IONKANALER: STRUKTUR, FUNKTIONER, TYPER - BIOLOGI - 2025

De jonkanaler är ett ihåligt membranstrukturer som bildar kanaler eller porer korsar tjockleken av membranet och som kommunicerar det yttre av cellen med dess cytosolen och vice versa; vissa kan ha ett grindsystem som reglerar deras öppning.

Dessa kanaler är fyllda med vatten och styr passagen av specifika joner från ena sidan av membranet till den andra. De består av proteiner typiska för cellmembran som bildar cylindriska rörformade strukturer som korsar dem i bredd.

Öppen och stängd bildning av en jonkanal (Källa: Efazzari via Wikimedia Commons)

Transportmekanismerna över dessa membran kan i stort sett klassificeras i passiv eller aktiv transport. Passiv är sådana som tillåter passage av ämnen till förmån för deras koncentrationsgradienter, medan aktiva kräver energiförbrukning, eftersom de flyttar ämnen mot deras koncentrationsgradienter.

Jonkanaler utgör en passiv transportmekanism som kan klassificeras efter deras specificitet, det vill säga beroende på vilken typ av jon de tillåter att passera, eller enligt det sätt på vilket de öppnas eller stängs.

Huvudfunktionen för dessa membrantransportsystem är att tillåta reglerad passage av ämnen in i eller ut ur celler och därmed upprätthålla intracellulära koncentrationer av joner och andra ämnen.

Närvaron av cellmembran och jonkanaler är väsentlig för att upprätthålla koncentrationsskillnader mellan det intracellulära och extracellulära mediet, vilket är relevant ur många synvinklar.

Ionkanaler, särskilt ligandberoende, är mycket viktiga inom farmakologi och medicin, eftersom många läkemedel kan härma funktionerna hos naturliga ligander och därmed binda till kanalen, öppna eller stänga den, beroende på vad som är fallet.

Andra läkemedel kan blockera bindningsstället och därmed förhindra verkan av den naturliga liganden.

Strukturera

Strukturen för jonkanaler består av specifika transmembranproteiner som har en rörform och lämnar en pore eller ett hål som möjliggör kommunikation mellan insidan och utsidan av cellen eller mellan intracellulära fack (organeller).

Varje jonkanal innefattar ett specifikt strukturellt membranprotein, och mer än 100 gener har beskrivits som kodar för specifika jonkanaler.

För natriumkanalen har t ex 10 gener som kallas SCN beskrivits som kodar olika proteiner fördelade i olika vävnader med särskilda funktioner och strukturer.

På liknande sätt har ett betydande antal gener beskrivits som kodar för olika proteiner som utgör kaliumkanaler som tillhör olika familjer och har olika aktiverings-, öppnings- och inaktiveringsmekanismer.

Proteinstruktur för en jonkanal

Typiskt består en funktionell jonkanal associerad med ett membran av sammansättningen av 4 till 6 liknande polypeptidsubenheter (homo-oligomerer) eller olika (hetero-oligomerer) som bildar en central por mellan dem.

Diagram över membranunderenheterna för en jonkanal (Källa: Efazzari via Wikimedia Commons)

Varje underenhet varierar beroende på kanalens egenskaper och egenskaper, eftersom många är specifika för vissa joner och har olika öppnings- och stängningsmekanismer.

Vissa kanaler består av en enda polypeptidkedja organiserad i upprepade motiv som går igenom flera gånger tjockleken på membranet och fungerar som ekvivalentet av en proteinsubenhet.

Förutom dessa underenheter, som är kända i litteraturen som α-underenheter, har vissa jonkanaler också en eller flera extra underenheter (ß eller γ) som reglerar deras öppning och stängning.

Specifikiteten för varje kanal är relaterad till diametern på poren som bildas av transmembranproteinerna och sidokedjorna (R) på aminosyrorna som utgör dem.

På detta sätt finns det kanaler som bara låter natrium, kalium, kalciumjoner passera genom, och så vidare, eftersom sidokedjorna fungerar som en "sikt".

Ytterligare strukturella funktioner

En annan viktig egenskap hos många kanaler är grindarna. Kanaler med dessa egenskaper kan öppnas eller stängas mot lokala förändringar som inträffar i membranens mikromiljö som omger kanalen.

Beroende på kanaltyp kan dessa förändringar vara mekaniska, termiska (temperaturförändringar), elektriska (spänningsförändringar) eller kemiska (bindning av en ligand).

