Kim, Min-Cheol;Kim, Won-Bae;Im, Chae-Heon;Yeom, Jae-Beom
Proceeding of EDISON Challenge
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2017.03a
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pp.719-725
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2017
막전압 고정 기법은 세포막 이온통로의 활성화 게이트, 비활성화 게이트의 물리적 성질 등을 밝힐 수 있다. 즉, 여러 다양한 펄스 프로토콜을 이용하여 활성화 게이트와 비활성화 게이트의 막전압 의존성을 구할 수 있다. 본 연구는 L-type $Ca^{2+}$ 통로의 모델을 막전압 고정 기법 시뮬레이션에 적용하여 최적의 펄스 프로토콜을 얻기 위한 방법을 제시하고자 하였다. 비활성화 게이트의 막전압 의존성을 구하는 경우, 테스트 전압에서 +10 mV의 전압으로 가기 전에 0 ms, 5 ms, 20 ms의 gap을 주었는데 이 중 5 ms의 gap을 주었을 때 모델과 가장 가까운 관계를 얻을 수 있었다. 다음으로 활성화 게이트의 막전압 의존성을 구하는 경우, 일반적인 방법으로는 실제 관계와 크게 다른 결과를 얻었으나, 0 mV 이하의 막전압에 대해서만 막전압 의존성을 구하는 방법을 사용하여 실제 관계와 근접한 결과를 얻을 수 있었다. 따라서, 본 시뮬레이션 프로그램을 적절히 이용한다면 실제 세포실험에서 정확한 수치를 얻기 위한 펄스 프로토콜을 얻는데 활용할 수 있을 것으로 본다.
In order to investigate the action mechanism of protein kinase C on $K^+$ channel in osteoblastic cell, effects of phorbol 12, 13-dibutyrate on human osteoblast-like cells (G292) were studied by patch clamp technique with cell-attacked configuration. 111 this experiment, 45pS ion channel was dominant in G292 cell line according to their approximate conductances in symmetrical 140mM KCl saline at holding potential of 60mV. In torrent-voltage relationship, reversal potential was 5.5mV at the condition of potassium enriched saline in the pipette and -27 mV at the condition of standard extracellular saline In the pipette. Phorbol 12, 13-dibutyrate 10nM increased the open probability of 45pS channel and staurosporine, an inhibitor of protein kinase C, suppressed this effect. Phorbol 12,13-dibutyrate moved the reversal potential of 45pS channel to more negative potential and increased the single channel current at the same membrame potential. In order to check the activation of protein kinase C in G292 cell by phorbol 12,13-dibutyrate, western blot of protein kinase C was performed. Phorbol 12,13-dibutyrate $0.1{\mu}M$ translocated protein kinase C from cellular compartment to membrane compartment of the cell. These findings suggest that phorbol 12,13-dibutyrate, one of phorbol esters, activate 45pS channel In G292 cell and affect cell membrane potential, that regulate cellular function.
[$K^+$]-selective ion channels were studied in excised inside-out membrane patches from human osteoblast-like cells (G292). Three classes of $K^+$channels were present and could be distinguished on the basis of conductance. Conductances were $270\pm27\;pS,\;113\pm12\;pS,\;48\pm8\;pS$ according to their approximate conductances in symmetrical 140 mM KCl saline at holding potential of -80 mV It was found that the small conductance (48 pS) $K^+$channel activation was dependent on membrane voltage. In current-voltage relationship, small conductance $K^+$channel showed outward rectification, and it was activated by the positive potential inside the membrane. In recordings, single channel currents were activayed by a negative pressure outside the membrane. The membrane pressure increased $P_{open}$ of the $K^+$ channel in a pressure-dependent manner. In the excised-patch clamp recordings, G292 osteoblast-like cells have been shown to contain three types of $K^+$ channels. Only the small conductance (48 pS) $K^+$channel is sensitive to the membrane stretch. These findings suggest that a hyperpolarizing current, mediated in part by this channel, may be associated with early events during the mechanical loading of the osteoblast. In G292 osteoblast-like cells, $K^+$channel is sensitive to membrane tension, and may represent a unique adaptation of the bone cell membrane to mechanical stress.
