Bölüm 6

Dr. Ersin O. Koylu

İYON KANALLARI

· Neuronal Signaling: Nöronun çalışması!

o Bir sinir hücresinin kendisine gelen uyarı (stimulus) sonucu membran üzerinde bulunan elektriksel potansiyel farkında oluşan hızlı değişiklik ile 'yanıt ' vermesi.

o Membran potansiyelindeki hızlı değişikliklerin nedeni: İyon kanalları

§ Her hücredeki bir çok farklı tipte iyon kanalı: Hızlı ve amaca uygun bilgi işleme

§ İyon kanallarının fonksiyon bozukluğu: Sinir sistemi ve kaslarda görülen bir çok nörolojik bozukluğun temelindeki neden.

Sinir Sisteminin Normal Fonksiyonu İçin İyon Kanallarının Önemi

· İyon kanallarının üç önemli özelliği:

o İyonların çok hızlı geçişine izin verir: Saniyede 100 milyon iyon! ® Membran potansiyelinde çok hızlı değişim.

o İyonların geçişine seçici olarak izin verir:
Tipik bir K⁺ kanalı için [K⁺ geçirgenliği (100 Kat)> Na⁺ geçirgenliği].

o Özel elektriksel, kimyasal ve mekanik uyaranlara cevap verir: voltaj-kapılı kanallar, ligand-kapılı kanallar mekanik-kapılı kanallar (basınç ve gerilme).

§ Bunlara ek olarak dinlenim (istirahat) kanalları ; dinlenim sırasında iyon geçişine izin verirler.

Bu bölümde cevap aranacak dört soru:

Neden nöronlar iyon kanallarına sahip?

Kanallar bu kadar yüksek hızda iyon geçişine izin verdiği halde hala nasıl seçici olabiliyor?

Kanalların kapıları nasıl oluşuyor?

Farklı iç ve dış durumlardan bu kanalların özellikleri nasıl etkileniyor?

İyon kanalları: Hücre membranını bir uçtan diğerine geçen proteinler

· Plazma membranı

o 6 – 8 nm kalınlıkta, lipid ve proteinlerden oluşmuş.

o Yüzey: Çift katlı fosfolipid tabaka ve bunun içine gömülü membran proteinleri.

o Çift katlı lipid tabaka: hidrofilik baş, hidrofobik kuyruk.

· Su molekülleri: Dipolar (suyun yapısındaki oksijen atomu hafif negatif yük oluştururken, hidrojen atomu pozitif yük taşıma eğiliminde ® su molekülleri üzerindeki net yük 0).

o Katyonlar: oksijen atomuna; anyonlar: hidrojen atomuna bağlanma eğiliminde.

Fig 6-1

Membranın bir iyona geçirgenliği, iyonun su, membran lipid tabakası ve iyon kanalları arasındaki etkileşim ile belirlenir. İyonlar su molekülleri tarafından çevrelenir (hidrate olur) ancak, su moleküllerinin net yükü sıfır olduğundan bu iyon-su bulutunun elektriksel yükü merkezdeki iyon tarafından belirlenir. İyon için bu polar ortamı bırakarak non-polar bir ortam olan çift katlı lipid tabakaya girmek olası değildir, dolayısıyla iyon sadece iyon kanallarından geçebilir.

Na⁺ çap olarak K⁺ ‘dan daha küçük olmasına rağmen, etrafındaki su bulutundan dolayı Na⁺ iyon kanalları daha büyüktür.

Na⁺ iyon kanalı kanal içinde bir seçici filtreye sahiptir. Bertil Hille’in hipotezi: Na⁺ kanal içinde kendine özgü bir alana geçici olarak bağlanır ve Na⁺ ‘nun pozitif yükü, negatif yüklü bir amino asit rezidüsü tarafından stabilize edilir. Bu hipoteze göre K⁺ ‘un bu kanaldan geçememesinin nedeni, büyük çapından dolayı stabilize edilememesidir.

