Ιωνικά κανάλια: τι είναι, τύποι. και πώς λειτουργούν στα κύτταρα

Οι δίαυλοι ιόντων είναι σύμπλοκα πρωτεϊνών, που βρίσκεται σε κυτταρικές μεμβράνες, οι οποίες ρυθμίζουν ζωτικές διεργασίες όπως ο καρδιακός παλμός ή η μετάδοση σημάτων μεταξύ των νευρώνων.

Σε αυτό το άρθρο θα εξηγήσουμε από τι αποτελούνται, ποια είναι η λειτουργία και η δομή τους, ποια είδη καναλιών ιόντων υπάρχουν και η σχέση τους με διάφορες ασθένειες.

• Σχετικό άρθρο: "Δυνατότητα δράσης: τι είναι και ποιες οι φάσεις του;"

Τι είναι ένα κανάλι ιόντων;

Καταλαβαίνουμε με κανάλια ιόντων σύμπλοκα πρωτεϊνών γεμάτα με υδατικούς πόρους, που επιτρέπουν τη διέλευση ιόντων, με αποτέλεσμα να ρέουν κατά μήκος της κυτταρικής μεμβράνης. Αυτά τα κανάλια υπάρχουν σε όλα τα κύτταρα, των οποίων αποτελούν βασικό συστατικό.

Κάθε κύτταρο περιβάλλεται από μια μεμβράνη που το χωρίζει από το εξωτερικό περιβάλλον. Η λιπιδική διπλοστιβάδα του δεν είναι εύκολα διαπερατή από πολικά μόρια όπως αμινοξέα ή ιόντα. Επομένως, είναι απαραίτητη η μεταφορά αυτών των ουσιών μέσα και έξω από το κύτταρο μέσω πρωτεϊνών μεμβράνης όπως αντλίες, μεταφορείς και κανάλια ιόντων.

τα κανάλια αποτελούνται από μία ή περισσότερες διαφορετικές πρωτεΐνες που ονομάζονται υπομονάδες (άλφα, βήτα, γάμμα κ.λπ.). Όταν πολλά από αυτά ενώνονται, δημιουργούν μια κυκλική δομή στο κέντρο της οποίας υπάρχει μια τρύπα ή ένας πόρος, που επιτρέπει τη διέλευση ιόντων.

Μία από τις ιδιαιτερότητες αυτών των καναλιών είναι η επιλεκτικότητά τους. δηλαδή αυτοί προσδιορίσει ότι κάποια ανόργανα ιόντα περνούν και όχι άλλα, ανάλογα με τη διάμετρο και την κατανομή των αμινοξέων του.

Το άνοιγμα και το κλείσιμο των διαύλων ιόντων ρυθμίζεται από διάφορους παράγοντες. ένα συγκεκριμένο ερέθισμα ή αισθητήρας είναι αυτό που καθορίζει ότι κυμαίνονται από τη μια κατάσταση στην άλλη αλλάζοντας τη σύνθεσή τους.

Τώρα ας δούμε ποιες λειτουργίες εκπληρώνουν και ποια είναι η δομή τους.

Λειτουργίες και δομή

Πίσω από βασικές κυτταρικές διεργασίες, όπως η έκκριση νευροδιαβιβαστών ή η μετάδοση ηλεκτρικών σημάτων, βρίσκονται τα κανάλια ιόντων, τα οποία προσδίδουν ηλεκτρικές και διεγερτικές ικανότητες στα κύτταρα. Και όταν αποτύχουν, μπορεί να εμφανιστούν πολυάριθμες παθολογίες (για τις οποίες θα μιλήσουμε αργότερα).

Η δομή των διαύλων ιόντων εμφανίζεται με τη μορφή διαμεμβρανικών πρωτεϊνών και λειτουργούν ως σύστημα πύλης για τη ρύθμιση της διέλευσης ιόντων (κάλιο, νάτριο, ασβέστιο, χλώριο κ.λπ.) μέσω των πόρων.

Μέχρι πριν από λίγα χρόνια πιστευόταν ότι οι πόροι και ο αισθητήρας τάσης συζεύγνυαν μέσω α συνδετήρας ή "συνδέτης" (μια σπείρα περίπου 15 αμινοξέων), που μπορεί να ενεργοποιηθεί με την κίνηση του αισθητήρα Τάση. Αυτός ο μηχανισμός σύζευξης μεταξύ των δύο τμημάτων του διαύλου ιόντων είναι ο κανονικός μηχανισμός που ανέκαθεν θεωρητικοποιήθηκε.

Πρόσφατα, ωστόσο, νέα έρευνα αποκάλυψε ένα άλλο μονοπάτι που περιλαμβάνει ένα τμήμα αμινοξέων που αποτελείται από μέρος του αισθητήρα τάσης και μέρος του πόρου. Αυτά τα δύο τμήματα θα ταιριάζουν μεταξύ τους σαν φερμουάρ για να ενεργοποιήσουν το άνοιγμα ή το κλείσιμο του καναλιού. Με τη σειρά του, αυτός ο νέος μηχανισμός θα μπορούσε να εξηγήσει τις πρόσφατες ανακαλύψεις, στις οποίες ορισμένες Κανάλια ιόντων με πύλη τάσης (ορισμένα υπεύθυνα για λειτουργίες όπως ο καρδιακός παλμός) με μόνο α συνδέτης.

Τα κανάλια ιόντων με πύλη τάσης είναι μόνο ένας από τους υπάρχοντες τύπους καναλιών, αλλά υπάρχουν και άλλα: ας δούμε τι θα ακολουθήσουν.

• Μπορεί να σας ενδιαφέρει: "Ποια είναι τα μέρη του νευρώνα;"

Τύποι καναλιών ιόντων

Οι μηχανισμοί για την ενεργοποίηση των καναλιών ιόντων μπορεί να είναι πολλών τύπων: με συνδέτη, με τάση ή με μηχανοευαίσθητα ερεθίσματα.

1. Κανάλια ιόντων με πύλη προσδέματος

Αυτά τα κανάλια ιόντων ανοιχτό ως απόκριση στη δέσμευση ορισμένων μορίων και νευροδιαβιβαστών. Αυτός ο μηχανισμός ανοίγματος οφείλεται στην αλληλεπίδραση μιας χημικής ουσίας (η οποία μπορεί να είναι μια ορμόνη, ένα πεπτίδιο ή ένας νευροδιαβιβαστής) με ένα τμήμα του καναλιού που ονομάζεται υποδοχέας, το οποίο δημιουργεί μια αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια και τροποποιεί τη διαμόρφωση της πρωτεΐνης, ανοίγοντας το Κανάλι.

Ο αποδέκτης του ακετυλοχολίνη (ένας νευροδιαβιβαστής που εμπλέκεται στη μετάδοση σημάτων μεταξύ των κινητικών νεύρων και των μυών) νικοτινικού τύπου, είναι ένας από τους πιο μελετημένους διαύλους ιόντων με πύλη συνδέτη. Αποτελείται από 5 υπομονάδες 20 αμινοξέων και εμπλέκεται σε βασικές λειτουργίες όπως π.χ. εθελοντικός έλεγχος της κίνησης, της μνήμης, της προσοχής, του ύπνου, της εγρήγορσης ή του άγχους.

2. κανάλια ιόντων με πύλη τάσης

Αυτού του είδους τα κανάλια ανοιχτό ως απόκριση σε αλλαγές στο ηλεκτρικό δυναμικό κατά μήκος της πλασματικής μεμβράνης. Τα κανάλια ιόντων με πύλη τάσης εμπλέκονται στη μετάδοση ηλεκτρικών παλμών, παράγοντας δυναμικά δράσης λόγω αλλαγών στη διαφορά ηλεκτρικών φορτίων και στις δύο πλευρές του μεμβράνη.

Η ροή των ιόντων λαμβάνει χώρα σε δύο διαδικασίες: με ενεργοποίηση, μια διαδικασία που εξαρτάται από την τάση: το κανάλι ανοίγει σε απόκριση σε αλλαγές στο δυναμικό της μεμβράνης (διαφορά στο ηλεκτρικό δυναμικό εκατέρωθεν της μεμβράνη); και αδρανοποίηση, μια διαδικασία που ρυθμίζει το κλείσιμο του καναλιού.

Η κύρια λειτουργία των διαύλων ιόντων με πύλη τάσης είναι δημιουργία δυναμικών δράσης και η διάδοσή τους. Υπάρχουν διάφοροι τύποι και οι κυριότεροι είναι:

2.1. Κανάλι Na+

Είναι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες που επιτρέπουν τη διέλευση ιόντων νατρίου μέσω του κυττάρου. Η μεταφορά ιόντων είναι παθητική και εξαρτάται μόνο από το ηλεκτροχημικό δυναμικό του ιόντος (δεν απαιτεί ενέργεια με τη μορφή μορίου ATP). Στους νευρώνες, τα κανάλια νατρίου είναι υπεύθυνα για την ανοδική φάση του δυναμικού δράσης. (αποπόλωση).

2.2. Κανάλι K+

Αυτοί οι δίαυλοι ιόντων αποτελούν την πιο ετερογενή ομάδα δομικών πρωτεϊνών μεμβράνης. Στους νευρώνες, η αποπόλωση ενεργοποιεί τα κανάλια Κ+ και διευκολύνει την έξοδο του Κ+ από το νευρικό κύτταρο, οδηγώντας σε επαναπόλωση του δυναμικού της μεμβράνης.

23. Κανάλι Ca++

Τα ιόντα ασβεστίου προάγουν τη σύντηξη της μεμβράνης των συναπτικών κυστιδίων (δομές που βρίσκονται στο άκρο του νευρωνικού άξονα και υπεύθυνος για την έκκριση νευροδιαβιβαστών) με την τελική μεμβράνη του άξονα στο νευρώνας, διεγείροντας την απελευθέρωση ακετυλοχολίνης στη συναπτική σχισμή μέσω ενός μηχανισμού εξωκυττάρωσης.

2.4. Cl-κανάλι

Αυτός ο τύπος ιοντικών καναλιών είναι υπεύθυνος για τη ρύθμιση της διεγερσιμότητας των κυττάρων, τη μεταφορά μεταξύ των κυττάρων, καθώς και τη διαχείριση του PH και του όγκου των κυττάρων. Τα κανάλια που βρίσκονται στη μεμβράνη σταθεροποιούν το δυναμικό της μεμβράνης σε διεγέρσιμα κύτταρα. είναι επίσης υπεύθυνος για τη μεταφορά μεταξύ των κυττάρων νερού και ηλεκτρολυτών.

3. Κανάλια ιόντων που ρυθμίζονται από μηχανοευαίσθητα ερεθίσματα

Αυτά τα κανάλια ιόντων ανοιχτό ως απάντηση σε μηχανικές ενέργειες. Μπορούν να βρεθούν, για παράδειγμα, στα σωματίδια του Paccini (αισθητικοί υποδοχείς στο δέρμα που ανταποκρίνονται σε γρήγορες δονήσεις και σε βαθιά μηχανική πίεση), που ανοίγουν τεντώνοντας την κυτταρική μεμβράνη μέσω της εφαρμογής τάσης και/ή πίεση.

Καναλοπάθειες: παθολογίες που σχετίζονται με αυτά τα μόρια

Από φυσιολογική άποψη, κανάλια ιόντων είναι απαραίτητα για την ομοιοστατική ισορροπία του σώματός μας. Η δυσλειτουργία του προκαλεί μια ολόκληρη σειρά από ασθένειες, γνωστές ως καναλοπάθειες. Αυτά μπορούν να παραχθούν με δύο τύπους μηχανισμών: γενετικές αλλοιώσεις και αυτοάνοσα νοσήματα.

