IONSKI KANALI: STRUKTURA, FUNKCIJE, VRSTE - BIOLOGIJA - 2025

Su ionski kanali su jedan šuplji membranske strukture koje oblikuju kanale ili pore poprijeko debljina membrane i komuniciranje s vanjske stanice sa svojim citosolu i obratno; neki mogu imati sustav vrata koji regulira njihovo otvaranje.

Ti se kanali pune vodom i kontroliraju prolazak određenih iona s jedne na drugu stranu membrane. Sačinjeni su od proteina tipičnih za stanične membrane koje tvore cilindrične strukture u obliku cijevi koje ih križaju u širinu.

Otvoreno i zatvoreno formiranje ionskog kanala (Izvor: Efazzari putem Wikimedia Commonsa)

Transportni mehanizmi preko ovih membrana mogu se široko klasificirati u pasivni ili aktivni transport. Pasivni su oni koji dopuštaju prolazak tvari u korist njihovih koncentracijskih gradijenata, dok aktivne zahtijevaju potrošnju energije, jer one kreću tvari prema koncentracijskim gradijentima.

Ionski kanali čine pasivni transportni mehanizam koji se može razvrstati prema njihovoj specifičnosti, odnosno prema vrsti iona kroz koji prolaze ili prema načinu na koji se otvaraju ili zatvaraju.

Glavna funkcija ovih membranskih transportnih sustava je omogućavanje reguliranog prolaska tvari u ili izvan stanica i na taj način održavanje unutarćelijskih koncentracija iona i drugih tvari.

Prisutnost staničnih membrana i ionskih kanala temeljna je za održavanje razlike u koncentraciji između unutarćelijskog i vanćelijskog medija, što je relevantno s mnogih stajališta.

Ionski kanali, osobito oni ovisni ligandi, vrlo su važni u farmakologiji i medicini, jer mnogi lijekovi mogu oponašati funkcije prirodnih liganda i tako se pridružiti kanalu, otvarajući ga ili zatvarajući, ovisno o slučaju.

Ostali lijekovi mogu blokirati mjesto vezivanja i na taj način spriječiti djelovanje prirodnog liganda.

Struktura

Struktura ionskih kanala sastoji se od specifičnih transmembranskih proteina koji imaju cevasti oblik i ostavljaju pore ili rupe koje omogućuju komunikaciju između unutar i izvan stanice ili između unutarćelijskih odjeljaka (organela).

Svaki ionski kanal uključuje specifični protein strukturne membrane, a opisano je više od 100 gena koji kodiraju specifične ionske kanale.

Na primjer, za natrijev kanal opisano je 10 gena zvanih SCN koji kodiraju različite proteine ​​raspoređene u različitim tkivima s određenim funkcijama i strukturama.

Isto tako, opisan je znatan broj gena koji kodiraju različite proteine ​​koji čine kalijeve kanale koji pripadaju različitim obiteljima i posjeduju različite mehanizme aktivacije, otvaranja i inaktivacije.

Proteinska struktura ionskog kanala

Tipično, funkcionalni ionski kanal povezan s membranom sastoji se od sklopa 4 do 6 sličnih polipeptidnih podjedinica (homo oligomeri) ili različitih (hetero oligomeri) koji između njih tvore središnju por.

Dijagram membranskih podjedinica ionskog kanala (Izvor: Efazzari putem Wikimedia Commonsa)

Svaka podjedinica varira ovisno o karakteristikama i svojstvima kanala, jer su mnoge specifične za određene ione i imaju različite mehanizme otvaranja i zatvaranja.

Neki kanali su sastavljeni od jednog polipeptidnog lanca koji je organiziran u ponavljajuće uzorke koji prolaze kroz nekoliko puta veću debljinu membrane i funkcioniraju kao ekvivalent proteinske podjedinice.

Pored ovih podjedinica, koje su u literaturi poznate kao α podjedinice, neki ionski kanali imaju i jednu ili više pomoćnih podjedinica (ß ili γ) koje reguliraju njihovo otvaranje i zatvaranje.

Specifičnost svakog kanala povezana je s promjerom pora formiranih transmembranskim proteinima i bočnim lancima (─R) aminokiselina koje ih čine.

Na taj način postoje kanali koji propuštaju samo natrijeve, kalijeve, kalcijeve ione i tako dalje, budući da bočni lanci funkcioniraju kao "sito".

Dodatne strukturne značajke

Još jedna važna značajka mnogih kanala su kapije. Kanali s tim svojstvima mogu se otvoriti ili zatvoriti protiv lokalnih promjena koje se događaju u mikrookolju membrane koja okružuje kanal.

Ovisno o vrsti kanala, ove promjene mogu biti mehaničke, toplinske (promjene temperature), električne (promjene napona) ili kemijske (vezivanje liganda).