Potassium channels play an important role in regulating vascular smooth muscle tone. Four types of $K^+$ channels areknown to be expressed in vascular smooth muscle cells, and maxi $Ca^{2+}-activated\;K^+$ channel $(BK_{Ca})$ is a dominant type of $K^+$ channels in these cells. Because total ginseng saponins and ginsenoside $Rg_3$ cause vasodilation with unclear mechanisms, we hypothesized that total ginseng saponins and ginsenoside $Rg_3$ induce vasodilation via activation of maxi $Ca^{2+}-activated\;K+$ channels. Whole-cell BKe. currents were voltage-dependent with half maximum activation at -14 mV, and the currents were sensitive to nanomolar ChTX and millimolar TEA. External application of total ginseng saponins increased the anlplitude of the whole-cell BKe. current in a concentration-dependent manner. Single-channel analysis indicates that total ginseng saponins caused the channel opening for a longer period of time. Ginsenoside $Rg_3$ increased the amplitude of whole-cell $K_{Ca}$ currents without affecting voltage dependence of the currents and increased single-channel open time. Hence, the results suggest that ginseng saponin-induced vasodilation may be due to activation of $K_{Ca}$.
ATP-sensitive $K^+$ channels $(K_{ATP})$ are expressed in vascular smooth muscle cells, skeletal muscle cells, pancreatic ${\beta}$ cells, neurons and epithelial cells. $K_{ATP}$ contributes to regulate membrane potential to control vascular tone, to protect myocardial ischemia, and to regulate insulin secretion in pancreatic ${\beta}$ cells. We previously demonstrated that ginseng saponins and ginsenoside $Rg_3$ activated maxi $Ca^{2+}-activated\;K^+$ channel, and this might cause vasodilation. Because $K_{ATP}$ plays an important roles to regulate the resting membrane potential in vascular smooth muscle cells, we investigated whether ginsenoside $Rg_3$ produces vasodilation by activating $K_{ATP}$ We showed in this study that $K_{ATP}$ is expressed in rabbit coronary artery smooth muscle cells. $K_{ATP}$ was inwardly rectifying and was inhibited by intemal application of ATP. Micromolar minoxidil activated, but glyburide inhibited the activity of $K_{ATP}$ Ginsenoside $Rg_3$ relieved inactivaiton of whole-cell $K_{ATP}$ current without affecting the peak amplitude of $K_{ATP}$ currents presumably due to more opening of the channels.
Buprenorphine, one of the mixed agonist-antagonist opioid drugs was used to inverstigate the opioid receptor on frog sciatic nerve A fibers. Action potentials were recorded for 4 hrs by a sucrose gap apparatus which were separated by four rubber membranes. To examine the one of the mechanism of action of buprenorphine, meperidine or naloxone was added after or before the treatment of buprenorphine. The results of this experiment were as follows: 1. Buprenorphine suppressed significantly the compound action potentials of frog sciatic nerve, and the maximal effects were shown both at $10^{-4}\;M$ and at $10^{-8}\;M$. 2. The dose-response relationship of buprenorphine on the depressant effect in frog sciatic nerve was biphasic and inverted U-shaped. 3. Buprenorphine blocked the effect of Meperidine $(10^{-3}\;M)$ on this preparation. 4. The depressant effcct of Buprenorphine on frog sciatic nerve was blocked by $10^{-8}\;M$ naloxone. From the above results, buprenorphine acts as one of agoinist-antagonistic effect on frog sciatic nerve, and the opioid receptor on this preparation is located on or near the intracellular opening of the sodium channels, which are sensitive to naloxone.
