اصول علم اعصاب اریک کندل؛ کانال های یونی؛ کریستالوگرافی اشعه ایکس ساختار کانال های یونی

Ion Channels Can Be Grouped Into Gene Families

کانال‌های یونی را می‌توان در خانواده‌های ژنی گروه بندی کرد

The great diversity of ion channels in a multicellular organism is illustrated by the human genome. Our genome contains nine genes encoding variants of voltage-gated Na+ channels, 10 genes for different Ca2+ channels, 80 genes for K+ channels, 70 genes for ligand-gated channels, and more than a dozen genes for Cİ channels. Fortunately, the evolutionary relationships between the genes that encode ion channels provide a relatively simple framework with which to categorize them.

تنوع زیاد کانال‌های یونی در یک ارگانیسم چند سلولی توسط ژنوم انسان نشان داده شده است. ژنوم ما شامل نه ژن کد کننده انواع کانال‌های +Na با ولتاژ، 10 ژن برای کانال‌های +Ca2 مختلف، 80 ژن برای کانال‌های K+ ،70 ژن برای کانال‌های با لیگاند و بیش از ده‌ها ژن برای کانال‌های -Cl است. خوشبختانه، روابط تکاملی بین ژن‌هایی که کانال‌های یونی را رمزگذاری می‌کنند، چارچوب نسبتاً ساده‌ای را برای دسته‌بندی آنها فراهم می‌کند.

Most of the ion channels that have been described in nerve and muscle cells fall into a few gene superfamilies. Members of each gene superfamily have similar amino acid sequences and transmembrane topology and, importantly, related functions. Each superfamily is thought to have evolved from a common ancestral gene by gene duplication and divergence. Several superfamilies can be further subdivided into families of genes encoding channels with more closely related structure and function.

بیشتر کانال‌های یونی که در سلول‌های عصبی و ماهیچه‌ای توصیف شده‌اند در چند ابرخانواده ژنی قرار می‌گیرند. اعضای هر ابرخانواده ژن دارای توالی اسید آمینه مشابه و توپولوژی گذرنده و مهمتر از همه، عملکردهای مرتبط هستند. تصور می‌شود که هر ابرخانواده از یک ژن اجدادی مشترک با تکثیر و واگرایی ژنی تکامل یافته است. چندین ابرخانواده را می‌توان به خانواده‌های ژن‌های کدکننده کانال‌هایی با ساختار و عملکرد نزدیک‌تر تقسیم کرد.

One superfamily encodes ligand-gated ion channels that are receptors for the neurotransmitters ACh, GABA, glycine, or serotonin (Chapter 12). All of these receptors are composed of five subunits, each of which has four transmembrane a-helixes (Figure 8-10A). In addition, the N-terminal extracellular domain that forms the receptor for the ligand contains a conserved loop of 13 amino acids flanked by a pair of cysteine residues that form a disulfide bond. As a result, this receptor superfamily is referred to as the cys-loop receptors. Ligand-gated channels can be classified by their ion selectivity in addition to their agonist. The genes that encode glutamate receptor channels belong to a separate gene family.

یکی از ابرخانواده‌ها کانال‌های یونی دردار با لیگاند را رمزگذاری می‌کند که گیرنده‌های انتقال‌دهنده‌های عصبی ACh، GABA، گلیسین یا سروتونین هستند (فصل 12). همه این گیرنده‌ها از پنج زیر واحد تشکیل شده اند که هر کدام دارای چهار مارپیچ a گذرنده هستند (شکل 8-10A). علاوه بر این، دامنه خارج سلولی ترمینال N که گیرنده لیگاند را تشکیل می‌دهد، حاوی یک حلقه حفاظت شده از 13 اسید آمینه است که توسط یک جفت باقی مانده سیستئین که یک پیوند دی سولفید را تشکیل می‌دهند، احاطه شده است. در نتیجه، این ابرخانواده گیرنده به عنوان گیرنده‌های حلقه cys شناخته می‌شود. کانال‌های دردار لیگاند را می‌توان با انتخاب یون آنها علاوه بر آگونیست آنها طبقه بندی کرد. ژن‌هایی که کانال‌های گیرنده گلوتامات را کد می‌کنند به یک خانواده ژنی جداگانه تعلق دارند.

Gap-junction channels, which bridge the cytoplasm of two cells at electrical synapses (Chapter 11), are encoded by a separate gene superfamily. A gap junction channel is composed of two hemi-channels, one from each connected cell. A hemi-channel has six identical subunits, each of which has four membrane- spanning segments (Figure 8-10B).

کانال‌های اتصال شکاف، که سیتوپلاسم دو سلول را در سیناپس‌های الکتریکی پل می‌کنند (فصل 11)، توسط یک ابرخانواده ژن جداگانه کدگذاری می‌شوند. یک کانال اتصال شکاف از دو نیم کانال، یکی از هر سلول متصل تشکیل شده است. یک نیمه کانال دارای شش زیر واحد یکسان است که هر کدام دارای چهار بخش پوشاننده غشایی است (شکل 8-10B).

The genes that encode the voltage-gated ion channels responsible for generating the action potential belong to another superfamily (Chapter 10). These channels are selective for Ca2+, Na+, or K+. Comparative DNA sequence data suggest that most voltage- sensitive cation channels stem from a common ancestral channel-perhaps a K channel—that can be traced to a single-cell organism living more than 1.4 billion years ago, before the evolution of separate plant and animal kingdoms.

ژن‌هایی که کانال‌های یونی دارای ولتاژ را رمزگذاری می‌کنند که مسئول تولید پتانسیل عمل هستند، متعلق به یک ابرخانواده دیگر هستند (فصل 10). این کانال‌ها برای +Ca2+ ،Na یا +K انتخابی هستند. داده‌های توالی DNA مقایسه‌ای نشان می‌دهد که بیشتر کانال‌های کاتیونی حساس به ولتاژ از یک کانال اجدادی مشترک – شاید یک کانال +K – سرچشمه می‌گیرند که می‌توان آن را در یک ارگانیسم تک سلولی ردیابی کرد که بیش از 1.4 میلیارد سال پیش، قبل از تکامل فرمانروهای گیاهی و جانوری جداگانه زندگی می‌کرد.

All voltage-gated cation channels have a similar four-fold symmetric architecture, with a core motif composed of six transmembrane α-helical segments termed S1-S6. A seventh hydrophobic region, the P-region, connects the S5 and S6 segments by dipping into and out of the extracellular side of the membrane (Figures 8-10C and 8-11A); it forms the channel’s selectivity filter. Voltage-gated Na+ and Ca2+ channels are com- posed of a large subunit that contains four repeats of this basic motif (Figure 8-10C). Voltage-gated K+ channels are tetramers, with each separate subunit containing one copy of the basic motif (Figure 8-11A). Each subunit contributes one P-region to the pore of the fully assembled channel. This structural configuration is also shared by other, more distantly related channel families described later and in Chapter 10.

همه کانال‌های کاتیونی دارای ولتاژ دارای معماری متقارن چهار برابری مشابهی هستند، با یک موتیف هسته متشکل از شش بخش مارپیچ α گذرنده به نام S1-S6. هفتمین ناحیه آبگریز، ناحیه P، بخش‌های S5 و S6 را با فرو رفتن به داخل و خارج از سمت خارج سلولی غشاء به هم متصل می‌کند (شکل‌های 8-10C و 8-11A). فیلتر انتخاب کانال را تشکیل می‌دهد. کانال‌های +Na و +Ca2 دارای ولتاژ از یک زیر واحد بزرگ تشکیل شده اند که شامل چهار تکرار از این موتیف اصلی است (شکل 8-10C). کانال‌های +K دارای ولتاژ تترامر هستند و هر زیر واحد مجزا شامل یک کپی از موتیف اصلی است (شکل 8-11A). هر زیر واحد یک ناحیه P به منافذ کانال کاملاً مونتاژ شده کمک می‌کند. این پیکربندی ساختاری توسط سایر خانواده‌های کانال مرتبط با فاصله دورتر که بعداً و در فصل 10 توضیح داده شد، به اشتراک گذاشته شده است.

The S4 segment is thought to play a particularly important role in voltage gating. It contains an unusual pattern of amino acids in which every third position contains a positively charged arginine or lysine residue. This region was originally proposed to be the voltage sensor because, according to fundamental biophysical principles, voltage-gating must involve the movement of intramembrane gating charges within the membrane electric field. Additional evidence implicating S4 as the voltage sensor comes from the finding that this pattern of positive charges is highly conserved in all voltage-gated cation-selective channels but is absent in channels that are not voltage-gated. Further support comes from site-directed mutagenesis experiments showing that neutralization of these positive charges in S4 decreases the voltage sensitivity of channel activation.

گمان می‌رود که بخش S4 نقش مهمی‌در گیتینگ ولتاژ ایفا کند. این حاوی یک الگوی غیرمعمول از اسیدهای آمینه است که در هر موقعیت سوم حاوی آرژنین یا لیزین با بار مثبت است. این ناحیه در ابتدا به عنوان حسگر ولتاژ پیشنهاد شد، زیرا طبق اصول بیوفیزیکی اساسی، ولتاژ-دریچه باید شامل حرکت بارهای دروازه درون غشایی در میدان الکتریکی غشاء باشد. شواهد اضافی که S4 را به عنوان سنسور ولتاژ نشان می‌دهد، از این یافته‌ها به دست می‌آید که این الگوی بارهای مثبت در همه کانال‌های انتخابی کاتیون‌دار دریچه ولتاژ به شدت حفظ شده است، اما در کانال‌هایی که دارای ولتاژ دردار نیستند، وجود ندارد. پشتیبانی بیشتر از آزمایش‌های جهش‌زایی جهت‌دهی به سایت حاصل می‌شود که نشان می‌دهد خنثی‌سازی این بارهای مثبت در S4 حساسیت ولتاژ فعال‌سازی کانال را کاهش می‌دهد.

Figure 8-10 Three super-families of ion channels.
A. Members of a large family of ligand- gated channels, such as the acetylcholine receptor channel, are composed of five identical or closely related subunits, each of which contains four transmembrane α-helixes (M1-M4). Each cylinder in the figure represents a single trans- membrane α-helix.

شکل 8-10 سه سوپر خانواده کانال‌های یونی.
الف. اعضای یک خانواده بزرگ از کانال‌های لیگاند شده، مانند کانال گیرنده استیل کولین، از پنج زیر واحد یکسان یا نزدیک به هم تشکیل شده اند که هر کدام شامل چهار مارپیچ گذرنده α (M1-M4) است. هر استوانه در شکل نشان دهنده یک مارپیچ α گذرنده است.

B. The gap-junction channel is formed from a pair of hemichannels, one each in the pre- and postsynaptic cell mem- branes, that join in the space between two cells. Each hemichannel is made of six identical subunits, each containing four transmembrane a-helixes. Gap junction channels serve as conduits between the cytoplasm of the pre- and postsynaptic cells at electrical synapses (Chapter 11).

ب. کانال اتصال شکاف از یک جفت نیم کانال، یکی در غشای سلولی پیش و پس سیناپسی، که در فضای بین دو سلول به هم می‌پیوندند، تشکیل شده است. هر نیم کانال از شش زیر واحد یکسان ساخته شده است که هر کدام شامل چهار مارپیچ گذرنده است. کانال‌های اتصال شکاف به عنوان مجرای بین سیتوپلاسم سلول‌های پیش و پس سیناپسی در سیناپس‌های الکتریکی عمل می‌کنند (فصل 11).

