Jonų kanalai: kas tai yra, tipai. ir kaip jie veikia ląstelėse

Jonų kanalai yra baltymų kompleksai, esančios ląstelių membranose, kurios reguliuoja gyvybinius procesus, tokius kaip širdies plakimas ar signalų perdavimas tarp neuronų.

Šiame straipsnyje mes paaiškinsime, iš ko jie susideda, kokia jų funkcija ir struktūra, kokie jonų kanalai egzistuoja ir koks jų ryšys su įvairiomis ligomis.

• Susijęs straipsnis: "Veiksmo potencialas: kas tai yra ir kokios jo fazės?"

Kas yra jonų kanalas?

Mes suprantame jonų kanalais baltymų kompleksai, užpildyti vandeninėmis poromis, kurios leidžia jonams praeiti, todėl jie tekėja per ląstelės membraną. Šie kanalai yra visose ląstelėse, kurių esminis komponentas yra.

Kiekviena ląstelė yra apsupta membrana, kuri ją atskiria nuo išorinės aplinkos. Jo lipidų dvisluoksnė struktūra nėra lengvai pralaidi polinėms molekulėms, tokioms kaip aminorūgštys ar jonai. Todėl būtina šias medžiagas transportuoti į ląstelę ir iš jos naudojant membraninius baltymus, tokius kaip siurbliai, transporteriai ir jonų kanalai.

kanalus yra sudaryti iš vieno ar daugiau skirtingų baltymų, vadinamų subvienetais

(alfa, beta, gama ir kt.). Kai keli iš jų susijungia, susidaro apskrita struktūra, kurios centre yra skylė arba pora, leidžianti praeiti jonams.

Vienas iš šių kanalų ypatumų yra jų selektyvumas; tai yra, jie nustatyti, kad vieni neorganiniai jonai praeina, o kiti ne, priklausomai nuo jo skersmens ir aminorūgščių pasiskirstymo.

Jonų kanalų atsidarymą ir uždarymą reguliuoja įvairūs veiksniai; konkretus dirgiklis arba jutiklis yra tai, kas lemia, kad jie svyruoja iš vienos būsenos į kitą, keisdami savo sudėtį.

Dabar pažiūrėkime, kokias funkcijas jie atlieka ir kokia jų struktūra.

Funkcijos ir struktūra

Už esminių ląstelių procesų, tokių kaip neurotransmiterių sekrecija arba elektrinių signalų perdavimas, yra jonų kanalai, kurie suteikia ląstelėms elektrines ir sužadinimo galimybes. Ir kai jie nepavyksta, gali atsirasti daugybė patologijų (apie kurias kalbėsime vėliau).

Jonų kanalų struktūra atsiranda transmembraninių baltymų pavidalu ir veikia kaip vartų sistema reguliuoti jonų (kalio, natrio, kalcio, chloro ir kt.) praėjimą per poras.

Dar prieš keletą metų buvo manoma, kad poros ir įtampos jutiklis buvo sujungti per a linkeris arba "linkeris" (apie 15 aminorūgščių spiralė), kurį galima aktyvuoti judant jutikliui Įtampa. Šis sujungimo mechanizmas tarp dviejų jonų kanalo dalių yra kanoninis mechanizmas, kuris visada buvo teorinis.

Tačiau pastaruoju metu nauji tyrimai atskleidė kitą būdą apima aminorūgščių segmentą, sudarytą iš dalies įtampos jutiklio ir dalies porų. Šie du segmentai tilptų kartu kaip užtrauktukas, kad atidarytų arba uždarytų kanalą. Savo ruožtu šis naujas mechanizmas galėtų paaiškinti naujausius atradimus, kuriuose kai kurie nuo įtampos priklausomi jonų kanalai (kai kurie atsakingi už tokias funkcijas kaip širdies plakimas) su tik a saitas.

Įtampa valdomi jonų kanalai yra tik vienas iš esamų kanalų tipų, tačiau jų yra ir daugiau: pažiūrėkime, kokie jie bus toliau.

• Galbūt jus domina: "Kokios yra neurono dalys?"

Jonų kanalų tipai

Jonų kanalų aktyvavimo mechanizmai gali būti kelių tipų: ligando, įtampos arba mechaniškai jautrių dirgiklių.

1. Ligandiniai jonų kanalai

Šie jonų kanalai atsidaro reaguojant į tam tikrų molekulių ir neurotransmiterių surišimą. Šis atidarymo mechanizmas atsiranda dėl cheminės medžiagos (kuri gali būti hormonas, peptidas arba neurotransmiteris) sąveikos. su kanalo dalimi, vadinama receptoriumi, kuri sukuria laisvosios energijos pokyčius ir modifikuoja baltymo konformaciją, atverdama kanalas.

Gavėjas acetilcholinas (neuromediatorius, dalyvaujantis perduodant signalus tarp motorinių nervų ir raumenų) nikotino tipo, yra vienas iš labiausiai ištirtų ligandų valdomų jonų kanalų. Jį sudaro 5 subvienetai iš 20 aminorūgščių ir dalyvauja pagrindinėse funkcijose, tokiose kaip savanoriška judėjimo, atminties, dėmesio, miego, budrumo ar nerimo kontrolė.

2. įtampa valdomi jonų kanalai

Tokie kanalai atsidaro reaguojant į elektrinio potencialo pokyčius plazmos membranoje. Įtampa valdomi jonų kanalai dalyvauja perduodant elektrinius impulsus, generuojant veikimo potencialai dėl elektros krūvių skirtumo pokyčių abiejose pusėse membrana.

