Syntetické iontové kanály - Synthetic ion channels

Syntetické iontové kanály jsou de novo chemické sloučeniny, které se vkládají do lipidové dvojvrstvy, vytvářejí póry a umožňují ionty proudit z jedné strany na druhou.[1] Jsou to umělé analogy přírodních iontové kanály, a jsou tedy také známé jako umělé iontové kanály. Ve srovnání s biologickými kanály obvykle umožňují toky podobné velikosti, ale jsou
- nepatrná velikost (méně než 5 tis Dalton vs.> 100k Dalton),
- různorodý v molekulární architektuře a
- může spoléhat na různorodé supramolekulární interakce předformovat aktivní vodivé struktury.[2][3][4][5]
Syntetické kanály, stejně jako přírodní kanály, se obvykle vyznačují kombinací jedna molekula (např., svorka napětí z rovinné dvojvrstvy[1]) a techniky souboru (tok v vezikuly[6]). Studium syntetických iontových kanálů může potenciálně vést k novým technologií snímání jedné molekuly i k novým terapeutikům.
Dějiny

Zatímco polosyntetické iontové kanály, často založené na modifikovaných peptidické kanály jako gramicidin, byl připravován od 70. let, první pokus o přípravu syntetického iontového kanálu byl proveden v roce 1982 za použití substituovaného β-cyklodextrin.[7]
Tato molekula, inspirovaná gramicidinem, byla navržena jako sudovitá entita překlenující jeden leták a dvouvrstvá membrána, stávají se „aktivními“, pouze když se dvě molekuly v protilehlých letácích spojí způsobem end-to-end. I když sloučenina indukuje iontové toky ve váčcích, data jednoznačně neukazují kanál formace (na rozdíl od jiných transportních mechanismů; viz Mechanismus ).
Na+ transport těmito kanály byl poprvé hlášen dvěma skupinami vyšetřovatelů v letech 1989–1990.[8][9][10]
S přijetím napěťová svorka Technika výzkumu syntetických kanálů na počátku 90. let byla vědcům umožněna pozorovat kvantované elektrické aktivity ze syntetických molekul, což se často považovalo za důkaz pro iontové kanály.[1] To vedlo k trvalému nárůstu výzkumné činnosti v příštích dvou desetiletích. V roce 2009 více než 25 recenzováno byly publikovány příspěvky na toto téma,[11] a k dispozici je řada komplexních recenzí.[3][4][5]
Charakterizace a mechanismy

Pasivní doprava iontů přes membránu může probíhat třemi hlavními mechanismy: trajektem, defekty rozrušené membrány nebo definovanou trajektorií; to odpovídá ionofor, čisticí prostředek, a iontový kanál transportéry. Zatímco se výzkum syntetických iontových kanálů pokouší připravit sloučeniny, které vykazují vodivost přes definovaná cesta, objasnění mechanismu je obtížné a zřídka jednoznačné. Dvě hlavní metody charakterizace mají své nevýhody a v důsledku toho je často definována funkce, ale předpokládá se mechanismus.
Souhrnný časový kurz založený na vezikulách

Jedna řada důkazů pro iontový transport pochází z makroskopické zkouška statistické soubory. Všechny tyto techniky používají neporušené vezikuly se zachyceným objemem, přičemž aktivity iontových kanálů jsou hlášeny různými spektroskopické metody.[6]
V typickém případě, a barvivo je uvězněn v populaci vezikul. Toto barvivo je vybráno k reakci kolorimetricky nebo fluorometricky na přítomnost iontu; tento iont obvykle chybí zevnitř váčku, ale je přítomen vně. Bez iontového transportéru je lipidová dvojvrstva jako a kinetická bariéra blokovat iontový tok a barvivo zůstává „tmavé“ neomezeně dlouho.
Protože iontový transportér umožňuje difúzi iontů na vnější straně, jeho přidání ovlivní barevnou / fluorescenční vlastnost barviva. Makroskopickým sledováním vlastností barviva v čase a kontrolou vnějších faktorů lze měřit schopnost sloučeniny působit jako iontový transportér.
Pozorování transportu iontů však neomezuje iontový kanál jako mechanismus. Jakákoli třída transportéru může vést ke stejnému pozorování a obvykle jsou vyžadovány další podpůrné důkazy. V posledních dvou desetiletích byly vyvinuty a nedávno shrnuty sofistikované experimenty určené ke zkoumání selektivity, hradlování a dalších parametrů kanálu.[6]
Varianty testu vezikul
Metoda | Zpravodaj | Příklad |
---|---|---|
NMR | šířka čáry sodíku-23 | Hydraphiles[12] |
Fluorescenční | Poměry ex / em HPTS | Oligoesters[13] |
pH-stat | H+ | Korunní etherové sudy[14] |
Iontově selektivní elektrody | Cl− | "SCMTR"[15] |
Stochastické proudové stopy založené na rovinné dvojvrstvě

