IONKANALER: STRUKTUR, FUNKSJONER, TYPER - BIOLOGI - 2025

De ionekanaler er en hul membranstrukturer som danner kanaler eller porer som går gjennom tykkelsen av membranen og som setter utsiden av cellen med dens cytosol og vice versa; noen kan ha et portsystem som regulerer åpningen.

Disse kanalene er fylt med vann og kontrollerer passasjen av spesifikke ioner fra den ene siden av membranen til den andre. De består av proteiner som er typiske for cellemembraner som danner sylindriske rørformede strukturer som krysser dem i bredden.

Åpen og lukket dannelse av en ionekanal (Kilde: Efazzari via Wikimedia Commons)

Transportmekanismene over disse membranene kan bredt klassifiseres som passiv eller aktiv transport. Passiver er de som tillater passering av stoffer til fordel for konsentrasjonsgradienter, mens aktive krever energiforbruk, siden de flytter stoffer mot konsentrasjonsgradientene.

Ionkanaler utgjør en passiv transportmekanisme som kan klassifiseres i henhold til deres spesifisitet, det vil si i henhold til typen ion som de lar passere, eller i henhold til måten de åpnes eller lukkes på.

Hovedfunksjonen til disse membrantransportsystemene er å tillate den regulerte passasjen av stoffer inn eller ut av celler og dermed opprettholde intracellulære konsentrasjoner av ioner og andre stoffer.

Tilstedeværelsen av cellemembraner og ionekanaler er avgjørende for å opprettholde konsentrasjonsforskjeller mellom det intracellulære og ekstracellulære mediet, noe som er relevant fra mange synsvinkler.

Ionkanaler, spesielt ligandavhengige, er veldig viktige i farmakologi og medisin, siden mange medikamenter kan etterligne funksjonene til naturlige ligander og dermed binde seg til kanalen ved å åpne eller lukke den, som tilfellet kan være.

Andre medisiner er i stand til å blokkere bindingsstedet og dermed forhindre virkningen av den naturlige liganden.

Struktur

Strukturen til ionekanaler består av spesifikke transmembranproteiner som har en rørform og etterlater en pore eller et hull som tillater kommunikasjon mellom innsiden og utsiden av cellen eller mellom intracellulære rom (organeller).

Hver ionekanal involverer et spesifikt strukturelt membranprotein, og mer enn 100 gener er blitt beskrevet som koder for spesifikke ionekanaler.

For natriumkanalen er for eksempel 10 gener kalt SCNs blitt beskrevet som koder for forskjellige proteiner fordelt i forskjellige vev med spesielle funksjoner og strukturer.

På samme måte er det beskrevet et betydelig antall gener som koder for forskjellige proteiner som utgjør kaliumkanaler som tilhører forskjellige familier og har forskjellige aktiverings-, åpnings- og inaktiveringsmekanismer.

Proteinstruktur av en ionekanal

Vanligvis er en funksjonell ionekanal assosiert med en membran sammensatt av sammenstillingen av 4 til 6 lignende polypeptid-underenheter (homo-oligomerer) eller forskjellige (hetero-oligomerer) som danner en sentral pore mellom dem.

Diagram over membranunderenhetene til en ionekanal (Kilde: Efazzari via Wikimedia Commons)

Hver underenhet varierer i henhold til kanalens egenskaper og egenskaper, siden mange er spesifikke for visse ioner og har forskjellige åpnings- og lukkemekanismer.

Noen kanaler består av en enkelt polypeptidkjede organisert i gjentatte motiver som går gjennom flere ganger tykkelsen på membranen og fungerer som ekvivalenten til en proteinenhet.

I tillegg til disse underenhetene, som i litteraturen er kjent som α-underenheter, har noen ionekanaler også en eller flere hjelpeenheter (ß eller γ) som regulerer deres åpning og lukking.

Spesifisiteten til hver kanal er relatert til diameteren til porene dannet av transmembranproteiner og sidekjedene (─R) til aminosyrene som utgjør dem.

På denne måten er det kanaler som bare lar natrium, kalium, kalsiumioner passere og så videre, siden sidekjedene fungerer som en "sil".

Ytterligere strukturelle funksjoner

En annen viktig funksjon i mange kanaler er portene. Kanaler med disse egenskapene kan åpne eller lukke mot lokale forandringer som skjer i membranmikro-miljøet rundt kanalen.

Avhengig av type kanal, kan disse endringene være mekaniske, termiske (temperaturendringer), elektriske (spenningsendringer) eller kjemiske (binding av en ligand).

