علوم اعصاب پروس؛ نحوه عملکرد کانال‌های یونی غشای نورون‌ها

How Ion Channels Work

How can channels selectively conduct ions, such as Na⁺ and K⁺, across the membrane? How can these channels sense the transmembrane potential and use this information to regulate their ion fluxes? X-ray crystallography studies done by Rod MacKinnon at Rockefeller University and others have examined the molecular structure of ion channels and have answered these fundamental questions about channel function. Indeed, these studies have revealed that all channels are integral membrane proteins that span the plasma membrane repeatedly and share a common transmembrane architecture.

نحوه عملکرد کانال‌های یونی

کانال‌ها چگونه می‌توانند یون‌هایی مانند ⁺Na و ⁺K را به صورت انتخابی از غشاء عبور دهند؟ این کانال‌ها چگونه می‌توانند پتانسیل غشایی را حس کنند و از این اطلاعات برای تنظیم جریان یونی خود استفاده کنند؟ مطالعات کریستالوگرافی اشعه ایکس که توسط راد مک‌کینون در دانشگاه راکفلر و دیگران انجام شده است، ساختار مولکولی کانال‌های یونی را بررسی کرده و به این سؤالات اساسی در مورد عملکرد کانال پاسخ داده‌اند. در واقع، این مطالعات نشان داده‌اند که همه کانال‌ها پروتئین‌های غشایی جدایی‌ناپذیری هستند که به طور مکرر در غشای پلاسمایی امتداد می‌یابند و یک معماری غشایی مشترک دارند.

The ion permeability mechanism of channels was revealed by studies of a bacterial K⁺ channel (Figure 4.4), which was chosen for analysis because the large quantity of channel protein needed for crystallography could be obtained by growing large numbers of bacteria. MacKinnon’s results showed that the K⁺ channel is formed by subunits that each cross the plasma membrane twice; between these two helical membrane-spanning structures is a pore loop that inserts into the plasma membrane (see Figure 4.4A). Four subunits are assembled together to form a single K⁺ channel (see Figure 4.4B). In the center of the assembled channel, the four pore loops come together to form a pore that serves as a narrow tunnel that allows K⁺ to flow through the protein and thus cross the membrane. The channel pore is formed by the pore loops of each subunit, as well as by adjacent membrane-spanning domains. The structure of the pore is well suited for conducting K⁺; the narrowest part is near the outside mouth of the channel and is so constricted that only a nonhydrated K⁺ ion can fit through the bottleneck (see Figure 4.4C).

مکانیسم نفوذپذیری یونی کانال‌ها با مطالعات یک کانال ⁺K باکتریایی (شکل 4.4) آشکار شد، که برای تجزیه و تحلیل انتخاب شد زیرا مقدار زیادی پروتئین کانال مورد نیاز برای کریستالوگرافی را می‌توان با رشد تعداد زیادی باکتری به دست آورد. نتایج مک‌کینون نشان داد که کانال ⁺K توسط زیر واحدهایی تشکیل می‌شود که هر کدام دو بار از غشای پلاسما عبور می‌کنند. بین این دو ساختار مارپیچی پوشاننده غشاء، یک حلقه منفذ وجود دارد که به غشای پلاسما وارد می‌شود (شکل 4.4A را ببینید). چهار زیر واحد با هم جمع می‌شوند تا یک کانال ⁺K واحد را تشکیل دهند (شکل 4.4B را ببینید). در مرکز کانال مونتاژ شده، چهار حلقه منفذ به هم می‌رسند تا منفذی را تشکیل دهند که به عنوان یک تونل باریک عمل می‌کند و به ⁺K اجازه می‌دهد تا از طریق پروتئین جریان یابد و در نتیجه از غشاء عبور کند. منفذ کانال توسط حلقه‌های منفذ هر زیر واحد و همچنین توسط دامنه‌های مجاور پوشاننده غشاء تشکیل می‌شود. ساختار منفذ برای هدایت ⁺K بسیار مناسب است. باریک‌ترین بخش نزدیک دهانه‌ی بیرونی کانال است و آنقدر تنگ است که فقط یک یون ⁺K غیر هیدراته می‌تواند از گلوگاه عبور کند (شکل ۴.۴C را ببینید).

