IONENKANALEN: STRUCTUUR, FUNCTIES, TYPEN - BIOLOGIE - 2026

De ionenkanalen zijn holle membraanstructuren die kanalen of poriën vormen die de dikte van het membraan doorkruisen en de buitenkant van de cel met zijn cytosol communiceren en vice versa; sommigen hebben misschien een poortsysteem dat hun opening regelt.

Deze kanalen zijn gevuld met water en regelen de doorgang van specifieke ionen van de ene kant van het membraan naar de andere. Ze bestaan ​​uit eiwitten die typisch zijn voor celmembranen en die cilindrische buisvormige structuren vormen die ze in de breedte kruisen.

Open en gesloten vorming van een ionenkanaal (Bron: Efazzari via Wikimedia Commons)

De transportmechanismen door deze membranen kunnen grofweg worden ingedeeld in passief of actief transport. Passieven zijn diegene die stoffen doorlaten ten gunste van hun concentratiegradiënten, terwijl actieve stoffen het verbruik van energie vereisen, omdat ze stoffen tegen hun concentratiegradiënten in verplaatsen.

Ionenkanalen vormen een passief transportmechanisme dat kan worden geclassificeerd op basis van hun specificiteit, dat wil zeggen volgens het type ion dat ze doorlaten, of volgens de manier waarop ze openen of sluiten.

De belangrijkste functie van deze membraantransportsystemen is om de gereguleerde doorgang van stoffen in of uit cellen mogelijk te maken en zo intracellulaire concentraties van ionen en andere stoffen te behouden.

De aanwezigheid van celmembranen en ionenkanalen is essentieel voor het behoud van concentratieverschillen tussen de intracellulaire en extracellulaire media, wat relevant is vanuit vele gezichtspunten.

Ionenkanalen, vooral ligandafhankelijke, zijn erg belangrijk in de farmacologie en geneeskunde, aangezien veel geneesmiddelen de functies van natuurlijke liganden kunnen nabootsen en zo aan het kanaal kunnen binden, het openen of sluiten, al naargelang het geval.

Andere geneesmiddelen kunnen de bindingsplaats blokkeren en zo de werking van de natuurlijke ligand verhinderen.

Structuur

De structuur van ionenkanalen bestaat uit specifieke transmembraaneiwitten die buisvormig zijn en een porie of gat achterlaten dat communicatie mogelijk maakt tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel of tussen intracellulaire compartimenten (organellen).

Elk ionkanaal omvat een specifiek structureel membraaneiwit en er zijn meer dan 100 genen beschreven die coderen voor specifieke ionkanalen.

Voor het natriumkanaal zijn bijvoorbeeld 10 genen, SCN's genaamd, beschreven die coderen voor verschillende eiwitten die in verschillende weefsels met bepaalde functies en structuren zijn verdeeld.

Evenzo is een aanzienlijk aantal genen beschreven die coderen voor verschillende eiwitten die kaliumkanalen vormen die tot verschillende families behoren en verschillende activerings-, openings- en inactiveringsmechanismen hebben.

Eiwitstructuur van een ionenkanaal

Typisch is een functioneel ionenkanaal dat is geassocieerd met een membraan, samengesteld uit de verzameling van 4 tot 6 vergelijkbare polypeptidesubeenheden (homo-oligomeren) of verschillende (hetero-oligomeren) die een centrale porie tussen hen vormen.

Diagram van de membraansubeenheden van een ionenkanaal (Bron: Efazzari via Wikimedia Commons)

Elke subeenheid varieert afhankelijk van de kenmerken en eigenschappen van het kanaal, aangezien vele specifiek zijn voor bepaalde ionen en verschillende openings- en sluitingsmechanismen hebben.

Sommige kanalen bestaan ​​uit een enkele polypeptideketen die is georganiseerd in herhaalde motieven die meerdere malen de dikte van het membraan doorlopen en functioneren als het equivalent van een eiwitsubeenheid.

Naast deze subeenheden, die in de literatuur bekend staan ​​als α-subeenheden, hebben sommige ionenkanalen ook een of meer hulpsubeenheden (ß of γ) die het openen en sluiten regelen.

De specificiteit van elk kanaal is gerelateerd aan de diameter van de porie gevormd door de transmembraaneiwitten en de zijketens (─R) van de aminozuren waaruit ze bestaan.

Op deze manier zijn er kanalen die alleen natrium-, kalium-, calciumionen doorlaten, enzovoort, aangezien de zijketens als een "zeef" functioneren.

Extra structurele kenmerken

Een ander belangrijk kenmerk van veel kanalen zijn de poorten. Kanalen met deze eigenschappen kunnen openen of sluiten tegen lokale veranderingen die optreden in de micro-omgeving van het membraan rond het kanaal.

Afhankelijk van het type kanaal kunnen deze veranderingen mechanisch, thermisch (veranderingen in temperatuur), elektrisch (veranderingen in spanning) of chemisch (binding van een ligand) zijn.

