JONU KANĀLI: STRUKTŪRA, FUNKCIJAS, VEIDI - BIOLOĢIJA - 2025

The jonu kanālus, kas ir dobums, membrānas struktūrām, kas veido kanālus vai poras traversing biezumu membrānas un communicating ārpusi šūnā ar tās citosolā un otrādi; dažiem var būt vārtu sistēma, kas regulē to atvēršanu.

Šie kanāli ir piepildīti ar ūdeni un kontrolē īpašu jonu pāreju no vienas membrānas puses uz otru. Tos veido olbaltumvielas, kas raksturīgas šūnu membrānām un veido cilindriskas caurules formas struktūras, kas šķērso tās platumā.

Jonu kanāla atvērta un slēgta veidošana (Avots: Efazzari caur Wikimedia Commons)

Pārnešanas mehānismus pa šīm membrānām var plaši klasificēt pasīvā vai aktīvā transportā. Pasīvie ir tie, kas ļauj vielām pāriet par labu to koncentrācijas gradientam, savukārt aktīvajām vielām ir nepieciešams enerģijas patēriņš, jo tās pārvieto vielas pretēji to koncentrācijas gradientam.

Jonu kanāli ir pasīvs transporta mehānisms, ko var klasificēt pēc to specifikas, tas ir, pēc jonu veida, kuru tie ļauj iziet, vai pēc veida, kādā tie atveras vai aizveras.

Šo membrānas transporta sistēmu galvenā funkcija ir ļaut regulētai vielu pārejai uz šūnām vai ārpus tām un tādējādi uzturēt jonu un citu vielu intracelulāras koncentrācijas.

Šūnu membrānu un jonu kanālu klātbūtne ir būtiska, lai saglabātu atšķirības starpšūnu un ārpusšūnu vidē, kas ir svarīgi no daudziem aspektiem.

Jonu kanāli, īpaši atkarīgi no ligandiem, ir ļoti svarīgi farmakoloģijā un medicīnā, jo daudzas zāles var imitēt dabisko ligandu funkcijas un tādējādi saistīties ar kanālu, attiecīgi to atverot vai aizverot.

Citas zāles spēj bloķēt saistīšanās vietu un tādējādi novērst dabiskā ligandi darbību.

Uzbūve

Jonu kanālu struktūru veido specifiski transmembranālie proteīni, kuriem ir cauruļveida forma un kas atstāj poras vai caurumu, kas ļauj sazināties starp šūnas iekšpusi un ārpusi vai starp starpšūnu nodalījumiem (organellām).

Katrā jonu kanālā ir iesaistīts noteikts strukturāls membrānas proteīns, un ir aprakstīti vairāk nekā 100 gēnu, kas kodē īpašus jonu kanālus.

Piemēram, attiecībā uz nātrija kanālu ir aprakstīti 10 gēni, ko sauc par SCN, kas kodē dažādus proteīnus, kas ir sadalīti dažādos audos ar noteiktām funkcijām un struktūrām.

Tāpat ir aprakstīts ievērojams skaits gēnu, kas kodē dažādas olbaltumvielas, kas veido kālija kanālus, kuri pieder dažādām ģimenēm un kuriem ir atšķirīgi aktivēšanas, atvēršanas un inaktivācijas mehānismi.

Jonu kanāla olbaltumvielu struktūra

Parasti funkcionāls jonu kanāls, kas saistīts ar membrānu, sastāv no 4 līdz 6 līdzīgiem polipeptīdu apakšvienībām (homo oligomēri) vai atšķirīgiem (hetero oligomēri), kas starp tām veido centrālas poras.

Jonu kanāla membrānas apakšvienību diagramma (Avots: Efazzari caur Wikimedia Commons)

Katra apakšvienība mainās atkarībā no kanāla īpašībām un īpašībām, jo ​​daudzi ir specifiski noteiktiem joniem un tiem ir atšķirīgi atvēršanas un aizvēršanas mehānismi.

