Светозависимый ионный канал
Светозависимые ионные каналы — это семейство ионных каналов, регулируемых электромагнитным излучением . Другие механизмы управления ионными каналами включают потенциал-управляемые ионные каналы , лиганд-управляемые ионные каналы , механочувствительные ионные каналы и температурно-управляемые ионные каналы . Большинство светоуправляемых ионных каналов были синтезированы в лаборатории для изучения, хотя два встречающихся в природе примера: каналородопсин и анионпроводящий каналродопсин . в настоящее время известны [1] [2] Белки-фоторецепторы , которые действуют аналогично светозависимым ионным каналам, обычно классифицируются как рецепторы, связанные с G-белком .
Механизм
[ редактировать ]Светоуправляемые ионные каналы функционируют аналогично другим управляемым ионным каналам. Такие трансмембранные белки образуют поры в липидных бислоях, облегчая прохождение ионов . Эти ионы перемещаются с одной стороны мембраны на другую под действием электрохимического градиента . При воздействии стимула конформационные в трансмембранной области белка происходят изменения, открывающие или закрывающие ионный канал. В конкретном случае светозависимых ионных каналов трансмембранные белки обычно соединяются с меньшей молекулой, которая действует как фотопереключатель , посредством чего фотоны связываются с переключающей молекулой, чтобы затем изменить конформацию белков, так что пора меняется с из закрытого состояния в открытое состояние или наоборот, тем самым увеличивая или уменьшая ионную проводимость. Ретиналь является хорошим примером молекулярного фотопереключателя и содержится в встречающихся в природе канальных родопсинах. [3] [4]
Синтетические изоформы
[ редактировать ]После того, как каналорозопсин был идентифицирован и охарактеризован, ионная селективность канала была изменена, чтобы контролировать мембранный потенциал посредством оптогенетического контроля. Направленные мутации канала изменили заряды, выстилающие пору, в результате чего пора вместо этого исключила катионы в пользу анионов . [5]
Другие типы управляемых ионных каналов, лиганд-управляемые и потенциал-управляемые , были синтезированы со светозапираемым компонентом в попытке лучше понять их природу и свойства. Добавив светозатворную секцию, можно более глубоко изучить кинетику и механизмы работы. Например, добавление светоуправляемого компонента позволяет ввести множество очень похожих лигандов в сайт связывания лиганд-управляемого ионного канала, чтобы помочь в определении механизма.
Такие ионные каналы были модифицированы путем присоединения фотопереключателя для придания ионному каналу фоточувствительности. Это делается путем тщательного выбора троса, который может удлиняться или укорачиваться за счет фотоизомеризации . Одна сторона привязки связана с белком ионного канала, а другой конец привязки связан с блокирующей группой, которая имеет высокое сродство связывания с открытой частью поры. Когда привязь удлиняется, блокирующая секция связывается с порой и предотвращает ионный ток. Когда привязь укорачивается, она разрушает это препятствие и открывает пору. Кинетические исследования показали, что таким образом можно достичь точного временного и пространственного контроля. [6] [7]
Азобензол является распространенным выбором в качестве функциональной части привязки для синтетически разработанных светозависимых ионных каналов из-за хорошо документированного изменения его длины как цис- или транс -изомеров , а также длины волны возбуждения, необходимой для индукции фотоизомеризации. Азобензол превращается в свой более длинный транс- изомер при длине волны λ=500 нм и в свой цис -изомер при λ=380 нм. [6]
В 1980 году первым ионным каналом, адаптированным для изучения с помощью светозависимого механизма, был никотиновый ацетилхолиновый рецептор . [8] Этот рецептор был хорошо известен в то время, поэтому хорошо подходил для адаптации и позволял изучать кинетику, что не допускалось раньше.
Экспрессия светозависимых ионных каналов в определенном типе клеток посредством контроля промотора позволяет регулировать потенциал клетки либо путем деполяризации мембраны до 0 мВ для катион-проницаемого канала родопсина, либо путем поддержания напряжения на уровне –67 мВ для анионпроводящего канала родопсина. . [9] Деполяризация может проводить ток в диапазоне 5 фА на канал и происходит во временной шкале потенциалов действия и экзоцитоза нейромедиатора . [10] [4] Их преимущество перед другими типами регуляции ионных каналов заключается в том, что они обеспечивают неинвазивные обратимые изменения мембранного потенциала с точным временным и пространственным контролем, обеспечиваемым индукцией посредством лазерных стимулов. [3] [6] Они надежно стимулируют одиночные потенциалы действия с быстрой деполяризацией и могут использоваться in vivo, поскольку для поддержания функции не требуется освещение высокой интенсивности, в отличие от других методов, таких как активируемые светом протонные насосы и фотоактивируемые зонды . [5] [10]
Примеры
[ редактировать ]Примеры светозависимых ионных каналов встречаются как в естественной, так и в синтетической среде. К ним относятся:
Естественное происхождение
[ редактировать ]- Каналродопсины были первым обнаруженным семейством светозависимых ионных каналов.
Синтетически адаптированный
[ редактировать ]- Никотиновый рецептор ацетилхолина был первым ионным каналом, синтетически адаптированным с помощью светозависимого механизма.
- Активируемые светом калиевые каналы были созданы из бактериального K + каналы с целью ингибирования активности нейронов при освещении. [11] Вторая стратегия заключается в объединении циклического нуклеотида, закрытого K + канал с фотоактивируемой аденилатциклазой для ингибирования активности нейронов при очень низких уровнях освещенности. [12] [13]
- Также было создано множество других полностью синтетических светозатворных каналов. [14] [15]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Инженерия светозапираемых ионных каналов» - Биохимия , 45 (51), 15129-15141, 2006 г.
- ^ Говорунова Елена Георгиевна; Синещеков Олег А.; Янц, Роджер; Лю, Сяоцинь; Спудич, Джон Л. (7 августа 2015 г.). «Естественные светозависимые анионные каналы: семейство микробных родопсинов для передовой оптогенетики» . Наука . 349 (6248): 647–650. Бибкод : 2015Sci...349..647G . дои : 10.1126/science.aaa7484 . ISSN 0036-8075 . ПМЦ 4764398 . ПМИД 26113638 .
- ^ Jump up to: а б Нагель, Георг; Браунер, Мартин; Лиевальд, Яна Ф.; Адеишвили, Нона; Бамберг, Эрнст; Готшальк, Александр (2005). «Световая активация каналородопсина-2 в возбудимых клетках Caenorhabditis elegans запускает быстрые поведенческие реакции» . Современная биология . 15 (24): 2279–2284. Бибкод : 2005CBio...15.2279N . дои : 10.1016/j.cub.2005.11.032 . ПМИД 16360690 .
- ^ Jump up to: а б Нагель, Георг; Селлас, Танджеф; Хун, Вольфрам; Катерия, Сунил; Адеишвили, Нона; Бертольд, Питер; Оллиг, Дорис; Хегеманн, Питер; Бамберг, Эрнст (25 ноября 2003 г.). «Канал родопсин-2, катион-селективный мембранный канал с прямым светом» . Труды Национальной академии наук . 100 (24): 13940–13945. Бибкод : 2003PNAS..10013940N . дои : 10.1073/pnas.1936192100 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 283525 . ПМИД 14615590 .
- ^ Jump up to: а б Витек, Йонас; Вигерт, Дж. Саймон; Адеишвили, Нона; Шнайдер, Франциска; Ватанабэ, Хироши; Цунода, Сатоши П.; Фогт, Аренд; Эльстнер, Маркус; Эртнер, Томас Г. (25 апреля 2014 г.). «Превращение каналородопсина в светозакрываемый хлоридный канал» . Наука 344 (6182): 409–412. Бибкод : 2014Sci...344..409W . дои : 10.1126/science.1249375 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 24674867 . S2CID 206554245 .
