Ioonkanali bioloogia

Ioonikanal, valk, mida ekspresseerivad praktiliselt kõik elusad rakud, mis loob tee lahustunud sooladest, sealhulgas naatriumi-, kaaliumi-, kaltsiumi- ja kloriidioonidest laetud ioonidele, et läbida muidu impermeaalset lipiidrakkude membraani. Ioonkanaleid vajavate füsioloogiliste protsesside näideteks on närvisüsteemi rakkude töö, südame ja luustiku lihaste kokkutõmbumine ning sekretsioon kõhunäärmes. Lisaks on rakusiseste organellide membraanides olevad ioonikanalid olulised tsütoplasmaatilise kaltsiumi kontsentratsiooni ja spetsiifiliste subtsellulaarsete sektsioonide (nt lüsosoomid) hapestamise reguleerimiseks.

lahter: membraanikanalid

Rakumembraane läbiva elektrivoolu mõõtvad biofüüsikud on leidnud, et üldiselt on rakumembraanidel tohutult suurem

.

Evolutsioon ja selektiivsus

Ioonid voolavad kanalite kaudu passiivselt tasakaalu poole. Seda liikumist võivad mõjutada elektrilised (pinge) või keemilised (kontsentratsiooni) kalded. Ioonikanalite arengu tulemusel ioonivoolu muutmise võime võis anda evolutsioonilise eelise, võimaldades üherakulistel organismidel keskkonnamuutuste korral reguleerida nende mahtu. Järgneva evolutsiooni käigus on ioonikanalid hakanud mängima olulist rolli raku sekretsioonis ja elektrisignaalide edastamisel.

Enamik ioonkanaleid on lüüsiga, st nad avanevad ja sulguvad kas spontaanselt või vastusena spetsiifilisele stiimulile, näiteks väikese molekuli sidumisel kanalivalguga (ligandiga ühendatud ioonikanalid) või pinge muutumisega membraanil seda tunnevad kanalivalgu laetud segmendid (pingega ühendatud ioonkanalid). Lisaks on enamik ioonkanaleid selektiivsed, võimaldades ainult teatud ioonidel läbi pääseda. Mõned kanalid juhivad ainult ühte tüüpi ioone (nt kaaliumi), teised kanalid on suhtelise selektiivsusega - näiteks võimaldavad positiivselt laetud katioonidel läbi pääseda, välistades samas negatiivselt laetud anioonid. Kõrgemate organismide rakud võivad ekspresseerida rohkem kui 100 erinevat tüüpi ioonikanalit, millel kõigil on erinev selektiivsus ja erinevad väravaomadused.

Funktsioon ja struktuur

Laetud ioonide voog läbi avatud kanalite tähistab elektrivoolu, mis muudab pinge kogu membraani ulatuses, muutes laengu jaotust. Erutuvates rakkudes toimuvad pingega kanalid, mis võimaldavad positiivsete ioonide (nt naatriumi- ja kaltsiumioonid) ajutist sissevoolu, membraani lühikese depolarisatsiooni all, mida nimetatakse aktsioonipotentsiaalideks. Aktsioonipotentsiaali saab kiiresti üle kanda pikkade vahemaade tagant, võimaldades füsioloogiliste väljundite koordineerimist ja täpset ajastamist. Peaaegu kõigil juhtudel vallandavad aktsioonipotentsiaalid allavoolu füsioloogilisi toimeid, näiteks sekretsiooni või lihaste kokkutõmbumist, avades pingega kaltsiumi suhtes selektiivseid ioonkanaleid ja tõstes rakusisest kaltsiumi kontsentratsiooni.

Määratud on paljude erinevate ioonikanalivalkude aminohappelised järjestused ja mõnel juhul on teada ka kanali röntgenkristallstruktuur. Nende struktuuri põhjal saab enamuse ioonikanalid jagada kuueks või seitsmeks perekonnaks. Kaaliumi suhtes selektiivsete kanalite jaoks, mis kuuluvad kõige paremini iseloomustatud ioonikanalite hulka, tulevad neli homoloogset transmembraanset alaühikut kokku, et luua tunnel, mida tuntakse juhtiva poorina ja mis pakub polaarset rada läbi mittepolaarse lipiidmembraani. Muud kanalitüübid vajavad tsentraalselt juhtiva pooride tekitamiseks kas kolme või viit homoloogset alaühikut. Lahuses stabiliseerivad ioonid ümbritsevas keskkonnas polariseeritud veemolekulid. Kitsad, väga selektiivsed ioonkanalid jäljendavad veekeskkonda, vooderdades juhtiv poor polariseeritud karbonüülhapniku aatomitega. Vähem selektiivsed kanalid moodustavad piisavalt suure läbimõõduga poore, et ioonid ja veemolekulid saaksid omavahel läbi.

Toksiinid ja haigus

Paljud looduslikud toksiinid on suunatud ioonikanalitele. Näited hõlmavad pingestatud naatriumikanali blokeerijat tetrodotoksiini, mida toodavad puhvetis (puhviskalades) elavad bakterid ja mitmed muud organismid; pöördumatu nikotiini atsetüülkoliini retseptori antagonist alfa-bungarotoksiin, mis on pärit maod mürgist perekonnas Bungarus (kraits); ja taimse päritoluga alkaloidid, näiteks strüchniin ja d-tubokurariin, mis pärsivad vastavalt neurotransmitterite glütsiini ja atsetüülkoliini poolt avatavate ioonikanalite aktiveerimist. Lisaks toimib suur arv terapeutilisi ravimeid, sealhulgas lokaalanesteetikumid, bensodiasepiinid ja sulfonüüluurea derivaadid, otse või kaudselt, ioonikanalite aktiivsuse moduleerimiseks.

Ioonkanaligeenide ja ioonikanalite aktiivsust reguleerivate valkude kodeerivate geenide pärilikud mutatsioonid on seotud paljude haigustega, sealhulgas ataksiaga (võimetus lihaseid vabatahtlikult koordineerida), suhkruhaigusega, teatud tüüpi epilepsiaga ja südame rütmihäiretega (ebakorrapärasused). südamelöögis). Näiteks naatrium-selektiivsete ja kaaliumi suhtes selektiivsete kanalite või nendega seotud regulatiivsete alaühikute geneetilised variatsioonid on pika QT sündroomi vormide aluseks. Seda sündroomi iseloomustab südame müotsüütide aktsioonipotentsiaali depolarisatsiooni aja pikenemine, mis võib põhjustada surmaga lõppevaid rütmihäireid. Lisaks on adenosiintrifosfaadile (ATP) tundlike kaaliumi kanalite mutatsioonid, mis kontrollivad kõhunäärme rakkude insuliini sekretsiooni, suhkruhaiguse mõne vormi all.