęciu jego otwartej konformacji.
Inaktywacja kulek i łańcuszków
Model kulowo-łańcuchowy , znany również jako inaktywacja typu N lub inaktywacja pokrywy na zawiasach, jest mechanizmem bramkującym dla niektórych kanałów jonowych bramkowanych napięciem. Bramkowane napięciem kanały jonowe składają się z 4 podjednostek α, z których jedna lub więcej będzie mieć domenę kulkową umieszczoną na jej cytoplazmatycznym N-końcu. Domena kulkowa jest przyciągana elektrostatycznie do domeny kanału wewnętrznego. Gdy kanał jonowy jest aktywowany, wewnętrzna domena kanału jest odsłonięta iw ciągu milisekund łańcuch zwinie się, a kulka wejdzie do kanału, blokując przenikanie jonów. Kanał powraca do stanu zamkniętego, blokując domenę kanału, a kulka opuszcza por.
Dezaktywacja
Dezaktywacja to powrót kanału jonowego do jego zamkniętej konformacji. W przypadku kanałów bramkowanych napięciem ma to miejsce, gdy różnica napięć, która pierwotnie spowodowała otwarcie kanału, powraca do wartości spoczynkowej.
W kanałach sodowych bramkowanych napięciem dezaktywacja jest konieczna, aby powrócić do zdrowia po dezaktywacji.
W kanałach potasowych bramkowanych napięciem sytuacja jest odwrotna, a dezaktywacja spowalnia regenerację kanału po aktywacji. Domyślnie zakładana jest konformacja zamknięta i obejmuje częściowe prostowanie helisy VI przez łącznik IV-V. Mechanizmy powodujące otwieranie i zamykanie nie są w pełni zrozumiałe. Zamknięta konformacja wydaje się być konformacją o wyższej energii niż konformacja otwarta, co może również pomóc w wyjaśnieniu, w jaki sposób aktywuje się kanał jonowy.
Ujęcie ilościowe
Ładunek bramkujący można obliczyć, rozwiązując równanie Poissona . Ostatnie badania zasugerowały metodę opartą na symulacji dynamiki molekularnej do określania ładunku bramkującego poprzez pomiar właściwości kondensatora elektrycznego białek osadzonych w błonie. Aktywność kanałów jonowych znajdujących się w błonie plazmatycznej można zmierzyć po prostu przyłączając szklaną elektrodę kapilarną w sposób ciągły do membrany. Inne kanały jonowe zlokalizowane w błonach mitochondriów, lizosomach i aparacie Golgiego można zmierzyć nową techniką, która obejmuje użycie sztucznej dwuwarstwowej błony lipidowej przymocowanej do 16-elektrodowego urządzenia, które mierzy aktywność elektryczną.