Ионные каналы: что это такое, виды. и как они работают в клетках

Ионные каналы представляют собой белковые комплексы., расположенные в клеточных мембранах, которые регулируют такие жизненно важные процессы, как сердцебиение или передачу сигналов между нейронами.

В этой статье мы собираемся объяснить, из чего они состоят, какова их функция и структура, какие существуют виды ионных каналов и их связь с различными заболеваниями.

• Статья по теме: "Потенциал действия: что это такое и каковы его фазы?"

Что такое ионный канал?

Мы понимаем под ионными каналами белковые комплексы, заполненные водными порами, которые пропускают ионы, заставляя их течь через клеточную мембрану. Эти каналы присутствуют во всех клетках, важным компонентом которых они являются.

Каждая клетка окружена мембраной, отделяющей ее от внешней среды. Его липидная двухслойная структура плохо проницаема для полярных молекул, таких как аминокислоты или ионы. Следовательно, необходимо транспортировать эти вещества в клетку и из нее с помощью мембранных белков, таких как насосы, переносчики и ионные каналы.

каналы состоят из одного или нескольких белков, называемых субъединицами (альфа, бета, гамма и др.). Когда несколько из них собираются вместе, они создают круглую структуру, в центре которой имеется отверстие или пора, пропускающая ионы.

Одной из особенностей этих каналов является их избирательность; то есть они определить, проходят ли одни неорганические ионы, а не другие, в зависимости от диаметра и распределения в нем аминокислот.

Открытие и закрытие ионных каналов регулируется различными факторами; конкретный стимул или датчик определяет, что они колеблются от одного состояния к другому, изменяя свой состав.

Теперь давайте посмотрим, какие функции они выполняют и какова их структура.

Функции и структура

За важными клеточными процессами, такими как секреция нейротрансмиттеров или передача электрических сигналов, стоят ионные каналы, которые придают клеткам электрические и возбудимые способности. А при их выходе из строя могут возникнуть многочисленные патологии (о которых мы поговорим позже).

Структура ионных каналов представлена ​​трансмембранными белками и действовать как система ворот регулировать прохождение ионов (калий, натрий, кальций, хлор и др.) через поры.

Еще несколько лет назад считалось, что поры и датчик напряжения связаны через линкер или «линкер» (спираль примерно из 15 аминокислот), который можно активировать при движении сенсора Напряжение. Этот механизм связи между двумя частями ионного канала является каноническим механизмом, который всегда теоретизировался.

Однако недавно новое исследование выявило еще один путь, который включает сегмент аминокислот, состоящий из части датчика напряжения и части поры. Эти два сегмента соединялись бы вместе, как молния, чтобы вызвать открытие или закрытие канала. В свою очередь, этот новый механизм может объяснить недавние открытия, в которых некоторые потенциалзависимые ионные каналы (некоторые из них отвечают за такие функции, как сердцебиение) с компоновщик.

Потенциал-управляемые ионные каналы — это лишь один из существующих типов каналов, но их гораздо больше: давайте посмотрим, какие они будут дальше.

• Вам может быть интересно: "Из каких частей состоит нейрон?"

Типы ионных каналов

Механизмы активации ионных каналов могут быть нескольких типов: лигандом, напряжением или механочувствительными стимулами.

1. Лиганд-управляемые ионные каналы

Эти ионные каналы открываются в ответ на связывание определенных молекул и нейротрансмиттеров. Этот механизм открытия обусловлен взаимодействием химического вещества (которым может быть гормон, пептид или нейротрансмиттер) с частью канала, называемой рецептором, который генерирует изменение свободной энергии и модифицирует конформацию белка, открывая канал.

Получатель ацетилхолин (нейротрансмиттер, участвующий в передаче сигналов между двигательными нервами и мышцами) никотинового типа, является одним из наиболее изученных лиганд-управляемых ионных каналов. Он состоит из 5 субъединиц 20 аминокислот и участвует в основных функциях, таких как: произвольный контроль движения, памяти, внимания, сна, бдительности или беспокойства.

2. потенциалзависимые ионные каналы

Каналы такого рода открываются в ответ на изменение электрического потенциала на плазматической мембране. Потенциалзависимые ионные каналы участвуют в передаче электрических импульсов, генерируя потенциалы действия из-за изменения разности электрических зарядов по обе стороны мембрана.

