IONTOVÉ KANÁLY: STRUKTURA, FUNKCE, TYPY - BIOLOGIE - 2025

Tyto iontové kanály jsou membránu z dutých struktur, které tvoří kanály nebo póry posuvné tloušťky membrány a komunikaci vnější buňky s jejím cytosolu a naopak; někteří mohou mít systém brány, který reguluje jejich otevření.

Tyto kanály jsou naplněny vodou a řídí průchod specifických iontů z jedné strany membrány na druhou. Jsou tvořeny bílkovinami typickými pro buněčné membrány, které vytvářejí válcovité trubkovité struktury, které je šíří.

Otevřená a uzavřená formace iontového kanálu (Zdroj: Efazzari přes Wikimedia Commons)

Transportní mechanismy přes tyto membrány lze široce klasifikovat na pasivní nebo aktivní transport. Pasivní jsou ty, které umožňují průchod látek ve prospěch jejich koncentračních gradientů, zatímco aktivní vyžadují spotřebu energie, protože pohybují látkami proti jejich koncentračním gradientům.

Iontové kanály představují pasivní transportní mechanismus, který lze klasifikovat podle jejich specifičnosti, tj. Podle typu iontu, kterým umožňují průchod, nebo podle způsobu, jakým se otevírají nebo uzavírají.

Hlavní funkcí těchto membránových transportních systémů je umožnit regulovaný průchod látek do nebo z buněk a udržovat tak intracelulární koncentrace iontů a dalších látek.

Přítomnost buněčných membrán a iontových kanálů je nezbytná pro udržení koncentračních rozdílů mezi intracelulárním a extracelulárním médiem, což je důležité z mnoha hledisek.

Iontové kanály, zejména ty, které jsou závislé na ligandu, jsou velmi důležité ve farmakologii a medicíně, protože mnoho léčiv může napodobovat funkce přírodních ligandů a tím se vázat na kanál, případně jej otevírat nebo uzavírat.

Jiná léčiva jsou schopna blokovat vazebné místo a tím zabránit působení přírodního ligandu.

Struktura

Struktura iontových kanálů je tvořena specifickými transmembránovými proteiny, které mají trubkovitý tvar a zanechávají póry nebo díry, které umožňují komunikaci mezi vnitřkem a vně buňky nebo mezi intracelulárními kompartmenty (organely).

Každý iontový kanál zahrnuje specifický strukturální membránový protein a bylo popsáno více než 100 genů, které kódují specifické iontové kanály.

Například pro sodíkový kanál bylo popsáno 10 genů zvaných SCN, které kódují různé proteiny distribuované v různých tkáních se specifickými funkcemi a strukturami.

Podobně byl popsán značný počet genů, které kódují různé proteiny, které tvoří draslíkové kanály, které patří do různých rodin a mají různé mechanismy aktivace, otevírání a inaktivace.

Proteinová struktura iontového kanálu

Typicky je funkční iontový kanál spojený s membránou složen ze souboru 4 až 6 podobných polypeptidových podjednotek (homo oligomery) nebo různých (hetero oligomerů), které mezi nimi tvoří centrální pór.

Schéma membránových podjednotek iontového kanálu (Zdroj: Efazzari přes Wikimedia Commons)

Každá podjednotka se liší podle charakteristik a vlastností kanálu, protože mnohé jsou specifické pro určité ionty a mají odlišné otevírací a uzavírací mechanismy.

Některé kanály jsou tvořeny jediným polypeptidovým řetězcem uspořádaným v opakujících se vzorcích, které procházejí několikanásobkem tloušťky membrány a fungují jako ekvivalent proteinové podjednotky.

Kromě těchto podjednotek, které jsou v literatuře známé jako podjednotky a, mají některé iontové kanály také jednu nebo více pomocných podjednotek (ß nebo γ), které regulují jejich otevírání a zavírání.

Specifičnost každého kanálu souvisí s průměrem pórů tvořených transmembránovými proteiny a postranními řetězci (─R) aminokyselin, které je tvoří.

Tímto způsobem existují kanály, které propouštějí pouze sodné, draselné, vápenaté ionty atd., Protože postranní řetězce fungují jako „síto“.

Další strukturální vlastnosti

Dalším důležitým rysem mnoha kanálů jsou brány. Kanály s těmito vlastnostmi se mohou otevírat nebo uzavírat proti místním změnám, ke kterým dochází v membránovém mikroprostředí obklopujícím kanál.

V závislosti na typu kanálu mohou být tyto změny mechanické, tepelné (změny teploty), elektrické (změny napětí) nebo chemické (vazba ligandu).

