علوم اعصاب پروس؛ پمپ‌های ATPase و مبادله‌گرهای یونی غشای نورون‌ها

ATPase Pumps

ATPase pumps acquire energy for ion translocation directly from the hydrolysis of ATP. The most prominent example of an ATPase pump is the Na⁺ pump (or more properly, the Na⁺/K⁺ ATPase pump), which is responsible for maintaining transmembrane concentration gradients for both Na⁺ and K⁺ (Figure 4.10A). The Na⁺ pump is a large integral membrane unit is responsible for ion translocation and spans the membrane ten times, with most of the molecule found on the cytoplasmic side, whereas the b subunit spans the membrane only once and is predominantly extracellular.

پمپ‌های ATPase

پمپ‌های ATPase انرژی لازم برای انتقال یون را مستقیماً از هیدرولیز ATP به دست می‌آورند. برجسته‌ترین نمونه پمپ ATPase، پمپ ⁺Na (یا به عبارت صحیح‌تر، پمپ Na⁺/K⁺ ATPase) است که مسئول حفظ شیب غلظت غشایی برای ⁺Na و ⁺K است (شکل 4.10A). پمپ ⁺Na یک واحد غشایی بزرگ و یکپارچه است که مسئول انتقال یون است و ده بار در طول غشا امتداد می‌یابد، که بیشتر مولکول در سمت سیتوپلاسمی یافت می‌شود، در حالی که زیر واحد b فقط یک بار در طول غشا امتداد می‌یابد و عمدتاً خارج سلولی است.

Ca²⁺ pumps are another class of ATPase pump (Figure 4.10B). Ca²⁺ pumps are an important mechanism for removing Ca²⁺ from cells. Two different types of Ca²⁺ pumps have been identified. One, called PMCA, is found on the plasma membrane; the other, termed SERCA, is used to store Ca²⁺ in the endoplasmic reticulum (see Chapter 7). The structure of SERCA (see Figure 4.10B) is remarkably similar to that of the Na⁺ pump, aside from having a binding site for Ca²⁺.

پمپ‌های ⁺Ca² دسته دیگری از پمپ‌های ATPase هستند (شکل 4.10B). پمپ‌های ⁺Ca² مکانیسم مهمی برای حذف ⁺Ca² از سلول‌ها هستند. دو نوع مختلف از پمپ‌های ⁺Ca² شناسایی شده‌اند. یکی به نام PMCA در غشای پلاسما یافت می‌شود؛ دیگری به نام SERCA برای ذخیره ⁺Ca² در شبکه آندوپلاسمی استفاده می‌شود (به فصل 7 مراجعه کنید). ساختار SERCA (به شکل 4.10B مراجعه کنید) به طور قابل توجهی شبیه به پمپ ⁺Na است، گذشته از اینکه دارای یک محل اتصال برای ⁺Ca² است.

FIGURE 4.10  Examples of ATPase pumps. (A) Structure of the Na⁺ pump. Domains responsible for nucleotide binding (NB), phosphorylation (P), and an actuator domain (AD) are evident. In this conformation, ADP occupies the NB domain of the pump, and two K⁺ (inside square) can be observed in the transmembrane domain. Activity of the pump leads to transfer of Na⁺ from inside to outside, and of K⁺ in the opposite direction. (B) Structure of the SERCA Ca²⁺ pump. Domains responsible for nucleotide binding (NB), phosphorylation (P), and ion translocation activity (TA) are indicated. Shown is the structure of the pump when bound to ADP; in this state, two Ca²⁺ (purple spheres within red circle) are sequestered within the membrane-spanning regions of the pump. Note the similarity between this structure and that of the Na⁺/ K⁺ pump shown in (A). (A after Shinoda et al., 2009; B after Toyoshima et al., 2004.)

