ЈОНСКИ КАНАЛИ: СТРУКТУРА, ФУНКЦИЈЕ, ВРСТЕ - БИОЛОГИЈА - 2025

У јонски канали су шупље мембранске структуре које формирају канале или поре који пролази дебљину мембране и комуницирања спољашњости ћелије са својим цитосолу и обрнуто; неки могу имати систем врата који регулише њихово отварање.

Ови канали се пуне водом и контролишу пролазак одређених јона с једне на другу страну мембране. Сачињени су од протеина типичних за ћелијске мембране који творе цилиндричне структуре у облику цеви које их укрштају.

Отворено и затворено формирање јонског канала (Извор: Ефаззари преко Викимедиа Цоммонса)

Транспортни механизми преко ових мембрана могу се широко класификовати у пасивни или активни транспорт. Пасивни су они који омогућавају пролазак супстанци у корист њихових концентрација градијената, док активне захтевају потрошњу енергије, јер оне померају супстанце према својим градијентима концентрације.

Ионски канали чине пасивни транспортни механизам који се може класификовати према њиховој специфичности, односно према врсти јона кроз који пролазе или према начину на који се отварају или затварају.

Главна функција ових мембранских транспортних система јесте омогућавање регулисаног проласка супстанци у или ван ћелија и на тај начин одржавање унутарћелијских концентрација јона и других супстанци.

Присуство ћелијских мембрана и јонских канала је од суштинске важности за одржавање разлике у концентрацији између ћелијског и ванћелијског медија, што је релевантно са многих становишта.

Ионски канали, посебно они који зависе од лиганда, веома су важни у фармакологији и медицини, јер многи лекови могу опонашати функције природних лиганда и на тај начин се вежу за канал, отварајући или затварајући, овисно о случају.

Остали лекови су у стању да блокирају место везивања и на тај начин спрече дејство природног лиганда.

Структура

Структура јонских канала састоји се од специфичних трансмембранских протеина који су цевастог облика и остављају поре или рупе које омогућавају комуникацију између унутрашњости и спољашње ћелије или између унутарћелијских одељења (органела).

Сваки ионски канал укључује специфични протеин структурне мембране, а описано је више од 100 гена који кодирају специфичне јонске канале.

На пример, за натријумски канал описано је 10 гена званих СЦН који кодирају различите протеине распоређене у различитим ткивима са одређеним функцијама и структурама.

Исто тако, описана је знатна количина гена који кодирају различите протеине који чине калијумске канале који припадају различитим породицама и имају различите механизме активирања, отварања и инактивације.

Протеинска структура јонског канала

Обично се функционални јонски канал повезан са мембраном састоји од склопа 4 до 6 сличних полипептидних подјединица (хомо олигомери) или различитих (хетеро олигомери) који између њих формирају средишњу пор.

Дијаграм мембранских подјединица јонског канала (Извор: Ефаззари преко Викимедиа Цоммонс)

Свака подјединица варира у зависности од карактеристика и својстава канала, јер су многе специфичне за одређене јоне и имају различите механизме отварања и затварања.

Неки канали су састављени од једног полипептидног ланца организованог у понављајуће обрасце који пролазе кроз вишеструку дебљину мембране и функционишу као еквивалент протеинске подјединице.

Поред ових подјединица, које су у литератури познате као α подјединице, неки јонски канали такође имају једну или више помоћних подјединица (ß или γ) које регулишу њихово отварање и затварање.

Специфичност сваког канала повезана је са пречником пора које стварају трансмембрански протеини и бочни ланци (─Р) аминокиселина које их чине.

На овај начин постоје канали који само пропуштају јоне натријума, калијума, калцијума и тако даље, пошто бочни ланци функционишу као "сито".

Додатне структурне карактеристике

Друга важна карактеристика многих канала су капије. Канали са тим својствима могу се отворити или затворити у односу на локалне промене које се дешавају у микро-окружењу мембране која окружује канал.

У зависности од врсте канала, ове промене могу бити механичке, термичке (промене температуре), електричне (промене напона) или хемијске (везивање лиганда).