Avšak v takzvaných pasivních iontových kanálech, které zůstávají otevřené a umožňují specifický průchod určitých iontů, tyto struktury nemají brány nebo jsou citlivé na ligandy nebo jiné typy podnětů.

V jiných iontových kanálech, které jsou citlivé na přítomnost nebo vazbu ligandů, existuje vazebné místo pro ligand buď na extracelulární straně nebo směrem k buněčnému cytosolu a v těchto případech mají póry nebo kanály bránu, kterou lze otevřít nebo zavřít podle stavu jeho ligandu.

Druhý mechanismus messengeru pro otevírání nebo zavírání kanálů

V případě, že je ligandové místo v intracelulární části, mají tyto kanály obvykle jako druhé ligandy posly. Příklad iontových kanálů, které jsou otevřeny nebo uzavřeny mechanismy druhého posla, je příklad čichových receptorů:

Molekuly vůně se vážou na své receptory na extracelulární straně. Tyto receptory jsou zase připojeny k aktivovanému G proteinu, který zase aktivuje protein adenylcyklázu, která tvoří cAMP, což je druhý messenger.

CAMP se váže na intracelulární vazebné místo některých vápníkových kanálů, což má za následek jeho otevření a vstup vápníku do buňky.

Jako by to byl dominový efekt, vápník se váže na místo ligandu jiného chlorového kanálu, které generuje jeho otevření a odchod z tohoto iontu, což způsobuje depolarizaci čichové buňky.

Je důležité zdůraznit, že změny generované ligandy nebo stimuly, které ovlivňují iontové kanály, odpovídají konformačním změnám proteinů, které tvoří strukturu kanálu.

Jinými slovy, konformační změny, které mohou posunout bránu a uzavřít nebo otevřít kanál, nejsou ničím jiným než přibližováním nebo distancováním proteinových podjednotek, které ji tvoří.

Další aktivační a inaktivační mechanismy

Některé kanály, zejména kanály závislé na napětí, mohou vstoupit do refrakterního stavu, během kterého je stejná změna napětí, která je aktivovala, již aktivuje.

Například v napěťově řízených vápníkových kanálech mění napětí napětí kanál a vstupuje vápník a jakmile je uvnitř buňky, stejný ion se váže na vazebné místo vápníkového kanálu a vápníkový kanál se uzavře..

Další formou reverzibilní inaktivace vápníkového kanálu, která vysvětluje jeho žáruvzdornost po aktivaci, je defosforylace kanálu v důsledku zvýšené vnitřní koncentrace vápníku.

To znamená, že vápníkový kanál může být nevratně inaktivován v důsledku přítomnosti patologicky vysokých koncentrací iontu, které zprostředkovávají získávání štěpných enzymů z jiných proteinů aktivovaných vápníkem.

Ligand-gated kanály mohou vstoupit do refrakterního stavu, když jsou vystaveny jejich ligandu po dlouhou dobu, tento mechanismus se nazývá desenzibilizace.

Léky, jedy a toxiny mohou ovlivnit regulaci iontových kanálů, jejich uzavření nebo udržování otevřené nebo, v některých případech, obsazení místa ligandu, a tím narušovat jeho funkci.

Funkce

Iontové kanály mají mnoho funkcí, přímých nebo nepřímých.

- Jsou odpovědné za regulaci toku iontů plazmou a organelárními membránami všech buněk.

- Umožňují existenci kontroly nad intracelulárními koncentracemi různých iontů.

- V neuronech a svalových buňkách iontové kanály řídí změny v membránovém potenciálu, ke kterým dochází během akčních potenciálů a během postsynaptických potenciálů efektorových buněk.

- Vápníkové kanály, které vytvářejí čisté toky vápníku do intracelulárního prostoru, jsou zodpovědné za aktivaci řady enzymů a proteinů, které se účastní mnoha metabolických procesů.

- Podobně zvýšení vápníku v důsledku zvýšení jeho transportu iniciuje mechanismus uvolňování neurotransmiterů do synaptického prostoru neuronů.

- Proto funkce iontových kanálů souvisí také s mechanismy buněčné komunikace.

Obecný transport přes membránu

Jak je uvedeno výše, membránové transportní mechanismy mohou být aktivní nebo pasivní v závislosti na tom, zda spotřebovávají energii z buňky, kde jsou umístěny. Pasivní mechanismy jsou klasifikovány do jednoduché difúze a usnadněné difúze.

Jednoduchá difúze

Jednoduchá difúze umožňuje průchod fosfolipidovou strukturou membrány tukem rozpustných molekul malé velikosti, s nepolárními charakteristikami a bez náboje.

