PSpioneer.netserv.chula.ac.th/~spornthe/IonChannels.pdf · 4 Bioinorganic Chemistry PS...

1

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

• กระบวนการควบคุมและรักษาระดบัปริมาณโลหะในเซลล

Uptake

UtilizationStorage

Excretion

Cell

subtancesor ions

Membrane

cytoplasm

บทท่ี 7ไอออนแชลแนลและไอออนปม

substancesor ions

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

โลหะถูกดูดซมึเขาสูเซลล- การลําเลียงสารเขาออกเซลลตองผานชั้นเมมเบรน- ไอออนหรือสารบางชนิดผานเขาออกเซลลโดยตรงไมได ตองอาศัยสารหรือโมเลกุลอ่ืนชวย

2

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

• โมเลกุลชวยเหลานี้ตองสามารถอยูในชั้นเมมเบรนได • โมเลกุลชวยที่สําคัญคือโปรตีน เรียกวาอินทิกรัลเมมเบรนโปรตีน (integral membrane proteins)• อินทิกรัลเมมเบรนโปรตีนที่สําคัญไดแก ไอออนแชลแนล ไอออนทรานสปอรเตอร

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

7.1 โครงสรางและองคประกอบของเซลลเมมเบรน

3

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Models of membranes

Gortner & Grendel's bilayers (1925)

Langmuir's monolayers (1920)

Micelles

Liposomes

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

การลําเลียงไอออนผานชั้นเมมเบรนตองอาศัยตัวนําสง เรียกวา Transporter หรือ Carrier โมเลกุลตัวนําสงในเซลล สวนใหญเปนโปรตีนชนิด membrane proteins

• เมมเบรนโปรตีน (membrane proteins) : hydrophobic & hydrophilic parts

4

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

7.2 กลไกการเคลื่อนไอออนผานเซลลเมมเบรน สองวิธีคือ - active transport : กระบวนการการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของสารจากบริเวณที่มีความเขมขนของสารนอยกวาไปยังบริเวณที่มีความเขมขนของสารมากกวา - passive transport : กระบวนการการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของสารจากบริเวณที่มีความเขมขนของสารมากกวาไปยังบริเวณที่มีความเขมขนของสารนอยกวา

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

แอคทีฟแทรนสปอรต

การเคลื่อนที่ของสารหรือไอออนผานเมมเบรนโดยโมเลกุลที่นําสงไอออนตองการพลังงานเพื่อใชในการเคลื่อนที่ สารหรือไอออนเคลื่อนที่จากที่ที่มีความเขมขนต่ํากวาไปที่ที่มีความเขมขนสูงกวา แอคทีฟแทรนสปอรตจึงเปนการเคลื่อนที่แบบ uphill gradient

ตองใชพลังงานกระตุนซึ่งไดจากกระบวนการเปลี่ยน ATP เปน ADP โปรตีนทําหนาที่แทรนสปอรตไอออนดวยวิธีนี้ ไดแก ไอออนปม

5

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

แพสซีพแทรนสปอรต เปนการเคลื่อนที่ของสารหรือไอออนผานเมมเบรนโดยโมเลกุลที่นําสงไอออนไมตองการพลังงานเพื่อใชในการเคลื่อนที่ แพสซีพแทรนสปอรตขึ้นอยูกับโปรตีนและองคประกอบที่เปนเยื่อเลือกผาน (permeability) ของเซลลเมมเบรน กลไกแพสซีพแทรนสปอรตมี 3 ประเภท คือ การแพร (diffusion) การกรอง(filtration) และออสโมซิส (osmosis)

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

การแพรของสารผานเมมเบรนมี 2 ชนิด คือ

การแพรที่ตองใชโมเลกุลนําสง (facilitated diffusion)

การแพรดวยการเคลื่อนของสารเอง(diffusion)Brownian motion through concentration gradient