Larger cations, such as Cs⁺, are too large to traverse this region of the pore, while smaller cations such as Na⁺ cannot enter the pore because the pore “walls” are too far apart to stabilize a dehydrated Na⁺ ion. This part of the channel complex is responsible for the selective permeability to K⁺ and is therefore called the selectivity filter. Deeper within the channel is a water-filled cavity that connects to the interior of the cell. This cavity evidently collects K⁺ from the cytoplasm and, using negative charges from the protein, allows K⁺ ions to become dehydrated so they can enter the selectivity filter. These “naked” ions are then able to move through four K⁺ binding sites within the selectivity filter to eventually reach the extracellular space (recall that the physiological electrochemical gradient normally drives K⁺ out of cells). The presence of multiple (up to four) K⁺ ions within the selectivity filter causes electrostatic repulsion between the ions that helps speed their transit through the selectivity filter, thereby permitting rapid ion flux through the channel. Thus, permeation of K⁺ ions through these channels can be easily understood in structural terms. We now know that very similar principles also apply to ion permeation through other types of channels.

کاتیون‌های بزرگ‌تر، مانند ⁺Cs، برای عبور از این ناحیه از منافذ بسیار بزرگ هستند، در حالی که کاتیون‌های کوچک‌تر مانند ⁺Na نمی‌توانند وارد منافذ شوند زیرا «دیواره‌های» منافذ برای تثبیت یون ⁺Na دهیدراته شده بسیار دور از هم هستند. این بخش از کمپلکس کانال مسئول نفوذپذیری انتخابی به ⁺K است و بنابراین فیلتر انتخابی نامیده می‌شود. در عمق بیشتر کانال، یک حفره پر از آب وجود دارد که به داخل سلول متصل می‌شود. این حفره ظاهراً ⁺K را از سیتوپلاسم جمع‌آوری می‌کند و با استفاده از بارهای منفی پروتئین، به یون‌های ⁺K اجازه می‌دهد تا دهیدراته شوند تا بتوانند وارد فیلتر انتخابی شوند. سپس این یون‌های «برهنه» قادر به عبور از چهار محل اتصال ⁺K در فیلتر انتخابی هستند تا در نهایت به فضای خارج سلولی برسند (به یاد بیاورید که گرادیان الکتروشیمیایی فیزیولوژیکی معمولاً ⁺K را از سلول‌ها خارج می‌کند). وجود چندین (تا چهار) یون ⁺K در فیلتر انتخابی باعث دافعه الکترواستاتیکی بین یون‌ها می‌شود که به سرعت عبور آنها از فیلتر انتخابی کمک می‌کند و در نتیجه جریان سریع یون را از طریق کانال امکان‌پذیر می‌سازد. بنابراین، نفوذ یون‌های ⁺K از طریق این کانال‌ها را می‌توان به راحتی از نظر ساختاری درک کرد. اکنون می‌دانیم که اصول بسیار مشابهی در مورد نفوذ یون از طریق انواع دیگر کانال‌ها نیز صدق می‌کند.

FIGURE 4.4 Structure of a simple bacterial K⁺ channel determined by crystallography. (A) Structure of one subunit of the channel, which consists of two membrane-spanning domains and a pore loop that inserts into the membrane. (B) Three-dimensional arrangement of four subunits (each in a different color) to form a K⁺ channel. The right-hand view is from the top of the channel, showing a K⁺ ion (yellow) within the channel pore. (C) The permeation pathway of the K⁺ channel consists of a large aqueous cavity connected to a narrow selectivity filter. Helical domains of the channel point negative charges (green) toward this cavity, allowing K⁺ ions (yellow) to become dehydrated and then move through the selectivity filter. (A,B From Doyle et al., 1998.)

شکل ۴.۴ ساختار یک کانال ⁺K باکتریایی ساده که توسط کریستالوگرافی تعیین شده است. (الف) ساختار یک زیر واحد از کانال، که شامل دو دامنه‌ی پوشاننده‌ی غشاء و یک حلقه‌ی منفذ است که به غشاء متصل می‌شود. (ب) چیدمان سه‌بعدی چهار زیر واحد (هر کدام با رنگ متفاوت) برای تشکیل یک کانال ⁺K. نمای سمت راست از بالای کانال است که یک یون ⁺K (زرد) را درون منفذ کانال نشان می‌دهد. (ج) مسیر نفوذ کانال ⁺K شامل یک حفره‌ی آبی بزرگ است که به یک فیلتر گزینش‌پذیری باریک متصل است. دامنه‌های مارپیچی کانال، بارهای منفی (سبز) را به سمت این حفره هدایت می‌کنند و به یون‌های ⁺K (زرد) اجازه می‌دهند که دهیدراته شوند و سپس از فیلتر گزینش‌پذیری عبور کنند. (الف،ب از دویل و همکاران، ۱۹۹۸.)