Tedy například plyny, jako je kyslík (O2) a oxid uhličitý (CO2), ethanol a močovina, alespoň několik, prochází jejich koncentračním gradientem.

Usnadněné šíření

Usnadněná difúze je taková, kterou usnadňují proteiny, a existují dva typy tohoto pasivního transportního mechanismu: iontové kanály a transportní proteiny nebo transportní proteiny.

Iontové kanály jsou mechanismem, který buňky nejvíce používají pro transport iontů, které nemohou procházet jednoduchou difúzí, buď proto, že mají elektrický náboj a fosfolipidy membrány je odrazují kvůli jejich velikosti a polaritě nebo jakékoli jiné vlastnosti.

Difúze usnadněná proteinovými nosiči se používá k transportu větších látek s nebo bez náboje, jako je glukóza a další cukry.

Aktivní membránový transport je ten, který se vyskytuje proti koncentračnímu gradientu transportované látky a vyžaduje spotřebu energie ve formě ATP. Mezi transportéry tohoto typu patří čerpadla a vezikulární transport.

Jako příklad čerpadel lze uvést sodíkové / draselné čerpadlo, které odstraňuje tři sodíky a představuje dva draslíky. Existují také vápenatá čerpadla.

Příklady vezikulárního transportu jsou endocytóza, exocytóza, pinocytóza a fagocytóza; všechny tyto aktivní transportní mechanismy.

Druhy iontových kanálů

Od tohoto okamžiku bude proveden odkaz na iontové kanály, které umožňují průchod iontů membránou ve prospěch jejich koncentračních gradientů, to znamená, že jsou pasivními transportními kanály.

Obecně je každý z těchto kanálů specifický pro jediný iont, s výjimkou několika kanálů, které umožňují transport iontových párů.

Strukturální schéma iontového kanálu (Zdroj: Outslider (Paweł Tokarz) na pl.wikipedia prostřednictvím Wikimedia Commons)

Jedním ze způsobů, jak klasifikovat iontové kanály, je jejich seskupení podle mechanismu odpovědného za jejich otevření. Byly tedy popsány pasivní kanály, napěťově regulované (napěťově závislé) kanály, ligandem regulované kanály a mechanické stimulované kanály.

- Pasivní kanály: jsou to kanály, které jsou trvale otevřené a nereagují na žádný druh podnětu; tyto jsou specifické pro určité ionty.

- Kanály závislé na napětí: tyto kanály se mohou otevírat nebo zavírat (v závislosti na kanálu) v důsledku změn v membránovém napětí. Jsou velmi důležité pro buněčnou signalizaci, zejména v centrální nervové soustavě savců.

- Kanaly závislé na ligandu: nazývané také kanály regulované ligandem nebo regulované ligandem, jsou široce distribuovány v různých buňkách lidského těla, ale v nervovém systému představují ty iontové kanály aktivované neurotransmitery a jsou nezbytné pro synaptický přenos a mezibuněčná signalizace.

Příkladem iontových kanálů závislých na ligandu aktivovaných neurotransmitery jsou sodné / draselné kanály aktivované glutamátem.

Aktivace cholinergních receptorů, v tomto případě vazba acetylcholinu na postsynaptickou membránu (kanálový ligand), otevírá sodíkové kanály závislé na ligandu a umožňuje vstup tohoto iontu po jeho koncentračním gradientu.

- Kanály regulované mechanickými stimuly: jedná se o kanály, které lze aktivovat rozptylem nebo tlakem. Tyto mechanické síly jsou přenášeny na kanál cytoskeletem a kanál se otevírá.

Reference

1. Bear, MF, Connors, BW, a Paradiso, MA (Eds.). (2007). Neurovědy (sv. 2). Lippincott Williams & Wilkins.
2. Oddělení biochemie a molekulární biofyziky Thomas Jessell, Siegelbaum, S., & Hudspeth, AJ (2000). Principy neurální vědy (svazek 4, str. 1227-1246). ER Kandel, JH Schwartz a TM Jessell (Eds.). New York: McGraw-hill.
3. Lewis, CA, a Stevens, CF (1983). Iontová selektivita kanálu acetylcholinového receptoru: ionty zažívají vodní prostředí. Sborník Národní akademie věd, 80 (19), 6110-6113.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, a Cox, MM (2008). Lehningerovy principy biochemie. Macmillan.
5. Rawn, JD (1998). Biochemie. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
6. Viana, F., de la Peña, E., & Belmonte, C. (2002). Specifičnost studené termo-transdukce je určena diferenciální expresí iontových kanálů. Nature neuroscience, 5 (3), 254.