Međutim, u takozvanim pasivnim ionskim kanalima, koji su oni koji ostaju otvoreni i omogućuju specifičan prolaz određenih iona, ove strukture nemaju vrata ili su osjetljive na ligande ili druge vrste podražaja.

U drugim ionskim kanalima, koji su osjetljivi na prisutnost ili vezanje liganda, postoji mjesto vezanja liganda na vanćelijskoj strani ili prema staničnom citosolu, a u tim slučajevima pore ili kanali imaju vrata koja se mogu otvoriti ili zatvoriti prema stanju svoga liganda.

Drugi glasnik mehanizam za otvaranje ili zatvaranje kanala

U slučaju da postoji mjesto liganda u unutarćelijskom dijelu, ovi kanali obično imaju druge glasnike kao ligande. Primjer ionskih kanala koji se otvaraju ili zatvaraju mehanizmi drugog glasnika je kanal olfaktornih receptora:

Mirisne molekule vežu se za svoje receptore na izvanstaničnoj strani. Ti receptori su zauzvrat vezani na aktivirani G protein koji zauzvrat aktivira protein adenil ciklazu koja tvori cAMP, koji je drugi glasnik.

CAMP se veže na unutarćelijsko vezivno mjesto nekih kalcijevih kanala, što rezultira njegovim otvaranjem i ulaskom kalcija u stanicu.

Kao da je riječ o domino učinku, kalcij se veže na mjesto liganda drugog klorovog kanala, što stvara njegovo otvaranje i izlaz ovog iona, uzrokujući depolarizaciju olfaktorne stanice.

Važno je naglasiti da promjene koje stvaraju ligandi ili podražaji koji utječu na ionske kanale odgovaraju konformacijskim promjenama proteina koji čine strukturu kanala.

Drugim riječima, konformacijske promjene koje mogu pomicati kapiju i zatvoriti ili otvoriti kanal nisu ništa drugo do približavanje ili distanciranje proteinskih podjedinica koje ga čine.

Ostali mehanizmi aktivacije i inaktivacije

Neki kanali, posebno kanali ovisni o naponu, mogu ući u vatrostalno stanje tijekom kojeg se ista promjena napona koja ih je aktivirala sada više ne aktivira.

Na primjer, u kalcijevim kanalima koji se nalaze pod naponom, promjena napona otvara kanal i ulazi kalcij, a kad se unutar stanice isti ion veže na mjesto vezivanja kalcijevog kanala i kalcijev kanal se zatvori., Drugi oblik reverzibilne inaktivacije kalcijevog kanala koji objašnjava njegovu vatrostalnost nakon aktivacije je defosforilacija kanala zbog povećane unutarnje koncentracije kalcija.

Odnosno, kalcijev kanal može se nepovratno inaktivirati zbog prisutnosti patološki visokih koncentracija iona koji posreduju u zapošljavanju enzima za cijepanje iz drugih proteina aktiviranih kalcijem.

Kanali koji su zatvoreni u ligandu mogu ući u vatrostalno stanje kada su izloženi njihovom ligandu duže vrijeme, a ovaj mehanizam naziva se desenzibilizacija.

Lijekovi, otrovi i toksini mogu utjecati na regulaciju ionskih kanala, zatvarajući ih ili držeći otvorenima ili, u nekim slučajevima, zauzimajući mjesto liganda i tako ometajući njegovu funkciju.

Značajke

Ionski kanali imaju mnoštvo funkcija, izravnih ili neizravnih.

- Odgovorni su za regulaciju protoka iona kroz plazmu i organelarne membrane svih stanica.

- Omogućuju postojanje kontrole nad unutarćelijskim koncentracijama različitih iona.

- U neuronima i mišićnim stanicama, ionski kanali kontroliraju varijacije u membranskom potencijalu koje se javljaju tijekom akcijskih potencijala i tijekom postinaptičkih potencijala ćelija efektora.

- Kalcijevi kanali koji stvaraju neto protok kalcija u unutarćelijskom prostoru odgovorni su za aktiviranje brojnih enzima i proteina koji sudjeluju u mnogim metaboličkim procesima.

- Isto tako, povećanje kalcija zbog povećanja njegovog transporta pokreće mehanizam otpuštanja neurotransmitera u sinaptički prostor neurona.

- Dakle, funkcija ionskih kanala povezana je i s mehanizmima stanične komunikacije.

Općenitost transporta kroz membranu

Kao što je gore navedeno, membranski transportni mehanizmi mogu biti aktivni ili pasivni, ovisno o tome troše li ili ne energiju iz stanice u kojoj se nalaze. Pasivni mehanizmi su klasificirani u jednostavnu difuziju i olakšanu difuziju.