6

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

• ความเปนไฮโดรโฟบิกของเมมเบรน ทําใหไอออนไมซึมผานเขาเซลลไดโดยตรง • Ion transporter เชน Ion channels สามารถสรางโพรงไฮโดรฟลิกใหไอออนเคลื่อนที่ผานชั้นเมมเบรน(ลด energy barrier)

Without channel

เมมเบรน

ไอออ

น ภายน

อกเซล

ลcytoplasm

With channel

Free E

nergy

Activation energy with and without channels

Thermodynamic driving force

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Transporter• เปนโปรตีนลําเลียงไอออนที่แทรกอยูในชั้นเซลลเมมเบรน • ทําหนาที่ชวยการผานเขา-ออกของไอออน เชน Na+, K+, Ca2+ H+, Cl- โดยการลด energy barrier ในการผานชั้นเซลลเมมเบรน• ปริมาณไอออนที่ผานเซลลเมมเบรนจะเกิด Ionic Gradient ซ่ึงมีความสําคัญในกระบวนการสะสมพลังงาน และการทํางานของระบบประสาท•มี 2 กลุม โดยแบงตามวิธีการลําเลียงไอออน คือ

1. Pumps : เชน เอ็นไซม Na+-K+ ATPase เปนพวกที่ตองอาศัยพลังงานจากปฏิกิริยา phophorylation (ATP ---> ADP) ในการปมไอออน

2. Channels หรือ Carrier : พวกที่อาศัยปจจัยอ่ืนที่ไมใชพลังงานจากปฏิกิริยา phophorylation ในการลําเลียงไอออน

7

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

7.2.1 ไอออนปมเปนไอออนแทรนสปอรเตอร ที่นําไอออนเขาและออกเซลลโดยตองใชพลังงานจาก ATP ในการทํางาน กลไกชนิดนี้เปนแอคทีฟแทรนสปอรต ไอออนปมที่รูจักกันดคีือโซเดียม-โปแตสเซียมปม (Na+/K+ pump)

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

• กระบวนการลําเลียงไอออนโดยอาศัยแรงขับดันหรือปมใหไอออนผานเขาหรือออกเซลลในทิศสวนทางกบัศักยไฟฟาสมดุลหรือ ionic gradient • กระบวนการปมของไอออนอาศัยพลังงานจากปฏกิิริยาไฮโดรลิซิส ATP หรือปฏิกิริยา phosphorylation• ปฏิกิริยา Hydrolysis ของ ATP อาศัยเอ็นไซม Na+-K+ ATPase แสดงตามสมการ

3Na+in + 2K+

out + ATP + H2O 2Na+out + 2K+

in +ADP +Pi

Active ion-transport โดยไอออนปม

ใน 1 cycle เอ็นไซม Na+-K+ ATPase ปม 3 Na+ ออกนอกเซลล และปม 2 K+ เขาสูเซลล

8

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

กลไกวงจรการทํางานของ Na+/K+ pump

3Na+in + 2K+

out + ATP + H2O 3Na+out + 2K+

in +ADP +Pi3Na+in + 2K+

out + ATP + H2O 3Na+out + 2K+

in +ADP +Pi

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

7.2.2 ไอออนแชลแนล

ทํางานโดยการเปด-ปดทางที่ใหไอออนผานเขาหรือออกจากเซลล มีหลายชนิด แตละชนิดทํางานเมื่อถูกกระตุนดวยปจจัยทีแ่ตกตางกันไป เชน voltage gated channels เปนแชลแนลที่อาศัยการเปลี่ยนแปลงของศักยไฟฟาในการทํางาน acetylecholine receptor เปนแชลแนลที่มีสารส่ือประสาท (neurotransmitter) เปนตัวกระตุนใหทํางาน หรือ calcium-activated potassium channels light-gated channels หรือ ligand-gated channels เปนแชลแนลที่อาศัย Ca2+ แสง หรือลิแกนดเปนตัวกระตุนใหทํางาน

