Ionische kanalen: wat ze zijn, typen. en hoe ze in cellen werken

Ionkanalen zijn eiwitcomplexen, gelegen in celmembranen, die vitale processen zoals hartslag of de overdracht van signalen tussen neuronen reguleren.

In dit artikel gaan we uitleggen waar ze uit bestaan, wat hun functie en structuur is, welke soorten ionenkanalen er zijn en wat hun relatie is met verschillende ziekten.

• Gerelateerd artikel: "Actiepotentiaal: wat is het en wat zijn de fasen ervan?"

Wat is een ionkanaal?

We verstaan ​​onder ionkanalen eiwitcomplexen gevuld met waterige poriën, waardoor ionen kunnen passeren, waardoor ze over het celmembraan stromen. Deze kanalen zijn aanwezig in alle cellen, waarvan ze een essentieel onderdeel zijn.

Elke cel is omgeven door een membraan dat het scheidt van de buitenomgeving. De structuur van de dubbellaagse lipiden is niet gemakkelijk doorlaatbaar voor polaire moleculen zoals aminozuren of ionen. Daarom is het noodzakelijk om deze stoffen in en uit de cel te transporteren door middel van membraaneiwitten zoals pompen, transporters en ionenkanalen.

de kanalen bestaan ​​uit een of meer verschillende eiwitten die subeenheden worden genoemd (alfa, bèta, gamma, enz.). Wanneer verschillende van hen samenkomen, creëren ze een cirkelvormige structuur met in het midden een gat of porie die de doorgang van ionen mogelijk maakt.

Een van de bijzonderheden van deze kanalen is hun selectiviteit; dat wil zeggen, zij bepalen dat sommige anorganische ionen passeren en andere niet, afhankelijk van de diameter en de verdeling van de aminozuren.

Het openen en sluiten van ionenkanalen wordt gereguleerd door verschillende factoren; een specifieke stimulus of sensor bepaalt dat ze van de ene toestand naar de andere fluctueren door hun samenstelling te veranderen.

Laten we nu eens kijken welke functies ze vervullen en wat hun structuur is.

Functies en structuur

Achter essentiële cellulaire processen, zoals de uitscheiding van neurotransmitters of de overdracht van elektrische signalen, bevinden zich de ionenkanalen, die verlenen elektrische en prikkelbare mogelijkheden aan cellen. En als ze falen, kunnen er talloze pathologieën optreden (waarover we later zullen praten).

De structuur van ionkanalen komt voor in de vorm van transmembraaneiwitten en fungeren als een poortsysteem om de doorgang van ionen (kalium, natrium, calcium, chloor, enz.) door de poriën te reguleren.

Tot een paar jaar geleden dacht men dat de poriën en de spanningssensor gekoppeld waren via een linker of "linker" (een spiraal van ongeveer 15 aminozuren), die kan worden geactiveerd met de beweging van de sensor Spanning. Dit koppelingsmechanisme tussen de twee delen van het ionkanaal is het canonieke mechanisme dat altijd is getheoretiseerd.

Onlangs heeft nieuw onderzoek echter een andere weg blootgelegd omvat een segment van aminozuren dat bestaat uit een deel van de spanningssensor en een deel van de porie. Deze twee segmenten passen als een ritssluiting in elkaar om het kanaal te openen of te sluiten. Dit nieuwe mechanisme zou op zijn beurt recente ontdekkingen kunnen verklaren, waaronder enkele spanningsafhankelijke ionenkanalen (sommige verantwoordelijk voor functies zoals hartslag) met slechts a linker.

Spanningsafhankelijke ionkanalen zijn slechts een van de bestaande kanaaltypen, maar er zijn er meer: ​​laten we eens kijken wat ze hierna zijn.

• Misschien ben je geïnteresseerd in: "Wat zijn de onderdelen van het neuron?"

Soorten ionenkanalen

De mechanismen voor de activering van ionenkanalen kunnen van verschillende typen zijn: door ligand, door spanning of door mechanisch gevoelige stimuli.

1. Ligand-gated ionkanalen

Deze ionkanalen open als reactie op de binding van bepaalde moleculen en neurotransmitters. Dit openingsmechanisme is het gevolg van de interactie van een chemische stof (dit kan een hormoon, een peptide of een neurotransmitter zijn) met een deel van het kanaal genaamd de receptor, die een verandering in vrije energie genereert en de conformatie van het eiwit wijzigt, waardoor de kanaal.

De ontvanger van de acetylcholine (een neurotransmitter die betrokken is bij de overdracht van signalen tussen motorische zenuwen en spieren) van het nicotinetype, is een van de meest bestudeerde ligand-gated ionkanalen. Het is samengesteld uit 5 subeenheden van 20 aminozuren en is betrokken bij basisfuncties zoals vrijwillige controle van beweging, geheugen, aandacht, slaap, alertheid of angst.

2. spanningsafhankelijke ionkanalen

Dit soort zenders open als reactie op veranderingen in elektrische potentiaal over het plasmamembraan. Spanningsafhankelijke ionenkanalen zijn betrokken bij de overdracht van elektrische impulsen, genereren actiepotentialen als gevolg van veranderingen in het verschil in elektrische ladingen aan beide zijden van de membraan.