Dažus kanālus veido viena polipeptīdu ķēde, kas organizēta atkārtotos modeļos, kas vairākas reizes šķērso membrānas biezumu un darbojas kā olbaltumvielu subvienības ekvivalents.

Papildus šīm apakšvienībām, kuras literatūrā sauc par α apakšvienībām, dažiem jonu kanāliem ir arī viena vai vairākas palīgvienības (ß vai γ), kas regulē to atvēršanu un aizvēršanos.

Katra kanāla specifika ir saistīta ar poru diametru, ko veido transmembranālie proteīni, un aminoskābju, kas tos veido, sānu ķēdes (─R).

Tādā veidā ir kanāli, kas caur nāvi izlaiž tikai nātrija, kālija, kalcija jonus utt., Jo sānu ķēdes darbojas kā “siets”.

Papildu struktūras pazīmes

Vēl viena svarīga daudzu kanālu iezīme ir vārti. Kanāli ar šīm īpašībām var atvērties vai aizvērties pret vietējām izmaiņām, kas notiek membrānas mikrovidē, kas ieskauj kanālu.

Atkarībā no kanāla veida šīs izmaiņas var būt mehāniskas, termiskas (temperatūras izmaiņas), elektriskas (sprieguma izmaiņas) vai ķīmiskas (ligandi saistās).

Tomēr tā saucamajos pasīvajos jonu kanālos, kas paliek atvērti un ļauj noteiktiem joniem specifiski iziet, šīm struktūrām nav vārtu vai tās ir jutīgas pret ligandiem vai cita veida stimuliem.

Citos jonu kanālos, kas ir jutīgi pret ligandu klātbūtni vai saistīšanos, ir ligamenta saistīšanās vieta vai nu ārpusšūnu pusē, vai arī pret šūnu citosolu, un šādos gadījumos porām vai kanāliem ir vārti, kurus var atvērt vai aizvērt atbilstoši tā ligandu stāvoklim.

Otrais kurjera mehānisms kanālu atvēršanai vai aizvēršanai

Gadījumā, ja ligandu vieta ir intracelulārā daļā, šiem kanāliem parasti ir otrie kurjeri kā ligandi. Jonu kanālu piemērs, kurus atver vai aizver otrie kurjermehānismi, ir ožas receptori:

Aromāta molekulas saistās ar receptoriem ārpusšūnu pusē. Šie receptori, savukārt, ir piesaistīti aktivētam G proteīnam, kas, savukārt, aktivizē olbaltumvielu adenilciklāzi, kas veido cAMP, kas ir otrais kurjers.

CAMP saistās ar dažu kalcija kanālu intracelulāru saistīšanās vietu, kā rezultātā tā atveras un kalcijs nonāk šūnā.

It kā domino efekts, kalcijs saistās ar cita hlora kanāla ligandu, kas rada tā atvēršanu un šī jona izeju, izraisot ožas šūnas depolarizāciju.

Ir svarīgi uzsvērt, ka ligandu vai stimulu radītās izmaiņas, kas ietekmē jonu kanālus, atbilst olbaltumvielu, kas veido kanāla struktūru, konformācijas izmaiņām.

Citiem vārdiem sakot, konformācijas izmaiņas, kas var pārvietot vārtus un aizvērt vai atvērt kanālu, nav nekas cits kā tuvošanās vai attālināšanās olbaltumvielu apakšvienībām, kas to veido.

Citi aktivizēšanas un deaktivizācijas mehānismi

Daži kanāli, īpaši no sprieguma atkarīgi kanāli, var nonākt ugunsizturīgā stāvoklī, kura laikā tās pašas sprieguma izmaiņas, kas tos aktivizēja, vairs tos neaktivizē.

Piemēram, kalcija kanālos, kuriem ir spriegums, ar sprieguma maiņu tiek atvērts kanāls, un kalcijs nonāk, un, nonākot šūnā, tas pats jons saistās ar kalcija kanāla saistīšanas vietu un kalcija kanāls tiek aizvērts. .