· İyon kanalları; tarihsel gelişim

o Yapıları 15 yıldan bu yana daha iyi anlaşılmış.

o 19. yüzyıldan bu yana iyonların çift katlı fosfolipid yapıdan geçemeyeceği ancak, bir şekilde membranın diğer tarafına geçebildikleri biliniyor.

o Ernst Brücke: Ozmoz olduğuna göre, membran üzerinde bazı delik ya da açıklıklar olmalı!

o William Bayliss: İyonların etrafı su tarafından sarıldığına göre, bu iyonlar nacak içi su dolu kanallardan geçiyor olabilir.

o İleri dönemlerde ortaya çıkan soru: İçi su dolu bir kanal hem çok hızlı bir şekilde iyonların geçişine izin verirken aynı zamanda seçici olabiliyor? Na⁺ çap olarak daha küçük olduğu halde neden K⁺ kanallarından geçemiyor?

o Yanıt: Seçicilik sadece çap ile değil, aynı zamanda o atomun etrafında toplanan su bulutunun kütlesi ile de belirleniyor (küçük iyonlar yarattıkları elektrostatik çekimden dolayı daha büyük su kütlesini etrafında toplayabilir...). ® Bir iyonun çapı küçüldükçe hareketliliği azalır.

o Yeni soru: K⁺ çap olarak daha büyük ve etrafında daha az su bulutu topluyor. Ancak, buna rağmen geniş Na⁺ kanallarından neden geçemiyor?

o 1930 – 1940’lardaki yanıt: İyonlar önce membran üzerindeki bir taşıyıcı proteine bağlanır, bu protein iyonun geçişine izin verir.

o 1970’ler, Bernard Katz ve Ricardo Miledi: Taşıyıcı protein modeli Na⁺ - K⁺ pompası için doğru olabilir ancak bu pompalar oldukça yavaş çalışır. Halbuki sinir kas kavşağında asetilkolinin tek bir reseptöre bağlanması saniyede 10 milyon iyonun geçişine izin verir bu ise Na⁺ - K⁺ pompasından 100.000 kat daha yüksek bir hızdır.

o Bertil Hille: İyon kanalı görevi yapan membran proteinlerinin iç kısmında bir daralma bölgesi bulunur. Bu bölgede iyon çevresindeki sudan kurtularak kanalın iç kısmındaki bir bölge ile zayıf kimyasal bağlar oluşturur.

§ Normal şartlarda iyon enerji kullanmaksızın çevresindeki sudan kurtulamaz. Ancak ve ancak kanal içindeki seçicilik filtresi (negatif yüklü bir amino asit rezidüsü) bu iyon ile geçici olarak bağlanırsa, iyon çevresindeki sudan kurtulur, filtre bölgesinden geçer, sonra yine su bulutu ile birleşerek yoluna devam eder.

§ Başka bir iyon, seçicilik filtresine bağlanamayacağı için etrafındaki su bulutundan da kurtulamayacak, dolayısıyla bu bölgeden geçemeyecektir.

§ Bu işlem 1µsaniye içinde gerçekleşir!

§ Seçicilik iki yolla olur:

ð Na⁺ , K⁺ ‘dan daha küçük olduğu için filtreye daha kolay yaklaşır.

ð Bundan başka, glutamat ve aspartatın küçük boyutlu ve kuvvetli negatif yüklü karboksilik asit grupları Na⁺ bağlayabilir, çünkü Na⁺ etrafındaki suya güçlü olarak tutunmuştur. Buna karşın, düşük güce sahip polar karboksil veya hidroksil oksijen alanları suya zayıf tutunmuş K⁺ ‘u bağlamayı, Na⁺ bağlamaya tercih edecektir.

İyon Kanallarının Fonksiyonel Metodlar Kullanılarak İncelenmesi

· X ışını kristalografi ve diğer yapısal analizler: Proteinin membran içindeki hidrofobik kısmından dolayı kısıtlı bilgi sağlar.

· Tek-kanal kayıt yöntemleri: Kanal proteinlerinin yapı fonksiyonları hakkında önemli bilgiler sağlamıştır.

o Eski çalışmalar: 15 amino asitten oluşan siklik peptid gramicidin A (gA) kullanımı

§ Düşük konsantrasyonda gA kullanımı: step-like elektrik akımı ve membran potansiyelinde değişiklik.

Fig 6-2 Tek bir iyon kanalında akımın özellikleri

Kayıtlar solüsyon içindeki yapay bir lipid çift tabakadan yapılmıştır.

