ИОННЫЕ КАНАЛЫ: СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, ТИПЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

Эти ионные каналами являются полыми мембранными структурами , которые образуют каналы или пору перемещения толщины мембраны и передач внешнего вида клетки с ее цитозолом и наоборот; некоторые могут иметь систему ворот, которая регулирует их открытие.

Эти каналы заполнены водой и контролируют прохождение определенных ионов от одной стороны мембраны к другой. Они состоят из белков, типичных для клеточных мембран, которые образуют цилиндрические трубчатые структуры, пересекающие их по ширине.

Открытое и закрытое образование ионного канала (Источник: Efazzari через Wikimedia Commons)

Транспортные механизмы через эти мембраны можно в целом разделить на пассивные и активные. Пассивные - это те, которые позволяют проходить веществам в пользу градиентов их концентрации, в то время как активные требуют потребления энергии, так как они перемещают вещества против их градиентов концентрации.

Ионные каналы представляют собой пассивный транспортный механизм, который можно классифицировать в соответствии с их специфичностью, то есть в соответствии с типом иона, через который они пропускают, или в соответствии с тем, как они открываются или закрываются.

Основная функция этих мембранных транспортных систем состоит в том, чтобы обеспечить регулируемый переход веществ в клетки или из клеток и, таким образом, поддерживать внутриклеточные концентрации ионов и других веществ.

Наличие клеточных мембран и ионных каналов необходимо для поддержания разницы концентраций между внутриклеточной и внеклеточной средами, что актуально со многих точек зрения.

Ионные каналы, особенно лигандзависимые, очень важны в фармакологии и медицине, так как многие лекарства могут имитировать функции природных лигандов и, таким образом, связываться с каналом, открывая или закрывая его, в зависимости от обстоятельств.

Другие препараты способны блокировать сайт связывания и, таким образом, предотвращать действие природного лиганда.

Структура

Структура ионных каналов состоит из специфических трансмембранных белков, которые имеют трубчатую форму и оставляют поры или отверстия, которые обеспечивают связь между внутренней и внешней частью клетки или между внутриклеточными компартментами (органеллами).

Каждый ионный канал включает определенный структурный мембранный белок, и было описано более 100 генов, кодирующих определенные ионные каналы.

Для натриевого канала, например, описано 10 генов, называемых SCN, которые кодируют различные белки, распределенные в разных тканях с определенными функциями и структурами.

Точно так же было описано значительное количество генов, кодирующих различные белки, составляющие калиевые каналы, принадлежащие к разным семействам и имеющие разные механизмы активации, открытия и инактивации.

Белковая структура ионного канала

Обычно функциональный ионный канал, связанный с мембраной, состоит из сборки из 4-6 одинаковых полипептидных субъединиц (гомоолигомеры) или разных (гетероолигомеры), которые образуют центральную пору между собой.

Схема мембранных субъединиц ионного канала (Источник: Efazzari через Wikimedia Commons)

Каждая субъединица различается в зависимости от характеристик и свойств канала, поскольку многие из них специфичны для определенных ионов и имеют разные механизмы открытия и закрытия.

Некоторые каналы состоят из единственной полипептидной цепи, организованной в виде повторяющихся мотивов, которые проходят сквозь толщину мембраны в несколько раз и функционируют как эквивалент белковой субъединицы.

В дополнение к этим субъединицам, которые известны в литературе как субъединицы α, некоторые ионные каналы также имеют одну или несколько вспомогательных субъединиц (β или γ), которые регулируют их открытие и закрытие.

Специфичность каждого канала связана с диаметром поры, образованной трансмембранными белками и боковыми цепями (─R) аминокислот, из которых они состоят.

Таким образом, существуют каналы, через которые проходят только ионы натрия, калия, кальция и т. Д., Поскольку боковые цепи функционируют как «сито».

Дополнительные конструктивные особенности

Еще одна важная особенность многих каналов - ворота. Каналы с этими свойствами могут открываться или закрываться при локальных изменениях, происходящих в микросреде мембраны, окружающей канал.

В зависимости от типа канала эти изменения могут быть механическими, термическими (изменения температуры), электрическими (изменения напряжения) или химическими (связывание лиганда).

Однако в так называемых пассивных ионных каналах, которые остаются открытыми и позволяют специфическому прохождению определенных ионов, эти структуры не имеют ворот или чувствительны к лигандам или другим типам стимулов.

