Ionenkanäle: was sie sind, Typen. und wie sie in Zellen wirken

Ionenkanäle sind Proteinkomplexe, die sich in Zellmembranen befinden und lebenswichtige Prozesse wie den Herzschlag oder die Signalübertragung zwischen Neuronen regulieren.

In diesem Artikel erklären wir, woraus sie bestehen, welche Funktion und Struktur sie haben, welche Arten von Ionenkanälen es gibt und welche Beziehung sie zu verschiedenen Krankheiten haben.

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Was ist ein Ionenkanal?

Wir verstehen unter Ionenkanälen Proteinkomplexe, die mit wässrigen Poren gefüllt sind, die Ionen passieren lassen, was dazu führt, dass sie durch die Zellmembran fließen. Diese Kanäle sind in allen Zellen vorhanden, von denen sie ein wesentlicher Bestandteil sind.

Jede Zelle ist von einer Membran umgeben, die sie von der äußeren Umgebung trennt. Seine Lipiddoppelschichtstruktur ist für polare Moleküle wie Aminosäuren oder Ionen nicht leicht durchlässig. Daher ist es notwendig, diese Substanzen mittels Membranproteinen wie Pumpen, Transportern und Ionenkanälen in die und aus der Zelle zu transportieren.

die Kanäle bestehen aus einem oder mehreren verschiedenen Proteinen, die als Untereinheiten bezeichnet werden (Alpha, Beta, Gamma usw.). Wenn mehrere von ihnen zusammenkommen, bilden sie eine kreisförmige Struktur, in deren Mitte sich ein Loch oder eine Pore befindet, die den Durchgang von Ionen ermöglicht.

Eine der Besonderheiten dieser Kanäle ist ihre Selektivität; das heißt, sie bestimmen, dass einige anorganische Ionen passieren und andere nicht, abhängig vom Durchmesser und der Verteilung seiner Aminosäuren.

Das Öffnen und Schließen von Ionenkanälen wird durch verschiedene Faktoren reguliert; Ein bestimmter Reiz oder Sensor bestimmt, dass sie von einem Zustand in einen anderen schwanken, indem sie ihre Zusammensetzung ändern.

Sehen wir uns nun an, welche Funktionen sie erfüllen und wie sie aufgebaut sind.

Funktionen und Struktur

Hinter wesentlichen zellulären Prozessen, wie der Ausschüttung von Neurotransmittern oder der Übertragung elektrischer Signale, stehen die Ionenkanäle, die verleihen den Zellen elektrische und erregbare Fähigkeiten. Und wenn sie versagen, können zahlreiche Pathologien auftreten (worüber wir später sprechen werden).

Die Struktur von Ionenkanälen erfolgt in Form von Transmembranproteinen und als Torsystem fungieren um den Durchgang von Ionen (Kalium, Natrium, Kalzium, Chlor usw.) durch die Poren zu regulieren.

Bis vor einigen Jahren dachte man, dass die Poren und der Spannungssensor durch a gekoppelt sind Linker oder "Linker" (eine Spirale aus etwa 15 Aminosäuren), die mit der Bewegung des Sensors aktiviert werden kann Stromspannung. Dieser Kopplungsmechanismus zwischen den beiden Teilen des Ionenkanals ist der kanonische Mechanismus, der immer theoretisiert wurde.

Kürzlich haben jedoch neue Forschungen einen anderen Weg aufgedeckt, der beinhaltet ein Segment von Aminosäuren, das aus einem Teil des Spannungssensors und einem Teil der Pore besteht. Diese beiden Segmente würden wie ein Reißverschluss zusammenpassen, um das Öffnen oder Schließen des Kanals auszulösen. Dieser neue Mechanismus wiederum könnte die jüngsten Entdeckungen erklären, bei denen einige spannungsgesteuerte Ionenkanäle (einige verantwortlich für Funktionen wie Herzschlag) mit nur einem Linker.

Spannungsgesteuerte Ionenkanäle sind nur einer der bestehenden Kanaltypen, aber es gibt noch mehr: Mal sehen, was sie als nächstes sind.

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Arten von Ionenkanälen

Die Mechanismen für die Aktivierung von Ionenkanälen können verschiedener Art sein: durch Liganden, durch Spannung oder durch mechanosensitive Stimuli.

1. Ligandengesteuerte Ionenkanäle

Diese Ionenkanäle als Reaktion auf die Bindung bestimmter Moleküle und Neurotransmitter öffnen. Dieser Öffnungsmechanismus beruht auf der Interaktion einer chemischen Substanz (die ein Hormon, ein Peptid oder ein Neurotransmitter sein kann) mit einem Teil des Kanals, der als Rezeptor bezeichnet wird, der eine Änderung der freien Energie erzeugt und die Konformation des Proteins modifiziert, wodurch der geöffnet wird Kanal.

Der Empfänger der Acetylcholin (ein Neurotransmitter, der an der Übertragung von Signalen zwischen motorischen Nerven und Muskeln beteiligt ist) des nikotinischen Typs, ist einer der am besten untersuchten Liganden-gesteuerten Ionenkanäle. Es besteht aus 5 Untereinheiten von 20 Aminosäuren und ist an grundlegenden Funktionen wie beteiligt freiwillige Kontrolle von Bewegung, Gedächtnis, Aufmerksamkeit, Schlaf, Wachheit oder Angst.

2. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle

Diese Art von Kanälen als Reaktion auf Änderungen des elektrischen Potentials über der Plasmamembran öffnen. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle sind an der Übertragung elektrischer Impulse beteiligt und erzeugen Aktionspotentiale aufgrund von Änderungen in der Differenz der elektrischen Ladungen auf beiden Seiten des Membran.

Der Ionenfluss erfolgt in zwei Prozessen: Durch Aktivierung, ein spannungsabhängiger Prozess: Der Kanal öffnet sich als Reaktion auf Änderungen des Membranpotentials (Unterschied des elektrischen Potentials auf beiden Seiten der Membran); und Inaktivierung, ein Prozess, der das Schließen des Kanals reguliert.

Die Hauptfunktion von spannungsgesteuerten Ionenkanälen ist Generierung von Aktionspotentialen und deren Ausbreitung. Es gibt mehrere Arten und die wichtigsten sind:

2.1. Na+-Kanal

Sie sind Transmembranproteine, die den Durchgang von Natriumionen durch die Zelle ermöglichen. Der Ionentransport ist passiv und hängt nur vom elektrochemischen Potential des Ions ab (er benötigt keine Energie in Form eines ATP-Moleküls). In Neuronen sind Natriumkanäle für die Anstiegsphase des Aktionspotentials verantwortlich. (Depolarisation).

2.2. K+ Kanal

Diese Ionenkanäle bilden die heterogenste Gruppe struktureller Membranproteine. In Neuronen aktiviert die Depolarisation K+-Kanäle und erleichtert den Austritt von K+ aus der Nervenzelle, was zu einer Repolarisation des Membranpotentials führt.

23. Ca++ Kanal

Calciumionen fördern die Fusion der synaptischen Vesikelmembran (Strukturen in der Ende des neuronalen Axons und verantwortlich für die Sekretion von Neurotransmittern) mit der Axonendmembran am Neuron, Stimulieren der Freisetzung von Acetylcholin in den synaptischen Spalt durch einen Mechanismus der Exozytose.

2.4. Cl-Kanal

Diese Art von Ionenkanälen ist für die Regulierung der Zellerregbarkeit, den Transport zwischen den Zellen sowie für die Steuerung des pH-Werts und des Zellvolumens verantwortlich. In der Membran befindliche Kanäle stabilisieren das Membranpotential in erregbaren Zellen. sind auch verantwortlich für den Transport von Wasser und Elektrolyten zwischen den Zellen.

3. Durch mechanosensitive Reize regulierte Ionenkanäle

Diese Ionenkanäle Öffnen als Reaktion auf mechanische Einwirkungen. Sie finden sich zum Beispiel in Paccini-Körperchen (Sinnesrezeptoren in der Haut, die auf schnelle Vibrationen reagieren und zu tiefem mechanischem Druck), die sich durch Dehnung der Zellmembran durch Zuganwendung öffnen und/oder Druck.

Kanalopathien: mit diesen Molekülen verbundene Pathologien

Aus physiologischer Sicht Ionenkanäle sind essentiell für das homöostatische Gleichgewicht unseres Körpers. Seine Fehlfunktion verursacht eine ganze Reihe von Krankheiten, die als Kanalopathien bekannt sind. Diese können durch zwei Arten von Mechanismen erzeugt werden: genetische Veränderungen und Autoimmunerkrankungen.

Unter den genetischen Veränderungen gibt es Mutationen, die in der kodierenden Region des Gens für einen Ionenkanal auftreten. Es ist üblich, dass diese Mutationen Polypeptidketten produzieren, die nicht korrekt verarbeitet und nicht in die Plasmamembran eingebaut werden; oder wenn sich die Untereinheiten paaren und die Kanäle bilden, sind diese nicht funktionsfähig.

Eine andere häufige Möglichkeit ist, dass sie, obwohl sie funktionelle Kanäle sind, am Ende eine veränderte Kinetik zeigen. In jedem Fall führen sie oft zum Gewinn oder Verlust der Kanalfunktion.

Auch Mutationen können in der Promotorregion des Gens auftreten, das für einen Ionenkanal kodiert. Dies kann zu einer Unter- oder Überexpression des Proteins führen, wodurch sich die Anzahl der Kanäle ändert, was auch zu einer Erhöhung oder Verringerung seiner Funktionalität führen würde.

Gegenwärtig sind mehrere Pathologien bekannt, die mit Ionenkanälen in verschiedenen Geweben verbunden sind. Auf muskuloskelettaler Ebene Mutationen in den spannungsgesteuerten Na+-, K+-, Ca++- und Cl-Kanälen und im Acetylcholinkanal zu Erkrankungen wie hyperkaliämischer und hypokaliämischer Lähmung, Myotonie, maligner Hyperthermie und Myasthenie führen.

Auf neuronaler Ebene wurde vorgeschlagen, dass Veränderungen in spannungsgesteuerten Na+-Kanälen, K+- und Ca++-Kanälen auftreten durch Spannung, der durch Acetylcholin aktivierte Kanal oder der durch Glycin aktivierte Kanal, könnte Störungen wie Epilepsie, Ataxie erklären episodische Migräne, familiäre hemiplegische Migräne, Lambert-Eaton-Syndrom, Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Krankheit und Schizophrenie.

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