A. Kanal, hep ya da hiç kuralına göre açılıp kapanmaktadır. Membranın iki yüzü arasındaki elektriksel potansiyel farkı (Vm) değişirse, kanal içindeki akım miktarı da (geçen iyon miktarı) bununla orantılı olarak değişmektedir. Membran potansiyeli milivolt (mV) olarak, akım pikoamper (pA) olarak ölçülmüştür.

B. Kanal içindeki akım ile membran potansiyeli arasındaki lineer ilişkinin grafik gösterilmesi. Bu ilişki, kanalın Ohm kanununa göre bir elektriksel direnç gibi davrandığını göstermektedir. (i = V/R veya i = g x V)
i: akım; V: voltaj; R: Açık kanalın direnci; g: Resiprokal direnç (1/R)

C. Gramicidin A kanalının tahmini yapısı.

· Yapay membranlardan elde edilen bilgiler daha sonra patch-clamp tekniği ile biyolojik membranlarda da doğrulandı.

Patch-clamp tekniği

· Voltage-clamp uygulamasından yola çıkılarak 1976'da Erwin Neher ve Bert Sakmann tarafından geliştirildi.

· Ucunun çapı 1mm olan ve içinde asetilkolin (ACh) bulunan bir cam mikropipetin kurbağa iskelet kası üzerine uygulanması ile tek bir ACh kanalının davranışı gözlendi.

· Mikropipet içindeki sıvı ile temas halindeki elektrod sayesinde kanal içindeki akım kaydedildi.

· Pipet ucu ile membrana uygulanan küçük miktardaki emme, bölgenin izolasyonunu sağlayarak gürültüyü azalttı.

· Bu yöntem daha sonra voltaj- nörotransmitter- ve mekanik-kapılı kanallarda kullanılarak kayıtlar yapıldı.

Fig 6-3A

Fig 6-3B

· Daha sonra Christopher Miller, biyolojik membranlardan elde ettiği iyon kanallarını düzlemsel lipid çift tabakalar üzerine ekleme yöntemini geliştirdi.

o Dokunun homojenizasyonu ve santrifugasyonundan sonra membrandan oluşmuş veziküller elde edilir. Bu veziküller uygun iyonik şartlarda düzlemsel lipid çift tabakalar ile füzyona uğrar.

o Bu yöntemin iki önemli avantajı:

§ Doğrudan mikropipet ile ulaşmanın zor olduğu alanlardaki kanalların davranışı incelenebilir

§ Değişik membran lipidlerinin kanal fonksiyonunu nasıl etkilediğini araştırma olanağı verir.

Tüm Hücrelerdeki İyon Kanallarının Ortak Özellikleri

Bir çok hücre, hücrelerarası haberleşme yeteneğine sahiptir. Sinir ve kas hücreleri çeşit olarak daha fazla kanala sahiptir ancak tüm hücrelerdeki kanallar bazı ortak özellikler taşır.

İyonların kanaldan geçişi: Pasif süreç

· İyonların kanaldan geçişi için metabolik enerji tüketimi olmaz; membranın iki yüzü arasındaki difüzyonal ve elektrostatik kuvvetler iyon geçişinin gücünü oluşturur.

· Bununla birlikte, kanallar iyonlar için seçicidir.

o Bazı katyon-seçici kanallar Na⁺ , K⁺ , Ca²⁺ ve Mg²⁺ gibi katyonların tümünün geçişine izin verir.

o Katyon-seçici kanalların büyük çoğunluğu ise tek bir iyon için seçicidir.

o Anyon-seçici kanallar da genellikle tek bir iyon için seçicidir.

· İyon geçirgenliğinin kinetik özelliklerinin tanımlanması:

o En iyi kanalın iletkenliği ile tanımlanabilir.

o Kanal iletkenliği ise elektrokimyasal güç (driving force) ile sağlanan iyon akımının ölçülmesi ile belirlenir.

§ Net elektrokimyasal gradyan iki faktör tarafından belirlenir:

ð Membranın iki tarafı arasındaki elektriksel potansiyel farklılığı

ð Kanaldan geçen iyon için membranın iki tarafındaki konsantrasyon gradyanı

· Bazı iyon kanalları elektrokimyasal itici güç değişikliklerine lineer olarak yanıt verir ® Bu kanallar elektriksel olarak basit direnç gibi davranır.