Међутим, у такозваним пасивним јонским каналима, који су они који остају отворени и омогућавају специфичан пролаз одређених јона, ове структуре немају капије или су осетљиве на лиганде или друге врсте подражаја.

У осталим јонским каналима, који су осетљиви на присуство или везивање лиганда, постоји место везивања за лиганд или на ванћелијској страни или према ћелијском цитосолу и у тим случајевима поре или канали имају врата која се могу отворити или затворити према стању његовог лиганда.

Други мессенгер механизам за отварање или затварање канала

У случају да постоји место лиганда у интраћелијском делу, ови канали обично имају друге гласнике као лиганде. Пример јонских канала који се отварају или затварају други мессенгер механизми је олфакторни рецептори:

Мирисни молекули вежу се за своје рецепторе на ванћелијској страни. Ови рецептори су заузврат везани за активирани Г протеин који заузврат активира протеин аденил циклазу која формира цАМП, који је други гласник.

ЦАМП се везује за интрацелуларно место везивања неких калцијумових канала, што резултира његовим отварањем и уласком калцијума у ​​ћелију.

Као да је то домино ефекат, калцијум се везује за место лиганда другог хлорног канала, што ствара његово отварање и излаз овог јона, изазивајући деполаризацију олфакторне ћелије.

Важно је нагласити да промене које стварају лиганди или стимулуси који утичу на јонске канале одговарају конформационим променама протеина који чине структуру канала.

Другим речима, промене конформације које могу померати капију и затворити или отворити канал нису ништа друго до приближавање или дистанцирање протеинских подјединица које га чине.

Остали механизми активације и инактивације

Неки канали, посебно канали зависни од напона, могу ући у ватростално стање током кога се иста промена напона која их је активирала сада више не активира.

На пример, у каналима са калцијем под напоном, промена напона отвара канал и улази калцијум, а када се унутар ћелије исти јон веже на место везивања калцијумовог канала и калцијумски канал се затвори. .

Други облик реверзибилне инактивације калцијумовог канала који објашњава његову ватросталност након активације је дефосфорилација канала услед повећане унутрашње концентрације калцијума.

Односно, калцијумов канал може бити неповратно инактивиран због присуства патолошки високих концентрација јона, које посредују у регрутовању ензима цепања из других протеина активираних калцијумом.

Канали који су затворени у лиганду могу ући у ватростално стање када су изложени њиховом лиганду дуже време, а овај механизам се назива десензибилизација.

Лијекови, отрови и токсини могу утјецати на регулацију јонских канала, затварајући их или држећи отворенима или, у неким случајевима, заузимајући мјесто лиганда и на тај начин ометајући његову функцију.

Карактеристике

Ионски канали имају мноштво функција, директних или индиректних.

- Они су одговорни за регулисање протока јона кроз плазму и органеларне мембране свих ћелија.

- Омогућују постојање контроле над интрацелуларним концентрацијама различитих јона.

- У неуронима и мишићним ћелијама, јонски канали контролишу варијације у мембранском потенцијалу које настају током акцијских потенцијала и током постинаптичких потенцијала ћелија ефектора.

- Калцијумски канали који стварају нето проток калцијума у ​​унутарћелијском простору одговорни су за активирање бројних ензима и протеина који учествују у многим метаболичким процесима.

- Исто тако, пораст калцијума услед повећања његовог транспорта покреће механизам ослобађања неуротрансмитера у синаптички простор неурона.

- Стога је функција јонских канала повезана и са механизмима ћелијске комуникације.

Опћенитост транспорта преко мембране

Као што је горе наведено, механизми транспорта мембране могу бити активни или пасивни у зависности да ли троше енергију из ћелије у којој се налазе. Пасивни механизми су класификовани у једноставну дифузију и олакшану дифузију.

Једноставна дифузија

Једноставна дифузија омогућава пролазак кроз фосфолипидну структуру мембране молекула растворљивих у масти мале величине, са неполарним карактеристикама и без набоја.

Тако, на пример, гасови као што су кисеоник (О2) и угљен диоксид (ЦО2), етанол и уреа, да их назовемо, пролазе кроз њихов градијент концентрације.

