Joniska kanaler: vad de är, typer. och hur de fungerar i celler

Jonkanaler är proteinkomplex, lokaliserade i cellmembran, som reglerar vitala processer som hjärtslag eller överföring av signaler mellan neuroner.

I den här artikeln ska vi förklara vad de består av, vad är deras funktion och struktur, vilka typer av jonkanaler som finns och deras förhållande till olika sjukdomar.

• Relaterad artikel: "Handlingspotential: vad är det och vilka är dess faser?"

Vad är en jonkanal?

Vi förstår med jonkanaler proteinkomplex fyllda med vattenhaltiga porer, som låter joner passera, vilket får dem att flyta över cellmembranet. Dessa kanaler finns i alla celler, av vilka de är en väsentlig komponent.

Varje cell är omgiven av ett membran som skiljer den från den yttre miljön. Dess lipid-dubbelskiktsstruktur är inte lätt genomsläpplig för polära molekyler som aminosyror eller joner. Därför är det nödvändigt att transportera dessa ämnen in och ut ur cellen med hjälp av membranproteiner som pumpar, transportörer och jonkanaler.

kanalerna består av ett eller flera olika proteiner som kallas subenheter

(alfa, beta, gamma, etc.). När flera av dem kommer samman skapar de en cirkulär struktur i mitten av vilken det finns ett hål eller en por, som tillåter passage av joner.

En av särdragen hos dessa kanaler är deras selektivitet; det vill säga de fastställa att vissa oorganiska joner passerar igenom och inte andra, beroende på diametern och fördelningen av dess aminosyror.

Öppning och stängning av jonkanaler regleras av olika faktorer; en specifik stimulus eller sensor är det som avgör att de fluktuerar från ett tillstånd till ett annat genom att ändra deras sammansättning.

Låt oss nu se vilka funktioner de fyller och vad deras struktur är.

Funktioner och struktur

Bakom väsentliga cellulära processer, såsom utsöndring av neurotransmittorer eller överföring av elektriska signaler, ligger jonkanalerna, som ger elektriska och exciterande egenskaper till celler. Och när de misslyckas kan många patologier uppstå (som vi kommer att prata om senare).

Strukturen av jonkanaler förekommer i form av transmembranproteiner och fungera som ett grindsystem för att reglera passagen av joner (kalium, natrium, kalcium, klor, etc.) genom porerna.

Fram till för några år sedan trodde man att porerna och spänningssensorn var kopplade genom en linker eller "linker" (en spiral på cirka 15 aminosyror), som kan aktiveras med sensorns rörelse Spänning. Denna kopplingsmekanism mellan de två delarna av jonkanalen är den kanoniska mekanismen som alltid har teoretiserats.

Nyligen har dock ny forskning avslöjat en annan väg som involverar ett segment av aminosyror som består av en del av spänningssensorn och en del av poren. Dessa två segment skulle passa ihop som en dragkedja för att utlösa öppning eller stängning av kanalen. I sin tur kan denna nya mekanism förklara de senaste upptäckterna, där vissa spänningsstyrda jonkanaler (vissa ansvarar för funktioner som hjärtslag) med bara en länk.

Spänningsstyrda jonkanaler är bara en av de befintliga kanaltyperna, men det finns fler: låt oss se vad de är härnäst.

• Du kanske är intresserad av: "Vilka är delarna av neuronen?"

Typer av jonkanaler

Mekanismerna för aktivering av jonkanaler kan vara av flera typer: genom ligand, genom spänning eller genom mekanokänsliga stimuli.

1. Ligand-styrda jonkanaler

Dessa jonkanaler öppna som svar på bindningen av vissa molekyler och neurotransmittorer. Denna öppningsmekanism beror på interaktionen mellan en kemisk substans (som kan vara ett hormon, en peptid eller en neurotransmittor) med en del av kanalen som kallas receptorn, som genererar en förändring i fri energi och modifierar konformationen av proteinet, vilket öppnar kanal.

Mottagaren av acetylkolin (en neurotransmittor involverad i överföringen av signaler mellan motoriska nerver och muskler) av nikotintyp, är en av de mest studerade ligandstyrda jonkanalerna. Den är sammansatt av 5 subenheter om 20 aminosyror och är involverad i grundläggande funktioner som t.ex frivillig kontroll av rörelse, minne, uppmärksamhet, sömn, vakenhet eller ångest.

2. spänningsstyrda jonkanaler

Den här typen av kanaler öppna som svar på förändringar i elektrisk potential över plasmamembranet. Spänningsstyrda jonkanaler är involverade i överföringen av elektriska impulser som genererar aktionspotentialer på grund av förändringar i skillnaden i elektriska laddningar på båda sidor om membran.

