Kanały jonowe: czym są, rodzaje. i jak działają w komórkach

Kanały jonowe to kompleksy białkowe, znajdujące się w błonach komórkowych, które regulują procesy życiowe, takie jak bicie serca czy przekazywanie sygnałów między neuronami.

W tym artykule wyjaśnimy, z czego się składają, jaka jest ich funkcja i budowa, jakie rodzaje kanałów jonowych istnieją i jaki mają związek z różnymi chorobami.

• Powiązany artykuł: „Potencjał czynnościowy: co to jest i jakie są jego fazy?"

Co to jest kanał jonowy?

Rozumiemy przez kanały jonowe kompleksy białkowe wypełnione wodnymi porami, które umożliwiają przepływ jonów, powodując ich przepływ przez błonę komórkową. Kanały te są obecne we wszystkich komórkach, których są niezbędnym składnikiem.

Każda komórka jest otoczona błoną, która oddziela ją od środowiska zewnętrznego. Jego dwuwarstwowa struktura lipidowa nie jest łatwo przepuszczalna dla cząsteczek polarnych, takich jak aminokwasy lub jony. Dlatego konieczne jest transportowanie tych substancji do iz komórki za pomocą białek błonowych, takich jak pompy, transportery i kanały jonowe.

kanały składają się z jednego lub więcej różnych białek zwanych podjednostkami (alfa, beta, gamma itp.). Kiedy kilka z nich spotyka się, tworzą okrągłą strukturę, w środku której znajduje się otwór lub por, który umożliwia przepływ jonów.

Jedną z cech charakterystycznych tych kanałów jest ich selektywność; czyli oni określić, że niektóre jony nieorganiczne przechodzą, a inne nie, w zależności od średnicy i rozmieszczenia aminokwasów.

Otwieranie i zamykanie kanałów jonowych jest regulowane przez różne czynniki; określony bodziec lub czujnik decyduje o tym, że zmieniają się one z jednego stanu do drugiego, zmieniając ich skład.

Zobaczmy teraz, jakie pełnią funkcje i jaka jest ich budowa.

Funkcje i struktura

Za podstawowymi procesami komórkowymi, takimi jak wydzielanie neuroprzekaźników lub przekazywanie sygnałów elektrycznych, stoją kanały jonowe, które nadają komórkom zdolności elektryczne i pobudliwe. A kiedy zawiodą, mogą wystąpić liczne patologie (o których porozmawiamy później).

Struktura kanałów jonowych występuje w postaci białek transbłonowych i działać jako system bramek do regulacji przepływu jonów (potasu, sodu, wapnia, chloru itp.) przez pory.

Jeszcze kilka lat temu uważano, że pory i czujnik napięcia są połączone przez a łącznik lub „łącznik” (spirala około 15 aminokwasów), który można aktywować ruchem czujnika Napięcie. Ten mechanizm sprzężenia między dwiema częściami kanału jonowego jest mechanizmem kanonicznym, który zawsze był teoretyzowany.

Jednak ostatnio nowe badania odkryły inną ścieżkę obejmuje segment aminokwasów składający się z części czujnika napięcia i części porów. Te dwa segmenty pasowałyby do siebie jak zamek błyskawiczny, uruchamiając otwieranie lub zamykanie kanału. Z kolei ten nowy mechanizm mógłby wyjaśnić ostatnie odkrycia, w których niektórzy kanały jonowe bramkowane napięciem (niektóre odpowiedzialne za funkcje takie jak bicie serca) z zaledwie a łącznik.

Kanały jonowe bramkowane napięciem to tylko jeden z istniejących typów kanałów, ale jest ich więcej: zobaczmy, jakie będą następne.

• Możesz być zainteresowany: "Jakie są części neuronu?"

Rodzaje kanałów jonowych

Mechanizmy aktywacji kanałów jonowych mogą być kilku typów: przez ligand, napięcie lub bodźce mechaniczne.

1. Kanały jonowe bramkowane ligandem

Te kanały jonowe otwierają się w odpowiedzi na wiązanie pewnych cząsteczek i neuroprzekaźników. Ten mechanizm otwierania wynika z interakcji substancji chemicznej (którą może być hormon, peptyd lub neuroprzekaźnik) z częścią kanału zwaną receptorem, która generuje zmianę energii swobodnej i modyfikuje konformację białka, otwierając kanał.

Odbiorca acetylocholina (neuroprzekaźnik biorący udział w przekazywaniu sygnałów między nerwami ruchowymi a mięśniami) typu nikotynowego, jest jednym z najlepiej zbadanych kanałów jonowych bramkowanych ligandem. Składa się z 5 podjednostek po 20 aminokwasów i bierze udział w podstawowych funkcjach, takich jak dobrowolna kontrola ruchu, pamięci, uwagi, snu, czujności lub niepokoju.

2. kanały jonowe bramkowane napięciem

Tego typu kanały otwierają się w odpowiedzi na zmiany potencjału elektrycznego w błonie plazmatycznej. Kanały jonowe bramkowane napięciem biorą udział w przekazywaniu impulsów elektrycznych, generując potencjały czynnościowe spowodowane zmianami różnicy ładunków elektrycznych po obu stronach membrana.

