اصول علم اعصاب اریک کندل؛ ساختار و ویژگی های عملکردی کانال های یونی؛ تکنیک Patch-clamp

---

---

---

---

---

---

SIGNALING IN THE BRAIN DEPENDS on the ability of nerve cells to respond to very small stimuli with rapid and large changes in the electrical potential difference across the cell membrane. In sensory cells, the membrane potential changes in response to minute physical stimuli: Receptors in the eye respond to a single photon of light; olfactory neurons detect a single molecule of odorant; and hair cells in the inner ear respond to tiny movements of atomic dimensions. These sensory responses ultimately lead to the firing of an action potential during which the membrane potential changes at up to 500 volts per second.

سیگنال دهی در مغز به توانایی سلول‌های عصبی برای پاسخ دادن به محرک‌های بسیار کوچک با تغییرات سریع و زیاد در اختلاف پتانسیل الکتریکی در سراسر غشای سلول بستگی دارد. در سلول‌های حسی، پتانسیل غشاء در پاسخ به محرک‌های فیزیکی کوچک تغییر می‌کند: گیرنده‌های چشم به یک فوتون نور پاسخ می‌دهند. نورون‌های بویایی تنها یک مولکول بویایی را تشخیص می‌دهند. و سلول‌های مویی در گوش داخلی به حرکات ریز در ابعاد اتمی‌پاسخ می‌دهند. این پاسخ‌های حسی در نهایت منجر به شلیک یک پتانسیل عمل می‌شود که طی آن پتانسیل غشا تا ۵۰۰ ولت در ثانیه تغییر می‌کند.

The rapid changes in membrane potential that underlie signaling throughout the nervous system are mediated by specialized pores or openings in the membrane called ion channels, a class of integral membrane proteins found in all cells of the body. The ion channels of nerve cells are optimally tuned to respond to specific physical and chemical signals. They are also heterogeneous-in different parts of the nervous system different types of channels carry out specific signaling tasks.

تغییرات سریع در پتانسیل غشایی که زیربنای سیگنال دهی در سراسر سیستم عصبی است، توسط منافذ یا منافذ خاص در غشاء به نام کانال‌های یونی، یک کلاس از پروتئین‌های غشایی یکپارچه که در تمام سلول‌های بدن یافت می‌شود، واسطه می‌شوند. کانال‌های یونی سلول‌های عصبی برای پاسخ به سیگنال‌های فیزیکی و شیمیایی خاص تنظیم شده اند. آنها همچنین ناهمگن هستند – در قسمت‌های مختلف سیستم عصبی انواع مختلف کانال‌ها وظایف سیگنالینگ خاصی را انجام می‌دهند.

Because of their key roles in electrical signaling, malfunctioning of ion channels can cause a wide variety of neurological diseases (Chapters 57 and 58). Diseases caused by ion channel malfunction are not limited to the brain; for example, cystic fibrosis, skeletal muscle disease, and certain types of cardiac arrhythmia are also caused by ion channel malfunction. Moreover, ion channels are often the site of action of drugs, poisons, or toxins. Thus, ion channels have crucial roles in both the normal physiology and pathophysiology of the nervous system.

به دلیل نقش کلیدی آنها در سیگنال دهی الکتریکی، عملکرد نادرست کانال‌های یونی می‌تواند باعث ایجاد طیف گسترده ای از بیماری‌های عصبی شود (فصل ۵۷ و ۵۸). بیماری‌های ناشی از اختلال در عملکرد کانال یونی به مغز محدود نمی‌شود. به عنوان مثال، فیبروز کیستیک، بیماری عضله اسکلتی، و انواع خاصی از آریتمی‌قلبی نیز در اثر اختلال در عملکرد کانال یونی ایجاد می‌شوند. علاوه بر این، کانال‌های یونی اغلب محل اثر داروها، سموم یا سموم هستند. بنابراین، کانال‌های یونی نقش مهمی‌در فیزیولوژی طبیعی و پاتوفیزیولوژی سیستم عصبی دارند.

In addition to ion channels, nerve cells contain a second important class of proteins specialized for moving ions across cell membranes, the ion transporters and pumps. These proteins do not participate in rapid neuronal signaling but rather are important for establishing and maintaining the concentration gradients of physiologically important ions between the inside and outside of the cell. As we will see in this and the next chapters, ion transporters and pumps differ in important aspects from ion channels, but also share certain common features.

علاوه بر کانال‌های یونی، سلول‌های عصبی حاوی دومین کلاس مهم پروتئین‌هایی هستند که برای جابجایی یون‌ها در غشاهای سلولی، انتقال‌دهنده‌های یون و پمپ‌ها تخصص دارند. این پروتئین‌ها در سیگنال دهی سریع عصبی شرکت نمی‌کنند، بلکه برای ایجاد و حفظ گرادیان غلظت یون‌های مهم فیزیولوژیکی بین داخل و خارج سلول مهم هستند. همانطور که در این فصل و فصل‌های بعدی خواهیم دید، انتقال دهنده‌های یون و پمپ‌ها از جنبه‌های مهم با کانال‌های یونی متفاوت هستند، اما ویژگی‌های مشترک خاصی نیز دارند.

Ion channels have three important properties: (1) They recognize and select specific ions; (2) they open and close in response to specific electrical, chemical, or mechanical, signals; and (3) they conduct ions across the membrane. The channels in nerve and muscle conduct ions across the cell membrane at extremely rapid rates, thereby providing a large flow of electric charge. Up to 100 million ions can pass through a single channel each second. This current causes the rapid changes in membrane potential required for signaling (Chapter 10). The fast flow of ions through channels is comparable to the turnover rate of the fastest enzymes, catalase and carbonic anhydrase, which are limited by diffusion of substrate. (The turnover rates of most other enzymes are considerably slower, ranging from 10 to 1,000 per second.)

کانال‌های یونی دارای سه ویژگی مهم هستند: (۱) آنها یون‌های خاص را شناسایی و انتخاب می‌کنند. (۲) آنها در پاسخ به سیگنال‌های الکتریکی، شیمیایی یا مکانیکی خاص باز و بسته می‌شوند. و (۳) آنها یون‌ها را در سراسر غشاء هدایت می‌کنند. کانال‌های عصب و عضله یون‌ها را در سراسر غشای سلولی با سرعت بسیار سریع هدایت می‌کنند و در نتیجه جریان زیادی از بار الکتریکی ایجاد می‌کنند. در هر ثانیه ۱۰۰ میلیون یون می‌توانند از یک کانال عبور کنند. این جریان باعث تغییرات سریع پتانسیل غشاء مورد نیاز برای سیگنال دهی می‌شود (فصل ۱۰). جریان سریع یون‌ها از طریق کانال‌ها با سرعت گردش سریع ترین آنزیم‌ها، کاتالاز و کربنیک انیدراز قابل مقایسه است که با انتشار سوبسترا محدود می‌شوند. (نرخ گردش بیشتر آنزیم‌های دیگر به طور قابل توجهی کندتر است و از ۱۰ تا ۱۰۰۰ در ثانیه متغیر است.)

Despite such an extraordinary rate of ion flow, channels are surprisingly selective for the ions they allow to permeate. Each type of channel allows only one or a few types of ions to pass. For example, the negative resting potential of nerve cells is largely determined by a class of K+ channels that are 100-fold more permeable to K+ than to Na+. In contrast, generation of the action potential involves a class of Na+ channels that are 10- to 20-fold more permeable to Na+ than to K. Thus, a key to the great versatility of neuronal signaling is the regulated activation of different classes of ion channels, each of which is selective for specific ions.

با وجود چنین سرعت فوق‌العاده‌ای از جریان یونی، کانال‌ها به‌طور شگفت‌انگیزی برای یون‌هایی که اجازه نفوذ به آن‌ها را می‌دهند، انتخابی هستند. هر نوع کانال فقط به یک یا چند نوع یون اجازه عبور می‌دهد. به عنوان مثال، پتانسیل استراحت منفی سلول‌های عصبی تا حد زیادی توسط گروهی از کانال‌های +K تعیین می‌شود که ۱۰۰ برابر بیشتر نسبت به +K نفوذپذیرتر از +Na هستند. در مقابل، تولید پتانسیل عمل شامل دسته‌ای از کانال‌های +Na است که ۱۰ تا ۲۰ برابر نسبت به +K نفوذپذیری بیشتری نسبت به +Na دارند. بنابراین، کلید تطبیق‌پذیری بزرگ سیگنال‌دهی عصبی، فعال‌سازی منظم طبقات مختلف است. از کانال‌های یونی که هر کدام برای یون‌های خاص انتخابی هستند.

Many channels open and close in response to a specific event: Voltage-gated channels are regulated by changes in membrane potential, ligand-gated channels by binding of chemical transmitters, and mechanically gated channels by membrane stretch. Other channels are normally open when the cell is at rest. The ion flux through these “resting” channels largely determines the resting potential.

بسیاری از کانال‌ها در پاسخ به یک رویداد خاص باز و بسته می‌شوند: کانال‌های ولتاژدار با تغییرات پتانسیل غشا، کانال‌های دروازه‌دار لیگاند با اتصال فرستنده‌های شیمیایی، و کانال‌های دارای دروازه مکانیکی با کشش غشا تنظیم می‌شوند. زمانی که سلول در حالت استراحت است، کانال‌های دیگر معمولاً باز هستند. شار یونی از طریق این کانال‌های “در حال استراحت” تا حد زیادی پتانسیل استراحت را تعیین می‌کند.

The flux of ions through ion channels is passive, requiring no expenditure of metabolic energy by the channels. Ion channels are limited to catalyzing the passive movement of ions down their thermodynamic concentration and electrical gradients. The direction of this flux is determined not by the channel itself, but rather by the electrostatic and diffusional driving forces across the membrane. For example, Na ions flow into a cell through voltage-gated Na+ channels during an action potential because the external Na* concentration is much greater than the internal concentration; the open channels allow Na to diffuse into the cell down its concentration gradient.

شار یون‌ها از طریق کانال‌های یونی غیرفعال است و نیازی به صرف انرژی متابولیک توسط کانال‌ها ندارد. کانال‌های یونی محدود به کاتالیز کردن حرکت غیرفعال یون‌ها به پایین غلظت ترمودینامیکی و شیب الکتریکی آن‌ها هستند. جهت این شار نه توسط خود کانال، بلکه توسط نیروهای محرکه الکترواستاتیک و انتشار در سراسر غشا تعیین می‌شود. به عنوان مثال، یون‌های +Na در طول یک پتانسیل عمل از طریق کانال‌های +Na دارای ولتاژ به داخل سلول جریان می‌یابند زیرا غلظت +Na خارجی بسیار بیشتر از غلظت داخلی است. کانال‌های باز به +Na اجازه می‌دهند تا در شیب غلظت آن به داخل سلول منتشر شود.

With such passive ion movement, the Na+ concentration gradient would eventually dissipate were it not for ion pumps. Different types of ion pumps maintain the concentration gradients for Na+, K+, Ca2+ and other ions.

با چنین حرکت یونی غیرفعال، اگر پمپ‌های یونی نبود، گرادیان غلظت +Na در نهایت از بین می‌رود. انواع مختلف پمپ‌های یونی، گرادیان غلظت یون‌های +Na+، K+، Ca2 و سایر یون‌ها را حفظ می‌کنند.

These pumps differ from ion channels in two important details. First, whereas open ion channels have a continuous water-filled pathway through which ions flow unimpeded from one side of the membrane to the other, each time a pump moves an ion or group of ions across the membrane, it must undergo a series of conformational changes. As a result, the rate of ion flow through pumps is 100 to 100,000 times slower than through channels. Second, pumps that maintain ion gradients use chemical energy, often in the form of adenosine triphosphate (ATP), to transport ions against their electrical and chemical gradients. Such ion movements are termed active transport. The function and structure of ion pumps and transporters are considered in detail at the end of this chapter and in Chapter 9.