Alternativou k výše popsané metodě založené na souboru je experiment napětí-kleště.[16] V svorka napětí experiment, dvě komory elektrolyt jsou rozděleny otvorem, obvykle o průměru 5–250 mikrometrů. Přes tento otvor je natřena lipidová dvojvrstva, čímž se elektricky oddělují komory; molekulární povahu lze zjistit měřením její kapacita.
Po přidání (ideálního) iontového kanálu se vytvoří definovaná cesta mezi dvěma oddíly. Prostřednictvím tohoto póru ionty rychle stékají z potenciálu a elektrochemického gradientu (> 106/ s), maximální tok omezený geometrií a rozměry póru. V pozdějším okamžiku se póry mohou uzavřít nebo zhroutit, načež se proud vrátí na nulu. Tento proud v otevřeném stavu, pocházející a zesílený z události s jednou molekulou, je obvykle řádově pA na nA, s časovým rozlišením cca. milisekunda. Ideální nebo téměř ideální události se nazývají „čtvercové desky„v literatuře a byly považovány za podpis pro mechanismus založený na kanálech.
Je pozoruhodné, že události pozorované v tomto měřítku jsou skutečně stochastický - to znamená, že jsou výsledkem náhodných molekulárních kolizí a změn konformace. Protože plocha membrány je mnohem větší než plocha pórů, může se nezávisle na sobě otevírat a zavírat více kopií, což vede ke vzhledu schodiště (panel C na obrázku); tyto ideální události jsou často modelovány jako Markovovy procesy.
Pomocí zápis mřížky aktivity,[17] syntetické iontové kanály studované metodou napětí a napětí v období 1982–2010 byly kriticky přezkoumány.[18] Zatímco ideální stopy jsou nejčastěji analyzovány a uváděny v literatuře, mnoho záznamů je rozhodně neideálních, přičemž podmnožina se ukázala být fraktální.[19] Vývoj metod pro analýzu těchto neideálních stop a objasnění jejich vztahu k transportnímu mechanismu je oblastí současného výzkumu.
Příklady
Bylo popsáno, že rozmanitá a velká skupina syntetických molekul působí jako transportéry iontů v lipidových membránách. Zde je popsán výběr, který demonstruje šíři proveditelnosti struktur a dosažitelný funkce. Komplexní recenze literatury do roku 2010 jsou k dispozici v trojstranné sérii.[3][4][5]
Chemickou strukturou
Většina (ale ne všichni; viz.) minimalistické kanály ) syntetické kanály mají chemické struktury podstatně větší než typické malé molekuly (molekulové hmotnosti ~ 1-5 kDa). To pramení z potřeby být amfifilní, to znamená, že mají jak dostatečné hydrofobní části, které umožňují rozdělení do lipidové dvojvrstvy, tak i polární nebo nabité „čelní skupiny“ pro uplatnění definované orientace a geometrie vzhledem k membráně.
Na základě makrocyklů
Na bázi etherových etherů


Na bázi kalixarenu
Ionové kanály obsahující calixarenes Byly hlášeny obě velikosti prstenů 3 a 4. Pro calix [4] arene jsou přístupné dvě konformace a příklady obou 1,3-alt a kužel byly vyvinuty konformace.

