IÓNOVÉ KANÁLY: ŠTRUKTÚRA, FUNKCIE, TYPY - BIOLÓGIE - 2026

Tieto iónové kanály sú membránu z dutých štruktúr, ktoré tvoria kanály alebo póry posuvné hrúbky membrány a komunikáciu vonkajšie bunky s jej cytosolu a naopak; niektoré môžu mať bránový systém, ktorý reguluje ich otváranie.

Tieto kanály sú naplnené vodou a regulujú priechod špecifických iónov z jednej strany membrány na druhú. Sú tvorené proteínmi typickými pre bunkové membrány, ktoré tvoria valcové rúrkovité štruktúry, ktoré ich šíria na šírku.

Otvorená a uzavretá tvorba iónového kanála (Zdroj: Efazzari prostredníctvom Wikimedia Commons)

Transportné mechanizmy cez tieto membrány sa dajú všeobecne rozdeliť na pasívny alebo aktívny transport. Pasívne sú tie, ktoré umožňujú prechod látok v prospech ich koncentračných gradientov, zatiaľ čo aktívne vyžadujú spotrebu energie, pretože látky pohybujú proti svojim koncentračným gradientom.

Iónové kanály tvoria mechanizmus pasívneho transportu, ktorý možno klasifikovať podľa ich špecifickosti, to znamená podľa typu iónu, ktorý umožňujú priechodu, alebo podľa spôsobu, akým sa otvárajú alebo zatvárajú.

Hlavnou funkciou týchto membránových transportných systémov je umožniť regulovaný prechod látok do alebo z buniek, a tak udržiavať intracelulárne koncentrácie iónov a ďalších látok.

Prítomnosť bunkových membrán a iónových kanálov je nevyhnutná na udržanie rozdielov v koncentrácii medzi intracelulárnymi a extracelulárnymi médiami, čo je z mnohých hľadísk relevantné.

Iónové kanály, najmä tie, ktoré sú závislé od ligandu, sú veľmi dôležité vo farmakológii a medicíne, pretože mnoho liekov môže napodobňovať funkcie prírodných ligandov a tým sa viazať na kanál, prípadne ho otvárať alebo zatvárať.

Iné liečivá sú schopné blokovať väzobné miesto a tak zabrániť pôsobeniu prírodného ligandu.

štruktúra

Štruktúra iónových kanálov je vytvorená zo špecifických transmembránových proteínov, ktoré majú rúrkovitý tvar a zanechávajú póry alebo diery, ktoré umožňujú komunikáciu medzi vnútornou a vonkajšou časťou bunky alebo medzi intracelulárnymi kompartmentmi (organely).

Každý iónový kanál zahrnuje špecifický proteín štruktúrnej membrány a bolo opísaných viac ako 100 génov, ktoré kódujú špecifické iónové kanály.

Napríklad pre sodíkový kanál bolo opísaných 10 génov nazývaných SCN, ktoré kódujú rôzne proteíny distribuované v rôznych tkanivách s konkrétnymi funkciami a štruktúrami.

Podobne bolo opísané značné množstvo génov kódujúcich rôzne proteíny, ktoré tvoria draslíkové kanály, ktoré patria do rôznych rodín a majú rôzne mechanizmy aktivácie, otvárania a inaktivácie.

Proteínová štruktúra iónového kanála

Typicky je funkčný iónový kanál spojený s membránou zložený zo súboru 4 až 6 podobných polypeptidových podjednotiek (homo-oligomérov) alebo rôznych (hetero-oligomérov), ktoré medzi nimi tvoria centrálne póry.

Schéma membránových podjednotiek iónového kanála (Zdroj: Efazzari prostredníctvom Wikimedia Commons)

Každá podjednotka sa líši podľa charakteristík a vlastností kanála, pretože mnohé sú špecifické pre určité ióny a majú odlišné mechanizmy otvárania a zatvárania.

Niektoré kanály sú tvorené jedným polypeptidovým reťazcom usporiadaným podľa opakujúcich sa vzorov, ktoré prechádzajú niekoľkokrát hrúbkou membrány a fungujú ako ekvivalent proteínovej podjednotky.

Okrem týchto podjednotiek, ktoré sú v literatúre známe ako podjednotky a, majú niektoré iónové kanály jednu alebo viac pomocných podjednotiek (ß alebo y), ktoré regulujú ich otváranie a zatváranie.

Špecifickosť každého kanála súvisí s priemerom pórov tvorených transmembránovými proteínmi a bočnými reťazcami (^ R) aminokyselín, ktoré ich tvoria.

Týmto spôsobom existujú kanály, ktoré prepúšťajú iba sodné, draselné, vápenaté ióny, atď., Pretože bočné reťazce fungujú ako „sitá“.

Dodatočné štrukturálne vlastnosti

Ďalšou dôležitou vlastnosťou mnohých kanálov sú brány. Kanály s týmito vlastnosťami sa môžu otvárať alebo zatvárať proti lokálnym zmenám, ktoré sa vyskytujú v membránovom mikroprostredí obklopujúcom kanál.