BOX  4B ◊  Toxins That Poison Ion Channels

Given the importance of Na⁺ and K⁺ channels for neuronal excitation, it is not surprising that channel-specific toxins have evolved in several organisms as mechanisms for self-defense or for capturing prey. A rich collection of natural toxins selectively target the ion channels of neurons and other cells. These toxins are valuable not only for survival, but also as tools for study of the function of cellular ion channels. The best-known channel toxin is tetrodotoxin, produced by certain puffer fish and other animals. Tetrodotoxin produces a potent and specific blockade of the pore of the Na⁺ channels responsible for action potential generation, thereby paralyzing the animals unfortunate enough to ingest it. Saxitoxin, a chemical homologue of tetrodotoxin produced by dinoflagellates, has a similar action on Na+ channels. The potentially lethal effects of eating shellfish that have ingested these “red tide” dinoflagellates are due to the potent neuronal actions of saxitoxin.

جعبه ۴ب ◊ سمومی که کانال‌های یونی را مسموم می‌کنند

با توجه به اهمیت کانال‌های ⁺Na و ⁺K برای تحریک نورونی، جای تعجب نیست که سموم اختصاصی کانال در چندین موجود زنده به عنوان مکانیسم‌هایی برای دفاع از خود یا برای گرفتن طعمه تکامل یافته‌اند. مجموعه‌ای غنی از سموم طبیعی به طور انتخابی کانال‌های یونی نورون‌ها و سایر سلول‌ها را هدف قرار می‌دهند. این سموم نه تنها برای بقا، بلکه به عنوان ابزاری برای مطالعه عملکرد کانال‌های یونی سلولی نیز ارزشمند هستند. شناخته‌شده‌ترین سم کانال، تترودوتوکسین است که توسط ماهی‌های بادکنکی خاص و سایر حیوانات تولید می‌شود. تترودوتوکسین یک انسداد قوی و اختصاصی در منافذ کانال‌های ⁺Na مسئول تولید پتانسیل عمل ایجاد می‌کند و در نتیجه حیواناتی را که به اندازه کافی بدشانس هستند که آن را مصرف کنند، فلج می‌کند. ساکسیتوکسین، یک همولوگ شیمیایی تترودوتوکسین تولید شده توسط دینوفلاژلات‌ها، عملکرد مشابهی بر روی کانال‌های ⁺Na دارد. اثرات بالقوه کشنده خوردن صدف‌هایی که این دینوفلاژله‌های «جزر و مد قرمز» را خورده‌اند، به دلیل اثرات قوی ساکسی‌توکسین بر روی نورون‌ها است.

Fish-eating cone snails (see Box 6A) paralyze their prey by producing a potent venom consisting of tens or hundreds of peptide neurotoxins. One group of these toxins, called m-conotoxins, produces paralysis by blocking the pore of voltage-gated Na⁺ channels. Scorpions similarly paralyze their prey by injecting a potent mix of peptide toxins that also affect ion channels. Among these are the a-toxins, which slow the inactivation of Na+ channels (Figure A1); exposure of neurons to a-toxins prolongs the action potential (Figure A2), thereby scrambling information flow within the nervous system of the soon-to-be-devoured victim. Other peptides in scorpion venom, called b-toxins, shift the voltage dependence of Na⁺ channel activation (Figure B). These toxins cause Na+ channels to open at potentials much more negative than normal, inducing uncontrolled action potential firing. Batrachotoxin is an alkaloid toxin, produced by a species of frog, that is used by some tribes of South American Indians to poison their arrow tips. This toxin works both by removing inactivation and shifting activation of Na⁺ channels. Several plants produce similar toxins, including aconitine, from buttercups; veratridine, from lilies; and several insecticidal toxins (pyrethrins) produced by plants such as chrysanthemums and rhododendrons.