Na bázi cyklodextrinu
První syntetický iontový kanál byl sestrojen částečnou substitucí na primárním okraji β-cyklodextrin.[7] Od té doby byly hlášeny další substituované β-cyklodextriny, včetně thiolem modifikovaných cyklodextrinů,[20] aniontově selektivní oligobutylenový kanál,[21] a různé oligomery hvězdicových výbojů spojené s polyethylenoxidem.[22] Vztahy mezi strukturou a aktivitou pro velkou sadu „polokanálů“ cyklodextrinu připravených autorem „klik“ - chemie byl nedávno nahlášen.[17]
Tuhé pruty
Na bázi peptidů

Je známo, že střídavé D / L peptidové makrocykly se samy agregují do nanotrubiček a bylo prokázáno, že výsledné nanotrubičky fungují jako iontové kanály v lipidových membránách.[23]

Jiné architektury používají peptidové helixy jako lešení pro připojení dalších funkcí, jako jsou korunové ethery různých velikostí. Vlastnost těchto peptid-korunových kanálů silně závisí na identitě zakončovacích koncových skupin.
Minimalistické kanály

Smíšený
Kanály založené na G-kvartetu

Metalicko-organické kanály
Hybridní biokanály
Byly zkonstruovány polosyntetické biohybridní kanály konstruované modifikacemi přirozených iontových kanálů. Využití moderní syntetiky organická chemie, umožňují přesně určit úpravy stávajících struktur buď za účelem objasnění jejich transportních mechanismů, nebo k naroubování nových funkcí.

Gramicidin a alamethicin byl oblíbeným výchozím bodem pro selektivní úpravy.[24] Výše uvedený diagram ilustruje jeden příklad, kdy byl korunový ether fixován přes ústí portálu procházejícího ionty.[25] Tento kanál vykazuje diskrétní vodivost, ale odlišnou iontovou selektivitu než divoký typ gramicidin v napěťových svorkách.
Zatímco modifikace velkých proteinových kanálů pomocí mutageneze jsou obecně považovány za mimo rozsah syntetický kanály, není vymezení ostré, jak ukazuje supramolekulární nebo kovalentní vazba cyklodextrinů na alfa-hemolyzin.[26]
Podle přepravních charakteristik
Iontový kanál lze charakterizovat jeho otevírací vlastnosti, iontová selektivita, a řízení toku (hradlování). Mnoho syntetických iontových kanálů vykazuje jedinečné vlastnosti v jednom nebo více z těchto aspektů.
Otevírací vlastnosti

Molekula "tvořící iontový kanál" může často vykazovat více typů vodivostních aktivit v rovinných dvojvrstvých membránách. Každý z těchto způsobů působení lze charakterizovat jejich
- doba trvání (sub-ms --- hodiny), související s tím, zda je aktivní struktura kineticky labilní,
- jednotková vodivost (pS --- nS) týkající se geometrie aktivní struktury a
- otevřená pravděpodobnost, zlomek vztahující se k termodynamické stabilitě aktivní struktury ve srovnání s neaktivními formami.
Tyto Události nemusí být nutně jednotné po celou dobu jejich trvání a v důsledku toho jsou možné různé tvary vodivých stop.
Iontová selektivita
Většina syntetických iontových kanálů sleduje sekvenci Eisenmana I (Cs+ > Rb+ > K.+ > Na+ >> Li+)[27] v jejich selektivitě pro alkalický kov kationty,[4][18] což naznačuje, že původ selektivity je řízen rozdílem v energii potřebné k odstranění vody z plně hydratovaného kationtu. Několik syntetických kanálů ukazuje další vzorce iontové selektivity,[25] a pouze jediná instance, ve které syntetický kanál sledující opačnou sekvenci selektivity (Eisenman XI; Cs+
Vrata
Napěťová odezva