این پمپ‌ها در دو جزئیات مهم با کانال‌های یونی تفاوت دارند. اولاً، در حالی که کانال‌های یونی باز دارای یک مسیر ممتد پر از آب هستند که از طریق آن یون‌ها بدون مانع از یک طرف غشاء به سمت دیگر جریان می‌یابند، هر بار که یک پمپ یک یون یا گروهی از یون‌ها را در سراسر غشاء حرکت می‌دهد، باید تحت یک سری تغییرات ساختاری قرار گیرد. تغییر می‌کند. در نتیجه، سرعت جریان یون از طریق پمپ‌ها ۱۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ برابر کندتر از کانال‌ها است. دوم، پمپ‌هایی که شیب یونی را حفظ می‌کنند، از انرژی شیمیایی، اغلب به شکل آدنوزین تری فسفات (ATP) برای انتقال یون‌ها در برابر شیب الکتریکی و شیمیایی خود استفاده می‌کنند. چنین حرکات یونی را انتقال فعال می‌نامند. عملکرد و ساختار پمپ‌های یونی و انتقال دهنده‌ها به تفصیل در پایان این فصل و در فصل ۹ مورد بررسی قرار گرفته است.

In this chapter, we examine six questions: Why do nerve cells have channels? How can channels conduct ions at such high rates and still be selective? How are channels gated? How are the properties of these channels modified by various intrinsic and extrinsic conditions? How does channel structure explain function? Finally, how do ion movements through channels differ from ion movements through transporters? In succeeding chapters, we consider how resting channels and pumps generate the resting potential (Chapter 9), how voltage-gated channels generate the action potential (Chapter 10), and how ligand-gated channels produce synaptic potentials (Chapters 11, 12, and 13).

در این فصل شش سوال را بررسی می‌کنیم: چرا سلول‌های عصبی کانال دارند؟ چگونه کانال‌ها می‌توانند یون‌ها را با چنین سرعت بالایی هدایت کنند و همچنان انتخابی باشند؟ کانال‌ها چگونه دروازه ای می‌شوند؟ چگونه خواص این کانال‌ها توسط شرایط مختلف درونی و بیرونی اصلاح می‌شود؟ ساختار کانال چگونه عملکرد را توضیح می‌دهد؟ در نهایت، چگونه حرکت یون از طریق کانال‌ها با حرکت یون از طریق انتقال دهنده‌ها متفاوت است؟ در فصل‌های بعدی، ما در نظر می‌گیریم که چگونه کانال‌ها و پمپ‌ها پتانسیل استراحت را تولید می‌کنند (فصل ۹)، کانال‌های دارای ولتاژ چگونه پتانسیل عمل را تولید می‌کنند (فصل ۱۰)، و چگونه کانال‌های دروازه‌دار لیگاند پتانسیل‌های سیناپسی را تولید می‌کنند (فصل‌های ۱۱، ۱۲، و ۱۳).

Ion Channels Are Proteins That Span the Cell Membrane

کانال‌های یونی پروتئین‌هایی هستند که غشای سلولی را می‌پوشانند

To appreciate why nerve cells use channels, we need to understand the nature of the plasma membrane and the physical chemistry of ions in solution. The plasma membrane of all cells, including nerve cells, is approximately 6 to 8 nm thick and consists of a mosaic of lipids and proteins. The core of the membrane is formed by a double layer of phospholipids approximately 3 to 4 nm thick. Embedded within this continuous lipid sheet are integral membrane proteins, including ion channels.

برای درک اینکه چرا سلول‌های عصبی از کانال‌ها استفاده می‌کنند، باید ماهیت غشای پلاسمایی و شیمی‌فیزیکی یون‌های موجود در محلول را درک کنیم. غشای پلاسمایی تمام سلول‌ها، از جمله سلول‌های عصبی، تقریباً ۶ تا ۸ نانومتر ضخامت دارد و از موزاییکی از لیپیدها و پروتئین‌ها تشکیل شده است. هسته غشاء توسط یک لایه دوگانه فسفولیپیدها به ضخامت تقریبی ۳ تا ۴ نانومتر تشکیل شده است. در این ورقه لیپیدی پیوسته، پروتئین‌های غشایی یکپارچه، از جمله کانال‌های یونی تعبیه شده است.

The lipids of the membrane do not mix with water they are hydrophobic. In contrast, the ions within the cell and those outside strongly attract water molecules they are hydrophilic (Figure 8-1). Ions attract water because water molecules are dipolar: Although the net charge on a water molecule is zero, charge is separated within the molecule. The oxygen atom in a water molecule tends to attract electrons and so bears a small net negative charge, whereas the hydrogen atoms tend to lose electrons and therefore carry a small net positive charge. As a result of this unequal distribution of charge, positively charged ions (cations) are strongly attracted electrostatically to the oxygen atoms of water, and negatively charged ions (anions) are attracted to the hydrogen atoms. Similarly, ions attract water; they become surrounded by electrostatically bound waters of hydration (Figure 8-1).

لیپیدهای غشاء با آب مخلوط نمی‌شوند و آبگریز هستند. در مقابل، یون‌های داخل سلول و یون‌های بیرون به شدت مولکول‌های آب را جذب می‌کنند و آب دوست هستند (شکل ۸-۱). یون‌ها آب را جذب می‌کنند زیرا مولکول‌های آب دو قطبی هستند: اگرچه بار خالص مولکول آب صفر است، بار درون مولکول جدا می‌شود. اتم اکسیژن در یک مولکول آب تمایل به جذب الکترون دارد و بنابراین بار منفی خالص کوچکی را تحمل می‌کند، در حالی که اتم‌های هیدروژن تمایل به از دست دادن الکترون دارند و بنابراین بار مثبت خالص کوچکی را حمل می‌کنند. در نتیجه این توزیع نابرابر بار، یون‌های دارای بار مثبت (کاتیون‌ها) به‌شدت الکترواستاتیکی به سمت اتم‌های اکسیژن آب جذب می‌شوند و یون‌های دارای بار منفی (آنیون‌ها) به سمت اتم‌های هیدروژن جذب می‌شوند. به طور مشابه، یون‌ها آب را جذب می‌کنند. آنها توسط آبهای هیدراتاسیون متصل به الکترواستاتیک احاطه می‌شوند (شکل ۸-۱).

An ion cannot move from water into the uncharged hydrocarbon tails of the lipid bilayer in the membrane unless a large amount of energy is expended to over- come the attraction between the ion and the surrounding water molecules. For this reason, it is extremely unlikely that an ion will move from solution into the lipid bilayer, and therefore, the bilayer itself is almost completely impermeable to ions. Rather, ions cross the membrane through ion channels, where the energetics favor ion movement.

یک یون نمی‌تواند از آب به سمت دم‌های هیدروکربنی بدون بار دولایه لیپیدی در غشاء حرکت کند مگر اینکه مقدار زیادی انرژی برای غلبه بر جاذبه بین یون و مولکول‌های آب اطراف صرف شود. به همین دلیل، بسیار بعید است که یک یون از محلول به دولایه لیپیدی منتقل شود، و بنابراین، خود لایه دوگانه تقریباً به طور کامل در برابر یون‌ها نفوذ ناپذیر است. در عوض، یون‌ها از طریق کانال‌های یونی از غشاء عبور می‌کنند، جایی که انرژی‌ها به حرکت یونی کمک می‌کنند.

Although their molecular nature has been known with certainty for only approximately 35 years, the idea of ion channels dates to the work of Ernst Brücke at the end of the 19th century. Physiologists had long known that, despite the fact that the cell membrane acts as a barrier, cell membranes are nevertheless permeable to water and many small solutes, including some ions. To explain osmosis, the flow of water across biological membranes, Brücke proposed that membranes contain channels or pores that allow water but not larger solutes to flow. Over 100 years later, Peter Agre found that a family of proteins termed aquaporins form channels with a highly selective permeability to water. At the beginning of the 20th century, William Bayliss suggested that water-filled channels would permit ions to cross the cell membrane easily, as the ions would not need to be stripped of their waters of hydration.

اگرچه ماهیت مولکولی آنها تنها حدود ۳۵ سال است که با قطعیت شناخته شده است، ایده کانال‌های یونی به کار ارنست بروکه در پایان قرن نوزدهم برمی‌گردد. فیزیولوژیست‌ها مدت‌هاست می‌دانستند که، علی‌رغم این واقعیت که غشای سلولی به‌عنوان یک مانع عمل می‌کند، غشاهای سلولی با این وجود به آب و بسیاری از املاح کوچک، از جمله برخی یون‌ها، نفوذپذیر هستند. برای توضیح اسمز، جریان آب در غشاهای بیولوژیکی، بروک پیشنهاد کرد که غشاها دارای کانال‌ها یا منافذی هستند که به آب اجازه می‌دهند اما املاح بزرگتر جریان پیدا نمی‌کنند. بیش از ۱۰۰ سال بعد، پیتر آگر دریافت که خانواده ای از پروتئین‌ها به نام آکواپورین کانال‌هایی با نفوذپذیری بسیار انتخابی در برابر آب تشکیل می‌دهند. در آغاز قرن بیستم، ویلیام بیلیس پیشنهاد کرد که کانال‌های پر از آب به یون‌ها اجازه می‌دهند تا به راحتی از غشای سلولی عبور کنند، زیرا یون‌ها نیازی به حذف آب از هیدراتاسیون ندارند.

The idea that ions move through channels leads to a question: How can a water-filled channel conduct ions at high rates and yet be selective? How, for instance, does a channel allow K+ ions to pass while excluding Na+ ions? Selectivity cannot be based solely on the diameter of the ion because K+, with a crystal radius of 0.133 nm, is larger than Na+ (crystal radius of 0.095 nm). One important factor that determines ion selectivity is the size of an ion’s shell of waters of hydration, because the ease with which an ion moves in solution (its mobility) depends on the size of the ion together with the shell of water surrounding it. The smaller an ion, the more highly localized is its charge and the stronger its electric field. As a result, smaller ions attract water more strongly. Thus, as Na+ moves through solution, its stronger electrostatic attraction for water causes it to have a larger water shell, which tends to slow it down relative to K. Because of its larger water shell, Na+ behaves as if it is larger than K+. The smaller an ion, the lower its mobility in solution. Therefore, we can construct a model of a channel that selects K+ rather than Na+ simply on the basis of the interaction of the two ions with water in a water-filled channel (Figure 8-1).

این ایده که یون‌ها در کانال‌ها حرکت می‌کنند منجر به این سوال می‌شود: چگونه یک کانال پر از آب می‌تواند یون‌ها را با سرعت بالا هدایت کند و در عین حال انتخابی باشد؟ برای مثال، چگونه یک کانال به یون‌های +K اجازه عبور می‌دهد در حالی که یون‌های +Na را حذف می‌کند؟ گزینش پذیری را نمی‌توان صرفاً بر اساس قطر یون استوار کرد زیرا +K با شعاع کریستالی ۰.۱۳۳ نانومتر، بزرگتر از +Na (شعاع کریستالی ۰.۰۹۵ نانومتر) است. یکی از عوامل مهمی‌که انتخاب‌پذیری یون را تعیین می‌کند، اندازه پوسته آب‌های هیدراتاسیون یک یون است، زیرا سهولت حرکت یک یون در محلول (تحرک آن) به اندازه یون همراه با پوسته آب اطراف آن بستگی دارد. هر چه یک یون کوچکتر باشد، بار آن بیشتر موضعی است و میدان الکتریکی آن قوی تر است. در نتیجه یون‌های کوچکتر آب را با شدت بیشتری جذب می‌کنند. بنابراین، همانطور که +Na در محلول حرکت می‌کند، جاذبه الکترواستاتیکی قوی تر آن برای آب باعث می‌شود که پوسته آبی بزرگتری داشته باشد، که تمایل به کاهش سرعت آن نسبت به +K دارد. به دلیل پوسته آبی بزرگتر، +Na طوری رفتار می‌کند که گویی بزرگتر از +K. هر چه یک یون کوچکتر باشد، تحرک آن در محلول کمتر است. بنابراین، ما می‌توانیم مدلی از کانالی بسازیم که +K را به جای +Na به سادگی بر اساس برهمکنش دو یون با آب در یک کانال پر از آب انتخاب می‌کند (شکل ۸-۱).

