IONCSATORNÁK
I. Szelektivitás és kapuzás II. Struktúra és funkció
III. Szabályozás enzimek és alegységek által IV. Akciós potenciál és szinaptikus átvitel
V. Ioncsatornák és betegségek VI. Ioncsatornák mint gyógyszerek célpontjai
I. Szelektivitás és kapuzás
Az ioncsatornák transzmembrán transzportfehérjék
zárt
ATP függő pumpa
!
nyitott
ioncsatorna
transzporter
Az ioncsatorna működése egyszerűen hajtóerő (elektrokémiai potenciálgradiens) + nyitott kapu ionáram
!
hidrofil pórus a membránon keresztül
Az ioncsatornák alapvető tulajdonságai: az osztályozás alapja
kapuzás = megfelelő “inger” hatására bekövetkező konformáció-változás a fehérjében, mely a csatornák különböző állapotaihoz vezet (pl. zárt, nyitott , inaktivált állapotok).
!
Szelektív permeabilitás = csak bizonyos fajta ion (vagy ionok) számára átjárható a pórus (pl. nagy szelektivitású, kis szelektivitású, és nem szelektív csatornák).
Ioncsatornák kapuzása A csatornák felosztása a nem-vezető (zárt) és vezető (nyitott) állapot közötti átmenetet kiváltó inger alapján:
feszültség-kapuzott= a membránpotenciál megváltozása az inger (pl. idegsejtek depolarizáció-aktiválta K+ és Na+ csatornái).
!
ligand-kapuzott = a ligand bekötődése az extracelluláris oldalon jelenti az ingert (p.l ideg-izom kapcsolatban az acetikolin receptor).
i.c hírvivő molekula által kapuzott = a ligand bekötődése az intracelluláris oldalon jelenti az ingert (pl a Ca2+ aktiválta K+ csatorna).
Membrán feszülés által kapuzott (“stretch gated”) csatorna = a membrán feszülése jelenti az ingert (pl. limfociták térfogatszabályozásában Cl– csatornák nyitása).
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 (hat alegység) Gap junction csatorna
!
II. Struktúra és funkció
A feszültség-kapuzott csatornák egy közös ősi génből fejlődtek ki.
Na+ és Ca2+ csatornák: egy folytonos polipeptid-lánc K+ csatornák: 4 különálló alegység
Két különböző alegységből felépülő K+ csatorna tulajdonságai különböznek a két homotetramer csatorna tulajdonságaitól.
A csatornafehérjék adott strukturális elemeihez jól meghatározott funkciók rendelhetők Például: feszültségfüggő K+ csatornákban membránpotenciál változását érzékelő feszültség-szenzor
az ionvezető pórust kialakító pórusrégió a nagy K+ szelektivitásért felelős szelektivitási szűrő négy alegység együtt alkot egy funkcionáló csatornát
Ioncsatorák vizsgálata expressziós rendszerekben Cél: a csatornákat nagy számban, egyéb háttércsatornák nélkül kifejezni, hogy „tisztább” méréseket lehessen végezni Xenopus laevis
removal of oocytes
III. Szabályozás enzimek és alegységek által
A pórusformáló -alegység(ek)hez kiegészítő alegységek csatlakozhatnak, melyek „finom-hangolják” a csatorna működését
Pl.: A vázizom Ca2+ csatorna 5 alegységből áll. A kiegészítő alegységek módosítják a Ca2+ áram nagyságát és kinetikáját, és érzékennyé teszik a csatornát csatornamodulátorokra
A kiegészítő b alegység működését gátló mutációk a Ca2+ áram csökkenését eredményezik
!
Ioncsatornák szabályozása foszforiláció révén A foszforiláció egy, a sejt által széleskörűen alkalmazott szabályozó mechanizmus, melynek során egy foszfátcsoport (PO4) kapcsolódik bizonyos fehérjék megfelelő aminosavaihoz reverzibilis módon. A foszforilációt végző enzimeket kinázoknak, a defoszforilációt végzőket pedig foszfatázoknak nevezzük. defoszforilált (nem működő)
!
foszforilált (működő)
szívizom sejt lassú Ca2+ csatornája
Ioncsatornák szabályozása G-fehérjék által (példa: a muszkarin-típusú acetilkolin-receptor) Ach felszabadulás idegrostokból Ach kötődése a G-fehérjéhez kapcsolt receptorhoz szívizomsejtekben G-fehérje aktivációja, GDP-GTP kicserélődés, disszociáció a b-komplex kötődése a K+ csatornához csatornanyitás, K+ kiáramlás, hiperpolarizáció, pulzus lassulása GTP hidrolízise, -b asszociáció, inaktív G-fehérje, csatorna záródása
!