· Bazı kanallar ise iyonları bir yöne doğru daha kolay iletir ® elektriksel olarak rectifier (-doğrultucu-) gibi davranır.

· Direnç benzeri kanalların iletkenliği (Di/DV) lineer (Ohm yasasına uygun)
Rectifier benzeri kanalların iletkenliği (Di/DV) non-lineer (Ohm yasasına uygun değil)

Fig 6-4

· Bir kanaldaki akımın (iyon akımı) hızı, çevredeki solüsyonun iyon konsantrasyonuna göre belirlenir.

o Düşük konsantrasyonlarda; konsantrasyon arttıkça akım orantılı olarak artar.

o Yüksek konsantrasyonlarda; konsantrasyon arttıkça iyon akımı daha az artar.

o Çok yüksek konsantrasyonlarda iyon akımı doyma noktasına ulaşır ve daha fazla akım olmaz.

o Kural: İyonların kanallardan geçişi elektrokimyasal difüzyon kurallarına tam olarak uymaz.

o Bu durum, iyonların kanal içindeki özgül polar alanlara bağlanmasına bağlıdır.

o İyon akımının en yüksek değerinin yarısı kadar akım sağlayan iyon konsantrasyonuna o iyon için disosiasyon sabiti adı verilir.

o Çok yüksek iyon konsantrasyonları disosiasyon sabitini yükselterek kanal içindeki alana bağlanan iyonun oradan ayrılmasını güçleştirir. Bu durum kanaldan iyon akımını yavaşlatır.

· Bazı iyon kanalları, sitoplazma ya da ekstrasellüler sıvıda bulunan serbest iyon ya da moleküller tarafından tıkanabilir.

o Bloke edici ajan bir iyon ise kanala girdiğinde kanalın elektrik alanından etkilenerek kanalın diğer tarafına doğru sürülür; bu durum blokajı arttırır.

o Kanal bloke eden moleküller: Genelde vücut dışından alınan toksinler.

Bir kanalın açılıp kapanması: Düzensel (conformational) değişiklikler ve diğer mekanizmalar

· Şimdiye kadar üzerinde çalışılan tüm iyon kanallarından elde edilen sonuç: İyon kanalları iki ya da daha fazla sayıda farklı düzende bulunabilir

· Bu düzenlerin her bir fonksiyonel bir durumu temsil eder (açık / kapalı gibi)

· Kanal proteininin bu farklı durumlar arasındaki değişimi 'kapı görevi yapma' (gating) olarak adlandırılır. Bu durum, kanalın yapısındaki geçici değişikliklerle ortaya çıkar.

· Bir kanalın açılıp kapanırken için bir kapakçığın bu görevi yapması çok sık görülen bir durum değildir (Bazı Na⁺ ve K⁺ kanallarının inaktivasyonu dışında). Bunun yerine kanal bölgesel ya da yaygın yapısal/durumsal değişiklikler oluşturur.

o Kanalın açık olması durumu; fiziksel olarak daha büyük bir açıklığın yanı sıra, seçici filtreyi oluşturan daha çok miktarda amino asit yapısının da ortaya çıkmasını kapsar.

Fig 6-5

· Sinir sisteminde iyon kanallarının birincil fonksiyonu: Geçici elektriksel sinyaller oluşturmak ® Bir çok farklı mekanizma kanalın açık ve aktif duruma geçişini kontrol eder.

o Ligand bağlanması, fosforilasyon, voltaj değişimi, gerginlik ya da basınç.

Fig 6-6

· Kimyasal ligandlar (hücre dışında nörotransmitterler, hücre içinde Ca²⁺ , bazı nükleotidler vs.

· Hücre içi sinyal mekanizmaları ® protein fosforilasyon kaskadı

· Membran potansiyelinde değişiklik

· Mekanik gerginlik veya basınç etkisi

· Bir kanal, değişik kontrol mekanizmalarının etkisi altında üç farklı fonksiyonel durumda bulunabilir:

o Kapalı ve aktive edilebilir (dinlenim)

o Açık (aktif)

o Kapalı ve aktive edilemez (refrakter)

· Bir kanalın kapalı durumdan açık duruma geçmesi, enerji gerektirir.

o Ligand-kapılı kanallarda enerji, kimyasal ajanın proteine bağlanması sırasında ortaya çıkan kimyasal reaksiyondan sağlanır.

o Voltaj-kapılı kanallarda enerji, kanal proteini üzerindeki duyarlı bir bölgenin (voltage-sensor) voltaj artışı sonucu yüklenerek membran üzerinde net bir serbest enerji değişimine neden olması ile sağlanır.