Většina syntetických kanálů je Ohmický ve vodivosti, to znamená, že procházející proud (jednotlivě i jako celek) je úměrný potenciálu přes membránu. Některé vzácné kanály však vykazují nelineární charakteristiky proudového napětí. Konkrétně jsou známy dva různé typy neohmické vodivosti:
- A opravný - chování, při kterém proud prochází, závisí na znaménku použitého potenciálu a -
- A exponenciální závislost potenciálu, kde procházející proud se exponenciálně mění s použitým potenciálem.
První z nich vyžaduje asymetrii s ohledem na střední rovinu lipidové dvojvrstvy a je často realizován zavedením celkového molekulárního dipólu.[29][30][31] Ten se projevil přirozenými kanály, jako je alamethicin, se zřídka vyskytuje v syntetických iontových kanálech. Mohou souviset s lipidovými iontovými kanály, ale doposud jejich mechanismus zůstává nepolapitelný.
Odpověď ligandu
Některé syntetické iontové kanály mají vodivosti, které lze modulovat přídavkem externích chemikálií. Jak up-modulace (kanály jsou zapnuty ligandem), tak down-modulace (kanály jsou vypnuty ligandy) jsou známy: různé mechanismy, včetně tvorby supramolekulárních agregátů,[32][33] stejně jako inter- a intramolekulární[34] ucpání.
Ostatní
Regulační prvky, které reagují na jiné signály, jsou známy; příklady zahrnují fotomodulované vodivosti[35][36][37] stejně jako "tepelné spínače" konstruované izomerací karbamát skupina.[38] Dosud nebyly hlášeny žádné mechanosenzitivní syntetické iontové kanály.
Viz také
Reference
- ^ A b C Fyles, TM (2007). "Syntetické iontové kanály ve dvojvrstvých membránách". Recenze chemické společnosti. 36 (2): 335–347. doi:10,1039 / b603256g. PMID 17264934.
- ^ Rodríguez-Vázquez, Nuria; Fuertes, Alberto; Amorín, Manuel; Granja, Juan R. (2016). „Kapitola 14. Biologicky inspirované umělé sodíkové a draselné iontové kanály“. V Astrid, Sigel; Helmut, Sigel; Roland K.O., Sigel (eds.). Ionty alkalických kovů: jejich role v životě. Kovové ionty v biologických vědách. 16. Springer. str. 485–556. doi:10.1007/978-3-319-21756-7_14. PMID 26860310.
- ^ A b C Matile, Stefan; Som, Abhigyan; Sorde, Nathalie (2004). "Nedávné iontové kanály a póry". Čtyřstěn. 60 (31): 6405–6435. doi:10.1016 / j.tet.2004.05.052.
- ^ A b C d Sisson, Adam L .; Shah, Muhammad Raza; Bhosale, Sheshanath; Matile, Stefane. (2006). „Syntetické iontové kanály a póry (2004-2005)“. Recenze chemické společnosti. 35 (12): 1269–1286. doi:10.1039 / b512423a. PMID 17225888.
- ^ A b C Matile, Stefan; Vargas Jentzsch, Andreas; Černá Hora, Javier; Fin, Andrea (březen 2011). "Nedávné syntetické transportní systémy". Recenze chemické společnosti. 40 (5): 2453–2474. doi:10.1039 / C0CS00209G. PMID 21390363.
- ^ A b C Matile, Stefan; Sakai, Naomi (2007). Charakterizace syntetických iontových kanálů a pórů. Wiley VCH. doi:11.1002 / 9783527610273.ch11. ISBN 978-3-527-31505-5.
- ^ A b C Tabushi, Iwao; Kuroda, Yasuhisa; Yokota, Kanichi. (1982). "A, C, D, F-tetrasubstituovaný β-cyklodextrin jako sloučenina umělého kanálu". Čtyřstěn dopisy. 23 (44): 4601–4604. doi:10.1016 / S0040-4039 (00) 85664-6.
- ^ V. E. Carmichael, P. J. Dutton, T. M. Fyles, T. D. James, J. A. Swan, M. Zojaji Biomimetický transport iontů: funkční model unimolekulárního iontového kanálu J. Am. Chem. Soc., 1989, 111, 767–769.
- ^ A. Nakano, Q. Xie, J. V. Mallen, L. Echegoyen, G. W. Gokel Syntéza membránově použitelného kanálu vodivého kationu sodíku: kinetická analýza pomocí dynamické sodíkové-23 NMR J. Am. Chem. Soc., 1990, 112, 1287–1289.