C. The voltage-gated Na+ channel is formed from a single polypeptide chain that contains four homologous domains or repeats (motifs I-IV), each with six membrane-spanning α-helixes (S1-S6). The S5 and 56 segments are connected by an extended strand of amino acids, the P-region, which dips into and out of the external surface of the membrane to form the selectivity filter of the pore. Voltage-gated Ca2+ channels share the same general structural pat- tern, although the amino sequences are different.

C. کانال +Na دارای ولتاژ از یک زنجیره پلی پپتیدی منفرد تشکیل شده است که شامل چهار حوزه یا تکرار همولوگ است (نقوش I-IV)، که هر کدام دارای شش مارپیچ α در پوشش غشایی (S1-S6) است. بخش‌های S5 و 56 توسط رشته‌ای گسترده از اسیدهای آمینه به نام P-region به هم متصل می‌شوند که به داخل و خارج از سطح خارجی غشا فرو می‌رود تا فیلتر انتخابی منافذ را تشکیل دهد. کانال‌های +Ca2 دارای ولتاژ الگوی ساختاری یکسانی دارند، اگرچه توالی‌های آمینه متفاوت هستند.

The major gene family encoding the voltage-gated K+ channels is related to three additional families of K+ channels, each with distinctive properties and structure. One family includes genes encoding three types of channels activated by either intracellular Na+ or Ca2+ or by intracellular Ca2+ plus depolarization. A second family consists of the genes encoding inward- rectifying K+ channels. Because they are open at the resting potential and rapidly occluded by cytosolic cations during depolarization, they conduct ions more readily in the inward than in the outward direction. Each channel subunit has only two transmembrane segments connected by a pore-forming P-region. A third family of genes encodes K2P channels composed of subunits with two repeated pore-forming segments (Figure 8-11). Various members are regulated by temperature, mechanical force, and intracellular ligands.

خانواده ژنی اصلی که کانال‌های +K دردار ولتاژ را کد می‌کند به سه خانواده اضافی از کانال‌های +K مربوط می‌شود که هر کدام دارای خواص و ساختار متمایزی هستند. یک خانواده شامل ژن‌هایی است که سه نوع کانال را کد می‌کنند که توسط +Na یا +Ca2 داخل سلولی یا توسط +Ca2 داخل سلولی به همراه دپلاریزاسیون فعال می‌شوند. خانواده دوم شامل ژن‌هایی است که کانال‌های +K را اصلاح می‌کنند. از آنجا که آنها در پتانسیل استراحت باز هستند و به سرعت توسط کاتیون‌های سیتوزولی در طول دپلاریزاسیون مسدود می‌شوند، یون‌ها را راحت تر به سمت داخل هدایت می‌کنند تا در جهت بیرون. هر زیر واحد کانال فقط دو بخش گذرنده دارد که توسط یک ناحیه P تشکیل دهنده منافذ به هم متصل شده اند. سومین خانواده از ژن‌ها کانال‌های K2P متشکل از زیر واحدهایی با دو بخش تشکیل دهنده منافذ مکرر را رمزگذاری می‌کنند (شکل 8-11). اعضای مختلف توسط دما، نیروی مکانیکی و لیگاندهای درون سلولی تنظیم می‌شوند.

These channels may also contribute to the K+ permeability of the resting membrane.
The sequencing of the genomes of a variety of species, from bacteria to humans, has led to the identification of additional ion channel gene families. These include channels with related P-regions but that are only very distantly related to the family of voltage- gated channels. An example is the excitatory postsynaptic glutamate-gated channel, in which the P-region is inverted, entering and leaving the internal surface of the membrane (Figure 8-11D).

این کانال‌ها همچنین ممکن است به نفوذپذیری +K غشاء استراحت کمک کنند.
تعیین توالی ژنوم انواع گونه‌ها، از باکتری گرفته تا انسان، منجر به شناسایی خانواده‌های ژنی کانال یونی اضافی شده است. این کانال‌ها شامل کانال‌هایی با نواحی P مرتبط می‌شوند، اما این کانال‌ها فقط بسیار دور با خانواده کانال‌های ولتاژدار مرتبط هستند. یک مثال کانال محرک پس سیناپسی با گلوتامات است که در آن ناحیه P معکوس شده و وارد سطح داخلی غشاء شده و از آن خارج می‌شود (شکل 8-11D).

Finally, the transient receptor potential (TRP) family of nonselective cation channels (named after a mutant Drosophila strain in which light evokes a brief receptor potential in photoreceptors) comprises a very large and diverse group of tetrameric channels that contain P-regions. Like the voltage-gated K+ channels, TRP channels also contain six transmembrane segments, but are in most cases gated by intracellular or intramembrane ligands. TRP channels are important for Ca2+ metabolism in all cells, visual signaling in insects, and pain, heat, and cold sensation in the nervous system of higher animals (Chapter 18). TRP channels have been implicated in osmoreception and certain taste sensations in mammals.

در نهایت، خانواده پتانسیل گیرنده گذرا (TRP) از کانال‌های کاتیونی غیرانتخابی (به نام یک سویه جهش یافته مگس سرکه که در آن نور پتانسیل گیرنده مختصری را در گیرنده‌های نوری برمی‌انگیزد) شامل یک گروه بسیار بزرگ و متنوع از کانال‌های تترامری است که شامل مناطق P است. مانند کانال‌های +K دارای ولتاژ، کانال‌های TRP نیز شامل شش بخش گذرنده هستند، اما در بیشتر موارد توسط لیگاندهای درون سلولی یا درون غشایی دریچه ای هستند. کانال‌های TRP برای متابولیسم +Ca2 در تمام سلول‌ها، سیگنال‌های بصری در حشرات، و احساس درد، گرما و سرما در سیستم عصبی حیوانات بالاتر مهم هستند (فصل 18). کانال‌های TRP در دریافت اسمزی و احساس طعم خاص در پستانداران نقش دارند.

Figure 8-11 Four related families of ion channels with P-regions.
A. Voltage-gated K+ channels are com- posed of four subunits, each of which corresponds to one repeated domain of voltage-gated Nat or Ca2+ channels, with six transmembrane segments and a pore-forming P-region (see Figure 8-10C).
B. Inward-rectifying K+ channels are composed of four subunits, each of which has only two transmembrane segments connected by a P-region.
C. The K2P K+ channels are composed of subunits that contain two repeats similar to the inward-rectifying K+ channel subunit, with each repeat containing a P-region. Two of these subunits combine to form a channel with four P-regions.
D. Glutamate receptors constitute a distinct family of tetrameric channels with P-regions. Their pore regions are nonselectively permeable to cations. In these receptors, the amino terminus is extracellular and the P-region enters and exits the cytoplasmic side of the mem- brane. The distantly related bacterial GluR0 K+-permeable glutamate receptor has four subunits, which contain two transmembrane segments (left); in higher organisms, the subunits contain three (right).

شکل 8-11 چهار خانواده مرتبط از کانال‌های یونی با ناحیه P.
الف. کانال‌های +K دارای ولتاژ از چهار زیرواحد تشکیل شده اند که هر کدام مربوط به یک دامنه مکرر از کانال‌های Nat یا Ca2+ دارای ولتاژ است که دارای شش بخش گذرنده و یک ناحیه P تشکیل دهنده منافذ است (شکل 8-10C را ببینید. ).
ب. کانال‌های +K اصلاح شونده از چهار زیرواحد تشکیل شده اند که هر کدام تنها دو بخش گذرنده دارند که توسط یک ناحیه P به هم متصل شده اند.
ج. کانال‌های +K2P K از زیر واحدهایی تشکیل شده‌اند که شامل دو تکرار مشابه زیرواحد کانال +K اصلاح‌شونده به داخل هستند که هر تکرار حاوی یک ناحیه P است. دو تا از این زیر واحدها با هم ترکیب می‌شوند و کانالی با چهار ناحیه P تشکیل می‌دهند.
D. گیرنده‌های گلوتامات یک خانواده مجزا از کانال‌های تترامری با ناحیه P را تشکیل می‌دهند. نواحی منافذ آنها به طور غیرانتخابی به کاتیون‌ها نفوذپذیر است. در این گیرنده‌ها، پایانه آمینه خارج سلولی است و ناحیه P به سمت سیتوپلاسمی‌غشاء وارد و خارج می‌شود. گیرنده گلوتامات قابل نفوذ باکتری +GluR0 K دارای چهار زیر واحد است که شامل دو بخش گذرنده (سمت چپ) است. در موجودات بالاتر، زیر واحدها شامل سه (سمت راست) هستند.

A number of other families of channels have been identified, structurally unrelated to those considered earlier. These include CLC CI channels that help set the resting potential of skeletal muscle cells and certain neurons, nonspecific cation-permeable Piezo channels that are activated by mechanical stimuli (Chapter 18), Na channels that are activated by H+ ions released during inflammation, and ligand-gated cation channels that are activated by ATP, which functions as a neurotransmitter at certain excitatory synapses. With the completion of the human genome project, it is likely that nearly all of the major classes of ion channel genes have now been identified.

تعدادی دیگر از خانواده‌های کانال‌ها شناسایی شده‌اند که از نظر ساختاری با آن‌هایی که قبلاً در نظر گرفته شد، ارتباطی ندارند. اینها شامل کانال‌های -CLC CI است که به تنظیم پتانسیل استراحت سلول‌های ماهیچه‌ای اسکلتی و نورون‌های خاص کمک می‌کند، کانال‌های پیزو تراوا به کاتیون غیر اختصاصی که توسط محرک‌های مکانیکی فعال می‌شوند (فصل 18)، کانال‌های +Na که توسط یون‌های +H آزاد شده در طول التهاب فعال می‌شوند، و لیگاند. کانال‌های کاتیونی دردار که توسط ATP فعال می‌شوند، که به عنوان یک انتقال دهنده عصبی در سیناپس‌های تحریکی خاص عمل می‌کند. با تکمیل پروژه ژنوم انسانی، این احتمال وجود دارد که اکنون تقریباً تمام کلاس‌های اصلی ژن‌های کانال یونی شناسایی شده باشند.

The diversity of ion channels is even greater than the large number of ion channel genes. Because most channels in a subfamily are composed of multiple subunits, each type of which may be encoded by a family of closely related genes, combinatorial permutations of these subunits can generate a diverse array of heteromultimeric channels with different functional properties. Additional diversity can be produced by posttranscriptional and posttranslational modifications. These subtle variations in structure and function presumably allow channels to perform highly specific functions. As with enzyme isoforms, variants of a channel with slightly different properties may be expressed at distinct stages of development, in different cell types throughout the brain, and even in different regions within a cell. Changes in neuronal activity can also lead to changes in ion channel expression patterns (Chapter 10).

