ЈОНСКИ КАНАЛИ

Јонските канали се протеини кои формираат пори коишто помогаат да се

воспостави и контролира мембранскиот потенцијал на плазмената мембрана, со тоа што

дозволуваат проток на јони. Тие се присутни во мембраните што ги опкружуваат сите

биолошки клетки како и мембраните на органелите. Студијата на јонските канали

вклучува голем број научни техники, меѓутоа и покрај софистицираните методи и апарати

сеуште сознанијата за овие канали се теореми.

Јонските канали го регулира протокот на јони низ мембраната во сите клетки.

Јонските канали се составени од мембрански протеини, или пак, повеќе вообичаено, на

група од неколку протеини. Како "мулти-подгрупата" каналите обично вклучуваат кружен

просторен распоред со исти или хомологни протеини тесно спакувани околу пора

исполнета со вода, долж рамнината на мембрана или липидниот двослој. Некои канали

овозможуваат премин на јони само врз основа на нивниот полнеж (позитивен (катјони)

или негативен (анјон)). Сепак, пората на каналот е само еден или два атоми широка во

својата најтесна точка и е селективна за специфични видови на јон, како што се натриум

или калиум. Овие јони се движат низ пората речиси толку брзо како што јоните се движат

низ слободна течност. Кај некои јонски канали, преминот преку порите е регулирани од

1

Шематски диаграм на

јонски канал: 1- домени на

каналот, 2- надворешно предворје,

3-селективен филтер, 4-диаметар

на селективниот филтер, 5-

фосфорилација, 6- клеточна

мембрана.

страна на "портата", која може да се отвори или затвори со хемиски или електрични

сигнали, температура, или механичката сила, во зависност од видот на каналот.

Бидејќи канали придонесуваат за нервните импулси и затоа што трансмитер-

активирачките канали посредува за спроводливост низ синапсите, канали особено може

да се разгледуваат како компоненти на нервниот систем. Всушност, поголемиот дел на

токсини, кои некои организми ги создале за исклучување на нервниот систем на

предаторите и жртвите (на пример, отровите произведени од пајаци, скорпии, змии,

риби, пчели, морски полжави и други) работат со модулирање на спроводливоста на

јонските канали и / или кинетика. Покрај тоа, јонските канали се клучни компоненти во

широк спектар на биолошки процеси кои вклучуваат брзи промени во клетките, како што

се срцеви, скелетни, и мазни мускулни контракции, епителниот транспорт на хранливи

материи и јони, Т-клеточна активација и панкреасните бета клетки кои ослободуваат

инсулин . Во потрага по нови лекови, јонските канали се честа цел.

Јонските канали може да се класифицирани според она што го отвора и го затвора

каналот. Напон-портните јонските канали се отворени или затворени во зависност од

2

напонскиот градиент низ плазмената мембрана, додека лиганд-портните јонските канали

се отвораат или затвараат во зависност од врзувањето на лигандот на каналот.

Исто така познати како јонотропски рецептори, оваа група на канали се отвараат

како одговор на конкретен лиганд-молекули кои се врзуваат за екстрацелуларниот

доменот на рецептор протеини. а органелите, кои различно реагираат во зависност од

нивната структура и функција. Такви Са2+-канали се инозитол трифосфатните канали, кои

претставуваат лиганд-портни канали.

Тип........ ...............IP3 рецептор

Се отвара од........ .IP3

Гени........................ITPR1, ITPR2, ITPR3

Локација................ЕР/СР

Функција......... ......Ослободува калциум од ЕР/СР како одговор на IP3

ЛИГАНД-ПОРТЕН КАНАЛ: ИНОЗИТОЛ ТРИФОСФАТЕН КАНАЛ

ИНОЗИТОЛ ТРИФОСФАТ-КАНАЛИ

3

Инозитол трифосфатен рецептор (InsP3R) е мембрански гликопротеински

комплекс дејствува како Ca2+-канал активиран од страна на инозитол 1,4,5-трифосфат

(InsP3). InsP3R е многу разновиден меѓу организмите, и е неопходен за контрола на

клеткините физиолошки процеси, вклучувајќи клеточната делба, клеточната

пролиферација, апоптоза, оплодување, развој, однесување, учењето и меморијата.