Experiments from several groups Including ours have demonstrated that $Ca^{2+}$ can enhance the inactivation of N-type calcium channels. However, it is not clear if this effect can be ascribed to a 'classic' $Ca^{2+}$-dependent inactivation (CDI) mechanism. One method that has been used to demonstrate CDI of L-type calcium channels is to alter the intracellular and extracellular concentration of $Ca^{2+}$. In this paper we replaced the external divalent cation to monovalent ion ($MA^+$) to test CDI. In the previous paper, we could separate fast (${\tau}{\sim}150ms$) and slow (${\tau}{\sim}2,500ms$) components of inactivation in both $Ba^{2+}$ and $Ca^{2+}$ using 5-sec voltage step. Lowering the external divalent cation concentration to zero abolished fast inactivation with relatively little effect on slow inactivation. Slow inactivation ${\tau}$ correspond very well with provided the $MA^+$ data is shifted 10 mV hyperpolarized and slow inactivation ${\tau}$ decreases with depolarization voltage in both $MA^+\;and\;Ba^{2+}$, which consistent with a classical voltage dependent inactivation (VDI) mechanism. These results combined with those of our previous paper lead us to hypothesize that external divalent cations are required to produce fast N-channel inactivation and this divalent cation-dependent inactivation is a different mechanism from classic CDI or VDI.
Gap junction channels formed by two adjacent cells allow the passage of small molecules up to ${\sim}\;1\;kDa$ between them. Hemichannel (connexon or half of gap junction) also behaves as a membrane channel like sodium or potassium channels in a single cell membrane. Among 26 types of connexin (Cx), $Cx32^*43E1$ (a chimera in which the first extracellular loop of Cx32 has been replaced with that of Cx43), Cx38, Cx46, and Cx50 form functional hemichannels as well as gap junction channels. Although it is known that Xenopus oocytes express endogenous connexin 38 (Cx38), its biophysical characteristics at single channel level are poorly understood. In this study, we performed single channel recordings from single Xenopus oocytes to acquire the biophysical properties of Cx38 including voltage-dependent gating and permeation (conductance and selectivity). The voltage-dependent fast and slow gatings of Cx38 hemichannel are distinct. Fast gating events occur at positive potentials and their open probabilities are low. In contrast, slow gatings dominate at negative potentials with high open probabilites. Based on hi-ionic experiments, Cx38 hemichannel is anion-selective. It will be interesting to test whether charged amino acid residues in the amino terminus of Cx38 are responsible for voltage gatings and permeation.
Gap junction is a membrane structure facilitating the direct transmission of several ions and small molecules between two cells. It is also called an 'intercellular channel' to distinguish it from other well-known cellular channels (e.g. sodium and potassium channels). Gap junction channels are not passive conduits, rather the ion channels modulated by several stimuli including pH, calcium ion, voltage, and a chemical modification (mainly known as phosphorylation). Among them, the effects of voltage on the gating of gap junction channels have been well studied. Gap junction channels are more sensitive to the transjunctional potential ($V_j$) between two cells rather than the membrane potential($V_m$) between inside and outside the cell. In this review, I will summarize the general properties of gap junction channel and discuss the gating mechanism for the gap channels.
This study was carried out to examine the $H^+$ transport mechanism by observing the properties of cellular membrane having an ${\alpha}$ type of carbonic anhydrase (CA)-containing cells in turtle urinary bladder. The urinary bladder consists of a heterogenous population of cells. As a result of fine observation with traditional thin-section electron microscopy. the bladder epithelium has three different cell types on mucosal surface. They are a basal cell, a granular cell and a third type of CA-rich cell. The CA-rich cells are divided into two distinct smaller groups within them and called them ${\alpha}$ type and ${\beta}$ type of CA cells. The ${\alpha}$ type of CA cells are responsible for the proton secretion using the proton pumps on the apical plasma membrane, while the ${\beta}$ type of CA cells secrete bicarbonate via an oppositely-directed proton pumps in their basolateral plasma membrane. After performing the freeze-fracture technique, it was shown that there were distributed a large number of intramembranous particles having a special structure on the apical membrane of ${\alpha}$ type of CA-rich cells in the process of their $H^+$ secretion. In turtle bladder ${\alpha}$ type of CA-rich cells, this particle was the only prominent structure in the apical membrane. These intramembrane rod-shaped particles probably represent the integral membrane components of the proton pump. This result may explain that carbonic anhydrase within epithelial cell of urinary bladder takes part in formation of $H^+$ and bicarbonate, that active transport of $H^+$ is done, and that the reabsorption of bicarbonate suggests transport mechanism containing $H^+$ secretion. However, it seems that more studies are required for considering their regular transport pathway.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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