IONKANALER: STRUKTUR, FUNKTIONER, TYPER - BIOLOGI - 2025

De ionkanaler er en hul membranstrukturer at danner kanaler eller porer gennemløber tykkelsen af membranen og kommunikerer det ydre af cellen med sin cytosol og omvendt; nogle kan have et gate-system, der regulerer deres åbning.

Disse kanaler er fyldt med vand og kontrollerer passagen af ​​specifikke ioner fra den ene side af membranen til den anden. De består af proteiner, der er typiske for cellemembraner, der danner cylindriske rørformede strukturer, der krydser dem i bredden.

Åben og lukket dannelse af en ionkanal (Kilde: Efazzari via Wikimedia Commons)

Transportmekanismerne over disse membraner kan bredt klassificeres i passiv eller aktiv transport. Passiver er dem, der tillader passage af stoffer til fordel for deres koncentrationsgradienter, mens aktive stoffer kræver energiforbrug, da de flytter stoffer mod deres koncentrationsgradienter.

Ionkanaler udgør en passiv transportmekanisme, der kan klassificeres efter deres specificitet, det vil sige i henhold til den type ion, de tillader at passere igennem, eller efter den måde, hvorpå de åbnes eller lukkes.

Disse membrantransportsystemers hovedfunktion er at tillade den regulerede passage af stoffer ind eller ud af celler og således opretholde intracellulære koncentrationer af ioner og andre stoffer.

Tilstedeværelsen af ​​cellemembraner og ionkanaler er essentiel for at opretholde koncentrationsforskelle mellem det intracellulære og ekstracellulære medie, hvilket er relevant fra mange synsvinkler.

Ionkanaler, især ligandafhængige, er meget vigtige inden for farmakologi og medicin, da mange medikamenter kan efterligne funktionerne af naturlige ligander og således binde til kanalen ved at åbne eller lukke den, alt efter hvad der er tilfældet.

Andre lægemidler er i stand til at blokere bindingsstedet og således forhindre virkningen af ​​den naturlige ligand.

Struktur

Strukturen af ​​ionkanaler er sammensat af specifikke transmembrane proteiner, der har en rørform og efterlader en pore eller et hul, der tillader kommunikation mellem cellen indvendigt og udvendigt eller mellem intracellulære rum (organeller).

Hver ionkanal involverer et specifikt strukturelt membranprotein, og der er beskrevet mere end 100 gener, der koder for specifikke ionkanaler.

For natriumkanalen er for eksempel 10 gener kaldet SCN'er beskrevet, der koder for forskellige proteiner fordelt i forskellige væv med særlige funktioner og strukturer.

Ligeledes er et betydeligt antal gener blevet beskrevet, der koder for forskellige proteiner, der udgør kaliumkanaler, der hører til forskellige familier og har forskellige aktiverings-, åbnings- og inaktiveringsmekanismer.

Proteinstruktur i en ionkanal

En funktionel ionkanal, der er forbundet med en membran, er typisk sammensat af samlingen af ​​4 til 6 lignende polypeptidsubenheder (homo-oligomerer) eller forskellige (hetero-oligomerer), der danner en central pore imellem dem.

Diagram over membranunderenhederne til en ionkanal (Kilde: Efazzari via Wikimedia Commons)

Hver underenhed varierer afhængigt af kanalens egenskaber og egenskaber, da mange er specifikke for visse ioner og har forskellige åbnings- og lukningsmekanismer.

Nogle kanaler består af en enkelt polypeptidkæde, der er organiseret i gentagne mønstre, der gennemgår flere gange tykkelsen af ​​membranen og fungerer som ækvivalenten til en proteinsubenhed.

Ud over disse underenheder, som i litteraturen er kendt som a-underenheder, har nogle ionkanaler også en eller flere hjælpeenheder (ß eller γ), der regulerer deres åbning og lukning.

Specificiteten af ​​hver kanal er relateret til diameteren af ​​den pore, der dannes af transmembranproteinerne og sidekæderne (─R) af aminosyrerne, der udgør dem.

På denne måde er der kanaler, der kun lader natrium, kalium, calciumioner passere osv., Da sidekæderne fungerer som en "sigte".

Yderligere strukturelle funktioner

En anden vigtig funktion ved mange kanaler er porte. Kanaler med disse egenskaber kan åbne eller lukke mod lokale ændringer, der forekommer i membranmikro-miljøet omkring kanalen.