تنوع کانال‌های یونی حتی بیشتر از تعداد زیاد ژن‌های کانال یونی است. از آنجا که اکثر کانال‌ها در یک زیرخانواده از چندین زیر واحد تشکیل شده‌اند، که هر نوع از آنها ممکن است توسط خانواده‌ای از ژن‌های نزدیک به هم کدگذاری شوند، جایگشت‌های ترکیبی این زیر واحدها می‌توانند آرایه متنوعی از کانال‌های هترومولتیمریک با ویژگی‌های عملکردی متفاوت ایجاد کنند. تنوع اضافی را می‌توان با تغییرات پس از رونویسی و پس از ترجمه ایجاد کرد. این تغییرات ظریف در ساختار و عملکرد احتمالاً به کانال‌ها اجازه می‌دهد تا عملکردهای بسیار خاصی را انجام دهند. همانند ایزوفرم‌های آنزیمی، انواع یک کانال با خواص کمی‌متفاوت ممکن است در مراحل مختلف رشد، در انواع سلول‌های مختلف در سراسر مغز، و حتی در مناطق مختلف یک سلول بیان شود. تغییرات در فعالیت عصبی همچنین می‌تواند منجر به تغییر در الگوهای بیان کانال یونی شود (فصل 10).

Biochemical, biophysical, and molecular biological approaches have been important in defining structure- function relationships among the large variety of ion channels. The use of X-ray crystallography and cryo- electron microscopy to define the structure of channels at atomic resolution provides a framework for achieving greater understanding of the mechanisms of ion channel function and malfunction due to disease- causing mutations. Combining a wide array of data from these various approaches makes possible the construction of detailed molecular models, which can be tested by further experiments, as well as by theoretical approaches such as molecular dynamics simulation.

رویکردهای بیوشیمیایی، بیوفیزیکی و بیولوژیکی مولکولی در تعریف روابط ساختار-عملکرد در میان طیف وسیعی از کانال‌های یونی مهم بوده‌اند. استفاده از کریستالوگرافی اشعه ایکس و میکروسکوپ کرایو الکترونی برای تعریف ساختار کانال‌ها در وضوح اتمی‌چارچوبی را برای دستیابی به درک بیشتر از مکانیسم‌های عملکرد کانال یونی و عملکرد نادرست ناشی از جهش‌های بیماری زا فراهم می‌کند. ترکیب طیف گسترده ای از داده‌ها از این رویکردهای مختلف ساخت مدل‌های مولکولی دقیق را امکان پذیر می‌کند، که می‌توانند با آزمایش‌های بیشتر و همچنین با رویکردهای نظری مانند شبیه سازی دینامیک مولکولی آزمایش شوند.

X-Ray Crystallographic Analysis of Potassium Channel Structure Provides Insight Into Mechanisms of Channel Permeability and Selectivity

تجزیه و تحلیل کریستالوگرافی اشعه ایکس ساختار کانال پتاسیم بینشی در مورد مکانیسم‌های نفوذپذیری و انتخاب کانال ارائه می‌دهد

The first high-resolution X-ray crystallographic analysis of the molecular architecture of the pore region of an ion-selective channel was provided by Rod MacKinnon and his colleagues. To overcome the difficulties inherent in obtaining crystals of large integral membrane proteins, they initially focused on a non-voltage-gated K channel, termed KcsA, from a bacterium. This channel is advantageous for crystallography as it can be expressed at high levels for purification, is relatively small, and has a simple transmembrane topology similar to that of the inward-rectifying K+ channel in higher organisms, including mammals (Figure 8-11B).

اولین تحلیل کریستالوگرافی اشعه ایکس با وضوح بالا از معماری مولکولی ناحیه منافذ یک کانال انتخابی یونی توسط راد مک کینون و همکارانش ارائه شد. برای غلبه بر مشکلات ذاتی در به دست آوردن کریستال‌های پروتئین‌های غشایی انتگرال بزرگ، آنها در ابتدا بر روی یک کانال K غیر ولتاژدار به نام KcsA از یک باکتری تمرکز کردند. این کانال برای کریستالوگرافی سودمند است زیرا می‌تواند در سطوح بالا برای خالص سازی بیان شود، نسبتا کوچک است، و دارای توپولوژی گذرنده ساده شبیه به کانال +K اصلاح کننده به داخل در موجودات بالاتر، از جمله پستانداران است (شکل 8-11B).

The crystal structure of the KcsA protein provides several important insights into the mechanisms by which the channel facilitates the movement of K+ ions across the hydrophobic lipid bilayer. The channel is made up of four identical subunits arranged symmetrically around a central pore (Figure 8-12A). Each subunit has two membrane-spanning α-helixes, an inner and outer helix. They are connected by the P-loop, which forms the selectivity filter of the channel. The amino acid sequence of these subunits is homologous to that of the S5-P-S6 region of vertebrate voltage-gated K+ channels. The two α-helixes of each subunit tilt away from the central axis of the pore such that the structure resembles an inverted tepee (Figure 8-12B,C).

ساختار کریستالی پروتئین KcsA چندین بینش مهم را در مورد مکانیسم‌هایی ارائه می‌دهد که توسط آن کانال حرکت یون‌های +K را در دو لایه لیپیدی آبگریز تسهیل می‌کند. کانال از چهار زیر واحد یکسان تشکیل شده است که به طور متقارن در اطراف یک منفذ مرکزی چیده شده اند (شکل 8-12A). هر زیرواحد دارای دو مارپیچ α در پوشش غشایی است، یک مارپیچ داخلی و خارجی. آنها توسط حلقه P متصل می‌شوند که فیلتر انتخاب کانال را تشکیل می‌دهد. توالی اسید آمینه این زیرواحدها همولوگ با ناحیه S5-P-S6 کانال‌های +K دارای ولتاژ مهره داران است. دو مارپیچ α هر زیرواحد از محور مرکزی منفذ دور می‌شوند به طوری که ساختار شبیه یک تپه معکوس است (شکل 8-12B,C).

The four inner α-helixes from each of the subunits line the cytoplasmic end of the pore. At the intracellular mouth of the channel, these four helixes cross, forming a very narrow opening the “smoke hole” of the tepee. Because this hole is too small to allow passage of K+ ions, the crystal structure is presumed to represent the channel in the closed state. The inner helixes are homologous to the S6 membrane-spanning segment of voltage-gated K+ channels (Figure 8-11A). At the extracellular end of the channel, the transmembrane helixes in each subunit are connected by a region consisting of three elements: (1) a chain of amino acids that surrounds the mouth of the channel (the turret region), (2) an abbreviated α-helix (the pore helix) approximately 10 amino acids in length that projects toward the central axis of the pore, and (3) a stretch of 5 amino acids near the C-terminal end of the P-region that forms the selectivity filter.

چهار مارپیچ α درونی از هر یک از زیر واحدها انتهای سیتوپلاسمی‌حفره را می‌پوشانند. در دهانه درون سلولی کانال، این چهار مارپیچ متقاطع می‌شوند و یک دهانه بسیار باریک “سوراخ دود” تپه را تشکیل می‌دهند. از آنجایی که این سوراخ برای عبور یون‌های +K بسیار کوچک است، فرض می‌شود که ساختار کریستالی کانال را در حالت بسته نشان می‌دهد. مارپیچ‌های داخلی با بخش پوشاننده غشاء S6 کانال‌های +K دارای ولتاژ همولوگ هستند (شکل 8-11A). در انتهای خارج سلولی کانال، مارپیچ‌های گذرنده در هر زیر واحد توسط ناحیه ای متشکل از سه عنصر به هم متصل می‌شوند: (1) زنجیره ای از اسیدهای آمینه که دهانه کانال را احاطه کرده است (ناحیه برجک)، (2) به اختصار مارپیچ α (مارپیچ منافذ) تقریباً 10 اسید آمینه طول دارد که به سمت محور مرکزی منفذ بیرون می‌آید و (3) کشش 5. اسیدهای آمینه نزدیک انتهای C ترمینال ناحیه P که فیلتر انتخابی را تشکیل می‌دهد.

The shape and structure of the pore determine its ion-conducting properties. Both the inner and outer mouths of the pore are lined with acidic amino acids whose negative charges help attract cations from the bulk solution. Going from inside to outside, the pore consists of a medium-wide tunnel, 18 Å in length, which leads into a wider (10 Å diameter) spherical inner chamber. This chamber is lined predominantly by the side chains of hydrophobic amino acids. These relatively wide regions are followed by the very narrow selectivity filter, only 12 Å in length, which is rate-limiting for the passage of K+ ions. A high K+ ion throughput rate is ensured by the fact that the inner 28 Å of the pore, from the cytoplasmic entrance to the selectivity filter, lacks polar groups that could delay ion passage by binding and unbinding the ion (Figure 8-12C,D).

شکل و ساختار منافذ مشخص کننده خاصیت رسانایی یونی آن است. هر دو دهانه داخلی و خارجی منافذ با اسیدهای آمینه اسیدی پوشیده شده اند که بارهای منفی آنها به جذب کاتیون‌ها از محلول توده کمک می‌کند. با رفتن از داخل به خارج، منافذ از یک تونل با پهنای متوسط ​​به طول 18 اینچ تشکیل شده است که به یک محفظه داخلی کروی گسترده تر (قطر 10 اینچ) منتهی می‌شود. این محفظه عمدتاً توسط زنجیره‌های جانبی اسیدهای آمینه آبگریز پوشیده شده است. این نواحی نسبتاً وسیع توسط فیلتر انتخابی بسیار باریک، تنها 12 Å طول دنبال می‌شوند که سرعت عبور یون‌های +K را محدود می‌کند. نرخ توان بالای یون +K با این واقعیت تضمین می‌شود که 28 Å داخلی حفره، از ورودی سیتوپلاسمی‌تا فیلتر انتخابی، فاقد گروه‌های قطبی است که می‌توانند عبور یون را با اتصال و جدا کردن یون به تاخیر بیندازند (شکل 8-12C،D). 

An ion passing from the polar solution through the nonpolar lipid bilayer encounters the least energetically favorable region in the middle of the bilayer. The large energy difference between these two regions for a K+ ion is minimized by two details of channel structure. The inner chamber is filled with water, which provides a highly polar environment, and the pore helixes provide dipoles whose electronegative carboxyl ends point toward this inner chamber (Figure 8-12C).

یونی که از محلول قطبی از طریق دولایه لیپیدی غیرقطبی عبور می‌کند، با کمترین منطقه مطلوب انرژی در وسط لایه دوگانه مواجه می‌شود. اختلاف انرژی زیاد بین این دو ناحیه برای یک یون K با دو جزئیات ساختار کانال به حداقل می‌رسد. محفظه داخلی با آب پر شده است که محیطی بسیار قطبی را فراهم می‌کند و مارپیچ‌های منفذی دوقطبی را ایجاد می‌کنند که انتهای کربوکسیل الکترونگاتیو آنها به سمت این محفظه داخلی است (شکل 8-12C).

The high energetic cost incurred as a K* ion sheds its waters of hydration is partially compensated by the presence of 20 electronegative oxygen atoms that line the walls of the selectivity filter and form favorable electrostatic interactions with the permeant ions. Each of the four subunits contributes four main-chain carbonyl oxygen atoms from the protein backbone and one side-chain hydroxyl oxygen atom to form a total of four binding sites for K+ ions. Each bound K+ ion is thus stabilized by interactions with a total of eight oxygen atoms, which lie in two planes above and below the bound cation. In this way, the channel is able to compensate for the loss of the K+ ion’s waters of hydration. The selectivity filter is stabilized at a critical width, such that it provides optimal electrostatic inter- actions with K+ ions as they pass but is too wide for the smaller Na+ ions to interact effectively with all eight oxygen atoms at any point along the length of the filter (Figure 8-12C).

