IONSKI KANALI: STRUKTURA, FUNKCIJE, VRSTE - BIOLOGIJA - 2026

V ionskih kanalčkov so votle membranske strukture, ki tvorijo kanale ali pore prečkajo debelino membrane in posredovanje zunanjosti celice s svojo citosolu in obratno; nekateri imajo morda zaporni sistem, ki uravnava njihovo odpiranje.

Ti kanali so napolnjeni z vodo in nadzorujejo prehod določenih ionov z ene strani membrane na drugo. Sestavljeni so iz nekaterih beljakovin, značilnih za celične membrane, ki tvorijo valjaste cevaste strukture, ki jih križajo po širini.

Odprta in zaprta tvorba ionskega kanala (Vir: Efazzari prek Wikimedia Commons)

Transportne mehanizme po teh membranah lahko na splošno razvrstimo v pasivni ali aktivni prevoz. Pasivni so tisti, ki omogočajo prehod snovi v korist njihovih koncentracijskih gradientov, medtem ko aktivne zahtevajo porabo energije, saj premikajo snovi proti koncentracijskim gradientom.

Ionski kanali so pasivni transportni mehanizem, ki ga je mogoče razvrstiti glede na njihovo specifičnost, torej glede na vrsto ionov, ki jim omogočajo prehod, ali glede na način, na katerega se odprejo ali zaprejo.

Glavna funkcija teh membranskih transportnih sistemov je omogočiti reguliran prehod snovi v celice ali iz njih in tako vzdrževati znotrajcelične koncentracije ionov in drugih snovi.

Prisotnost celičnih membran in ionskih kanalov je ključnega pomena za vzdrževanje razlik v koncentraciji medceličnega in zunajceličnega medija, kar je pomembno z mnogih vidikov.

Ionski kanali, zlasti odvisni od ligandov, so zelo pomembni v farmakologiji in medicini, saj lahko številna zdravila posnemajo funkcije naravnih ligandov in se tako vežejo na kanal, ga odpirajo ali zapirajo, odvisno od primera.

Druga zdravila lahko blokirajo mesto vezave in s tem preprečijo delovanje naravnega liganda.

Struktura

Strukturo ionskih kanalov sestavljajo posebni transmembranski proteini, ki imajo cevasto obliko in puščajo pore ali luknjo, ki omogoča komunikacijo med notranjo in zunaj celice ali med znotrajceličnimi oddelki (organeli).

Vsak ionski kanal vključuje specifičen strukturni membranski protein in opisanih je bilo več kot 100 genov, ki kodirajo specifične ionske kanale.

Na primer za natrijev kanal je bilo opisanih 10 genov, imenovanih SCN, ki kodirajo različne beljakovine, porazdeljene v različnih tkivih s posebnimi funkcijami in strukturo.

Prav tako je bilo opisano veliko število genov, ki kodirajo različne beljakovine, ki sestavljajo kalijeve kanale, ki pripadajo različnim družinam in imajo različne mehanizme aktiviranja, odpiranja in inaktivacije.

Proteinska struktura ionskega kanala

Običajno je funkcijski ionski kanal, povezan z membrano, sestavljen iz sklopa 4 do 6 podobnih polipeptidnih podenot (homo oligomeri) ali različnih (hetero oligomeri), ki tvorijo osrednjo por med njimi.

Diagram membranskih podenot ionskega kanala (Vir: Efazzari prek Wikimedia Commons)

Vsaka podenota se razlikuje glede na značilnosti in lastnosti kanala, saj so številne specifične za določene ione in imajo različne mehanizme odpiranja in zapiranja.

Nekateri kanali so sestavljeni iz ene polipeptidne verige, organizirane v ponavljajoče se vzorce, ki gredo skozi večkratno debelino membrane in delujejo kot ekvivalent beljakovinske podenote.

Poleg teh podenot, ki jih v literaturi poznamo kot α podenote, imajo nekateri ionski kanali tudi eno ali več pomožnih podenot (ß ali γ), ki uravnavajo njihovo odpiranje in zapiranje.

Specifičnost vsakega kanala je povezana s premerom pore, ki jo tvorijo transmembranski proteini in stranske verige (─R) aminokislin, ki jih sestavljajo.

Na ta način obstajajo kanali, ki prepuščajo le natrijeve, kalijeve, kalcijeve ione in podobno, saj stranske verige delujejo kot "sito".

Dodatne strukturne značilnosti

Druga pomembna lastnost mnogih kanalov so vrata. Kanali s temi lastnostmi se lahko odpirajo ali zapirajo proti lokalnim spremembam, ki se pojavljajo v membranskem mikrookolišču, ki obdaja kanal.

Te spremembe so lahko, odvisno od vrste kanala, mehanske, toplotne (spremembe temperature), električne (spremembe napetosti) ali kemične (vezava liganda).

