JONŲ KANALAI: STRUKTŪRA, FUNKCIJOS, TIPAI - BIOLOGIJA - 2025

Kad jonų kanalus, yra tuščiavidurio membrana struktūros, kad forma kanalai arba poras važiuojantiems membranos storis ir perduoti ląstelės su savo citozolyje ir atvirkščiai išorę; kai kurie gali turėti vartų sistemą, reguliuojančią jų atidarymą.

Šie kanalai užpildomi vandeniu ir kontroliuoja specifinių jonų praėjimą iš vienos membranos pusės į kitą. Jie yra sudaryti iš baltymų, būdingų ląstelių membranoms, sudarantiems cilindrines vamzdžio formos struktūras, kertančias juos pločiu.

Atviras ir uždaras jonų kanalo formavimas (Šaltinis: „Efazzari“ per „Wikimedia Commons“)

Šių membranų pernešimo mechanizmus galima plačiai suskirstyti į pasyvųjį arba aktyvųjį. Pasyvieji yra tie, kurie leidžia praeiti medžiagoms geriau nei jų koncentracijos gradientas, tuo tarpu aktyviosioms medžiagoms reikia sunaudoti energiją, nes jos juda medžiagas prieš jų koncentracijos gradientus.

Jonų kanalai sudaro pasyvųjį transportavimo mechanizmą, kuris gali būti klasifikuojamas pagal jų specifiškumą, tai yra pagal jonų tipą, kurį jie leidžia praeiti, arba pagal tai, kokiu būdu jie atsidaro ar uždaro.

Pagrindinė šių membranų pernešimo sistemų funkcija yra leisti reguliuojamoms medžiagoms patekti į ląsteles arba iš jų išeiti ir taip palaikyti ląstelių jonų ir kitų medžiagų koncentracijas ląstelėse.

Ląstelių membranų ir jonų kanalų buvimas yra būtinas norint išsaugoti tarpląstelinės ir tarpląstelinės terpės koncentracijos skirtumus, o tai svarbu daugeliu aspektų.

Jonų kanalai, ypač priklausomi nuo ligandų, yra labai svarbūs farmakologijoje ir medicinoje, nes daugelis vaistų gali imituoti natūralių ligandų funkcijas ir tokiu būdu jungtis prie kanalo, atidarant arba uždarant jį, atsižvelgiant į atvejį.

Kiti vaistai gali blokuoti surišimo vietą ir taip užkirsti kelią natūralaus ligando veikimui.

Struktūra

Jonų kanalų struktūrą sudaro specifiniai transmembraniniai baltymai, kurie turi vamzdinę formą ir palieka poras ar skylę, leidžiančią susisiekti tarp ląstelės vidinės ir išorinės pusės arba tarp tarpląstelinių skyrių (organelių).

Kiekvienas jonų kanalas apima specifinį struktūrinį membranos baltymą, aprašyta daugiau nei 100 genų, koduojančių specifinius jonų kanalus.

Pavyzdžiui, natrio kanalui buvo aprašyta 10 genų, vadinamų SCN, kurie koduoja skirtingus baltymus, paskirstytus skirtinguose audiniuose, turinčius tam tikras funkcijas ir struktūras.

Taip pat aprašyta nemažai genų, koduojančių skirtingus baltymus, kurie sudaro kalio kanalus, priklausančius skirtingoms šeimoms ir turinčius skirtingą aktyvavimo, atsidarymo ir inaktyvavimo mechanizmą.

Jonų kanalo baltyminė struktūra

Paprastai funkcinis jonų kanalas, susietas su membrana, yra sudarytas iš 4–6 panašių polipeptido subvienetų (homo oligomerų) arba skirtingų (hetero oligomerų), sudarančių centrinę porą tarp jų, rinkinio.

Joninio kanalo membraninių subvienetų schema (Šaltinis: Efazzari per Wikimedia Commons)

Kiekvienas subvienetas kinta priklausomai nuo kanalo savybių ir savybių, nes daugelis yra būdingi tam tikriems jonams ir turi skirtingus atidarymo ir uždarymo mechanizmus.