هزینه انرژی بالای متحمل شده در زمانی که یون +K آب هیدراتاسیون خود را می‌ریزد تا حدی با حضور 20 اتم اکسیژن الکترونگاتیو که دیواره‌های فیلتر انتخابی را پوشانده اند و برهمکنش‌های الکترواستاتیکی مطلوبی را با یون‌های نفوذی تشکیل می‌دهند جبران می‌شود. هر یک از چهار زیرواحد چهار اتم اکسیژن کربونیل زنجیره اصلی را از ستون فقرات پروتئین و یک اتم اکسیژن هیدروکسیل زنجیره جانبی تشکیل می‌دهند تا در مجموع چهار محل اتصال برای یون‌های +K را تشکیل دهند. بنابراین، هر یون +K متصل با برهمکنش با مجموع هشت اتم اکسیژن، که در دو صفحه در بالا و پایین کاتیون محدود قرار دارند، تثبیت می‌شود. به این ترتیب کانال قادر به جبران از دست دادن آب هیدراتاسیون یون +K است. فیلتر گزینش پذیری در عرض بحرانی تثبیت می‌شود، به طوری که برهمکنش‌های الکترواستاتیکی بهینه را با یون‌های +K در حین عبور فراهم می‌کند، اما برای یون‌های +Na کوچکتر آنقدر عریض است که نمی‌توانند به طور مؤثر با هر هشت اتم اکسیژن در هر نقطه در طول امتداد تعامل داشته باشند. فیلتر (شکل 8-12C).

In light of the extensive interactions between a Kion and the channel, how does the KcsA channel manage its high rate of conduction? Although the channel contains a total of five potential binding sites for K+ ions, X-ray analysis shows that the channel can be occupied by at most three K+ ions at any instant. One ion is normally present in the wide inner chamber, and two ions occupy two of the four binding sites within the selectivity filter (Figure 8-12D).

با توجه به تعاملات گسترده بین یک کیون و کانال، کانال KcsA چگونه سرعت بالای هدایت خود را مدیریت می‌کند؟ اگرچه این کانال در مجموع دارای پنج محل اتصال بالقوه برای یون‌های +K است، تجزیه و تحلیل اشعه ایکس نشان می‌دهد که کانال می‌تواند در هر لحظه حداکثر توسط سه یون +K اشغال شود. یک یون به طور معمول در محفظه داخلی وسیع وجود دارد و دو یون دو تا از چهار محل اتصال درون فیلتر انتخابی را اشغال می‌کنند (شکل 8-12D).

Figure 8-12 The X-ray crystal structure of a bacterial potassium channel. (Reproduced, with permission, from Doyle et al. 1998. Copyright © 1998 AAAS.)

شکل 8-12 ساختار کریستالی اشعه ایکس یک کانال پتاسیم باکتریایی. (تکثیر، با اجازه، از دویل و همکاران. 1998. حق چاپ © 1998 AAAS.)

A. The view is looking down the channel pore from outside the cell. Each of the four subunits of the KcsA K+ channel contributes two membrane-spanning helixes, an outer helix (blue) and an inner helix (red). The P-region (white) lies near the extracellular surface of the channel pore and consists of a short α-helix (pore helix) and a loop that forms the selectivity filter of the channel. In the center of the pore is a K+ ion (pink).

الف. نمای از بیرون سلول به منافذ کانال نگاه می‌کند. هر یک از چهار زیر واحد کانال +KcsA K دارای دو مارپیچ پوشاننده غشایی است، یک مارپیچ بیرونی (آبی) و یک مارپیچ داخلی (قرمز). ناحیه P (سفید) در نزدیکی سطح خارج سلولی منافذ کانال قرار دارد و از یک مارپیچ α کوتاه (مارپیچ منافذ) و یک حلقه تشکیل شده است که فیلتر انتخاب کانال را تشکیل می‌دهد. در مرکز منافذ یک یون +K (صورتی) قرار دارد.

B. The channel is seen in a side view within a cross section of the membrane. The four subunits are shown in different colors.

ب- کانال در نمای جانبی در یک مقطع از غشا دیده می‌شود. چهار زیر واحد در رنگ‌های مختلف نشان داده شده است.

C. Another view in the same orientation as in part B shows only two of the four subunits. The channel contains five K+ binding sites (dashed). Four of the sites lie in the selectivity filter (yellow), while the fifth site lies in an inner chamber near the center of the channel. The four K+ binding sites of the selectivity filter are formed by successive rings of oxygen atoms (red) from five amino acid residues per subunit. Four of the rings are formed by carbonyl oxygen atoms from the main chain backbone of four consecutive amino acid residues-glycine (G), tyrosine (Y), glycine (G), and valine (V). A fifth ring of oxygen near the internal end of the selectivity filter is formed by the side-chain hydroxyl oxygen of threonine (T). Each ring contains four oxygen atoms, one from each subunit. Only the oxygen atoms from two of the four subunits are shown in this view. (Reproduced, with permission, from Morais-Cabral et al. 2001. Copyright 2001 Springer Nature.)

ج. نمای دیگری در همان جهت که در قسمت B وجود دارد، تنها دو مورد از چهار زیر واحد را نشان می‌دهد. این کانال شامل پنج محل اتصال +K (خط چین) است. چهار تا از سایت‌ها در فیلتر انتخابی (زرد) قرار دارند، در حالی که سایت پنجم در یک محفظه داخلی نزدیک مرکز کانال قرار دارد. چهار محل اتصال +K فیلتر انتخابی توسط حلقه‌های متوالی اتم‌های اکسیژن (قرمز) از پنج باقی مانده اسید آمینه در هر زیر واحد تشکیل می‌شوند. چهار حلقه از اتم‌های اکسیژن کربونیل از ستون فقرات زنجیره اصلی چهار باقی مانده اسید آمینه متوالی – گلیسین (G)، تیروزین (Y)، گلیسین (G) و والین (V) تشکیل شده اند. حلقه پنجم اکسیژن در نزدیکی انتهای داخلی فیلتر انتخابی توسط اکسیژن هیدروکسیل زنجیره جانبی ترئونین (T) تشکیل می‌شود. هر حلقه شامل چهار اتم اکسیژن است که یکی از هر زیر واحد است. فقط اتم‌های اکسیژن دو زیرواحد از چهار زیرواحد در این نما نشان داده شده‌اند. (تکثیر، با اجازه، از Morais-Cabral و همکاران. 2001. حق چاپ 2001 Springer Nature.)

D. A view of K+ ion permeation through the channel illustrates the sequence of changes in occupancy of the various K+ binding sites. A pair of ions hops in concert between a pair of binding sites in the selectivity filter. In the initial state, the “outer configuration,” a pair of ions is bound to sites 1 and 3. As an ion enters the inner mouth of the channel, the ion in the inner chamber jumps to occupy the innermost binding site of the selectivity filter (site 4). This causes the pair of ions in the outer configuration to hop outward, expelling an ion from the channel. The two ions now in the inner configuration (sites 2 and 4) can hop to binding sites 1 and 3, returning the channel to its initial state (the outer configuration), from which it can conduct a second K+ ion. (Adapted, with permission, from Miller 2001. Copyright © 2001 Springer Nature.)

د. نمایی از نفوذ یون +K از طریق کانال، توالی تغییرات در اشغال مکان‌های مختلف اتصال +K را نشان می‌دهد. یک جفت یون به طور هماهنگ بین یک جفت محل اتصال در فیلتر انتخابی پرش می‌کنند. در حالت اولیه، «پیکربندی بیرونی»، یک جفت یون به مکان‌های 1 و 3 متصل می‌شود. با ورود یون به دهانه داخلی کانال، یون در محفظه داخلی می‌پرد تا داخلی‌ترین محل اتصال گزینش پذیری را اشغال کند. فیلتر (سایت 4). این باعث می‌شود که جفت یون در پیکربندی بیرونی به بیرون پرش کرده و یک یون را از کانال خارج کند. دو یون اکنون در پیکربندی داخلی (محل 2 و 4) می‌توانند به مکان‌های اتصال 1 و 3 پرش کرده و کانال را به حالت اولیه خود (پیکربندی بیرونی) برگردانند، که از آنجا می‌تواند یون +K دوم را هدایت کند. (اقتباس شده، با اجازه، از Miller 2001. حق چاپ © 2001 Springer Nature.)

These structural data led to the following hypothesis. Because of electrostatic repulsion, two K+ ions never simultaneously occupy adjacent binding sites within the selectivity filter; rather, a water molecule is always interposed between K+ ions. During conduction, a pair of K+ ions within the selectivity filter hop in tandem between pairs of binding sites. If only one ion were in the selectivity filter, it would be bound rather tightly, and the throughput rate for ion permeation would be compromised. But the mutual electrostatic repulsion between two K+ ions occupying nearby sites ensures that the ions will linger only briefly, thus resulting in a high overall rate of K+ conduction.

این داده‌های ساختاری منجر به فرضیه زیر شد. به دلیل دافعه الکترواستاتیک، دو یون +K هرگز به طور همزمان مکان‌های اتصال مجاور را در فیلتر انتخابی اشغال نمی‌کنند. بلکه یک مولکول آب همیشه بین یون‌های +K قرار می‌گیرد. در طول رسانش، یک جفت یون +K در فیلتر گزینش پذیری به صورت پشت سر هم بین جفت محل اتصال پرش می‌کنند. اگر فقط یک یون در فیلتر گزینش‌پذیری وجود داشت، نسبتاً محکم بسته می‌شد و نرخ توان برای نفوذ یون به خطر می‌افتد. اما دافعه الکترواستاتیکی متقابل بین دو یون +K که مکان‌های مجاور را اشغال می‌کنند، تضمین می‌کند که یون‌ها فقط برای مدت کوتاهی باقی می‌مانند، بنابراین منجر به نرخ کلی بالای هدایت +K می‌شود.

The form of the KcsA selectivity filter appears to be highly conserved among various types of mammalian voltage-gated K+ channels. However, more recent studies by MacKinnon and colleagues have revealed how variations in geometric and surface charge features below the selectivity filter of this canonical pore can cause some voltage-gated K+ channels to differ markedly in single-channel conductance and in affinity for various open channel blockers.

شکل فیلتر انتخابی KcsA به نظر می‌رسد که در انواع مختلف کانال‌های پتاسیم ولتاژ-مستقل پستانداران به شدت حفظ شده است. اما مطالعات اخیر مک‌کینون و همکارانش نشان داده‌اند که چگونه تغییرات در ویژگی‌های هندسی و بار سطحی زیر فیلتر انتخابی این منفذ کلاسیک می‌تواند باعث شود که برخی کانال‌های پتاسیم ولتاژ-مستقل به طور قابل توجهی در هدایت تک‌کاناله و در تمایل به مسدودکننده‌های مختلف کانال باز متفاوت باشند.

The snug fit between the K+ channel selectivity filter and K+ ions that helps explain the unusually high selectivity of these channels is not representative of all channel types. As we shall see in later chapters, in many channels pore diameters are significantly wider than the principal permeating ion, contributing to a lower degree of selectivity.

تناسب مناسب بین فیلتر انتخاب کانال +K و یون‌های +K که به توضیح گزینش پذیری غیرمعمول بالای این کانال‌ها کمک می‌کند، نماینده همه انواع کانال‌ها نیست. همانطور که در فصل‌های بعدی خواهیم دید، در بسیاری از کانال‌ها قطر منافذ به طور قابل توجهی گسترده تر از یون اصلی نفوذ کننده است که به درجه انتخاب پذیری کمتری کمک می‌کند.