Afhængigt af kanaltypen kan disse ændringer være mekaniske, termiske (ændringer i temperatur), elektriske (ændringer i spænding) eller kemiske (binding af en ligand).

I de såkaldte passive ionkanaler, som er dem, der forbliver åben og tillader den specifikke passage af visse ioner, har disse strukturer imidlertid ikke porte eller er følsomme over for ligander eller andre typer stimuli.

I andre ionkanaler, der er følsomme over for tilstedeværelse eller binding af ligander, er der et bindingssted for ligand enten på den ekstracellulære side eller mod cellecytosol, og i disse tilfælde har porerne eller kanalerne en port, der kan åbnes eller lukkes i henhold til ligandens tilstand.

Anden messenger-mekanisme til åbning eller lukning af kanaler

I tilfælde af at have et ligandsted i den intracellulære del har disse kanaler normalt andre messenger som ligander. Et eksempel på ionkanaler, der åbnes eller lukkes af andre messenger-mekanismer, er olfaktoriske receptorer:

Duftmolekyler binder til deres receptorer på den ekstracellulære side. Disse receptorer er på sin side bundet til et aktiveret G-protein, der igen aktiverer proteinadenylcyklasen, der danner cAMP, som er en anden messenger.

CAMP binder til et intracellulært bindingssted i nogle calciumkanaler, hvilket resulterer i dets åbning og indtræden af ​​calcium i cellen.

Som om det var en dominoeffekt, binder kalcium sig til et ligandsted i en anden klorkanal, der genererer dens åbning og udgang fra denne ion, hvilket forårsager depolarisering af den lugtende celle.

Det er vigtigt at fremhæve, at ændringerne, der genereres af liganderne eller stimuli, der påvirker ionkanaler, svarer til konformationelle ændringer af proteinerne, der udgør strukturen af ​​kanalen.

Med andre ord, de konformationelle ændringer, der kan bevæge en port og lukke eller åbne en kanal, er intet andet end tilnærmelsen eller distanceringen af ​​de proteinsubenheder, der sammensætter den.

Andre aktiverings- og inaktiveringsmekanismer

Nogle kanaler, især spændingsafhængige kanaler, kan indtaste en ildfast tilstand, hvor den samme spændingsændring, der aktiverede dem nu ikke længere aktiverer dem.

F.eks. Åbner spændingsændringen i spændingslukkede calciumkanaler kanalen, og calcium trænger ind, og når den ene gang inde i cellen binder den samme ion til et calciumkanalbindingssted, og calciumkanalen lukker..

En anden form for reversibel inaktivering af calciumkanalen, som forklarer dens ildfaste egenskaber efter aktivering, er dephosforylering af kanalen på grund af øget indre calciumkoncentration.

Det vil sige, at en calciumkanal kan inaktiveres irreversibelt på grund af tilstedeværelsen af ​​patologisk høje koncentrationer af ion, som medier rekrutteringen af ​​spaltningsenzymer fra andre calciumaktiverede proteiner.

Ligand-gatede kanaler kan gå ind i en ildfast tilstand, når de udsættes for deres ligand i lang tid, idet denne mekanisme kaldes desensibilisering.

Lægemidler, giftstoffer og toksiner kan påvirke reguleringen af ​​ionkanaler, lukke eller holde dem åbne eller i nogle tilfælde besætte ligandens sted og således forstyrre dens funktion.

Funktioner

Ionkanaler har en række funktioner, direkte eller indirekte.

- De er ansvarlige for at regulere strømmen af ​​ioner gennem plasma- og organellmembranerne i alle celler.

- De tillader eksistensen af ​​en kontrol over de intracellulære koncentrationer af de forskellige ioner.

- I neuroner og muskelceller kontrollerer ionkanaler variationerne i membranpotentiale, der opstår under handlingspotentialer og under effektorcelle postsynaptiske potentialer.

- Kalciumkanalerne, der genererer netto strømme af calcium ind i det intracellulære rum, er ansvarlige for aktiveringen af ​​adskillige enzymer og proteiner, der deltager i mange metaboliske processer.

- Ligeledes indleder stigningen i calcium på grund af en stigning i dens transport frigørelsesmekanismen for neurotransmittere til det synaptiske rum i neuroner.

- Derfor er ionkanalernes funktion også relateret til mekanismerne til cellulær kommunikation.

Generaliteter af transport over membranen

Som nævnt ovenfor kan membrantransportmekanismer være aktive eller passive afhængigt af om de bruger energi fra cellen, hvor de findes. Passive mekanismer klassificeres i enkel diffusion og lettere diffusion.

