Budowa, funkcje, rodzaje kanałów jonowych

Plik kanały jonowe są pustymi strukturami błonowymi, które tworzą kanały lub pory, które przecinają grubość błony i łączą zewnętrzną część komórki z jej cytozolem i odwrotnie; niektórzy mogą mieć system bramek, który reguluje jej otwieranie.

Kanały te są wypełnione wodą i kontrolują przechodzenie określonych jonów z jednej strony membrany na drugą. Tworzą je niektóre białka typowe dla błon komórkowych, które tworzą cylindryczne struktury w kształcie rur, które przecinają je na szerokość..

Mechanizmy transportu przez te membrany można ogólnie podzielić na transport bierny lub aktywny. Pasywne to takie, które umożliwiają przechodzenie substancji na korzyść ich gradientów stężeń, podczas gdy aktywne wymagają energochłonności, ponieważ przemieszczają substancje wbrew ich gradientom stężeń..

Kanały jonowe stanowią pasywny mechanizm transportowy, który można sklasyfikować ze względu na ich specyfikę, to znaczy ze względu na rodzaj jonów, przez które przepuszczają, lub w zależności od sposobu, w jaki się otwierają lub zamykają..

Główną funkcją tych systemów transportu błonowego jest umożliwienie regulowanego przejścia substancji do lub z komórek, a tym samym utrzymanie wewnątrzkomórkowych stężeń jonów i innych substancji..

Obecność błon komórkowych i kanałów jonowych ma zasadnicze znaczenie dla utrzymania różnic stężeń między ośrodkami wewnątrzkomórkowymi i zewnątrzkomórkowymi, co jest istotne z wielu punktów widzenia..

Kanały jonowe, zwłaszcza te zależne ligandy, są bardzo ważne w farmakologii i medycynie, ponieważ wiele leków może naśladować funkcje naturalnych ligandów, a tym samym wiązać się z kanałem, otwierając go lub zamykając, w zależności od przypadku..

Inne leki mogą blokować miejsce wiązania, a tym samym zapobiegać działaniu naturalnego ligandu.

Indeks artykułów

• 1 Struktura
  • 1.1 Struktura białkowa kanału jonowego
  • 1.2 Dodatkowe cechy konstrukcyjne
  • 1.3 Mechanizm drugiego komunikatora do otwierania lub zamykania kanałów
  • 1.4 Inne mechanizmy aktywacji i dezaktywacji
• 2 Funkcje
• 3 Przegląd transportu przez membranę
  • 3.1 Proste rozpowszechnianie
  • 3.2 Ułatwione rozpowszechnianie
• 4 Rodzaje kanałów jonowych
• 5 Referencje

Struktura

Struktura kanałów jonowych składa się ze specyficznych białek transbłonowych, które mają kształt rurkowaty i pozostawiają pory lub dziury, które umożliwiają komunikację między wnętrzem i zewnętrzem komórki lub między przedziałami wewnątrzkomórkowymi (organellami)..

Każdy kanał jonowy obejmuje określone strukturalne białko błonowe i opisano ponad 100 genów kodujących określone kanały jonowe..

Na przykład dla kanału sodowego 10 genów tzw SCN kodują różne białka rozmieszczone w różnych tkankach o określonych funkcjach i strukturach.

Podobnie opisano znaczną liczbę genów, które kodują różne białka tworzące kanały potasowe, które należą do różnych rodzin i mają różne mechanizmy aktywacji, otwierania i inaktywacji..

Struktura białkowa kanału jonowego

Zwykle funkcjonalny kanał jonowy związany z membraną składa się z zestawu 4 do 6 podobnych podjednostek polipeptydowych (homooligomerów) lub różnych (heterooligomery), które tworzą między nimi centralny por..

Każda podjednostka różni się w zależności od cech i właściwości kanału, ponieważ wiele z nich jest specyficznych dla określonych jonów i ma różne mechanizmy otwierania i zamykania..

Niektóre kanały składają się z pojedynczego łańcucha polipeptydowego zorganizowanego w powtarzające się motywy, które przechodzą przez kilkakrotnie grubszą błonę i działają jako odpowiednik podjednostki białka..

Oprócz tych podjednostek, które są znane w literaturze jako podjednostki α, niektóre kanały jonowe mają również jedną lub więcej podjednostek pomocniczych (ß lub γ), które regulują ich otwieranie i zamykanie..

Specyfika każdego kanału jest związana ze średnicą porów utworzonych przez białka transbłonowe i łańcuchy boczne (─R) aminokwasów, które je tworzą..

W ten sposób istnieją kanały, przez które przechodzą tylko jony sodu, potasu, wapnia itd., Ponieważ łańcuchy boczne działają jak „sito”.

Dodatkowe cechy konstrukcyjne

Kolejną ważną cechą wielu kanałów są bramki. Kanały o tych właściwościach mogą otwierać się lub zamykać w przypadku lokalnych zmian zachodzących w mikrośrodowisku błony otaczającym kanał..