حلزون‌های مخروطی ماهی‌خوار (به کادر 6A مراجعه کنید) با تولید زهری قوی متشکل از ده‌ها یا صدها نوروتوکسین پپتیدی، طعمه خود را فلج می‌کنند. یک گروه از این سموم، به نام m-conotoxins، با مسدود کردن منافذ کانال‌های ⁺Na وابسته به ولتاژ، باعث فلج می‌شوند. عقرب‌ها نیز به طور مشابه با تزریق ترکیبی قوی از سموم پپتیدی که بر کانال‌های یونی نیز تأثیر می‌گذارند، طعمه خود را فلج می‌کنند. در میان این سموم، آلفا-توکسین‌ها وجود دارند که غیرفعال شدن کانال‌های ⁺Na را کند می‌کنند (شکل A1)؛ قرار گرفتن نورون‌ها در معرض آلفا-توکسین‌ها، پتانسیل عمل را طولانی می‌کند (شکل A2)، در نتیجه جریان اطلاعات را در سیستم عصبی قربانی که به زودی بلعیده می‌شود، مختل می‌کند. سایر پپتیدهای موجود در زهر عقرب، به نام بتا-توکسین‌ها، وابستگی ولتاژ فعال‌سازی کانال ⁺Na را تغییر می‌دهند (شکل B). این سموم باعث می‌شوند کانال‌های ⁺Na در پتانسیل‌هایی بسیار منفی‌تر از حالت عادی باز شوند و باعث ایجاد پتانسیل عمل کنترل نشده شوند. باتراکوتوکسین یک سم آلکالوئیدی است که توسط گونه‌ای قورباغه تولید می‌شود و برخی از قبایل سرخپوست آمریکای جنوبی از آن برای مسموم کردن نوک پیکان‌های خود استفاده می‌کنند. این سم هم با حذف غیرفعال‌سازی و هم با تغییر فعال‌سازی کانال‌های ⁺Na عمل می‌کند. چندین گیاه سموم مشابهی تولید می‌کنند، از جمله آکونیتین از آلاله؛ وراتریدین از سوسن؛ و چندین سم حشره‌کش (پیرترین) که توسط گیاهانی مانند گل داوودی و رودودندرون تولید می‌شوند.

Potassium channels have also been targeted by toxin-producing organisms. peptide toxins affecting k⁺ channels in-clude dendrotoxin, from wasps; apamin, from been; and charybdotoxin, yet an-other toxin produced by scorpions. All of these toxins block k⁺ channels as their primary action; no toxin is known to affect the activation or inactivation of these channels, although such agents may simply be awaiting discovery.

کانال‌های پتاسیم نیز توسط ارگانیسم‌های تولیدکننده سم هدف قرار گرفته‌اند. سموم پپتیدی مؤثر بر کانال‌های ⁺k پتاسیم شامل دندروتوکسین از زنبورها؛ آپامین از زنبورها؛ و کاریبدوتوکسین، یکی دیگر از سموم تولید شده توسط عقرب‌ها، هستند. همه این سموم کانال‌های ⁺k پتاسیم را به عنوان عمل اصلی خود مسدود می‌کنند. هیچ سمی شناخته نشده است که بر فعال یا غیرفعال شدن این کانال‌ها تأثیر بگذارد، اگرچه چنین عواملی ممکن است در انتظار کشف باشند.

(A) Effects of toxin treatment on Na⁺ channels of frog axons. (1) a-Toxin from the scorpion Leiurus quinquestriatus prolongs Na⁺ currents recorded with the voltage clamp (2) As a result of the increased Na+ current, a-toxin greatly prolongs the duration of the axonal action potential. Note the change in timescale after treating with toxin. (B) Treatment with b-toxin from another scorpion, Centruroides sculpturatus, shifts the activation of Na⁺ channels, so that Na⁺ conductance begins to increase at potentials much more negative than usual. (A after Schmidt and Schmidt, 1972; B after Cahalan, 1975.)