9

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Passive ion-transport โดย ไอออนแชลแนลลําเลียงไอออนผานชั้นเมมเบรนโดยใช Channels หรือ Carrier

1. Carrier : ไอออนถูกจับดวยโมเลกุลพาหะ (carrier) อัตราเร็วของการเคลื่อนที่ขึ้นอยูกับ diffusion coefficient ของโมเลกุลพาหะ

2. Channels : สรางชองที่เรียกวา Pore ไอออนจะ flow ผานเมมเบรนทาง Pore โดยโปรตีนเปลี่ยนคอนฟอรเมชัน (closed, open, inactivated) แตจะไมมีการเคลื่อนที่เหมือนกับ carrier

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Channels มีสภาวะที่เปน open state closed state หรือ inactivated state โดยอาศัยปรับเปลี่ยน conformation ตามจังหวะการทํางาน

inactivated (resting) stateclosed open

10

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

7.3 ศักยไฟฟาเมมเบรน (membrane potential, Em)• คือความตางศักยระหวางศักยไฟฟาเมมเบรนชั้นนอกกบัศักยไฟฟาเมมเบรนช้ันใน• ศักยไฟฟาที่ไมเทากันนี้เกดิจากความเขมขนของไอออนระหวางนอกและในเซลลไมเทากัน ดังนั้นทีบ่ริเวณเมมเบรนจึงเกิด ionic gradient ซ่ึงเปน driving force ในการลาํเลียงไอออน • คา ionic gradient ขึ้นกับความแตกตางของความเขมขนและประจุของไอออน • ionic gradient เนื่องจากความเขมขนเรียกวา concentration gradient หรือ chemical gradient • ionic gradient เนื่องจากประจุเรียกวา electrical gradient• ดังนั้น ionic gradient เนื่องจากทั้งสองปจจัยเรียกวา electrochemical gradient

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Concentration Gradient หรือ chemical gradient เกิดจากความเขมขนของไอออนที่ไมเทากันระหวางนอกเซลลและในเซลลElectrical Gradient เปนคาประจุที่ตางกันของไอออน คา electrical gradient เปนผลจากคา concentration gradient ดวย

เมมเบรน1

X+ Y-2

X+ Y-

Permeable to X+

[XY]1 > [XY]2

---

---

+ + +

+ +

+

---- + + +

+ - X+ ไหลผานจาก 1 2 ตาม concentration (chemical) gradient- การเคลื่อนที่ของประจุทําใหเปลี่ยนคาศักยไฟฟาเมมเบรน โดย 2(+) และ 1(-) เกดิ electrical gradient (X+

2 X+1)

Concentration Gradient & Electrical Gradient

11

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

คาศักยไฟฟาเมมเบรนขึ้นอยูกับปจจัยสามประการ ไดแก

1) ความเขมขนของไอออนที่อยูในและนอกเซลล

2) สมบัติเลือกผานที่มีตอไอออน (the permeability of ions) ของเซลลเมมเบรน ซ่ึงขึ้นอยูกับชนดิหรือสภาพการนําไฟฟาของไอออนแชลแนล และ

3) ประสิทธิภาพการทํางานของไอออนปมเพื่อคงสภาพความเขมขนของไอออนใหอยูในสภาวะสมดุล

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

คาศักยไฟฟาเมมเบรนในสภาวะสมดุลเรียกวา equilibrium potential, Ex

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

in

out

xx c

cFz

RTE ln

R = คาคงที่ของแกส (gas constant) เทากับ 8.314 J K-1 mol-1T = อุณหภูมิสัมบูรณ (ในรางกายเทากับ 310 K)z = ประจุของไอออน F = คาคงที่ฟาราเดย เทากับ 96485 C mol-1cout = ความเขมขนของไอออนภายนอกเซลล (M)cin = ความเขมขนของไอออนภายในเซลล (M)