شکل ۴.۱۰ نمونه‌هایی از پمپ‌های ATPase. (الف) ساختار پمپ ⁺N^a. دامنه‌های مسئول اتصال نوکلئوتید (NB)، فسفوریلاسیون (P) و یک دامنه محرک (AD) مشهود هستند. در این ترکیب، ADP دامنه NB پمپ را اشغال می‌کند و دو ⁺K (مربع داخلی) را می‌توان در دامنه غشایی مشاهده کرد. فعالیت پمپ منجر به انتقال ⁺Na از داخل به خارج و ⁺K در جهت مخالف می‌شود. (ب) ساختار پمپ ⁺SERCA Ca². دامنه‌های مسئول اتصال نوکلئوتید (NB)، فسفوریلاسیون (P) و فعالیت انتقال یون (TA) نشان داده شده‌اند. ساختار پمپ هنگام اتصال به ADP نشان داده شده است. در این حالت، دو ⁺Ca² (کره‌های بنفش درون دایره قرمز) در نواحی غشایی پمپ محصور شده‌اند. به شباهت بین این ساختار و ساختار پمپ Na⁺/K نشان داده شده در (الف) توجه کنید. (الف) برگرفته از شینودا و همکاران، ۲۰۰۹؛ ب) برگرفته از تویوشیما و همکاران، ۲۰۰۴.)

The crucial importance of the Na⁺ pump for brain function is evident from the fact that this transporter accounts for up to two-thirds of the brain’s total energy consumption. The Na⁺ pump of neurons was first discovered in the 1950s, when Richard Keynes at Cambridge University used radioactive Na⁺ to demonstrate the energy-dependent efflux of Na⁺ from squid giant axons. Keynes and his collaborators found that this efflux ceased when the axon’s supply of ATP was interrupted by treatment with metabolic poisons (Figure 4.11, point 4). Other conditions that lowered intracellular ATP also prevented Na⁺ efflux, proving that removal of intracellular Na⁺ requires cellular metabolism.

اهمیت حیاتی پمپ ⁺Na برای عملکرد مغز از این واقعیت آشکار می‌شود که این ناقل تا دو سوم کل مصرف انرژی مغز را تشکیل می‌دهد. پمپ ⁺Na نورون‌ها اولین بار در دهه 1950 کشف شد، زمانی که ریچارد کینز در دانشگاه کمبریج از ⁺Na رادیواکتیو برای نشان دادن خروج وابسته به انرژی ⁺Na از آکسون‌های غول‌پیکر ماهی مرکب استفاده کرد. کینز و همکارانش دریافتند که این خروج هنگامی متوقف می‌شود که تأمین ATP آکسون با درمان با سموم متابولیک قطع شود (شکل 4.11، نکته 4). سایر شرایطی که ATP درون سلولی را کاهش می‌دهند نیز از خروج ⁺Na جلوگیری می‌کنند، که ثابت می‌کند حذف ⁺Na درون سلولی نیاز به متابولیسم سلولی دارد.

Further studies with radioactive K⁺ demonstrated that Na⁺ efflux is associated with the simultaneous ATP-dependent influx of K⁺. These energy-dependent movements of Na⁺ and K⁺ generate transmembrane gradients for both ions. The opposing fluxes of Na⁺ and K⁺ are operationally inseparable—removal of external K⁺ greatly reduces Na⁺ efflux (see Figure 4.11, point 2), and vice versa. Subsequent work by Jens Christian Skou in Denmark established that these fluxes of Na⁺ and K⁺ are due to an ATP-hydrolyzing Na⁺/ K⁺ pump. Quantitative studies indicate that Na⁺ and K⁺ are not pumped at identical rates: The rate of K⁺ influx is only about two-thirds that of Na⁺ efflux, indicating that the pump transports 2 K⁺ into the cell for every 3 Na⁺ that are removed.

مطالعات بیشتر با ⁺K رادیواکتیو نشان داد که خروج ⁺Na با ورود همزمان ⁺K وابسته به ATP مرتبط است. این حرکات وابسته به انرژی ⁺Na و ⁺K باعث ایجاد گرادیان‌های غشایی برای هر دو یون می‌شوند. جریان‌های مخالف ⁺Na و ⁺K از نظر عملیاتی جدایی‌ناپذیر هستند – حذف ⁺K خارجی، خروج ⁺Na را به میزان زیادی کاهش می‌دهد (به شکل 4.11، نکته 2 مراجعه کنید) و برعکس. کار بعدی توسط ینس کریستین اسکو در دانمارک ثابت کرد که این جریان‌های ⁺Na و ⁺K به دلیل پمپ ⁺Na⁺/K هیدرولیزکننده ATP هستند. مطالعات کمی نشان می‌دهد که ⁺Na و⁺K با سرعت‌های یکسانی پمپ نمی‌شوند: سرعت ورود ⁺K فقط حدود دو سوم خروج ⁺Na است، که نشان می‌دهد این پمپ به ازای هر 3 ⁺Na که حذف می‌شود، 2 ⁺K را به سلول منتقل می‌کند.