Kai kuriuos kanalus sudaro viena polipeptido grandinė, organizuota kartojant schemas, kurios kelis kartus eina per membranos storį ir veikia kaip baltymo subvieneto ekvivalentas.

Be šių subvienetų, kurie literatūroje žinomi kaip α subvienetai, kai kurie jonų kanalai taip pat turi vieną ar daugiau pagalbinių subvienetų (ß arba γ), kurie reguliuoja jų atidarymą ir uždarymą.

Kiekvieno kanalo specifiškumas yra susijęs su porų, kurias sudaro transmembraniniai baltymai, skersmeniu ir juos sudarančių aminorūgščių šoninėmis grandinėmis (─R).

Tokiu būdu yra kanalų, pro kuriuos praeina tik natrio, kalio, kalcio jonai ir pan., Nes šoninės grandinės veikia kaip „sietas“.

Papildomos konstrukcijos ypatybės

Kita svarbi daugelio kanalų savybė yra vartai. Kanalai, turintys šias savybes, gali atsidaryti ar užsidaryti dėl vietinių pokyčių, vykstančių kanalą supančioje membranos mikroaplinkoje.

Priklausomai nuo kanalo tipo, šie pokyčiai gali būti mechaniniai, šiluminiai (temperatūros pokyčiai), elektriniai (įtampos pokyčiai) arba cheminiai (ligando surišimas).

Tačiau vadinamuosiuose pasyviųjų jonų kanaluose, kurie lieka atviri ir leidžia specifiškai praeiti tam tikrus jonus, šios struktūros neturi vartų arba yra jautrios ligandams ar kitokio tipo dirgikliams.

Kituose jonų kanaluose, kurie yra jautrūs ligandų buvimui ar jungimuisi, ligandą rišimo vieta yra tarpląstelinėje pusėje arba link ląstelės citozolio, ir tokiais atvejais poros ar kanalai turi vartus, kuriuos galima atidaryti ar uždaryti. pagal jo ligando būklę.

Antrasis kanalų atidarymo ar uždarymo mechanizmas

Jei tarpląstelinėje dalyje yra ligando vieta, šie kanalai kaip ligadai paprastai turi antrą pasiuntinį. Joninių kanalų, atidaromų ar uždaromų antruoju pranešimo mechanizmu, pavyzdys yra uoslės receptoriai:

Kvapo molekulės jungiasi su savo receptoriais tarpląstelinėje pusėje. Šie receptoriai, savo ruožtu, yra prijungti prie aktyvuoto G baltymo, kuris savo ruožtu aktyvina baltymo adenilo ciklazę, kuri sudaro cAMP, kuris yra antrasis pasiuntinys.

CAMP jungiasi su kai kurių kalcio kanalų intraląsteline jungimosi vieta, dėl kurios jis atidaromas ir kalcis patenka į ląstelę.

Tarsi tai būtų domino efektas, kalcis jungiasi prie kito chloro kanalo ligando vietos, sukurdamas jo atidarymą ir šio jono išėjimą, sukeldamas uoslės ląstelės depoliarizaciją.

Svarbu pabrėžti, kad ligandų ar dirgiklių generuojami pokyčiai, veikiantys jonų kanalus, atitinka baltymų, sudarančių kanalo struktūrą, konformacinius pokyčius.

Kitaip tariant, konformaciniai pokyčiai, galintys perkelti vartus ir uždaryti ar atidaryti kanalą, yra ne kas kita, kaip artėjantys ar nutolę nuo jį sudarančių baltymų subvienetų.

Kiti įjungimo ir išjungimo mechanizmai

Kai kurie kanalai, ypač nuo įtampos priklausantys kanalai, gali patekti į ugniai atsparią būseną, per kurią tas pats įtampos pokytis, kuris juos suaktyvino, jų nebeįjungia.

Pvz., Kalcio kanaluose, kuriuose įtampa yra nustatyta, įtampos pokytis atveria kanalą ir kalcis patenka į vidų, o, įėjus į ląstelės vidų, tas pats jonas jungiasi prie kalcio kanalo surišimo vietos, o kalcio kanalas užsidaro. .