Инозитол трифосфатниот рецептор претставува доминантен втор гласник што доведува

до ослободување на Ca2+ од интрацелуларните простори-лумени. Постојат силни докази

кои укажува на тоа дека InsP3R игра важна улога во претварањето на надворешните

стимули во интрацелуларни Ca2+ сигнали карактеризирани со комплексни модели во

однос на просторот и времето. На пример, Ca2+ бранови и осцилации. Гликопротеинскиот

рецептор за инозитол трифосфат (InsP3) првпат беше изолиран од малиот мозок на

стаорец . Врзувањето на InsP3 со чист протеин беше со висок афинитет (Кд ~ 100 Nm) во

споредба со другите инозитол фосфати и беше инхибирано од страна на хепарин, особини

што се слични на оние на InsP3 рецептор со сурова церебеларни микрозоми. На

церебеларните Пуркињиеви клетки се откри дека рецептор е лоциран во

ендоплазматичниот ретикулм, јадрената обвивка, и делови од Голџи комплексот, но не и

на митохондриите или

плазмената мембрана.

Следните истражувања

покажале дека

плазмента мембрана на

некои типови на клетки,

исто така, може да

содржи InsP3R.

Кристалната структура на инозитол трифосфатен рецептор

ИНОЗИТОЛ ТРИФОСФАТ

4

Инозитол трифосфат или инозитол 1,4,5-трифосфат (скратени InsP3 ), е секундарен

гласник-молекула која се користи во сигналната трансдукција и липидната сигнализација

во биолошки клетки. InsP3 е растворлив и дифундира низ клетката. Се синтетизира со

хидролиза на фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфат (PIP2), кој е фосфолипид и е

локализиран во плазмената мембрана, од страната на фосфолипаза С (PLC).

Докингот на ИП3 со својот рецептор, кој е инозитол трифосфатен рецептор

(InsP3R), за првпат бил студиран со користење на делеција на мутагенезата во почетокот

на 1990-тите. Студиите биле фокусирани на N-терминалната страна на IP3 рецептор.

Сметајќи дека IP3 е негативно наелектризирана молекула, позитивно наелектризираните

амино киселини како што се аргинин и лизин се верува дека се вклучени. Два Аргинин

остатоци на позиција 265 и 511 и еден Лизин остаток на позиција 508 се клучот во IP3

докингот. Со користење на модифицирана форма на ИП3, откриени се сите три фосфатни

групи кои комуницирате со рецептор, но не подеднакво. Фосфати во 4 и 5 позиции

комуницирате повеќе од фосфатот на 1-та позиција и хидроксилна група на 6 позиција на

инозитол-прстенот.

ОСЛОБОДУВАЊЕ НА Са2+ ОД

5

InsP3 анјонот со

кислородните и

водородните атоми

се вклучува во

докингот со својот

рецептор

ЕНДОПЛАЗМАТИЧЕН РЕТИКУЛУМ

InsP3 дифундира во цитоплазмата и се врзува за својот рецептор (InsP3R), кој е

интрацелуларен лиганд-затворен Ca 2 + ослободувачки канал локализиран првенствено

во мембраната на ендоплазматичниот ретикулум. ЕР е главна органела за складирање на

Ca2+ кај повеќето клетки. Во луменот оваа органела се акумулира Ca2+ во доста големи

концентрации. Бидејќи лумен содржи висока концентрација на Ca2+ кои се врзани со

протеини, вкупниот износ на Ca2+ во

луменот може да биде > 1 mМ, додека

концентрацијата на слободен Ca 2 + се

очекува да биде помеѓу 100 и 700 μM.

Спротивно на тоа, концентрацијата на

Ca2+ во цитоплазмата на не стимулирани

клетки е меѓу 50 и 100 нМ. Оваа ниска

концентрација е одржувана од страна на

Ca2+пумпи и други Ca2+ транспортери кои се наоѓа на и во. По врзуваењто InsP3 со InsP3R,

кој е канал со порта,се обезбедува пат за Ca2+ да дифузираат во насока на нивниот

елекртохемиски градиент од луменот на ЕР во цитоплазмата. Ca2+ во цитоплазмата се

движат по пат на пасивна дифузија. Како последица на тоа, брзо се формираат и

исчезнуваат микроподрачја со превисоки концентрации на Ca2+ во близина на отворот на

InsP3R Ca2+ канал. Концентрација на Ca2+ во непосредна близина на отворен канал може

да биде 100 μM или повеќе, додека концентрациите блиски до 1-2 μm од пората каналот

може да бидат под 1 μM. Затоа, Ca2+ има само ограничена "спектар на дејство", од редот

на 5 μm. Дистрибуција и концентрациите на Ca2+врзувачки протеини и ослободувачките

канали, како и комплексни особини на овие канали, овозможува InsP3R со посредство на

[Ca2+]i сигнали да имаат различни просторни и временски особини што може да се

експлоатираат од страна на клетките, со што овој систем на сигнализација го прави

неверојатно стабилен. Како резултат на тоа, и покрај неговото дејство во веројатно сите

6

клетки во телото, овој сигнален систем може да обезбеди специфични сигнали кои

регулираат различни физиолошките процеси.

