Ionikanavat: mitä ne ovat, tyypit. ja miten ne toimivat soluissa

Ionikanavat ovat proteiinikomplekseja, jotka sijaitsevat solukalvoissa, jotka säätelevät elintärkeitä prosesseja, kuten sydämenlyöntiä tai signaalien välittämistä hermosolujen välillä.

Tässä artikkelissa aiomme selittää, mistä ne koostuvat, mikä on niiden toiminta ja rakenne, millaisia ​​ionikanavia on olemassa ja niiden suhdetta erilaisiin sairauksiin.

• Aiheeseen liittyvä artikkeli: "Toimintapotentiaali: mikä se on ja mitkä ovat sen vaiheet?"

Mikä on ionikanava?

Ymmärrämme ionikanavilla proteiinikompleksit, jotka ovat täynnä vesihuokosia, jotka päästävät ioneja kulkemaan, jolloin ne virtaavat solukalvon läpi. Näitä kanavia on kaikissa soluissa, ja ne ovat olennainen komponentti.

Jokaista solua ympäröi kalvo, joka erottaa sen ulkoisesta ympäristöstä. Sen lipidikaksoiskerrosrakenne ei läpäise helposti polaarisia molekyylejä, kuten aminohappoja tai ioneja. Siksi on välttämätöntä kuljettaa näitä aineita soluun ja sieltä ulos kalvoproteiinien, kuten pumppujen, kuljettajien ja ionikanavien avulla.

kanavat koostuvat yhdestä tai useammasta eri proteiinista, joita kutsutaan alayksiköiksi (alfa, beta, gamma jne.). Kun useat niistä tulevat yhteen, ne muodostavat pyöreän rakenteen, jonka keskellä on reikä tai huokos, joka mahdollistaa ionien kulkemisen.

Yksi näiden kanavien erityispiirteistä on niiden valikoivuus; eli he määrittää, että jotkut epäorgaaniset ionit kulkevat läpi ja eivät toisia, riippuen halkaisijasta ja sen aminohappojen jakautumisesta.

Ionikanavien avautumista ja sulkeutumista säätelevät useat tekijät; tietty ärsyke tai anturi määrittää, että ne vaihtelevat tilasta toiseen muuttamalla niiden koostumusta.

Katsotaan nyt, mitä tehtäviä ne täyttävät ja mikä niiden rakenne on.

Toiminnot ja rakenne

Olennaisten soluprosessien, kuten välittäjäaineiden erittymisen tai sähköisten signaalien välittämisen, takana ovat ionikanavat, jotka antaa soluille sähköisiä ja virittäviä ominaisuuksia. Ja kun ne epäonnistuvat, voi esiintyä lukuisia patologioita (joista puhumme myöhemmin).

Ionikanavien rakenne esiintyy transmembraanisten proteiinien muodossa ja toimii porttijärjestelmänä säätelemään ionien (kalium, natrium, kalsium, kloori jne.) kulkua huokosten läpi.

Vielä muutama vuosi sitten luultiin, että huokoset ja jänniteanturi oli kytketty a linkkeri tai "linkkeri" (noin 15 aminohapon spiraali), joka voidaan aktivoida anturin liikkeellä Jännite. Tämä kytkentämekanismi ionikanavan kahden osan välillä on kanoninen mekanismi, jota on aina teoretisoitu.

Äskettäin uusi tutkimus on kuitenkin paljastanut toisen polun sisältää aminohappojen segmentin, joka koostuu osasta jänniteanturia ja osasta huokosista. Nämä kaksi segmenttiä sopivat yhteen vetoketjun tavoin käynnistämään kanavan avaamisen tai sulkemisen. Tämä uusi mekanismi puolestaan ​​voisi selittää viimeaikaiset löydöt, joissa jotkut jänniteohjatut ionikanavat (jotkut vastaavat toiminnoista, kuten sydämenlyönnistä) vain a linkittäjä.

Jänniteportti ionikanavat ovat vain yksi olemassa olevista kanavatyypeistä, mutta niitä on enemmän: katsotaanpa, mitä ne ovat seuraavaksi.

• Saatat olla kiinnostunut: "Mitkä ovat neuronin osat?"

Ionikanavien tyypit

Ionikanavien aktivoitumismekanismeja voi olla monen tyyppisiä: ligandin, jännitteen tai mekaanisesti herkkien ärsykkeiden avulla.

1. Ligandiportoidut ionikanavat

Nämä ionikanavat avautuvat vasteena tiettyjen molekyylien ja välittäjäaineiden sitoutumiselle. Tämä avautumismekanismi johtuu kemiallisen aineen vuorovaikutuksesta (joka voi olla hormoni, peptidi tai välittäjäaine) osalla kanavaa nimeltä reseptori, joka saa aikaan muutoksen vapaassa energiassa ja muokkaa proteiinin konformaatiota avaamalla kanava.

Vastaanottaja asetyylikoliini (välittäjäaine, joka osallistuu signaalien siirtoon motoristen hermojen ja lihasten välillä) on nikotiinityyppistä, on yksi tutkituimpia ligandiportti ionikanavia. Se koostuu viidestä 20 aminohapon alayksiköstä ja osallistuu perustoimintoihin, kuten vapaaehtoinen liikkeen, muistin, huomion, unen, valppauden tai ahdistuksen hallinta.

2. jänniteohjatut ionikanavat

Tällaisia ​​kanavia avautuvat vasteena plasmamembraanin sähköpotentiaalin muutoksiin. Jänniteohjatut ionikanavat ovat mukana sähköisten impulssien välittämisessä ja synnyttävässä toimintapotentiaalit, jotka johtuvat sähkövarausten erojen muutoksista molemmilla puolilla kalvo.