Vendar pa v tako imenovanih pasivnih ionskih kanalih, ki ostanejo odprti in omogočajo specifičen prehod določenih ionov, te strukture nimajo vrat ali so občutljive na ligande ali druge vrste dražljajev.

V drugih ionskih kanalih, ki so občutljivi na prisotnost ali vezavo ligandov, je vezno mesto za ligand bodisi na zunajcelični strani bodisi proti celičnemu citosolu in v teh primerih imajo pore ali kanali vrata, ki jih je mogoče odpreti ali zapreti glede na stanje svojega liganda.

Drugi mehanizem za odpiranje ali zapiranje kanalov

V primeru, da ima mesto liganda v medceličnem delu, imajo ti kanali običajno druge lizinge kot ligande. Primer ionskih kanalov, ki jih odpirajo ali zapirajo drugi mehanizmi za sporočanje, so kanali za vonjave:

Vonjave molekule se vežejo na svoje receptorje na zunajcelični strani. Ti receptorji so pritrjeni na aktivirani protein G, ki posledično aktivira protein adenil ciklazo, ki tvori cAMP, ki je drugi prenašalec.

CAMP se veže na medcelično vezavno mesto nekaterih kalcijevih kanalov, kar ima za posledico njegovo odpiranje in vstop kalcija v celico.

Kot da bi šlo za domino učinek, se kalcij veže na mesto liganda drugega klorovega kanala, ki ustvarja njegovo odpiranje in izhod tega iona, kar povzroči depolarizacijo ionske celice.

Pomembno je poudariti, da spremembe, ki jih povzročajo ligandi ali dražljaji, ki vplivajo na ionske kanale, ustrezajo konformacijskim spremembam proteinov, ki tvorijo strukturo kanala.

Z drugimi besedami, konformacijske spremembe, ki lahko premaknejo vrata in zaprejo ali odprejo kanal, niso nič drugega kot približevanje ali distanciranje beljakovinskih podenot, ki ga sestavljajo.

Drugi mehanizmi aktivacije in inaktivacije

Nekateri kanali, zlasti kanali, ki so odvisni od napetosti, lahko vstopijo v ognjevzdržno stanje, v katerem pa se ne spremeni več napetosti, ki jih je aktivirala zdaj.

Na primer, v napetostnih kalcijevih kanalih sprememba napetosti odpre kanal in vstopi kalcij in ko se znotraj celice isti ion veže na mesto vezave kalcijevih kanalov in se kalcijev kanal zapre. .

Druga oblika reverzibilne inaktivacije kalcijevega kanala, ki pojasnjuje njegovo ognjevzdržnost po aktivaciji, je defosforilacija kanala zaradi povečane notranje koncentracije kalcija.

To pomeni, da je kalcijev kanal lahko nepovratno inaktiviran zaradi prisotnosti patološko visokih koncentracij iona, ki posredujejo pri rekrutaciji cepilnih encimov iz drugih proteinov, ki se aktivirajo s kalcijem.

Kanali z zaklepanjem z ligandi lahko vstopijo v ognjevzdržno stanje, če so dalj časa izpostavljeni njihovim ligandom, temu mehanizmu pravimo desenzibilizacija.

Zdravila, strupi in toksini lahko vplivajo na regulacijo ionskih kanalov, jih zapirajo ali ohranjajo odprte ali v nekaterih primerih zasedajo mesto liganda in tako motijo ​​njegovo delovanje.

Lastnosti

Ionski kanali imajo številne funkcije, neposredne ali posredne.

- Odgovorni so za regulacijo pretoka ionov skozi plazemsko in organelarno membrano vseh celic.

- Omogočajo obstoj nadzora medceličnih koncentracij različnih ionov.

- V nevronih in mišičnih celicah ionski kanali nadzorujejo spremembe v membranskem potencialu, ki se pojavijo med akcijskimi potenciali in med efektorskimi celicami postinaptičnih potencialov.

- Kalcijevi kanali, ki ustvarjajo neto pretok kalcija v medcelični prostor, so odgovorni za aktiviranje številnih encimov in beljakovin, ki sodelujejo v številnih presnovnih procesih.

- Prav tako povečanje kalcija zaradi povečanja njegovega prometa sproži mehanizem sproščanja nevrotransmiterjev v sinaptični prostor nevronov.

- Zato je delovanje ionskih kanalov povezano tudi z mehanizmi celične komunikacije.

Splošni prevozi po membrani

Kot je navedeno zgoraj, so membranski transportni mehanizmi lahko aktivni ali pasivni, odvisno od tega, ali porabijo energijo iz celice, kjer se nahajajo. Pasivni mehanizmi so razvrščeni v preprosto difuzijo in olajšano difuzijo.

Preprosta difuzija

Preprosta difuzija omogoča prehod skozi fosfolipidno strukturo membrane maščob topnih molekul majhne velikosti, s nepolarnimi lastnostmi in brez naboja.