X-Ray Crystallographic Analysis of Voltage-Gated Potassium Channel Structures Provides Insight into Mechanisms of Channel Gating

تجزیه و تحلیل کریستالوگرافی اشعه ایکس ساختارهای کانال پتاسیم دارای دریچه ولتاژ بینشی در مورد مکانیسم‌های دریچه کانال ارائه می‌دهد

As described earlier, the S4 segment of voltage-gated ion channels is thought to be the voltage sensor that detects changes in membrane potential. How do the positive charges in S4 move through the membrane electric field in response to a change in membrane potential? How is S4 movement coupled to gating? What is the relationship of the voltage-sensing region to the pore-forming region of the channel? What is the configuration of the open channel? Some answers to these questions have come from X-ray crystallographic analyses of mammalian voltage-gated K+ channels, as well as from a number of studies using mutagenesis and other biophysical approaches. MacKinnon and colleagues studied the mammalian voltage-gated Kv1.2 K+ channel, as well as a closely related chimera Kv1.2-Kv2.1, which yielded higher-resolution images.

همانطور که قبلاً توضیح داده شد، گمان می‌رود که بخش S4 کانال‌های یونی دارای ولتاژ، حسگر ولتاژی باشد که تغییرات پتانسیل غشا را تشخیص می‌دهد. بارهای مثبت در S4 چگونه در پاسخ به تغییر پتانسیل غشا در میدان الکتریکی غشاء حرکت می‌کنند؟ حرکت S4 چگونه با گیتینگ همراه است؟ رابطه ناحیه حسگر ولتاژ با ناحیه منفذ ساز کانال چیست؟ پیکربندی کانال باز چگونه است؟ برخی از پاسخ‌ها به این سؤالات از تحلیل‌های کریستالوگرافی اشعه ایکس کانال‌های +K دردار ولتاژ پستانداران، و همچنین از تعدادی از مطالعات با استفاده از جهش‌زایی و سایر رویکردهای بیوفیزیکی به دست آمده است. مک کینون و همکارانش کانال +Kv1.2 K دردار ولتاژ پستانداران و همچنین یک واهی نزدیک به Kv1.2-Kv2.1 را مورد مطالعه قرار دادند که تصاویری با وضوح بالاتر به دست دادند.

Their analysis of X-ray crystal structures of the Kv1.2 channel and the Kv1.2-2.1 chimera showed that a K+ channel subunit has two domains. The S1-S4 segments form a voltage-sensing domain at the periphery of the channel, whereas the S5-P-S6 segments form the pore domain at the central axis of the channel. The two domains are linked at their intracellular ends by the short S4-S5 coupling helix (Figure 8-13). The idea that the S1-S4 voltage sensor is a separate domain is supported by the fact that certain bacterial proteins contain S1-S4 domains but lack a pore domain. One such protein is a voltage-sensitive phosphatase, while another forms a voltage-gated proton channel. Conversely, the inward-rectifying K+ channels (Figure 8-11B) have a high K+ selectivity but are not directly gated by voltage because they lack the voltage sensor domain.

تجزیه و تحلیل آنها از ساختارهای کریستالی اشعه ایکس کانال Kv1.2 و واهی Kv1.2-2.1 نشان داد که یک زیر واحد کانال +K دارای دو حوزه است. بخش‌های S1-S4 یک دامنه سنجش ولتاژ را در حاشیه کانال تشکیل می‌دهند، در حالی که بخش‌های S5-P-S6 حوزه منفذی را در محور مرکزی کانال تشکیل می‌دهند. این دو حوزه در انتهای درون سلولی خود توسط مارپیچ جفت کننده کوتاه S4-S5 به هم متصل شده اند (شکل 8-13). این ایده که سنسور ولتاژ S1-S4 یک دامنه جداگانه است با این واقعیت پشتیبانی می‌شود که پروتئین‌های باکتریایی خاص حاوی دامنه‌های S1-S4 هستند اما فاقد دامنه منافذ هستند. یکی از این پروتئین‌ها یک فسفاتاز حساس به ولتاژ است، در حالی که دیگری یک کانال پروتونی با ولتاژ ایجاد می‌کند. برعکس، کانال‌های +K اصلاح‌شونده به داخل (شکل 8-11B) دارای گزینش‌پذیری +K بالایی هستند، اما مستقیماً توسط ولتاژ دریچه نمی‌شوند زیرا فاقد دامنه سنسور ولتاژ هستند.

The crystal structures also help clarify what happens when the channel opens. Studies by Clay Armstrong in the 1960s suggested that a gate exists at the intracellular mouth of voltage-gated K+ channels of higher organisms. He found that small organic cations such as tetraethylammonium (TEA) can enter and block the channel only when this internal gate is opened by depolarization. As described earlier, in the closed bacterial K+ channels the four inner trans- membrane helixes, which correspond to the S6 helixes in voltage-gated K+ channels, meet at a tight bundle crossing at their cytoplasmic ends to form the closed gate of the channel (Figure 8-12). In contrast, the S6 helix of the Kv1.2-2.1 chimera is bent at a flexible three- amino-acid hinge (proline-valine-proline), causing the inner end of the helix to bend outward. This configuration results in an open channel conformation with an internal orifice that is dilated to 12 Å in diameter, wide enough to pass fully hydrated K+ ions as well as larger cations such as TEA (Figures 8-13 and 8-14C). Once inside the channel lumen, TEA blocks K+ permeation because it is too large to pass through the selectivity filter. It is not surprising that the Kv channel is in the open state, as there is no voltage gradient across the channel in the crystals. This is similar to the situation in a membrane that has been depolarized to 0 mV, a voltage at which the channels are normally open. This opening mechanism is likely to be a general one because the inner helixes of many K+ channels in bacteria and higher organisms also have a flexible hinge at this position.

ساختارهای کریستالی همچنین به روشن شدن آنچه که هنگام باز شدن کانال اتفاق می‌افتد کمک می‌کند. مطالعات انجام شده توسط کلی آرمسترانگ در دهه 1960 نشان داد که یک دروازه در دهانه درون سلولی کانال‌های +K دارای ولتاژ موجودات بالاتر وجود دارد. او دریافت که کاتیون‌های آلی کوچک مانند تترا اتیل آمونیوم (TEA) تنها زمانی می‌توانند وارد کانال شوند و کانال را مسدود کنند که این دروازه داخلی با دپلاریزاسیون باز شود. همانطور که قبلاً توضیح داده شد، در کانال‌های بسته باکتریایی +K، چهار مارپیچ غشایی داخلی، که مربوط به مارپیچ‌های S6 در کانال‌های +K دارای ولتاژ هستند، در یک تلاقی باندل محکم در انتهای سیتوپلاسمی‌خود به هم می‌رسند تا دروازه بسته کانال را تشکیل دهند. (شکل 8-12). در مقابل، مارپیچ S6 کایمرا Kv1.2-2.1 در یک لولای انعطاف پذیر سه آمینو اسیدی (پرولین-والین-پرولین) خم می‌شود و باعث می‌شود انتهای داخلی مارپیچ به سمت بیرون خم شود. این پیکربندی منجر به یک ترکیب کانال باز با دهانه داخلی می‌شود که به قطر 12 Å گشاد شده است، به اندازه کافی پهن است تا یون‌های +K کاملا هیدراته و همچنین کاتیون‌های بزرگتر مانند TEA را عبور دهد (شکل‌های 8-13 و 8-14C). هنگامی‌که در لومن کانال قرار می‌گیرد، TEA نفوذ +K را مسدود می‌کند زیرا برای عبور از فیلتر انتخاب پذیری بسیار بزرگ است. جای تعجب نیست که کانال Kv در حالت باز است، زیرا هیچ گرادیان ولتاژی در طول کانال در کریستال‌ها وجود ندارد. این شبیه وضعیت غشایی است که تا 0 میلی ولت دپلاریزه شده است، ولتاژی که در آن کانال‌ها معمولاً باز هستند. این مکانیسم باز کردن احتمالاً یک مکانیزم کلی است زیرا مارپیچ‌های داخلی بسیاری از کانال‌های +K در باکتری‌ها و ارگانیسم‌های بالاتر نیز دارای یک لولای انعطاف‌پذیر در این موقعیت هستند.

One long-standing question concerns the placement and movement of the gating charges on the S4 segment voltage sensor. As mentioned earlier, movement of these charges within the plane of the membrane in response to changes in membrane potential is thought to couple membrane depolarization to channel gating. However, placement of charges within the hydrophobic membrane results in an unfavorable energy state, as discussed earlier for free ions in solutions. How do ion channels compensate for this unfavorable free energy?

یک سوال طولانی مدت مربوط به قرارگیری و حرکت بارهای دروازه ای در سنسور ولتاژ سگمنت S4 است. همانطور که قبلاً ذکر شد، حرکت این بارها در صفحه غشاء در پاسخ به تغییرات پتانسیل غشا، تصور می‌شود که دپلاریزاسیون غشاء را به دروازه کانال متصل می‌کند. با این حال، قرار دادن بارها در غشای آبگریز منجر به یک حالت انرژی نامطلوب می‌شود، همانطور که قبلا برای یون‌های آزاد در محلول‌ها بحث شد. چگونه کانال‌های یونی این انرژی آزاد نامطلوب را جبران می‌کنند؟

Figure 8-13 X-ray crystal structure of a voltage-gated potassium channel. (Adapted, with permission, from Long et al. 2007. Copyright © 2007 Springer Nature.)

شکل 8-13 ساختار کریستالی اشعه ایکس یک کانال پتاسیم دارای ولتاژ. (اقتباس شده، با اجازه، از لانگ و همکاران 2007. حق چاپ © 2007 Springer Nature.)

A. Top: In addition to its six transmembrane a-helixes (S1-S6), a voltage-gated K+ channel subunit contains a short a-helix (the P helix) that is part of the P-region selectivity filter, as well as an a-helix on the cytoplasmic side of the membrane that connects transmembrane helixes S4 and S5 (4-5 coupling helix). Bottom: An X-ray structural model of a single subunit shows the positions of the six membrane-spanning helixes, the P helix, and the 4-5 coupling helix. The S1-S4 voltage-sensing region and S5-P-S6 pore-forming regions are localized in separate domains. Two K+ ions bound in the pore are shown in pink.

A. بالا: علاوه بر شش مارپیچ a گذرنده (S1-S6)، یک زیر واحد کانال +K دارای ولتاژ دارای یک مارپیچ کوتاه (مارپیچ P) است که بخشی از فیلتر انتخابی ناحیه P است، همچنین به عنوان یک مارپیچ a در سمت سیتوپلاسمی‌غشاء که مارپیچ‌های گذرنده S4 و S5 را به هم متصل می‌کند (مارپیچ جفت کننده 4-5). پایین: یک مدل ساختاری اشعه ایکس از یک زیر واحد، موقعیت شش مارپیچ پوشاننده غشاء، مارپیچ P و مارپیچ جفت کننده 4-5 را نشان می‌دهد. ناحیه حسگر ولتاژ S1-S4 و نواحی منفذ ساز S5-P-S6 در حوزه‌های جداگانه محلی سازی شده اند. دو یون +K متصل در منافذ به رنگ صورتی نشان داده شده اند.

B. In this side view of the channel, each subunit is a different color. Subunit 6 (red) is in the same orientation as in part A.

ب- در این نمای جانبی کانال، هر زیر واحد رنگ متفاوتی دارد. زیرواحد 6 (قرمز) در همان جهتی است که در قسمت A وجود دارد.