§ Duyarlı bölge bazik (pozitif yüklü) veya asidik (negatif yüklü) amino asitlerden oluşur.

o Mekanik olarak aktive edilen kanallarda enerji, doğrudan membran tarafından ya da sitoskeletal yapılar tarafından iletilir.

· Bir kanalın açılıp kapanmasını kontrol eden sinyaller, aynı zamanda kapalı ve açık durumlar arasındaki geçişi de kontrol eder.

o Voltaj-kapılı kanallar için açık ve kapalı durumlar arasındaki süre bir kaç m saniye (deneysel ölçümlerin şimdiki limiti) ile dakika arası açık kalabilir.

§ Kapalı-açık durum arasındaki bu geçişler bir kez başladıktan sonra sürekli olarak düzensiz şekilde tekrarlanır.

o Ligand-kapılı kanallar ligandın varlığı devam ettikçe refrakter döneme girebilir (kanalın duyarsızlaşması: desensitization).

o Voltaj-kapılı kanalların bir çoğunda aktif açık olma durumunu sona erdiren bir refrakter (inaktivasyon) dönem görülür.

§ İnaktivasyon durumu kanalı oluşturan proteinin alt ünitelerinden biri ya da bir bölgesi tarafından sağlanır.

§ İnaktivasyon; aktivasyondan bağımsız (Na⁺ ve K⁺ kanallarında olduğu gibi) veya iyon konsantrasyonunun artışına bağlı (Ca²⁺ kanallarında olduğu gibi) bir defosforilasyon süreci ile meydana gelebilir.

§ Bundan başka, Ca²⁺ doğrudan Ca²⁺ kanalına bağlanarak kanalı inaktif duruma getirebilir.

Fig 6-7

A. Bir çok voltaj-kapılı kanal açık olma durumundan inaktif olma durumuna geçer ve membran potansiyeli ilk orijinal durumuna dönünceye kadar refrakter kalır.

B. Voltaj-kapılı Ca²⁺ kanalları hücre içinde Ca²⁺ bağlanması sonucu inaktif duruma geçebilir.

C. Hücre içinde Ca²⁺ konsantrasyonu artışı defosforilasyon ile kanalın inaktif duruma geçmesine neden olur.

· İlaç ve toksinler; kanallar üzerindeki etkileri

o Bir çok eksojen ajan iyon kanallarını bloke ederken çok az bir kısmı açık kalmasına neden olur.

o Bazı ajanlar ligand bağlanma bölgesini bloke ederek kanalın fonksiyonunu engeller.

§ Bu etki zayıf ve geçici olabilir Þ Kürar - ACh reseptör blokajı

§ Güçlü ve geri dönüşsüz olabilir Þ Yılan zehiri a-bungarotoksin - ACh reseptör blokajı

§ Bazı ajanlar kompetitif değildir, fonksiyonu etkiler Þ Valium - GABA-kapılı Cl^- kanalının açık kalma süresini uzatır.

Fig 6-8

A. Endojen bir ligand tarafından açık duruma getirilebilen (A1 ve A2) bir kanalın geçici veya geri dönüşsüz olarak inaktivasyonu (A3 ve A4).

B. Eksojen bir ajanın bağımsız olarak başka bir bölgeye bağlanarak kanalın açık kalma süresini uzatması

İyon Kanallarının Yapısı: Biyofiziksel, Biyokimyasal ve Moleküler Biyolojik Çalışmalardan Elde Edilen Bilgiler

· Tüm iyon kanalları temel bir glikoprotein yapı içerir: İntegral bir membran proteini ile onun yüzeyine tutunmuş karbonhidrat grupları.

· Proteinin merkezindeki sıvı dolu bir kanal tüm hücre membranını kat eder.

· Protein iki veya daha fazla alt üniteden (subunit) oluşmuştur. Bu alt üniteler birbirinin aynı ya da farklı olabilir.