Tako na primer plini, kot so kisik (O2) in ogljikov dioksid (CO2), etanol in sečnina, če jih naštejemo, prehajajo skozi njihov koncentracijski gradient.

Olajšano razširjanje

Olajšana difuzija je tista, ki jo olajšajo beljakovine in obstajata dve vrsti tega pasivnega transportnega mehanizma: ionski kanali in transportni proteini ali prenašalne beljakovine.

Ionski kanali so mehanizem, ki ga celice najbolj uporabljajo za prevoz ionov, ki ne morejo preiti s preprosto difuzijo, bodisi zato, ker imajo električni naboj in jih fosfolipidi membrane odbijajo zaradi svoje velikosti in polarnosti ali zaradi kakršnih koli drugih značilnosti.

Difuzija, ki jo olajšajo proteinski nosilci, se uporablja za prevoz večjih snovi z ali brez naboja, kot so glukoza in drugi sladkorji.

Aktivni membranski transport je tisti, ki nastane glede na koncentracijski gradient topljenca, ki se prevaža, in zahteva porabo energije v obliki ATP. Med tovrstnimi prevozniki spadajo črpalke in vezikularni prevoz.

Primer črpalk je natrijeva / kalijeva črpalka, ki odstrani tri natrija in vnese dva kalija. Obstajajo tudi kalcijeve črpalke.

Primeri vezikularnega transporta so endocitoza, eksocitoza, pinocitoza in fagocitoza; vsi ti aktivni transportni mehanizmi.

Vrste ionskih kanalov

Od tega trenutka dalje se sklicujemo na ionske kanale, ki omogočajo prehod ionov skozi membrano v korist njihovih koncentracijskih gradientov, to so pasivni transportni kanali.

Na splošno je vsak od teh kanalov specifičen za en ion, razen nekaj kanalov, ki omogočajo prevoz ionskih parov.

Strukturni diagram ionskega kanala (Vir: Outslider (Paweł Tokarz) na pl.wikipedia prek Wikimedia Commons)

Eden od načinov za razvrstitev ionskih kanalov je njihovo razvrščanje v skladu z mehanizmom, ki je odgovoren za njihovo odpiranje. Tako so opisani pasivni kanali, napetostno regulirani (od napetosti odvisni) kanali, ligandski regulirani kanali in mehanski dražljaji, regulirani.

- Pasivni kanali: gre za kanale, ki so stalno odprti in se ne odzivajo na nobene vrste dražljajev; ti so specifični za nekatere ione.

- Kanali, ki so odvisni od napetosti : ti se lahko odprejo ali zaprejo (odvisno od kanala) zaradi sprememb napetosti v membrani. So zelo pomembne za celično signalizacijo, zlasti v centralnem živčnem sistemu sesalcev.

- kanali, odvisni od ligandov: imenujejo jih tudi ligandski ali ligandsko regulirani kanali, široko so razporejeni v različnih celicah človeškega telesa, v živčnem sistemu pa predstavljajo tiste ionske kanale, ki jih aktivirajo nevrotransmiterji in so bistveni za sinaptični prenos in medcelična signalizacija.

Primer ionskih kanalov, odvisnih od ligandov, ki jih aktivirajo nevrotransmiterji, so natrijevi / kalijevi kanali, ki jih aktivira glutamat.

Aktivacija holinergičnih receptorjev, v tem primeru vezava acetilholina na postsinaptično membrano (kanalni ligand), odpre ligandski odvisne natrijeve kanale in omogoči vstop tega iona po njegovem koncentracijskem gradientu.

- Kanali, ki jih uravnavajo mehanski dražljaji : to so kanali, ki jih je mogoče aktivirati z distenzijo ali pritiskom. Te mehanske sile se prenašajo v kanal skozi citoskelet in kanal se odpre.

Reference

1. Bear, MF, Connors, BW, & Paradiso, MA (ur.). (2007). Nevroznanost (letnik 2). Lippincott Williams & Wilkins.
2. Oddelek za biokemijo in molekularno biofiziko Thomas Jessell, Siegelbaum, S., & Hudspeth, AJ (2000). Načela nevrološke znanosti (letnik 4, str. 1227-1246). ER Kandel, JH Schwartz in TM Jessell (ur.). New York: McGraw-hrib.
3. Lewis, CA, in Stevens, CF (1983). Ionska selektivnost kanala za acetilholinski receptor: ioni doživljajo vodno okolje. Zbornik Nacionalne akademije znanosti, 80 (19), 6110-6113.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, Cox, MM (2008). Lehningerjeva načela biokemije. Macmillan.
5. Rawn, JD (1998). Biokemija. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
6. Viana, F., de la Peña, E., & Belmonte, C. (2002). Specifičnost hladne termo pretvorbe je določena z diferencialno izražanjem ionskega kanala. Naravna nevroznanost, 5 (3), 254.