V závislosti od typu kanála môžu byť tieto zmeny mechanické, tepelné (zmeny teploty), elektrické (zmeny napätia) alebo chemické (väzba ligandu).

Avšak v takzvaných pasívnych iónových kanáloch, ktoré sú tie, ktoré zostávajú otvorené a umožňujú špecifický priechod určitých iónov, tieto štruktúry nemajú brány alebo sú citlivé na ligandy alebo iné typy stimulov.

V iných iónových kanáloch, ktoré sú citlivé na prítomnosť alebo väzbu ligandov, existuje väzobné miesto pre ligand buď na extracelulárnej strane alebo smerom k bunkovému cytosolu a v týchto prípadoch majú póry alebo kanály bránu, ktorú je možné otvoriť alebo zatvoriť podľa stavu jeho ligandu.

Druhý mechanizmus poslov na otváranie alebo zatváranie kanálov

V prípade, že je vo vnútri intracelulárnej časti miesto pre ligand, majú tieto kanály spravidla druhých poslov ako ligandy. Príkladom iónových kanálov, ktoré sú otvorené alebo zatvorené mechanizmom druhého posla, sú napríklad čuchové receptory:

Molekuly pachu sa viažu na svoje receptory na extracelulárnej strane. Tieto receptory sú zase naviazané na aktivovaný G proteín, ktorý naopak aktivuje proteín adenylcyklázu, ktorá tvorí cAMP, čo je druhý messenger.

CAMP sa viaže na intracelulárne väzobné miesto niektorých vápnikových kanálov, čo vedie k jeho otvoreniu a vstupu vápnika do bunky.

Ako keby to bol dominový efekt, vápnik sa viaže na ligandové miesto iného kanála chlóru, ktorý vytvára jeho otvorenie a odchod z tohto iónu, čo spôsobuje depolarizáciu čuchovej bunky.

Je dôležité zdôrazniť, že zmeny generované ligandami alebo stimulmi, ktoré ovplyvňujú iónové kanály, zodpovedajú konformačným zmenám proteínov, ktoré tvoria štruktúru kanála.

Inými slovami, konformačné zmeny, ktoré môžu posúvať bránu a uzavrieť alebo otvoriť kanál, nie sú ničím iným, než blížiacim sa alebo vzdialeným sa od proteínových podjednotiek, ktoré ju tvoria.

Iné mechanizmy aktivácie a inaktivácie

Niektoré kanály, najmä kanály závislé na napätí, môžu vstúpiť do žiaruvzdorného stavu, počas ktorého už ich neaktivuje rovnaká zmena napätia, ktorá ich aktivovala.

Napríklad v kalciových kanáloch s napäťovým hradlom zmena napätia otvorí kanál a vstúpi vápnik a keď už je vo vnútri bunky, ten istý ión sa viaže na väzobné miesto pre vápnikový kanál a vápnikový kanál sa uzavrie. ,

Inou formou reverzibilnej inaktivácie vápnikového kanála, ktorá vysvetľuje jeho žiaruvzdornosť po aktivácii, je defosforylácia kanálu v dôsledku zvýšenej vnútornej koncentrácie vápnika.

To znamená, že vápnikový kanál môže byť ireverzibilne inaktivovaný kvôli prítomnosti patologicky vysokých koncentrácií iónu, ktoré sprostredkujú získavanie štiepnych enzýmov z iných proteínov aktivovaných vápnikom.

Ligand-gated kanály môžu vstúpiť do žiaruvzdorného stavu, keď sú vystavené ich ligandu na dlhú dobu, tento mechanizmus sa nazýva desenzibilizácia.

Lieky, jedy a toxíny môžu ovplyvňovať reguláciu iónových kanálov, ich zatváranie alebo udržiavanie otvorené alebo, v niektorých prípadoch, obsadenie miesta ligandu, a tak narušiť jeho funkciu.

Vlastnosti

Iónové kanály majú množstvo funkcií, priamych alebo nepriamych.

- Sú zodpovedné za reguláciu toku iónov plazmou a organelárnymi membránami všetkých buniek.

- Umožňujú existenciu kontroly nad intracelulárnymi koncentráciami rôznych iónov.

- V neurónoch a svalových bunkách iónové kanály riadia zmeny v membránovom potenciáli, ktoré sa vyskytujú počas akčných potenciálov a počas postsynaptických potenciálov efektorových buniek.

- Vápnikové kanály, ktoré vytvárajú čisté toky vápnika do vnútrobunkového priestoru, sú zodpovedné za aktiváciu mnohých enzýmov a proteínov, ktoré sa zúčastňujú mnohých metabolických procesov.

- Podobne zvýšenie vápnika v dôsledku zvýšenia jeho transportu iniciuje mechanizmus uvoľňovania neurotransmiterov do synaptického priestoru neurónov.

- Preto funkcia iónových kanálov súvisí aj s mechanizmami bunkovej komunikácie.

Všeobecné údaje o doprave cez membránu

Ako je uvedené vyššie, mechanizmy membránového transportu môžu byť aktívne alebo pasívne v závislosti od toho, či spotrebúvajú energiu z bunky, v ktorej sa nachádzajú. Pasívne mechanizmy sa delia na jednoduchú difúziu a uľahčenú difúziu.