Vēl viena atgriezeniska kalcija kanāla inaktivācijas forma, kas izskaidro tā refraktivitāti pēc aktivizēšanas, ir kanāla defosforilēšana, pateicoties kalcija iekšējās koncentrācijas palielinājumam.

Tas ir, kalcija kanāls var tikt neatgriezeniski inaktivēts, jo ir patoloģiski augstas jonu koncentrācijas, kas mediē šķelšanās enzīmu piesaistīšanu no citiem ar kalciju aktivētiem proteīniem.

Kanāli, kas slīpēti ar ligantu, var nonākt ugunsizturīgā stāvoklī, ilgstoši pakļaujoties to ligandam, šo mehānismu sauc par desensibilizāciju.

Narkotikas, indes un toksīni var ietekmēt jonu kanālu regulēšanu, aizverot vai turot tos atvērtus vai dažos gadījumos aizņemot ligandu un tādējādi traucējot tā darbību.

Iespējas

Jonu kanāliem ir daudz tiešu vai netiešu funkciju.

- Viņi ir atbildīgi par jonu plūsmas regulēšanu caur visu šūnu plazmu un organellārajām membrānām.

- Tie ļauj kontrolēt dažādu jonu starpšūnu koncentrāciju.

- Neironos un muskuļu šūnās jonu kanāli kontrolē membrānas potenciāla izmaiņas, kas rodas darbības potenciālu un efektoru šūnu postsinaptisko potenciālu laikā.

- Kalcija kanāli, kas rada neto kalcija plūsmas intracelulārā telpā, ir atbildīgi par daudzu enzīmu un olbaltumvielu, kas piedalās daudzos metabolisma procesos, aktivizēšanu.

- Tāpat kalcija palielināšanās sakarā ar tā transporta palielināšanos ierosina neirotransmiteru izdalīšanās mehānismu uz neironu sinaptisko telpu.

- Tāpēc jonu kanālu funkcija ir saistīta arī ar šūnu komunikācijas mehānismiem.

Vispārīgi pārvadājumi pa membrānu

Kā minēts iepriekš, membrānas transporta mehānismi var būt aktīvi vai pasīvi atkarībā no tā, vai viņi patērē enerģiju no šūnas, kurā atrodas. Pasīvos mehānismus klasificē vienkāršā difūzijā un atvieglotajā difūzijā.

Vienkārša difūzija

Vienkārša difūzija ļauj cauri fosfolipīdu membrānas struktūrai taukos šķīstošām mazām molekulām ar apolārām īpašībām un bez maksas.

Tā, piemēram, tādas gāzes kā skābeklis (O2) un oglekļa dioksīds (CO2), etanols un urīnviela, nosaucot dažus, iziet cauri to koncentrācijas gradientam.

Vienkāršota izplatīšana

Atvieglota difūzija ir tāda, kuru veicina olbaltumvielas, un šim pasīvajam transporta mehānismam ir divi veidi: jonu kanāli un transporta proteīni vai transportiera proteīni.

Jonu kanāli ir mehānisms, ko šūnas visbiežāk izmanto tādu jonu pārvadāšanai, kuri nevar iziet cauri vienkāršai difūzijai vai nu tāpēc, ka tiem ir elektriskais lādiņš, un membrānas fosfolipīdi to lieluma un polaritātes vai jebkura cita raksturlieluma dēļ tos atgrūž.

Difūziju, ko atvieglo nesējproteīni, izmanto, lai pārvadātu lielākas vielas ar vai bez maksas, piemēram, glikozi un citus cukurus.

Aktīvs membrānas transports ir tas, kas notiek pret pārvadājamā šķīduma koncentrācijas gradientu un prasa enerģijas patēriņu ATP formā. Starp šāda veida pārvadātājiem ir sūkņi un vezikulārais transports.

Kā sūkņu piemērs ir nātrija / kālija pumpis, kas noņem trīs nātrija un ievada divus kāliju. Ir arī kalcija sūkņi.