Kita grįžtamojo kalcio kanalo inaktyvavimo forma, paaiškinanti jo refrakciją po aktyvavimo, yra kanalo defosforilinimas dėl padidėjusios vidinės kalcio koncentracijos.

Tai yra, kalcio kanalas gali būti negrįžtamai inaktyvuotas dėl patologiškai didelių jonų koncentracijų, kurios tarpininkauja skilimo fermentų įdarbinimui iš kitų kalcio suaktyvintų baltymų.

Ligandu uždengti kanalai gali patekti į ugniai atsparią būseną, kai ilgą laiką yra veikiami jų ligando, šis mechanizmas vadinamas desensibilizacija.

Narkotikai, nuodai ir toksinai gali paveikti jonų kanalų reguliavimą, uždarant ar laikant juos atvirus arba tam tikrais atvejais užimant ligando vietą ir taip trikdant jo funkciją.

funkcijos

Jonų kanalai turi daugybę funkcijų, tiesioginių ar netiesioginių.

- Jie yra atsakingi už jonų srauto reguliavimą per visų ląstelių plazminę ir organelinę membranas.

- Jie leidžia kontroliuoti skirtingų jonų tarpląstelinę koncentraciją.

- Neuronuose ir raumenų ląstelėse jonų kanalai kontroliuoja membranos potencialo pokyčius, atsirandančius veikiant potencialui ir efektorinių ląstelių postsinapsiniam potencialui.

- Kalcio kanalai, generuojantys grynuosius kalcio srautus į tarpląstelinę erdvę, yra atsakingi už daugelio fermentų ir baltymų, kurie dalyvauja daugelyje medžiagų apykaitos procesų, aktyvaciją.

- Panašiai, padidėjęs kalcio kiekis dėl padidėjusio jo pernešimo inicijuoja neuromediatorių išsiskyrimą į neuronų sinapsinę erdvę.

- Todėl jonų kanalų funkcija taip pat yra susijusi su ląstelių ryšio mechanizmais.

Transportavimo per membraną bendrumai

Kaip minėta aukščiau, membranų transportavimo mechanizmai gali būti aktyvūs arba pasyvūs, atsižvelgiant į tai, ar jie sunaudoja energiją iš ląstelės, kurioje randami. Pasyvūs mechanizmai skirstomi į paprastą difuziją ir palengvintą difuziją.

Paprasta difuzija

Paprasta difuzija leidžia per fosfolipidinę membraną praeiti riebaluose tirpstančioms mažo dydžio molekulėms, turinčioms apoliarines charakteristikas ir be krūvio.

Pavyzdžiui, dujos, tokios kaip deguonis (O2) ir anglies dioksidas (CO2), etanolis ir karbamidas, keletą pavadinimu, praeina per savo koncentracijos gradientą.

Palengvinta sklaida

Palengvintą difuziją palengvina baltymai ir yra du šio pasyvaus transportavimo mechanizmo tipai: jonų kanalai ir transportiniai baltymai arba transporterio baltymai.

Jonų kanalai yra mechanizmas, kurį ląstelės dažniausiai naudoja jonams pernešti, kurie negali praeiti per paprastą difuziją, nes jie turi elektros krūvį, o membranos fosfolipidai juos atstumia dėl savo dydžio ir poliškumo ar bet kokių kitų savybių.

Difuzija, kurią palengvina nešikliai baltymai, naudojama didesnėms medžiagoms, tokioms kaip gliukozė ir kitas cukrus, gabenti su įkrovimu ar be jo.

Aktyvus membranos pernešimas yra tas, kuris vyksta atsižvelgiant į gabenamos tirpios medžiagos koncentracijos gradientą ir reikalauja energijos suvartoti ATP pavidalu. Tarp šio tipo pervežėjų yra siurbliai ir vezikulinis transportas.

Kaip siurblių pavyzdys yra natrio / kalio pompa, iš kurios pašalinamas trys natris ir įpilamas du kalis. Taip pat yra kalcio pompos.