Ionivirtaus tapahtuu kahdessa prosessissa: aktivoitumalla jännitteestä riippuvainen prosessi: kanava avautuu vastauksena kalvopotentiaalin muutoksiin (sähköpotentiaalin ero kalvon kummallakin puolella kalvo); ja inaktivointi, prosessi, joka säätelee kanavan sulkemista.

Jänniteohjattujen ionikanavien päätehtävä on toimintapotentiaalien luominen ja niiden leviäminen. Niitä on useita, ja tärkeimmät ovat:

2.1. Na+ kanava

Ne ovat kalvon läpäiseviä proteiineja, jotka mahdollistavat natrium-ionien kulkemisen solun läpi. Ionikuljetus on passiivista ja riippuu vain ionin sähkökemiallisesta potentiaalista (se ei vaadi energiaa ATP-molekyylin muodossa). Neuroneissa natriumkanavat ovat vastuussa toimintapotentiaalin nousuvaiheesta. (depolarisaatio).

2.2. K+ kanava

Nämä ionikanavat muodostavat heterogeenisimmän ryhmän rakenteellisia membraaniproteiineja. Hermosoluissa depolarisaatio aktivoi K+-kanavia ja helpottaa K+:n poistumista hermosolusta, mikä johtaa kalvopotentiaalin repolarisaatioon.

23. Ca++ kanava

Kalsiumionit edistävät synaptisen vesikkelin kalvon (rakenteet, jotka sijaitsevat vesikkelissä neuronaalisen aksonin päässä ja vastaa välittäjäaineiden erittämisestä) aksonin terminaalikalvon kanssa neuroni, stimuloi asetyylikoliinin vapautumista synaptiseen rakoon eksosytoosimekanismilla.

2.4. Cl-kanava

Tämän tyyppiset ionikanavat ovat vastuussa solujen kiihottumisen, solujen välisen kuljetuksen säätelystä sekä PH: n ja solutilavuuden hallinnasta. Kalvossa sijaitsevat kanavat stabiloivat kalvopotentiaalia virittyvissä soluissa. ovat myös vastuussa veden ja elektrolyyttien kuljetuksesta solujen välillä.

3. Ionikanavat, joita säätelevät mekaaniset herkät ärsykkeet

Nämä ionikanavat avautuu mekaanisten toimintojen seurauksena. Niitä löytyy esimerkiksi Paccinin verisoluista (ihon sensoriset reseptorit, jotka reagoivat nopeaan tärinään ja syvään mekaaniseen paineeseen), jotka avautuvat venyttämällä solukalvoa jännityksen ja/tai paine.

Kanalopatiat: näihin molekyyleihin liittyvät patologiat

Fysiologisesta näkökulmasta ionikanavat ovat välttämättömiä kehomme homeostaattiselle tasapainolle. Sen toimintahäiriö aiheuttaa useita sairauksia, jotka tunnetaan nimellä kanavaopatiat. Näitä voidaan tuottaa kahdentyyppisillä mekanismeilla: geneettisillä muutoksilla ja autoimmuunisairaudilla.

Geneettisten muutosten joukossa on mutaatioita, jotka tapahtuvat geenin ionikanavaa koodaavalla alueella. On tavallista, että nämä mutaatiot tuottavat polypeptidiketjuja, joita ei prosessoida oikein ja joita ei sisällytetä plasmamembraaniin; tai kun alayksiköt pariutuvat ja muodostavat kanavat, ne eivät ole toimivia.

Toinen yleinen mahdollisuus on, että vaikka ne ovat toiminnallisia kanavia, niiden kinetiikka on muuttunut. Joka tapauksessa ne johtavat usein kanavan toiminnan vahvistumiseen tai häviämiseen.

Myös mutaatioita voi tapahtua ionikanavaa koodaavan geenin promoottorialueella. Tämä voi aiheuttaa proteiinin ali- tai yli-ilmentymistä, mikä saa aikaan muutoksia kanavien lukumäärässä, mikä aiheuttaisi myös sen toiminnallisuuden lisääntymistä tai vähenemistä.

Tällä hetkellä tunnetaan useita patologioita, jotka liittyvät ionikanaviin eri kudoksissa. Tuki- ja liikuntaelimistön tasolla mutaatiot jänniteriippuvaisissa Na+-, K+-, Ca++- ja Cl-kanavissa sekä asetyylikoliinikanavassa aiheuttaa häiriöitä, kuten hyperkaleeminen ja hypokaleeminen halvaus, myotonia, pahanlaatuinen hypertermia ja myasthenia.

Hermosolujen tasolla on ehdotettu, että muutoksia jänniteohjatuissa Na+-, K+- ja Ca++-kanavissa jännitteen perusteella asetyylikoliinin aktivoima kanava tai glysiinin aktivoima kanava voisi selittää häiriöt, kuten epilepsia, ataksia episodinen migreeni, familiaalinen hemipleginen migreeni, Lambert-Eatonin oireyhtymä, Alzheimerin tauti, Parkinsonin tauti ja skitsofrenia.

Bibliografiset viittaukset:

• J. T. Menéndez, "Huokoset ja ionikanavat säätelevät solujen toimintaa", julkaisussa Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, s. 23.
• Ana I. Fernandez-Marino, Tyler J. Harpole, Kevin Oelstrom, Lucie Delemotte ja Baron Chanda. "Gating-vuorovaikutuskartat paljastavat ei-kanonisen sähkömekaanisen kytkentätilan Shaker K+ -kanavassa." Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, huhtikuu 2018.
• g. Eisenman ja J. A. Dani. Ann (1987). Johdatus molekyyliarkkitehtuuriin ja ionikanavien läpäisevyyteen. Rev. Biophys. Biophys. Chemm, 16. s. 205-226.
• Aidley, D. J. (1989) The physiology of excitable cells. Cambridge University Press.