Jednostavna difuzija

Jednostavna difuzija omogućava prolazak kroz fosfolipidnu strukturu membrane molekula topljivih u masti male veličine, s nepolarnim karakteristikama i bez naboja.

Tako, na primjer, plinovi poput kisika (O2) i ugljičnog dioksida (CO2), etanola i uree, da ih nazovemo, prolaze kroz njihov gradijent koncentracije.

Pojednostavljeno širenje

Olakšana difuzija je ona koja je omogućena pomoću proteina, a postoje dvije vrste ovog pasivnog transportnog mehanizma: ionski kanali i transportni proteini ili transporterski proteini.

Ionski kanali su mehanizam koji stanice najčešće koriste za transport iona koji ne mogu proći jednostavnom difuzijom, bilo zato što imaju električni naboj i fosfolipidi membrane ih odbijaju, zbog njihove veličine i polariteta ili bilo kojeg drugog svojstva.

Difuzija koju olakšavaju proteinski nosači koristi se za transport većih tvari sa ili bez naboja, poput glukoze i drugih šećera.

Aktivni membranski transport je onaj koji se događa nasuprot gradijentu koncentracije rastvora koji se transportira i zahtijeva potrošnju energije u obliku ATP-a. Među transportnim vozilima ove vrste su pumpe i vezikularni transport.

Kao primjer crpki je pumpa natrij / kalij, koja uklanja tri natrija i unosi dva kalija. Postoje i kalcijeve pumpe.

Primjeri vezikularnog transporta su endocitoza, egzocitoza, pinocitoza i fagocitoza; svi ti aktivni mehanizmi transporta.

Vrste ionskih kanala

Od ovog trenutka uputit će se ionski kanali koji omogućuju prolazak iona kroz membranu u korist gradijenata koncentracije, odnosno pasivni su transportni kanali.

Općenito, svaki je od ovih kanala specifičan za jedan ion, s izuzetkom nekoliko kanala koji omogućavaju transport jonskih parova.

Strukturni dijagram ionskog kanala (Izvor: Outslider (Paweł Tokarz) na pl.wikipedia putem Wikimedia Commonsa)

Jedan od načina klasifikacije ionskih kanala jest njihovo grupiranje prema mehanizmu odgovornom za njihovo otvaranje. Tako su opisani pasivni kanali, kanali regulirani naponom (ovisni o naponu), kanali regulirani ligandom i kanali regulirani mehaničkim stimulansom.

- Pasivni kanali: to su kanali koji su trajno otvoreni i ne reagiraju na bilo koju vrstu podražaja; ovi su specifični za određene ione.

- Kanali koji ovise o naponu: mogu se otvoriti ili zatvoriti (ovisno o kanalu) uslijed promjena napona na membrani. Vrlo su važne za staničnu signalizaciju, posebno u središnjem živčanom sustavu sisavaca.

- Kanali ovisni o ligandu: nazivaju se i kanali regulirani ligandom ili ligandom, oni su široko distribuirani u različitim stanicama ljudskog tijela, ali u živčanom sustavu čine one ionske kanale aktivirane neurotransmiterima i ključni su za sinaptički prijenos i međućelijska signalizacija.

Primjer ionskih kanala ovisnih o ligandu koji aktiviraju neurotransmiteri su natrij / kalijev kanal aktiviran glutamatom.

Aktiviranje holinergičkih receptora, u ovom slučaju vezanje acetilkolina na postsinaptičku membranu (kanalni ligand), otvara natrijeve kanale ovisne o ligandu i omogućuje ulazak ovog iona prateći njegov gradijentni gradijent.

- Kanali regulirani mehaničkim podražajima: to su kanali koji se mogu aktivirati distenzijom ili pritiskom. Te se mehaničke sile prenose u kanal kroz citoskelet i kanal se otvara.

Reference

1. Bear, MF, Connors, BW, & Paradiso, MA (ur.). (2007). Neuroznanost (Vol. 2). Lippincott Williams & Wilkins.
2. Odjel za biokemiju i molekularnu biofiziku Thomas Jessell, Siegelbaum, S., & Hudspeth, AJ (2000). Načela neuronske znanosti (svezak 4, str. 1227-1246). ER Kandel, JH Schwartz i TM Jessell (ur.). New York: McGraw-Hill.
3. Lewis, CA, i Stevens, CF (1983). Ionska selektivnost kanala za acetilkolinski receptor: ioni doživljavaju vodeni okoliš. Zbornik radova Nacionalne akademije znanosti, 80 (19), 6110-6113.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Lehningerovi principi biokemije. Macmillan.
5. Rawn, JD (1998). Biokemija. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
6. Viana, F., de la Peña, E., i Belmonte, C. (2002). Specifičnost hladne termo pretvorbe određena je diferencijalnom ekspresijom ionskog kanala. Priroda neuroznanost, 5 (3), 254.