Vezikulārā transporta piemēri ir endocitoze, eksocitoze, pinocitoze un fagocitoze; visi šie aktīvie transporta mehānismi.

Jonu kanālu veidi

Kopš šī brīža tiks atsaukti uz jonu kanāliem, kas ļauj joniem iziet cauri membrānai par labu to koncentrācijas gradientam, tas ir, tie ir pasīvi transporta kanāli.

Parasti katrs no šiem kanāliem ir specifisks vienam jonam, izņemot dažus kanālus, kas ļauj pārvadāt jonu pārus.

Jonu kanāla struktūras shēma (Avots: Outslider (Paweł Tokarz) pl.wikipedia caur Wikimedia Commons)

Viens veids, kā klasificēt jonu kanālus, ir grupēt tos pēc mehānisma, kas atbild par to atvēršanu. Tādējādi ir aprakstīti pasīvie kanāli, no sprieguma regulētie (no sprieguma atkarīgie) kanāli, ar ligandiem regulētie kanāli un mehāniskā stimula regulētie kanāli.

- pasīvie kanāli: tie ir kanāli, kas ir pastāvīgi atvērti un nereaģē uz jebkāda veida stimuliem; tie ir raksturīgi noteiktiem joniem.

- No sprieguma atkarīgi kanāli : tie var atvērt vai aizvērt (atkarībā no kanāla), mainoties membrānas spriegumam. Tie ir ļoti svarīgi šūnu signalizēšanai, īpaši zīdītāju centrālajā nervu sistēmā.

- no ligandiem atkarīgi kanāli: saukti arī par ligandiem vai ar ligandiem regulētiem kanāliem, tie ir plaši izplatīti dažādās cilvēka ķermeņa šūnās, bet nervu sistēmā tie ir tie jonu kanāli, kurus aktivizē neirotransmiteri, un ir nepieciešami sinaptiskajai pārnešanai un starpšūnu signalizācija.

Neirotransmiteru aktivizētu ligandu atkarīgo jonu kanālu piemēri ir nātrija / kālija kanāli, kurus aktivizē glutamāts.

Holīnerģisko receptoru aktivizēšana, šajā gadījumā acetilholīna saistīšanās ar postsinaptisko membrānu (kanāla ligands), atver no ligandiem atkarīgus nātrija kanālus un ļauj iekļūt šajā jonā pēc tā koncentrācijas gradienta.

- kanāli, ko regulē mehāniski stimuli : tie ir kanāli, kurus var aktivizēt ar izliekumu vai spiedienu. Šie mehāniskie spēki tiek pārnesti uz kanālu caur citoskeletu, un kanāls atveras.

Atsauces

1. Lācis, MF, Connors, BW, un Paradiso, MA (Red.). (2007). Neirozinātne (2. sēj.). Lippincott Williams & Wilkins.
2. Bioķīmijas un molekulārās biofizikas katedra Tomass Džessels, Sīgelbaums, S., & Hudspeth, AJ (2000). Neironu zinātnes principi (4. sēj., 1227.-1226. Lpp.). ER Kandels, JH Schwartz un TM Jessell (Red.). Ņujorka: Makgreivsa.
3. Lūiss, Kalifornija un Stīvenss, CF (1983). Acetilholīna receptoru kanālu jonu selektivitāte: joniem ir ūdens vide. Nacionālās zinātņu akadēmijas raksti, 80 (19), 6110-6113.
4. Nelsons, DL, Lehingers, AL, & Cox, MM (2008). Lehingera bioķīmijas principi. Makmillans.
5. Rawn, JD (1998). Bioķīmija. Burlingtons, Masačūsetsa: Neil Patterson Publishers.
6. Viana, F., de la Peña, E., & Belmonte, C. (2002). Aukstās termovadības specifiku nosaka diferenciālā jonu kanāla izteiksme. Dabas neirozinātne, 5 (3), 254.