Przepływ jonów odbywa się w dwóch procesach: poprzez aktywację, proces zależny od napięcia: otwiera się kanał w odpowiedzi na zmiany potencjału błonowego (różnica potencjałów elektrycznych po obu stronach błony). membrana); i inaktywacja, proces regulujący zamknięcie kanału.

Główną funkcją kanałów jonowych bramkowanych napięciem jest generowanie potencjałów czynnościowych i ich propagacja. Istnieje kilka rodzajów, a główne z nich to:

2.1. kanał Na+

Są to białka transbłonowe, które umożliwiają przechodzenie jonów sodu przez komórkę. Transport jonów jest pasywny i zależy tylko od potencjału elektrochemicznego jonu (nie wymaga energii w postaci cząsteczki ATP). W neuronach kanały sodowe są odpowiedzialne za fazę wzrostu potencjału czynnościowego. (depolaryzacja).

2.2. kanał K+

Te kanały jonowe stanowią najbardziej heterogenną grupę strukturalnych białek błonowych. W neuronach depolaryzacja aktywuje kanały K+ i ułatwia wychodzenie K+ z komórki nerwowej, prowadząc do repolaryzacji potencjału błonowego.

23. kanał Ca++

Jony wapnia sprzyjają fuzji błony pęcherzyka synaptycznego (struktur znajdujących się w koniec aksonu neuronu i odpowiedzialny za wydzielanie neuroprzekaźników) z błoną końcową aksonu na neuron, stymulowanie uwalniania acetylocholiny do szczeliny synaptycznej poprzez mechanizm egzocytozy.

2.4. kanał Cl

Ten rodzaj kanałów jonowych odpowiada za regulację pobudliwości komórek, transport między komórkami, a także zarządzanie PH i objętością komórek. Kanały znajdujące się w błonie stabilizują potencjał błonowy w komórkach pobudliwych. są również odpowiada za transport między komórkami wody i elektrolitów.

3. Kanały jonowe regulowane przez bodźce mechaniczne

Te kanały jonowe otwierają się w odpowiedzi na działanie mechaniczne. Można je znaleźć na przykład w ciałkach Pacciniego (receptory czuciowe w skórze, które reagują na szybkie wibracje i do głębokiego nacisku mechanicznego), które otwierają się poprzez rozciąganie błony komórkowej poprzez zastosowanie napięcia i/lub ciśnienie.

Kanałopatie: patologie związane z tymi cząsteczkami

Z fizjologicznego punktu widzenia kanały jonowe są niezbędne dla równowagi homeostatycznej naszego organizmu. Jej dysfunkcja powoduje cały szereg chorób, zwanych kanałopatiami. Mogą one być wytwarzane przez dwa rodzaje mechanizmów: zmiany genetyczne i choroby autoimmunologiczne.

Wśród zmian genetycznych są mutacje, które występują w regionie kodującym genu dla kanału jonowego. Mutacje te często powodują powstawanie łańcuchów polipeptydowych, które nie są prawidłowo przetwarzane i nie są włączane do błony plazmatycznej; lub, gdy podjednostki łączą się i tworzą kanały, nie są one funkcjonalne.

Inną częstą możliwością jest to, że chociaż są kanałami funkcjonalnymi, w końcu wykazują zmienioną kinetykę. W każdym razie często prowadzą one do wzmocnienia lub utraty funkcji kanału.

Również mutacje mogą wystąpić w regionie promotora genu kodującego kanał jonowy. Może to spowodować niedostateczną lub nadekspresję białka, powodując zmiany w liczbie kanałów, co również spowodowałoby zwiększenie lub zmniejszenie jego funkcjonalności.

Obecnie znanych jest wiele patologii związanych z kanałami jonowymi w różnych tkankach. Na poziomie mięśniowo-szkieletowym mutacje w bramkowanych napięciem kanałach Na+, K+, Ca++ i Cl- oraz w kanale acetylocholiny prowadzić do zaburzeń, takich jak porażenie hiperkaliemiczne i hipokaliemiczne, miotonia, hipertermia złośliwa i miastenia.

Na poziomie neuronalnym zaproponowano, że zmiany w bramkowanych napięciem kanałach Na+, kanałach K+ i Ca++ pod wpływem napięcia, kanał aktywowany przez acetylocholinę lub glicynę, może wyjaśniać zaburzenia takie jak padaczka, ataksja migrena epizodyczna, rodzinna migrena z porażeniem połowiczym, zespół Lamberta-Eatona, choroba Alzheimera, choroba Parkinsona i schizofrenia.

Odniesienia bibliograficzne:

• J. T. Menéndez, „Pory i kanały jonowe regulują aktywność komórek”, w Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, s. 23.
• Anna I. Fernandez-Marino, Tyler J. Harpole, Kevin Oelstrom, Lucie Delemotte i Baron Chanda. „Mapy interakcji bramkowania ujawniają niekanoniczny tryb sprzężenia elektromechanicznego w kanale Shaker K+”. Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, kwiecień 2018 r.
• G. Eisenmana i J. A. Dani. Anna (1987). Wprowadzenie do architektury molekularnej i przepuszczalności kanałów jonowych. Obrót silnika. Biofiza. Biofiza. Chem, 16. str. 205-226.
• Aidley, D. J. (1989) Fizjologia komórek pobudliwych. Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge.