Ionski kanali: kaj so, vrste. in kako delujejo v celicah

Ionski kanali so beljakovinski kompleksi, ki se nahajajo v celičnih membranah in uravnavajo vitalne procese, kot je srčni utrip ali prenos signalov med nevroni.

V tem članku bomo pojasnili, iz česa so sestavljeni, kakšna je njihova funkcija in zgradba, kakšne vrste ionskih kanalov obstajajo in njihov odnos do različnih bolezni.

• Sorodni članek: "Akcijski potencial: kaj je in katere so njegove faze?"

Kaj je ionski kanal?

Razumemo ionske kanale proteinski kompleksi, napolnjeni z vodnimi porami, ki omogočajo prehod ionov, zaradi česar tečejo čez celično membrano. Ti kanali so prisotni v vseh celicah, katerih bistvena sestavina so.

Vsaka celica je obdana z membrano, ki jo ločuje od zunanjega okolja. Njegova lipidna dvoslojna struktura ni zlahka prepustna za polarne molekule, kot so aminokisline ali ioni. Zato je treba te snovi prenašati v celico in iz nje s pomočjo membranskih proteinov, kot so črpalke, transporterji in ionski kanali.

kanali so sestavljeni iz enega ali več različnih proteinov, imenovanih podenote

(alfa, beta, gama itd.). Ko se jih več združi, ustvarijo krožno strukturo, v središču katere je luknja ali pora, ki omogoča prehod ionov.

Ena od posebnosti teh kanalov je njihova selektivnost; torej oni ugotoviti, da nekateri anorganski ioni prehajajo skozi, drugi pa ne, odvisno od premera in porazdelitve njegovih aminokislin.

Odpiranje in zapiranje ionskih kanalčkov uravnavajo različni dejavniki; določen dražljaj ali senzor je tisti, ki določa, da nihajo iz enega stanja v drugega s spreminjanjem njihove sestave.

Zdaj pa poglejmo, katere funkcije izpolnjujejo in kakšna je njihova struktura.

Funkcije in zgradba

Za bistvenimi celičnimi procesi, kot je izločanje nevrotransmiterjev ali prenos električnih signalov, so ionski kanalčki, ki dajejo celicam električne in vzdražne sposobnosti. In ko ne uspejo, se lahko pojavijo številne patologije (o katerih bomo govorili kasneje).

Struktura ionskih kanalčkov se pojavlja v obliki transmembranskih proteinov in deluje kot sistem vrat za uravnavanje prehajanja ionov (kalij, natrij, kalcij, klor itd.) skozi pore.

Do pred nekaj leti je veljalo, da so pore in napetostni senzor povezani prek a veznik ali "linker" (spirala približno 15 aminokislin), ki se lahko aktivira z gibanjem senzorja Napetost. Ta sklopitveni mehanizem med obema deloma ionskega kanala je kanonični mehanizem, o katerem so vedno teoretizirali.

Nedavno pa je nova raziskava odkrila še eno pot, ki vključuje segment aminokislin, sestavljen iz dela napetostnega senzorja in dela pore. Ta dva segmenta bi se prilegala skupaj kot zadrga, da bi sprožila odpiranje ali zapiranje kanala. Ta novi mehanizem pa bi lahko pojasnil nedavna odkritja, v katerih nekateri napetostno odvisne ionske kanale (nekateri odgovorni za funkcije, kot je srčni utrip) s samo a povezovalec.

Napetostno odvisni ionski kanali so le ena od obstoječih vrst kanalov, vendar jih je več: poglejmo, kateri so naslednji.

• Morda vas zanima: "Kateri so deli nevrona?"

Vrste ionskih kanalov

Mehanizmov za aktivacijo ionskih kanalov je lahko več vrst: z ligandom, z napetostjo ali z mehansko občutljivimi dražljaji.

1. Ionski kanali, odvisni od liganda

Ti ionski kanali odprejo kot odgovor na vezavo določenih molekul in nevrotransmiterjev. Ta mehanizem odpiranja je posledica interakcije kemične snovi (ki je lahko hormon, peptid ali nevrotransmiter) z delom kanala, imenovanim receptor, ki ustvarja spremembo proste energije in spreminja konformacijo proteina, odpira kanal.

Prejemnik acetilholin (nevrotransmiter, ki sodeluje pri prenosu signalov med motoričnimi živci in mišicami) nikotinskega tipa, je eden najbolj raziskanih z ligandom odvisnih ionskih kanalov. Sestavljen je iz 5 podenot po 20 aminokislin in je vključen v osnovne funkcije, kot je npr prostovoljni nadzor gibanja, spomina, pozornosti, spanja, budnosti ali tesnobe.

2. napetostno odvisni ionski kanali

Tovrstni kanali se odpre kot odgovor na spremembe električnega potenciala skozi plazemsko membrano. Napetostno odvisni ionski kanali sodelujejo pri prenosu električnih impulzov, ki ustvarjajo akcijski potencial zaradi sprememb v razliki električnih nabojev na obeh straneh membrana.