De stroom van ionen vindt plaats in twee processen: door activering, een spanningsafhankelijk proces: het kanaal gaat open als reactie op veranderingen in de membraanpotentiaal (verschil in elektrische potentiaal aan weerszijden van de membraan); en inactivatie, een proces dat de sluiting van het kanaal regelt.

De belangrijkste functie van spanningsafhankelijke ionenkanalen is het genereren van actiepotentialen en hun voortplanting. Er zijn verschillende soorten en de belangrijkste zijn:

2.1. Na+ kanaal

Het zijn transmembraaneiwitten die de doorgang van natriumionen door de cel mogelijk maken. Ionentransport is passief en hangt alleen af ​​van het elektrochemische potentieel van het ion (het vereist geen energie in de vorm van een ATP-molecuul). In neuronen zijn natriumkanalen verantwoordelijk voor de stijgende fase van het actiepotentiaal. (depolarisatie).

2.2. K+ kanaal

Deze ionkanalen vormen de meest heterogene groep structurele membraaneiwitten. In neuronen activeert depolarisatie K+-kanalen en vergemakkelijkt het de uitgang van K+ uit de zenuwcel, wat leidt tot een repolarisatie van de membraanpotentiaal.

23. Ca++ kanaal

Calciumionen bevorderen de versmelting van het membraan van de synaptische blaasjes (structuren in de einde van het neuronale axon en verantwoordelijk voor het afscheiden van neurotransmitters) met het axon-terminalmembraan aan het neuron, het stimuleren van de afgifte van acetylcholine in de synaptische spleet door een mechanisme van exocytose.

2.4. Cl-kanaal

Dit type ionische kanalen is verantwoordelijk voor het reguleren van de prikkelbaarheid van cellen, het transport tussen cellen, evenals het beheer van de PH en het celvolume. Kanalen in het membraan stabiliseren het membraanpotentiaal in exciteerbare cellen. zijn ook verantwoordelijk voor het transport tussen cellen van water en elektrolyten.

3. Ionenkanalen gereguleerd door mechanosensitieve stimuli

Deze ionkanalen geopend als reactie op mechanische acties. Ze zijn bijvoorbeeld te vinden in de bloedlichaampjes van Paccini (sensorische receptoren in de huid die reageren op snelle trillingen en tot diepe mechanische druk), die openen door het celmembraan uit te rekken door het uitoefenen van spanning en/of druk.

Kanalopathieën: pathologieën geassocieerd met deze moleculen

Vanuit een fysiologisch oogpunt, ionenkanalen zijn essentieel voor de homeostatische balans van ons lichaam. De disfunctie ervan veroorzaakt een hele reeks ziekten, bekend als kanalopathieën. Deze kunnen worden geproduceerd door twee soorten mechanismen: genetische veranderingen en auto-immuunziekten.

Onder de genetische veranderingen zijn er mutaties die optreden in het coderende gebied van het gen voor een ionenkanaal. Het is gebruikelijk dat deze mutaties polypeptideketens produceren die niet correct worden verwerkt en niet worden opgenomen in het plasmamembraan; of, wanneer de subeenheden paren en de kanalen vormen, zijn deze niet functioneel.

Een andere veel voorkomende mogelijkheid is dat ze, hoewel het functionele kanalen zijn, uiteindelijk een veranderde kinetiek vertonen. In ieder geval leiden ze vaak tot winst of verlies van kanaalfunctie.

Ook mutaties kunnen optreden in het promotorgebied van het gen dat codeert voor een ionenkanaal. Dit kan onderexpressie of overexpressie van het eiwit veroorzaken, waardoor veranderingen in het aantal kanalen ontstaan, wat ook een toename of afname van de functionaliteit zou veroorzaken.

Momenteel zijn er meerdere pathologieën bekend die verband houden met ionenkanalen in verschillende weefsels. Op musculoskeletaal niveau, mutaties in de spanningsafhankelijke Na+-, K+-, Ca++- en Cl-kanalen en in het acetylcholinekanaal leiden tot aandoeningen zoals hyperkaliëmische en hypokaliëmische verlamming, myotonie, maligne hyperthermie en myasthenie.

Op neuronaal niveau is voorgesteld dat veranderingen in spanningsafhankelijke Na+-kanalen, K+- en Ca++-kanalen door spanning kan het kanaal geactiveerd door acetylcholine of het kanaal geactiveerd door glycine stoornissen zoals epilepsie, ataxie verklaren episodische migraine, familiale hemiplegische migraine, Lambert-Eaton-syndroom, de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson en schizofrenie.

Bibliografische referenties:

• J. T. Menéndez, "Poriën en ionische kanalen reguleren celactiviteit", in Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, p. 23.
• Ana ik. Fernandez-Marino, Tyler J. Harpole, Kevin Oelstrom, Lucie Delemotte en Baron Chanda. "Gating-interactiekaarten onthullen een niet-canonieke elektromechanische koppelingsmodus in het Shaker K + -kanaal". Nature Structural & Molecular Biology 25: 320-326, april 2018.
• G. Eisenman en J.A. dani. Anne (1987). Een inleiding tot moleculaire architectuur en permeabiliteit van ionenkanalen. ds. Biophys. Biophys. Chemm, 16. p.p. 205-226.
• Aidley, D. J. (1989) De fysiologie van prikkelbare cellen. Cambridge University Press.