Поток ионов происходит в двух процессах: путем активации, процесс, зависящий от напряжения: канал открывается в ответ на изменение мембранного потенциала (разность электрических потенциалов по обе стороны мембраны). мембрана); и инактивация, процесс, который регулирует закрытие канала.

Основная функция потенциалзависимых ионных каналов – Генерация потенциалов действия и их распространение. Существует несколько видов и основные из них:

2.1. Na+ канал

Это трансмембранные белки, которые обеспечивают прохождение ионов натрия через клетку. Ионный транспорт пассивен и зависит только от электрохимического потенциала иона (не требует энергии в виде молекулы АТФ). В нейронах натриевые каналы отвечают за восходящую фазу потенциала действия. (деполяризация).

2.2. К+ канал

Эти ионные каналы составляют наиболее гетерогенную группу структурных мембранных белков. В нейронах деполяризация активирует каналы K+ и облегчает выход K+ из нервной клетки, что приводит к реполяризации мембранного потенциала.

23. Са++ канал

Ионы кальция способствуют слиянию мембран синаптических везикул (структур, расположенных в конец аксона нейрона и отвечает за секрецию нейротрансмиттеров) с терминальной мембраной аксона на нейрон, стимулирование высвобождения ацетилхолина в синаптическую щель по механизму экзоцитоза.

2.4. Cl-канал

Этот тип ионных каналов отвечает за регуляцию клеточной возбудимости, транспорт между клетками, а также за управление PH и клеточным объемом. Каналы, расположенные в мембране, стабилизируют мембранный потенциал в возбудимых клетках. являются также отвечает за транспорт между клетками воды и электролитов.

3. Ионные каналы, регулируемые механочувствительными стимулами

Эти ионные каналы открываться в ответ на механическое воздействие. Их можно найти, например, в тельцах Паччини (сенсорных рецепторах кожи, которые реагируют на быстрые вибрации и к глубокому механическому давлению), которые открываются за счет растяжения клеточной мембраны за счет приложения напряжения и/или давление.

Каналопатии: патологии, связанные с этими молекулами

С физиологической точки зрения ионные каналы необходимы для гомеостатического баланса нашего тела. Его дисфункция вызывает целый ряд заболеваний, известных как каналопатии. Они могут быть вызваны двумя типами механизмов: генетическими изменениями и аутоиммунными заболеваниями.

Среди генетических изменений есть мутации, происходящие в кодирующей области гена ионного канала. Эти мутации обычно приводят к образованию полипептидных цепей, которые не обрабатываются должным образом и не включаются в плазматическую мембрану; или, когда субъединицы спариваются и образуют каналы, они не функционируют.

Другая частая возможность заключается в том, что, хотя они и являются функциональными каналами, в конечном итоге они демонстрируют измененную кинетику. В любом случае они часто приводят к усилению или потере функции канала.

Также мутации могут возникать в промоторной области гена, кодирующего ионный канал.. Это может вызвать недостаточную или повышенную экспрессию белка, что приведет к изменению количества каналов, что также приведет к увеличению или уменьшению его функциональности.

В настоящее время известны множественные патологии, связанные с ионными каналами в различных тканях. На скелетно-мышечном уровне мутации в потенциалзависимых Na+, K+, Ca++ и Cl- каналах и в ацетилхолиновом канале приводят к таким расстройствам, как гиперкалиемический и гипокалиемический паралич, миотония, злокачественная гипертермия и миастения.

Было высказано предположение, что на нейрональном уровне изменения в потенциалзависимых каналах Na+, K+ и Ca++ по напряжению канал, активируемый ацетилхолином или активируемый глицином, может объяснить такие расстройства, как эпилепсия, атаксия эпизодическая мигрень, семейная гемиплегическая мигрень, синдром Ламберта-Итона, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и шизофрения.

Библиографические ссылки:

• Дж. Т. Менендес, «Поры и ионные каналы регулируют клеточную активность», в Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, с. 23.
• Ана И. Фернандес-Марино, Тайлер Дж. Харпол, Кевин Элстром, Люси Делемотт и барон Чанда. «Карты взаимодействия стробирования выявляют неканонический режим электромеханической связи в канале Shaker K+». Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, апрель 2018 г.
• г. Эйзенман и Дж.А. Дани. Энн (1987). Введение в молекулярную архитектуру и проницаемость ионных каналов. преп. Биофиз. Биофиз. Чемма, 16. стр. 205-226.
• Эйдли, Д. Дж. (1989) Физиология возбудимых клеток. Издательство Кембриджского университета.