Μεταξύ των γενετικών αλλαγών, υπάρχουν μεταλλάξεις που συμβαίνουν στην κωδικοποιητική περιοχή του γονιδίου για ένα κανάλι ιόντων. Είναι σύνηθες για αυτές τις μεταλλάξεις να παράγουν πολυπεπτιδικές αλυσίδες που δεν επεξεργάζονται σωστά και δεν ενσωματώνονται στην πλασματική μεμβράνη. ή, όταν οι υπομονάδες ζευγαρώνουν και σχηματίζουν τα κανάλια, αυτά δεν είναι λειτουργικά.

Μια άλλη συχνή πιθανότητα είναι ότι, παρόλο που είναι λειτουργικά κανάλια, καταλήγουν να εμφανίζουν αλλοιωμένη κινητική. Σε κάθε περίπτωση, συχνά οδηγούν σε κέρδος ή απώλεια λειτουργίας καναλιού.

Επίσης μεταλλάξεις μπορεί να συμβούν στην περιοχή προαγωγέα του γονιδίου που κωδικοποιεί ένα κανάλι ιόντων. Αυτό μπορεί να προκαλέσει υποέκφραση ή υπερέκφραση της πρωτεΐνης, προκαλώντας αλλαγές στον αριθμό των καναλιών, που θα προκαλούσαν επίσης αύξηση ή μείωση της λειτουργικότητάς της.

Επί του παρόντος, είναι γνωστές πολλαπλές παθολογίες που σχετίζονται με διαύλους ιόντων σε διαφορετικούς ιστούς. Σε μυοσκελετικό επίπεδο, μεταλλάξεις στα κανάλια Na+, K+, Ca++ και Cl- που καλύπτονται από τάση και στο κανάλι ακετυλοχολίνης οδηγούν σε διαταραχές όπως υπερκαλιαιμική και υποκαλιαιμική παράλυση, μυοτονία, κακοήθη υπερθερμία και μυασθένεια.

Σε νευρωνικό επίπεδο, έχει προταθεί ότι οι αλλαγές στα κανάλια Na+ με πύλη τάσης, στα κανάλια K+ και Ca++ από την τάση, το κανάλι που ενεργοποιείται από την ακετυλοχολίνη ή αυτό που ενεργοποιείται από τη γλυκίνη, θα μπορούσε να εξηγήσει διαταραχές όπως η επιληψία, η αταξία επεισοδιακή ημικρανία, οικογενής ημιπληγική ημικρανία, σύνδρομο Lambert-Eaton, νόσος Alzheimer, νόσος του Πάρκινσον και σχιζοφρένεια.

Βιβλιογραφικές αναφορές:

• J. Τ. Menéndez, «Οι πόροι και τα ιοντικά κανάλια ρυθμίζουν την κυτταρική δραστηριότητα», στο Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, σελ. 23.
• Άνα Ι. Fernandez-Marino, Tyler J. Harpole, Kevin Oelstrom, Lucie Delemotte και Baron Chanda. "Οι χάρτες αλληλεπίδρασης πύλης αποκαλύπτουν έναν μη κανονικό τρόπο ηλεκτρομηχανικής σύζευξης στο κανάλι Shaker K+". Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, Απρίλιος 2018.
• σολ. Eisenman και J. A. Dani. Ann (1987). Εισαγωγή στη μοριακή αρχιτεκτονική και τη διαπερατότητα των διαύλων ιόντων. Στροφή μηχανής. Biophys. Biophys. Chemm, 16. σελ. 205-226.
• Aidley, D. J. (1989) Η φυσιολογία διεγέρσιμων κυττάρων. Cambridge University Press.