IV. Akciós potenciál és szinaptikus átvitel
Az akciós potenciálok terjedése: a kémiai szinapszis
Adott ionkoncentráció gradiensek esetén a membránpotenciált a membrán egyes ionokra vonatkozó permeabilitási állandója határozza meg (GHK-egyenlet) RT p K [K]i p Na [Na]i p Cl [Cl] o dψ E m ln Fz p K [K] o p Na [Na] o p Cl [Cl] i
!
hiperpolarizáció depolarizáció
membránpotenciál (mV)
PNa 200 x
nyugalmi potenciál
PK 5x
PK 200 x
PCl 200 x
nyugalmi potenciál
Na+ csatorna nyitás
Em depolarizáció
PNa
még több Na+ csatorna nyitás
konduktancia
további depolarizáció Na+ cs. inaktiváció K+ cs. késleltetett aktiváció K+ cs.záródás
idő (ms)
!
membránpotenciál (mV)
more Na+ channel opening
A nikotin-típusú acetilkolin-receptor: a szinaptikus átvitel fontos szereplője a neuro-muszkuláris junkcióban (NMJ) méret és töltés alapján szelektál (ligand-kapuzott kation-csatorna, kis szelektivitású) Két acetilkolin molekula kötődése nyitja a csatornát, lehetővé téve a kationok áramlását.
filter
Agonisták: ACh és nikotin (kötődnek a csatornához és aktiválják) Antagonista: kuráre (indián nyílméreg) (kötődik a csatornához, de nem aktiválja, leszorítva a természetes ligandot légzőizmok nem képesek összehúzódni) A nAChR-ral kapcsolatos betegség:
!
myasthenia gravis (vázizom gyengeség) autoantitestek a nAChR ellen (nAChR hiánya)
A szinaptikus átvitel eseményei:
!
akciós potenciál a preszinaptikus sejtben depolarizáció feszültség-kapuzott Ca2+ csatornák nyitása Ca2+ beáramlás ACh tartalmú vezikulák exocitózisa a neurotranszmitter (ACh) diffúziója a szinaptikus résen keresztül az ACh kötődése a receptorokhoz a kation-csatorna nyitása a posztszinaptikus sejt depolarizációja akciós potenciál
Serkentő és gátló szinapszisok Extracelluláris tér
Glutamát receptor
GABAA receptor
Intracelluláris tér
_ Cl
Na+ AP küszöb
-55 mV -65 mV
Intracelluláris tér
AP küszöb
-55 mV -65 mV -70 mV
küszöb alatti Excitatórikus Posztszinaptikus Potenciál (EPSP)
nagyobb az AP tüzelés valószínűsége
Extracelluláris tér
Inhibitórikus Posztszinaptikus Potenciál (IPSP)
kisebb az AP tüzelés valószínűsége
Neurotranszmitter receptorok, melyek ligand-kapuzott ioncsatornák
!
típus
ligand
ioncsatorna
serkentő receptor
acetilkolin
Na+ / K+
glutamát (NMDA típusú)
Na+ / K+ és Ca2+
glutamát ( nem NMDA típusú)
Na+ / K+
szerotonin
Na+ / K+
GABA
Cl-
glicin
Cl-
gátló receptor
Ionotróp és metabotróp receptorok serkentő szinapszis
mV
Példa: nAChR vs. mAChR ugyanaz a szignál molekula különböző receptor különböző mechanizmus különböző hatás
Ionotróp receptor: ligand-kapuzott ioncsatorna – a jelző molekula magához a csatornához kötődik gyors válasz – rövid hatás példa: nikotinos Ach receptor
!