Vezikulinio transporto pavyzdžiai yra endocitozė, egzocitozė, pinocitozė ir fagocitozė; visi šie aktyvūs transporto mechanizmai.

Joninių kanalų tipai

Nuo šiol bus remiamasi jonų kanalais, kurie leidžia jonams praeiti per membraną jų koncentracijos gradientų naudai, tai yra, jie yra pasyvūs transportavimo kanalai.

Paprastai kiekvienas iš šių kanalų yra būdingas vienam jonui, išskyrus kelis kanalus, kurie leidžia pernešti jonų poras.

Jonų kanalo struktūrinė schema (Šaltinis: „Outslider“ (Paweł Tokarz) pl.wikipedia per Wikimedia Commons)

Vienas iš jonų kanalų klasifikavimo būdų yra jų grupavimas pagal mechanizmą, atsakingą už jų atidarymą. Taigi buvo aprašyti pasyvūs kanalai, įtampos reguliuojami (nuo įtampos priklausantys) kanalai, ligandu reguliuojami kanalai ir mechaniniai stimulo reguliuojami kanalai.

- Pasyvūs kanalai: tai kanalai, kurie nuolat atidaromi ir nereaguoja į jokius dirgiklius; tai yra būdinga tam tikriems jonams.

- Nuo įtampos priklausantys kanalai : jie gali atsidaryti arba uždaryti (atsižvelgiant į kanalą), atsižvelgiant į membranos įtampos pokyčius. Jie yra labai svarbūs signalizuojant ląsteles, ypač žinduolių centrinėje nervų sistemoje.

- Nuo ligando priklausomi kanalai: dar vadinami ligandu arba ligandu reguliuojamais kanalais, jie yra plačiai pasiskirstę skirtingose ​​žmogaus kūno ląstelėse, tačiau nervų sistemoje jie yra tie jonų kanalai, kuriuos suaktyvina neuromediatoriai, ir yra būtini sinapsiniam perdavimui ir tarpląstelinis signalizavimas.

Iš ligandų priklausomų jonų kanalų, kuriuos suaktyvina neurotransmiteriai, pavyzdys yra natrio / kalio kanalai, kuriuos suaktyvina glutamatas.

Cholinerginių receptorių aktyvinimas, šiuo atveju, acetilcholino prisijungimas prie postsinapsinės membranos (kanalo ligando), atveria nuo ligando priklausomus natrio kanalus ir leidžia patekti į šį joną, esant jo koncentracijos gradientui.

- Kanalai, kuriuos reguliuoja mechaniniai dirgikliai : tai yra kanalai, kuriuos galima suaktyvinti įtempiant ar spaudžiant. Šios mechaninės jėgos į kanalą perduodamos per citoskeletą ir kanalas atsidaro.

Nuorodos

1. „Bear“, „MF“, „Connors“, „BW“ ir „Paradiso“, MA (Red.). (2007). Neuromokslas (2 tomas). Lippincott Williams ir Wilkins.
2. Biochemijos ir molekulinės biofizikos katedra Thomas Jessell, Siegelbaum, S., & Hudspeth, AJ (2000). Nervų mokslo principai (4 tomas, p. 1227–1266). ER Kandelis, JH Schwartzas ir TM Jessell (Red.). Niujorkas: „McGraw-hill“.
3. Lewis, CA ir Stevens, CF (1983). Jonų selektyvumas acetilcholino receptorių kanale: jonai patiria vandeninę aplinką. Nacionalinės mokslų akademijos leidiniai, 80 (19), 6110-6113.
4. Nelsonas, D. L., Lehningeris, AL ir „Cox“, MM (2008). Lehningerio biochemijos principai. Macmillanas.
5. Rawn, JD (1998). Biochemija. Burlingtonas, Masačusetsas: Neilo Pattersono leidykla.
6. Viana, F., de la Peña, E., ir Belmonte, C. (2002). Šalto termoversijos specifiškumas nustatomas diferencine joninių kanalų išraiška. Gamtos neuromokslas, 5 (3), 254.