Іонні канали: що це таке, види. і як вони працюють у клітинах

Іонні канали є білковими комплексами, розташовані в клітинних мембранах, які регулюють життєво важливі процеси, такі як серцебиття або передача сигналів між нейронами.

У цій статті ми збираємося пояснити, з чого вони складаються, які їхні функції та структуру, які види іонних каналів існують та їхній зв’язок із різними захворюваннями.

• Пов'язана стаття: "Потенціал дії: що це таке і які його фази?"

Що таке іонний канал?

Ми розуміємо під іонними каналами білкові комплекси, заповнені водними порами, які пропускають іони, змушуючи їх протікати через клітинну мембрану. Ці канали присутні в усіх клітинах, невід’ємним компонентом яких вони є.

Кожна клітина оточена мембраною, яка відокремлює її від зовнішнього середовища. Його ліпідна двошарова структура не легко проникна для полярних молекул, таких як амінокислоти або іони. Тому необхідно транспортувати ці речовини в клітину та з неї за допомогою мембранних білків, таких як насоси, транспортери та іонні канали.

канали складаються з одного або кількох різних білків, які називаються субодиницями

(альфа, бета, гамма тощо). Коли кілька з них збираються разом, вони створюють круглу структуру, в центрі якої є отвір або пора, що дозволяє проходити іони.

Однією з особливостей цих каналів є їх вибірковість; тобто вони визначити, що одні неорганічні іони проходять, а інші нізалежно від діаметра та розподілу його амінокислот.

Відкриття і закриття іонних каналів регулюється різними факторами; певний стимул або датчик визначає, що вони коливаються з одного стану в інший, змінюючи свій склад.

Тепер подивимося, які функції вони виконують і яка їхня будова.

Функції та будова

За важливими клітинними процесами, такими як секреція нейромедіаторів або передача електричних сигналів, стоять іонні канали, які надають клітинам електричні та збудливі можливості. І при їх збої можуть виникнути численні патології (про які ми поговоримо пізніше).

Структура іонних каналів відбувається у вигляді трансмембранних білків і виступають як система воріт для регулювання проходження іонів (калію, натрію, кальцію, хлору та ін.) через пори.

Ще кілька років тому вважалося, що пори та датчик напруги з’єднані через a лінкер або «лінкер» (спіраль з приблизно 15 амінокислот), який може бути активований рухом датчика Напруга. Цей механізм зв’язку між двома частинами іонного каналу є канонічним механізмом, про який завжди теоретизували.

Однак нещодавно нове дослідження виявило інший шлях включає сегмент амінокислот, що складається з частини датчика напруги та частини пори. Ці два сегменти з’єднуються, як блискавка, щоб ініціювати відкриття або закриття каналу. У свою чергу, цей новий механізм може пояснити недавні відкриття, в яких деякі напругозалежні іонні канали (деякі відповідають за такі функції, як серцебиття) лише з a компонувальник.

Напругозалежні іонні канали є лише одним із існуючих типів каналів, але їх є більше: давайте подивимося, що це буде далі.

• Вас може зацікавити: "З яких частин складається нейрон?"

Типи іонних каналів

Механізми активації іонних каналів можуть бути кількох типів: лігандом, напругою або механочутливими стимулами.

1. Іонні канали, керовані лігандом

Ці іонні канали відкриваються у відповідь на зв'язування певних молекул і нейромедіаторів. Цей механізм відкриття зумовлений взаємодією хімічної речовини (якою може бути гормон, пептид або нейромедіатор) з частиною каналу, що називається рецептором, який генерує зміну вільної енергії та змінює конформацію білка, відкриваючи канал.

Одержувач ацетилхолін (нейромедіатор, який бере участь у передачі сигналів між руховими нервами та м’язами) нікотинового типу, є одним із найбільш вивчених ліганд-керованих іонних каналів. Він складається з 5 субодиниць по 20 амінокислот і бере участь у основних функціях, таких як довільний контроль рухів, пам'яті, уваги, сну, пильності або тривоги.

2. напругозалежні іонні канали

Такого роду канали відкриваються у відповідь на зміни електричного потенціалу на плазматичній мембрані. Напругозалежні іонні канали беруть участь у передачі електричних імпульсів, генеруючи потенціали дії за рахунок зміни різниці електричних зарядів по обидва боки від мембрана.

Потік іонів відбувається двома процесами: шляхом активації, залежний від напруги процес: канал відкривається у відповідь на зміни потенціалу мембрани (різниця в електричному потенціалі по обидва боки від мембрана); та інактивація, процес, який регулює закриття каналу.

