Ioonikanalid: mis need on, tüübid. ja kuidas nad rakkudes töötavad

Ioonkanalid on valgukompleksid, mis paiknevad rakumembraanides, mis reguleerivad elutähtsaid protsesse, nagu südamelööke või signaalide edastamist neuronite vahel.

Selles artiklis selgitame, millest need koosnevad, mis on nende funktsioon ja struktuur, millised ioonkanalid eksisteerivad ja nende seost erinevate haigustega.

• Seotud artikkel: "Tegevuspotentsiaal: mis see on ja millised on selle etapid?"

Mis on ioonkanal?

Me mõistame ioonkanalite all vesipooridega täidetud valgukompleksid, mis võimaldavad ioonidel läbida, pannes need voolama läbi rakumembraani. Need kanalid on olemas kõigis rakkudes, mille oluliseks komponendiks nad on.

Iga rakk on ümbritsetud membraaniga, mis eraldab selle väliskeskkonnast. Selle lipiidide kahekihiline struktuur ei ole kergesti läbitav polaarsetele molekulidele, nagu aminohapped või ioonid. Seetõttu on vaja neid aineid rakku sisse ja välja transportida membraanivalkude, näiteks pumpade, transportijate ja ioonikanalite abil.

kanalid koosnevad ühest või mitmest erinevast valgust, mida nimetatakse subühikuteks

(alfa, beeta, gamma jne). Kui mitu neist kokku saavad, loovad nad ringikujulise struktuuri, mille keskel on auk või poorid, mis võimaldavad ioonide läbipääsu.

Üks nende kanalite eripära on nende selektiivsus; ehk nemad teha kindlaks, et mõned anorgaanilised ioonid läbivad ja teised mitte, olenevalt diameetrist ja selle aminohapete jaotusest.

Ioonikanalite avanemist ja sulgemist reguleerivad erinevad tegurid; konkreetne stiimul või andur määrab, et nad kõiguvad ühest olekust teise, muutes nende koostist.

Nüüd vaatame, milliseid funktsioone nad täidavad ja milline on nende struktuur.

Funktsioonid ja struktuur

Oluliste rakuprotsesside, nagu neurotransmitterite sekretsioon või elektriliste signaalide edastamine, taga on ioonkanalid, mis anda rakkudele elektrilisi ja ergastavaid võimeid. Ja kui need ebaõnnestuvad, võib tekkida arvukalt patoloogiaid (millest räägime hiljem).

Ioonikanalite struktuur esineb transmembraansete valkude kujul ja toimib väravasüsteemina reguleerida ioonide (kaalium, naatrium, kaltsium, kloor jne) läbipääsu pooridest.

Veel paar aastat tagasi arvati, et poorid ja pingeandur on ühendatud läbi a linker või "linker" (umbes 15 aminohappest koosnev spiraal), mida saab aktiveerida anduri liikumisega Pinge. See ioonikanali kahe osa vaheline sidestusmehhanism on kanooniline mehhanism, mida on alati teoreetiseeritud.

Hiljuti on uued uuringud aga avastanud veel ühe tee, mis hõlmab aminohapete segmenti, mis koosneb osast pingeandurist ja osast pooridest. Need kaks segmenti sobiksid kokku nagu tõmblukk, et käivitada kanali avamine või sulgemine. See uus mehhanism võib omakorda selgitada hiljutisi avastusi, milles mõned pingepõhised ioonkanalid (mõned vastutavad selliste funktsioonide eest nagu südamelöök), millel on vaid a linker.

Pingepõhised ioonkanalid on vaid üks olemasolevatest kanalitüüpidest, kuid neid on veel: vaatame, mis need järgmiseks on.

• Teid võivad huvitada: "Millised on neuroni osad?"

Ioonkanalite tüübid

Ioonikanalite aktiveerimise mehhanisme võib olla mitut tüüpi: ligandi, pinge või mehhaanitundlike stiimulite abil.

1. Ligandiga seotud ioonikanalid

Need ioonkanalid avanevad vastusena teatud molekulide ja neurotransmitterite seondumisele. See avanemismehhanism on tingitud keemilise aine (milleks võib olla hormoon, peptiid või neurotransmitter) koostoime. kanali osaga, mida nimetatakse retseptoriks, mis tekitab muutuse vabas energias ja muudab valgu konformatsiooni, avades kanal.

Selle saaja atsetüülkoliin (neurotransmitter, mis osaleb signaalide edastamises motoorsete närvide ja lihaste vahel) nikotiini tüüpi, on üks enim uuritud ligandiga seotud ioonikanaleid. See koosneb viiest 20 aminohappest koosnevast alaühikust ja osaleb sellistes põhifunktsioonides nagu liikumise, mälu, tähelepanu, une, erksuse või ärevuse vabatahtlik kontroll.

2. pingega juhitavad ioonkanalid

Sellised kanalid avatud vastuseks muutustele elektrilises potentsiaalis üle plasmamembraani. Pingepõhised ioonkanalid osalevad elektriimpulsside edastamises, tekitades aktsioonipotentsiaalid, mis on tingitud muutustest elektrilaengute erinevuses mõlemal pool membraan.

Ioonide vool toimub kahes protsessis: aktiveerimisel pingest sõltuv protsess: kanal avaneb vastuseks muutustele membraanipotentsiaalis (elektrilise potentsiaali erinevus mõlemal pool membraani membraan); ja inaktiveerimine, protsess, mis reguleerib kanali sulgemist.