In de zogenaamde passieve ionenkanalen, die open blijven en de specifieke doorgang van bepaalde ionen mogelijk maken, hebben deze structuren geen poorten of zijn ze gevoelig voor liganden of andere soorten stimuli.

In andere ionenkanalen, die gevoelig zijn voor de aanwezigheid of binding van liganden, is er een bindingsplaats voor ligand ofwel aan de extracellulaire zijde ofwel naar het celcytosol toe en in deze gevallen hebben de poriën of kanalen een poort die kan worden geopend of gesloten volgens de toestand van zijn ligand.

Second messenger-mechanisme voor het openen of sluiten van kanalen

In het geval dat ze een ligandplaats hebben in het intracellulaire gedeelte, hebben deze kanalen gewoonlijk tweede boodschappers als liganden. Een voorbeeld van ionenkanalen die worden geopend of gesloten door second messenger-mechanismen zijn die van reukreceptoren:

Geurmoleculen binden zich aan hun receptoren aan de extracellulaire kant. Deze receptoren zijn op hun beurt gehecht aan een geactiveerd G-eiwit dat op zijn beurt het eiwit adenylcyclase activeert dat cAMP vormt, wat een tweede boodschapper is.

Het cAMP bindt zich aan een intracellulaire bindingsplaats van sommige calciumkanalen, wat resulteert in het openen en het binnendringen van calcium in de cel.

Alsof het een domino-effect is, bindt calcium zich aan een ligandplaats van een ander chloorkanaal, dat de opening en de uitgang van dit ion genereert, wat de depolarisatie van de reukcel veroorzaakt.

Het is belangrijk om te benadrukken dat de veranderingen die worden gegenereerd door de liganden of de stimuli die ionenkanalen beïnvloeden, overeenkomen met conformationele veranderingen van de eiwitten die de structuur van het kanaal vormen.

Met andere woorden, de conformationele veranderingen die een poort kunnen bewegen en een kanaal kunnen sluiten of openen, zijn niets meer dan het naderen of op afstand houden van de eiwitsubeenheden waaruit het bestaat.

Andere activerings- en inactiveringsmechanismen

Sommige kanalen, vooral spanningsafhankelijke kanalen, kunnen in een vuurvaste toestand terechtkomen waarin dezelfde spanningsverandering die ze activeerde, ze nu niet langer activeert.

In spanningsafhankelijke calciumkanalen bijvoorbeeld, opent de spanningsverandering het kanaal en komt calcium binnen en eenmaal in de cel bindt hetzelfde ion zich aan een calciumkanaalbindingsplaats en sluit het calciumkanaal. .

Een andere vorm van omkeerbare inactivering van het calciumkanaal die de vuurvastheid na activering verklaart, is defosforylering van het kanaal als gevolg van een verhoogde interne calciumconcentratie.

Dat wil zeggen, een calciumkanaal kan onomkeerbaar worden geïnactiveerd vanwege de aanwezigheid van pathologisch hoge concentraties van het ion, die de rekrutering van splitsingsenzymen uit andere door calcium geactiveerde eiwitten mediëren.

Ligand-gated kanalen kunnen een refractaire toestand ingaan wanneer ze gedurende lange tijd aan hun ligand worden blootgesteld, dit mechanisme wordt desensibilisatie genoemd.

Geneesmiddelen, gifstoffen en toxines kunnen de regulering van ionenkanalen beïnvloeden, ze sluiten of open houden of, in sommige gevallen, de plaats van het ligand bezetten en zo de functie ervan verstoren.

Kenmerken

Ionenkanalen hebben een veelvoud aan functies, direct of indirect.

- Ze zijn verantwoordelijk voor het reguleren van de ionenstroom door het plasma en de organellaire membranen van alle cellen.

- Ze laten een controle toe over de intracellulaire concentraties van de verschillende ionen.

- In neuronen en spiercellen regelen ionenkanalen de variaties in membraanpotentiaal die optreden tijdens actiepotentialen en tijdens postsynaptische potentialen van effectorcellen.

- De calciumkanalen die netto calciumstromen naar de intracellulaire ruimte genereren, zijn verantwoordelijk voor de activering van talrijke enzymen en eiwitten die deelnemen aan veel metabole processen.

- Evenzo start de toename van calcium als gevolg van een toename van het transport het afgiftemechanisme van neurotransmitters naar de synaptische ruimte van neuronen.

- Daarom is de functie van ionenkanalen ook gerelateerd aan de mechanismen van cellulaire communicatie.

Algemeenheden van transport door het membraan

Zoals hierboven vermeld, kunnen membraantransportmechanismen actief of passief zijn, afhankelijk van of ze al dan niet energie verbruiken van de cel waar ze zich bevinden. Passieve mechanismen worden ingedeeld in eenvoudige diffusie en gefaciliteerde diffusie.

Eenvoudige verspreiding

Eenvoudige diffusie maakt de doorgang door de fosfolipidestructuur van het membraan van in vet oplosbare moleculen van kleine omvang, met apolaire kenmerken en zonder lading mogelijk.

