Йонни канали: какво представляват, видове. и как работят в клетките

Йонните канали са протеинови комплекси, разположени в клетъчните мембрани, които регулират жизненоважни процеси като сърдечен ритъм или предаване на сигнали между невроните.

В тази статия ще обясним от какво се състоят, каква е тяхната функция и структура, какви видове йонни канали съществуват и връзката им с различни заболявания.

• Свързана статия: "Потенциал за действие: какво е това и какви са неговите фази?"

Какво е йонен канал?

Ние разбираме под йонни канали протеинови комплекси, пълни с воднисти пори, които пропускат йони, което ги кара да преминават през клетъчната мембрана. Тези канали присъстват във всички клетки, от които те са основен компонент.

Всяка клетка е заобиколена от мембрана, която я отделя от външната среда. Неговата двуслойна липидна структура не е лесно пропусклива за полярни молекули като аминокиселини или йони. Следователно е необходимо тези вещества да се транспортират навътре и извън клетката с помощта на мембранни протеини като помпи, транспортери и йонни канали.

каналите

са съставени от един или повече различни протеини, наречени субединици (алфа, бета, гама и др.). Когато няколко от тях се съберат, те създават кръгла структура, в центъра на която има дупка или пора, която позволява преминаването на йони.

Една от особеностите на тези канали е тяхната селективност; тоест те определят, че някои неорганични йони преминават, а други не, в зависимост от диаметъра и разпределението на неговите аминокиселини.

Отварянето и затварянето на йонните канали се регулира от различни фактори; специфичен стимул или сензор е това, което определя, че те се колебаят от едно състояние в друго, като променят състава си.

Сега нека видим какви функции изпълняват и каква е структурата им.

Функции и структура

Зад основните клетъчни процеси, като секрецията на невротрансмитери или предаването на електрически сигнали, стоят йонните канали, които придават електрически и възбудими способности на клетките. И когато те не успеят, могат да възникнат множество патологии (за които ще говорим по-късно).

Структурата на йонните канали се среща под формата на трансмембранни протеини и действат като система за порти за регулиране на преминаването на йони (калий, натрий, калций, хлор и др.) през порите.

Допреди няколко години се смяташе, че порите и сензорът за напрежение са свързани чрез a линкер или "линкер" (спирала от около 15 аминокиселини), който може да се активира с движението на сензора волтаж. Този механизъм на свързване между двете части на йонния канал е каноничният механизъм, който винаги е бил теоретизиран.

Наскоро обаче ново изследване разкри друг път, който включва сегмент от аминокиселини, съставен от част от сензора за напрежение и част от порите. Тези два сегмента биха паснали заедно като цип, за да задействат отварянето или затварянето на канала. На свой ред този нов механизъм би могъл да обясни скорошни открития, в които някои волтаж-зависими йонни канали (някои отговорни за функции като сърдечен ритъм) само с a линкер.

Зависимите от напрежение йонни канали са само един от съществуващите типове канали, но има и още: нека да видим какви са следващите.

• Може да се интересувате от: "Какви са частите на неврона?"

Видове йонни канали

Механизмите за активиране на йонните канали могат да бъдат няколко вида: чрез лиганд, чрез напрежение или чрез механочувствителни стимули.

1. Лиганд-зависими йонни канали

Тези йонни канали отварят се в отговор на свързването на определени молекули и невротрансмитери. Този механизъм на отваряне се дължи на взаимодействието на химическо вещество (което може да бъде хормон, пептид или невротрансмитер) с част от канала, наречен рецептор, който генерира промяна в свободната енергия и модифицира конформацията на протеина, отваряйки канал.

Получателят на ацетилхолин (невротрансмитер, участващ в предаването на сигнали между двигателните нерви и мускулите) от никотинов тип, е един от най-изследваните лиганд-зависими йонни канали. Състои се от 5 субединици от 20 аминокиселини и участва в основни функции като напр доброволен контрол на движението, паметта, вниманието, съня, бдителността или тревожността.

2. волтаж-зависими йонни канали

Този вид канали отворени в отговор на промени в електрическия потенциал през плазмената мембрана. Зависимите от напрежение йонни канали участват в предаването на електрически импулси, генерирайки потенциали на действие поради промени в разликата в електрическите заряди от двете страни на мембрана.

Потокът от йони протича в два процеса: чрез активиране, процес, зависим от напрежението: каналът се отваря в отговор на промени в мембранния потенциал (разлика в електрическия потенциал от двете страни на мембрана); и инактивиране, процес, който регулира затварянето на канала.

