Jonu kanāli: kas tie ir, veidi. un kā tās darbojas šūnās

Jonu kanāli ir olbaltumvielu kompleksi, kas atrodas šūnu membrānās, kas regulē dzīvībai svarīgus procesus, piemēram, sirdsdarbību vai signālu pārraidi starp neironiem.

Šajā rakstā mēs izskaidrosim, no kā tie sastāv, kāda ir to funkcija un struktūra, kādi jonu kanālu veidi pastāv un to saistību ar dažādām slimībām.

• Saistīts raksts: "Darbības potenciāls: kas tas ir un kādi ir tā posmi?"

Kas ir jonu kanāls?

Mēs saprotam ar jonu kanāliem olbaltumvielu kompleksi, kas piepildīti ar ūdens porām, kas ļauj joniem iziet, liekot tām plūst pa šūnu membrānu. Šie kanāli atrodas visās šūnās, un tie ir būtiska sastāvdaļa.

Katru šūnu ieskauj membrāna, kas to atdala no ārējās vides. Tā lipīdu divslāņu struktūra nav viegli caurlaidīga polārām molekulām, piemēram, aminoskābēm vai joniem. Tāpēc ir nepieciešams transportēt šīs vielas šūnā un no tās, izmantojot membrānas proteīnus, piemēram, sūkņus, transportētājus un jonu kanālus.

kanāliem Tie sastāv no viena vai vairākiem dažādiem proteīniem, ko sauc par apakšvienībām

(alfa, beta, gamma utt.). Kad vairāki no tiem saplūst kopā, tie veido apļveida struktūru, kuras centrā ir caurums vai poras, kas ļauj joniem iziet cauri.

Viena no šo kanālu īpatnībām ir to selektivitāte; tas ir, viņi nosaka, ka daži neorganiskie joni iziet cauri, bet citi ne, atkarībā no diametra un tā aminoskābju sadalījuma.

Jonu kanālu atvēršanu un aizvēršanos regulē dažādi faktori; konkrēts stimuls vai sensors ir tas, kas nosaka, ka tie svārstās no viena stāvokļa uz otru, mainot to sastāvu.

Tagad redzēsim, kādas funkcijas viņi pilda un kāda ir to struktūra.

Funkcijas un struktūra

Aiz būtiskiem šūnu procesiem, piemēram, neirotransmiteru sekrēcijas vai elektrisko signālu pārraides, ir jonu kanāli, kas piešķir šūnām elektriskās un uzbudināmās spējas. Un, kad tie neizdodas, var rasties daudzas patoloģijas (par kurām mēs runāsim vēlāk).

Jonu kanālu struktūra notiek transmembrānu proteīnu veidā un darbojas kā vārtu sistēma regulēt jonu (kālija, nātrija, kalcija, hlora u.c.) pāreju caur porām.

Vēl pirms dažiem gadiem tika uzskatīts, ka poras un sprieguma sensors ir savienoti caur a linkeris jeb "linkeris" (apmēram 15 aminoskābju spirāle), ko var aktivizēt ar sensora kustību spriegums. Šis savienojuma mehānisms starp abām jonu kanāla daļām ir kanoniskais mehānisms, kas vienmēr ir bijis teorētisks.

Tomēr nesen jauni pētījumi ir atklājuši vēl vienu ceļu, kas ietver aminoskābju segmentu, ko veido daļa no sprieguma sensora un daļa no porām. Šie divi segmenti sader kopā kā rāvējslēdzējs, lai aktivizētu kanāla atvēršanu vai aizvēršanu. Savukārt šis jaunais mehānisms varētu izskaidrot nesenos atklājumus, kuros daži sprieguma kontrolēti jonu kanāli (daži atbild par tādām funkcijām kā sirdsdarbība) ar tikai a saistītājs.

Sprieguma jonu kanāli ir tikai viens no esošajiem kanālu veidiem, taču ir arī vairāk: redzēsim, kādi tie ir nākamie.

• Jūs varētu interesēt: "Kādas ir neirona daļas?"

Jonu kanālu veidi

Jonu kanālu aktivizēšanas mehānismi var būt vairāku veidu: ar ligandu, pēc sprieguma vai ar mehāniski jutīgiem stimuliem.

1. Ar ligandu saistīti jonu kanāli

Šie jonu kanāli atveras, reaģējot uz noteiktu molekulu un neirotransmiteru saistīšanos. Šis atvēršanas mehānisms ir saistīts ar ķīmiskas vielas (kas var būt hormons, peptīds vai neirotransmiters) mijiedarbību. ar kanāla daļu, ko sauc par receptoru, kas rada izmaiņas brīvajā enerģijā un maina proteīna konformāciju, atverot kanālu.

Saņēmējs acetilholīns (neirotransmiters, kas iesaistīts signālu pārraidē starp motoriem nerviem un muskuļiem) ir nikotīna tipa, ir viens no visvairāk pētītajiem ligandu kontrolētajiem jonu kanāliem. Tas sastāv no 5 20 aminoskābju apakšvienībām un ir iesaistīts tādās pamatfunkcijās kā brīvprātīga kustību, atmiņas, uzmanības, miega, modrības vai trauksmes kontrole.

2. sprieguma kontrolēti jonu kanāli

Šāda veida kanāli atveras, reaģējot uz elektriskā potenciāla izmaiņām plazmas membrānā. Sprieguma jonu kanāli ir iesaistīti elektrisko impulsu pārraidē, ģenerējot darbības potenciāls, ko izraisa izmaiņas elektrisko lādiņu starpībā abās pusēs membrāna.

