Ioniske kanaler: hvad de er, typer. og hvordan de fungerer i celler

Ionkanaler er proteinkomplekser, placeret i cellemembraner, som regulerer vitale processer såsom hjerteslag eller transmission af signaler mellem neuroner.

I denne artikel skal vi forklare, hvad de består af, hvad er deres funktion og struktur, hvilke slags ionkanaler der findes og deres forhold til forskellige sygdomme.

• Relateret artikel: "Handlingspotentiale: hvad er det, og hvad er dets faser?"

Hvad er en ionkanal?

Vi forstår ved ionkanaler proteinkomplekser fyldt med vandige porer, som tillader ioner at passere, hvilket får dem til at flyde over cellemembranen. Disse kanaler er til stede i alle celler, hvoraf de er en væsentlig komponent.

Hver celle er omgivet af en membran, der adskiller den fra det ydre miljø. Dens lipid-dobbeltlagsstruktur er ikke let permeabel for polære molekyler såsom aminosyrer eller ioner. Derfor er det nødvendigt at transportere disse stoffer ind og ud af cellen ved hjælp af membranproteiner som pumper, transportere og ionkanaler.

kanalerne består af et eller flere forskellige proteiner kaldet underenheder

(alfa, beta, gamma osv.). Når flere af dem kommer sammen, skaber de en cirkulær struktur, i hvilken der er et hul eller en pore i midten, som tillader passage af ioner.

En af de særlige kendetegn ved disse kanaler er deres selektivitet; det vil sige de bestemme, at nogle uorganiske ioner passerer igennem og ikke andre, afhængigt af diameteren og fordelingen af ​​dets aminosyrer.

Åbning og lukning af ionkanaler reguleres af forskellige faktorer; en specifik stimulus eller sensor er det, der bestemmer, at de svinger fra en tilstand til en anden ved at ændre deres sammensætning.

Lad os nu se, hvilke funktioner de opfylder, og hvad deres struktur er.

Funktioner og struktur

Bag essentielle cellulære processer, såsom sekretion af neurotransmittere eller transmission af elektriske signaler, ligger ionkanalerne, som give elektriske og excitable egenskaber til celler. Og når de fejler, kan der opstå adskillige patologier (som vi vil tale om senere).

Strukturen af ​​ionkanaler forekommer i form af transmembrane proteiner og fungere som et portsystem at regulere passagen af ​​ioner (kalium, natrium, calcium, klor osv.) gennem porerne.

Indtil for få år siden troede man, at porerne og spændingssensoren var koblet gennem en linker eller "linker" (en spiral på ca. 15 aminosyrer), som kan aktiveres ved bevægelse af sensoren spænding. Denne koblingsmekanisme mellem de to dele af ionkanalen er den kanoniske mekanisme, som altid har været teoretiseret.

For nylig har ny forskning imidlertid afsløret en anden vej, der involverer et segment af aminosyrer, der består af en del af spændingssensoren og en del af poren. Disse to segmenter ville passe sammen som en lynlås for at udløse åbning eller lukning af kanalen. Til gengæld kunne denne nye mekanisme forklare de seneste opdagelser, hvor nogle spændingsstyrede ionkanaler (nogle ansvarlige for funktioner såsom hjerteslag) med kun en linker.

Spændingsstyrede ionkanaler er blot en af ​​de eksisterende kanaltyper, men der er flere: lad os se, hvad de er næste gang.

• Du kan være interesseret i: "Hvad er dele af neuronen?"

Typer af ionkanaler

Mekanismerne for aktivering af ionkanaler kan være af flere typer: ved ligand, ved spænding eller ved mekanosensitive stimuli.

1. Ligand-gatede ionkanaler

Disse ionkanaler åbne som reaktion på bindingen af ​​visse molekyler og neurotransmittere. Denne åbningsmekanisme skyldes interaktionen af ​​et kemisk stof (som kan være et hormon, et peptid eller en neurotransmitter) med en del af kanalen kaldet receptoren, som genererer en ændring i fri energi og modificerer proteinets konformation, hvilket åbner kanal.

Modtageren af acetylcholin (en neurotransmitter involveret i transmissionen af ​​signaler mellem motoriske nerver og muskler) af den nikotiniske type, er en af ​​de mest undersøgte ligand-gatede ionkanaler. Den er sammensat af 5 underenheder af 20 aminosyrer og er involveret i basale funktioner som f.eks frivillig kontrol af bevægelse, hukommelse, opmærksomhed, søvn, årvågenhed eller angst.

2. spændingsstyrede ionkanaler

Den slags kanaler åben som reaktion på ændringer i elektrisk potentiale over plasmamembranen. Spændingsstyrede ionkanaler er involveret i transmissionen af ​​elektriske impulser, der genererer aktionspotentialer på grund af ændringer i forskellen i elektriske ladninger på begge sider af membran.

Strømmen af ​​ioner foregår i to processer: ved aktivering, en spændingsafhængig proces: kanalen åbnes som reaktion på ændringer i membranpotentialet (forskel i elektrisk potentiale på begge sider af membran); og inaktivering, en proces, der regulerer lukningen af ​​kanalen.

Hovedfunktionen af ​​spændingsstyrede ionkanaler er generering af aktionspotentialer og deres udbredelse. Der er flere typer, og de vigtigste er:

2.1. Na+ kanal

De er transmembrane proteiner, der tillader passage af natriumioner gennem cellen. Iontransport er passiv og afhænger kun af ionens elektrokemiske potentiale (den kræver ikke energi i form af et ATP-molekyle). I neuroner er natriumkanaler ansvarlige for den stigende fase af aktionspotentialet. (depolarisering).

2.2. K+ kanal

Disse ionkanaler udgør den mest heterogene gruppe af strukturelle membranproteiner. I neuroner aktiverer depolarisering K+-kanaler og letter K+-udgang fra nervecellen, hvilket fører til en repolarisering af membranpotentialet.

23. Ca++ kanal

Calciumioner fremmer fusionen af ​​den synaptiske vesikelmembran (strukturer placeret i ende af det neuronale axon og ansvarlig for udskillelse af neurotransmittere) med den axonterminale membran ved neuron, stimulerer frigivelsen af ​​acetylcholin i den synaptiske kløft ved en mekanisme af exocytose.

2.4. Cl-kanal

Denne type ioniske kanaler er ansvarlige for at regulere celle excitabilitet, transport mellem celler, samt styring af PH og cellevolumen. Kanaler placeret i membranen stabiliserer membranpotentialet i exciterbare celler. er også ansvarlig for transporten mellem celler af vand og elektrolytter.

3. Ionkanaler reguleret af mekanosensitive stimuli

Disse ionkanaler åben som reaktion på mekaniske handlinger. De kan f.eks. findes i Paccinis blodlegemer (sensoriske receptorer i huden, der reagerer på hurtige vibrationer og til dybt mekanisk tryk), som åbner ved at strække cellemembranen gennem påføring af spænding og/eller tryk.

Kanalopatier: patologier forbundet med disse molekyler

Fra et fysiologisk synspunkt, ionkanaler er afgørende for den homøostatiske balance i vores krop. Dens dysfunktion forårsager en hel række sygdomme, kendt som kanalopatier. Disse kan produceres af to typer mekanismer: genetiske ændringer og autoimmune sygdomme.

Blandt de genetiske ændringer er der mutationer, der forekommer i den kodende region af genet for en ionkanal. Det er almindeligt, at disse mutationer producerer polypeptidkæder, der ikke behandles korrekt og ikke er inkorporeret i plasmamembranen; eller, når underenhederne parrer sig og danner kanalerne, er disse ikke funktionelle.

En anden hyppig mulighed er, at selvom de er funktionelle kanaler, ender de med at vise ændret kinetik. Under alle omstændigheder fører de ofte til forstærkning eller tab af kanalfunktion.

Også mutationer kan forekomme i promotorregionen af ​​genet, der koder for en ionkanal. Dette kan forårsage underekspression eller overekspression af proteinet, hvilket producerer ændringer i antallet af kanaler, hvilket også ville forårsage en stigning eller et fald i dets funktionalitet.

På nuværende tidspunkt kendes flere patologier forbundet med ionkanaler i forskellige væv. På muskuloskeletalt niveau mutationer i de spændingsstyrede Na+, K+, Ca++ og Cl- kanaler og i acetylcholinkanalen føre til lidelser såsom hyperkalæmisk og hypokalæmisk lammelse, myotoni, malign hypertermi og myasthenia.

På det neuronale niveau er det blevet foreslået, at ændringer i spændingsstyrede Na+ kanaler, K+ og Ca++ kanaler ved spænding kan kanalen aktiveret af acetylcholin eller den, der aktiveres af glycin, forklare lidelser som epilepsi, ataksi episodisk migræne, familiær hemiplegisk migræne, Lambert-Eatons syndrom, Alzheimers sygdom, Parkinsons sygdom og skizofreni.

Bibliografiske referencer:

• J. T. Menéndez, "Porer og ionkanaler regulerer celleaktivitet," i Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, s. 23.
• Ana I. Fernandez-Marino, Tyler J. Harpole, Kevin Oelstrom, Lucie Delemotte og Baron Chanda. "Gating-interaktionskort afslører en ikke-kanonisk elektromekanisk koblingstilstand i Shaker K+-kanalen". Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, april 2018.
• g. Eisenman og J.A. Dani. Ann (1987). En introduktion til molekylær arkitektur og permeabilitet af ionkanaler. Rev. Biofys. Biofys. Chemm, 16. pp. 205-226.
• Aidley, D. J. (1989) Fysiologien af ​​excitable celler. Cambridge University Press.