background image

 

 

Transport proteins control

Ion 

In 

Out

Potassium 

140

 mM 

1 – 4.5

 

mM
Sodium 

5 – 15

 mM 

145

 mM

Magnesium 

5

 mM 

1 – 2

 mM

Calcium

 > 

0.5

 

2.5 – 5

 mM

Chloride 

4

 mM 

110

 mM

 Ionic composition of 

intracellular fluid 

 

osmolarity

 Cell volume

 Intracellular pH

 Membrane potential

 Ions gradients

 Exchange of molecules

background image

 

 

Passive flux down the gradient of chemical potential

The chemical potential is the 

free energy per mole of 

compound transported.

i

n

n

p

T

i

i

j

n

G

,

,

i

i

i

dn

dG

µ

0

,  c

o

  are  the  chemical  potential  and 

concentration  (1M)  under  standard 
conditions.

]

[

]

[

ln

0

0

c

c

RT

A potential difference across a biological 

membrane:  

~

70 mV

   

The voltage gradient is

 

20,000,000 

V/m

.

For  e  charged  solute  the  electrochemical 
potential is defined



zeF

c

c

RT

dn

dG

]

[

]

[

ln

~

0

0

o

 and μ

o

 are 

for the standard 

state.

background image

 

 

The effect of changes in 

external chloride ion 
concentration on the 

membrane potential of an 

isolated frog muscle fibre 

(Hodgkin & Horowicz, 1959)

One electrode monitors 

membrane potential (V

m

and the other passes enough 

current (I

m

) through the 

membrane to clamp V

m

 to a 

predetermined command 

voltage (V

command

).

Something controls the membrane potential

background image

 

 

Movement of molecules across cell 

membranes

3)

 Facilitated diffusion (10

2

-10

ions/sec)

4) Active transport (1-1000 ions/sec)

5)

 Bulk transport

A)

 Exocytosis

B)

 Endocytosis

1)

 Diffusion through bilayer

2)

 Difusion through a pore (10

7

-10

8

 ions/sec)

background image

 

 

Two requirements of membrane transport

 Energy to move 

substances

 Route through the membrane

 the lipid bilayer – nonspecific

 facilitated by proteins – 

specific

1.

 

Light

 - powers 

H

+

 pumping

 bacteriorhodopsin

  proteins  undergo  alternating  cycles  of 

oxidation/reduction, which powers 

H

+

 pumping

2.

 

Electron transfer

 (substrate oxidation)

  during  metabolism,  electrons  are  passed  along 

the electron transport chain

3.

 

ATP

 - large class of ATP-driven ion transporters.

background image

 

 

Direct coupling of metabolism 

to the transport process.

Inhibited by metabolic inhibitors such 

as cyanide and dinitrophenol.

Active 

transport

S

1

S

2

ATP

ADP  +  Pi

Side 1

Side 2

Active
Transport

background image

 

 

 ATP activates the protein by giving up a 

phosphate

 Transport protein must be activated

Primery active transport 

(direct energy utilizing active transport)

 

Na

+

/K

+

-ATPase Ca

2+

-

ATPase

H

+

-ATPase

H

+

/K

+

-

ATPase

 Binding of ATP changes protein shape and affinity 

for solute

(a gene family exhibiting 

sequence homology)

P-Class Pumps 

 

ATP

C

O

O

P

O-

O-

O

C

O

OH

ADP

Enzyme-

Enzyme-

 P

i

H

2

O

P-class ion pumps

background image

 

 

Secondary Active Transport

 

(Coupled Transport)

Driven by chemical or electrochemical gradients

Expenditure of metabolic energy is 

INDIRECTLY coupled to 

translocation.

Uniport 

– transport of a single solute driven only by ΔΨ

B

z

S

S

Z

O

Z

I



]

[

]

[

log

10

2.3RT/F = 59 mV 

 B at 

25

0

C

Nerst equation

S

+z

background image

 

 

Et the equilibrium

0

~

~

Z

Z

S

H

S

n

G

n  is  the  number  of  moles  of  H

+

  that  would 

have  to  move  down  the 



~

J

gradient  to 

generate the accumulation. 

pH

RT

F

H



3

.

2

~



zF

S

S

RT

Z

O

Z

I

S

Z

]

[

]

[

log

3

.

2

~

10

0

)

3

.

2

(

]

[

]

[

log

3

.

2

~

~

10





pH

RT

F

n

zF

S

S

RT

G

Z

O

Z

I

H

S

S

Z

Z

B

z

n

pH

n

S

S

Z

O

Z

I



)

(

]

[

]

[

log

10

2.3RT/F = 59 mV 

 B at 

25

0

C

Symport

 (cotransport) amino acids 

and sugers

S

+z

H

+

background image

 

 

Antiport

 (countertransport)

 

restricted to ions

  If  n  =  z,  then  the  charge 

movement would be neutral and 
has no effect.

pH

n

S

S

Z

O

Z

I

10

log

  Combining  

~

H

and 



~

S+Z

pH

n

Z

z

n

S

S

Z

O

Z

I



)

(

log

10

n is the number of moles of 
H

+

  that  would  have  to  move 

againsty  the 



~

J

gradient 

to 

generate 

the 

accumulation. 



zF

S

S

RT

Z

I

Z

S

Z

0

10

log

3

.