Enkel diffusion

Enkel diffusion muliggør passage gennem phospholipidstrukturen i membranen af ​​fedtopløselige molekyler af lille størrelse med apolære egenskaber og uden ladning.

Således passerer for eksempel gasser som ilt (O2) og kuldioxid (CO2), ethanol og urinstof gennem deres koncentrationsgradient.

Fremme af formidling

Faciliteret diffusion er en, der lettes af proteiner, og der er to typer af denne passive transportmekanisme: ionkanaler og transportproteiner eller transporterproteiner.

Ionkanaler er den mekanisme, der mest bruges af celler til transport af ioner, der ikke kan passere ved simpel diffusion, enten fordi de har en elektrisk ladning, og phospholipiderne i membranen afviser dem på grund af deres størrelse og polaritet eller andre egenskaber.

Diffusion lettet med bærerproteiner bruges til transport af større stoffer med eller uden ladning, såsom glukose og andre sukkerarter.

Aktiv membrantransport er den, der sker mod koncentrationsgradienten af ​​det opløste stof, der transporteres og kræver energiforbrug i form af ATP. Blandt transportørerne af denne type er pumper og vesikulær transport.

Som et eksempel på pumperne er natrium / kaliumpumpen, der fjerner tre natrium og indfører to kalium. Der er også calciumpumper.

Eksempler på vesikulær transport er endocytose, exocytose, pinocytose og fagocytose; alle disse aktive transportmekanismer.

Typer af ionkanaler

Fra dette tidspunkt vil der blive henvist til ionkanaler, der tillader passage af ioner gennem en membran til fordel for deres koncentrationsgradienter, det vil sige de er passive transportkanaler.

Generelt er hver af disse kanaler specifikke for en enkelt ion, undtagen nogle få kanaler, der tillader transport af ionpar.

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

En måde at klassificere ionkanaler er ved at gruppere dem i henhold til den mekanisme, der er ansvarlig for deres åbning. Således er passive kanaler, spændingsregulerede (spændingsafhængige) kanaler, ligandregulerede kanaler og mekaniske stimulusregulerede kanaler beskrevet.

- Passive kanaler: det er kanaler, der er permanent åbne og reagerer ikke på nogen form for stimulus; disse er specifikke for visse ioner.

- Spændingsafhængige kanaler: disse kan åbne eller lukke (afhængigt af kanalen) i lyset af ændringer i membranspændingen. De er meget vigtige for cellesignalisering, især i pattedyrs centralnervesystem.

- Ligandafhængige kanaler: også kaldet ligandregulerede eller ligandregulerede kanaler, de er vidt distribueret i de forskellige menneskelige legemsceller, men i nervesystemet udgør de de ionkanaler, der aktiveres af neurotransmittere og er essentielle for synaptisk transmission og intercellulær signalering.

Eksempel på ligandafhængige ionkanaler aktiveret af neurotransmittere er natrium / kaliumkanaler aktiveret af glutamat.

Aktivering af kolinergiske receptorer, i dette tilfælde binding af acetylcholin til den postsynaptiske membran (kanalligand), åbner ligandafhængige natriumkanaler og tillader indtræden af ​​denne ion efter dens koncentrationsgradient.

- Kanaler reguleret af mekaniske stimuli: dette er kanaler, der kan aktiveres ved udstrækning eller tryk. Disse mekaniske kræfter overføres til kanalen gennem cytoskelettet, og kanalen åbnes.

Referencer

1. Bear, MF, Connors, BW, & Paradiso, MA (Eds.). (2007). Neurovidenskab (bind 2). Lippincott Williams & Wilkins.
2. Institut for Biokemi og Molekylær Biofysik Thomas Jessell, Siegelbaum, S., & Hudspeth, AJ (2000). Principper for neurale videnskaber (bind 4, s. 1227-1246). ER Kandel, JH Schwartz, & TM Jessell (Eds.). New York: McGraw-hill.
3. Lewis, CA, & Stevens, CF (1983). Acetylcholinreceptorkanal ionisk selektivitet: ioner oplever et vandigt miljø. Forløb fra National Academy of Sciences, 80 (19), 6110-6113.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Lehninger-principper for biokemi. Macmillan.
5. Rawn, JD (1998). Biokemi. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson forlag.
6. Viana, F., de la Peña, E., & Belmonte, C. (2002). Specificiteten af ​​kold termotransduktion bestemmes ved differentiel ionisk kanalekspression. Naturneurovidenskab, 5 (3), 254.