- ^ Jump up to: а б с Бангхарт, Мэтью; Борхес, Кэтрин; Исаков, Эхуд; Траунер, Дирк; Крамер, Ричард Х (декабрь 2004 г.). «Светоактивируемые ионные каналы для дистанционного управления возбуждением нейронов» . Природная неврология . 7 (12): 1381–1386. дои : 10.1038/nn1356 . ISSN 1546-1726 . ПМЦ 1447674 . ПМИД 15558062 .
- ^ Джог, Параг В.; Джин, Мэри С. (1 сентября 2008 г.). «Синтетический ионный канал со световыми воротами». Органические письма . 10 (17): 3693–3696. дои : 10.1021/ol8013045 . ISSN 1523-7060 . ПМИД 18656946 .
- ^ «Ковалентно связанный фотоизомеризуемый агонист. Сравнение с обратимо связанными агонистами в электрофорных электробляшках» - Журнал общей физиологии, том 75, 207-232
- ^ Берндт, Андре; Ли, Су Юн; Рамакришнан, Чару; Дейсерот, Карл (25 апреля 2014 г.). «Структурно-ориентированная трансформация канального родопсина в светоактивируемый хлоридный канал» . Наука . 344 (6182): 420–424. Бибкод : 2014Sci...344..420B . дои : 10.1126/science.1252367 . ISSN 0036-8075 . ПМК 4096039 . ПМИД 24763591 .
- ^ Jump up to: а б Исидзука, Тору; Какуда, Масааки; Араки, Рикита; Яво, Хирому (2006). «Кинетическая оценка фоточувствительности в генно-инженерных нейронах, экспрессирующих светозависимые каналы зеленых водорослей». Неврологические исследования . 54 (2): 85–94. дои : 10.1016/j.neures.2005.10.009 . ПМИД 16298005 . S2CID 17576414 .
- ^ Косентино, К.; Альберио, Л.; Газзаррини, С.; Аквила, М.; Романо, Э.; Черменати, С.; Зукколини, П.; Петерсен, Дж.; Бельтрам, М.; Эттен, Дж. Л. Ван; Кристи, Дж. М.; Тиль, Г.; Мороний, А. (2015). «Инженерия светозатворного калиевого канала» . Наука . 348 (6235): 707–710. Бибкод : 2015Sci...348..707C . дои : 10.1126/science.aaa2787 . ПМИД 25954011 . S2CID 27853990 .
- ^ Бек, Себастьян; Ю-Стржельчик, Цзин; Паулс, Деннис; Константин, Оана М.; Ну и дела, Кристин Э.; Эманн, Надин; Киттель, Роберт Дж.; Нагель, Джордж; Гао, Шицян (2018). «Синтетические светоактивируемые ионные каналы для оптогенетической активации и ингибирования» . Границы в неврологии . 12 :643 дои : 10.3389/fnins.2018.00643 . ISSN 1662-453X . ПМК 6176052 . ПМИД 30333716 .
- ^ Берналь Сьерра, Йинт Андреа; Рост, Бенджамин Р.; Пофаль, Мартин; Фернандес, Энтони Майкл; Коптон, Рамона А.; Мозер, Сильвен; Хольткамп, Доминик; Масала, Никола; Бид, Пратип; Такер, Джон Дж.; Олдани, Сильвия (2018). «Оптогенетическое молчание на основе калиевых каналов» . Природные коммуникации . 9 (1): 4611. Бибкод : 2018NatCo...9.4611B . дои : 10.1038/ s41467-018-07038-8 ISSN 2041-1723 . ПМК 6218482 . ПМИД 30397200 .
- ^ Анзай, Дзюн-Ичи; Оса, Тецуо (1994). «Светочувствительные искусственные мембраны на основе производных азобензола и спиробензопирана». Тетраэдр . 50 (14): 4039–4070. дои : 10.1016/S0040-4020(01)86704-1 .
- ^ Фолгеринг, Йост Х.А.; Койпер, Джоанна М.; де Врис, Алекс Х.; Энгбертс, Ян БФН; Пулман, Берт (2004). «Липид-опосредованная световая активация механочувствительного канала большой проводимости» (PDF) . Ленгмюр . 20 (17): 6985–6987. дои : 10.1021/la048942v . ПМИД 15301476 .