I de såkalte passive ionekanaler, som er de som forblir åpne og tillater den spesifikke passasjen til visse ioner, har disse strukturene imidlertid ikke porter eller er følsomme for ligander eller andre typer stimuli.

I andre ionekanaler, som er følsomme for tilstedeværelse eller binding av ligander, er det et bindingssted for ligand enten på den ekstracellulære siden eller mot cytosol, og i disse tilfellene har porene eller kanalene en port som kan åpnes eller lukkes i henhold til tilstanden til liganden.

Andre messenger-mekanisme for å åpne eller lukke kanaler

I tilfelle å ha et ligandsted i den intracellulære delen, har disse kanalene vanligvis andre budbringere som ligander. Et eksempel på ionekanaler som åpnes eller lukkes av andre messenger-mekanismer er de av lukt reseptorer:

Duftmolekyler binder seg til reseptorene deres på den ekstracellulære siden. Disse reseptorene er på sin side festet til et aktivert G-protein som igjen aktiverer proteinadenylsyklasen som danner cAMP, som er en annen messenger.

CAMP binder seg til et intracellulært bindingssete for noen kalsiumkanaler, noe som resulterer i dets åpning og inntreden av kalsium i cellen.

Som om det var en dominoeffekt, binder kalsium seg til et ligandsted i en annen klorkanal, som genererer åpningen og utgangen av dette ionet, noe som forårsaker depolarisering av luktcellen.

Det er viktig å fremheve at endringene generert av ligandene eller stimuli som påvirker ionekanalene tilsvarer konformasjonsendringer av proteiner som utgjør strukturen i kanalen.

Med andre ord, de konformasjonsendringene som kan bevege en port og lukke eller åpne en kanal, er ikke annet enn tilnærmingen eller distansen til proteinsubenhetene som utgjør den.

Andre aktiverings- og inaktiveringsmekanismer

Noen kanaler, spesielt spenningsavhengige kanaler, kan gå i en ildfast tilstand der den samme spenningsendringen som aktiverte dem nå ikke lenger aktiverer dem.

For eksempel i spenningsgaterte kalsiumkanaler åpner spenningsendringen kanalen og kalsium kommer inn, og når en gang inne i cellen, binder det samme ionet seg til et kalsiumkanalbindingssted og kalsiumkanalen lukkes. .

En annen form for reversibel inaktivering av kalsiumkanalen som forklarer dens ildfasthet etter aktivering er avfosforylering av kanalen på grunn av økt intern kalsiumkonsentrasjon.

Det vil si at en kalsiumkanal kan irreversibelt inaktiveres på grunn av tilstedeværelsen av patologisk høye konsentrasjoner av ionet, som medier rekruttering av spaltingsenzymer fra andre kalsiumaktiverte proteiner.

Ligand-gated kanaler kan komme inn i en ildfast tilstand når de blir utsatt for liganden deres i lang tid, denne mekanismen kalles desensibilisering.

Legemidler, giftstoffer og giftstoffer kan påvirke reguleringen av ionekanaler, lukke eller holde dem åpne eller, i noen tilfeller, okkupere stedet for liganden og dermed forstyrre dens funksjon.

Egenskaper

Ionkanaler har en rekke funksjoner, direkte eller indirekte.

- De er ansvarlige for å regulere strømmen av ioner gjennom plasma- og organellmembranene til alle celler.

- De tillater eksistensen av en kontroll over de intracellulære konsentrasjonene av de forskjellige ionene.

- I nevroner og muskelceller kontrollerer ionekanaler variasjonene i membranpotensialet som oppstår under handlingspotensialer og under effektorcelle postsynaptiske potensialer.

- Kalsiumkanalene som genererer netto strømmer av kalsium inn i det intracellulære rommet er ansvarlige for aktiveringen av en rekke enzymer og proteiner som deltar i mange metabolske prosesser.

- På samme måte initierer økningen i kalsium på grunn av en økning i transporten frigjøringsmekanismen til nevrotransmittere til det synaptiske rommet til nevroner.

- Derfor er funksjonen til ionekanaler også relatert til mekanismene for cellulær kommunikasjon.

Generaliteter av transport over membranen

Som angitt ovenfor, kan membrantransportmekanismer være aktive eller passive, avhengig av om de bruker energi fra cellen der de befinner seg eller ikke. Passive mekanismer er klassifisert i enkel diffusjon og forenklet diffusjon.

Enkel diffusjon

Enkel diffusjon tillater passering gjennom fosfolipidstrukturen i membranen av fettløselige molekyler av liten størrelse, med apolare egenskaper og uten ladning.

