Ioniske kanaler: hva de er, typer. og hvordan de fungerer i cellene

Ionekanaler er proteinkomplekser, lokalisert i cellemembraner, som regulerer vitale prosesser som hjerteslag eller overføring av signaler mellom nevroner.

I denne artikkelen skal vi forklare hva de består av, hva er deres funksjon og struktur, hvilke typer ionekanaler som finnes og deres forhold til ulike sykdommer.

• Relatert artikkel: "Handlingspotensial: hva er det og hva er dets faser?"

Hva er en ionekanal?

Vi forstår ved ionekanaler proteinkomplekser fylt med vandige porer, som lar ioner passere, noe som får dem til å strømme over cellemembranen. Disse kanalene er tilstede i alle celler, hvorav de er en essensiell komponent.

Hver celle er omgitt av en membran som skiller den fra det ytre miljøet. Dens lipid-dobbeltlagsstruktur er ikke lett permeabel for polare molekyler som aminosyrer eller ioner. Derfor er det nødvendig å transportere disse stoffene inn og ut av cellen ved hjelp av membranproteiner som pumper, transportører og ionekanaler.

kanalene består av ett eller flere forskjellige proteiner som kalles underenheter

(alfa, beta, gamma osv.). Når flere av dem kommer sammen, skaper de en sirkulær struktur i midten som det er et hull eller en pore som tillater passasje av ioner.

En av de spesielle egenskapene til disse kanalene er deres selektivitet; det vil si de bestemme at noen uorganiske ioner passerer gjennom og ikke andre, avhengig av diameteren og fordelingen av aminosyrene.

Åpning og lukking av ionekanaler reguleres av ulike faktorer; en spesifikk stimulus eller sensor er det som bestemmer at de svinger fra en tilstand til en annen ved å endre sammensetningen.

La oss nå se hvilke funksjoner de fyller og hva deres struktur er.

Funksjoner og struktur

Bak essensielle cellulære prosesser, som utskillelse av nevrotransmittere eller overføring av elektriske signaler, ligger ionekanalene, som gi elektriske og eksiterbare evner til celler. Og når de mislykkes, kan det oppstå mange patologier (som vi vil snakke om senere).

Strukturen til ionekanaler oppstår i form av transmembranproteiner og fungere som et portsystem for å regulere passasjen av ioner (kalium, natrium, kalsium, klor, etc.) gjennom porene.

Inntil for noen år siden trodde man at porene og spenningssensoren var koblet gjennom en linker eller "linker" (en spiral på ca. 15 aminosyrer), som kan aktiveres med bevegelsen av sensoren Spenning. Denne koblingsmekanismen mellom de to delene av ionekanalen er den kanoniske mekanismen som alltid har vært teoretisert.

Nylig har imidlertid ny forskning avdekket en annen vei som involverer et segment av aminosyrer som består av en del av spenningssensoren og en del av poren. Disse to segmentene vil passe sammen som en glidelås for å utløse åpning eller lukking av kanalen. I sin tur kan denne nye mekanismen forklare nylige funn, der noen spenningsstyrte ionekanaler (noen ansvarlige for funksjoner som hjerteslag) med bare en linker.

Spenningsstyrte ionekanaler er bare en av de eksisterende kanaltypene, men det er flere: la oss se hva de er neste.

• Du kan være interessert i: "Hva er delene av nevronet?"

Typer ionekanaler

Mekanismene for aktivering av ionekanaler kan være av flere typer: ved ligand, ved spenning eller ved mekanosensitive stimuli.

1. Ligand-gatede ionekanaler

Disse ionekanalene åpne som respons på bindingen av visse molekyler og nevrotransmittere. Denne åpningsmekanismen skyldes interaksjonen mellom et kjemisk stoff (som kan være et hormon, et peptid eller en nevrotransmitter) med en del av kanalen kalt reseptoren, som genererer en endring i fri energi og modifiserer konformasjonen til proteinet, og åpner kanal.

Mottakeren av acetylkolin (en nevrotransmitter involvert i overføring av signaler mellom motoriske nerver og muskler) av den nikotiniske typen, er en av de mest studerte ligand-gatede ionekanalene. Den er sammensatt av 5 underenheter på 20 aminosyrer og er involvert i grunnleggende funksjoner som f.eks frivillig kontroll av bevegelse, hukommelse, oppmerksomhet, søvn, årvåkenhet eller angst.

2. spenningsstyrte ionekanaler

Denne typen kanaler åpne som svar på endringer i elektrisk potensial over plasmamembranen. Spenningsstyrte ionekanaler er involvert i overføringen av elektriske impulser, genererer aksjonspotensialer på grunn av endringer i forskjellen i elektriske ladninger på begge sider av membran.