2

~

pH

RT

F

H



3

.

2

~

S

+z

H

+

background image

 

 

The consequence of the 

transfer of charged 

malecules

Electrogenic

 

Electroneutral

background image

 

 

Master pump !!!

background image

 

 

The master pump concept

  Creates  transmembrane  gradient  of  a 

selected ion.

  The  electrochemical  potential  energy  is 

stored  only  across  the  membrane  in  which 
the pump is located.

  Other  ions  and  molecules  are  transported 

across  the  membrane  by  coupling  their 
movement  to  the  movement  of  the  selected 
ion.

  Ion  gradients  generally  store  smaller 

packets  of  energy  than  ATP  -    coupled 
transporters (increased efficiency).

 Coupling transport to a single master pump 

serve a 

control function

.

background image

 

 

Atributes of a master pump

 High efficiency

 

Low  dissipation

  (leakage  current)

  is 

the  reason  that  pumps  almost  exclusively 
transport 

the 

relatively 

impermeant 

inorganic cations. 

 

High  capacity

  –  the  ion  gradient  involve 

concentrations  that  are  relatively  large 
compared  to  the  concentrations  of  the 
compounds that are to be transported.

background image

 

 

Cytosol

David Stokes, 
Univ. Virginia

Na

+

,K

+

-ATPase

Abundance reflects 

importance

 Erythrocyte = 20-30 copies
 Heart cell or neuron > 100,000 

copies

Substrates

 1 ATP 

(intracellular)

  3  Na

+

  per  cycle 

-  obligatory,  no  other  ion  can 

substitute.

  2  K

+

  per  cycle 

-  an  extracellular  cation  is 

obligatory, but K

+

 and Rb

+

 both work well.  

  Other  monovalent  ions  have  finite  but  low 
activity (NH

4

> Cs

> Li

+

)

Pump Activity is Electrogenic

background image

 

 

 Maintenance of high intracellular K

needed 

for optimal intracellular enzyme activity.

Na

+

,K

+

-ATPase Functions

 Maintenece of osmotic stability and cell volume.

 Restoration of potentials in 

excitable cells.

 Generates anergy for transport in the form of Na

+

 gradient.

 Generation of heat

 20% of body heat 

in mammals is from 
the basal activity of 
Na

+

,K

+

-ATPase.

 > 30% of metabolic 

energy in resting 
mammals is consumed 
by Na

+

,K

+

-ATPase.

 Na

+

 and K

+

 bind to separate sites.

background image

 

 

  When  the  transported 

substrate 

serves 

regulatory  function,  then  it 
may be desirable to control 
its 

concentration 

separately.

A transport system might not be 

coupled to the master pump

  When  the  transport 

system  has  a  high  capacity 
itself,  it  may  adversely 
affect  the  ion  gradients 
established  by  the  master 
pump.

Ca

2+

-ATPase

background image

 

 

Integration of a transport systems !!!

background image

 

 

Accumulation of ions and sucrose in the plant vacuole.

Two types of proton pumps:

 V-class H

+

 ATPase

 a pyrophosphate-hydrolyzing proton pump

They generate a lowered luminal pH and an inside-
positive electric potential – the inward pumping of 
H

+

 ions.

The inside-positive 

potential powers the 

movement of Cl

 and 

NO

3

 from the cytosol 

through separate 

channels.

 Proton antiporters, 

powered by the H

+

 

gradient, accumulate 

Na

+

, Ca

2+

, and sucrose 

inside the vacuole.

background image

 

 

Na

+

/glucose 

cotransporter

 

Glucose 

transport 

requires Na

+

 gradient

 Coupling is 2:1





i

m

i

out

in

i

i

out

i

in

i

i

i

i

i

F

z

C

C

RT

n

n

n

G

ln

)

(

At 
equilibrium:

0

]

[

]

[

ln

]

[

]

[

ln









m

out

in

out

in

F

Na

Na

RT

G

G

RT

G

)

/

exp(

]

[

]

[

]

[

]

[

RT

F

Na

Na

G

G

m

in

out

out

in





High 

C[glucose] 

Low

Low

background image

 

 

The neutral 

pH and 

electroneutrali

ty of the 

cytosol is 

continuously 

maintained.

Acidification of the 

stomach lumen

The role of H

+

/K

+

 ATPase

This is the largest 

concentration 

gradient across a 

membrane in 

eukaryotic 

organisms!

background image

 

 

Ion channels are 

enzymes that catalyze 

the flow of ions across 

cell membranes 

causing picoamp 

current.

