Debreceni Egyetem
Orvos- és Egészségtudományi Centrum Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet
Az ioncsatorna fehérjék szerkezete, működése és szabályozása Panyi György
www.biophys.dote.hu
Mesterséges membránok ionok számára átjárhatatlanok
1
Iontranszport a membránon keresztül
extracelluláris
citoszolikus
zárt ATP ADP+Pi
ATP-függő pumpa 100-103 ion/s
nyitott
ioncsatorna 107-108 ion/s
transzporter 102-104 ion/s
Az ioncsatorna egyszerűsített működési modellje:
hajtóerő + nyitott kapu ionáram
2
Az elektrokémiai gradiens és a vezetőképesség határozza meg az ionáram nagyságát és irányát egyensúly esetén nincs nettó áram
ha nincs egyensúly nettó áram
[K+]o=5 mM Em
[K+]o=5 mM Em
[K+]i=140 mM EK
RT [K ] i ln E m 89 mV zF [K ] o
T= 37 oC, z=1
I = G(Em–EK)= 0
[K+]i=140 mM EK
RT [K ] i 89 mV ln zF [K ] o
Em= – 60 mV
I = G(Em–EK) 0
Az egyedi ioncsatorna áramok néhány pA (10-12 A) nagyságrendűek
Két csatorna szimultán nyitása
Membránpotenciál
nyitott zárt
3
Az ioncsatornák osztályozása
Kapuzás szerint
Szelektivitás alapján
megfelelő “inger” hatására bekövetkező konformáció változás a fehérjében, mely a csatornák különböző állapotaihoz vezet (pl. zárt, nyitott , inaktivált állapotok).
csak bizonyos fajta ion (vagy ionok) számára átjárható a pórus (pl. nagy szelektivitású, kis szelektivitású, és nem szelektív csatornák).
Kapuzás I. A csatornák felosztása a nem vezető (zárt) és vezető (nyitott) állapot közötti átmenetet kiváltó inger alapján:
feszültség kapuzott a membránpotenciál megváltozása (pl. idegsejtek depolarizáció aktiválta K+ és Na+ csatornái).
ligand kapuzott a ligand bekötődése az extracelluláris oldalon (p.l ideg-izom kapcsolatban az acetikolin receptor).
i.c hírvivő molekula által kapuzott a ligand bekötődése az intracelluláris oldalon (pl a Ca2+ aktiválta K+ csatorna).
membrán feszülés által kapuzott (“stretch gated”) a membrán feszülése (pl. limfociták térfogatszabályzásában Cl– csatornák nyitása).
4
A feszültség kapuzott ioncsatornák főbb szerkezeti elemei pórust alkotó S5-S6 hurok
α
extracelluláris
α
K+
α
α
citoszolikus feszültség érzékelő NH2
pórust kialakító domén feszültség érzékelő domén
pórust alkotó S5-S6 hurok szelektivitási szűrő
+ +
+ + +
extracelluláris
S4
S6
S6
S4
+
citoszolikus S4-S5 kapcsoló
kapu
Kapuzás II. Az ioncsatornák lehetséges kapuzási állapotai: -funkcionális állapotok (vezető, nem-vezető) -szerkezeti állapotok (pl. zárt, nyitott, inaktivált)
Em
I /nem-vezető 0.5 pA
Z (C) /nem-vezető
Ny (O) /vezető
O C
100 ms
I
+50 mV -120 mV
5
Kapuzás III. Az aktivációért és inaktivációért felelős domain azonosítása inaktiváció
IM
vad típusú K+ csatorna
WT
Deletion mutant Δ6-46 IM
mutáns K+ csatorna
Deletion mutant Δ6-46 +ball peptide 0
IM 50 100 µM
0
20
40 60 Time (ms)
80
Kapuzás IV. A feszültség szenzor azonosítása egy pozitív töltéssel kevesebbet tartalmazó feszültség szenzor
feszültség szenzor Nyitásiopen valószínűség probability
1.0 0.8 0.6 0.4
WT R368Q
0.2 0.0 -100
-50
0
50
100
Membrán potenciál (mV) test potential (mV)
6