Strømmen av ioner foregår i to prosesser: ved aktivering, en spenningsavhengig prosess: kanalen åpnes som respons på endringer i membranpotensialet (forskjell i elektrisk potensial på hver side av membran); og inaktivering, en prosess som regulerer lukkingen av kanalen.

Hovedfunksjonen til spenningsstyrte ionekanaler er generering av handlingspotensialer og deres forplantning. Det finnes flere typer, og de viktigste er:

2.1. Na+ kanal

De er transmembrane proteiner som tillater passasje av natriumioner gjennom cellen. Ionetransport er passiv og avhenger kun av det elektrokjemiske potensialet til ionet (det krever ikke energi i form av et ATP-molekyl). I nevroner er natriumkanaler ansvarlige for den stigende fasen av aksjonspotensialet. (depolarisering).

2.2. K+ kanal

Disse ionekanalene utgjør den mest heterogene gruppen av strukturelle membranproteiner. I nevroner aktiverer depolarisering K+-kanaler og letter K+-utgang fra nervecellen, noe som fører til en repolarisering av membranpotensialet.

23. Ca++ kanal

Kalsiumioner fremmer fusjonen av den synaptiske vesikkelmembranen (strukturer lokalisert i enden av det nevronale aksonet og ansvarlig for utskillelse av nevrotransmittere) med aksonterminalmembranen ved nevron, stimulerer frigjøringen av acetylkolin i synaptisk spalte ved en mekanisme for eksocytose.

2.4. Cl-kanal

Denne typen ioniske kanaler er ansvarlige for å regulere celleeksitabilitet, transport mellom celler, samt styring av PH og cellevolum. Kanaler lokalisert i membranen stabiliserer membranpotensialet i eksiterbare celler. er også ansvarlig for transporten mellom celler av vann og elektrolytter.

3. Ionekanaler regulert av mekanosensitive stimuli

Disse ionekanalene åpne som svar på mekaniske handlinger. De kan for eksempel finnes i Paccinis blodlegemer (sensoriske reseptorer i huden som reagerer på raske vibrasjoner og til dypt mekanisk trykk), som åpnes ved å strekke cellemembranen gjennom påføring av spenning og/eller press.

Channelopatier: patologier assosiert med disse molekylene

Fra et fysiologisk synspunkt, ionekanaler er avgjørende for den homeostatiske balansen i kroppen vår. Dens funksjonssvikt forårsaker en hel rekke sykdommer, kjent som kanalopatier. Disse kan produseres av to typer mekanismer: genetiske endringer og autoimmune sykdommer.

Blant de genetiske endringene er det mutasjoner som oppstår i den kodende regionen til genet for en ionekanal. Det er vanlig at disse mutasjonene produserer polypeptidkjeder som ikke behandles riktig og ikke er inkorporert i plasmamembranen; eller, når underenhetene parer seg og danner kanalene, er disse ikke funksjonelle.

En annen hyppig mulighet er at selv om de er funksjonelle kanaler, ender de opp med å vise endret kinetikk. I alle fall fører de ofte til gevinst eller tap av kanalfunksjon.

Også mutasjoner kan forekomme i promoterregionen til genet som koder for en ionekanal. Dette kan forårsake underuttrykk eller overuttrykk av proteinet, og produsere endringer i antall kanaler, som også vil føre til en økning eller reduksjon i funksjonaliteten.

For tiden er flere patologier assosiert med ionekanaler i forskjellige vev kjent. På muskel- og skjelettnivå, mutasjoner i de spenningsstyrte Na+, K+, Ca++ og Cl- kanalene og i acetylkolinkanalen føre til lidelser som hyperkalemisk og hypokalemisk lammelse, myotoni, ondartet hypertermi og myasteni.

På nevronnivå har det blitt foreslått at endringer i spenningsstyrte Na+-kanaler, K+ og Ca++-kanaler ved spenning kan kanalen som aktiveres av acetylkolin eller den som aktiveres av glycin, forklare lidelser som epilepsi, ataksi episodisk migrene, familiær hemiplegisk migrene, Lambert-Eaton syndrom, Alzheimers sykdom, Parkinsons sykdom og schizofreni.

Bibliografiske referanser:

• J. T. Menéndez, "Porer og ioniske kanaler regulerer celleaktivitet," i Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, s. 23.
• Ana I. Fernandez-Marino, Tyler J. Harpole, Kevin Oelstrom, Lucie Delemotte og Baron Chanda. "Gating-interaksjonskart avslører en ikke-kanonisk elektromekanisk koblingsmodus i Shaker K+-kanalen". Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, april 2018.
• g. Eisenman og J.A. Dani. Ann (1987). En introduksjon til molekylær arkitektur og permeabilitet av ionekanaler. Rev. Biofys. Biofys. Chemm, 16. s. 205-226.
• Aidley, D. J. (1989) Fysiologien til eksitable celler. Cambridge University Press.