Sự đóng mở và tính thấm của kênh ion

Cách các kênh ion đóng mở để đáp ứng với các kích thích (đóng mở) và cách, khi mở, chúng dẫn truyền các ion cụ thể một cách nhanh chóng qua một lỗ hẹp (tính thấm).

Definition

Đóng mở là sự chuyển đổi cấu hình của một kênh giữa trạng thái mở và đóng; tính thấm là sự di chuyển của các ion qua kênh mở, được điều chỉnh bởi bộ lọc chọn lọc và lực điện hóa.

Scope

Chủ đề này bao gồm hai hành vi xác định của kênh ion: đóng mở, sự chuyển đổi ngẫu nhiên giữa trạng thái dẫn truyền và không dẫn truyền được điều khiển bởi điện áp, phối tử hoặc lực cơ học; và tính thấm, sự đi qua chọn lọc, thông lượng cao của các ion qua lỗ mở. Nó đề cập đến các quan sát kênh đơn, cơ sở cấu trúc của tính chọn lọc và các mô hình vật lý của sự dẫn truyền, trong khi động lực học điện thế màng và bơm được xử lý trong các chủ đề liền kề.

Core questions

• Những kích thích nào làm mở và đóng các kênh, và tại sao sự đóng mở lại xuất hiện ngẫu nhiên ở cấp độ kênh đơn?
• Làm thế nào một kênh có thể chọn lọc mạnh mẽ một loại ion trong khi vẫn dẫn truyền nó một cách nhanh chóng?
• Cơ sở cấu trúc của bộ lọc chọn lọc là gì?
• Dòng điện kênh đơn tiết lộ hành vi của kênh như thế nào?

Key theories

Tính chọn lọc bằng cách phối hợp chính xác

Cấu trúc kênh kali cho thấy một bộ lọc có các oxy cacbonyl của khung xương bắt chước lớp vỏ hydrat hóa của ion được ưu tiên, do đó ion đó được dẫn truyền trong khi các ion nhỏ hơn, mà bộ lọc không thể phối hợp tốt, bị loại trừ.

Đóng mở kênh đơn ngẫu nhiên

Ghi chép kẹp vá cho thấy các kênh riêng lẻ nhảy đột ngột giữa các mức mở và đóng rời rạc, do đó dòng điện vĩ mô là tổng thống kê của nhiều chuyển đổi kênh đơn ngẫu nhiên.

Mechanisms

Sự đóng mở kết nối một kích thích—điện áp màng tác động lên các cảm biến điện áp tích điện, liên kết phối tử hoặc sức căng màng—với một sự thay đổi cấu hình làm mở hoặc đóng đường dẫn truyền, và vì năng lượng nhiệt thúc đẩy các chuyển đổi này nên chúng xuất hiện dưới dạng các lần mở và đóng ngẫu nhiên với biên độ cố định. Sự thấm qua lỗ mở diễn ra nhanh chóng vì một bộ lọc chọn lọc thay thế lớp vỏ hydrat hóa của ion bằng các nguyên tử phối hợp được đặt chính xác, làm giảm rào cản năng lượng cho ion được ưu tiên trong khi loại trừ các ion khác; thông lượng ròng được thiết lập bởi lực điện hóa xuyên màng.

Clinical relevance

Các đột biến làm thay đổi sự đóng mở hoặc tính thấm gây ra các bệnh kênh (channelopathies), và nhiều loại thuốc và độc tố hoạt động bằng cách liên kết với các kênh, vì vậy các cơ chế ở đây là kiến thức nền tảng cho dược lý học và sinh lý bệnh học đó chứ không phải là lời khuyên lâm sàng.

History

Các dẫn truyền vĩ mô được Hodgkin và Huxley suy ra đã được giải quyết thành các sự kiện rời rạc bằng các ghi chép kẹp vá (patch-clamp) của Neher và Sakmann vào những năm 1970, và các cấu trúc nguyên tử của kênh kali của MacKinnon vào năm 1998 cuối cùng đã giải thích tính chọn lọc và dẫn truyền theo các thuật ngữ cấu trúc.

Key figures

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

Seminal works

• doyle1998
• neher1976

Frequently asked questions

Sự đóng mở và tính thấm khác nhau như thế nào?

Đóng mở là việc kênh mở hay đóng; tính thấm là cách các ion chảy khi nó mở. Một kênh phải mở trước khi bất kỳ sự thấm nào có thể xảy ra.

Làm thế nào một kênh có thể phân biệt kali với natri?

Bộ lọc chọn lọc của nó phối hợp ion kali lớn hơn gần như tốt như nước, nhưng không thể chứa ion natri nhỏ hơn một cách vừa vặn, do đó kali đi qua dễ dàng hơn nhiều.