Оптички слики, со висока резолуција, од флуоресцентрични Ca2+ индикаторски бои во

недопрени клетки сугерираат дека InsP3 со посредство на [Ca2+]i сигнали се организирани

во три нивоа. Секое ниво може да обезбеди различни сигнализациони функции и служи

како сврзувачки блок за [Ca2+] сигнали на следното ниво.

Шематски приказ на однесувањето на инозитол трифосфатен рецептор (InsP3R)- канал,

при зголемување на концентрациите на инозитол трифосфат (InsP3). InsP3Rs се

прикажани во подредени групи.

7

А: при ниски концентрации на InsP3 за време на слаба стимулација, неколку рецептори

(во зелено) се врзуваат со InsP3. Други (во жолта боја) не се InsP3 –лиганди и затоа не се

активирани. Како резултат на тоа, локализираните мали Ca2+ сигнали ("blips") се

генерирани од Ca2+ ослободени преку еден или неколку InsP3R канали и притоа

зголемувајќи ја цитоплазматската Ca2+ концентрација (прикажано во црвена боја).

Б: на повисоките нивоа на [InsP3], координирани отворања на неколку канали (InsP3-

лиганди) во рамките на кластерот (групата), кои се предизвикана од ослободените Ca2+

од предходните канал кои делува како активирачки лиганд за стимулира на околните

канали, преку процес на Ca2+ индуцирани Ca2+ ослободени (Ca2+-induced Ca2+ release

(CICR)).

C: дури и при повисоки [InsP3] се предизвикува глобално размножување на Ca2+ сигнали

(waves). Ca2+ ослободени од еден кластер може да предизвика Ca2+ ослободување на

соседните кластери преку CICR , што доведе до создавање на Ca2+ бранови кои

пропагираат со последователни циклуси на Ca2+ ослободување, дифузија, и CICR.

8

predicted to contain six membrane-spanning helices that contribute to the ion-conducting pore

of the InsP3R channel, and a relatively short cytoplasmic COOH terminus (Fig. 2A).

Секоја молекула на InsP3R содржи ~ 2.700 амино киселини со молекулска маса од ~ 310

kDa. Структурно, секоја молекула InsP3R содржи цитоплазматичен NH2 крај што опфаќа ~

85% од протеинската маса, хидрофобен регионот кој се предвидува да содржи шест

мембрана-опфаќа helices кои придонесуваат за јонското спроведување на пората на

каналот на InsP3R, и релативно краток цитоплазматичен COOH крај (слика 2а).

Функционално, NH2-терминалниот регионот може да се подели на проксимален InsP3

врзувачкиот домен и дистален "регулаторен" домен (Слика 2а). Каналот InsP3R е тетрамер

на четири InsP3R молекули. Околу 2.000 амино киселини ги разделуват InsP3-врзувачкиот

домен од пора. Овој меѓу-регионот помеѓу InsP3 врзувачкиот домен и пора содржи

секвенци за фосфорилација и за сврзување со нуклеотиди и разни протеини. Тоа може да

функционира за да се интегрираат, преку алостерични спојка, други сигнални патишта

или метаболички фази со отварањето и затварањето на InsP3R.

Part of the luminal loop connecting transmembrane helices 5 and 6 of each monomer dips into

the fourfold symmetrical axis, creating the permeation pathway for Ca2+ efflux from the lumen

of the endoplasmic reticulum.

InsP3R Ca2+ ослободувачки канал. Цртан приказ на три од четирите InsP3R молекули (во

различни бои) во единичен канал со тетрамерна структура. Дел од луминалната јамка

9

ги поврзува трансмембрански helices 5 и 6 на

секој мономер сосови во четирикратно симетрични оска, создавајќинавлегување патека

за Ca 2 + истекување од луменот на ендоплазматиченретикулум.

For example, the purported lack of high-Ca2+ inhibition of type 2 or type 3 InsP3R steady-state

channel gating (163, 382) has been invoked to account for either the presence or absence of

[Ca2+]i oscillations in such studies (173, 318). However, as pointed out (430), the bell-shaped or

otherwise biphasic shape of the steady-state open probability (Po) versus [Ca2+]i curve has "very

little, if anything" to do with the fact that the InsP3R exhibits complex rapid kinetic behaviors.

Third, complex Ca2+ signals in cells are determined not only by "intrinsic" permeation and gating

features of each isoform, but by many other factors as well, including the absolute channel

10

density and the spatial distribution of the channels, and the influence of these factors within

the context of complex cellular machinery, including pumps and buffers, that participate in

regulating cytoplasmic Ca2+ concentration. Thus interpretation regarding the roles of, and

differences among, different channel isoforms in such Ca2+ release/Ca2+ signaling studies is

complicated and requires considerable caution.