Pretok ionov poteka v dveh procesih: z aktivacijo, napetostno odvisen proces: kanal se odpre kot odziv na spremembe v membranskem potencialu (razlika v električnem potencialu na obeh straneh membrana); in inaktivacija, proces, ki uravnava zaprtje kanala.

Glavna funkcija napetostno odvisnih ionskih kanalčkov je generiranje akcijskih potencialov in njihovo širjenje. Obstaja več vrst in glavne so:

2.1. Na+ kanal

So transmembranski proteini, ki omogočajo prehod natrijevih ionov skozi celico. Prenos ionov je pasiven in je odvisen samo od elektrokemijskega potenciala iona (ne potrebuje energije v obliki molekule ATP). V nevronih so natrijevi kanali odgovorni za naraščajočo fazo akcijskega potenciala. (depolarizacija).

2.2. kanal K+

Ti ionski kanali sestavljajo najbolj heterogeno skupino strukturnih membranskih proteinov. V nevronih depolarizacija aktivira K+ kanale in olajša izstop K+ iz živčne celice, kar vodi do repolarizacije membranskega potenciala.

23. Ca++ kanal

Kalcijevi ioni spodbujajo zlitje membrane sinaptičnih veziklov (strukture, ki se nahajajo v koncu nevronskega aksona in je odgovoren za izločanje nevrotransmiterjev) s končno membrano aksona na nevron, stimulacija sproščanja acetilholina v sinaptično špranjo z mehanizmom eksocitoze.

2.4. Cl-kanal

Ta vrsta ionskih kanalov je odgovorna za uravnavanje celične razdražljivosti, transporta med celicami ter upravljanje pH in celičnega volumna. Kanali, ki se nahajajo v membrani, stabilizirajo membranski potencial v vzdražljivih celicah. so tudi odgovoren za transport vode in elektrolitov med celicami.

3. Ionski kanali, regulirani z mehansko občutljivimi dražljaji

Ti ionski kanali odprt kot odgovor na mehanske vplive. Najdemo jih na primer v Paccinijevih telescih (senzorični receptorji v koži, ki se odzivajo na hitre vibracije in na globok mehanski pritisk), ki se odprejo z raztezanjem celične membrane z uporabo napetosti in/ali pritisk.

Kanalopatije: patologije, povezane s temi molekulami

S fiziološkega vidika ionski kanalčki so bistveni za homeostatsko ravnovesje našega telesa. Njegovo nedelovanje povzroča celo vrsto bolezni, znanih kot kanalopatije. Te lahko povzročita dve vrsti mehanizmov: genetske spremembe in avtoimunske bolezni.

Med genetskimi spremembami so mutacije, ki se pojavijo v kodirni regiji gena za ionski kanal. Običajno je, da te mutacije proizvedejo polipeptidne verige, ki niso pravilno obdelane in niso vključene v plazemsko membrano; ali ko se podenote združijo in tvorijo kanale, ti niso funkcionalni.

Druga pogosta možnost je, da kljub temu, da gre za funkcionalne kanale, na koncu pokažejo spremenjeno kinetiko. V vsakem primeru pogosto vodijo do povečanja ali izgube funkcije kanala.

tudi mutacije se lahko pojavijo v promotorski regiji gena, ki kodira ionski kanal. To lahko povzroči premajhno ali prekomerno izražanje proteina, kar povzroči spremembe v številu kanalov, kar bi povzročilo tudi povečanje ali zmanjšanje njegove funkcionalnosti.

Trenutno je znanih več patologij, povezanih z ionskimi kanali v različnih tkivih. Na mišično-skeletni ravni mutacije v napetostno odvisnih Na+, K+, Ca++ in Cl- kanalih ter v acetilholinskem kanalu povzročijo motnje, kot so hiperkalemična in hipokalemična paraliza, miotonija, maligna hipertermija in miastenija.

Na nevronski ravni je bilo predlagano, da spremembe v napetostno odvisnih Na+ kanalih, K+ in Ca++ kanalih z napetostjo lahko kanal, ki ga aktivira acetilholin, ali tisti, ki ga aktivira glicin, pojasni motnje, kot so epilepsija, ataksija epizodna migrena, družinska hemiplegična migrena, Lambert-Eatonov sindrom, Alzheimerjeva bolezen, Parkinsonova bolezen in shizofrenija.

Bibliografske reference:

• J. T. Menéndez, “Pore in ionski kanali uravnavajo celično aktivnost,” v Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, str. 23.
• Ana I. Fernandez-Marino, Tyler J. Harpole, Kevin Oelstrom, Lucie Delemotte in Baron Chanda. "Gating interakcijski zemljevidi razkrivajo nekanoničen način elektromehanskega spajanja v kanalu Shaker K+". Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, april 2018.
• g. Eisenman in J. A. Dani. Ann (1987). Uvod v molekularno arhitekturo in prepustnost ionskih kanalčkov. Rev. Biophys. Biophys. Chemm, 16. str. 205-226.
• Aidley, D. J. (1989) Fiziologija vzdražljivih celic. Cambridge University Press.