Although this model explains how a channel can select K* and exclude Na+, it does not explain how a channel could select Na* and exclude K. This problem led many physiologists in the 1930s and 1940s to abandon the channel theory in favor of the idea that ions cross cell membranes by first binding to a specific carrier protein, which then shuttles the ion through the membrane. In this carrier model, selectivity is based on the chemical binding between the ion and the carrier protein, not on the mobility of the ion in solution.

اگرچه این مدل توضیح می‌دهد که چگونه یک کانال می‌تواند +K را انتخاب کند و +Na را حذف کند، اما توضیح نمی‌دهد که چگونه یک کانال می‌تواند +Na را انتخاب کند و +K را حذف کند. این مشکل باعث شد بسیاری از فیزیولوژیست‌ها در دهه‌های ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰ نظریه کانال را به نفع این ایده کنار بگذارند. که یون‌ها ابتدا با اتصال به پروتئین حامل خاصی از غشای سلولی عبور می‌کنند که سپس یون را از طریق غشاء عبور می‌دهد. در این مدل حامل، گزینش پذیری بر اساس اتصال شیمیایی بین یون و پروتئین حامل است، نه بر تحرک یون در محلول.

Even though we now know that ions can cross membranes by means of a variety of transport macromolecules, the Na+-K+ pump being a well-characterized example (Chapter 9), many properties of membrane ion permeability do not fit the carrier model. Most important is the rapid rate of ion transfer across mem- branes. An example is provided by the transmembrane current that is initiated when the neurotransmitter acetylcholine (ACh) binds its receptor in the postsynaptic membrane of the nerve-muscle synapse. As described later, the current conducted by a single ACh receptor is 12.5 million ions per second. In contrast, the Na+-K+ pump transports at most 100 ions per second.

اگرچه اکنون می‌دانیم که یون‌ها می‌توانند از طریق انواع ماکرومولکول‌های انتقالی از غشاها عبور کنند، پمپ +Na+-K یک مثال مشخص است (فصل ۹)، بسیاری از ویژگی‌های نفوذپذیری یون غشا با مدل حامل مطابقت ندارد. از همه مهمتر سرعت سریع انتقال یون در غشاها است. یک مثال توسط جریان گذرنده ارائه شده است که هنگامی‌که انتقال دهنده عصبی استیل کولین (ACh) به گیرنده خود در غشای پس سیناپسی سیناپس عصب-عضله متصل می‌شود، شروع می‌شود. همانطور که بعداً توضیح داده شد، جریانی که توسط یک گیرنده ACh منفرد انجام می‌شود، ۱۲.۵ میلیون یون در ثانیه است. در مقابل، پمپ +Na+-K حداکثر ۱۰۰ یون در ثانیه را انتقال می‌دهد.

If the ACh receptor acted as a carrier, it would have to shuttle an ion across the membrane in 0.1 us (one ten-millionth of a second), an implausibly fast rate. The 100,000-fold difference in rates between the Na+-K+ pump and ACh receptor strongly suggests that the ACh receptor (and other ligand-gated receptors) must conduct ions through a channel. Later measurements in many voltage-gated pathways selective for K+, Na+, and Ca2+ also demonstrated large currents carried by single macromolecules, indicating that they too are channels.

اگر گیرنده ACh به عنوان یک حامل عمل می‌کرد، باید یک یون را در ۰.۱ ما (یک ده میلیونیم ثانیه) از غشاء عبور دهد، سرعتی غیرقابل قبول. تفاوت ۱۰۰۰۰۰ برابری در نرخ‌های بین پمپ +Na+-K و گیرنده ACh قویاً نشان می‌دهد که گیرنده ACh (و سایر گیرنده‌های دروازه‌دار لیگاند) باید یون‌ها را از طریق یک کانال هدایت کند. اندازه‌گیری‌های بعدی در بسیاری از مسیرهای دارای ولتاژ انتخابی برای +K+، Na و +Ca2 جریان‌های بزرگی را که توسط ماکرومولکول‌های منفرد حمل می‌شوند، نشان داد که نشان می‌دهد آنها نیز کانال هستند.

But we are still left with the problem of what makes a channel selective. To explain selectivity, Bertil Hille extended the pore theory by proposing that channels have narrow regions that act as molecular sieves. At this selectivity filter, an ion must shed most of its waters of hydration to traverse the channel; in their place, weak chemical bonds (electrostatic interactions) form with polar (charged) amino acid residues that line the walls of the channel (Figure 8-1). Because shedding its waters of hydration is energetically unfavorable, the ion will traverse a channel only if its energy of interaction with the selectivity filter compensates for the loss of the energy of interaction with its waters of hydration. Ions traversing the channel are normally bound to the selectivity filter for only a short time (less than 1 us), after which electrostatic and diffusional forces propel the ion through the channel. In channels where the pore diameter is large enough to accommodate several water molecules, an ion need not be stripped completely of its water shell.

اما ما هنوز با این مشکل روبرو هستیم که چه چیزی یک کانال را انتخابی می‌کند. برای توضیح گزینش پذیری، برتیل هیل نظریه منافذ را با پیشنهاد اینکه کانال‌ها دارای مناطق باریکی هستند که به عنوان غربال‌های مولکولی عمل می‌کنند، گسترش داد. در این فیلتر انتخابی، یک یون باید بیشتر آب هیدراتاسیون خود را برای عبور از کانال دفع کند. در جای خود، پیوندهای شیمیایی ضعیف (برهمکنش‌های الکترواستاتیک) با باقی مانده‌های اسید آمینه قطبی (باردار) تشکیل می‌شود که دیواره‌های کانال را می‌پوشاند (شکل ۸-۱). از آنجا که ریختن آب هیدراتاسیون آن از نظر انرژی نامطلوب است، یون تنها در صورتی از یک کانال عبور می‌کند که انرژی برهمکنش آن با فیلتر گزینش پذیری اتلاف انرژی برهمکنش با آب هیدراتاسیون خود را جبران کند. یون‌هایی که از کانال عبور می‌کنند معمولاً فقط برای مدت کوتاهی (کمتر از ۱ ما) به فیلتر انتخابی متصل می‌شوند، پس از آن نیروهای الکترواستاتیک و انتشار یون را از طریق کانال به حرکت در می‌آورند. در کانال‌هایی که قطر منافذ به اندازه کافی بزرگ است تا چندین مولکول آب را در خود جای دهد، لازم نیست یک یون به طور کامل از پوسته آب خود جدا شود.

How is this chemical recognition and specificity established? One theory was developed in the early 1960s by George Eisenman to explain the properties of ion-selective glass electrodes. According to this theory, a binding site with high negative field strength-for example, one formed by negatively charged carboxylic acid groups of glutamate or aspartate-will bind Na+ more tightly than K. This selectivity results because the electrostatic interaction between two charged groups, as governed by Coulomb’s law, depends inversely on the distance between the two groups.

این تشخیص و ویژگی شیمیایی چگونه ایجاد می‌شود؟ یک نظریه در اوایل دهه ۱۹۶۰ توسط جورج آیزنمن برای توضیح خواص الکترودهای شیشه ای انتخابی یونی ارائه شد. بر اساس این نظریه، یک محل اتصال با قدرت میدان منفی بالا – برای مثال، یک محل تشکیل شده توسط گروه‌های کربوکسیلیک اسید با بار منفی گلوتامات یا آسپارتات – +Na را محکم‌تر از K متصل می‌کند. طبق قانون کولن، به طور معکوس به فاصله بین دو گروه بستگی دارد.

Because it has a smaller crystal radius than K+, Na+ can approach a binding site with a high negative field strength more closely than K+ can and thus will derive a more favorable free-energy change on binding. This compensates for the requirement that Na+ lose some of its waters of hydration in order to traverse the narrow selectivity filter. In contrast, a binding site with a low negative field strength-one that is composed, for example, of polar carbonyl or hydroxyl oxygen atoms-would select K+ over Na+. At such a site, the binding of Nat would not provide a sufficient free- energy change to compensate for the loss of the ion’s waters of hydration, which Na holds strongly. How- ever, such a site would be able to compensate for the loss of a K+ ion’s waters of hydration since the larger K+ ions interact more weakly with water. It is currently thought that ion channels are selective both because of such specific chemical interactions and because of molecular sieving based on pore diameter.

از آنجایی که شعاع کریستالی کمتری نسبت به +K دارد،+Na می‌تواند نزدیک‌تر از +K به محل اتصال با قدرت میدان منفی بالا نزدیک شود و بنابراین تغییر انرژی آزاد مطلوب‌تری در اتصال ایجاد می‌کند. این نیازی را جبران می‌کند که +Na مقداری از آب هیدراتاسیون خود را برای عبور از فیلتر انتخابی باریک از دست بدهد. در مقابل، یک محل اتصال با قدرت میدان منفی کم – که برای مثال از اتم‌های اکسیژن قطبی کربونیل یا هیدروکسیل تشکیل شده است – +K را به +Na انتخاب می‌کند. در چنین مکانی، اتصال +Na تغییر انرژی آزاد کافی را برای جبران از دست دادن آب هیدراتاسیون یون، که Na به شدت حفظ می‌کند، ایجاد نمی‌کند. با این حال، چنین مکانی می‌تواند از دست دادن آب هیدراتاسیون یون K+ را جبران کند زیرا یون‌های K* بزرگ‌تر با آب تعامل ضعیف‌تری دارند. در حال حاضر تصور می‌شود که کانال‌های یونی هم به دلیل چنین فعل و انفعالات شیمیایی خاص و هم به دلیل الک مولکولی بر اساس قطر منافذ انتخابی هستند.

Ion Channels in All Cells Share Several Functional Characteristics

کانال‌های یونی در همه سلول‌ها دارای چندین ویژگی عملکردی هستند

Most cells are capable of local signaling, but only nerve and muscle cells are specialized for rapid signaling over long distances. Although nerve and muscle cells have a particularly rich variety and high density of membrane ion channels, their channels do not differ fundamentally from those of other cells in the body. Here we describe the general properties of ion channels in a wide variety of cells determined by recording current flow through channels under various experimental conditions.

اکثر سلول‌ها قادر به سیگنال دهی موضعی هستند، اما فقط سلول‌های عصبی و ماهیچه ای برای سیگنال دهی سریع در فواصل طولانی تخصص دارند. اگرچه سلول‌های عصبی و ماهیچه‌ای دارای تنوع ویژه و چگالی بالایی از کانال‌های یونی غشایی هستند، کانال‌های آن‌ها اساساً با کانال‌های دیگر سلول‌های بدن تفاوت ندارند. در اینجا ما خواص کلی کانال‌های یونی را در طیف گسترده‌ای از سلول‌ها توصیف می‌کنیم که با ثبت جریان جریان از طریق کانال‌ها در شرایط آزمایشی مختلف تعیین می‌شوند.

Currents Through Single Ion Channels Can Be Recorded

جریان از طریق کانال‌های تک یونی قابل ثبت است

Studies of ion channels were originally limited to recording the total current through the entire population of a class of ion channels, an approach that obscures some details of channel function. Later developments have made it possible to obtain much higher resolution by recording the current through single ion channels. The first direct recordings of individual ion channels in biological membranes were obtained by Erwin Neher and Bert Sakmann in 1976. A glass micropipette containing ACh the neurotransmitter that activates the ACh receptors in the membrane of skeletal muscle- was pressed tightly against a muscle membrane. Small unitary current pulses representing the opening and closing of a single ACh receptor channel were recorded from the membrane under the pipette tip. The current pulses all had the same amplitude, indicating that the channels open in an all-or-none fashion (Box 8-1).

مطالعات کانال‌های یونی در ابتدا محدود به ثبت جریان کل در کل جمعیت یک کلاس از کانال‌های یونی بود، رویکردی که برخی از جزئیات عملکرد کانال را پنهان می‌کند. پیشرفت‌های بعدی امکان دستیابی به وضوح بسیار بالاتر را با ثبت جریان از طریق کانال‌های تک یونی فراهم کرده است. اولین ثبت مستقیم کانال‌های یونی منفرد در غشاهای بیولوژیکی توسط Erwin Neher و Bert Sakmann در سال ۱۹۷۶ به دست آمد. یک میکروپیپت شیشه ای حاوی ACH انتقال دهنده عصبی که گیرنده‌های ACh را در غشای عضله اسکلتی فعال می‌کند، محکم بر روی غشای عضلانی فشار داده شد. پالس‌های جریان واحد کوچکی که نشان دهنده باز و بسته شدن یک کانال گیرنده ACH از غشای زیر نوک پیپت است ثبت شد. پالس‌های جاری همگی دارای دامنه یکسانی بودند که نشان می‌دهد کانال‌ها به صورت همه یا هیچ باز می‌شوند (کادر ۸-۱).

Figure 8-1 (Opposite) The permeability of the cell membrane to ions is determined by the interaction of ions with water, the membrane lipid bilayer, and ion channels. lons in solution are surrounded by a cloud of water molecules (waters of hydration) that are attracted by the net charge of the ion. This cloud is carried along by the ion as it diffuses through solution, increasing the effective size of the ion. It is energetically unfavorable, and therefore improbable, for the ion to leave this polar environment to enter the nonpolar environment of the lipid bilayer formed from phospholipids.

شکل ۸-۱ (مقابل) نفوذپذیری غشای سلولی به یون‌ها توسط برهمکنش یون‌ها با آب، لایه دولایه لیپیدی غشا و کانال‌های یونی تعیین می‌شود. لن‌ها در محلول توسط ابری از مولکول‌های آب (آب‌های هیدراتاسیون) احاطه شده اند که توسط بار خالص یون جذب می‌شوند. این ابر با انتشار در محلول توسط یون همراه می‌شود و اندازه موثر یون را افزایش می‌دهد. خروج یون از این محیط قطبی برای ورود به محیط غیرقطبی دولایه لیپیدی که از فسفولیپیدها تشکیل شده است، از نظر انرژی نامطلوب و در نتیجه غیرمحتمل است.

Phospholipids have a hydrophilic head and a hydrophobic tail. The hydrophobic tails join to exclude water and ions, whereas the polar hydrophilic heads face the aqueous environments of the extracellular fluid and cytoplasm. The phospholipid is composed of a backbone of glycerol in which two -OH groups are linked by ester bonds to fatty acid molecules. The third -OH group of glycerol is linked to phosphoric acid. The phosphate group is further linked to one of a variety of small, polar alcohol head groups (R).

فسفولیپیدها دارای سر آبدوست و دم آبگریز هستند. دم‌های آبگریز به هم می‌پیوندند تا آب و یون‌ها را حذف کنند، در حالی که سرهای آب دوست قطبی با محیط‌های آبی مایع خارج سلولی و سیتوپلاسم روبرو هستند. فسفولیپید از یک ستون فقرات گلیسرول تشکیل شده است که در آن دو گروه -OH توسط پیوندهای استری به مولکول‌های اسید چرب مرتبط هستند. سومین گروه گلیسرول -OH به اسید فسفریک مرتبط است. گروه فسفات بیشتر به یکی از انواع گروه‌های سر کوچک قطبی الکل (R) مرتبط است.

lon channels are integral membrane proteins that span the lipid bilayer, providing a pathway for ions to cross the membrane. The channels are selective for specific ions.

کانال‌های یونی، پروتئین‌های غشایی یکپارچه هستند که دولایه لیپیدی را پوشانده و مسیری را برای عبور یون‌ها از غشاء فراهم می‌کنند. کانال‌ها برای یون‌های خاص انتخابی هستند.

Potassium channels have a narrow pore that excludes Nat. Although a Na+ ion is smaller than a K+ ion, in solution, the effective diameter of Na+ is larger because its local field strength is more intense, causing it to attract a larger cloud of water molecules. The K+ channel pore is too narrow for the hydrated Na+ ion to permeate. Sodium channels have a selectivity filter that weakly binds Na+ ions. According to the hypothesis developed by Bertil Hille and colleagues, a Na+ ion binds transiently at an active site as it moves through the filter. At the binding site, the positive charge of the ion is stabilized by a negatively charged amino acid residue on the channel wall and also by a water molecule that is attracted to a second polar amino acid residue on the other side of the channel wall. It is thought that a K+ ion, because of its larger diameter, cannot be stabilized as effectively by the negative charge and therefore will be excluded from the filter. (Adapted from Hille 1984.)

کانال‌های پتاسیم دارای منافذ باریکی هستند که +Na را حذف می‌کند. اگرچه یک یون +Na کوچکتر از یک یون +K است، اما در محلول، قطر موثر +Na بزرگتر است، زیرا قدرت میدان موضعی آن شدیدتر است و باعث می‌شود ابر بزرگتری از مولکول‌های آب را جذب کند. منافذ کانال +K برای نفوذ یون هیدراته +Na بسیار باریک است. کانال‌های سدیم دارای یک فیلتر گزینش پذیری هستند که یون‌های +Na را ضعیف متصل می‌کند. بر اساس فرضیه ای که توسط Bertil Hille و همکارانش ایجاد شد، یک یون +Na به طور گذرا در یک مکان فعال در حالی که در فیلتر حرکت می‌کند، متصل می‌شود. در محل اتصال، بار مثبت یون توسط یک باقیمانده اسید آمینه با بار منفی روی دیواره کانال و همچنین توسط یک مولکول آب که به یک باقی مانده اسید آمینه قطبی دوم در طرف دیگر دیواره کانال جذب می‌شود، تثبیت می‌شود. تصور می‌شود که یک یون +K به دلیل قطر بزرگ‌ترش، نمی‌تواند به‌طور مؤثری توسط بار منفی تثبیت شود و بنابراین از فیلتر حذف می‌شود. (برگرفته از Hille 1984.)

---

Box 8-1 Recording Current in Single Ion Channels: The Patch Clamp
The patch-clamp technique was developed in 1976 by Erwin Neher and Bert Sakmann to record current from single ion channels. It is a refinement of the original voltage clamp technique (see Box 10-1).

کادر ۸-۱ جریان ثبت در کانال‌های یونی تک: گیره پچ

تکنیک Patch-clamp در سال ۱۹۷۶ توسط Erwin Neher و Bert Sakmann برای ثبت جریان از کانال‌های یونی ابداع شد. این اصلاحی از روش اصلی گیره ولتاژ است (به کادر ۱۰-۱ مراجعه کنید).

A small fire-polished glass micropipette with a tip diameter of approximately 1 um is pressed against the membrane of a skeletal muscle fiber. A metal electrode in contact with the electrolyte in the micropipette connects the pipette to a special electrical circuit that measures the current through channels in the membrane under the pipette tip (Figure 8-2A).

یک میکروپیپت کوچک شیشه ای صیقلی با آتش با قطر نوک تقریباً ۱ میکرومتر بر روی غشای فیبر ماهیچه ای اسکلتی فشرده می‌شود. یک الکترود فلزی در تماس با الکترولیت موجود در میکروپیپت، پیپت را به یک مدار الکتریکی ویژه متصل می‌کند که جریان را از طریق کانال‌های موجود در غشای زیر نوک پیپت اندازه گیری می‌کند (شکل ۸-2A).

In 1980, Neher discovered that applying a small amount of suction to the patch pipette greatly increased the tightness of the seal between the pipette and the membrane. The result was a seal with extremely high resistance between the inside and the outside of the pipette. The seal lowered the electronic noise and extended the usefulness of the patch-clamp technique to the whole range of ion channels. Since this discovery, the patch-clamp technique has been used to study all the major classes of ion channels in a variety of neurons and other cells (Figure 8-2B).

در سال ۱۹۸۰، نهر کشف کرد که اعمال مقدار کمی‌مکش به پیپت پچ، سفتی مهر و موم بین پیپت و غشاء را به شدت افزایش می‌دهد. نتیجه آب بندی با مقاومت بسیار بالا بین داخل و خارج پیپت بود. مهر و موم نویز الکترونیکی را کاهش داد و سودمندی تکنیک پچ کلمپ را به طیف وسیعی از کانال‌های یونی گسترش داد. از زمان این کشف، تکنیک پچ کلمپ برای مطالعه تمام کلاس‌های اصلی کانال‌های یونی در انواع نورون‌ها و سلول‌های دیگر مورد استفاده قرار گرفته است (شکل ۸-2B).

Christopher Miller independently developed a method for incorporating ion channels from biological membranes into artificial lipid bilayers. He first homogenized the membranes in a blender; using centrifugation of the homogenate, he then separated out a fraction composed only of membrane vesicles. He studied the functional components of these vesicles using a technique developed by Paul Mueller and Donald Rudin in the 1960s. They discovered how to create an artificial lipid bilayer by painting a thin drop of phospholipid over a hole in a nonconducting barrier separating two salt solutions. Miller found that under appropriate ionic conditions his membrane vesicles fused with the planar phospholipid mem- brane, incorporating any ion channel in the vesicle into the planar membrane.

کریستوفر میلر به طور مستقل روشی را برای ترکیب کانال‌های یونی از غشاهای بیولوژیکی در دو لایه لیپیدی مصنوعی ایجاد کرد. او ابتدا غشاها را در یک مخلوط کن همگن کرد. سپس با استفاده از سانتریفیوژ ماده هموژن، کسری که فقط از وزیکول‌های غشایی تشکیل شده بود را جدا کرد. او اجزای عملکردی این وزیکول‌ها را با استفاده از تکنیکی که توسط پل مولر و دونالد رودین در دهه ۱۹۶۰ توسعه یافت، مورد مطالعه قرار داد. آنها کشف کردند که چگونه می‌توان یک دولایه لیپیدی مصنوعی با رنگ کردن یک قطره نازک فسفولیپید روی سوراخی در یک مانع نارسانا که دو محلول نمک را از هم جدا می‌کند، ایجاد کرد. میلر دریافت که تحت شرایط یونی مناسب، وزیکول‌های غشایی او با غشای فسفولیپیدی مسطح ذوب می‌شوند و هر کانال یونی در وزیکول را در غشای مسطح ترکیب می‌کنند.

This technique has two experimental advantages. First, it allows recording from ion channels in regions of cells that are inaccessible to patch clamp; for example, Miller has successfully studied a K+ channel isolated from the internal membrane of skeletal muscle (the sarcoplasmic reticulum). Second, it allows researchers to study how the composition of the membrane lipids influences channel function.

این تکنیک دو مزیت تجربی دارد. اول، امکان ثبت از کانال‌های یونی در مناطقی از سلول‌ها را فراهم می‌کند که برای پچ کلمپ غیرقابل دسترسی هستند. برای مثال، میلر با موفقیت یک کانال +K جدا شده از غشای داخلی عضله اسکلتی (شبکه سارکوپلاسمی) را مطالعه کرده است. دوم، به محققان اجازه می‌دهد تا چگونگی تأثیر ترکیب لیپیدهای غشایی بر عملکرد کانال را مطالعه کنند.

Figure 8-2 Patch-clamp setup and recording.
A. A pipette containing a low concentration of acetylcholine (ACH) in saline solution is used to record current through ACh receptor channels in skeletal muscle. (Adapted from Alberts et al. 1994.)

شکل ۸-۲ تنظیم و ثبت پچ کلمپ.
الف) یک پیپت حاوی غلظت کم استیل کولین (ACH) در محلول نمکی برای ثبت جریان از طریق کانال‌های گیرنده ACh در عضله اسکلتی استفاده می‌شود. (برگرفته از آلبرتز و همکاران ۱۹۹۴.)

B. Patch-clamp recording of the current through a single ACh receptor channel as the channel switches between closed and open states. (Reproduced, with permission, from B. Sakmann.)

ب. ثبت با گیره وصله جریان از طریق یک کانال گیرنده ACh در حالی که کانال بین حالت‌های بسته و باز سوئیچ می‌کند. (تکثیر شده، با اجازه، از B. Sakmann.)

The pulses measured 2 pA (2 × ۱۰-۱۲ A) at a mem- brane potential of -80 mV, which according to Ohm’s law (IV/R) indicates that the channels had a resistance of 5 × ۱۰۱۱ ohms. In dealing with ion channels, it is more useful to speak of conductance, the reciprocal of resistance (y = 1/R), as this provides an electrical measure related to ion permeability. Thus, Ohm’s law for a single ion channel can be expressed as i = y × V. The conductance of the ACh receptor channel is approximately 25 x 102 siemens (S), or 25 picosiemens (pS), where 1 S equals 1/ohm.

پالس‌ها ۲ pA (2 × ۱۰-۱۲ A) در پتانسیل غشایی ۸۰- میلی ولت اندازه گیری کردند، که طبق قانون اهم (IV/R) نشان می‌دهد که کانال‌ها دارای مقاومت ۵ × ۱۰۱۱ اهم هستند. در برخورد با کانال‌های یونی، صحبت از رسانایی، مقاومت متقابل (y = 1/R) مفیدتر است، زیرا این معیار الکتریکی مربوط به نفوذپذیری یون را ارائه می‌دهد. بنابراین، قانون اهم برای یک کانال یونی منفرد را می‌توان به صورت i = y × V بیان کرد. رسانایی کانال گیرنده ACh تقریباً ۲۵ x 102 زیمنس (S) یا ۲۵ پیکوزیمنس (pS) است، که در آن ۱ S برابر است با ۱ / اهم. 

The Flux of Ions Through a Channel Differs From Diffusion in Free Solution

شار یون‌ها از طریق یک کانال با انتشار در محلول آزاد متفاوت است

The kinetic properties of ion permeation are best described by the channel’s conductance, which is determined by measuring the current (ion flux) through the open channel in response to an electrochemical driving force. The net electrochemical driving force is determined by two factors: the electrical potential difference across the membrane and the concentration gradients of the permeant ions across the membrane. Changing either one can change the net driving force (Chapter 9).

خواص جنبشی نفوذ یون به بهترین وجه توسط رسانایی کانال توصیف می‌شود که با اندازه گیری جریان (شار یونی) از طریق کانال باز در پاسخ به نیروی محرکه الکتروشیمیایی تعیین می‌شود. نیروی محرکه الکتروشیمیایی خالص توسط دو عامل تعیین می‌شود: اختلاف پتانسیل الکتریکی در سراسر غشا و گرادیان غلظت یون‌های نفوذپذیر در سراسر غشا. تغییر هر یک می‌تواند نیروی محرکه خالص را تغییر دهد (فصل ۹).

Figure 8-3 Current-voltage relations. In many ion channels, the relation between current (i) through the open channel and membrane voltage (V) is linear (left plot). Such channels are said to be “ohmic” because they follow Ohm’s law, i= V/R or VX % where y is conductance. In other channels, the relation between current and membrane potential is nonlinear. This kind of channel is said to “rectify,” in the sense that it conducts current more readily in one direction than the other. The right plot shows an outwardly rectifying channel for which positive current (right side) is larger than the negative current (left side) for a given absolute value of voltage.

شکل ۸-۳ روابط جریان-ولتاژ. در بسیاری از کانال‌های یونی، رابطه بین جریان (i) از کانال باز و ولتاژ غشاء (V) خطی است (نمودار سمت چپ). به این کانال‌ها «اهمی» گفته می‌شود زیرا از قانون اهم پیروی می‌کنند، i= V/R یا VX % که در آن y رسانایی است. در کانال‌های دیگر، رابطه بین جریان و پتانسیل غشا غیرخطی است. گفته می‌شود که این نوع کانال «تصحیح» می‌کند، به این معنا که جریان را با سهولت بیشتری در یک جهت از جهت دیگر هدایت می‌کند. نمودار سمت راست یک کانال یکسو کننده بیرونی را نشان می‌دهد که جریان مثبت (سمت راست) برای یک مقدار مطلق ولتاژ بزرگتر از جریان منفی (سمت چپ) است.

In some open channels, the current varies linearly with driving force that is, the channels behave as simple resistors. In others, the current is a nonlinear function of driving force. This type of channel behaves as a rectifier-it conducts ions more readily in one direction than in the other because of asymmetry in the channel’s structure or ionic environment (Figure 8-3).

در برخی از کانال‌های باز، جریان به صورت خطی با نیروی محرکه تغییر می‌کند، یعنی کانال‌ها مانند مقاومت‌های ساده رفتار می‌کنند. در برخی دیگر، جریان تابع غیرخطی نیروی محرکه است. این نوع کانال به‌عنوان یکسوکننده رفتار می‌کند – به دلیل عدم تقارن در ساختار کانال یا محیط یونی، یون‌ها را راحت‌تر در یک جهت نسبت به جهت دیگر هدایت می‌کند (شکل ۸-۳).

The rate of net ion flux (current) through a channel depends on the concentration of the permeant ions in the surrounding solution. At low concentrations, the current increases almost linearly with concentration. At higher concentrations, the current tends to reach a point at which it no longer increases. At this point, the current is said to saturate. This saturation effect indicates that ion flux across the cell membrane is not like electrochemical diffusion in free solution but involves the binding of ions to specific polar sites within the pore of the channel. A simple electrodiffusion model would predict that the ionic current should increase in proportion to increases in concentration.

سرعت شار خالص یون (جریان) از طریق یک کانال به غلظت یون‌های نفوذ کننده در محلول اطراف بستگی دارد. در غلظت‌های پایین، جریان تقریباً خطی با غلظت افزایش می‌یابد. در غلظت‌های بالاتر، جریان به نقطه ای می‌رسد که دیگر افزایش نمی‌یابد. در این مرحله گفته می‌شود که جریان اشباع می‌شود. این اثر اشباع نشان می‌دهد که شار یون در سراسر غشای سلولی مانند انتشار الکتروشیمیایی در محلول آزاد نیست، بلکه شامل اتصال یون‌ها به مکان‌های قطبی خاص در منافذ کانال است. یک مدل الکترودیفیوژن ساده پیش بینی می‌کند که جریان یونی باید متناسب با افزایش غلظت افزایش یابد.

The relation between current and ionic concentration for a wide range of ion channels is well described by a simple chemical binding equation, identical to the Michaelis-Menten equation for enzymes, suggesting that a single ion binds within the channel during permeation. The ionic concentration at which cur- rent reaches half its maximum defines the dissociation constant, the concentration at which half of the channels will be occupied by a bound ion. The dissociation constant in plots of current versus concentration is typically quite high, approximately 100 mM, indicating weak binding. (In typical interactions between enzymes and substrates, the dissociation constant is below 1 μM.) The rapid rate at which an ion unbinds is necessary for the channel to achieve the very high conduction rates responsible for the rapid changes in membrane potential during signaling.

رابطه بین غلظت جریان و یونی برای طیف وسیعی از کانال‌های یونی به خوبی با یک معادله اتصال شیمیایی ساده، مشابه معادله Michaelis-Menten برای آنزیم‌ها، توصیف می‌شود، که نشان می‌دهد یک یون منفرد در طول نفوذ به کانال متصل می‌شود. غلظت یونی که در آن جریان به نصف حداکثر خود می‌رسد، ثابت تفکیک را تعیین می‌کند، غلظتی که در آن نیمی‌از کانال‌ها توسط یک یون محدود اشغال می‌شود. ثابت تفکیک در نمودارهای جریان در مقابل غلظت معمولاً بسیار زیاد است، تقریباً ۱۰۰ میلی‌مولار، که نشان‌دهنده اتصال ضعیف است. (در فعل و انفعالات معمولی بین آنزیم‌ها و سوبستراها، ثابت تفکیک کمتر از ۱ میکرومولار است.) سرعت سریعی که یک یون در آن جدا می‌شود برای رسیدن به سرعت‌های رسانایی بسیار بالا که مسئول تغییرات سریع پتانسیل غشاء در طول سیگنال دهی هستند، ضروری است.

Some ion channels can be blocked by certain free ions or molecules in the cytoplasm or extracellular fluid that bind either to the mouth of the aqueous pore or somewhere within the pore. If the blocker is an ion that binds to a site within the pore, it will be influenced by the membrane electric field as it enters the channel. For example, if a positively charged blocker enters the channel from outside the membrane, then making the cytoplasmic side of the membrane more negative will drive the blocker into the channel by electrostatic attraction, increasing the block. Although some blockers are toxins or drugs that originate outside the body, others are common ions normally present in the cell or its environment. Physiological blockers of certain classes of channels include Mg2+, Ca2+, Na+, and poly- amines such as spermine.

برخی از کانال‌های یونی می‌توانند توسط یون‌ها یا مولکول‌های آزاد خاص در سیتوپلاسم یا مایع خارج سلولی که یا به دهان منفذ آبی یا جایی در منافذ متصل می‌شوند مسدود شوند. اگر مسدود کننده یونی باشد که به محلی در منافذ متصل می‌شود، هنگام ورود به کانال تحت تأثیر میدان الکتریکی غشاء قرار می‌گیرد. به عنوان مثال، اگر یک مسدود کننده با بار مثبت از خارج از غشاء وارد کانال شود، آنگاه منفی شدن سمت سیتوپلاسمی‌غشا، مسدود کننده را با جاذبه الکترواستاتیکی وارد کانال می‌کند و بلوک را افزایش می‌دهد. اگرچه برخی از مسدودکننده‌ها سموم یا داروهایی هستند که خارج از بدن منشأ می‌گیرند، برخی دیگر یون‌های رایجی هستند که معمولاً در سلول یا محیط آن وجود دارند. مسدودکننده‌های فیزیولوژیکی کلاس‌های خاصی از کانال‌ها شامل Mg2+، Ca2+، Na+ و پلی‌آمین‌هایی مانند اسپرمین هستند.

The Opening and Closing of a Channel Involve Conformational Changes

باز کردن و بسته شدن یک کانال شامل تغییرات ساختاری است

In ion channels that mediate electrical signaling, the channel protein has two or more conformational states that are relatively stable. Each conformation represents a different functional state. For example, each ion channel has at least one open state and one or two closed states. The transition of a channel between these different states is called gating.

در کانال‌های یونی که واسطه سیگنال‌های الکتریکی هستند، پروتئین کانال دارای دو یا چند حالت ساختاری است که نسبتاً پایدار هستند. هر ترکیب یک حالت عملکردی متفاوت را نشان می‌دهد. برای مثال، هر کانال یونی حداقل یک حالت باز و یک یا دو حالت بسته دارد. انتقال یک کانال بین این حالت‌های مختلف دروازه ای نامیده می‌شود.