I de så kallade passiva jonkanalerna, som är de som förblir öppna och tillåter den specifika passagen av vissa joner, har emellertid dessa strukturer inte grindar eller är känsliga för ligander eller andra typer av stimuli.

I andra jonkanaler, som är känsliga för närvaro eller bindning av ligander, finns det ett bindningsställe för ligand antingen på den extracellulära sidan eller mot cellcytosolen och i dessa fall har porerna eller kanalerna en grind som kan öppnas eller stängas enligt tillståndet för dess ligand.

Andra messenger-mekanism för att öppna eller stänga kanaler

I fallet med att ha ett ligandställe i den intracellulära delen har dessa kanaler vanligtvis andra budbärare som ligander. Ett exempel på jonkanaler som öppnas eller stängs av andra messenger-mekanismer är de för luktreceptorer:

Doftmolekyler binder till sina receptorer på den extracellulära sidan. Dessa receptorer är i sin tur fästa till ett aktiverat G-protein som i sin tur aktiverar proteinadenylcyklaset som bildar cAMP, som är en andra budbärare.

CAMP binder till ett intracellulärt bindningsställe för vissa kalciumkanaler, vilket resulterar i dess öppning och inträde av kalcium i cellen.

Som om det vore en dominoeffekt binder kalcium sig till ett ligandställe i en annan klorkanal, som genererar dess öppning och utgång från denna jon, vilket orsakar depolarisering av luktcellen.

Det är viktigt att lyfta fram att förändringarna som genereras av liganderna eller stimuli som påverkar jonkanaler motsvarar konformationella förändringar av proteinerna som utgör strukturen i kanalen.

Med andra ord, de konformationella förändringarna som kan flytta en grind och stänga eller öppna en kanal är inget annat än att närma sig eller distansera de proteinsubenheter som komponerar den.

Andra aktiverings- och inaktiveringsmekanismer

Vissa kanaler, särskilt spänningsberoende kanaler, kan gå in i ett eldfast tillstånd under vilket samma spänningsförändring som aktiverade dem nu inte längre aktiverar dem.

Till exempel, i spänningsgrindade kalciumkanaler, öppnar spänningsförändringen kanalen och kalcium kommer in, och en gång inuti cellen binds samma jon till ett kalciumkanalbindningsställe och kalciumkanalen stängs. .

En annan form av reversibel inaktivering av kalciumkanalen som förklarar dess refraktoritet efter aktivering är avfosforylering av kanalen på grund av ökad intern kalciumkoncentration.

Det vill säga en kalciumkanal kan irreversibelt inaktiveras på grund av närvaron av patologiskt höga koncentrationer av jonen, som medier rekryteringen av klyvningsenzymer från andra kalciumaktiverade proteiner.

Ligand-gated kanaler kan gå in i ett eldfast tillstånd när de utsätts för deras ligand under lång tid, denna mekanism kallas desensibilisering.

Läkemedel, gifter och gifter kan påverka reglering av jonkanaler, stänga eller hålla dem öppna eller, i vissa fall, ockupera ligandens ställe och därmed störa dess funktion.

Funktioner

Ionkanaler har en mängd funktioner, direkt eller indirekt.

- De ansvarar för att reglera jonflödet genom plasma och organellmembran i alla celler.

- De tillåter förekomsten av en kontroll över de intracellulära koncentrationerna av de olika jonerna.

- I nervceller och muskelceller kontrollerar jonkanaler variationerna i membranpotential som uppstår under handlingspotentialer och under effektorcells postsynaptiska potentialer.

- Kalciumkanalerna som genererar nettoflöden av kalcium i det intracellulära utrymmet ansvarar för aktiveringen av många enzymer och proteiner som deltar i många metaboliska processer.

- På samma sätt initierar ökningen av kalcium på grund av en ökning av dess transport frisättningsmekanismen för neurotransmittorer till det synaptiska utrymmet hos neuroner.

- Därför är jonkanalernas funktion också relaterad till mekanismerna för cellkommunikation.

Allmänna transporter över membranet

Som nämnts ovan kan membrantransportmekanismer vara aktiva eller passiva beroende på om de förbrukar energi från cellen där de är belägna eller inte. Passiva mekanismer klassificeras i enkel diffusion och underlättad diffusion.

Enkel diffusion

Enkel diffusion gör det möjligt att passera genom fosfolipidstrukturen i membranet av fettlösliga molekyler av liten storlek, med apolära egenskaper och utan laddning.

