Гейтинг и проницаемость ионных каналов

Как ионные каналы открываются и закрываются в ответ на стимулы (гейтинг) и как, будучи открытыми, они быстро проводят специфические ионы через узкую пору (проницаемость).

Definition

Гейтинг — это конформационное переключение канала между открытым и закрытым состояниями; проницаемость — это движение ионов через открытый канал, регулируемое его фильтром селективности и электрохимической движущей силой.

Scope

Эта тема охватывает два определяющих свойства ионного канала: гейтинг — стохастическое переключение между проводящим и непроводящим состояниями, обусловленное напряжением, лигандами или механической силой; и проницаемость — селективное, высокопроизводительное прохождение ионов через открытую пору. В ней рассматриваются наблюдения на уровне одиночных каналов, структурная основа селективности и физические модели проводимости, в то время как динамика мембранного потенциала и работа насосов рассматриваются в смежных темах.

Core questions

• Какие стимулы открывают и закрывают каналы, и почему гейтинг кажется стохастическим на уровне одиночного канала?
• Как канал сильно избирателен к одному виду ионов, быстро проводя его?
• Какова структурная основа фильтра селективности?
• Как токи одиночных каналов раскрывают поведение канала?

Key theories

Селективность за счет точной координации

Структура калиевого канала показывает фильтр, карбонильные кислороды остова которого имитируют гидратную оболочку предпочтительного иона, так что этот ион проводится, в то время как более мелкие ионы, которые фильтр не может координировать так же хорошо, исключаются.

Стохастический гейтинг одиночных каналов

Патч-клемп запись показывает, что отдельные каналы резко переключаются между дискретными открытыми и закрытыми уровнями, поэтому макроскопические токи являются статистической суммой многих стохастических переходов одиночных каналов.

Mechanisms

Гейтинг связывает стимул — мембранное напряжение, действующее на заряженные сенсоры напряжения, связывание лиганда или натяжение мембраны — с конформационным изменением, которое открывает или закрывает проводящий путь, и поскольку тепловая энергия управляет этими переходами, они проявляются как случайные открытия и закрытия фиксированной амплитуды. Проницаемость через открытую пору быстра, потому что фильтр селективности заменяет гидратную оболочку иона точно расположенными координирующими атомами, снижая энергетический барьер для предпочтительного иона, исключая при этом другие; чистый поток определяется электрохимической движущей силой через мембрану.

Clinical relevance

Мутации, изменяющие гейтинг или проницаемость, вызывают каналопатии, и многие лекарства и токсины действуют путем связывания с каналами, поэтому представленные здесь механизмы являются образовательной основой для фармакологии и патофизиологии, а не клиническим советом.

History

Макроскопические проводимости, выведенные Ходжкиным и Хаксли, были разрешены в дискретные события с помощью патч-клемп записей Неера и Сакмана в 1970-х годах, а атомные структуры калиевого канала, полученные МакКинноном в 1998 году, наконец объяснили селективность и проводимость в структурных терминах.

Key figures

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

Seminal works

• doyle1998
• neher1976

Frequently asked questions

В чем разница между гейтингом и проницаемостью?

Гейтинг — это открыт или закрыт канал; проницаемость — это то, как ионы текут, когда он открыт. Канал должен сначала открыться, прежде чем может произойти какая-либо проницаемость.

Как канал отличает калий от натрия?

Его фильтр селективности координирует более крупный ион калия почти так же хорошо, как это делает вода, но не может так плотно вместить более мелкий ион натрия, поэтому калий проходит гораздо легче.