Е) биофизички својства. Различните изоформи на каналот и нивните варијанти може да

имаат различни биофизички својства поврзани со затворувањето и навлегување.

Својствата за навлегување на различните InsP3R канал се доста слични, најверојатно, како

одраз на запазените аминокиселински секвенци во пора регионот на различни изоформи.

Со анализа на Ca2+ ослободување и агонист-индуцирани Ca2+ сигнали во пилешки Б

клетки со една или две InsP3R изоформи генетски избришани, беше заклучено дека типот

2 изоформа е потребен за долготрајни редовни [Ca2+] осцилации, дека типот 1 посредува

помалку редовни [Ca2+] осцилации, и дека типот 3 генерира само монофазичен Ca2+

одговор. Беше констатирано дека различните рецептори имаат различни улоги во

генерирање на Ca2+ сигнали.

Затварањето на каналот на InsP3R вклучува активирање на каналот, инхибиција,

инактивирање, и конфискување, и сите овие процеси се комплицирани функции на

лигандот (Ca 2 +, InsP3, АТП) и тоа колку тој е сензитивен и која е неговата концентрација,

зависи и од интеракциите со протеините, фосфорилациската фаза итн.

Различните својства за отварањето на портата на каналот, кои пак зависат од која

изоформа е формиран, ќе придонесат за различно Ca2+ ослободување . Исто така е важно

да се напомене дека, бидејќи криви што ја опишуваат минливи кинетика на Ca 2 +

ослободување забележани во клетките и брза перфузија експериментите се потсетува на

двофазен криви што ја опишуваат цитоплазматски Ca 2 + концентрација зависностите на

стабилна држава канал активност, таму има тенденција на таков мобилен студии за да се

изедначат две и да дадат отчет за кинетички особини на Ca 2 + сигнали во однос на

набљудуваните ефекти на Ca 2 + концентрација на стабилна држава еден канал gating

активност. Second, it is also important to note that, because the curves that describe the

11

transient kinetics of Ca2+ release observed in cells and rapid perfusion experiments are

reminiscent of the biphasic curves that describe the cytoplasmic Ca2+ concentration

dependencies of steady-state channel activity, there has been a tendency in such cell studies to

equate the two and to account for kinetic features of Ca2+ signals in terms of observed effects of

Ca2+ concentration on steady-state single-channel gating activity. На пример, наводно

недостаток на високо-Ca 2 + инхибиција на тип 2 или тип 3 InsP3R стабилна држава канал

gating (163, 382) е повикана да дадат отчет за било присуството или отсуството на [Ca 2 +] i

осцилации во вакви студии (173 , 318). Меѓутоа, како што посочи (430), на

камбановидните или на друг начин бифазична обликот на стабилна држава отворената

веројатност (Po) за наспроти [Ca 2 +] i крива има "многу малку, ако ништо друго" да се

направи со фактот дека InsP3R експонати комплекс брза кинетички однесување. Трето,

комплексни Ca 2 + сигнали во клетките се утврдени не само од "вродена" проникнување и

gating карактеристики на секој изоформ, но и од многу други фактори, како, вклучувајќи го

и апсолутна канал густина и просторна распределба на канали, и влијанието на овие

фактори во контекст на комплексните мобилните машини, вклучувајќи пумпи и

амортизери, кои учествуваат во регулирањето на цитоплазматски Ca 2 + концентрација.

Така интерпретација во однос на улогите на, и разликите помеѓу, различни канал

изоформи во такви Ca 2 + release/Ca2 + сигнализација студии е комплициран и бара

значителна претпазливост.

http://www.nature.com

http://physrev.physiology.org/content/

87/2/593.full#II._MOLECULAR_PROPERTIES_OF_THE_INOSITOL_TRISPHOSPHATE_RECEPTOR

http://jp.physoc.org/content/586/15/3577.full#ref-11

http://jpkc.scu.edu.cn/ywwy/zbsw%28E%29/edetail6.htm

12

http://en.wikipedia.org/wiki/Inositol_trisphosphate_receptor

http://highered.mcgraw-hill.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=swf::535::535::/sites/dl/free/

0072437316/120069/bio07.swf::Second%20Messengers%20-%20The%20cAMP%20and%20Ca+

+%20Pathways

http://hwmaint.jbc.org/cgi/reprint/278/24/21319

http://www.phy.ohiou.edu/~braslavs/Biophysics/Articles/Ghanim/ip3receptors.pdf

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12632182

13