gátló szinapszis mV
Metabotróp receptor: nem ioncsatorna – a jelző molekula a receptorhoz kötődik, majd a jel egy jelátviteli útvonalon keresztül (gyakran G-fehérjéken keresztül) jut el a csatornához lassú válasz – hosszan tartó hatás példa: muszkarinos Ach receptor
Elektromos és kémiai szinapszis Elektromos szinapszis
Kémiai szinapszis
közvetlen ionáramlás réskapcsolatokon (gap junction) keresztül
átvitel neurotranszmitterek révén
előny: nagyon gyors
előny: - erősítés ( 1 motoros neuron több izomsejt összehúzódása) - számítás, feldolgozás (komplex hálózat nagyon nagy számú serkentő és gátló kapcsolattal; beérkező jelek összegzése, értelmezése, tárolása cselekvés, gondolkodás, érzékelés, emlékezés)
!
V. Ioncsatornák és betegségek
Az akciós potenciálok alakját ionáramok határozzák meg
K+ csatornák késleltetett nyitása shaker mutáns Drosophila motoros neuronokban
Ionáramok hozzájárulása a szív akciós potenciálhoz
pitvari depolarizáció
kamrai depolarizáció
kamrai repolarizáció
Fokozott Na+ beáramlás vagy csökkent K+ kiáramlás megnyújtja az akciós potenciált és a QT időtartamot (hosszú QT szindróma)
INa
+40 mV
IKs
IKr
INa -80 mV
200 ms R
P
Q
S
T
Q
T
Hosszú QT szindróma
1. QT időtartam > 450 ms 2. torsades de pointes (gyors kontrakciók, csökkent kamrai feltöltődés, alacsonyabb pumpálási teljesítmény, kevesebb vér jut az agyba)
normális
3. fibrilláció ……hirtelen halál
hosszú QT
1 2 Torsades de pointes
Kamrai fibrilláció
3
Ioncsatornák és betegség Ioncsatornákat megtámadó autoimmun betegségek – Myasthenia gravis (AchR), Lambert-Eaton szindróma (vázizom Ca2+ csatorna) Myotonia (extrém izomtenzió) – vázizom Na+ csatornák nem inaktiválódnak megfelelően, ami fokozza az izom ingerületi állapotát Hosszú QT szindróma – szív Na+ és K+ csatornák Malignus hypertermia – altatás vázizom [Ca2+]i emelkedése erős kontrakció a testhőmérséklet potenciálisan halálos mértékű emelkedése Cisztikus fibrózis – Cl- csatorna mutációja csökkent epiteliális Clkonduktancia váladék felhalmozódás a tüdőben krónikus fertőzés halál
Startle disease (hyperekplexia) – glicin receptor mutációja a központi idegrendszerben; váratlan stimulusra megmerevedő testtartás, görcsbe ránduló végtagok
VI. Ioncsatornák mint gyógyszerek célpontjai
Ioncsatornák mint gyógyszerek célpontjai A helyi érzéstelenítők (pl. lidokain) gátolják a Na+ csatornákat: • nagy koncentrációjú helyi alkalmazás gátolja az idegi ingerületvezetést – érzéstelenítő hatás • alacsony koncentrációjú szisztémás alkalmazás – antiarritmiás hatás Ca2+ csatorna gátlók (verapamil, diltiazem, nifedipin): • antiarritmiás hatás (verapamil, diltiazem) • értágító hatás szív munkájának csökkentése (magas vérnyomás)
!
Ioncsatornák mint gyógyszerek célpontjai Nyugtatók, altatók: • a központi idegrendszer gátló szinapszisait aktivizálják; a GABA receptorok gyakrabban nyitnak ki (benzodiazepinek) vagy tovább tartanak nyitva (barbiturátok) – repolarizáció, nyugtató hatás
!
Ioncsatornák mint gyógyszerek célpontjai Limfocita K+ csatornagátló-szerek, mint potenciális immunszuppresszorok: (az intézet elektrofiziológiai munkacsoportjának munkája) •
bizonyos T limfociták (effektor memória sejtek), melyek részt vesznek egyes autoimmun betegségek (pl. sclerosis multiplex, I-es típusú diabetes) kialakulásában, nagy számban fejezik ki a Kv1.3 K+ csatornát. E csatornákat gátló szereket alkalmazva az autoreaktív T sejtek aktivitása, proliferációja csökkenthető, így a betegség előrehaladása gátolható.
