باز و بسته شدن و نفوذپذیری کانال یونی

چگونگی باز و بسته شدن کانال‌های یونی در پاسخ به محرک‌ها (باز و بسته شدن) و چگونگی هدایت سریع یون‌های خاص از طریق یک منفذ باریک (نفوذپذیری) هنگامی که باز هستند.

Definition

باز و بسته شدن (Gating) تغییر شکل کانال بین حالت‌های باز و بسته است؛ نفوذپذیری (permeation) حرکت یون‌ها از طریق کانال باز است که توسط فیلتر انتخاب‌پذیری و نیروی محرکه الکتروشیمیایی آن کنترل می‌شود.

Scope

این موضوع دو رفتار اصلی یک کانال یونی را پوشش می‌دهد: باز و بسته شدن (gating)، یعنی تغییر تصادفی بین حالت‌های رسانا و غیررسانا که توسط ولتاژ، لیگاندها یا نیروی مکانیکی هدایت می‌شود؛ و نفوذپذیری (permeation)، یعنی عبور انتخابی و با سرعت بالای یون‌ها از طریق منفذ باز. این موضوع مشاهدات تک‌کانالی، مبنای ساختاری انتخاب‌پذیری، و مدل‌های فیزیکی هدایت را بررسی می‌کند، در حالی که دینامیک پتانسیل غشاء و پمپ کردن در موضوعات مجاور مورد بحث قرار می‌گیرند.

Core questions

• چه محرک‌هایی کانال‌ها را باز و بسته می‌کنند، و چرا باز و بسته شدن در سطح تک‌کانالی تصادفی به نظر می‌رسد؟
• چگونه یک کانال به شدت یک گونه یونی را انتخاب می‌کند در حالی که آن را به سرعت هدایت می‌کند؟
• مبنای ساختاری فیلتر انتخاب‌پذیری چیست؟
• جریان‌های تک‌کانالی چگونه رفتار کانال را آشکار می‌کنند؟

Key theories

انتخاب‌پذیری از طریق هماهنگی دقیق

ساختار کانال پتاسیم فیلتری را نشان می‌دهد که اکسیژن‌های کربونیل ستون فقرات آن، پوسته هیدراتاسیون یون مطلوب را تقلید می‌کنند، به طوری که آن یون هدایت می‌شود در حالی که یون‌های کوچک‌تر، که فیلتر نمی‌تواند به خوبی آنها را هماهنگ کند، حذف می‌شوند.

باز و بسته شدن تصادفی تک‌کانالی

ثبت پچ-کلمپ نشان می‌دهد که کانال‌های منفرد به طور ناگهانی بین سطوح گسسته باز و بسته جابجا می‌شوند، بنابراین جریان‌های ماکروسکوپی مجموع آماری بسیاری از گذارهای تصادفی تک‌کانالی هستند.

Mechanisms

باز و بسته شدن (Gating) یک محرک — ولتاژ غشاء که بر حسگرهای ولتاژ باردار عمل می‌کند، اتصال لیگاند، یا کشش غشاء — را به یک تغییر شکل که مسیر هدایت را باز یا بسته می‌کند، مرتبط می‌سازد، و از آنجا که انرژی حرارتی این گذارها را هدایت می‌کند، آنها به صورت باز و بسته شدن‌های تصادفی با دامنه ثابت ظاهر می‌شوند. نفوذپذیری از طریق منفذ باز سریع است زیرا یک فیلتر انتخاب‌پذیری، پوسته هیدراتاسیون یون را با اتم‌های هماهنگ‌کننده دقیقاً قرار گرفته جایگزین می‌کند، که مانع انرژی را برای یون مطلوب کاهش می‌دهد در حالی که سایر یون‌ها را حذف می‌کند؛ شار خالص توسط نیروی محرکه الکتروشیمیایی در سراسر غشاء تعیین می‌شود.

Clinical relevance

جهش‌هایی که باز و بسته شدن یا نفوذپذیری را تغییر می‌دهند، کانالوپاتی‌ها را ایجاد می‌کنند، و بسیاری از داروها و سموم با اتصال به کانال‌ها عمل می‌کنند، بنابراین مکانیسم‌های اینجا پیش‌زمینه آموزشی برای آن فارماکولوژی و پاتوفیزیولوژی هستند تا توصیه بالینی.

History

هدایت‌های ماکروسکوپی که توسط هاجکین و هاکسلی استنباط شده بودند، در دهه ۱۹۷۰ توسط ثبت‌های پچ-کلمپ نِهر و ساکمان به رویدادهای گسسته تفکیک شدند، و ساختارهای اتمی کانال پتاسیم توسط مک‌کینون در سال ۱۹۹۸ سرانجام انتخاب‌پذیری و هدایت را از نظر ساختاری توضیح داد.

Key figures

• Bertil Hille
• Erwin Neher
• Bert Sakmann
• Roderick MacKinnon

Seminal works

• doyle1998
• neher1976

Frequently asked questions

تفاوت بین باز و بسته شدن (gating) و نفوذپذیری (permeation) چیست؟

باز و بسته شدن (Gating) به این معنی است که آیا کانال باز است یا بسته؛ نفوذپذیری (permeation) به این معنی است که یون‌ها چگونه جریان می‌یابند هنگامی که کانال باز است. یک کانال ابتدا باید باز شود تا هرگونه نفوذپذیری رخ دهد.

چگونه یک کانال می‌تواند پتاسیم را از سدیم تشخیص دهد؟

فیلتر انتخاب‌پذیری آن، یون پتاسیم بزرگ‌تر را تقریباً به همان خوبی که آب هماهنگ می‌کند، هماهنگ می‌کند، اما نمی‌تواند یون سدیم کوچک‌تر را به همان اندازه محکم جای دهد، بنابراین پتاسیم بسیار راحت‌تر عبور می‌کند.