The crystal structure provides some answers to this question. Mutagenesis studies indicate that four positively charged arginine residues in the external half of the S4 segment are likely to carry most of the gating charge. In the open state, the four positive charges face outward toward the extracellular side of the membrane, where they may undergo energetically favorable interactions with water or with the negatively charged head groups of the phospholipid bilayer. Positive charges on other S4 residues that lie more deeply within the lipid bilayer are stabilized by interactions with negatively charged acidic residues on the S1-S3 transmembrane helixes.

ساختار کریستالی پاسخ‌هایی به این سوال ارائه می‌دهد. مطالعات جهش زایی نشان می‌دهد که چهار باقیمانده آرژنین با بار مثبت در نیمه خارجی بخش S4 احتمالاً بیشتر بار دروازه را حمل می‌کنند. در حالت باز، چهار بار مثبت به سمت بیرون به سمت خارج سلولی غشاء قرار دارند، جایی که ممکن است برهمکنش‌های انرژی مثبتی با آب یا با گروه‌های سر با بار منفی لایه دوگانه فسفولیپیدی داشته باشند. بارهای مثبت روی باقی مانده‌های S4 که در عمق بیشتری در لایه دوتایی لیپیدی قرار دارند، با برهمکنش با باقی مانده‌های اسیدی با بار منفی روی مارپیچ‌های گذرنده S1-S3 تثبیت می‌شوند.

At present, a crystal structure for the closed state of the Kv1.2-Kv2.1 chimera is lacking. However, MacKinnon and colleagues have proposed a plausible model for voltage gating based on the structures of the open voltage-gated K+ channel and the closed bacterial K channel KcsA (Figure 8-14). According to this model, a negative voltage inside the cell exerts a force on the positively charged S4 helix that causes it to move inward by about 1.0 to 1.5 nm. As a result, the four positively charged S4 residues, which in the depolarized state face the external environment and sense the extracellular potential, now face the intra- cellular side of the membrane and sense the intracellular potential. In this manner, movement of each S4 segment will translocate 3 to 4 gating charges across the membrane electric field as the channel transitions between the closed and open states, for a total of 12 to 16 charges moved per tetrameric channel. This number is similar to the total gating charge movement deter- mined from biophysical measurements (Chapter 10).

در حال حاضر، ساختار بلوری برای حالت بسته واهی Kv1.2-Kv2.1 وجود ندارد. با این حال، مک کینون و همکارانش یک مدل قابل قبول برای دریچه ولتاژ بر اساس ساختارهای کانال +K دردار با ولتاژ باز و کانال K باکتریایی بسته KcsA ارائه کرده اند (شکل 8-14). طبق این مدل، یک ولتاژ منفی در داخل سلول، نیرویی بر مارپیچ S4 با بار مثبت وارد می‌کند که باعث می‌شود حدود 1.0 تا 1.5 نانومتر به سمت داخل حرکت کند. در نتیجه، چهار باقیمانده S4 با بار مثبت، که در حالت دپلاریزه با محیط خارجی روبرو می‌شوند و پتانسیل خارج سلولی را حس می‌کنند، اکنون به سمت داخل سلولی غشاء روبرو شده و پتانسیل درون سلولی را حس می‌کنند. به این ترتیب، حرکت هر قطعه S4، 3 تا 4 بار دریچه ای را در میدان الکتریکی غشاء منتقل می‌کند، زیرا کانال بین حالت‌های بسته و باز جابجا می‌شود، در مجموع 12 تا 16 بار در هر کانال تترامر جابجا می‌شود. این عدد شبیه به کل حرکت بار دروازه ای است که از اندازه گیری‌های بیوفیزیکی تعیین می‌شود (فصل 10).

How are S4 movements coupled to the gate of the channel? According to the model, when the membrane voltage becomes negative, the resulting inward movement of the S4 segment exerts a downward force on the S4-S5 coupling helix. This helix, which lies roughly parallel to the membrane at its cytoplasmic surface, rests on the inner end of the S6 helix gate in the open state. As the S4-S5 helix moves downward, it acts as a lever, applying force to S6 and closing the gate. Thus, voltage- gating is thought to rely on the electromechanical coupling between the voltage-sensing domain and the pore domain of the channel. Although this electromechanical coupling model provides a satisfying picture of how changes in membrane voltage lead to channel gating, a definitive answer to this key problem will require resolution of the structure of the closed state of a related voltage-gated mammalian K+ channel.

حرکات S4 چگونه به دروازه کانال متصل می‌شوند؟ طبق مدل، وقتی ولتاژ غشاء منفی می‌شود، حرکت به سمت داخل قطعه S4 نیروی رو به پایین بر روی مارپیچ جفت S4-S5 وارد می‌کند. این مارپیچ که تقریباً به موازات غشاء در سطح سیتوپلاسمی‌آن قرار دارد، در انتهای داخلی دروازه مارپیچ S6 در حالت باز قرار دارد. همانطور که مارپیچ S4-S5 به سمت پایین حرکت می‌کند، به عنوان یک اهرم عمل می‌کند و به S6 نیرو وارد می‌کند و دروازه را می‌بندد. بنابراین تصور می‌شود که ولتاژ-دریایی به جفت الکترومکانیکی بین حوزه حسگر ولتاژ و حوزه منافذ کانال متکی است. اگرچه این مدل کوپلینگ الکترومکانیکی تصویر رضایت‌بخشی از اینکه چگونه تغییرات ولتاژ غشاء منجر به دروازه‌بندی کانال می‌شود، ارائه می‌کند، اما پاسخ قطعی به این مشکل کلیدی مستلزم حل ساختار وضعیت بسته یک کانال +K پستانداران دارای ولتاژ است.

Figure 8-14 Model for voltage gating based on X-ray crystal structures of two potassium channels. In each part of the figure, the drawing on the left shows the actual structure of the open voltage-gated Kv1.2-2.1 chimera, while the drawing on the right shows the hypothetical structure of a closed voltage-gated K+ channel, based in part on the structure of the pore region of the bacterial K+ channel KcsA in the closed state. (Adapted, with permission, by Yu- hang Chen from Long et al. 2007. Copyright © 2007 Springer Nature.)

شکل 8-14 مدل برای گیتینگ ولتاژ بر اساس ساختارهای کریستالی اشعه ایکس دو کانال پتاسیم. در هر قسمت از شکل، نقاشی سمت چپ ساختار واقعی کایمرا با دریچه ولتاژ باز Kv1.2-2.1 را نشان می‌دهد، در حالی که نقاشی سمت راست ساختار فرضی یک کانال +K دریچه ولتاژ بسته را نشان می‌دهد. بخشی از ساختار ناحیه منافذ کانال +K باکتری KcsA در حالت بسته. (اقتباس شده، با اجازه، توسط یو‌هانگ چن از لانگ و همکاران. 2007. حق چاپ © 2007 Springer Nature.)

A. A view looking down on the open and closed channel from outside the cell. The central pore is constricted in the closed state, preventing K+ flow through the channel.

الف. نمایی که از بیرون سلول به کانال باز و بسته نگاه می‌کند. منافذ مرکزی در حالت بسته منقبض می‌شود و از عبور +K از کانال جلوگیری می‌کند.

B. A view of the S1-S4 voltage-sensing domain from the side, parallel to the plane of the membrane. Positively charged residues in S4 are shown as blue sticks. In the open state, when the membrane is depolarized, four positive charges on the S4 helix are located in the external half of the membrane, facing the external solution. The positive charges in the interior of the membrane are stabilized by interactions with negatively charged residues in S1 and S2 (red sticks). In the closed state, when the membrane potential is negative, the S4 region moves inward so that its positive charges now lie in the inner half of the membrane. The inward movement of S4 causes the cytoplasmic S4-S5 coupling helix (orange) to move downward.

ب. نمایی از دامنه سنجش ولتاژ S1-S4 از کنار، موازی با صفحه غشاء. باقیمانده‌های دارای بار مثبت در S4 به صورت چوب آبی نشان داده می‌شوند. در حالت باز، زمانی که غشا دپلاریزه می‌شود، چهار بار مثبت روی مارپیچ S4 در نیمه خارجی غشاء و رو به محلول خارجی قرار می‌گیرند. بارهای مثبت در داخل غشاء با فعل و انفعالات با باقیمانده‌های دارای بار منفی در S1 و S2 (چوب‌های قرمز) تثبیت می‌شوند. در حالت بسته، زمانی که پتانسیل غشاء منفی است، ناحیه S4 به سمت داخل حرکت می‌کند به طوری که بارهای مثبت آن اکنون در نیمه داخلی غشا قرار دارد. حرکت S4 به سمت داخل باعث می‌شود که مارپیچ جفت کننده S4-S5 سیتوپلاسمی‌(نارنجی) به سمت پایین حرکت کند.

C. The putative conformational change in the channel pore upon voltage gating. A side view of the tetrameric S5-P-S6 pore region of the channel shows the S4-S5 coupling helix. Membrane repolarization causes the downward movement of the S4-S5 helix, applying force to the S6 inner helix of the pore (blue). This causes the S6 helix to bend at its pro-val-pro hinge, thereby closing the gate of the channel.

ج. تغییر ساختاری فرضی در منافذ کانال بر روی دروازه ولتاژ. نمای جانبی ناحیه منافذ تترامری S5-P-S6 کانال، مارپیچ جفت S4-S5 را نشان می‌دهد. رپولاریزاسیون غشا باعث حرکت رو به پایین مارپیچ S4-S5 می‌شود و به مارپیچ داخلی S6 منفذ (آبی) نیرو وارد می‌کند. این باعث می‌شود مارپیچ S6 در لولای pro-val-pro خم شود و در نتیجه دروازه کانال بسته شود.

Such a direct coupling between the sensing element of a channel (S4/S4-S5 linker) and the pore gate (S6) is found in most voltage-gated K+ channels, as well as in voltage-gated Na+ and Ca2+ channels. However, in many cases, the element of a channel that responds directly to the gating signal is not in direct contact with the channel gate, and instead, an allosteric mechanism propagates the response indirectly by more remote conformational changes. For example, in the voltage-gated K+ channel Kv10, the S4-S5 linker is not in a position to act as a lever on S6. Rather, the inward movement of S4 in response to a negative potential closes the S6 gate indirectly, by laterally compressing the S5 helix, which is packed against the S6 helix. Additional cases of allosteric gating mechanisms are discussed later in the context of inactivation of voltage-gated Na+ channels (Chapter 10) and activation of ligand-gated (Chapters 12 and 13) and mechanically gated channels (Chapter 18).

چنین جفت مستقیمی‌بین عنصر حسگر یک کانال (لینکر S4/S4-S5) و گیت منفذی (S6) در اکثر کانال‌های +K دارای ولتاژ و همچنین در کانال‌های +Na و +Ca2 دارای ولتاژ یافت می‌شود. با این حال، در بسیاری از موارد، عنصر یک کانال که مستقیماً به سیگنال دروازه‌ای پاسخ می‌دهد، در تماس مستقیم با دروازه کانال نیست و در عوض، یک مکانیسم آلوستریک پاسخ را به‌طور غیرمستقیم با تغییرات ساختاری دورتر منتشر می‌کند. به عنوان مثال، در کانال +K با ولتاژ Kv10، اتصال دهنده S4-S5 در موقعیتی نیست که به عنوان یک اهرم در S6 عمل کند. در عوض، حرکت S4 به سمت داخل در پاسخ به یک پتانسیل منفی، با فشرده سازی جانبی مارپیچ S5، که در برابر مارپیچ S6 بسته شده است، دروازه S6 را به طور غیرمستقیم می‌بندد. موارد اضافی از مکانیسم‌های دروازه آلوستریک بعداً در زمینه غیرفعال کردن کانال‌های +Na دارای ولتاژ (فصل 10) و فعال سازی کانال‌های دارای دروازه با لیگاند (فصل 12 و 13) و کانال‌های دارای دروازه مکانیکی (فصل 18) مورد بحث قرار می‌گیرند.