FIGURE 4.11 Ion movements due to the Na⁺ pump. Measurement of radioactive Na⁺ efflux from a squid giant axon. This efflux depends on external K⁺ and intracellular ATP. (After Hodgkin and Keynes, 1955.)

شکل ۴.۱۱ حرکات یون‌ها به دلیل پمپ ⁺Na. اندازه‌گیری جریان ⁺Na رادیواکتیو از آکسون غول‌پیکر ماهی مرکب. این جریان به ⁺K خارجی و ATP درون سلولی بستگی دارد. (به نقل از هاجکین و کینز، ۱۹۵۵.)

The Na⁺ pump is thought to alternately shuttle Na⁺ and K⁺ across the membranes in a cycle fueled by binding of ATP and transfer of a phosphate group from ATP to the pump (Figure 4.12A). ATP binding promotes binding of intracellular Na⁺ and release of K⁺, while pump phosphorylation leads to extracellular release of Na⁺ and binding of K⁺. In between these two states of ion translocation are occluded states that prevent leakage of ions in the reverse direction, with subsequent hydrolysis of ATP leading to dissociation of ADP, which toggles the pump between accumulating intracellular K⁺ and removing intracellular Na⁺. While the precise mechanism of ion translocation is still being elucidated, many of the structuresinvolved have been identified (Figure 4.12B). Na⁺ and K⁺ alternately bind to sites in the interior of the pump, within the transmembrane domain of the a subunit. A nucleotide-binding domain is responsible for binding ATP, with hydrolysis of ATP transferring a phosphate onto a phosphorylation domain that subsequently changes the location of an actuator domain thought to regulate ion binding to the pump (see Figure 4.12B). This ATP-dependent structural rearrangement explains how the pump is able to move Na⁺ and K⁺ uphill, against their steep electrochemical gradients. Very similar structural changes are also thought to be involved in removal of cytoplasmic Ca²⁺ by the SERCA Ca²⁺ pump.

تصور می‌شود که پمپ ⁺Na به طور متناوب ⁺Na و ⁺K را در چرخه‌ای که با اتصال ATP و انتقال یک گروه فسفات از ATP به پمپ تغذیه می‌شود، از غشاها عبور می‌دهد (شکل 4.12A). اتصال ATP باعث اتصال ⁺Na درون سلولی و آزادسازی ⁺K می‌شود، در حالی که فسفوریلاسیون پمپ منجر به آزادسازی خارج سلولی ⁺Na و اتصال ⁺K می‌شود. در بین این دو حالت انتقال یون، حالت‌های انسداد وجود دارد که از نشت یون‌ها در جهت معکوس جلوگیری می‌کند و هیدرولیز بعدی ATP منجر به تفکیک ADP می‌شود که پمپ را بین تجمع ⁺K درون سلولی و حذف ⁺Na درون سلولی تغییر می‌دهد. در حالی که مکانیسم دقیق انتقال یون هنوز در حال روشن شدن است، بسیاری از ساختارهای درگیر شناسایی شده‌اند (شکل 4.12B). ⁺Na و ⁺K به طور متناوب به مکان‌هایی در داخل پمپ، در دامنه غشایی زیر واحد α، متصل می‌شوند. یک دامنه اتصال نوکلئوتیدی مسئول اتصال ATP است، که با هیدرولیز ATP، یک فسفات به یک دامنه فسفوریلاسیون منتقل می‌شود که متعاقباً محل یک دامنه محرک را تغییر می‌دهد که تصور می‌شود اتصال یون به پمپ را تنظیم می‌کند (شکل 4.12B را ببینید). این بازآرایی ساختاری وابسته به ATP توضیح می‌دهد که چگونه پمپ قادر است ⁺Na و ⁺K را در خلاف جهت شیب الکتروشیمیایی تند آنها به سمت بالا حرکت دهد. همچنین تصور می‌شود تغییرات ساختاری بسیار مشابهی در حذف ⁺Ca² سیتوپلاسمی توسط پمپ ⁺SERCA Ca² نقش دارند.