The molecular mechanisms of gating are only partially understood. In some cases, such as the voltage- gated Cl channel described later in the chapter, a local conformational change along the channel lumen gates the channel (Figure 8-4A). In most cases, channel gating involves widespread changes in the channel’s conformation (Figure 8-4B). For example, concerted movements, such as twisting, bending, or tilting, of the subunits that line the channel pore mediate the opening and closing of some ion channels (see Figure 8-14 and Chapters 11 and 12). The molecular rearrangements that occur during the transition from closed to open states appear to enhance ion conduction through the channel not only by creating a wider lumen, but also by positioning relatively more polar amino acid constituents at the surface that lines the aqueous pore. In other cases (eg, inactivation of K+ channels described in Chapter 10), part of the channel protein acts as a particle that can close the channel by blocking the pore (Figure 8-4C).

مکانیسم‌های مولکولی دروازه‌بندی تنها تا حدی شناخته شده است. در برخی موارد، مانند کانال کلر دارای ولتاژ که بعداً در این فصل توضیح داده شد، یک تغییر ساختاری موضعی در امتداد لومن کانال کانال را دروازه‌ای می‌کند (شکل ۸-4A). در بیشتر موارد، دروازه‌بندی کانال شامل تغییرات گسترده در ساختار کانال است (شکل ۸-4B). به عنوان مثال، حرکات هماهنگ، مانند پیچش، خم شدن، یا کج شدن، زیر واحدهایی که منافذ کانال را می‌پوشانند، واسطه باز و بسته شدن برخی از کانال‌های یونی هستند (شکل ۸-۱۴ و فصل‌های ۱۱ و ۱۲ را ببینید). بازآرایی‌های مولکولی که در طول انتقال از حالت بسته به حالت باز رخ می‌دهند، نه تنها با ایجاد یک لومن وسیع‌تر، بلکه با قرار دادن ترکیبات اسید آمینه قطبی‌تر در سطحی که منافذ آبی را می‌پوشاند، هدایت یونی را از طریق کانال افزایش می‌دهند. در موارد دیگر (به عنوان مثال، غیرفعال کردن کانال‌های K+ شرح داده شده در فصل ۱۰)، بخشی از پروتئین کانال به عنوان ذره ای عمل می‌کند که می‌تواند کانال را با مسدود کردن منافذ ببندد (شکل ۸-4C).

Three major transduction mechanisms have evolved to control channel opening in neurons. Certain channels are opened by the binding of chemical ligands, known as agonists (Figure 8-5A). Some ligands bind directly to the channel either at an extracellular or intracellular site; transmitters bind at extracellular sites, whereas certain cytoplasmic constituents, such as Ca2+, cyclic nucleotides, and GTP-binding proteins, bind at intracellular sites, as do certain dynamically regulated mobile lipid components of the membrane (Chapter 14). Other ligands activate intracellular second messenger signaling cascades that can covalently modify channel gating through protein phosphorylation (Figure 8-5B). Many ion channels are regulated by changes in membrane potential (Figure 8-5C). Some voltage-gated channels act as temperature sensors; changes in temperature shift their voltage gating to higher or lower membrane potentials, giving rise to heat- or cold- sensitive channels. Finally, some channels are regulated by mechanical force (Figure 8-5D).

سه مکانیسم انتقال اصلی برای کنترل باز شدن کانال در نورون‌ها تکامل یافته اند. کانال‌های خاصی با اتصال لیگاندهای شیمیایی که به عنوان آگونیست شناخته می‌شوند باز می‌شوند (شکل ۸-5A). برخی لیگاندها به طور مستقیم به کانال یا در یک مکان خارج سلولی یا داخل سلولی متصل می‌شوند. فرستنده‌ها در مکان‌های خارج سلولی متصل می‌شوند، در حالی که اجزای سیتوپلاسمی‌خاصی مانند Ca2+، نوکلئوتیدهای حلقوی و پروتئین‌های متصل شونده به GTP، مانند برخی اجزای چربی متحرک غشا که به صورت دینامیکی تنظیم می‌شوند، در مکان‌های درون سلولی متصل می‌شوند (فصل ۱۴). لیگاندهای دیگر آبشارهای سیگنال دهی پیام رسان دوم درون سلولی را فعال می‌کنند که می‌توانند به طور کووالانسی دروازه کانال را از طریق فسفوریلاسیون پروتئین اصلاح کنند (شکل ۸-5B). بسیاری از کانال‌های یونی با تغییرات پتانسیل غشا تنظیم می‌شوند (شکل ۸-5C). برخی از کانال‌های دارای ولتاژ به عنوان سنسور دما عمل می‌کنند. تغییرات دما، دروازه ولتاژ آنها را به پتانسیل‌های غشایی بالاتر یا پایین تر منتقل می‌کند و کانال‌های حساس به گرما یا سرما را ایجاد می‌کند. در نهایت، برخی از کانال‌ها توسط نیروی مکانیکی تنظیم می‌شوند (شکل ۸-5D).

Figure 8-4 Three physical models for the opening and closing of ion channels.
A. A localized conformational change occurs in one region of the channel.
B. A generalized structural change occurs along the length of the channel.
C. A blocking particle swings into and out of the channel mouth.

شکل ۸-۴ سه مدل فیزیکی برای باز و بسته شدن کانال‌های یونی.
A. یک تغییر ساختاری موضعی در یک منطقه از کانال رخ می‌دهد.
ب- یک تغییر ساختاری تعمیم یافته در طول کانال رخ می‌دهد.
ج. یک ذره مسدود کننده به داخل و خارج از دهان کانال نوسان می‌کند.

Figure 8-5 Several types of stimuli control the opening and closing of ion channels.
A. A ligand-gated channel opens when a ligand binds a receptor site on the external surface of the channel protein. The energy from ligand binding drives the channel toward an open state.

شکل ۸-۵ چندین نوع محرک باز و بسته شدن کانال‌های یونی را کنترل می‌کنند.
الف. یک کانال دردار با لیگاند زمانی باز می‌شود که یک لیگاند به یک محل گیرنده در سطح خارجی پروتئین کانال متصل شود. انرژی حاصل از اتصال لیگاند، کانال را به سمت حالت باز سوق می‌دهد.

B. Some channels are regulated by protein phosphorylation and dephosphorylation. The energy for channel opening comes from the transfer of the high-energy phosphate, P.

ب) برخی از کانال‌ها توسط فسفوریلاسیون پروتئین و دفسفوریلاسیون تنظیم می‌شوند. انرژی باز شدن کانال از انتقال فسفات پرانرژی P به دست می‌آید.

C. Voltage-gated channels open and close with changes in the electrical potential difference across the membrane. The change in membrane potential causes a local conformational change by acting on a region of the channel that has a net charge.

ج- کانال‌های ولتاژدار با تغییر در اختلاف پتانسیل الکتریکی در سراسر غشا باز و بسته می‌شوند. تغییر در پتانسیل غشاء با عمل بر روی ناحیه ای از کانال که دارای بار خالص است، باعث تغییر ساختار محلی می‌شود.

D. Some channels open and close in response to membrane stretch or pressure. The energy for gating may come from mechanical forces that are passed to the channel either directly by distortion of the membrane lipid bilayer or by protein filaments attached to the cytoskeleton or surrounding tissues.

د) برخی از کانال‌ها در پاسخ به کشش یا فشار غشا باز و بسته می‌شوند. انرژی برای راه‌اندازی ممکن است از نیروهای مکانیکی ناشی شود که مستقیماً از طریق اعوجاج دولایه لیپیدی غشایی یا توسط رشته‌های پروتئینی متصل به اسکلت سلولی یا بافت‌های اطراف به کانال منتقل می‌شوند.

The rapid gating actions necessary for moment-to- moment signaling may also be influenced by certain long-term changes in the metabolic state of the cell. For example, the gating of some K channels is sensitive to intracellular levels of ATP. Some channel proteins contain a subunit with an integral oxidoreductase catalytic domain that is thought to alter channel gating in response to the redox state of the cell.

اقدامات دروازه‌ای سریع لازم برای سیگنال‌دهی لحظه به لحظه نیز ممکن است تحت تأثیر برخی تغییرات طولانی‌مدت در وضعیت متابولیک سلول باشد. به عنوان مثال، دروازه برخی از کانال‌های K به سطوح درون سلولی ATP حساس است. برخی از پروتئین‌های کانال حاوی یک زیرواحد با یک دامنه کاتالیزوری اکسیدوردوکتاز هستند که تصور می‌شود دروازه کانال را در پاسخ به وضعیت ردوکس سلول تغییر می‌دهد.

These regulators control the entry of a channel into one of three functional states: closed and activatable (resting), open (active), or closed and nonactivatable (inactivated or refractory). A change in the functional state of a channel requires energy. In voltage-gated channels, the energy is provided by the movement of a charged region of the channel protein through the membrane’s electric field. This region, the voltage sensor, contains a net electric charge, called a gating charge, resulting from the presence of basic (positively charged) or acidic (negatively charged) amino acids. The movement of the charged voltage sensor through the electric field in response to a change in membrane potential imparts a change in free energy to the channel that alters the equilibrium between the closed and open states of the channel. For most voltage-gated channels, channel opening is favored by making the inside of the membrane more positive (depolarization).

این تنظیم کننده‌ها ورود یک کانال را به یکی از سه حالت عملکردی کنترل می‌کنند: بسته و فعال (در حال استراحت)، باز (فعال) یا بسته و غیر فعال (غیرفعال یا نسوز). تغییر در وضعیت عملکردی یک کانال نیاز به انرژی دارد. در کانال‌های دارای ولتاژ، انرژی با حرکت ناحیه باردار پروتئین کانال از طریق میدان الکتریکی غشا تامین می‌شود. این ناحیه، حسگر ولتاژ، حاوی یک بار الکتریکی خالص به نام بار دروازه ای است که از حضور اسیدهای آمینه بازی (با بار مثبت) یا اسیدی (با بار منفی) ناشی می‌شود. حرکت سنسور ولتاژ باردار از طریق میدان الکتریکی در پاسخ به تغییر پتانسیل غشایی، تغییری در انرژی آزاد به کانال منتقل می‌کند که تعادل بین حالت‌های بسته و باز کانال را تغییر می‌دهد. برای اکثر کانال‌های دارای ولتاژ، باز شدن کانال با مثبت‌تر کردن داخل غشا (دپلاریزاسیون) مطلوب است.

In transmitter-gated channels, gating is driven by the change in chemical free energy that results when the transmitter binds to a receptor site on the channel protein. Finally, mechanosensitive channels are gated by force transmitted by the distortion of the surrounding lipid bilayer or by protein tethers.

در کانال‌های دارای دروازه‌ای فرستنده، دروازه‌بندی با تغییر در انرژی آزاد شیمیایی که منجر به اتصال فرستنده به یک مکان گیرنده در پروتئین کانال می‌شود، هدایت می‌شود. در نهایت، کانال‌های حساس به مکانیسم با نیرویی که توسط اعوجاج دولایه لیپیدی اطراف یا توسط تترهای پروتئینی منتقل می‌شود، بسته می‌شوند.

The stimuli that gate the channel also control the rates of transition between the open and closed states of a channel. For voltage-gated channels, the rates are steeply dependent on membrane potential. Although the time scale can vary from several microseconds to a minute, the transition tends to require a few milliseconds on average. Thus, once a channel opens, it stays open for a few milliseconds, and after closing, it stays closed for a few milliseconds before reopening. Once the transition between open and closed states begins, it proceeds virtually instantaneously (in less than 10 us, the present limit of experimental measurements), thus giving rise to abrupt, all-or-none, step- like changes in current through the channel (Figure 8-2 in Box 8-1).

