Voltage-gated ion channels that are selectively permeable to each of the major physiological ions-Na+, K+, Ca2+, and Cl–have now been discovered (Figure 4.4A-D). Er zijn inderdaad veel verschillende genen ontdekt voor elk type van spanningsafhankelijk ionkanaal. Zo zijn er bijvoorbeeld 10 menselijke Na+ kanaal genen geïdentificeerd. Deze bevinding was onverwacht omdat Na+ kanalen van veel verschillende celtypes vergelijkbare functionele eigenschappen hebben, hetgeen consistent is met hun oorsprong uit één enkel gen. Het is nu echter duidelijk, dat al deze Na+ kanaal genen eiwitten produceren die verschillen in hun structuur, functie, en distributie in specifieke weefsels. Bijvoorbeeld, naast de snel inactiverende Na+ kanalen ontdekt door Hodgkin en Huxley in inktvis axon, is een voltage-gevoelig Na+ kanaal dat niet inactiveert geïdentificeerd in zoogdier axonen. Zoals te verwachten geeft dit kanaal aanleiding tot actiepotentialen van lange duur en is het een van de doelwitten van lokale anesthetica zoals benzocaïne en lidocaïne.
Andere elektrische reacties in neuronen zijn te wijten aan de activering van spanningsgevoelige Ca2+ kanalen (figuur 4.4B). In sommige neuronen geven spanningsgevoelige Ca2+-kanalen aanleiding tot actiepotentialen op vrijwel dezelfde wijze als spanningsgevoelige Na+-kanalen. In veel andere neuronen kunnen Ca2+-kanalen de vorm van actiepotentialen controleren die voornamelijk worden gegenereerd door veranderingen in de Na+-geleiding. Door de intracellulaire Ca2+ concentraties te beïnvloeden, reguleert de activiteit van Ca2+ kanalen een enorm scala aan biochemische processen binnen cellen (zie hoofdstuk 8). Misschien wel de belangrijkste van de processen die door spanningsgevoelige Ca2+ kanalen worden gereguleerd is de afgifte van neurotransmitters bij synapsen (zie Hoofdstuk 5). Gezien deze cruciale functies is het misschien niet verwonderlijk dat er 16 verschillende Ca2+ kanaal genen zijn geïdentificeerd. Net als Na+ kanalen verschillen de verschillende Ca2+ kanalen in hun activerings- en inactiveringseigenschappen, waardoor subtiele variaties mogelijk zijn in zowel elektrische als chemische signaalprocessen die door Ca2+ worden bemiddeld. Als gevolg hiervan zijn geneesmiddelen die spanningsafhankelijke Ca2+ kanalen blokkeren bijzonder waardevol bij de behandeling van een verscheidenheid aan aandoeningen, variërend van hartziekten tot angststoornissen.
De grootste en meest diverse klasse van spanningsafhankelijke ionenkanalen zijn de K+ kanalen (figuur 4.4C). Bijna 100 K+ kanaal genen zijn nu bekend, en deze vallen uiteen in verschillende groepen die aanzienlijk verschillen in hun gating eigenschappen (figuur 4.5). Sommige nemen minuten om te inactiveren, zoals in het geval van squid axon K + kanalen bestudeerd door Hodgkin en Huxley. Andere inactiveren binnen milliseconden, zoals typisch is voor de meeste voltage-gated Na+ kanalen. Deze eigenschappen beïnvloeden de duur en de snelheid van het afvuren van actiepotentialen, met belangrijke gevolgen voor axonale geleiding en synaptische transmissie. Misschien wel de belangrijkste functie van K+ kanalen is de rol die zij spelen bij het opwekken van de rustmembraanpotentiaal (zie hoofdstuk 2). Tenminste twee families van K+ kanalen die open zijn bij hypergepolariseerde membraanpotentialen dragen bij aan het instellen van de rustmembraanpotentiaal.
Figuur 4.5
Diverse eigenschappen van K+ kanalen. Verschillende typen K+ kanalen werden tot expressie gebracht in Xenopus oöcyten (zie kader B), en de spanningsklemmethode werd gebruikt om de membraanpotentiaal te veranderen (boven) en de resulterende stromen te meten die door elk type lopen (meer…)
Ten slotte zijn ook verschillende typen spanningsafhankelijke Cl-kanalen geïdentificeerd (zie figuur 4.4D). Deze kanalen zijn aanwezig in elk type neuron, waar zij de exciteerbaarheid regelen, bijdragen tot de membraanpotentiaal in rust, en helpen bij de regulering van het celvolume.