FIGURE 4.12 Translocation of Na⁺ and K⁺ by the Na⁺ pump. (A) A model for the movement of ions by the Na⁺ pump. Uphill movements of Na⁺ and K⁺ are driven by binding and hydrolysis of ATP, which phosphorylates the pump (indicated by P). These ion fluxes are asymmetrical, with 3 Na⁺ carried out for every 2 K⁺ brought in. (B) Comparison of structure of the Na+ pump in Na⁺-bound state (left), corresponding to step 2 in (A), and K⁺-bound (right) state, corresponding to step 4. Changes in location of phosphorylation (P), nucleotide binding (NB), and activator (AD) domains (arrows) are associated with switch between Na⁺-bound and K⁺-bound conformations. (A after Lingrel et al., 1994; B after Nyblom et al., 2013.)

شکل ۴.۱۲ انتقال ⁺Na و ⁺K توسط پمپ ⁺Na. (الف) مدلی برای حرکت یون‌ها توسط پمپ ⁺Na. حرکات صعودی ⁺Na و ⁺K توسط اتصال و هیدرولیز ATP هدایت می‌شوند که پمپ را فسفریله می‌کند (با P نشان داده شده است). این شارهای یونی نامتقارن هستند و به ازای هر 2 ⁺K وارد شده، 3 ⁺Na انجام می‌شود. (ب) مقایسه ساختار پمپ ⁺Na در حالت متصل به ⁺Na (چپ)، مربوط به مرحله 2 در (الف)، و حالت متصل به ⁺K (راست)، مربوط به مرحله 4. تغییرات در محل فسفوریلاسیون (P)، اتصال نوکلئوتید (NB) و دامنه‌های فعال‌کننده (AD) (فلش‌ها) با تغییر بین صورت‌بندی‌های متصل به ⁺Na و متصل به ⁺K مرتبط هستند. (الف برگرفته از Lingrel و همکاران، 1994؛ ب برگرفته از Nyblom و همکاران، 2013.)

Ion Exchangers

The second class of active transporter does not use ATP directly but instead uses the electrochemical gradients of other ions as an energy source. Such ion exchangers carry one or more ions up their electrochemical gradient while simultaneously taking another ion (most often Na⁺) down its gradient. These transporters can be further subdivided into two types according to the direction of ion movement. As their name implies, antiporters exchange intracellular and extracellular ions. An example of an antiporter is the Na⁺/Ca²⁺ exchanger, which shares with the Ca²⁺ pump the important job of keeping intracellular Ca²⁺ concentrations low (Figure 4.13A). Another antiporter, the Na⁺/H⁺ exchanger, regulates intracellular pH (Figure 4.13B). Ion exchangers of the second type, the co-transporters, work by carrying multiple ions in the same direction. Two such co-transporters regulate intracellular Cl^– concentration by translocating Cl^– along with extracellular Na⁺ and/or K⁺; these are the Na⁺/K⁺/Cl^– co-transporter, which transports Cl^– along with Na⁺ and K⁺ into cells (Figure 4.13C), and the K⁺/Cl^– co-transporter, which removes intracellular Cl^– (Figure 4.13D) As you will see in Chapter 6, neurotransmitters are transported into synaptic terminals and glial cells via other co-transporters (Figure 4.13E). Although the electrochemical gradient of Na⁺ (or other counter-ions) is the proximate source of energy for both ion exchangers and co-transporters, these gradients ultimately depend on the hydrolysis of ATP by ATPase pumps such as the Na⁺ pump.

