Debreceni Egyetem Orvos- és Egészségtudományi Centrum Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet

Átírás

1 Debreceni Egyetem Orvos- és Egészségtudományi Centrum Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet Az ioncsatorna fehérjék szerkezete, működése és szabályozása Panyi György Mesterséges membránok ionok számára átjárhatatlanok 1

2 Iontranszport a membránon keresztül extracelluláris citoszolikus zárt nyitott ATP ADP+P i ATP-függő pumpa ioncsatorna transzporter ion/s ion/s ion/s Az ioncsatorna egyszerűsített működési modellje: hajtóerő + nyitott kapu ionáram 2

3 Az elektrokémiai gradiens és a vezetőképesség határozza meg az ionáram nagyságát és irányát egyensúly esetén nincs nettó áram [ ] o =5 mm ha nincs egyensúly nettó áram [ ] o =5 mm E m E m E K [ ] i =140 mm RT [K ] ln zf [K ] T= 37 o C, z=1 i o E m I = G(E m E K )= 0 89 mv [ ] i =140 mm RT [K ] i EK ln 89 mv zf [K ] E m = 60 mv I = G(E m E K ) 0 o Az egyedi ioncsatorna áramok néhány pa (10-12 A) nagyságrendűek Két csatorna szimultán nyitása Membránpotenciál nyitott zárt 3

4 Az ioncsatornák osztályozása Kapuzás szerint megfelelő inger hatására bekövetkező konformáció változás a fehérjében, mely a csatornák különböző állapotaihoz vezet (pl. zárt, nyitott, inaktivált állapotok). Szelektivitás alapján 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 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 Ca 2+ aktiválta csatorna). membrán feszülés által kapuzott ( stretch gated ) a membrán feszülése (pl. limfociták térfogatszabályzásában Cl csatornák nyitása). 4

5 + + + A feszültség kapuzott ioncsatornák főbb szerkezeti elemei extracelluláris citoszolikus feszültség érzékelő pórust alkotó S5-S6 hurok α α α α NH 2 pórust kialakító domén feszültség érzékelő domén pórust alkotó S5-S6 hurok szelektivitási szűrő extracelluláris citoszolikus S S6 S6 S4 S4-S5 kapcsoló kapu Kapuzás II. Az ioncsatornák lehetséges kapuzási állapotai: -funkcionális állapotok (vezető, nem-vezető) -szerkezeti állapotok (pl. zárt, nyitott, inaktivált) E m Ny (O) /vezető Z (C) /nem-vezető I /nem-vezető O 0.5 pa 100 ms C I +50 mv -120 mv 5

6 Kapuzás III. Az aktivációért és inaktivációért felelős domain azonosítása inaktiváció I M WT vad típusú csatorna Deletion mutant Δ6-46 I M mutáns csatorna I M Deletion mutant Δ6-46 +ball peptide Time (ms) µm Kapuzás IV. A feszültség szenzor azonosítása feszültség szenzor egy pozitív töltéssel kevesebbet tartalmazó feszültség szenzor Nyitási valószínűség open probability WT R368Q test potential (mv) Membrán potenciál (mv) 6

7 Az ioncsatornák osztályozása szelektivitás alapján Nagy szelektivitású csatornák, négy alegység:, Na +,Ca 2+, 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

8 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 ion pórus hurok pórus üreg szelektivitási filter (GYGD) a pórusban tartózkodó ionok 8

9 Specifikus kölcsönhatások a pórus és az ionok között II. A vízburok helyettesítése a szelektivitási szűrőben szelektivitási szűrő kálium ion pórus hurok : 1.33 Å H hyd = 322 kj/mol Na : 0.95 Å + H hyd = 406 kj/mol ion a szelektivitási szűrőben Na+ pórus üreg ion vizes közegben Na + Hogyan tanulmányozhatók az ioncsatornák? Az ionáramok mérésével a patch-clamp technika alkalmazásával R f I p - + V ki E m I m V tart áram (pa) mv +30 mv -10 mv aktiváció -50 mv -80 mv inaktiváció -40 mv idő (ms) 9

10 voltage clamp (feszültség zár): a membránpotenciál (pipetta potenciál) konstans értéken tartása függetlenül a membrán áramok nagyságától és irányától R f I p - + V ki E m I m V tart Sakmann, Nobel lecture, 1992, Neuron 8: cell attached patch vákuum whole cell áram (na) húzás Idõ (ms) O C 1 pa 100 ms outside out patch 10

11 Patch pipetta a sejten ill. EM kép hőpolírozást követően Sakmann, Nobel lecture, 1992, Neuron 8:

12 Az ioncsatornák főbb funkciói Membránpotenciál kialakítása és szabályozása nyugalmi potenciál E m RT p K[K] i p Na[Na] i p Cl[Cl] o ln Fz p [K] p [Na] p [Cl] K o Na o Cl i extracell. citoszolikus Na + Cl Az ioncsatornák főbb funkciói Membránpotenciál kialakítása és szabályozása nyugalmi potenciál akciós potenciál Membránpotenciál (mv) +50 felszálló szár: depolarizáció 0 70 küszöb leszálló szár: repolarizáció Küszöb alatti ingerek utó hiperpolarizáció Vezetőképesség [mmho/(cm 2 )] Na + permeábilitás permeábilitás Idő (ms) 12

13 Az ioncsatornák főbb funkciói Membránpotenciál kialakítása és szabályozása nyugalmi potenciál akciós potenciál E m RT p K[K] i p Na[Na] i p Cl[Cl] o ln Fz p [K] p [Na] p [Cl] extracell. K o Na o Cl i citoszolikus Intracelluáris ionkoncentráció változások kialakítása [Ca 2+ A. Idegsejt ] i emelkedés akciós potenciál 1 Na + Cl Izomsejt Szarkoplazmatikus retikulum Az ioncsatornák gyógyszerek támadáspontjai 1, pórus blokkolók e.c. gátlás i.c. gátlás 13

14 Az ioncsatornák gyógyszerek támadáspontjai 2, kapuzást módosító molekulák e.c. gátlás i.c. 14