W zależności od rodzaju kanału zmiany te mogą być mechaniczne, termiczne (zmiany temperatury), elektryczne (zmiany napięcia) lub chemiczne (wiązanie liganda).

Jednak w tzw. Pasywnych kanałach jonowych, czyli takich, które pozostają otwarte i pozwalają na specyficzne przejście określonych jonów, struktury te nie posiadają bramek lub są wrażliwe na ligandy lub inne rodzaje bodźców..

W innych kanałach jonowych, które są wrażliwe na obecność lub wiązanie ligandów, miejsce wiązania ligandu znajduje się po stronie zewnątrzkomórkowej lub w kierunku cytozolu komórkowego iw takich przypadkach pory lub kanały mają bramę, którą można otworzyć lub zamknąć zgodnie ze statusem twojego liganda.

Mechanizm drugiego komunikatora do otwierania lub zamykania kanałów

W przypadku posiadania miejsca ligandu w części wewnątrzkomórkowej, kanały te zwykle mają drugich przekaźników jako ligandy. Przykładem kanałów jonowych, które są otwierane lub zamykane przez mechanizmy drugiego przekaźnika, są receptory węchowe:

Cząsteczki zapachowe wiążą się ze swoimi receptorami po stronie zewnątrzkomórkowej. Te receptory z kolei są przyłączone do aktywowanego białka G, które z kolei aktywuje białkową cyklazę adenylową, która tworzy cAMP, który jest drugim przekaźnikiem..

CAMP wiąże się z wewnątrzkomórkowym miejscem wiązania niektórych kanałów wapniowych, co powoduje jego otwarcie i wejście wapnia do komórki.

Jakby był to efekt domina, wapń wiąże się z miejscem liganda innego kanału chlorowego, który generuje jego otwarcie i wyjście tego jonu, powodując depolaryzację komórki węchowej.

Należy podkreślić, że zmiany generowane przez ligandy lub bodźce wpływające na kanały jonowe odpowiadają zmianom konformacyjnym białek, które tworzą strukturę kanału..

Innymi słowy, zmiany konformacyjne, które mogą przesunąć bramę i zamknąć lub otworzyć kanał, to nic innego jak zbliżanie się lub oddalanie się podjednostek białka, które go tworzą..

Inne mechanizmy aktywacji i dezaktywacji

Niektóre kanały, zwłaszcza kanały zależne od napięcia, mogą wejść w stan ogniotrwały, podczas którego ta sama zmiana napięcia, która je aktywowała, teraz już ich nie aktywuje..

Na przykład w kanałach wapniowych bramkowanych napięciem zmiana napięcia otwiera kanał i wapń wchodzi, a po wejściu do komórki ten sam jon wiąże się z miejscem wiązania kanału wapniowego i kanał wapniowy zamyka się..

Inną formą odwracalnej inaktywacji kanału wapniowego, która wyjaśnia jego ogniotrwałość po aktywacji, jest defosforylacja kanału spowodowana zwiększonym wewnętrznym stężeniem wapnia..

Oznacza to, że kanał wapniowy może zostać nieodwracalnie dezaktywowany z powodu obecności patologicznie wysokich stężeń jonu, który pośredniczy w rekrutacji enzymów rozszczepiających inne białka aktywowane wapniem..

Kanały regulowane przez ligandy mogą wejść w stan ogniotrwały, gdy są wystawione na ich ligand przez długi czas, mechanizm ten nazywa się odczulaniem..

Leki, trucizny i toksyny mogą wpływać na regulację kanałów jonowych, zamykając je lub utrzymując otwarte lub, w niektórych przypadkach, zajmując miejsce liganda i tym samym zakłócając jego funkcję..

funkcje

Kanały jonowe mają wiele funkcji, bezpośrednich lub pośrednich.

- Odpowiadają za regulację przepływu jonów przez plazmę i błony organellarne wszystkich komórek..

- Pozwalają na istnienie kontroli nad wewnątrzkomórkowymi stężeniami różnych jonów.

- W neuronach i komórkach mięśniowych kanały jonowe kontrolują zmiany potencjału błonowego, które występują podczas potencjałów czynnościowych i podczas postsynaptycznych potencjałów komórek efektorowych..

- Kanały wapniowe, które generują przepływy netto wapnia do przestrzeni wewnątrzkomórkowej, są odpowiedzialne za aktywację wielu enzymów i białek, które uczestniczą w wielu procesach metabolicznych.

- Podobnie wzrost wapnia w wyniku wzrostu jego transportu inicjuje mechanizm uwalniania neuroprzekaźników do przestrzeni synaptycznej neuronów..

- Dlatego funkcja kanałów jonowych jest również związana z mechanizmami komunikacji komórkowej..

Przegląd transportu przez membranę

Jak stwierdzono powyżej, mechanizmy transportu błonowego mogą być aktywne lub pasywne w zależności od tego, czy pobierają energię z komórki, w której się znajdują. Mechanizmy pasywne dzieli się na prostą dyfuzję i ułatwioną dyfuzję.