The Structural Basis of the Selective Permeability of Chloride Channels Reveals a Close Relation Between Channels and Transporters

مبنای ساختاری نفوذپذیری انتخابی کانال‌های کلریدی رابطه نزدیک بین کانال‌ها و انتقال دهنده‌ها را نشان می‌دهد.

Ions move across cell membranes by active transport by ion transporters or pumps, as well as by passive diffusion through ion channels. Ion transporters are distinguished from ion channels because (1) they use a source of energy to actively transport ions against their electro- chemical gradients, and (2) they transport ions at rates much lower than ion channels, too low to support fast neuronal signaling. Nevertheless, some types of transporters and certain ion channels have similar structures, according to studies of the CLC family of proteins.

یون‌ها با انتقال فعال توسط ناقل‌های یونی یا پمپ‌ها و همچنین با انتشار غیرفعال از طریق کانال‌های یونی در غشاهای سلولی حرکت می‌کنند. انتقال‌دهنده‌های یونی از کانال‌های یونی متمایز می‌شوند، زیرا (1) از منبع انرژی برای انتقال فعال یون‌ها در برابر گرادیان‌های الکتروشیمیایی خود استفاده می‌کنند، و (2) آنها یون‌ها را با نرخ‌های بسیار پایین‌تر از کانال‌های یونی انتقال می‌دهند، بسیار کم برای پشتیبانی از سیگنال‌های عصبی سریع. با این وجود، طبق مطالعات خانواده پروتئین‌های CLC، برخی از انواع ناقل‌ها و کانال‌های یونی خاص ساختارهای مشابهی دارند.

The CLC proteins expressed in vertebrates consist of a family of Cl channels and a closely related family of Cl-H cotransporters. Cotransporters use the electrochemical gradient of one ion to move another ion against its electrochemical gradient. The CLC CI-H cotransporters, which are expressed in intracellular organelles, transfer two CI ions across the membrane in exchange for one proton. This type of transporter is termed an ion exchanger.

پروتئین‌های CLC بیان شده در مهره داران شامل یک خانواده از کانال‌های Cl و یک خانواده نزدیک از انتقال دهنده‌های Cl-H است. انتقال دهنده‌ها از گرادیان الکتروشیمیایی یک یون برای حرکت یون دیگر در برابر گرادیان الکتروشیمیایی آن استفاده می‌کنند. انتقال‌دهنده‌های CLC CI-H که در اندامک‌های درون سلولی بیان می‌شوند، دو یون CI را در ازای یک پروتون در سراسر غشاء منتقل می‌کنند. این نوع انتقال دهنده را مبدل یونی می‌نامند.

The human voltage-gated CIC-1 channels are important for maintaining the resting potential in skeletal muscle (Chapter 57).

کانال‌های CIC-1 دارای ولتاژ انسانی برای حفظ پتانسیل استراحت در عضلات اسکلتی مهم هستند (فصل 57).

The crystal structures of the human CIC-1 channel and the homologous E. coli CLC exchangers have been determined by MacKinnon and colleagues. They found a close similarity in amino acid sequence to be reflected in a marked overall structural resemblance. Both types of CLC proteins consist of a homodimer composed of two identical subunits. Each subunit forms a separate ion pathway, and the two subunits function independently (Figure 8-15). The structures of the CLC proteins are quite different from those of K* channels. Unlike the pore of a K+ channel, which is widest in the central region, each pore of the CLC protein has an hourglass profile. The neck of the hour- glass, a tunnel 12 Å in length which forms the selectivity filter, is just wide enough to contain three fully dehydrated Cl ions.

ساختارهای کریستالی کانال CIC-1 انسانی و مبدل‌های همولوگ E. coli CLC توسط مک کینون و همکارانش تعیین شده است. آنها شباهت نزدیکی در توالی اسیدهای آمینه یافتند که در یک شباهت ساختاری کلی منعکس می‌شود. هر دو نوع پروتئین CLC از یک همودایمر تشکیل شده است که از دو زیر واحد یکسان تشکیل شده است. هر زیر واحد یک مسیر یونی جداگانه را تشکیل می‌دهد و دو زیر واحد به طور مستقل عمل می‌کنند (شکل 8-15). ساختار پروتئین‌های CLC کاملاً با ساختار کانال‌های +K متفاوت است. برخلاف منافذ یک کانال +K که در ناحیه مرکزی وسیع‌ترین است، هر منافذ پروتئین CLC دارای مشخصات ساعت شنی است. گردن شیشه ساعتی، تونلی به طول 12 Å که فیلتر گزینش پذیری را تشکیل می‌دهد، به اندازه کافی پهن است که شامل سه یون کلر کاملاً آب شده باشد.

Although the ion permeation pathways of the CLC proteins and the K+ channel differ in significant respects, they have evolved four similar features that are critical to their function. First, their selectivity filters contain multiple sequential binding sites for the permeating ion. Multi-ion occupancy creates a meta- stable state that facilitates rapid ion passage. Second, the ion binding sites are formed by polar, partially charged atoms, not by fully ionized atoms. The resultant relatively weak binding energy ensures that the permeating ions do not become too tightly bound. Third, permeant ions are stabilized in the center of the membrane by the positively polarized ends of two α-helixes. Fourth, wide, water-filled vestibules at either end of the selectivity filter allow ions to approach the filter in a partially hydrated state. Thus although the K* channels and CLC proteins differ fundamentally in amino acid sequence and overall structure, strikingly similar functional features have evolved in these two classes of membrane proteins that promote both a high degree of ion selectivity and efficient throughput. These features have been conserved with surprising fidelity from prokaryotes through humans.

اگرچه مسیرهای نفوذ یون پروتئین‌های CLC و کانال +K از جنبه‌های قابل توجهی متفاوت است، آنها چهار ویژگی مشابه را ایجاد کرده اند که برای عملکرد آنها حیاتی است. اولاً، فیلترهای گزینش پذیری آنها حاوی چندین محل اتصال متوالی برای یون نفوذ کننده است. اشغال چند یونی حالتی فراپایدار ایجاد می‌کند که عبور سریع یون را تسهیل می‌کند. دوم، محل‌های اتصال یون توسط اتم‌های قطبی و نیمه باردار تشکیل شده اند، نه توسط اتم‌های کاملا یونیزه شده. انرژی اتصال نسبتا ضعیف حاصله تضمین می‌کند که یون‌های نفوذی خیلی محکم به هم متصل نمی‌شوند. سوم، یون‌های نفوذ پذیر در مرکز غشاء توسط انتهای قطبش مثبت دو مارپیچ α تثبیت می‌شوند. چهارم، دهلیزهای عریض و پر از آب در دو انتهای فیلتر انتخابی، به یون‌ها اجازه می‌دهد تا در حالت نیمه هیدراته به فیلتر نزدیک شوند. بنابراین اگرچه کانال‌های +K و پروتئین‌های CLC اساساً از نظر توالی اسید آمینه و ساختار کلی متفاوت هستند، ویژگی‌های عملکردی مشابهی در این دو دسته از پروتئین‌های غشایی تکامل یافته‌اند که هم درجه بالایی از انتخاب یونی و هم توان عملیاتی کارآمد را ارتقا می‌دهند. این ویژگی‌ها با وفاداری شگفت انگیزی از پروکاریوت‌ها از طریق انسان حفظ شده است.

Figure 8-15 The vertebrate CLC family of chloride channels and transporters are double-barrel channels with two identical pores.

شکل 8-15 خانواده CLC مهره داران کانال‌های کلریدی و ناقل‌ها کانال‌های دو بشکه ای با دو منافذ یکسان هستند.

A. Recordings of current through a single vertebrate Cl channel show three levels of current: both pores closed (0), one pore open (1), and both pores open (2). (Adapted from Miller 1982.)
B. The channel is shown from the side (left) and looking down on the mem-brane from outside the cell (right). Each subunit contains its own ion transport pathway and gate. In addition, the dimer has a gate shared by both subunits (not shown).

الف. ضبط جریان از طریق یک کانال کلر تک مهره داران سه سطح جریان را نشان می‌دهد: هر دو منفذ بسته (0)، یک منفذ باز (1)، و هر دو منفذ باز (2). (برگرفته از میلر 1982.)
ب. کانال از طرف (چپ) نشان داده می‌شود و از بیرون سلول (راست) به سمت پایین به ممبرن نگاه می‌کند. هر زیر واحد شامل مسیر و دروازه انتقال یون خود است. علاوه بر این، دایمر دارای یک دروازه مشترک بین هر دو زیر واحد است (نشان داده نشده است).

Figure 8-16 The functional difference between ion channels and transporters or pumps. (Adapted, with permission, from Gadsby 2004. Copyright © 2004 Springer Nature.)

شکل 8-16 تفاوت عملکردی بین کانال‌های یونی و انتقال دهنده‌ها یا پمپ‌ها. (اقتباس شده، با اجازه، از Gadsby 2004. حق چاپ © 2004 Springer Nature.)

A. Ion channels have a continuous aqueous pathway for ion conduction across the membrane. This pathway can be occluded by the closing of a gate.

الف- کانال‌های یونی یک مسیر آبی پیوسته برای هدایت یونی در سراسر غشاء دارند. این مسیر را می‌توان با بسته شدن یک دروازه مسدود کرد.

B. Ion pumps and transporters have two gates in series that control ion flux. The gates are never open simultaneously, but both can close to trap one or more ions in the pore. The type of transporter illustrated here moves two different types of ions in opposite directions and is termed an exchanger or antiporter. lon movement is tightly linked to a cycle of opening and closing of the two gates. When the external gate is open, one type of
ion leaves while the other type enters the pore (1). This triggers a conformational change, causing the external gate to shut, thereby trapping the incoming ion (2). A second conformational change then causes the internal gate to open, allowing the trapped ion to leave and a new ion to enter (3). A further conformational change closes the internal gate, allowing the cycle to continue (4). With each cycle, one type of ion is transported from the outside to the inside of the cell, whereas the other type is transported from the inside to the outside of the cell. By coupling the movements of two or more ions, an exchanger can use the energy stored in the electrochemical gradient of one ion to actively transport another ion against its electrochemical gradient.

