IONCSATORNÁK. I. Szelektivitás és kapuzás. III. Szabályozás enzimek és alegységek által. IV. Akciós potenciál és szinaptikus átvitel

Átírás

1 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

2 I. Szelektivitás és kapuzás

3 ! Az ioncsatornák transzmembrán transzportfehérjék zárt nyitott ATP függő pumpa ioncsatorna transzporter

4 Az ioncsatorna működése egyszerűen hajtóerő (elektrokémiai potenciálgradiens) + nyitott kapu ionáram! hidrofil pórus a membránon keresztül

5 ! 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).

6 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 Ca 2+ aktiválta K + csatorna). Membrán feszülés által kapuzott ( stretch gated ) csatorna = a membrán feszülése jelenti az ingert (pl. limfociták térfogatszabályozásában Cl csatornák nyitása).

7 Az ioncsatornák osztályozása szelektivitás alapján: Nagy szelektivitású csatornák (négy alegység) K +, Na +, Ca 2+, Cl - Kis szelektivitású csatornák (öt alegység): Acetilkolin receptor, csak kationokra specifikus! Nem szelektív csatornák (hat alegység) Gap junction csatorna

8 II. Struktúra és funkció

9 A feszültség-kapuzott csatornák egy közös ősi génből fejlődtek ki. Na + és Ca 2+ csatornák: egy folytonos polipeptid-lánc K + csatornák: 4 különálló alegység Két különböző alegységből felépülő K + csatorna tulajdonságai különböznek a két homotetramer csatorna tulajdonságaitól.

10 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

11 Ioncsatorák vizsgálata expressziós rendszerekben Cél: a csatornákat nagy számban, egyéb háttércsatornák nélkül kifejezni, hogy tisztább méréseket lehessen végezni Xenopus laevis removal of oocytes

12 III. Szabályozás enzimek és alegységek által

13 A pórusformáló -alegység(ek)hez kiegészítő alegységek csatlakozhatnak, melyek finom-hangolják a csatorna működését Pl.: A vázizom Ca 2+ csatorna 5 alegységből áll. A kiegészítő alegységek módosítják a Ca 2+ áram nagyságát és kinetikáját, és érzékennyé teszik a csatornát csatornamodulátorokra! A kiegészítő b alegység működését gátló mutációk a Ca 2+ áram csökkenését eredményezik

14 Ioncsatornák szabályozása foszforiláció révén A foszforiláció egy, a sejt által széleskörűen alkalmazott szabályozó mechanizmus, melynek során egy foszfátcsoport (PO 4 ) 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 Ca 2+ csatornája

15 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

16 IV. Akciós potenciál és szinaptikus átvitel

17 Az akciós potenciálok terjedése: a kémiai szinapszis

18 membránpotenciál (mv) hiperpolarizáció depolarizáció Adott ionkoncentráció gradiensek esetén a membránpotenciált a membrán egyes ionokra vonatkozó permeabilitási állandója határozza meg (GHK-egyenlet) dψ E m RT Fz ln p p K K [K] [K] i o p p Na Na [Na] i [Na] p o Cl p Cl [Cl] [Cl] o i P Na 200 x nyugalmi potenciál P K 5 x nyugalmi potenciál! P K 200 x P Cl 200 x

19 konduktancia membránpotenciál (mv) E m depolarizáció Na + csatorna nyitás még több Na + csatorna nyitás more Na + channel opening P Na további depolarizáció Na + cs. inaktiváció K + cs. késleltetett aktiváció K + cs.záródás! idő (ms)

20 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)

21 A szinaptikus átvitel eseményei:! akciós potenciál a preszinaptikus sejtben depolarizáció feszültség-kapuzott Ca 2+ csatornák nyitása Ca 2+ 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

22 Serkentő és gátló szinapszisok Glutamát receptor Extracelluláris tér GABA A receptor Extracelluláris tér Na + Intracelluláris tér Cl _ Intracelluláris tér -55 mv -65 mv AP küszöb küszöb alatti Excitatórikus Posztszinaptikus Potenciál (EPSP) nagyobb az AP tüzelés valószínűsége -55 mv AP küszöb -65 mv -70 mv 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 Ca 2+ glutamát ( nem NMDA típusú) Na + / K + szerotonin Na + / K + gátló receptor GABA Cl - glicin Cl -

23 Ionotróp és metabotróp receptorok serkentő szinapszis mv Példa: nachr vs. machr ugyanaz a szignál molekula különböző receptor különböző mechanizmus különböző hatás gátló szinapszis mv! Ionotróp receptor: ligand-kapuzott ioncsatorna a jelző molekula magához a csatornához kötődik gyors válasz rövid hatás példa: nikotinos Ach receptor 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

24 ! Elektromos és kémiai szinapszis Elektromos szinapszis közvetlen ionáramlás réskapcsolatokon (gap junction) keresztül előny: nagyon gyors Kémiai szinapszis átvitel neurotranszmitterek révén 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)

25 V. Ioncsatornák és betegségek

26 Az akciós potenciálok alakját ionáramok határozzák meg K + csatornák késleltetett nyitása shaker mutáns Drosophila motoros neuronokban Ionáramok hozzájárulása a szív akciós potenciálhoz

27 pitvari depolarizáció kamrai depolarizáció kamrai repolarizáció

28 Fokozott Na + beáramlás vagy csökkent K + kiáramlás megnyújtja az akciós potenciált és a QT időtartamot (hosszú QT szindróma) I Na +40 mv I Ks I Kr I Na -80 mv 200 ms P R Q S T Q T

29 Hosszú QT szindróma 2 normális hosszú QT 1 1. QT időtartam > 450 ms 2. torsades de pointes (gyors kontrakciók, csökkent kamrai feltöltődés, alacsonyabb pumpálási teljesítmény, kevesebb vér jut az agyba) 3. fibrilláció hirtelen halál Torsades de pointes Kamrai fibrilláció 3

30 Ioncsatornák és betegség Ioncsatornákat megtámadó autoimmun betegségek Myasthenia gravis (AchR), Lambert-Eaton szindróma (vázizom Ca 2+ 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 [Ca 2+ ] i emelkedése erős kontrakció a testhőmérséklet potenciálisan halálos mértékű emelkedése Cisztikus fibrózis Cl - csatorna mutációja csökkent epiteliális Cl - konduktancia váladék felhalmozódás a tüdőben krónikus fertőzés halál Startle disease (hyperekplexia) glicin receptor mutációja a központi idegrendszerben; váratlan stimulusra megmerevedő testtartás, görcsbe ránduló végtagok

31 VI. Ioncsatornák mint gyógyszerek célpontjai

32 ! 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 Ca 2+ csatorna gátlók (verapamil, diltiazem, nifedipin): antiarritmiás hatás (verapamil, diltiazem) értágító hatás szív munkájának csökkentése (magas vérnyomás)

33 ! 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

34 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.