Således passerer for eksempel gasser som oksygen (O2) og karbondioksid (CO2), etanol og urea, for å nevne noen, gjennom konsentrasjonsgradienten.

Tilrettelagt formidling

Tilrettelagt diffusjon er en som forenkles av proteiner, og det er to typer av denne passive transportmekanismen: ionekanaler og transportproteiner eller transportørproteiner.

Ionkanaler er den mekanismen som brukes mest av celler for transport av ioner som ikke kan passere ved enkel diffusjon, enten fordi de har en elektrisk ladning og fosfolipidene i membranen frastøter dem, på grunn av deres størrelse og polaritet eller noe annet kjennetegn.

Diffusjon forenklet med bærerproteiner brukes til transport av større stoffer med eller uten ladning, for eksempel glukose og andre sukkerarter.

Aktiv membrantransport er den som oppstår mot konsentrasjonsgradienten av det løste stoffet som transporteres og krever forbruk av energi i form av ATP. Blant transportørene av denne typen er pumper og vesikulær transport.

Som et eksempel på pumpene er natrium / kaliumpumpen, som fjerner tre natrium og introduserer to kalium. Det er også kalsiumpumpene.

Eksempler på vesikulær transport er endocytose, eksocytose, pinocytose og fagocytose; alle disse aktive transportmekanismene.

Typer ionekanaler

Fra dette tidspunkt vil det vises til ionekanalene som tillater passering av ioner gjennom en membran til fordel for deres konsentrasjonsgradienter, det vil si at de er passive transportkanaler.

Generelt er hver av disse kanalene spesifikke for et enkelt ion, med unntak av noen få kanaler som tillater transport av ionepar.

Strukturdiagram over en ionekanal (Kilde: Outslider (Paweł Tokarz) på pl.wikipedia via Wikimedia Commons)

En måte å klassifisere ionekanaler er ved å gruppere dem i henhold til mekanismen som er ansvarlig for deres åpning. Dermed er passive kanaler, spenningsregulerte (spenningsavhengige) kanaler, ligandregulerte kanaler og mekaniske stimulusregulerte kanaler blitt beskrevet.

- Passive kanaler: de er kanaler som er åpne og som ikke svarer på noen form for stimulans. disse er spesifikke for visse ioner.

- Spenningsavhengige kanaler : disse kan åpne eller lukke (avhengig av kanal) i møte med endringer i membranspenningen. De er veldig viktige for cellesignalisering, spesielt i sentralnervesystemet hos pattedyr.

- Ligandavhengige kanaler: også kalt ligandregulerte eller ligandregulerte kanaler, de er vidt distribuert i de forskjellige menneskekroppcellene, men i nervesystemet utgjør de ionekanalene som aktiveres av nevrotransmittere og er essensielle for synaptisk overføring og intercellulær signalering.

Eksempel på ligandavhengige ionekanaler aktivert av nevrotransmittere er natrium / kaliumkanaler aktivert av glutamat.

Aktiveringen av kolinerge reseptorer, i dette tilfellet bindingen av acetylkolin til den postsynaptiske membranen (kanalligand), åpner ligandavhengige natriumkanaler og tillater inntreden av dette ionet etter konsentrasjonsgradienten.

- Kanaler regulert av mekaniske stimuli : dette er kanaler som kan aktiveres ved distensjon eller trykk. Disse mekaniske kreftene overføres til kanalen gjennom cytoskjelettet og kanalen åpnes.

referanser

1. Bear, MF, Connors, BW, & Paradiso, MA (Eds.). (2007). Nevrovitenskap (bind 2). Lippincott Williams & Wilkins.
2. Institutt for biokjemi og molekylær biofysikk Thomas Jessell, Siegelbaum, S., & Hudspeth, AJ (2000). Prinsipper for nevralfag (bind 4, s. 1227-1246). ER Kandel, JH Schwartz, & TM Jessell (Eds.). New York: McGraw-hill.
3. Lewis, CA, & Stevens, CF (1983). Acetylkolinreseptor kanal ionisk selektivitet: ioner opplever et vandig miljø. Proceedings of the National Academy of Sciences, 80 (19), 6110-6113.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Lehninger-prinsippene for biokjemi. Macmillan.
5. Rawn, JD (1998). Biokjemi. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publisher.
6. Viana, F., de la Peña, E., & Belmonte, C. (2002). Spesifisiteten til kald termotransduksjon bestemmes ved differensial ionisk kanaluttrykk. Nature neuroscience, 5 (3), 254.