تبادل‌کننده‌های یونی

دسته دوم انتقال‌دهنده‌های فعال مستقیماً از ATP استفاده نمی‌کنند، بلکه از گرادیان‌های الکتروشیمیایی یون‌های دیگر به عنوان منبع انرژی استفاده می‌کنند. چنین تبادل‌کننده‌های یونی یک یا چند یون را به سمت بالای گرادیان الکتروشیمیایی خود حمل می‌کنند و همزمان یون دیگری (اغلب ⁺Na) را به سمت پایین گرادیان خود می‌برند. این انتقال‌دهنده‌ها را می‌توان بر اساس جهت حرکت یون به دو نوع دیگر تقسیم کرد. همانطور که از نامشان پیداست، آنتی‌پورترها یون‌های درون سلولی و خارج سلولی را تبادل می‌کنند. نمونه‌ای از یک آنتی‌پورترها، مبدل ⁺Na⁺/Ca² است که با پمپ ⁺Ca² وظیفه مهم پایین نگه داشتن غلظت ⁺Ca² درون سلولی را به اشتراک می‌گذارد (شکل 4.13A). آنتی‌پورترهای دیگر، مبدل Na⁺/H⁺، pH درون سلولی را تنظیم می‌کنند (شکل 4.13B). تبادل‌کننده‌های یونی از نوع دوم، کو-ترانسپورترها، با حمل چندین یون در یک جهت کار می‌کنند. دو کو-ترانسپورت از این نوع، غلظت -Cl درون سلولی را با انتقال -Cl به همراه ⁺Na و/یا ⁺K خارج سلولی تنظیم می‌کنند. اینها شامل کو-ترانسپورتر –Na⁺/K⁺/Cl هستند که -Cl را به همراه ⁺Na و ⁺K به سلول‌ها منتقل می‌کند (شکل 4.13C) و کو-ترانسپورتر –K⁺/Cl که -Cl را درون سلولی حذف می‌کند (شکل 4.13D). همانطور که در فصل 6 خواهید دید، انتقال‌دهنده‌های عصبی از طریق سایر کو-ترانسپورترها به پایانه‌های سیناپسی و سلول‌های گلیال منتقل می‌شوند (شکل 4.13E). اگرچه گرادیان الکتروشیمیایی ⁺Na (یا سایر یون‌های مخالف) منبع تقریبی انرژی برای هر دو مبدل‌های یونی و کو-ترانسپورترها است، اما این گرادیان‌ها در نهایت به هیدرولیز ATP توسط پمپ‌های ATPase مانند پمپ ⁺Na بستگی دارند.

FIGURE 4.13 Examples of ion exchangers. Ion exchangers use the electrochemical gradients of co-transported ions as a source of energy. These exchangers can be further subdivided into antiporters that swap ions on the two sides of the membrane (A,B) and co-transporters that carry multiple ions in the same direction (C–E)

شکل ۴.۱۳ نمونه‌هایی از مبدل‌های یونی. مبدل‌های یونی از گرادیان‌های الکتروشیمیایی یون‌های هم-انتقال به عنوان منبع انرژی استفاده می‌کنند. این مبدل‌ها را می‌توان به آنتی‌پورترهایی که یون‌ها را در دو طرف غشاء مبادله می‌کنند (A، B) و هم-انتقال‌دهنده‌هایی که چندین یون را در یک جهت حمل می‌کنند (C-E) تقسیم کرد.

Summary

Ion channels and active transporters have complementary functions. The primary purpose of transporters is to generate transmembrane concentration gradients, which are then exploited by ion channels to generate electrical signals. The flow of ions through single open channels can be detected as tiny electrical currents, and the synchronous opening of many channels generates the macroscopic currents that produce action potentials and other electrical signals. A large number of ion channel genes creates channels with a correspondingly wide range of functional characteristics, thus allowing different types of neurons to have a remarkable spectrum of electrical properties. Voltage-gated ion channels are responsible for the voltage-dependent conductances that underlie the action potential. These channels are integral membrane proteinsthat open or close ion-selective pores in response to the membrane potential, allowing specific ions to diffuse across the membrane. Voltage-gated channels have highly conserved structures that are responsible for features such as ion permeation and voltage sensing, as well as the features that specify ion selectivity and sensitivity to neurotoxins. Other types of channels have specialized structures that enable detection of chemical signals, such as neurotransmitters or second messengers, or other types of signals such as heat or mechanical distortion of the plasma membrane. Active transporter proteins are quite different from ion channels because they move ions against a concentration gradient. The energy required for ion translocation is provided either by the hydrolysis of ATP or by the electrochemical gradient of other ions, such as Na⁺. The Na⁺ pump produces and maintains the transmembrane gradients of Na⁺ and K⁺ by ATP-dependent phosphorylation of the pump, which causes structural changes that enable ion movement. Other transporters, both ATPase pumps and co-transporters, are responsible for the electrochemical gradients for other physiologically important ions, including Cl^–, Ca²⁺, and H⁺. Together, transporters and channels provide a comprehensive and satisfying molecular explanation for the ability of neurons to generate electrical signals.