ب- پمپ‌های یونی و انتقال دهنده‌ها دارای دو دروازه به صورت سری هستند که شار یون را کنترل می‌کنند. دروازه‌ها هرگز به طور همزمان باز نمی‌شوند، اما هر دو می‌توانند بسته شوند تا یک یا چند یون را در منافذ به دام بیندازند. نوع انتقال دهنده ای که در اینجا نشان داده شده است، دو نوع مختلف یون را در جهت مخالف حرکت می‌دهد و مبدل یا ضد پورتر نامیده می‌شود. حرکت یونی به شدت با چرخه باز و بسته شدن دو دروازه مرتبط است. هنگامی‌که دروازه خارجی باز است، یک نوع یون خارج می‌شود در حالی که نوع دیگر وارد منافذ می‌شود (1). این باعث ایجاد یک تغییر ساختاری می‌شود و باعث می‌شود که دروازه خارجی بسته شود و در نتیجه یون ورودی را به دام بیندازد (2). سپس یک تغییر ساختاری دوم باعث باز شدن دروازه داخلی می‌شود و به یون محبوس شده اجازه خروج و ورود یک یون جدید را می‌دهد (3). یک تغییر ساختاری بیشتر دروازه داخلی را می‌بندد و به چرخه اجازه می‌دهد تا ادامه یابد (4). با هر چرخه، یک نوع یون از خارج به داخل سلول منتقل می‌شود، در حالی که نوع دیگر از داخل به خارج سلول منتقل می‌شود. با جفت کردن حرکات دو یا چند یون، یک مبدل می‌تواند از انرژی ذخیره شده در گرادیان الکتروشیمیایی یک یون برای انتقال فعال یون دیگر در برابر گرادیان الکتروشیمیایی آن استفاده کند.

More detailed structural studies will be needed to understand how some CLC proteins function as Cl–H+ exchangers whereas others act as conventional channels. Most exchangers and pumps, such as the Na+-K+ pump (Chapter 9), are thought to have two gates, one external and one internal, which are never open simultaneously. Instead, ion movements and gate movements are presumed to be part of a tightly coupled reaction cycle (Figure 8-16). CLC exchangers apparently have two gates that control Cl flux, coupled to the proto- nation-deprotonation cycle of a flexible glutamate residue in the selectivity filter that shuttles protons across the membrane. The resultant conformational changes enable transport of Cl against its concentration gradient, driven by the flux of H+ ions down their electro- chemical gradient. CLC channels are apparently built on a very similar structure as the transporters, but with modified gates and small structural changes in the ion transport pathway that allow much more rapid movement of CI- down its electrochemical gradient.

مطالعات ساختاری دقیق‌تری برای درک اینکه چگونه برخی از پروتئین‌های CLC به عنوان مبدل‌های Cl-H* عمل می‌کنند مورد نیاز است در حالی که برخی دیگر به عنوان کانال‌های معمولی عمل می‌کنند. تصور می‌شود که اکثر مبدل‌ها و پمپ‌ها، مانند پمپ +Na+-K (فصل 9)، دارای دو دروازه، یکی خارجی و دیگری داخلی هستند که هرگز به طور همزمان باز نمی‌شوند. در عوض، حرکات یون و حرکات دروازه به عنوان بخشی از یک چرخه واکنش محکم جفت شده فرض می‌شود (شکل 8-16). مبدل‌های CLC ظاهراً دارای دو دروازه هستند که شار کلر را کنترل می‌کنند، که با چرخه پروتون‌زدایی پروتوناسیون یک باقیمانده گلوتامات انعطاف‌پذیر در فیلتر انتخابی که پروتون‌ها را در سراسر غشاء جابه‌جا می‌کند، همراه است. تغییرات ساختاری حاصل، انتقال کلر را در برابر گرادیان غلظت آن، که توسط شار یون‌های +H به سمت پایین گرادیان الکتروشیمیایی هدایت می‌شود، ممکن می‌سازد. کانال‌های CLC ظاهراً بر روی ساختاری بسیار شبیه به انتقال‌دهنده‌ها ساخته شده‌اند، اما با گیت‌های اصلاح‌شده و تغییرات ساختاری کوچک در مسیر انتقال یون که امکان حرکت سریع‌تر -CI را به سمت گرادیان الکتروشیمیایی آن فراهم می‌کند.

Highlights

نکات برجسته

1. Ions cross cell membranes through two main classes of integral membrane proteins-ion channels and ion pumps or transporters.

1. یون‌ها از طریق دو دسته اصلی از کانال‌های یونی پروتئین‌های غشایی یکپارچه و پمپ‌های یونی یا ناقل‌ها از غشاهای سلولی عبور می‌کنند.

2. Ion channels act as catalysts for the passive flux of ions across the membrane. Channels have a central water-filled pore that substitutes for the polar environment on either side of the membrane. It allows the electrically charged ions to rapidly cross the nonpolar environment of the cell membrane, driven by the ion’s electrochemical gradient.

2. کانال‌های یونی به عنوان کاتالیزور برای شار غیرفعال یون‌ها در سراسر غشاء عمل می‌کنند. کانال‌ها دارای یک منفذ مرکزی پر از آب هستند که جایگزین محیط قطبی در دو طرف غشاء می‌شود. این به یون‌های باردار الکتریکی اجازه می‌دهد تا به سرعت از محیط غیرقطبی غشای سلولی عبور کنند که توسط گرادیان الکتروشیمیایی یون هدایت می‌شود.

3. Most ion channels are selectively permeable to certain ions. The portion of the channel pore called the selectivity filter determines which ions can penetrate based on the ion’s charge, size, and physicochemical interactions with the amino acids that line the wall of the pore.

3. بیشتر کانال‌های یونی به طور انتخابی برای یون‌های خاصی نفوذ پذیر هستند. بخشی از منافذ کانال که فیلتر انتخابی نامیده می‌شود، بر اساس بار، اندازه و برهمکنش‌های فیزیکوشیمیایی یون با اسیدهای آمینه ای که دیواره منافذ را می‌پوشانند، تعیین می‌کند که کدام یون‌ها می‌توانند نفوذ کنند.

4. Ion channels have gates that open and close in response to different signals. In the open state, channels generate ionic currents that produce rapid voltage signals that carry information in the nervous system and in other excitable cells.

4. کانال‌های یونی دارای دروازه‌هایی هستند که در پاسخ به سیگنال‌های مختلف باز و بسته می‌شوند. در حالت باز، کانال‌ها جریان‌های یونی تولید می‌کنند که سیگنال‌های ولتاژ سریعی را تولید می‌کنند که اطلاعات را در سیستم عصبی و سایر سلول‌های تحریک پذیر منتقل می‌کند.

5. Most ion channels have three states: open, closed, and inactivated or desensitized. Transitioning between these states is termed gating. Depending on the type of channel, gating is controlled by various factors, including membrane voltage, ligand binding, mechanical force, phosphorylation state, and temperature.

5. اکثر کانال‌های یونی دارای سه حالت باز، بسته و غیرفعال یا حساسیت زدایی هستند. انتقال بین این حالت‌ها دروازه نامیده می‌شود. بسته به نوع کانال، گیتینگ توسط عوامل مختلفی از جمله ولتاژ غشا، اتصال لیگاند، نیروی مکانیکی، حالت فسفوریلاسیون و دما کنترل می‌شود.

6. The most common ion channels in nerve and muscle cells belong to three major gene super-families, the members of which are related by gene sequence homology and, in most cases, by functional properties.

6. رایج ترین کانال‌های یونی در سلول‌های عصبی و عضلانی متعلق به سه ابرخانواده ژنی اصلی است که اعضای آن‌ها از نظر همسانی توالی ژنی و در بیشتر موارد از نظر ویژگی‌های عملکردی به هم مرتبط هستند.

7. Most ion channels are composed of multiple subunits. Combinatorial permutations of these subunits can generate a diverse array of channels with different functional properties. Post- transcriptional modifications generate additional diversity.

7. بیشتر کانال‌های یونی از چندین زیر واحد تشکیل شده اند. جایگشت‌های ترکیبی این زیر واحدها می‌توانند آرایه متنوعی از کانال‌ها با ویژگی‌های عملکردی متفاوت ایجاد کنند. اصلاحات پس از رونویسی تنوع بیشتری ایجاد می‌کند.

8. The various types of ion channels are differentially expressed in different types of neurons and different regions of neurons, contributing to the functional complexity and computational power of the nervous system. The expression patterns of some ion channels and transporters change during development and in response to changes in neuronal activity patterns.

8. انواع مختلف کانال‌های یونی به طور متفاوتی در انواع مختلف نورون‌ها و مناطق مختلف نورون‌ها بیان می‌شوند و به پیچیدگی عملکردی و قدرت محاسباتی سیستم عصبی کمک می‌کنند. الگوهای بیان برخی از کانال‌های یونی و ناقل‌ها در طول توسعه و در پاسخ به تغییرات در الگوهای فعالیت عصبی تغییر می‌کند.

9. The rich variety of ion channels in different types of neurons has stimulated intensive efforts to develop drugs that can activate or block specific channel types in nerve and muscle cells. Such drugs would, in principle, maximize therapeutic effectiveness with minimal side effects.

9. تنوع غنی کانال‌های یونی در انواع مختلف نورون‌ها، تلاش‌های فشرده‌ای را برای تولید داروهایی برانگیخته است که می‌توانند انواع کانال‌های خاصی را در سلول‌های عصبی و عضلانی فعال یا مسدود کنند. چنین داروهایی در اصل، اثربخشی درمانی را با حداقل عوارض جانبی به حداکثر می‌رسانند.

10. Structure-function and X-ray crystallographic studies of voltage-gated ion channels have provided key insights into the molecular and atomic-level details of K+ channel conduction, selectivity, and gating. Recent technical advances in single-particle cryo-electron microscopy have led to rapid progress in studies of a wide range of ion channels.

10. مطالعات کریستالوگرافی ساختار-عملکرد و اشعه ایکس در مورد کانال‌های یونی دارای ولتاژ، بینش‌های کلیدی را در مورد جزئیات سطح مولکولی و اتمی‌هدایت، گزینش پذیری و دروازه سازی کانال K+ ارائه کرده است. پیشرفت‌های فنی اخیر در میکروسکوپ کریو الکترونی تک ذره‌ای منجر به پیشرفت سریع در مطالعات طیف وسیعی از کانال‌های یونی شده است.

11. Active transport, which is mediated by integral membrane proteins called transporters or pumps, enables ions to move across the membrane against their electrochemical gradient. The driving force that generates active ion fluxes comes either from chemical energy (the hydrolysis of ATP) or from the favorable electrochemical potential difference for a cotransported ion.

11. انتقال فعال، که با واسطه پروتئین‌های غشایی انتگرال به نام حمل کننده یا پمپ انجام می‌شود، یون‌ها را قادر می‌سازد تا در سراسر غشاء بر خلاف گرادیان الکتروشیمیایی خود حرکت کنند. نیروی محرکه ای که شارهای یونی فعال تولید می‌کند یا از انرژی شیمیایی (هیدرولیز ATP) یا از اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی مطلوب برای یک یون همزمان می‌آید.

12. Most ion transporters and pumps do not provide a continuous pathway for ions. Rather, they undergo conformational changes for the different phases of the transport cycle, thereby providing alternating access of the molecule’s central lumen to the two sides of the membrane. Because these conformational changes are relatively slow, they are much less efficient than ion channels in mediating ion fluxes.

12. بیشتر ناقل یون‌ها و پمپ‌ها مسیر پیوسته ای را برای یون‌ها فراهم نمی‌کنند. در عوض، آنها تحت تغییرات ساختاری برای مراحل مختلف چرخه حمل و نقل قرار می‌گیرند، در نتیجه دسترسی متناوب لومن مرکزی مولکول به دو طرف غشاء را فراهم می‌کنند. از آنجایی که این تغییرات ساختاری نسبتاً آهسته هستند، نسبت به کانال‌های یونی در واسطه‌گری شار یونی کارایی بسیار کمتری دارند.