Iontové kanály: co jsou, typy. a jak fungují v buňkách

Iontové kanály jsou proteinové komplexy, umístěné v buněčných membránách, které regulují životně důležité procesy, jako je srdeční tep nebo přenos signálů mezi neurony.

V tomto článku vysvětlíme, z čeho se skládají, jaká je jejich funkce a struktura, jaké existují druhy iontových kanálů a jejich vztah k různým nemocem.

• Související článek: "Akční potenciál: co to je a jaké jsou jeho fáze?"

Co je to iontový kanál?

Rozumíme iontovým kanálům proteinové komplexy naplněné vodnatými póry, které umožňují průchod iontů, což způsobí, že proudí přes buněčnou membránu. Tyto kanály jsou přítomny ve všech buňkách, jejichž podstatnou součástí jsou.

Každá buňka je obklopena membránou, která ji odděluje od vnějšího prostředí. Jeho lipidová dvouvrstvá struktura není snadno propustná pro polární molekuly, jako jsou aminokyseliny nebo ionty. Proto je nutné transportovat tyto látky dovnitř a ven z buňky pomocí membránových proteinů, jako jsou pumpy, transportéry a iontové kanály.

kanály se skládají z jednoho nebo více různých proteinů nazývaných podjednotky

(alfa, beta, gama atd.). Když se jich spojí několik, vytvoří kruhovou strukturu, v jejímž středu je otvor nebo pór, který umožňuje průchod iontů.

Jednou ze zvláštností těchto kanálů je jejich selektivita; tedy oni určit, že některé anorganické ionty procházejí skrz a jiné nev závislosti na průměru a distribuci jeho aminokyselin.

Otevírání a zavírání iontových kanálů je regulováno různými faktory; specifický podnět nebo senzor je to, co určuje, že kolísají z jednoho stavu do druhého změnou jejich složení.

Nyní se podívejme, jaké funkce plní a jakou mají strukturu.

Funkce a struktura

Za nezbytnými buněčnými procesy, jako je sekrece neurotransmiterů nebo přenos elektrických signálů, stojí iontové kanály, které propůjčují buňkám elektrické a excitovatelné schopnosti. A když selžou, mohou se objevit četné patologie (o kterých budeme hovořit později).

Struktura iontových kanálů se vyskytuje ve formě transmembránových proteinů a fungovat jako systém brány k regulaci průchodu iontů (draslík, sodík, vápník, chlór atd.) póry.

Ještě před několika lety se mělo za to, že póry a napěťový senzor jsou propojeny přes a linker nebo "linker" (spirála asi 15 aminokyselin), kterou lze aktivovat pohybem senzoru Napětí. Tento spojovací mechanismus mezi dvěma částmi iontového kanálu je kanonickým mechanismem, který byl vždy teoretizován.

Nedávno však nový výzkum odhalil další cestu, která zahrnuje segment aminokyselin tvořený částí senzoru napětí a částí póru. Tyto dva segmenty by do sebe zapadaly jako zip, aby spustily otevírání nebo zavírání kanálu. Tento nový mechanismus by zase mohl vysvětlit nedávné objevy, ve kterých někteří napěťově řízené iontové kanály (některé odpovědné za funkce, jako je srdeční tep) pouze s a linker.

Napěťově řízené iontové kanály jsou pouze jedním z existujících typů kanálů, ale je jich více: podívejme se, jaké jsou další.

• Mohlo by vás zajímat: "Jaké jsou části neuronu?"

Typy iontových kanálů

Mechanismy pro aktivaci iontových kanálů mohou být několika typů: ligandem, napětím nebo mechanosenzitivními stimuly.

1. Ligandem řízené iontové kanály

Tyto iontové kanály otevřené v reakci na vazbu určitých molekul a neurotransmiterů. Tento otevírací mechanismus je způsoben interakcí chemické látky (kterou může být hormon, peptid nebo neurotransmiter) s částí kanálu zvanou receptor, který generuje změnu volné energie a modifikuje konformaci proteinu, otevírá kanál.

Příjemce acetylcholin (neurotransmiter zapojený do přenosu signálů mezi motorickými nervy a svaly) nikotinového typu, je jedním z nejvíce studovaných ligandem řízených iontových kanálů. Je složen z 5 podjednotek po 20 aminokyselinách a podílí se na základních funkcích jako např dobrovolná kontrola pohybu, paměti, pozornosti, spánku, bdělosti nebo úzkosti.

2. napěťově řízené iontové kanály

Tento druh kanálů otevřené v reakci na změny elektrického potenciálu přes plazmatickou membránu. Napěťově řízené iontové kanály se podílejí na přenosu elektrických impulsů, generování akční potenciály v důsledku změn v rozdílu elektrických nábojů na obou stranách membrána.

Tok iontů probíhá ve dvou procesech: aktivací, proces závislý na napětí: kanál se otevře v reakci na změny membránového potenciálu (rozdíl v elektrickém potenciálu na obou stranách membrána); a inaktivace, proces, který reguluje uzavření kanálu.

Hlavní funkcí napěťově řízených iontových kanálů je generování akčních potenciálů a jejich šíření. Existuje několik typů a hlavní jsou:

2.1. Na+ kanál

Jsou to transmembránové proteiny, které umožňují průchod sodíkových iontů buňkou. Transport iontů je pasivní a závisí pouze na elektrochemickém potenciálu iontu (nevyžaduje energii ve formě molekuly ATP). V neuronech jsou sodíkové kanály zodpovědné za vzestupnou fázi akčního potenciálu. (depolarizace).

2.2. Kanál K+

Tyto iontové kanály tvoří nejvíce heterogenní skupinu strukturních membránových proteinů. V neuronech depolarizace aktivuje K+ kanály a usnadňuje výstup K+ z nervové buňky, což vede k repolarizaci membránového potenciálu.

23. Ca++ kanál

Ionty vápníku podporují fúzi membrány synaptických vezikul (struktury umístěné v konec neuronového axonu a odpovědný za sekreci neurotransmiterů) s terminální membránou axonu na neuron, stimulace uvolňování acetylcholinu do synaptické štěrbiny mechanismem exocytózy.

2.4. Cl-kanál

Tento typ iontových kanálů je zodpovědný za regulaci buněčné dráždivosti, transportu mezi buňkami a také za řízení PH a objemu buněk. Kanály umístěné v membráně stabilizují membránový potenciál ve vzrušivých buňkách. jsou také zodpovědný za transport vody a elektrolytů mezi články.

3. Iontové kanály regulované mechanosenzitivními podněty

Tyto iontové kanály otevřít v reakci na mechanické působení. Lze je nalézt například v Paciniho tělíscích (smyslové receptory v kůži, které reagují na rychlé vibrace a na hluboký mechanický tlak), které se otevírají natažením buněčné membrány působením napětí a/nebo tlak.

Channelopatie: patologie spojené s těmito molekulami

Z fyziologického hlediska iontové kanály jsou nezbytné pro homeostatickou rovnováhu našeho těla. Jeho dysfunkce způsobuje celou řadu onemocnění, známých jako kanálopatie. Ty mohou být produkovány dvěma typy mechanismů: genetickými změnami a autoimunitními chorobami.

Mezi genetické změny patří mutace, které se vyskytují v kódující oblasti genu pro iontový kanál. Je běžné, že tyto mutace produkují polypeptidové řetězce, které nejsou správně zpracovány a nejsou zabudovány do plazmatické membrány; nebo, když se podjednotky spojí a vytvoří kanály, tyto nejsou funkční.

Další častou možností je, že i když se jedná o funkční kanály, nakonec vykazují změněnou kinetiku. V každém případě často vedou k zesílení nebo ztrátě funkce kanálu.

Taky mutace se mohou vyskytovat v promotorové oblasti genu, který kóduje iontový kanál. To může způsobit podexpresi nebo nadměrnou expresi proteinu, produkující změny v počtu kanálů, což by také způsobilo zvýšení nebo snížení jeho funkčnosti.

V současnosti je známo mnoho patologií spojených s iontovými kanály v různých tkáních. Na muskuloskeletální úrovni mutace v napěťově řízených Na+, K+, Ca++ a Cl- kanálech a v acetylcholinovém kanálu vést k poruchám, jako je hyperkalemická a hypokalemická paralýza, myotonie, maligní hypertermie a myastenie.

Na neuronální úrovni bylo navrženo, že změny v napěťově řízených Na+ kanálech, K+ a Ca++ kanálech napětím, kanál aktivovaný acetylcholinem nebo kanál aktivovaný glycinem, by mohly vysvětlit poruchy, jako je epilepsie, ataxie epizodická migréna, familiární hemiplegická migréna, Lambert-Eatonův syndrom, Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba a schizofrenie.

Bibliografické odkazy:

• J. T. Menéndez, „Póry a iontové kanály regulují buněčnou aktivitu“, v Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, str. 23.
• Ana I. Fernandez-Marino, Tyler J. Harpole, Kevin Oelstrom, Lucie Delemotte a Baron Chanda. "Mapy hradlové interakce odhalují nekanonický elektromechanický vazební režim v kanálu Shaker K+." Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, duben 2018.
• G. Eisenman a J. A. Dani. Ann (1987). Úvod do molekulární architektury a permeability iontových kanálů. Rev. Biophys. Biophys. Chemm, 16. pp. 205-226.
• Aidley, D. J. (1989) Fyziologie excitabilních buněk. Cambridge University Press.