12

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

ความเขมขนของไอออนในเซลลและนอกเซลลและศักยไฟฟาสมดุล

[Na+]extracellular > [Na+]intracellular Na+ มีแนวโนมที่จะเขาสูเซลล [K+]extracellular < [K+]intracellular K+ มีแนวโนมที่จะออกนอกเซลล

พิจารณาตามศักยไฟฟาสมดุล (Equilibrium potential)

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

ตัวอยางเชน คาศักยไฟฟาของ Na+ และ K+ ใน mammalian cell กรณี Na+ :

mMmM

CmolKmolJKNaV

12145ln

)485,96)(1()310)(314.8()(

1

11

−

−−+ =

= +68 mV

กรณี K+ : Cout = 4 , Cin =155 V(K+) = -99 mV

•คาศักยไฟฟาคาํนวณไดโดยอาศัยสมการของเนินสต ไดดังนี้

in

out

CC

nFRTV ln=

ความเขมขนของไอออนนอก (Cout) และใน (Cin) เซลล

13

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

7.4 การนําไฟฟาของเมมเบรน (membrane conductance)

- คาการนําไฟฟาของเมมเบรนขึ้นกับอัตราไอออนที่เคลื่อนที่เขาหรือออกเซลล ซ่ึงสัมพันธกับชนดิและความสามารถในการเลือกผานไอออน (ion permeability) ของตัวพาไอออน เชน ไอออนแชลแนล- ไอออนแชลแนลจึงเปรียบเสมือนตัวนําไฟฟาชนิดหนึ่ง

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

การวัดการนําไฟฟาของโปรตีน พิจารณาจากกับกฎของโอหม ดังนี้I = g V

)( xmxx EEgI −= หนวย A-m-2

gx = การนําไฟฟาของเมมเบรนที่มีตอไอออน x มีหนวยเปน siemenเมื่อ Em ไมเทากับ Ex ทําให Ix ไมเทากับ 0 นั่นแสดงวามีกระแสไฟฟา หรือมีปริมาณสุทธิของไอออนผานเขา-ออกเซลลไมเทากับ 0

ถา Em < Ex ทําให Ix มีคาเปนลบ เชนในกรณีที่มีปริมาณ K+ เขาเซลลมากกวาออกจากเซลล ที่สภาวะนี้เรียกวา hyperpolarization (รูปที่ 7.7)

ถา Em > Ex ทําให Ix มีคาเปนบวก เชนในกรณีที่มีปริมาณ K+ เขาเซลลนอยกวาออกจากเซลล ที่สภาวะนี้เรียกวา depolarization

14

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

ถามีไอออนมากกวาหนึ่งชนิดผานเขา-ออกเซลล

คาการนําไฟฟาของเมมเบรน (gm) = g1+g2+g3+…

โดยที่คาการนาํไฟฟายอย (fractional conductance, fx) ที่มีตอไอออน x จะคิดเปนสัดสวน คือ

fx = gx/gm

∑=

=n

xxxm fEE

1

15

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

ตัวอยางเชน ศักยไฟฟาเมมเบรนที่เกี่ยวของกับการผานของไอออน K+, Na+ และ Cl- คํานวณไดจาก

ClClNaNaKKm fEfEfEE ++=

ที่เซลลประสาท คา fK =0.90, fNa=0.03, fCl=0.07

และ EK =-90mV, ENa = +70mV , ECl=-83 mV

จะไดวา Em = -84.7 mV นั่นหมายถึงคา electrochemical driving force (Em-Ex) สําหรับโปแตสเซียมมีคาเทากับ +5.3mV สําหรับโซเดียมมีคาเทากับ -154.7 mV และสําหรับคลอไรดมีคาเทากับ -1.7mV