Jednoduchá difúzia

Jednoduchá difúzia umožňuje priechod fosfolipidovou štruktúrou membrány tukov rozpustných molekúl malej veľkosti, s nepolárnymi charakteristikami a bez náboja.

Teda napríklad plyny, ako je kyslík (O2) a oxid uhličitý (CO2), etanol a močovina, menovite prechádzajú ich koncentračným gradientom.

Uľahčené šírenie

Uľahčená difúzia je taká, ktorá je podporovaná proteínmi a existujú dva typy tohto pasívneho transportného mechanizmu: iónové kanály a transportné proteíny alebo transportné proteíny.

Iónové kanály sú mechanizmom, ktorý sa v bunkách najčastejšie používa na transport iónov, ktoré nemôžu prejsť jednoduchou difúziou, buď preto, že majú elektrický náboj a fosfolipidy membrány ich odpudzujú v dôsledku ich veľkosti a polarity alebo akejkoľvek inej charakteristiky.

Difúzia uľahčovaná proteínmi nosiča sa používa na prepravu väčších látok s alebo bez náboja, ako je glukóza a iné cukry.

Aktívny membránový transport je taký, ktorý sa vyskytuje proti koncentračnému gradientu prepravovanej látky a vyžaduje spotrebu energie vo forme ATP. Medzi transportéry tohto typu patria čerpadlá a vezikulárna preprava.

Ako príklad týchto čerpadiel je možné uviesť sodíkovú / draselnú pumpu, ktorá odstraňuje tri sodíky a zavádza dve draslíky. Existujú tiež vápnikové pumpy.

Príklady vezikulárneho transportu sú endocytóza, exocytóza, pinocytóza a fagocytóza; všetky tieto aktívne dopravné mechanizmy.

Druhy iónových kanálov

Od tohto momentu sa bude odkazovať na iónové kanály, ktoré umožňujú prechod iónov cez membránu v prospech ich koncentračných gradientov, to znamená, že sú pasívnymi transportnými kanálmi.

Všeobecne je každý z týchto kanálov špecifický pre jeden ión, s výnimkou niekoľkých kanálov, ktoré umožňujú transport iónových párov.

Štrukturálna schéma iónového kanála (Zdroj: Outslider (Paweł Tokarz) na pl.wikipedia prostredníctvom Wikimedia Commons)

Jedným zo spôsobov klasifikácie iónových kanálov je ich zoskupenie podľa mechanizmu zodpovedného za ich otvorenie. Boli teda opísané pasívne kanály, kanály regulované napätím (závislé na napätí), kanály regulované ligandom a kanály regulované mechanickým stimulom.

- Pasívne kanály: sú to kanály, ktoré sú trvalo otvorené a nereagujú na žiadny druh stimulu; tieto sú špecifické pre určité ióny.

- Kanály závislé na napätí : tieto kanály sa môžu otvárať alebo zatvárať (v závislosti od kanála) vzhľadom na zmeny napätia membrány. Sú veľmi dôležité pre bunkovú signalizáciu, najmä v centrálnom nervovom systéme cicavcov.

- Kanály závislé od ligandu : nazývané aj kanály viazané na ligand alebo regulované ligandom, sú široko distribuované v rôznych bunkách ľudského tela, ale v nervovom systéme tvoria tie iónové kanály aktivované neurotransmitermi a sú nevyhnutné pre synaptický prenos a medzibunková signalizácia.

Príkladom ligandových závislých iónových kanálov aktivovaných neurotransmitermi sú sodíkové / draselné kanály aktivované glutamátom.

Aktivácia cholinergných receptorov, v tomto prípade väzba acetylcholínu na postsynaptickú membránu (kanálový ligand), otvára sodíkové kanály závislé od ligandu a umožňuje vstup tohto iónu po jeho koncentračnom gradiente.

- Kanály regulované mechanickými stimulmi : jedná sa o kanály, ktoré je možné aktivovať distenziou alebo tlakom. Tieto mechanické sily sú prenášané do kanála cez cytoskelet a kanál sa otvára.

Referencie

1. Bear, MF, Connors, BW, a Paradiso, MA (Eds.). (2007). Neuroscience (zväzok 2). Lippincott Williams & Wilkins.
2. Oddelenie biochémie a molekulárnej biofyziky Thomas Jessell, Siegelbaum, S., & Hudspeth, AJ (2000). Princípy neurónovej vedy (zväzok 4, s. 1227-1246). ER Kandel, JH Schwartz a TM Jessell (Eds.). New York: McGraw-hill.
3. Lewis, CA, a Stevens, CF (1983). Iónová selektivita kanála acetylcholínového receptora: ióny zažívajú vodné prostredie. Zborník Národnej akadémie vied, 80 (19), 6110-6113.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, a Cox, MM (2008). Lehningerove princípy biochémie. Macmillan.
5. Rawn, JD (1998). Biochémie. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
6. Viana, F., de la Peña, E., & Belmonte, C. (2002). Špecifickosť studenej termo-transdukcie je určená diferenciálnou expresiou iónových kanálov. Nature neuroscience, 5 (3), 254.