Flödet av joner sker i två processer: genom aktivering, en spänningsberoende process: kanalen öppnas som svar på förändringar i membranpotentialen (skillnad i elektrisk potential på båda sidor om membran); och inaktivering, en process som reglerar stängningen av kanalen.

Huvudfunktionen hos spänningsstyrda jonkanaler är generering av aktionspotentialer och deras spridning. Det finns flera typer och de viktigaste är:

2.1. Na+ kanal

De är transmembranproteiner som tillåter passage av natriumjoner genom cellen. Jontransport är passiv och beror bara på jonens elektrokemiska potential (den kräver inte energi i form av en ATP-molekyl). I neuroner är natriumkanaler ansvariga för den stigande fasen av aktionspotentialen. (avpolarisering).

2.2. K+ kanal

Dessa jonkanaler utgör den mest heterogena gruppen av strukturella membranproteiner. I neuroner aktiverar depolarisering K+-kanaler och underlättar K+-utträde från nervcellen, vilket leder till en repolarisering av membranpotentialen.

23. Ca++ kanal

Kalciumjoner främjar sammansmältningen av det synaptiska vesikelmembranet (strukturer belägna i slutet av det neuronala axonet och ansvarig för utsöndring av neurotransmittorer) med axonterminalmembranet vid nervcell, stimulera frisättningen av acetylkolin i synapspalten genom en mekanism av exocytos.

2.4. Cl-kanal

Denna typ av jonkanaler är ansvariga för att reglera cellexcitabilitet, transport mellan celler, såväl som hanteringen av PH och cellvolym. Kanaler belägna i membranet stabiliserar membranpotentialen i exciterbara celler. är också ansvarig för transporten mellan celler av vatten och elektrolyter.

3. Jonkanaler reglerade av mekanokänsliga stimuli

Dessa jonkanaler öppna som svar på mekaniska åtgärder. De finns till exempel i Paccinis blodkroppar (sensoriska receptorer i huden som svarar på snabba vibrationer och till djupt mekaniskt tryck), som öppnas genom att sträcka cellmembranet genom applicering av spänning och/eller tryck.

Channelopathies: patologier associerade med dessa molekyler

Från en fysiologisk synvinkel, jonkanaler är avgörande för den homeostatiska balansen i vår kropp. Dess dysfunktion orsakar en hel rad sjukdomar, kända som kanalopatier. Dessa kan produceras av två typer av mekanismer: genetiska förändringar och autoimmuna sjukdomar.

Bland de genetiska förändringarna finns mutationer som uppstår i den kodande regionen av genen för en jonkanal. Det är vanligt att dessa mutationer producerar polypeptidkedjor som inte bearbetas korrekt och som inte är inkorporerade i plasmamembranet; eller, när underenheterna parar sig och bildar kanalerna, är dessa inte funktionella.

En annan ofta förekommande möjlighet är att även om de är funktionella kanaler så uppvisar de ändrad kinetik. I vilket fall som helst leder de ofta till förstärkning eller förlust av kanalfunktion.

Också mutationer kan förekomma i promotorregionen av genen som kodar för en jonkanal. Detta kan orsaka underuttryck eller överuttryck av proteinet, vilket ger förändringar i antalet kanaler, vilket också skulle orsaka en ökning eller minskning av dess funktionalitet.

För närvarande är flera patologier associerade med jonkanaler i olika vävnader kända. På muskuloskeletala nivån, mutationer i de spänningsstyrda Na+, K+, Ca++ och Cl- kanalerna och i acetylkolinkanalen leda till störningar som hyperkalemisk och hypokalemisk förlamning, myotoni, malign hypertermi och myasteni.

På neuronnivå har det föreslagits att förändringar i spänningsstyrda Na+-kanaler, K+ och Ca++-kanaler genom spänning kan kanalen som aktiveras av acetylkolin eller den som aktiveras av glycin förklara störningar som epilepsi, ataxi episodisk migrän, familjär hemiplegisk migrän, Lambert-Eatons syndrom, Alzheimers sjukdom, Parkinsons sjukdom och schizofreni.

Bibliografiska referenser:

• J. T. Menéndez, "Porer och jonkanaler reglerar cellaktivitet," i Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, sid. 23.
• Ana I. Fernandez-Marino, Tyler J. Harpole, Kevin Oelstrom, Lucie Delemotte och Baron Chanda. "Gating-interaktionskartor avslöjar ett icke-kanoniskt elektromekaniskt kopplingsläge i Shaker K+-kanalen". Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, april 2018.
• g. Eisenman och J.A. Dani. Ann (1987). En introduktion till molekylär arkitektur och permeabilitet hos jonkanaler. Varv. Biophys. Biophys. Chemm, 16. pp. 205-226.
• Aidley, D. J. (1989) The physiology of excitable cells. Cambridge University Press.