Işık kapılı iyon kanalı - Light-gated ion channel
Işık kapılı iyon kanalları , elektromanyetik radyasyon tarafından düzenlenen bir iyon kanalları ailesidir . İyon kanalları için diğer geçit mekanizmaları arasında voltaj kapılı iyon kanalları , ligand kapılı iyon kanalları , mekanik duyarlı iyon kanalları ve sıcaklık kapılı iyon kanalları bulunur . Doğal olarak oluşan iki örnek, channelrhodopsin ve anyon ileten channelrhodopsin şu anda bilinmesine rağmen, ışık kapılı iyon kanallarının çoğu laboratuvarda çalışma için sentezlenmiştir . Işık kapılı iyon kanallarına benzer şekilde hareket eden fotoreseptör proteinleri , bunun yerine genellikle G proteinine bağlı reseptörler olarak sınıflandırılır .
mekanizma
Işık kapılı iyon kanalları, diğer kapılı iyon kanallarına benzer şekilde çalışır. Bu tür transmembran proteinler , iyonların geçişini kolaylaştırmak için lipid çift katmanları boyunca gözenekler oluşturur . Bu iyonlar, bir elektrokimyasal gradyan etkisi altında zarın bir tarafından diğerine hareket eder . Bir uyarana maruz kaldığında , iyon kanalını açmak veya kapatmak için proteinin transmembran bölgesinde konformasyonel bir değişiklik meydana gelir. Işık kapılı iyon kanallarının özel durumunda, transmembran proteinler genellikle bir foto- anahtar görevi gören daha küçük bir molekül ile birleştirilir , bu sayede fotonlar anahtarlama molekülüne bağlanır, daha sonra proteinlerin konformasyonunu değiştirir, böylece gözenek değişir. kapalı durumdan açık duruma veya tam tersi, böylece iyon iletkenliğini arttırır veya azaltır. Retina , moleküler fotoswitche iyi bir örnektir ve doğal olarak oluşan channelrhodopsinlerde bulunur.
sentetik izoformlar
Channelrhosopsin tanımlanmış ve karakterize edilmiş bir kez, kanalın iyon seçicilik kontrol etmek üzere modifiye edilmiş membran potansiyeli ile Optogenetic kontrol. Kanalın yönlendirilmiş mutasyonları, gözeneği kaplayan yükleri değiştirdi ve bunun yerine katyonları anyonlar lehine dışlayan bir gözenekle sonuçlandı .
Diğer kapılı iyon kanalları türleri, ligand kapılı ve voltaj kapılı , doğalarını ve özelliklerini daha iyi anlamak için ışık kapılı bir bileşenle sentezlenmiştir. Işıklı bir bölümün eklenmesiyle, çalışma kinetiği ve mekanizmaları derinlemesine incelenebilir. Örneğin, ışık kapılı bir bileşenin eklenmesi, mekanizmanın belirlenmesine yardımcı olmak için bir ligand kapılı iyon kanalının bağlanma bölgesine dahil edilecek çok sayıda benzer ligandın eklenmesine izin verir.
Bu tür iyon kanalları, iyon kanalına ışığa duyarlılık kazandırmak için bir foto anahtarının bağlanmasıyla modifiye edilmiştir. Bu, fotoizomerizasyon yoluyla uzayabilen veya kısalabilen bir ipin dikkatli seçilmesiyle yapılır . Bağın bir tarafı iyon kanalı proteinine bağlıdır ve bağın diğer ucu, gözeneğin açıkta kalan bir kısmı için yüksek bir bağlanma afinitesine sahip olan bir bloke edici gruba bağlıdır. Uzatıldığında, bloke edici bölümün gözeneklere bağlanmasını ve iyonik akımın önlenmesini sağlar. İp kısaldığında bu tıkanıklığı bozar ve gözenekleri açar. Kinetik çalışmalar, bu şekilde hassas zamansal ve uzamsal kontrolün sağlanabileceğini göstermiştir.
Azobenzen , cis veya trans izomerleri olarak iyi belgelenmiş uzunluk değişiminin yanı sıra fotoizomerizasyonu indüklemek için gereken uyarma dalga boyu nedeniyle sentetik olarak geliştirilmiş ışık kapılı iyon kanalları için bir bağın fonksiyonel kısmı için ortak bir seçimdir . Azobenzen , λ=500 nm dalga boyunda daha uzun trans- izomerine ve λ=380 nm'de cis- izomerine dönüşür .
1980'de, ışık kapılı bir mekanizma ile çalışma için uyarlanan ilk iyon kanalı, nikotinik asetilkolin reseptörüydü . Bu reseptör o zamanlar iyi biliniyordu ve bu nedenle adaptasyona uygun bir şekilde uygundu ve daha önce izin verilmediği gibi kinetik bir çalışma için izin verildi.
Promotör kontrolü yoluyla belirli bir hücre tipinde ışık kapılı iyon kanallarının ekspresyonu, ya katyon geçirgen channelrhodopsin için zarı 0 mV'ye depolarize ederek ya da anyon ileten channelrhodopsin için voltajı -67 mV'de tutarak hücre potansiyelinin düzenlenmesine izin verir. . Depolarizasyon, kanal başına 5 fA aralığında bir akım iletebilir ve aksiyon potansiyelleri ve nörotransmitter ekzositozu zaman ölçeğinde meydana gelir . Lazer uyaranları yoluyla indüksiyonla sağlanan ince zamansal ve uzamsal kontrol ile invaziv olmayan, geri dönüşümlü membran potansiyeli değişiklikleri sağlamaları bakımından diğer iyon kanalı düzenleme türlerine göre bir avantajı vardır . Hızlı depolarizasyon ile tek aksiyon potansiyellerini güvenilir bir şekilde uyarırlar ve ışıkla aktive olan proton pompaları ve ışıkla aktive olabilen problar gibi diğer tekniklerin aksine işlevi sürdürmek için yüksek yoğunluklu aydınlatmaya ihtiyaç duymadıkları için in vivo olarak kullanılabilirler .
Örnekler
Işık kapılı iyon kanallarının örnekleri hem doğal hem de sentetik ortamlarda ortaya çıkar. Bunlar şunları içerir:
Doğal olarak meydana gelen
- Kanalrodopsinler , ışık kapılı iyon kanallarının ilk keşfedilen ailesiydi.
Sentetik olarak uyarlanmış
- Nikotinik asetilkolin reseptörü , ışık kapılı bir mekanizma ile sentetik olarak uyarlanan ilk iyon kanalıydı.
- Işıkla aktive olan potasyum kanalları , aydınlatma üzerine nöronal aktiviteyi inhibe etmek amacıyla bakteriyel K + kanallarından tasarlanmıştır . İkinci bir strateji, çok düşük ışık seviyelerinde nöronal aktiviteyi inhibe etmek için bir siklik nükleotid kapılı K + kanalını fotoaktive edilmiş bir adenilil siklaz ile birleştirmektir .
- Diğer birçok tam sentetik, ışık kapılı kanallar da üretilmiştir.