В других ионных каналах, которые чувствительны к присутствию или связыванию лигандов, есть сайт связывания лиганда либо на внеклеточной стороне, либо по направлению к цитозолю клетки, и в этих случаях поры или каналы имеют ворота, которые можно открывать или закрывать. в зависимости от состояния его лиганда.

Механизм второго мессенджера для открытия или закрытия каналов

В случае наличия лигандного сайта во внутриклеточной части эти каналы обычно имеют вторичных мессенджеров в качестве лигандов. Примером ионных каналов, которые открываются или закрываются механизмами вторичного мессенджера, являются обонятельные рецепторы:

Молекулы запаха связываются со своими рецепторами на внеклеточной стороне. Эти рецепторы, в свою очередь, прикреплены к активированному белку G, который, в свою очередь, активирует белок аденилциклазу, который образует цАМФ, который является вторым мессенджером.

ЦАМФ связывается с участком внутриклеточного связывания некоторых кальциевых каналов, что приводит к его открытию и попаданию кальция в клетку.

Как если бы это был эффект домино, кальций связывается с лигандным участком другого хлорного канала, который вызывает его открытие и выход этого иона, вызывая деполяризацию обонятельной клетки.

Важно подчеркнуть, что изменения, генерируемые лигандами или стимулами, которые влияют на ионные каналы, соответствуют конформационным изменениям белков, составляющих структуру канала.

Другими словами, конформационные изменения, которые могут перемещать ворота и закрывать или открывать канал, являются не чем иным, как приближением или удалением составляющих его белковых субъединиц.

Другие механизмы активации и инактивации

Некоторые каналы, особенно каналы, зависящие от напряжения, могут войти в невосприимчивое состояние, во время которого то же изменение напряжения, которое их активировало, больше не активирует их.

Например, в потенциалозависимых кальциевых каналах изменение напряжения открывает канал, и кальций входит, и, оказавшись внутри клетки, тот же ион связывается с сайтом связывания кальциевого канала, и кальциевый канал закрывается. ,

Другой формой обратимой инактивации кальциевого канала, объясняющей его рефрактерность после активации, является дефосфорилирование канала из-за увеличения внутренней концентрации кальция.

То есть кальциевый канал может быть необратимо инактивирован из-за наличия патологически высоких концентраций иона, которые опосредуют рекрутирование ферментов расщепления из других активируемых кальцием белков.

Каналы, управляемые лигандами, могут переходить в рефрактерное состояние при длительном воздействии своего лиганда, этот механизм называется десенсибилизацией.

Лекарства, яды и токсины могут влиять на регуляцию ионных каналов, закрывая или удерживая их открытыми или, в некоторых случаях, занимая место лиганда и, таким образом, нарушая его функцию.

Характеристики

Ионные каналы имеют множество функций, прямых или косвенных.

- Они отвечают за регулирование потока ионов через плазматические и органеллярные мембраны всех клеток.

- Они позволяют контролировать внутриклеточные концентрации различных ионов.

- В нейронах и мышечных клетках ионные каналы контролируют изменения мембранного потенциала, которые возникают во время потенциалов действия и во время постсинаптических потенциалов эффекторных клеток.

- Кальциевые каналы, которые генерируют чистые потоки кальция во внутриклеточное пространство, ответственны за активацию множества ферментов и белков, которые участвуют во многих метаболических процессах.

- Точно так же увеличение кальция из-за увеличения его транспорта запускает механизм высвобождения нейротрансмиттеров в синаптическое пространство нейронов.

- Следовательно, функция ионных каналов также связана с механизмами клеточной коммуникации.

Общие сведения о переносе через мембрану

Как указано выше, механизмы мембранного транспорта могут быть активными или пассивными в зависимости от того, потребляют ли они энергию из клетки, в которой они расположены. Пассивные механизмы подразделяются на простую диффузию и облегченную диффузию.

Простая диффузия

Простая диффузия позволяет проходить через фосфолипидную структуру мембраны жирорастворимым молекулам небольшого размера, с неполярными характеристиками и без заряда.

Так, например, такие газы, как кислород (O2) и диоксид углерода (CO2), этанол и мочевина, и многие другие, проходят через свой градиент концентрации.