Pingepõhiste ioonkanalite põhiülesanne on tegevuspotentsiaalide genereerimine ja nende levik. Neid on mitut tüüpi ja peamised on järgmised:

2.1. Na+ kanal

Need on transmembraansed valgud, mis võimaldavad naatriumioonide läbimist läbi raku. Ioonide transport on passiivne ja sõltub ainult iooni elektrokeemilisest potentsiaalist (ei vaja energiat ATP molekuli kujul). Neuronites vastutavad naatriumikanalid aktsioonipotentsiaali tõusufaasi eest. (depolarisatsioon).

2.2. K+ kanal

Need ioonikanalid moodustavad struktuursete membraanivalkude kõige heterogeensema rühma. Neuronites aktiveerib depolarisatsioon K+ kanalid ja hõlbustab K+ väljumist närvirakust, mis viib membraanipotentsiaali repolarisatsioonini.

23. Ca++ kanal

Kaltsiumiioonid soodustavad sünaptiliste vesiikulite membraani (struktuurid, mis asuvad. neuronaalse aksoni otsas ja vastutab neurotransmitterite sekretsiooni eest) koos aksoni terminaalse membraaniga neuron, stimuleerides eksotsütoosi mehhanismi abil atsetüülkoliini vabanemist sünaptilisse pilusse.

2.4. Cl-kanal

Seda tüüpi ioonkanalid vastutavad rakkude erutatavuse, rakkudevahelise transpordi, samuti PH ja raku mahu juhtimise eest. Membraanis asuvad kanalid stabiliseerivad membraanipotentsiaali erutuvates rakkudes. on ka vastutab vee ja elektrolüütide vahelise transpordi eest.

3. Ioonikanalid, mida reguleerivad mehaanilised tundlikud stiimulid

Need ioonkanalid avatud vastuseks mehaanilistele mõjudele. Neid võib leida näiteks Paccini vererakkudest (naha sensoorsed retseptorid, mis reageerivad kiirele vibratsioonile ja sügavale mehaanilisele survele), mis avanevad rakumembraani venitamisel pinge ja/või survet.

Kanalopaatiad: nende molekulidega seotud patoloogiad

Füsioloogilisest vaatenurgast ioonikanalid on meie keha homöostaatilise tasakaalu jaoks hädavajalikud. Selle düsfunktsioon põhjustab terve rea haigusi, mida nimetatakse kanalopaatiaks. Neid saab tekitada kahte tüüpi mehhanismide abil: geneetilised muutused ja autoimmuunhaigused.

Geneetiliste muutuste hulgas on mutatsioone, mis esinevad ioonikanali geeni kodeerivas piirkonnas. On tavaline, et need mutatsioonid tekitavad polüpeptiidahelaid, mida ei töödelda korrektselt ja mis ei sisaldu plasmamembraanis; või kui allüksused paarituvad ja moodustavad kanalid, siis need ei toimi.

Teine sagedane võimalus on see, et kuigi need on funktsionaalsed kanalid, näitavad nad lõpuks muutunud kineetikat. Igal juhul põhjustavad need sageli kanali funktsiooni suurenemist või kadumist.

Samuti mutatsioonid võivad tekkida ioonikanalit kodeeriva geeni promootorpiirkonnas. See võib põhjustada valgu ala- või üleekspressiooni, põhjustades muutusi kanalite arvus, mis võib samuti põhjustada selle funktsionaalsuse suurenemist või vähenemist.

Praegu on teada mitu patoloogiat, mis on seotud erinevate kudede ioonikanalitega. Lihas-skeleti tasandil mutatsioonid pingest sõltuvates Na+, K+, Ca++ ja Cl- kanalites ning atsetüülkoliini kanalis põhjustada selliseid häireid nagu hüperkaleemiline ja hüpokaleemiline halvatus, müotoonia, pahaloomuline hüpertermia ja müasteenia.

Neuronaalsel tasandil on tehtud ettepanek, et pingega seotud Na+ kanalite, K+ ja Ca++ kanalite muutused pinge järgi, atsetüülkoliini poolt aktiveeritud kanal või glütsiini poolt aktiveeritud kanal, võib seletada selliseid häireid nagu epilepsia, ataksia episoodiline migreen, perekondlik hemiplegiline migreen, Lambert-Eatoni sündroom, Alzheimeri tõbi, Parkinsoni tõbi ja skisofreenia.

Bibliograafilised viited:

• J. T. Menéndez, "Poorid ja ioonkanalid reguleerivad raku aktiivsust", Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, lk. 23.
• Ana I. Fernandez-Marino, Tyler J. Harpole, Kevin Oelstrom, Lucie Delemotte ja parun Chanda. "Värava interaktsioonikaardid näitavad Shaker K+ kanalis mittekanoonilist elektromehaanilist sidestusrežiimi." Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, aprill 2018.
• g. Eisenman ja J. A. Dani. Ann (1987). Sissejuhatus molekulaararhitektuuri ja ioonikanalite läbilaskvusesse. Rev. Biophys. Biophys. Chemm, 16. lk. 205-226.
• Aidley, D. J. (1989) Ergutavate rakkude füsioloogia. Cambridge University Press.