(الف) اثرات درمان با سم بر کانال‌های ⁺Na آکسون‌های قورباغه. (1) سم آلفا از عقرب Leiurus quinquestriatus جریان‌های ⁺Na ثبت شده با گیره ولتاژ را طولانی می‌کند. (2) در نتیجه افزایش جریان ⁺Na، سم آلفا مدت زمان پتانسیل عمل آکسونی را به میزان زیادی طولانی می‌کند. به تغییر در مقیاس زمانی پس از درمان با سم توجه کنید. (ب) درمان با سم بتا از عقرب دیگری به نام Centruroides sculpturatus، فعال‌سازی کانال‌های ⁺Na را تغییر می‌دهد، به طوری که رسانایی ⁺Na در پتانسیل‌هایی بسیار منفی‌تر از حد معمول شروع به افزایش می‌کند. (الف به نقل از Schmidt and Schmidt، 1972؛ ب به نقل از Cahalan، 1975.)

Structural insights into the voltage-dependent gating of ion channels emerged from further crystallographic studies of a mammalian voltage-gated K⁺ channel. As is the case for the bacterial K⁺ channel, four subunits assemble to form the voltage-gated K⁺ channel (Figure 4.5A). The central pore region of this channel is very similar to that of the bacterial K⁺ channel, confirming the generality of the ion permeation mechanism established from studies of the bacterial K⁺ channel (compare Figure 4.5B and Figure 4.4B). This voltage-gated channel has additional structures on its cytoplasmic side, such as a regulatory b subunit and a T1 domain that links the b subunit to the channel (see Figure 4.5A). Most important, each channel subunit has four additional transmembrane structures that form the voltage sensors of this channel. These voltage sensors can be observed as separate domains that extend into the plasma membrane and are linked to the central pore of the channel (see Figure 4.5B). These voltage sensors contain positive charges that enable movement within the membrane in response to changes in membrane potential: Depolarization pushes the sensors outward, while hyperpolarization pulls them inward. Such movements of the sensors then exert force on the helical linkers connecting the sensors to the channel pore, pulling the channel pore open or pushing it closed (Figure 4.5C). Thus, voltage-dependent gating of ion channels can also be understood in structural terms. The precise movements of the voltage sensor that occur during membrane depolarization are not yet clear and are the subject of considerable debate. One proposal is that depolarization causes the paddle-like sensor to flip from one side of the membrane to the other (Figure 4.5D).

بینش‌های ساختاری در مورد دریچه‌های وابسته به ولتاژ کانال‌های یونی از مطالعات کریستالوگرافی بیشتر یک کانال ⁺K دریچه‌دار ولتاژی پستانداران حاصل شد. همانند کانال ⁺K باکتریایی، چهار زیر واحد برای تشکیل کانال ⁺K دریچه‌دار ولتاژی گرد هم می‌آیند (شکل 4.5A). ناحیه منفذ مرکزی این کانال بسیار شبیه به ناحیه منفذ مرکزی کانال ⁺K باکتریایی است که کلیت مکانیسم نفوذ یون ایجاد شده از مطالعات کانال ⁺K باکتریایی را تأیید می‌کند (شکل 4.5B و شکل 4.4B را مقایسه کنید). این کانال دریچه‌دار ولتاژی دارای ساختارهای اضافی در سمت سیتوپلاسمی خود است، مانند یک زیر واحد تنظیمی b و یک دامنه T1 که زیر واحد b را به کانال متصل می‌کند (شکل 4.5A را ببینید). مهم‌تر از همه، هر زیر واحد کانال دارای چهار ساختار غشایی اضافی است که حسگرهای ولتاژ این کانال را تشکیل می‌دهند. این حسگرهای ولتاژ را می‌توان به عنوان دامنه‌های جداگانه‌ای مشاهده کرد که به غشای پلاسما امتداد یافته و به منفذ مرکزی کانال متصل هستند (شکل 4.5B را ببینید). این حسگرهای ولتاژ حاوی بارهای مثبتی هستند که امکان حرکت درون غشا را در پاسخ به تغییرات پتانسیل غشا فراهم می‌کنند: دپلاریزاسیون، حسگرها را به سمت بیرون و هایپرپلاریزاسیون آنها را به سمت داخل می‌کشد. چنین حرکاتی از حسگرها سپس بر رابط‌های مارپیچی متصل‌کننده حسگرها به منافذ کانال نیرو وارد می‌کنند و منافذ کانال را باز یا بسته می‌کنند (شکل 4.5C). بنابراین، دریچه‌گذاری وابسته به ولتاژ کانال‌های یونی را می‌توان از نظر ساختاری نیز درک کرد. حرکات دقیق حسگر ولتاژ که در طول دپلاریزاسیون غشا رخ می‌دهد هنوز مشخص نیست و موضوع بحث‌های قابل توجهی است. یک پیشنهاد این است که دپلاریزاسیون باعث می‌شود حسگر پارویی شکل از یک طرف غشا به طرف دیگر بچرخد (شکل 4.5D).