Облегченное распространение

Облегченная диффузия - это диффузия, которой способствуют белки, и существует два типа этого пассивного транспортного механизма: ионные каналы и транспортные белки или белки-переносчики.

Ионные каналы - это механизм, который чаще всего используется клетками для переноса ионов, которые не могут пройти путем простой диффузии, потому что они обладают электрическим зарядом, а фосфолипиды мембраны отталкивают их из-за их размера и полярности или любых других характеристик.

Диффузия, которой способствуют белки-носители, используется для транспортировки более крупных веществ с зарядом или без него, таких как глюкоза и другие сахара.

Активный мембранный транспорт - это то, что происходит против градиента концентрации транспортируемого растворенного вещества и требует потребления энергии в форме АТФ. К транспортерам этого типа относятся насосы и везикулярный транспорт.

Примером насосов является натриево-калиевый насос, который удаляет три натрия и вводит два калия. Есть еще кальциевые насосы.

Примерами везикулярного транспорта являются эндоцитоз, экзоцитоз, пиноцитоз и фагоцитоз; все эти активные транспортные механизмы.

Типы ионных каналов

С этого момента ссылка будет делаться на ионные каналы, которые позволяют ионам проходить через мембрану, в пользу их градиентов концентрации, то есть они являются пассивными транспортными каналами.

Как правило, каждый из этих каналов специфичен для одного иона, за исключением нескольких каналов, которые позволяют транспортировать ионные пары.

Структурная схема ионного канала (Источник: Outslider (Paweł Tokarz), пл. Википедия через Wikimedia Commons)

Один из способов классифицировать ионные каналы - сгруппировать их по механизму, отвечающему за их открытие. Таким образом, были описаны пассивные каналы, каналы, регулируемые напряжением (зависимые от напряжения), каналы, регулируемые лигандами, и каналы, регулируемые механическими стимулами.

- Пассивные каналы: это каналы, которые постоянно открыты и не реагируют ни на какие стимулы; они специфичны для определенных ионов.

- Каналы, зависящие от напряжения : они могут открываться или закрываться (в зависимости от канала) при изменении мембранного напряжения. Они очень важны для передачи сигналов клетками, особенно в центральной нервной системе млекопитающих.

- Лиганд-зависимые каналы: также называемые лиганд-управляемыми или лиганд-регулируемыми каналами, они широко распространены в различных клетках человеческого тела, но в нервной системе они составляют те ионные каналы, которые активируются нейротрансмиттерами и необходимы для синаптической передачи и межклеточная передача сигналов.

Примером лиганд-зависимых ионных каналов, активируемых нейротрансмиттерами, являются натриевые / калиевые каналы, активируемые глутаматом.

Активация холинергических рецепторов, в данном случае связывание ацетилхолина с постсинаптической мембраной (лигандом канала), открывает лиганд-зависимые натриевые каналы и позволяет проникать этому иону в соответствии с градиентом его концентрации.

- Каналы, регулируемые механическими стимулами : это каналы, которые могут активироваться растяжением или давлением. Эти механические силы передаются в канал через цитоскелет, и канал открывается.

Ссылки

1. Медведь, М.Ф., Коннорс, Б.В., и Парадизо, Массачусетс (ред.). (2007). Неврология (Том 2). Липпинкотт Уильямс и Уилкинс.
2. Отдел биохимии и молекулярной биофизики Thomas Jessell, Siegelbaum, S., & Hudspeth, AJ (2000). Принципы неврологии (том 4, стр. 1227–1246). Э. Р. Кандел, Дж. Х. Шварц и Т. М. Джессел (ред.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.
3. Льюис, Калифорния, и Стивенс, С.Ф. (1983). Ионная селективность канала рецептора ацетилхолина: ионы находятся в водной среде. Слушания Национальной академии наук, 80 (19), 6110-6113.
4. Нельсон, Д.Л., Ленингер, А.Л., и Кокс, М.М. (2008). Принципы биохимии Ленингера. Macmillan.
5. Rawn, JD (1998). Биохимия. Берлингтон, Массачусетс: Нил Паттерсон Паблишерс.
6. Виана, Ф., де ла Пенья, Э., и Бельмонте, К. (2002). Специфика холодного термопреобразования определяется выражением дифференциального ионного канала. Природа нейробиологии, 5 (3), 254.