The catalytic rate is on the order of 10

7

 per second.

ions/s

10

C

10

1.6

ion

 

1

s

C

10

A

10

1pA

7

19

12

12

How much is a picoamp of current?

background image

 

 

Channels

(

gated pore)

secondary active transport

Counter-transport

:

 

Na

+

/H

+

HCO

3

/Cl

K

+

/H

+

Ca

2+

/H

+

,  Na

+

/Ca

2+

Co-transport:

 Na

+

/glucose, Na

+

/amino acid, 

Na

+

/K

+

/Cl

-

 Cystic 

fibrosis

 Epilepsy

 Diabetes

 Migraines

 Neuro-toxins

Channels 
malfuncti
on

background image

 

 

Properties of Ion Channels

Membrane-spanning protein

Hydrophilic ion conductive pathway

 water-filled

 traversing ion must lose hydration shell

Gating

 Mechanical gating 

(MscL)

 Voltage gated channels

 Ligand-gated channels

 Both voltage and ligand gating

Selective

 size

 charge

 charge distribution

background image

 

 

Voltage Gated Sodium 

Channel

Voltage-dependent 
gating

background image

 

 

Receives acetyl choline 

released from the 

presynaptic cleft and 

reinitiates an action 

potential by allowing Na

+

 

and K

+

 ions to pass through 

the channel

Ligand-gated channel – 

acetyl choline 

gated channel

1.

  Five  membrane  spanning 

subunits [

2

] all similar.

2.

  An  allosteric  protein  (three 

conformations;  open,  closed,  and 
inactive).

3. 

Acetylcholine binding promotes opening the closed channel

4.

 Open channels allow Na

+

 but not 

Cl

 to pass.

background image

 

 

Methods for Studying Ion Channels

Biochemistry

 agonist, antagonist or drug 

binding
 isolation and purification
 reconstitution
 radioactive ion flux

Molecular 
biology

 sequencing, 
cloning, 
mutagenesis

Structural biology

 microscopy, crystallography, 
NMR, ...

Electrophysiology

 tissue slice
 extracellular recording
 intracellular recording
 whole-cell recording
 single channel 

recording

background image

 

 

Voltage-gated potassium channels 

Membrane voltage determines 

whether channels are open – provide 

a way for the membrane voltage to 

feed back onto itself.

It has a diffusion rate of 

10

8

 ions per second.

One K

+

 ion is dehydrated, 

transfered, and rehydrated 

every 10 ns.

background image

 

 

Roux & McKinnon, Science (1999)





w

m

r

Q

E

1

1

2

1

2

Hydrophobic barrier

Born-Formula

 There are about 7 water 

molecules  in  the  first 
hydration 

shell 

of 

potassium ion.

  Each  water  molecule 

stabilizes 

the 

ion 

by 

approximately 24 kT.

background image

 

 

Voltage-gated K

+

 channels

 

mediate outward K

+

 currents during nerve action 

potentials.

background image

 

 

Selectivity filter

 K

+

 ions encounter four 

layers of carbonyl oxygen 
atoms & a layer of threonine 
hydroxyl oxygen atoms.

 Four K

+

 ion binding sites.

 K

+

 is surrounded by eight oxygen atoms from 

the protein 

- four ‘above’ and four ‘below’. 
- very similar to water molecules around 
hydrated K

+

.

C=O atoms of the protein backbone 

form selectivity filter (4 

 

Tyr-Val-Gly-

Tyr-Gly

).

The sequence is conserved in all K

+

-

channels.

Zhou et al. Nature (2001)

background image

 

 

The inner 

pore is lined 

with 

hydrophobic 

residues. 

Central cavity contains 

K

+

 ion that is surrounded 

by 8 water molecules

Helices represent 

dipoles which attract 

cations

background image

 

 

Why does the ion coordination required for high 

selectivity not cause the ions to bind too tightly 

& prevent rapid diffusion through the pore?

An ion enters the queue 

from one side of the 

filter while a diferent ion 

exits from the opposite 

side.

Selectivity filter contains more than one ion – 

repulsion between closely spaced ions will helps 

overcome the intrinsic binding site affnity.

On average, two K

+

 ions 

present at a given time 

separated by one water 

molecule.

background image

 

 

  The  Val  and  Tyr  hold  the 

selectivity  filter  at  a  certain 
diameter  by  hydrogen  bonding 
with the inner helix.

  They  form  hydrogen  bonds 

which  acts  as  tight  springs  that 
will  not  allow  the  pore  to 
collapse.

  The  "springs"  prevent  the  selectivity 

filter  from  interacting  with  cations 
smaller than K

+

.

Radius(Å) 1.33  1.48  1.69      0.95    
0.60

Ion 

K

+

~  Rb

+

 

> Cs

+

 

>> Na

+

 > Li

+

The selectivity is based on the size 

difference between K

+

and Na

+

background image

 

 

The conductive conformation of the filter requires the two K

+

.

Entry of the second K+ ion induces a conformational change.

A simple thermodynamic consequence

  Some  fraction  of  the  ion  binding  energy  is  used 

to change the filter’s structure.

  Consequently  ions  bind  less  tightly  than  if  a 

conformational change did not occur.

 Weak binding is a prerequisite for high conduction rates.

KcsA: crystal structures at high and 

low  K

+

 concentration.

Zhou et al. Nature 
(2001)

Transfer is isoenergetic 

 conductivity close to 

diffusion limit. 


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