- ^ G. W. Gokel, I. A. Carasel Biologicky aktivní syntetické transportéry iontů Chem. Soc. Rev., 2007, 36, 378.
- ^ Chui, JKW (2011). "Bibliografie syntetického iontového kanálu". Archivovány od originál 21. června 2011. Citováno 21. dubna 2011.
- ^ Ernesto Abel; Glenn E. M. Maguire; Eric S. Meadows; Oscar Murillo; Takashi Jin & George W. Gokel (září 1997). „Planární dvouvrstvá vodivost a fluorescenční studie potvrzují funkci a umístění syntetického kanálu, který vede vodík-iont ve fosfolipidové dvojvrstvé membráně“. Journal of the American Chemical Society. 119 (38): 9061–9062. doi:10.1021 / ja971098t.
- ^ Moszynski, J. M .; Fyles, T. M. (2010). "Syntéza, transportní aktivita, lokalizace membrány a dynamika oligoesterových iontových kanálů obsahujících difenylacetylenové jednotky". Organická a biomolekulární chemie. 8 (22): 5139–5149. doi:10.1039 / C0OB00194E. PMID 20835456. S2CID 22547440.
- ^ Fyles, T. M .; James T. D.; Kaye K. T. (prosinec 1993). "Činnosti a způsoby působení napodobujících umělé iontové kanály". Journal of the American Chemical Society. 115 (26): 12315–12321. doi:10.1021 / ja00079a011.
- ^ Paul H. Schlesinger; Riccardo Ferdani; Jun Liu; Jolanta Pajewska; Robert Pajewski; Mitsuyoshi Saito; Hossein Shabany a George W. Gokel (2002). „SCMTR: Chloridově selektivní, membránou ukotvený peptidový kanál, který vykazuje napěťové hradlo“. Journal of the American Chemical Society. 124 (9): 1848–1849. doi:10.1021 / ja016784d. PMID 11866586.
- ^ Ashley, R. H. (1995). Ionové kanály: praktický přístup. Oxford: Oxford University Press. str. 302. ISBN 978-0-19-963474-3.
- ^ A b C d Chui, J. K. W. (2011). Nové paradigma pro studium napětí-svorka syntetických iontových kanálů. Victoria BC, Kanada: University of Victoria. str. 927.
- ^ A b Chui, J. K. W .; Fyles, T. M. (červen 2011). „Iontová vodivost syntetických kanálů: analýza, poučení a doporučení“. Recenze chemické společnosti. 41 (1): 148–175. doi:10.1039 / C1CS15099E. PMID 21691671.
- ^ A b Chui, J. K. W .; Fyles, T. M. (květen 2010). „Zdánlivá fraktální distribuce otevřených dob v iontových kanálech na bázi cyklodextrinu“. Chem. Comm. 46 (23): 4169–4171. doi:10.1039 / C0CC00366B. PMID 20454723.
- ^ Bacri, Laurent; Benkhaled, Amal; Guégan, Philippe; Auvray, Loïc (květen 2005). "Chování iontového kanálu modifikovaných cyklodextrinů vložených do lipidových membrán". Langmuir. 21 (13): 5842–5846. doi:10.1021 / la047211s. PMID 15952831.
- ^ Madhavan, Nandita; Robert, Erin C .; Gin, Mary S. (listopad 2005). "Vysoce aktivní iontový kanál pro aminocyklodextrin selektivní pro anionty". Angewandte Chemie International Edition. 44 (46): 7584–7587. doi:10.1002 / anie.200501625. PMID 16247816.
- ^ Badi, Nezha; Auvray, Loïc; Guégan, Philippe (říjen 2009). "Syntéza polovičních kanálů aniontovou polymerací ethylenoxidu zahájenou modifikovaným cyklodextrinem". Pokročilé materiály. 21 (40): 4054–4057. doi:10.1002 / adma.200802982.
- ^ A b Ghadiri, M. Reza; Granja; Juan R .; Buehler, Lukas K. (květen 1994). "Umělé transmembránové iontové kanály ze samo-sestavujících se peptidových nanotrubiček". Příroda. 369 (6478): 301–304. Bibcode:1994 Natur.369..301G. doi:10.1038 / 369301a0. PMID 7514275.
- ^ Shiroh Futaki; Masayuki Fukuda; Masayuki Omote; Kayoko Yamauchi; Takeshi Yagami; Mineo Niwa a Yukio Sugiura (2001). „Hybridní peptid alamethicin - leucinový zipper: prototyp pro design umělých receptorů a iontových kanálů“. Journal of the American Chemical Society. 123 (49): 12127–12134. doi:10.1021 / ja011166i. PMID 11734010.