Jonų srautas vyksta dviem procesais: aktyvuojant – nuo ​​įtampos priklausomas procesas: kanalas atsidaro reaguojant į membranos potencialo pokyčius (elektrinio potencialo skirtumas abiejose pusėse membrana); ir inaktyvacija – procesas, reguliuojantis kanalo uždarymą.

Pagrindinė įtampos valdomų jonų kanalų funkcija yra veikimo potencialų generavimas ir jų sklidimas. Yra keletas tipų, o pagrindiniai yra šie:

2.1. Na+ kanalas

Jie yra transmembraniniai baltymai, leidžiantys natrio jonams praeiti per ląstelę. Jonų pernešimas yra pasyvus ir priklauso tik nuo elektrocheminio jono potencialo (jam nereikia energijos ATP molekulės pavidalu). Neuronuose natrio kanalai yra atsakingi už didėjančią veikimo potencialo fazę. (depoliarizacija).

2.2. K+ kanalas

Šie jonų kanalai sudaro heterogeniškiausią struktūrinių membraninių baltymų grupę. Neuronuose depoliarizacija suaktyvina K+ kanalus ir palengvina K+ išėjimą iš nervinės ląstelės, o tai lemia membranos potencialo repoliarizaciją.

23. Ca++ kanalas

Kalcio jonai skatina sinaptinės pūslelės membranos (struktūrų, esančių neuroninio aksono gale ir atsakingas už neuromediatorių išskyrimą) su aksono galine membrana neuronas, skatinant acetilcholino išsiskyrimą į sinapsinį plyšį egzocitozės mechanizmu.

2.4. Cl kanalas

Šio tipo joniniai kanalai yra atsakingi už ląstelių sužadinimo reguliavimą, transportavimą tarp ląstelių, taip pat PH ir ląstelių tūrio valdymą. Membranoje esantys kanalai stabilizuoja membranos potencialą sužadinamose ląstelėse. taip pat yra atsakingas už vandens ir elektrolitų pernešimą tarp ląstelių.

3. Jonų kanalai, reguliuojami mechaniškai jautrių dirgiklių

Šie jonų kanalai atsidaro reaguojant į mechaninius veiksmus. Jų galima rasti, pavyzdžiui, Paccini kraujo kūnelių (jutimo receptoriuose odoje, kurie reaguoja į greitą vibraciją ir. iki gilaus mechaninio slėgio), kurios atsidaro tempiant ląstelės membraną įtempiant ir (arba) spaudimas.

Kanalopatijos: su šiomis molekulėmis susijusios patologijos

Fiziologiniu požiūriu jonų kanalai yra būtini mūsų organizmo homeostatinei pusiausvyrai. Jo disfunkcija sukelia daugybę ligų, vadinamų kanalopatijomis. Juos gali sukelti dviejų tipų mechanizmai: genetiniai pakitimai ir autoimuninės ligos.

Tarp genetinių pakitimų yra mutacijų, kurios atsiranda jonų kanalą koduojančiame geno regione. Įprasta, kad dėl šių mutacijų susidaro polipeptidinės grandinės, kurios nėra tinkamai apdorojamos ir nėra įtrauktos į plazmos membraną; arba, kai subvienetai susijungia ir sudaro kanalus, jie neveikia.

Kita dažna galimybė yra ta, kad nors jie yra funkciniai kanalai, jų kinetika pasikeičia. Bet kokiu atveju jie dažnai sukelia kanalo funkcijos padidėjimą arba praradimą.

Taip pat mutacijos gali atsirasti geno, koduojančio jonų kanalą, promotoriaus srityje. Tai gali sukelti nepakankamą arba per didelę baltymo ekspresiją, dėl ko pasikeičia kanalų skaičius, o tai taip pat padidintų arba sumažėtų jo funkcionalumas.

Šiuo metu žinomos kelios patologijos, susijusios su jonų kanalais skirtinguose audiniuose. Skeleto ir raumenų lygmenyje – mutacijos nuo įtampos priklausomuose Na+, K+, Ca++ ir Cl- kanaluose bei acetilcholino kanale sukelti tokius sutrikimus kaip hiperkaleminis ir hipokaleminis paralyžius, miotonija, piktybinė hipertermija ir miastenija.

Neuronų lygmenyje buvo pasiūlyta, kad nuo įtampos priklausomų Na+ kanalų, K+ ir Ca++ kanalų pokyčiai pagal įtampą kanalas, kurį aktyvuoja acetilcholinas arba tas, kurį aktyvuoja glicinas, gali paaiškinti tokius sutrikimus kaip epilepsija, ataksija epizodinė migrena, šeiminė hemipleginė migrena, Lamberto-Eatono sindromas, Alzheimerio liga, Parkinsono liga ir šizofrenija.

Bibliografinės nuorodos:

• J. T. Menéndez, „Poros ir jonų kanalai reguliuoja ląstelių veiklą“, Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, p. 23.
• Ana I. Fernandez-Marino, Tyleris J. Harpole'as, Kevinas Oelstromas, Lucie Delemotte ir baronas Chanda. „Sąveikos žemėlapiai atskleidžia nekanoninį elektromechaninį sujungimo režimą Shaker K+ kanale“. Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, 2018 m. balandis.
• g. Eisenmanas ir J. A. Dani. Ann (1987). Įvadas į molekulinę architektūrą ir jonų kanalų pralaidumą. Rev. Biofizė. Biofizė. Chem, 16. p. 205-226.
• Aidlis, D. J. (1989) Jaudinamųjų ląstelių fiziologija. Kembridžo universiteto leidykla.