Основною функцією потенціалзалежних іонних каналів є генерація потенціалів дії та їх поширення. Існує кілька типів і основні з них:

2.1. Канал Na+

Це трансмембранні білки, які забезпечують проходження іонів натрію через клітину. Транспорт іонів є пасивним і залежить лише від електрохімічного потенціалу іона (він не потребує енергії у вигляді молекули АТФ). У нейронах натрієві канали відповідають за фазу підвищення потенціалу дії. (деполяризація).

2.2. Канал K+

Ці іонні канали складають найбільш гетерогенну групу структурних мембранних білків. У нейронах деполяризація активує канали K+ і полегшує вихід K+ з нервової клітини, що призводить до реполяризації мембранного потенціалу.

23. Канал Ca++

Іони кальцію сприяють злиттю мембрани синаптичних везикул (структури, розташовані в кінці аксона нейрона і відповідає за секрецію нейротрансмітерів) з кінцевою мембраною аксона на нейрон, стимуляція виділення ацетилхоліну в синаптичну щілину за механізмом екзоцитозу.

2.4. Cl-канал

Цей тип іонних каналів відповідає за регуляцію збудливості клітин, транспорту між клітинами, а також управління PH і об’ємом клітин. Канали, розташовані в мембрані, стабілізують мембранний потенціал у збудливих клітинах. є також відповідає за транспорт між клітинами води та електролітів.

3. Іонні канали, що регулюються механочутливими подразниками

Ці іонні канали відкриваються у відповідь на механічні дії. Їх можна знайти, наприклад, у тільцях Паччіні (сенсорні рецептори в шкірі, які реагують на швидкі вібрації та до глибокого механічного тиску), які відкриваються шляхом розтягування клітинної мембрани через застосування натягу та/або тиск.

Каналопатії: патології, пов'язані з цими молекулами

З фізіологічної точки зору іонні канали необхідні для гомеостатичної рівноваги нашого організму. Його дисфункція викликає цілий ряд захворювань, відомих як каналопатії. Вони можуть виникати за допомогою двох типів механізмів: генетичних змін і аутоімунних захворювань.

Серед генетичних змін є мутації, які відбуваються в кодуючій області гена для іонного каналу. Зазвичай ці мутації утворюють поліпептидні ланцюги, які не обробляються належним чином і не вбудовуються в плазматичну мембрану; або, коли субодиниці з'єднуються і утворюють канали, вони не функціональні.

Інша поширена можливість полягає в тому, що, хоча вони є функціональними каналами, вони в кінцевому підсумку демонструють змінену кінетику. У будь-якому випадку вони часто призводять до посилення або втрати функції каналу.

Також мутації можуть відбуватися в промоторній області гена, який кодує іонний канал. Це може спричинити недостатню або надмірну експресію білка, викликаючи зміни в кількості каналів, що також спричинить збільшення або зниження його функціональності.

В даний час відомі численні патології, пов'язані з іонними каналами в різних тканинах. На скелетно-м’язовому рівні мутації в потенціалзалежних Na+, K+, Ca++ і Cl- каналах і в ацетилхоліновому каналі призводять до таких розладів, як гіперкаліємічний та гіпокаліємічний параліч, міотонія, злоякісна гіпертермія та міастенія.

На нейронному рівні було припущено, що зміни в потенціалзалежних Na+ каналах, K+ і Ca++ каналах через напругу канал, активований ацетилхоліном, або канал, активований гліцином, може пояснити такі розлади, як епілепсія, атаксія епізодична мігрень, сімейна геміплегічна мігрень, синдром Ламберта-Ітона, хвороба Альцгеймера, хвороба Паркінсона та шизофренія.

Бібліографічні посилання:

• Дж. Т. Менендес, «Пори та іонні канали регулюють активність клітин», в Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, стор. 23.
• Ана І. Фернандес-Маріно, Тайлер Дж. Гарпол, Кевін Оелстром, Люсі Делемотт і барон Чанда. «Карти взаємодії стробів виявляють неканонічний режим електромеханічного зв’язку в каналі Shaker K+». Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, квітень 2018 р.
• g. Айзенман і Дж.А. Дані. Енн (1987). Вступ до молекулярної архітектури та проникності іонних каналів. Рев. біофіз. біофіз. Хемм, 16. пп. 205-226.
• Ейдлі, Д. Дж. (1989) Фізіологія збудливих клітин. Cambridge University Press.