- ^ A b Jochen R. Pfeifer; Philipp Reiß; Ulrich Koert (2005). „Hybridní iontové kanály Crown Ether – Gramicidin: Selektivita iontů za pomoci dehydratace“. Angewandte Chemie International Edition. 45 (3): 501–504. doi:10.1002 / anie.200502570. PMID 16342124.
- ^ Arijit Banerjee; Ellina Mikhailova; Stephen Cheley; Li-Qun Gu; Michelle Montoya; Yasuo Nagaoka; Eric Gouaux a Hagan Bayley (květen 2010). „Molekulární báze interakcí adaptéru cyklodextrinu s upravenými proteinovými nanopóry“. PNAS. 107 (18): 8165–8170. Bibcode:2010PNAS..107,8165B. doi:10.1073 / pnas.0914229107. PMC 2889592. PMID 20400691.
- ^ Eisenman, George; Horn, Richard (1983). "Iontová selektivita se znovu objevila: Role kinetických a rovnovážných procesů v prostupu iontů kanály". Journal of Membrane Biology. 76 (3): 197–225. doi:10.1007 / BF01870364. PMID 6100862.
- ^ Jung, Minseon; Kim, Hyunuk; Baek, Kangkyun; Kim, Kimoon (Červen 2008). „Syntetický iontový kanál na bázi kovově-organických mnohostěnů“. Angewandte Chemie International Edition. 47 (31): 5755–5757. doi:10.1002 / anie.200802240. PMID 18576447.
- ^ Naomi Sakai; David Houdebert; Stefan Matile (prosinec 2002). „Tvorba aniontových kanálů v závislosti na napětí syntetickými β-sudy Push – Pull se syntetickou tuhou tyčí“. Chemistry: A European Journal. 9 (1): 223–232. doi:10.1002 / chem.200390016. PMID 12506379.
- ^ Chigusa Goto; Mika Yamamura; Akiharu Satake & Yoshiaki Kobuke (2001). "Umělé iontové kanály ukazující chování usměrněného proudu". Journal of the American Chemical Society. 123 (49): 12152–12159. doi:10.1021 / ja010761h. PMID 11734013.
- ^ T. M. Fyles; D. Loock & X. Zhou (1998). „Napěťově řízený iontový kanál založený na bis-makrocyklickém Bolaamphiphile“. Journal of the American Chemical Society. 120 (13): 2997–3003. doi:10.1021 / ja972648q.
- ^ Talukdar, Pinaki; Bollot, Guillaume; Mareda, Jiří; Sakai, Naomi; Matile, Stefan (srpen 2005). "Syntetické iontové kanály s ligandovými bránami". Chemistry: A European Journal. 11 (22): 6525–6532. doi:10.1002 / chem.200500516. PMID 16118825.
- ^ Wilson, C. P .; Webb, S. J. (červenec 2008). "Iontové kanály řízené palladiem (II)". Chem. Comm. 0 (34): 4007–4009. doi:10.1039 / B809087D. PMID 18758608. S2CID 27837694.
- ^ G A Woolley; V Zunic; J Karanicolas; A S Jaikaran & A V Starostin (listopad 1997). "Napěťově závislé chování" kuličkového a řetězového "kanálu gramicidinu". Biofyzikální deník. 73 (5): 2465–2475. Bibcode:1997BpJ .... 73,2465 W.. doi:10.1016 / S0006-3495 (97) 78275-4. PMC 1181148. PMID 9370440.
- ^ Parag V. Jog & Mary S. Gin (2008). „Světlovodný syntetický iontový kanál“. Organické dopisy. 10 (17): 3693–3696. doi:10.1021 / ol8013045. PMID 18656946.
- ^ Vitali Borisenko; Darcy C. Burns; Zhihua Zhang & G. Andrew Woolley (červen 2000). "Optické přepínání interakcí iontů a dipólů v analogu kanálu gramicidinu". Journal of the American Chemical Society. 122 (27): 6343–6370. doi:10.1021 / ja000736w.
- ^ Matthew R. Banghart; Matthew Volgraf & Dirk Trauner (2006). „Inženýrské iontové kanály se světelnou bránou“. Biochemie. 45 (51): 15129–15141. CiteSeerX 10.1.1.70.6273. doi:10.1021 / bi0618058. PMID 17176035.
- ^ G. Andrew Woolley; Anna S.I. Jaikaran; Zhihua Zhang; Shuyun Peng (1995). "Návrh regulovaných iontových kanálů využívajících měření cis-trans izomerizace v jednotlivých molekulách". Journal of the American Chemical Society. 117 (16): 4448–4454. doi:10.1021 / ja00121a002.