محرک‌هایی که کانال را در می‌گیرند، نرخ انتقال بین حالت‌های باز و بسته یک کانال را نیز کنترل می‌کنند. برای کانال‌های دارای ولتاژ، نرخ‌ها به شدت به پتانسیل غشاء وابسته هستند. اگرچه مقیاس زمانی می‌تواند از چند میکروثانیه تا یک دقیقه متفاوت باشد، این انتقال به طور متوسط ​​به چند میلی‌ثانیه نیاز دارد. بنابراین، هنگامی‌که یک کانال باز می‌شود، برای چند میلی ثانیه باز می‌ماند و پس از بسته شدن، قبل از باز شدن مجدد، برای چند میلی ثانیه بسته می‌ماند. هنگامی‌که انتقال بین حالت‌های باز و بسته آغاز می‌شود، تقریباً آنی (در کمتر از ۱۰ us، حد فعلی اندازه‌گیری‌های تجربی) ادامه می‌یابد، بنابراین تغییرات ناگهانی، همه یا هیچ، پله‌ای در جریان از طریق کانال ایجاد می‌شود. (شکل ۸-۲ در کادر ۸-۱).

Ligand-gated and voltage-gated channels enter. refractory states through different processes. Ligand- gated channels can enter the refractory state when their exposure to the agonist is prolonged, a process called desensitization-an intrinsic property of the interaction between ligand and channel.

کانال‌های دارای دروازه و ولتاژ وارد می‌شوند. حالت‌های نسوز از طریق فرآیندهای مختلف. کانال‌های لیگاند شده زمانی که قرار گرفتن در معرض آگونیست طولانی می‌شود می‌توانند وارد حالت نسوز شوند، فرآیندی که حساسیت زدایی نامیده می‌شود – یک ویژگی ذاتی برهمکنش بین لیگاند و کانال.

Many, but not all, voltage-gated channels enter a refractory state after opening, a process termed inactivation. In the inactivated state, the channel is closed and can no longer be opened by positive voltages. Rather, the membrane potential must be returned to its initial negative resting level before the channel can recover from inactivation so that it can again open in response to depolarization. Inactivation of voltage-gated Na+ and K+ channels is thought to result from a conformational change, controlled by a subunit or region of the channel separate from that which controls activation. In contrast, the inactivation of certain voltage-gated Ca2+ channels is thought to require Ca2+ influx. An increase in cytoplasmic Ca2+ concentration inactivates the Ca2+ channel by binding to the regulatory molecule calmodulin, which is permanently associated with the Ca2+ channel protein (Figure 8-6).

بسیاری از کانال‌های ولتاژدار، اما نه همه آنها، پس از باز شدن وارد حالت نسوز می‌شوند، فرآیندی که غیرفعال سازی نامیده می‌شود. در حالت غیر فعال، کانال بسته است و دیگر با ولتاژ مثبت باز نمی‌شود. در عوض، پتانسیل غشاء باید به سطح استراحت منفی اولیه خود برگردانده شود تا کانال بتواند پس از غیرفعال شدن بازگردد تا بتواند دوباره در پاسخ به دپلاریزاسیون باز شود. تصور می‌شود که غیرفعال‌سازی کانال‌های +Na و +K دارای ولتاژ در نتیجه یک تغییر ساختاری است که توسط یک زیرواحد یا ناحیه کانال جدا از آن چیزی که فعال‌سازی را کنترل می‌کند، کنترل می‌شود. در مقابل، غیرفعال شدن برخی از کانال‌های +Ca2 دارای ولتاژ به هجوم +Ca2 نیاز دارد. افزایش غلظت +Ca2 سیتوپلاسمی، کانال +Ca2 را با اتصال به مولکول تنظیم کننده کالمودولین، که به طور دائم با پروتئین کانال +Ca2 مرتبط است، غیرفعال می‌کند (شکل ۸-۶).

Some mechanically gated ion channels that mediate touch sensation inactivate in response to a prolonged stimulus or to a train of brief stimuli. Although the molecular mechanism of this inactivation is not known, it is thought to be an intrinsic property of the channel.

برخی از کانال‌های یونی دارای دروازه مکانیکی که واسطه حس لامسه هستند در پاسخ به یک محرک طولانی مدت یا یک رشته محرک کوتاه غیرفعال می‌شوند. اگرچه مکانیسم مولکولی این غیرفعال سازی شناخته نشده است، تصور می‌شود که یکی از ویژگی‌های ذاتی کانال باشد.

Exogenous factors, such as drugs and toxins, can also affect the gating control sites of an ion channel. Most of these agents tend to inhibit channel opening, but a few facilitate opening. Competitive antagonists interfere with normal gating by binding to the same site at which the endogenous agonist normally binds. Antagonist binding, which does not open the channel, blocks access of agonist to the binding site, thereby preventing channel opening. The antagonist binding can be weak and reversible, as in the blockade of the nicotinic ACh-gated channel in skeletal muscle by the plant alkaloid curare, a South American arrow poison (Chapters 11 and 12), or it can be strong and virtually irreversible, as in the blockade of the same channel by the snake venom a-bungarotoxin.

عوامل برون زا مانند داروها و سموم نیز می‌توانند بر روی مکان‌های کنترل دروازه ای یک کانال یونی تأثیر بگذارند. بیشتر این عوامل تمایل به مهار باز شدن کانال دارند، اما تعداد کمی‌از آنها باز شدن را تسهیل می‌کنند. آنتاگونیست‌های رقابتی با اتصال به همان محلی که آگونیست درون زا به طور معمول در آن متصل می‌شود، با دروازه طبیعی تداخل می‌کنند. اتصال آنتاگونیست، که کانال را باز نمی‌کند، دسترسی آگونیست را به محل اتصال مسدود می‌کند و در نتیجه از باز شدن کانال جلوگیری می‌کند. اتصال آنتاگونیست می‌تواند ضعیف و برگشت‌پذیر باشد، مانند انسداد کانال نیکوتین ACh در ماهیچه‌های اسکلتی توسط آلکالوئید گیاهی کورار، سم پیکان آمریکای جنوبی (فصل ۱۱ و ۱۲)، یا می‌تواند قوی و تقریباً غیرقابل برگشت باشد. مانند مسدود شدن همان کانال توسط سم مار a-bungarotoxin.

Some exogenous substances modulate gating in a noncompetitive manner, without directly interacting with the transmitter-binding site. For example, binding of the drug diazepam (Valium) to a regulatory site on Cl channels that are gated by y-aminobutyric acid (GABA), an inhibitory neurotransmitter, enhances the frequency with which the channels open in response to GABA binding (Figure 8-7B). This type of indirect, allosteric modulatory effect is found in some voltage- and mechanically gated channels as well.

برخی از مواد اگزوژن دروازه را به شیوه ای غیررقابتی تعدیل می‌کنند، بدون اینکه مستقیماً با محل اتصال فرستنده تعامل داشته باشند. به عنوان مثال، اتصال داروی دیازپام (Valium) به یک مکان تنظیم کننده در کانال‌های کلر که توسط γ-aminobutyric acid (GABA)، یک انتقال دهنده عصبی بازدارنده، بسته شده اند، فرکانس باز شدن کانال‌ها در پاسخ به اتصال GABA را افزایش می‌دهد (شکل 7B-8). این نوع اثر تعدیلی غیرمستقیم و آلوستریک در برخی از کانال‌های دارای ولتاژ و مکانیکی نیز یافت می‌شود.

The Structure of Ion Channels Is Inferred From Biophysical, Biochemical, and Molecular Biological Studies.

ساختار کانال‌های یونی از مطالعات بیوفیزیکی، بیوشیمیایی و بیولوژیکی مولکولی استنباط شده است.

What do ion channels look like? How does the channel protein span the membrane? What happens to the structure of the channel when it opens and closes? Where along the length of the channel protein do drugs and transmitters bind?

کانال‌های یونی چه شکلی هستند؟ چگونه پروتئین کانال غشا را می‌پوشاند؟ با باز و بسته شدن کانال چه اتفاقی برای ساختار کانال می‌افتد؟ داروها و فرستنده‌ها کجا در طول پروتئین کانال متصل می‌شوند؟

Figure 8-6 Voltage-gated channels are inactivated by two mechanisms. A. Many voltage-gated channels enter a refractory (inactivated) state after briefly opening in response to depolarization of the membrane. They recover from the refractory state and return to the resting state only after the membrane potential is restored to its resting value.

شکل ۸-۶ کانال‌های ولتاژدار با دو مکانیسم غیرفعال می‌شوند. الف- بسیاری از کانال‌های ولتاژدار پس از باز شدن کوتاه در پاسخ به دپلاریزاسیون غشا وارد حالت نسوز (غیرفعال) می‌شوند. آنها از حالت نسوز باز می‌گردند و تنها پس از بازگشت پتانسیل غشا به مقدار استراحت خود به حالت استراحت باز می‌گردند.

B. Some voltage-dependent Ca2+ channels become inactivated when the internal Ca2+ level increases following channel opening. The internal Ca2+ binds to calmodulin (CaM), a specific regulatory protein associated with the channel.

ب. برخی از کانال‌های +Ca2 وابسته به ولتاژ زمانی غیرفعال می‌شوند که سطح +Ca2 داخلی به دنبال باز شدن کانال افزایش یابد.+Ca2 داخلی به کالمودولین (CaM)، یک پروتئین تنظیمی‌خاص مرتبط با کانال متصل می‌شود.

Figure 8-7 Exogenous ligands, such as drugs, can bias an ion channel toward an open or closed state.
A. In channels that are normally opened by the binding of an endogenous ligand (1), a drug or toxin may block the binding of the agonist by means of a reversible (2) or irreversible (3) reaction.
B. Some exogenous agents can bias a channel toward the open state by binding to a regulatory site, distinct from the ligand-binding site that normally opens the channel.

شکل ۸-۷ لیگاندهای اگزوژن، مانند داروها، می‌توانند یک کانال یونی را به سمت حالت باز یا بسته هدایت کنند.
الف) در کانال‌هایی که به طور معمول با اتصال لیگاند درون زا (۱) باز می‌شوند، یک دارو یا سم ممکن است از طریق یک واکنش برگشت پذیر (۲) یا برگشت ناپذیر (۳) اتصال آگونیست را مسدود کند.
ب. برخی از عوامل برون زا می‌توانند با اتصال به یک مکان تنظیمی، مجزا از محل اتصال لیگاند که معمولاً کانال را باز می‌کند، یک کانال را به سمت حالت باز سوگیری کنند.

Biophysical, biochemical, and molecular biological studies have provided a basic understanding of channel structure and function. More recent studies using X-ray crystallography and cryo-electron microscopy have provided information about the structure of an increasing number of channels at the atomic level. All ion channels are large integral-membrane proteins with a core transmembrane domain that contains a central aqueous pore spanning the entire width of the membrane. The channel protein often contains carbo- hydrate groups attached to its external surface. The pore-forming region of many channels is made up of two or more subunits, which may be identical or different. In addition, some channels have auxiliary subunits that may have a variety of effects, including facilitating cell surface expression of the channel, targeting the channel to its appropriate location on the cell surface, and modifying gating properties of the channel. These subunits may be attached to the cytoplasmic end or embedded in the membrane (Figure 8-8).