Fig 6-9

A. İyon kanallarının alt üniteleri

Ø Heterooligomer (tüm alt üniteler farklı)

Ø Homooligomer (tüm alt üniteler aynı)

Ø Aynı polipeptid zincirinin tekrarlayan motifleri

B. Bazı proteinler, kanal oluşturan merkezi alt üniteler dışında düzenleyici ek üniteler bulundurabilir.

· Son yıllarda belli başlı tüm iyon kanallarını kodlayan genler klonlandı ve öngörülen protein yapısı ortaya çıkarıldı. Bu yapıların bilgisayar programlarında modellenmesi sonucu kanalların sekonder yapıları hakkında ipuçları elde edildi.

· Elde edilen ipuçlarının daha önceden yapılan x-ray analizleri ile birleştirilmesi sonucu kanalların alt üniteleri hakkındaki bilgiler arttı.

Fig 6-10

Membran proteinlerinin sekonder yapıları

A. Nikotinik ACh-kapılı reseptör kanalının öngörülen yapısı. Her bir silindir bir a-helix yapısını temsil eder. Her bir a-helix yaklaşık 20 hidrofobik amino asit residüsü içerir. a-helix yapılar, ekstrasellüler ve sitoplazmik tarafta hidrofilik rezidülerle (loop) birbirine bağlanmıştır.

B. Bir iyon kanalının membran boyunca uzanan yapıları hidrofobisite eğrisi kullanılarak tanımlanabilir. Şekilde nikotinik ACh-kapılı reseptörün tüm amino asit dizisinin hidrofobisite eğrisi görülmektedir. Eğrinin M1, M2, M3 ve M4 transmembran alanlarına uyan hidrofobik kısımları vardır. Eğrinin en başındaki hidrofobik bölge ise amino asit zincirinin amino ucundaki başlangıç dizisini (signal sequence) temsil eder.

İyon Kanallarının Gen Ailelerine Göre Gruplanması

· Her bir gen ailesine ait iyon kanalları benzer amino asit dizilişi ve membranı geçiş özellikleri gösterir.

o Bu durumun her bir gen ailesinin, bir ata (ancestral) genin duplikasyonları ve farklılaşmasından kaynaklandığı düşünülür.

o Örneğin; ligand-kapılı kanallar olan ACh, GABA ve glisin kapılı kanalları kodlayan genler aynı gen ailesindendir. Bu kanalların tümü 5 alt ünite ve bu alt üniteler 4 transmembran alan içerir.

Fig 6-11

A. Nikotinik Ach-kapılı reseptörde olduğu gibi, bir çok ligand-kapılı reseptör 5 alt üniteye sahiptir. Bu alt ünitelerden her biri 4 transmembran alan (M1 – M4) içerir. Bu transmembran alanlar a-helix yapısındadır.

B. Elektriksel sinapslarda bulunan gap-junction kanalları iki yarım kanaldan oluşur. Her bir yarım kanal 4 transmembran alanlı 6 alt üniteden oluşur.

C. Voltaj-kapılı Na⁺ kanalları tek bir polipeptid zincirinden oluşur. Bu zincir membran boyunca tekrarlayan motifler oluşturur. Her bir tekrar 6 transmembran alandan oluşur.
P bölgesi: Seçicilik filtresi.

o Buna karşın, glutamat-kapılı kanallar ile gap-junction kanalları kodlayan genler farklı gen ailelerine aittir.

o K⁺ kanallarını kodlayan üç gen ailesi, birbiriyle kısmen bağlantılıdır.

Fig 6-12

Üç farklı K⁺ kanalının yapısı

A. Voltaj-kapılı K⁺ kanalları 4 alt üniteden oluşur, her bir alt ünite birbirinin aynıdır.

B. Inward-rectifier (hiperpolarizasyon ile aktive olan) K⁺ kanalları birbirinin aynısı 4 alt üniteden olşur ancak bu alt üniteler sadece 2 transmembran a-helix bulundurur.

C. İki gözenekli K⁺ kanallarının alt ünite yapısı inward-rectifier kanallara benzemekle birlikte aynı yapı bağlantılı olarak şkş kez tekrarlanır.