Олакшана дисеминација

Олакшана дифузија је она коју олакшавају протеини и постоје две врсте овог пасивног транспортног механизма: јонски канали и транспортни протеини или транспортерски протеини.

Ионски канали су механизам који ћелије најчешће користе за транспорт јона који не могу проћи једноставном дифузијом, било зато што имају електрични набој и фосфолипиди мембране их одбијају, због њихове величине и поларитета или било које друге карактеристике.

Дифузија коју олакшавају протеински носачи користи се за транспорт већих материја са или без набоја, попут глукозе и других шећера.

Активни мембрански транспорт је онај који настаје насупрот градијенту концентрације раствора који се транспортује и захтева потрошњу енергије у виду АТП-а. Међу превозницима ове врсте су пумпе и вестикуларни транспорт.

Као пример пумпи је натријум / калијум пумпа, која уклања три натријума и уноси две калијума. Постоје и калцијумске пумпе.

Примери вестикуларног транспорта су ендоцитоза, егзоцитоза, пиноцитоза и фагоцитоза; сви ови активни транспортни механизми.

Врсте јонских канала

Од овог тренутка водиће се до јонских канала који омогућавају пролаз јона кроз мембрану у корист градијената концентрације, односно пасивни су транспортни канали.

Опћенито, сваки од ових канала је специфичан за један јон, с изузетком неколико канала који омогућавају транспорт парова јона.

Структурни дијаграм јонског канала (Извор: Оутслидер (Павеł Токарз) на пл.википедиа путем Викимедиа Цоммонса)

Један од начина класификације јонских канала је груписање истих према механизму одговорном за њихово отварање. Тако су описани пасивни канали, напонски регулирани (напонски зависни) канали, канали регулирани лигандом и канали регулирани механичким стимулусима.

- Пасивни канали: то су канали који су трајно отворени и не реагују на било коју врсту подстицаја; ови су специфични за одређене јоне.

- Канали који зависе од напона : могу се отворити или затворити (у зависности од канала) услед промена напона мембране. Веома су важне за ћелијску сигнализацију, посебно у централном нервном систему сисара.

- Канали који зависе од лиганда : називају се и канали регулисани лигандима или лигандом, они се широко дистрибуирају у различитим ћелијама људског тела, али у нервном систему чине оне јонске канале активиране неуротрансмитерима и неопходни су за синаптички пренос и међућелијска сигнализација.

Пример јонских канала који зависе од лиганда, активирани су од неуротрансмитера су натријум / калијум канали активирани глутаматом.

Активација холинергичких рецептора, у овом случају везивање ацетилхолина на постсинаптичку мембрану (канални лиганд), отвара натријумске канале који зависе од лиганда и омогућава улазак овог јона пратећи његов градијент концентрације.

- Канали регулирани механичким стимулусима : то су канали који се могу активирати дистензијом или притиском. Ове механичке силе се преносе у канал кроз цитоскелет и канал се отвара.

Референце

1. Беар, МФ, Цоннорс, БВ и Парадисо, МА (ур.). (2007). Неурознаност (Вол. 2). Липпинцотт Виллиамс и Вилкинс.
2. Одељење за биохемију и молекуларну биофизику Тхомас Јесселл, Сиегелбаум, С., & Худспетх, АЈ (2000). Принципи неуролошке науке (Вол. 4, стр. 1227-1246). ЕР Кандел, ЈХ Сцхвартз и ТМ Јесселл (изд.). Нев Иорк: МцГрав-Хилл.
3. Левис, ЦА, Стевенс, ЦФ (1983). Ионска селективност канала за ацетилколински рецептор: јони доживе водену средину. Зборник радова Националне академије наука, 80 (19), 6110-6113.
4. Нелсон, ДЛ, Лехнингер, АЛ и Цок, ММ (2008). Лехнингерови принципи биохемије. Мацмиллан.
5. Равн, ЈД (1998). Биохемија. Бурлингтон, Масачусетс: Неил Паттерсон Публисхерс.
6. Виана, Ф., де ла Пена, Е., и Белмонте, Ц. (2002). Специфичност хладне термо трансдукције одређена је диференцијалном експресијом јонског канала. Неурознаност природе, 5 (3), 254.