Основната функция на волтаж-зависимите йонни канали е генериране на акционни потенциали и тяхното разпространение. Има няколко вида и основните са:

2.1. Na+ канал

Те са трансмембранни протеини, които позволяват преминаването на натриеви йони през клетката. Йонният транспорт е пасивен и зависи само от електрохимичния потенциал на йона (не изисква енергия под формата на АТФ молекула). В невроните натриевите канали са отговорни за нарастващата фаза на потенциала за действие. (деполяризация).

2.2. K+ канал

Тези йонни канали съставляват най-хетерогенната група от структурни мембранни протеини. В невроните деполяризацията активира К+ каналите и улеснява излизането на К+ от нервната клетка, което води до реполяризация на мембранния потенциал.

23. Ca++ канал

Калциевите йони насърчават сливането на мембраната на синаптичните везикули (структури, разположени в край на невроналния аксон и отговорен за секрецията на невротрансмитери) с крайната мембрана на аксона на неврон, стимулиране на освобождаването на ацетилхолин в синаптичната цепнатина чрез механизъм на екзоцитоза.

2.4. Cl-канал

Този тип йонни канали са отговорни за регулирането на клетъчната възбудимост, транспорта между клетките, както и управлението на PH и клетъчния обем. Каналите, разположени в мембраната, стабилизират мембранния потенциал в възбудимите клетки. са също отговорен за транспорта между клетките на вода и електролити.

3. Йонни канали, регулирани от механочувствителни стимули

Тези йонни канали отворени в отговор на механични действия. Те могат да бъдат намерени например в телцата на Пачини (сензорни рецептори в кожата, които реагират на бързи вибрации и до дълбок механичен натиск), които се отварят чрез разтягане на клетъчната мембрана чрез прилагане на напрежение и/или налягане.

Каналопатии: патологии, свързани с тези молекули

От физиологична гледна точка йонните канали са от съществено значение за хомеостатичния баланс на нашето тяло. Неговата дисфункция причинява цяла поредица от заболявания, известни като каналопатии. Те могат да бъдат произведени по два вида механизми: генетични промени и автоимунни заболявания.

Сред генетичните промени има мутации, които възникват в кодиращия регион на гена за йонен канал. Обичайно е тези мутации да произвеждат полипептидни вериги, които не се обработват правилно и не се включват в плазмената мембрана; или, когато субединиците се съединят и образуват каналите, те не са функционални.

Друга често срещана възможност е, че въпреки че са функционални канали, те в крайна сметка показват променена кинетика. Във всеки случай, те често водят до печалба или загуба на функцията на канала.

Също мутации могат да възникнат в промоторната област на гена, който кодира йонен канал. Това може да причини недостатъчна или свръхекспресия на протеина, предизвиквайки промени в броя на каналите, което също би причинило увеличаване или намаляване на неговата функционалност.

Понастоящем са известни множество патологии, свързани с йонни канали в различни тъкани. На мускулно-скелетно ниво, мутации в волтаж-зависимите Na+, K+, Ca++ и Cl- канали и в ацетилхолиновия канал водят до нарушения като хиперкалиемична и хипокалиемична парализа, миотония, злокачествена хипертермия и миастения.

На невронално ниво се предполага, че промените в волтаж-зависимите Na+ канали, K+ и Ca++ каналите чрез напрежение, каналът, активиран от ацетилхолин или този, активиран от глицин, може да обясни разстройства като епилепсия, атаксия епизодична мигрена, фамилна хемиплегична мигрена, синдром на Lambert-Eaton, болест на Алцхаймер, болест на Паркинсон и шизофрения.

Библиографски справки:

• Дж. T. Менендес, „Порите и йонните канали регулират клетъчната активност,” в Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004 г., стр. 23.
• Ана И. Фернандес-Марино, Тайлър Дж. Харпол, Кевин Оелстром, Луси Делемот и барон Чанда. „Картите на взаимодействие на стробирането разкриват неканоничен електромеханичен режим на свързване в канала Shaker K+“. Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, април 2018 г.
• ж. Айзенман и Дж. Дани. Ан (1987). Въведение в молекулярната архитектура и пропускливостта на йонните канали. Rev. Biophys. Biophys. Хем, 16. стр. 205-226.
• Ейдли, Д. Дж. (1989) Физиологията на възбудимите клетки. Cambridge University Press.