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

•สวนแทรนสเมมเบรนเซกเมนต (transmembrane segment) หรือทอนแทรนสเมมเบรน•สวนคัดกรองเพื่อเลือกสาร (selectivity filter) •สวนที่มีลักษณะคลายทอหรือโพรง (pore) •สวนรับรูหรือเซนเซอร (sensor)• และสวนที่ทําหนาที่เปด-ปดทางเขาออกของสาร (gate)

7.5 ลักษณะเฉพาะทางโครงสรางและการทํางานของไอออนแชลแนล

16

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

1. Transmembrane segment• กรดอะมิโนที่แทรกอยูในชัน้เมมเบรน มีโครงสรางเปนเกลียวอัลฟา • มีหลาย subunit และเกาะรวมกันเพื่อสรางโพรง (Pore) • ภายในโพรงมีสมบัติไฮโดรฟลิก• หันสวนที่เปนไฮโดรโฟบิกสัมผัสเมมเบรน

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Transmembrane Topologyแบบแผนหรือรูปแบบทางโครงสรางที่บอกถึงสวนใดของกรดอะมิโนแทรกอยูในชั้นเมมเบรน

17

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

2. Selectivity Filterสวนคัดกรองไอออน สามารถควบคุมชนิดหรือประจุของไอออนใหผาน Channels การคัดกรองขึ้นอยูกับ- solvation/desolvation free energy- ความเหมาะสมระหวางขนาดของชองและ ionic radius

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

18

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

สมบัติการคัดกรองของ Selectivity Filter บางครั้งถูกนํามาใชแยกชนิดของ ion channel เชน

- Cation channels

- Anion channels

หรือ การคัดกรองที่เฉพาะเจาะจงกับชนดิของไอออน นั้นๆ เชน Na+

Channels หรือ K+ Channels เปนตน

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

3. Pore

K+ Channels

สวนของ transmembrane ทีท่ําหนาที่เปนโพรงไฮโดรฟลิก เปนชองที่ไอออนผาน เสนผาศูนยกลางตลอดโพรงอาจไมเทากัน (เพื่อควบคุมอัตราการไหลของไอออน) ภายในโพรงอาจมีบอพักเรียกวา water cavity

19

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

• กระบวนการการลําเลียงไอออนขั้นสุดทาย คือ Gating• Gate เปนกรดอะมิโนที่อยูนอกหรือใน transmembrane ทําหนาที่การเปด-ปดโพรง

- open channel หมายถึงสภาวะที่ Gate เปด- closed channel หมายถึงสภาวะที่ Gate เปด

• Gate จะทํางานโดยไดรับการกระตุนจาก Sensor • Sensor เปนสวนของโปรตีนที่ไวตอการเปลี่ยนแปลงและมีความจําเพาะ เชน ไวตอการเปลี่ยนแปลงศักยไฟฟาเมมเบรน หรือไวตอ exogenous ligand

4. Sensor & GateB

ioin

orga

nic

Che

mis

try

B

ioin

orga

nic

Che

mis

try

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Voltage-gated ion channels เชน Ca2+, Na+, K+ potassium channels

ligand-gated ion channels(extracellular, intracellular) เชน the acetylcholine receptor

+ + +

+

ความจําเพาะของ Sensor & Gate ถูกนํามาใชแยกชนิดของ ion channel เชน

20

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

The acetylcholine receptor (AchR)• Ligand-gated ion channels• Acetylcholine : สารส่ือประสาท(neurotransmitter)

• AchR จัดเปน nonspecific cation channel

ON

+

(CH3)3

H3COC

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

ที่สภาวะปกติ แชลแนลจะปด (closed state) และเมื่อมีสาร acetylcholine มากระตุน AchR เปดอยูประมาณ 10 msec กอใหเกดิกระแสในระดับ picoamp ซ่ึงจะมีไอออนไหลผานเปนจํานวน 104-105 ไอออน

21

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

Bio

inor

gani

c C

hem

istr

y

PS

จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Ion Ch

annels

& Pu

mps

Patch-Clamp technique