Jonu plūsma notiek divos procesos: aktivizējoties, no sprieguma atkarīgs process: atveras kanāls reaģējot uz membrānas potenciāla izmaiņām (elektriskā potenciāla atšķirības abās pusēs membrāna); un inaktivācija, process, kas regulē kanāla slēgšanu.

Sprieguma jonu kanālu galvenā funkcija ir darbības potenciālu ģenerēšana un to izplatīšana. Ir vairāki veidi, un galvenie ir:

2.1. Na+ kanāls

Tie ir transmembrānas proteīni, kas ļauj nātrija joniem iziet cauri šūnai. Jonu transportēšana ir pasīva un ir atkarīga tikai no jona elektroķīmiskā potenciāla (tam nav nepieciešama enerģija ATP molekulas veidā). Neironos nātrija kanāli ir atbildīgi par darbības potenciāla pieauguma fāzi. (depolarizācija).

2.2. K+ kanāls

Šie jonu kanāli veido neviendabīgāko strukturālo membrānas proteīnu grupu. Neironos depolarizācija aktivizē K+ kanālus un atvieglo K+ izvadīšanu no nervu šūnas, izraisot membrānas potenciāla repolarizāciju.

23. Ca++ kanāls

Kalcija joni veicina sinaptisko pūslīšu membrānas saplūšanu (struktūras, kas atrodas neironu aksona galā un atbild par neirotransmiteru sekrēciju) ar aksona gala membrānu neirons, stimulējot acetilholīna izdalīšanos sinaptiskajā plaisā ar eksocitozes mehānismu.

2.4. Cl-kanāls

Šāda veida jonu kanāli ir atbildīgi par šūnu uzbudināmības regulēšanu, transportēšanu starp šūnām, kā arī par PH un šūnu tilpuma pārvaldību. Kanāli, kas atrodas membrānā, stabilizē membrānas potenciālu uzbudināmās šūnās. ir arī atbild par ūdens un elektrolītu transportēšanu starp šūnām.

3. Jonu kanāli, ko regulē mehāniski jutīgi stimuli

Šie jonu kanāli atvērts, reaģējot uz mehāniskām darbībām. Tos var atrast, piemēram, Pakīni asinsķermenīšos (ādas sensoros receptoros, kas reaģē uz straujām vibrācijām un. līdz dziļam mehāniskam spiedienam), kas atveras, izstiepjot šūnu membrānu, izmantojot spriedzi un/vai spiedienu.

Kannelopātijas: ar šīm molekulām saistītas patoloģijas

No fizioloģiskā viedokļa jonu kanāli ir būtiski mūsu ķermeņa homeostatiskajam līdzsvaram. Tās disfunkcija izraisa veselu virkni slimību, ko sauc par kanālopātijām. Tos var radīt divu veidu mehānismi: ģenētiskas izmaiņas un autoimūnas slimības.

Starp ģenētiskajām izmaiņām ir mutācijas, kas rodas gēna kodēšanas reģionā jonu kanālam. Parasti šīs mutācijas rada polipeptīdu ķēdes, kas netiek pareizi apstrādātas un nav iekļautas plazmas membrānā; vai, kad apakšvienības pārojas un veido kanālus, tie nedarbojas.

Vēl viena bieži sastopama iespēja ir tāda, ka, lai gan tie ir funkcionāli kanāli, tie uzrāda mainītu kinētiku. Jebkurā gadījumā tie bieži noved pie kanāla funkcijas palielināšanas vai zaudēšanas.

Arī mutācijas var rasties gēna promotora reģionā, kas kodē jonu kanālu. Tas var izraisīt proteīna nepietiekamu vai pārmērīgu ekspresiju, radot izmaiņas kanālu skaitā, kas arī izraisītu tā funkcionalitātes palielināšanos vai samazināšanos.

Pašlaik ir zināmas vairākas patoloģijas, kas saistītas ar jonu kanāliem dažādos audos. Skeleta-muskuļu līmenī mutācijas no sprieguma atkarīgajos Na+, K+, Ca++ un Cl- kanālos un acetilholīna kanālā. izraisīt tādus traucējumus kā hiperkalēmiska un hipokaliēmiska paralīze, miotonija, ļaundabīga hipertermija un miastēnija.

Neironu līmenī ir ierosināts, ka izmaiņas sprieguma atkarīgos Na+ kanālos, K+ un Ca++ kanālos pēc sprieguma, kanāls, ko aktivizē acetilholīns vai tas, ko aktivizē glicīns, varētu izskaidrot tādus traucējumus kā epilepsija, ataksija epizodiska migrēna, ģimenes hemiplegiskā migrēna, Lamberta-Ītona sindroms, Alcheimera slimība, Parkinsona slimība un šizofrēnija.

Bibliogrāfiskās atsauces:

• Dž. T. Menendess, “Poras un jonu kanāli regulē šūnu aktivitāti”, Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, 1. lpp. 23.
• Ana I. Fernandess-Marino, Tailers Dž. Hārpols, Kevins Olstroms, Lūsija Delmote un barons Čandā. “Vārtu mijiedarbības kartes atklāj nekanonisku elektromehānisko savienojuma režīmu Shaker K+ kanālā”. Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, 2018. gada aprīlis.
• g. Eizenmans un J. A. Dani. Anna (1987). Ievads molekulārajā arhitektūrā un jonu kanālu caurlaidībā. Rev. Biophys. Biophys. Chemm, 16. lpp. 205-226.
• Aidlijs, D. Dž. (1989) Uzbudināmo šūnu fizioloģija. Cambridge University Press.