· İyon kanalları, çok sayıda alt ünitenin değişik kombinasyonları sonucu oluşur ® Fonksiyonel olarak çok fazla tipte iyon kanalı ortaya çıkar.

o Nöronlarda şimdiye kadar 12’den fazla sayıda kanal tipi gösterilmiş. Her bir tip birbirine çok benzer yapılar (izoform) içerir ® Bu izoformlar açılıp kapanma özellikleri açısından farklılıklar gösterebilir.

o Bu durum aynı genden ortaya çıkan mRNA’nın alternative splicing’i sonucu oluşabilir.

o İzoform kanallardaki varyasyonlar gelişim sürecinde ortaya çıkar.

Fig 6-13

Gelişimin farklı evrelerinde (erken: 1.1 gün; orta: 2.4 gün; geç: 48 gün) kurbağa iskelet kası ACh-kapılı kanalında yapılmış kayıtlar.

Gelişmemiş kasta göreceli olarak daha uzun açık kalma süresi, buna karşın daha az iletkenlik (amper) gözlenir. Gelişmiş kasta ise kanal açık kalma süresi kısalırken iletkenlik artar.

Fig 6-14

Voltaj-kapılı K⁺ kanalının 4 farklı varyantının sıçan beyninde dağılımı.

DNA tarafından kodlanan pre-RNA, alternative splicing işleminden sonra 4 farklı transkript (mRNA) oluşturur. Bunlar da kanal proteinini kodlar.

Talamik nukleuslar:
VPL: Ventral posterior lateral, VPM: Ventral posterior medial, MD: medial dorsal, LD: Lateral dorsal, VM: Ventromedial, PO: Posterior, RT: Retiküler.

Hipokampal alanlar:
CA1, CA2, CA3, DG: Dentat girus, ZI: Zona inserta

· Genomu tam olarak çözülen nematod: Caenorhabditis elegans

o Volta-kapılı Ca²⁺ kanalları için 5 ayrı gen

o K⁺ kanalları için 60 ayrı gen

o Cl^- seçici kanallar için 6 ayrı gen

o Ve bunların varyasyonları !!!

K⁺ seçici iyon kanalının yapısının anlaşılmasında x-ışını kristalografisi

· Rod MacKinnon ve ekibi tarafından yakın zamanda bakteryel bir K⁺ kanalının yüksek çözünürlükte x-ışını kristalografisini görüntüledi.

o Fig 6-15'de gösterilen kristalografik yapı, Fig 6-12B'deki hiperpolarizasyon ile aktive olan K⁺ kanalına yapısal olarak benzer.

Fig 6-15

A. Membranın dış tarafından (yukarıdan) kanalın görüntüsü. Kırmızı ve mavi renk: 4 alt ünitenin a-helix yapıları. Beyaz renk Seçicilik filtresi (P bölgesi)

B. Kanalın yandan (karşıdan) görüntüsü. İkişer a-helix'den oluşan her bir alt ünite farklı renklerde gösterilmiştir.

C. B ile aynı plandan görüntü. Alt ünitelerden yalnızca ikisi gösterilmiştir. Kırmızı renkli seçicilik filtresi, üç amino asit rezidüsü tarafından oluşturulmaktadır (G: Glisin, Y: Tirozin, G. Glisin)

D. K⁺ 'un kanaldan geçişinin gösteridiği illüstrasyon.

Sonuç

· İyon kanalları iyonların geçişini düzenleyerek sinir ve kas gibi hücrelerde membran potansiyelinin hızlı değişimi ve aksiyon potansiyelinin oluşumuna aracılık eder. Ayrıca Ca²⁺ kanalları, Ca²⁺ akımını düzenleyerek hücre içi metabolik olayları regüle eder.

· Kanallar seçicilik, açılıp kapanma özellikleri ve oranları açısından farklı özellikler gösterir.

· Üç yöntem: Patch-clamp tekniği, gen klonlama ve x-ışını kristalografisi, kanal yapılarının anlaşılmasına önemli ölçüde ışık tutmuştur.

· Kanalların aktivitesi, protein fosforilasyonu gibi hücre içi metabolik olaylar, eksojen ilaç ve zehirlerden etkilenebilir.

· Kanallar bazı hastalıklarda önemli bir hedeftir (miyastenia gravis, hiperkalemik periyodik paralizi vb.).