Prosta dyfuzja

Prosta dyfuzja umożliwia przejście przez fosfolipidową strukturę błony cząsteczek rozpuszczalnych w tłuszczach o niewielkich rozmiarach, o właściwościach niepolarnych i bez ładunku..

Na przykład gazy takie jak tlen (O2) i dwutlenek węgla (CO2), etanol i mocznik, aby wymienić tylko kilka, przechodzą na korzyść gradientu stężeń..

Ułatwione rozpowszechnianie

Dyfuzja ułatwiona to taka, którą ułatwiają białka i istnieją dwa rodzaje tego biernego mechanizmu transportu: kanały jonowe i białka transportowe lub białka transporterowe..

Kanały jonowe są mechanizmem najczęściej używanym przez komórki do transportu jonów, które nie mogą przejść przez prostą dyfuzję, ponieważ mają ładunek elektryczny, a fosfolipidy błony odpychają je ze względu na ich rozmiar i biegunowość lub jakąkolwiek inną właściwość..

Dyfuzja ułatwiana przez białka transportowe jest wykorzystywana do transportu większych substancji z ładunkiem lub bez, takich jak glukoza i inne cukry..

Aktywny transport błonowy to taki, który zachodzi wbrew gradientowi stężeń transportowanej substancji rozpuszczonej i wymaga zużycia energii w postaci ATP. Wśród transporterów tego typu są pompy i transport pęcherzykowy.

Przykładem pomp jest pompa sodowo-potasowa, która usuwa trzy sód i wprowadza dwa potas. Istnieją również pompy wapniowe.

Przykładami transportu pęcherzykowego są endocytoza, egzocytoza, pinocytoza i fagocytoza; wszystkie te aktywne mechanizmy transportu.

Rodzaje kanałów jonowych

Od tego momentu odniesiemy się do kanałów jonowych, które umożliwiają przechodzenie jonów przez membranę na korzyść ich gradientów stężeń, to znaczy są pasywnymi kanałami transportowymi..

Ogólnie każdy z tych kanałów jest specyficzny dla pojedynczego jonu, z wyjątkiem kilku kanałów, które umożliwiają transport par jonów..

Jednym ze sposobów klasyfikacji kanałów jonowych jest grupowanie ich według mechanizmu odpowiedzialnego za ich otwieranie. W ten sposób opisano kanały pasywne, kanały regulowane napięciem (zależne od napięcia), kanały regulowane ligandem i kanały regulowane bodźcami mechanicznymi..

- Kanały pasywne: są to kanały, które są stale otwarte i nie reagują na żaden rodzaj bodźca; są one specyficzne dla określonych jonów.

- Kanały zależne od napięciaMogą się one otwierać lub zamykać (w zależności od kanału) w obliczu zmian napięcia membrany. Są bardzo ważne dla sygnalizacji komórkowej, zwłaszcza w ośrodkowym układzie nerwowym ssaków.

- Kanały zależne od ligandów: Nazywane również kanałami bramkowanymi przez ligandy lub kanałami regulowanymi przez ligandy, są szeroko rozpowszechnione w różnych komórkach ludzkiego ciała, ale w układzie nerwowym stanowią kanały jonowe aktywowane przez neuroprzekaźniki i są niezbędne do transmisji synaptycznej i sygnalizacji międzykomórkowej.

Przykładem zależnych od ligandów kanałów jonowych aktywowanych przez neuroprzekaźniki są kanały sodowo-potasowe aktywowane przez glutaminian..

Aktywacja receptorów cholinergicznych, w tym przypadku wiązanie acetylocholiny z błoną postsynaptyczną (ligand kanałowy), otwiera zależne od ligandów kanały sodowe i umożliwia wejście tego jonu zgodnie z gradientem jego stężenia..

- Kanały regulowane bodźcami mechanicznymi: Są to kanały, które mogą być aktywowane przez naprężenie lub ciśnienie. Te siły mechaniczne są przenoszone do kanału przez cytoszkielet i kanał się otwiera.

Bibliografia

1. Bear, M. F., Connors, B. W. i Paradiso, M. A. (red.). (2007). Neuroscience (Tom 2). Lippincott Williams & Wilkins.
2. Katedra Biochemii i Biofizyki Molekularnej Thomas Jessell, Siegelbaum, S., & Hudspeth, A. J. (2000). Zasady nauk neuronowych (Vol. 4, str. 1227-1246). E. R. Kandel, J. H. Schwartz, & T. M. Jessell (red.). Nowy Jork: McGraw-hill.
3. Lewis, C. A., & Stevens, C. F. (1983). Selektywność jonowa kanału receptora acetylocholiny: jony doświadczają środowiska wodnego. Materiały z National Academy of Sciences, 80(19), 6110-6113.
4. Nelson, D. L., Lehninger, A. L., & Cox, M. M. (2008). Zasady Lehningera biochemii. Macmillan.
5. Rawn, J. D. (1998). Biochemia. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
6. Viana, F., de la Peña, E., & Belmonte, C. (2002). Specyfika zimnej termotransdukcji jest określana przez różnicową ekspresję kanałów jonowych. Nature neuroscience, 5(3), 254.