مطالعات بیوفیزیکی، بیوشیمیایی و بیولوژیکی مولکولی درک اساسی از ساختار و عملکرد کانال ارائه کرده است. مطالعات جدیدتر با استفاده از کریستالوگرافی اشعه ایکس و میکروسکوپ کریو الکترونی اطلاعاتی در مورد ساختار تعداد فزاینده کانال‌ها در سطح اتمی‌ارائه کرده است. همه کانال‌های یونی پروتئین‌های غشایی انتگرال بزرگ با یک دامنه گذر غشایی هسته هستند که حاوی یک منفذ آبی مرکزی است که کل عرض غشاء را در بر می‌گیرد. پروتئین کانال اغلب حاوی گروه‌های کربوهیدرات متصل به سطح خارجی آن است. ناحیه تشکیل دهنده منافذ بسیاری از کانال‌ها از دو یا چند زیر واحد تشکیل شده است که ممکن است یکسان یا متفاوت باشند. علاوه بر این، برخی از کانال‌ها دارای زیر واحدهای کمکی هستند که ممکن است اثرات مختلفی داشته باشند، از جمله تسهیل بیان سطح سلولی کانال، هدف قرار دادن کانال به مکان مناسب خود در سطح سلول، و اصلاح ویژگی‌های دروازه ای کانال. این زیر واحدها ممکن است به انتهای سیتوپلاسمی‌متصل شده یا در غشاء تعبیه شده باشند (شکل ۸-۸).

The genes for all the major classes of ion channels have been cloned and sequenced. The amino acid sequence of a channel, inferred from its DNA sequence, can be used to create a structural model of the channel protein. Regions of secondary structure the arrangement of the amino acid residues into α-helixes and β-sheets-as well as regions that are likely to correspond to membrane-spanning domains of the channel are then predicted based on the structures of related proteins that have been experimentally determined using electron and X-ray diffraction analysis. This type of analysis has identified, for example, the presence of four hydrophobic regions, each around 20 amino acids in length, in the amino acid sequence of a subunit of the ACh receptor channel. Each of these regions is thought to form an α-helix that spans the membrane (Figure 8-9).

ژن‌های تمام کلاس‌های اصلی کانال‌های یونی شبیه‌سازی و توالی‌یابی شده‌اند. توالی اسید آمینه یک کانال، که از توالی DNA آن استنباط می‌شود، می‌تواند برای ایجاد یک مدل ساختاری از پروتئین کانال استفاده شود. نواحی ساختار ثانویه، آرایش بقایای اسید آمینه در مارپیچ‌های α و صفحه‌های β و همچنین مناطقی که احتمالاً با حوزه‌های پوشاننده غشاء کانال مطابقت دارند، بر اساس ساختار پروتئین‌های مرتبط پیش‌بینی می‌شوند. به طور تجربی با استفاده از تجزیه و تحلیل پراش الکترونی و اشعه ایکس تعیین شد. این نوع تجزیه و تحلیل، برای مثال، حضور چهار ناحیه آبگریز، هر یک حدود ۲۰ اسید آمینه طولی، در توالی اسید آمینه زیر واحد کانال گیرنده ACh را شناسایی کرده است. تصور می‌شود که هر یک از این مناطق یک مارپیچ α را تشکیل می‌دهند که غشاء را می‌پوشاند (شکل ۸-۹).

Figure 8-8 lon channels are integral membrane proteins composed of several subunits.
A. lon channels can be constructed as hetero-oligomers from distinct subunits (left), as homo-oligomers from a single type of subunit (middle), or from a single polypeptide chain organized into repeating motifs, where each motif functions as the equivalent of one subunit (right).
B. In addition to one or more α-subunits that form a central pore, some channels contain auxiliary subunits (β or γ) that modulate pore gating, channel expression, and membrane localization.

شکل ۸-۸ کانال‌های یونی، پروتئین‌های غشایی یکپارچه هستند که از چندین زیر واحد تشکیل شده اند.
کانال‌های A. lon می‌توانند به‌عنوان هترولیگومرهایی از زیر واحدهای مجزا (سمت چپ)، به‌عنوان همولیگومرهایی از یک نوع زیر واحد (وسط)، یا از یک زنجیره پلی‌پپتیدی منفرد سازمان‌دهی شده در نقوش تکرار شونده، که در آن هر موتیف به عنوان معادل عمل می‌کند، ساخته شود. از یک زیر واحد (سمت راست).
ب. علاوه بر یک یا چند زیرواحد α که یک منفذ مرکزی را تشکیل می‌دهند، برخی کانال‌ها دارای زیرواحدهای کمکی (β یا γ) هستند که گیتینگ منافذ، بیان کانال و محلی‌سازی غشاء را تعدیل می‌کنند.

Comparing the amino acid sequences of the same type of channel from different species provides additional insights into channel structure and function.

مقایسه توالی اسیدهای آمینه از همان نوع کانال از گونه‌های مختلف، بینش بیشتری در مورد ساختار و عملکرد کانال ارائه می‌دهد.

Regions that show a high degree of sequence similarity (that is, have been highly conserved throughout evolution) are likely to be important in determining the structure and function of the channel. Likewise, conserved regions in different but related channels are likely to serve a common biophysical function.

مناطقی که درجه بالایی از تشابه توالی را نشان می‌دهند (یعنی در طول تکامل به شدت حفظ شده اند) احتمالاً در تعیین ساختار و عملکرد کانال مهم هستند. به همین ترتیب، مناطق حفاظت‌شده در کانال‌های مختلف اما مرتبط احتمالاً عملکرد بیوفیزیکی مشترکی را انجام می‌دهند.

The functional consequences of changes in a channel’s primary amino acid sequence can be explored through a variety of techniques. One particularly versatile approach is to use genetic engineering to construct channels with parts that are derived from the genes of different species-so-called chimeric channels. This technique takes advantage of the fact that the same type of channel can have somewhat different properties in different species. For example, the bovine ACh receptor channel has a slightly greater single-channel conductance than the ACh receptor channel in electric fish. By comparing the properties of a chimeric channel to those of the two original channels, one can assess the functions of specific regions of the channel. This technique has been used to identify the membrane- spanning segment that forms the lining of the pore of the ACh receptor channel (Chapter 12).

پیامدهای عملکردی تغییرات در توالی اسید آمینه اولیه کانال را می‌توان از طریق تکنیک‌های مختلف بررسی کرد. یکی از رویکردهای همه کاره به خصوص استفاده از مهندسی ژنتیک برای ساخت کانال‌هایی با قطعاتی است که از ژن‌های گونه‌های مختلف مشتق شده اند که به اصطلاح کانال‌های کایمریک نامیده می‌شود. این تکنیک از این واقعیت بهره می‌برد که یک نوع کانال می‌تواند تا حدودی خواص متفاوتی در گونه‌های مختلف داشته باشد. به عنوان مثال، کانال گیرنده bovine ACh  دارای رسانایی تک کانالی کمی‌بیشتر از کانال گیرنده ACh در ماهی‌های الکتریکی است. با مقایسه خواص یک کانال کایمریک با ویژگی‌های دو کانال اصلی، می‌توان عملکرد مناطق خاصی از کانال را ارزیابی کرد. این تکنیک برای شناسایی بخش پوشاننده غشایی که پوشش منافذ کانال گیرنده ACh را تشکیل می‌دهد استفاده شده است (فصل ۱۲).

Figure 8-9 The secondary structure of membrane-spanning proteins.
A. A proposed secondary structure for a subunit of the nicotinic acetylcholine (ACh) receptor channel present in skeletal muscle. Each cylinder (M1-M4) represents a putative membrane-spanning a-helix comprised of approximately 20 hydrophobic amino acid residues. The membrane segments are connected by cytoplasmic or extracellular segments (loops) of hydrophilic residues. The amino terminus (NH2) and carboxyl terminus (COOH) of the protein lie on the extracellular side of the membrane.

شکل ۸-۹ ساختار ثانویه پروتئین‌های پوشاننده غشاء.
A. یک ساختار ثانویه پیشنهادی برای یک زیر واحد از کانال گیرنده نیکوتین استیل کولین (ACh) موجود در عضله اسکلتی. هر سیلندر (M1-M4) یک مارپیچ فرضی پوشا از غشاء را نشان می‌دهد که از تقریباً ۲۰ باقی مانده اسید آمینه آبگریز تشکیل شده است. بخش‌های غشاء توسط بخش‌های سیتوپلاسمی‌یا خارج سلولی (حلقه‌ها) باقیمانده‌های آبدوست به هم متصل می‌شوند. پایانه آمینه (NH2) و پایانه کربوکسیل (COOH) پروتئین در سمت خارج سلولی غشاء قرار دارند.

B. The membrane-spanning regions of an ion channel protein can be identified using a hydrophobicity plot. The amino acid sequence of the a-subunit of the nicotinic ACh receptor was inferred from the nucleotide sequence of the cloned receptor subunit gene. Then a running average of hydrophobicity was plotted for the entire amino acid sequence of the subunit. Each point in the plot represents an average hydrophobic index of a sequence of 19 amino acids and corresponds to the midpoint of the sequence. Four of the hydrophobic regions (M1-M4) correspond to the membrane-spanning segments. The hydrophobic region at the far left in the plot is the signal sequence, which positions the hydrophilic amino terminus of the protein on the extracellular surface of the cell during protein synthesis. The signal sequence is cleaved from the mature protein. (Reproduced, with permission, from Schofield et al. 1987.)

ب- نواحی پوشاننده غشاء یک پروتئین کانال یونی را می‌توان با استفاده از نمودار آبگریزی شناسایی کرد. توالی اسید آمینه زیرواحد a از گیرنده نیکوتین ACh از توالی نوکلئوتیدی ژن زیر واحد گیرنده کلون شده استنباط شد. سپس میانگین جاری آبگریزی برای کل توالی اسید آمینه زیر واحد رسم شد. هر نقطه در نمودار نشان دهنده یک شاخص آبگریز متوسط ​​از یک دنباله از ۱۹ اسید آمینه است و مربوط به نقطه میانی دنباله است. چهار تا از مناطق آبگریز (M1-M4) مربوط به بخش‌های پوشا غشاء است. ناحیه آبگریز در انتهای سمت چپ نمودار، توالی سیگنال است که انتهای آمینو آبدوست پروتئین را در طول سنتز پروتئین روی سطح خارج سلولی سلول قرار می‌دهد. توالی سیگنال از پروتئین بالغ جدا می‌شود. (تکثیر، با اجازه، از Schofield و همکاران. ۱۹۸۷.)

The roles of different amino acid residues or stretches of residues can be tested using site-directed mutagenesis, a type of genetic engineering in which specific amino acid residues are substituted or deleted. Finally, one can exploit the naturally occurring mutations in channel genes. A number of inherited and spontaneous mutations in the genes that encode ion channels in nerve or muscle produce changes in channel function that can underlie certain neurological dis- eases. Many of these mutations are caused by localized changes in single amino acids within channel proteins, demonstrating the importance of that region for channel function. The detailed functional changes in such channels can then be examined in an artificial expression system.

نقش بقایای اسید آمینه مختلف یا امتداد باقیمانده‌ها را می‌توان با استفاده از جهش‌زایی جهت‌یافته در سایت، نوعی مهندسی ژنتیک که در آن بقایای اسید آمینه خاص جایگزین یا حذف می‌شوند، آزمایش کرد. در نهایت، می‌توان از جهش‌های طبیعی در ژن‌های کانال بهره برداری کرد. تعدادی از جهش‌های ارثی و خود به خود در ژن‌هایی که کانال‌های یونی را در عصب یا عضله کد می‌کنند، تغییراتی را در عملکرد کانال ایجاد می‌کنند که می‌تواند زمینه‌ساز برخی بیماری‌های عصبی باشد. بسیاری از این جهش‌ها به دلیل تغییرات موضعی در اسیدهای آمینه منفرد در پروتئین‌های کانال ایجاد می‌شوند که اهمیت آن ناحیه را برای عملکرد کانال نشان می‌دهد. سپس تغییرات عملکردی دقیق در چنین کانال‌هایی را می‌توان در یک سیستم بیان مصنوعی بررسی کرد.

---

---

---

---

---

---

---

---