Az ioncsatornák osztályozása szelektivitás alapján Nagy szelektivitású csatornák, négy alegység: K+, Na+, Ca2+, Cl-
Kis szelektivitású csatornák, öt alegység: Acetilkolin receptor, csak kationokra specifikus
Nem szelektív csatornák: Gap junction csatorna (hat alegység)
A szelektivitást biztosító mechanizmusok
–– –
–– 20Å
méret alapján: ami nem fér be a pórusba az nem megy át a csatornán
töltés alapján: a nem megfelelő töltésű ion nem mehet át
specifikus kölcsönhatások alapján: a megfelelő méretű és töltésű ionok közötti válogatás
7
Töltés alapján szelektál a nikotinerg acetilkolin receptor (ligand kapuzott ion csatorna) pórus
filter
acetilkolin kötőhely
extracell. plazmamembrán citoszolikus kapu
Specifikus kölcsönhatások a pórus és az ionok között I. röntgen krisztallográfiás kép a pórusról Szelektivitási szűrő
kálium pórus ion hurok
K+ K+
K+
üreg pórus
szelektivitási filter (GYGD)
a pórusban tartózkodó ionok
8
Specifikus kölcsönhatások a pórus és az ionok között II. A vízburok helyettesítése a szelektivitási szűrőben K+
szelektivitási szűrő
kálium pórus ion hurok
: 1.33 Å
Na+
: 0.95 Å
Hhyd=−322 kJ/mol Hhyd=−406 kJ/mol
K+ K+
ion a szelektivitási szűrőben
K+
Na+
ion vizes közegben
K+
Na+
K+
üreg
pórus
Hogyan tanulmányozhatók az ioncsatornák? Az ionáramok mérésével a patch-clamp technika alkalmazásával Rf Vki
Ip +
áram (pA)
600
Vtart
Im
Em
+30 mV aktiváció
+30 mV -10 mV
-50 mV -80 mV
400 200
-40 mV
inaktiváció
0 0
200
400
600
800
1000
idő (ms)
9
voltage clamp (feszültség zár): a membránpotenciál (pipetta potenciál) konstans értéken tartása függetlenül a membrán áramok nagyságától és irányától Rf Ip +
Em
Vki
Vtart
Im
Sakmann, Nobel lecture, 1992, Neuron 8:613-629.
K+ áram (nA)
cell attached patch 1.2 0.8 0.4 0.0
whole cell
0
500
1000
Idõ (ms)
vákuum húzás
C
1 pA
O
100 ms
outside out patch
10
Patch pipetta a sejten ill. EM kép hőpolírozást követően
Sakmann, Nobel lecture, 1992, Neuron 8:613-629.
11
Az ioncsatornák főbb funkciói Membránpotenciál kialakítása és szabályozása nyugalmi potenciál Em
p K [K]i p Na [Na]i pCl [Cl] o RT ln Fz p K [K] o p Na [Na] o pCl [Cl]i
extracell.
citoszolikus
K+
Na+
Cl−
Az ioncsatornák főbb funkciói
akciós potenciál
+50
felszálló szár: depolarizáció 0
küszöb −70
Vezetőképesség [mmho/(cm2)]
nyugalmi potenciál
Membránpotenciál (mV)
Membránpotenciál kialakítása és szabályozása
leszálló szár: repolarizáció Küszöb alatti ingerek
utó hiperpolarizáció
Na+ permeábilitás
K+ permeábilitás
Idő (ms)
12
Az ioncsatornák főbb funkciói Membránpotenciál kialakítása és szabályozása nyugalmi potenciál
Em
akciós potenciál
p K [K]i p Na [Na]i pCl [Cl] o RT ln Fz p K [K] o p Na [Na] o pCl [Cl]i
extracell.
citoszolikus
Na+
K+
Cl−
Intracelluáris ionkoncentráció változások kialakítása [Ca2+]i emelkedés
A.
Idegsejt akciós potenciál
1
2 4
3
5
Izomsejt Szarkoplazmatikus retikulum
Az ioncsatornák gyógyszerek támadáspontjai 1, pórus blokkolók
e.c.
i.c.
gátlás
gátlás
13
Az ioncsatornák gyógyszerek támadáspontjai 2, kapuzást módosító molekulák e.c.
gátlás
i.c.
14