Zo passeren bijvoorbeeld gassen zoals zuurstof (O2) en kooldioxide (CO2), ethanol en ureum, om er maar een paar te noemen, hun concentratiegradiënt.

Vereenvoudigde verspreiding

Gefaciliteerde diffusie is er een die wordt gefaciliteerd door eiwitten en er zijn twee soorten van dit passieve transportmechanisme: ionkanalen en transporteiwitten of transporteiwitten.

Ionenkanalen zijn het mechanisme dat door cellen het meest wordt gebruikt voor het transport van ionen die niet door eenvoudige diffusie kunnen passeren, ofwel omdat ze een elektrische lading hebben en de fosfolipiden van het membraan ze afstoten, vanwege hun grootte en polariteit of enig ander kenmerk.

Diffusie gefaciliteerd door dragereiwitten wordt gebruikt voor het transport van grotere stoffen met of zonder lading, zoals glucose en andere suikers.

Actief membraantransport is dat wat plaatsvindt tegen de concentratiegradiënt van de getransporteerde opgeloste stof en vereist het verbruik van energie in de vorm van ATP. Tot de transporteurs van dit type behoren pompen en vesiculair transport.

Een voorbeeld van de pompen is de natrium / kaliumpomp, die drie keer natrium verwijdert en twee keer kalium toevoert. Er zijn ook de calciumpompen.

Voorbeelden van vesiculair transport zijn endocytose, exocytose, pinocytose en fagocytose; al deze actieve transportmechanismen.

Soorten ionenkanalen

Vanaf dit punt zal worden verwezen naar de ionenkanalen die de doorgang van ionen door een membraan mogelijk maken ten gunste van hun concentratiegradiënten, dat wil zeggen, het zijn passieve transportkanalen.

Over het algemeen is elk van deze kanalen specifiek voor een enkel ion, met uitzondering van enkele kanalen die het transport van ionenparen mogelijk maken.

Structureel diagram van een ionenkanaal (Bron: Outslider (Paweł Tokarz) op pl.wikipedia via Wikimedia Commons)

Een manier om ionenkanalen te classificeren is door ze te groeperen volgens het mechanisme dat verantwoordelijk is voor hun opening. Aldus zijn passieve kanalen, spanningsgeregelde (spanningsafhankelijke) kanalen, ligandgeregelde kanalen en mechanische stimulusgereguleerde kanalen beschreven.

- Passieve kanalen: het zijn kanalen die permanent open zijn en niet reageren op enige vorm van prikkel; deze zijn specifiek voor bepaalde ionen.

- Spanningsafhankelijke kanalen : deze kunnen openen of sluiten (afhankelijk van het kanaal) bij veranderingen in de membraanspanning. Ze zijn erg belangrijk voor celsignalering, vooral in het centrale zenuwstelsel van zoogdieren.

- Ligand-afhankelijke kanalen: ook wel ligand-gated of ligand-gereguleerde kanalen genoemd, ze zijn wijdverspreid in de verschillende menselijke lichaamscellen, maar in het zenuwstelsel vormen ze die ionenkanalen geactiveerd door neurotransmitters en zijn essentieel voor synaptische transmissie en intercellulaire signalering.

Een voorbeeld van ligand-afhankelijke ionkanalen geactiveerd door neurotransmitters zijn natrium / kaliumkanalen geactiveerd door glutamaat.

De activering van cholinerge receptoren, in dit geval de binding van acetylcholine aan het postsynaptische membraan (kanaalligand), opent ligand-afhankelijke natriumkanalen en maakt de intrede van dit ion mogelijk volgens zijn concentratiegradiënt.

- Kanalen gereguleerd door mechanische stimuli : dit zijn kanalen die kunnen worden geactiveerd door uitzetting of druk. Deze mechanische krachten worden via het cytoskelet op het kanaal overgedragen en het kanaal gaat open.

Referenties

1. Bear, MF, Connors, BW, en Paradiso, MA (Eds.). (2007). Neuroscience (Deel 2). Lippincott Williams & Wilkins.
2. Afdeling Biochemie en Moleculaire Biofysica Thomas Jessell, Siegelbaum, S., & Hudspeth, AJ (2000). Principles of neurale wetenschap (Deel 4, pp. 1227-1246). ER Kandel, JH Schwartz, & TM Jessell (Eds.). New York: McGraw-heuvel.
3. Lewis, CA en Stevens, CF (1983). Ionische selectiviteit van het acetylcholinereceptorkanaal: ionen ervaren een waterige omgeving. Proceedings of the National Academy of Sciences, 80 (19), 6110-6113.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL en Cox, MM (2008). Lehninger principes van biochemie. Macmillan.
5. Rawn, JD (1998). Biochemie. Burlington, Massachusetts: uitgevers Neil Patterson.
6. Viana, F., de la Peña, E., & Belmonte, C. (2002). Specificiteit van koude thermotransductie wordt bepaald door differentiële expressie van ionische kanalen. Nature neuroscience, 5 (3), 254.