خلاصه

کانال‌های یونی و ناقل‌های فعال عملکردهای مکمل دارند. هدف اصلی ناقل‌ها ایجاد گرادیان‌های غلظت غشایی است که سپس توسط کانال‌های یونی برای تولید سیگنال‌های الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. جریان یون‌ها از طریق کانال‌های باز منفرد می‌تواند به عنوان جریان‌های الکتریکی کوچک تشخیص داده شود و باز شدن همزمان بسیاری از کانال‌ها، جریان‌های ماکروسکوپی ایجاد می‌کند که پتانسیل‌های عمل و سایر سیگنال‌های الکتریکی را تولید می‌کنند. تعداد زیادی از ژن‌های کانال یونی، کانال‌هایی با طیف وسیعی از ویژگی‌های عملکردی ایجاد می‌کنند، بنابراین به انواع مختلف نورون‌ها اجازه می‌دهند طیف قابل توجهی از خواص الکتریکی داشته باشند. کانال‌های یونی وابسته به ولتاژ مسئول رسانایی‌های وابسته به ولتاژ هستند که زیربنای پتانسیل عمل هستند. این کانال‌ها پروتئین‌های غشایی جدایی‌ناپذیری هستند که منافذ انتخابی یونی را در پاسخ به پتانسیل غشا باز یا بسته می‌کنند و به یون‌های خاص اجازه می‌دهند تا در سراسر غشا پخش شوند. کانال‌های وابسته به ولتاژ دارای ساختارهای بسیار حفاظت‌شده‌ای هستند که مسئول ویژگی‌هایی مانند نفوذ یون و حسگری ولتاژ و همچنین ویژگی‌هایی هستند که انتخاب‌پذیری یون و حساسیت به نوروتوکسین‌ها را مشخص می‌کنند. انواع دیگر کانال‌ها دارای ساختارهای تخصصی هستند که امکان تشخیص سیگنال‌های شیمیایی مانند انتقال‌دهنده‌های عصبی یا پیام‌رسان‌های ثانویه یا انواع دیگر سیگنال‌ها مانند گرما یا اعوجاج مکانیکی غشای پلاسما را فراهم می‌کنند. پروتئین‌های ناقل فعال کاملاً با کانال‌های یونی متفاوت هستند زیرا یون‌ها را در خلاف جهت گرادیان غلظت حرکت می‌دهند. انرژی مورد نیاز برای جابجایی یون یا توسط هیدرولیز ATP یا توسط گرادیان الکتروشیمیایی یون‌های دیگر مانند ⁺Na تأمین می‌شود. پمپ ⁺Na گرادیان‌های غشایی ⁺Na و ⁺K را با فسفوریلاسیون وابسته به ATP پمپ تولید و حفظ می‌کند، که باعث تغییرات ساختاری می‌شود که حرکت یون را ممکن می‌سازد. سایر ناقل‌ها، هم پمپ‌های ATPase و هم ناقل‌های کمکی، مسئول گرادیان‌های الکتروشیمیایی برای سایر یون‌های مهم فیزیولوژیکی، از جمله ⁺Cl-، Ca² و H⁺ هستند. ناقل‌ها و کانال‌ها در کنار هم، توضیح مولکولی جامع و رضایت‌بخشی برای توانایی نورون‌ها در تولید سیگنال‌های الکتریکی ارائه می‌دهند.

ADDITIONAL READING