FIGURE 4.5  Structure of a mammalian voltage-gated K⁺ channel. (A) The channel includes four subunits (in different colors), each possessing a transmembrane domain and a T1 domain. Attached to each T1 domain is a b subunit. (B) When viewed from above, the transmembrane domain can be seen to have separate domains for voltage sensing and for forming the K⁺-conducting pore (K⁺ indicated by black spheres in the middle of the pore). (C) Model for voltage-dependent gating of the K⁺ channel. Upper: structure of the central pore domain of the voltage-gated K⁺ channel in the open (depolarized) state. Lower: Depolarization pushes the voltage sensor toward the extracellular surface of the membrane, pulling on the linker (red) and thereby opening the channel pore (blue). Conversely, hyperpolarization pulls the sensor down, pushing down on this linker and shutting the channel pore(d).Model for movement of the voltage sensor. Depolarization causes the paddle-like voltage sensor domain to move toward the extracellular surface of the membrane, while hyperpolarization causes it to move toward the intracellular (A,B from Long et al., 2005; C from Tao et al., 2010; D after Lee, 2006.)

شکل ۴.۵ ساختار یک کانال ⁺K وابسته به ولتاژ پستانداران. (الف) کانال شامل چهار زیر واحد (با رنگ‌های مختلف) است که هر کدام دارای یک دامنه غشایی و یک دامنه T1 هستند. به هر دامنه T1 یک زیر واحد b متصل است. (ب) وقتی از بالا مشاهده شود، می‌توان دامنه غشایی را به گونه‌ای مشاهده کرد که دارای دامنه‌های جداگانه‌ای برای حسگری ولتاژ و تشکیل منافذ رسانای ⁺K است (⁺K با کره‌های سیاه در وسط منافذ نشان داده شده است). (ج) مدلی برای دریچه‌بندی وابسته به ولتاژ کانال ⁺K. بالا: ساختار دامنه منافذ مرکزی کانال ⁺K وابسته به ولتاژ در حالت باز (دپلاریزه). پایین: دپلاریزاسیون، حسگر ولتاژ را به سمت سطح خارج سلولی غشاء هل می‌دهد، رابط را می‌کشد (قرمز) و در نتیجه منافذ کانال را باز می‌کند (آبی). برعکس، هایپرپلاریزاسیون حسگر را به پایین می‌کشد، این رابط را به پایین فشار می‌دهد و منافذ کانال را می‌بندد (د). مدلی برای حرکت حسگر ولتاژ. دپلاریزاسیون باعث می‌شود که دامنه حسگر ولتاژ پارویی شکل به سمت سطح خارج سلولی غشاء حرکت کند، در حالی که هایپرپلاریزاسیون باعث می‌شود که به سمت داخل سلولی حرکت کند (A،B از لانگ و همکاران، ۲۰۰۵؛ C از تائو و همکاران، ۲۰۱۰؛ D به نقل از لی، ۲۰۰۶).

In summary, atomic-level structural characterization of K⁺ channels has yielded considerable insight into how channels use pores that are permeable to a single type of ion to selectively conduct these ions from one side of the plasma membrane to the other, as well as illuminating how channels can sense changes in membrane voltage and use such changes to gate the opening and closing of their pores.

به طور خلاصه، توصیف ساختاری در سطح اتمی کانال‌های ⁺K بینش قابل توجهی در مورد چگونگی استفاده کانال‌ها از منافذی که نسبت به یک نوع یون نفوذپذیر هستند، برای هدایت انتخابی این یون‌ها از یک طرف غشای پلاسما به طرف دیگر، و همچنین روشن کردن چگونگی حس کردن تغییرات ولتاژ غشا توسط کانال‌ها و استفاده از چنین تغییراتی برای باز و بسته کردن منافذ آنها، ارائه داده است.

The Diversity of Ion Channels