Således passerar till exempel gaser som syre (O2) och koldioxid (CO2), etanol och urea, för att nämna några, genom deras koncentrationsgradient.

Underlättat spridning

Underlättad diffusion är en som underlättas av proteiner och det finns två typer av denna passiva transportmekanism: jonkanaler och transportproteiner eller transporterproteiner.

Jonkanaler är den mekanism som mest används av celler för transport av joner som inte kan passera genom enkel diffusion, antingen på grund av att de har en elektrisk laddning och fosfolipiderna i membranet avvisar dem på grund av deras storlek och polaritet eller något annat kännetecken.

Diffusion underlättad av bärarproteiner används för transport av större substanser med eller utan laddning, såsom glukos och andra sockerarter.

Aktiv membrantransport är den som sker mot koncentrationsgradienten för det lösta ämnet som transporteras och kräver energiförbrukning i form av ATP. Bland transportörer av denna typ är pumpar och vesikulär transport.

Som ett exempel på pumparna är natrium / kaliumpumpen, som tar bort tre natrium och introducerar två kalium. Det finns också kalciumpumpar.

Exempel på vesikulär transport är endocytos, exocytos, pinocytos och fagocytos; alla dessa aktiva transportmekanismer.

Typer av jonkanaler

Från denna punkt kommer hänvisning till jonkanaler som tillåter passage av joner genom ett membran till förmån för deras koncentrationsgradienter, det vill säga de är passiva transportkanaler.

I allmänhet är var och en av dessa kanaler specifika för en enda jon, med undantag för några få kanaler som tillåter transport av jonpar.

Strukturdiagram över en jonkanal (Källa: Outslider (Paweł Tokarz) på pl.wikipedia via Wikimedia Commons)

Ett sätt att klassificera jonkanaler är genom att gruppera dem enligt den mekanism som ansvarar för deras öppning. Således har passiva kanaler, spänningsreglerade (spänningsberoende) kanaler, ligandreglerade kanaler och mekaniska stimuleringsreglerade kanaler beskrivits.

- Passiva kanaler: de är kanaler som är öppna permanent och som inte svarar på någon typ av stimulans. dessa är specifika för vissa joner.

- Spänningsberoende kanaler : dessa kan öppnas eller stängas (beroende på kanalen) inför förändringar i membranspänningen. De är mycket viktiga för cellsignalering, särskilt i däggdjurens centrala nervsystem.

- Ligandberoende kanaler: kallas också ligandreglerade eller ligandreglerade kanaler, de är ofta spridda i de olika mänskliga kroppens celler, men i nervsystemet utgör de de joniska kanalerna aktiverade av neurotransmittorer och är viktiga för synaptisk överföring och intercellulär signalering.

Exempel på ligandberoende jonkanaler aktiverade av neurotransmittorer är natrium / kaliumkanaler aktiverade med glutamat.

Aktiveringen av kolinergiska receptorer, i detta fall bindning av acetylkolin till det postsynaptiska membranet (kanalligand), öppnar ligandberoende natriumkanaler och möjliggör inträde av denna jon efter dess koncentrationsgradient.

- Kanaler som regleras av mekaniska stimuli : det här är kanaler som kan aktiveras genom utsträckning eller tryck. Dessa mekaniska krafter överförs till kanalen genom cytoskelettet och kanalen öppnas.

referenser

1. Bear, MF, Connors, BW, & Paradiso, MA (Eds.). (2007). Neurovetenskap (vol. 2). Lippincott Williams & Wilkins.
2. Institutionen för biokemi och molekylär biofysik Thomas Jessell, Siegelbaum, S., & Hudspeth, AJ (2000). Principer för neurovetenskap (vol. 4, s. 1227-1246). ER Kandel, JH Schwartz, & TM Jessell (Eds.). New York: McGraw-hill.
3. Lewis, CA, & Stevens, CF (1983). Acetylkolinreceptorkanaljonisk selektivitet: joner upplever en vattenhaltig miljö. Proceedings of the National Academy of Sciences, 80 (19), 6110-6113.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Lehninger-principerna för biokemi. Macmillan.
5. Rawn, JD (1998). Biokemi. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson förlag.
6. Viana, F., de la Peña, E., & Belmonte, C. (2002). Specificiteten för kall termotransduktion bestäms genom differentiell jonisk kanaluttryck. Nature neuroscience, 5 (3), 254.