Ionski kanal

Ionski kanali formiraju porski membranski proteini koji omogućavaju ionima prolaz kroz pore kanala. Njihove funkcije uključuju uspostavljanje potencijal membrane u mirovanju,[1] oblikovanje akcijskog potencijala i drugih električnih signala, pomoću izlaza za protok iona kroz ćelijsku membranu, kontrolirajući protok iona putem sekrecijskih i epitelnih ćelija i reguliranje volumena ćelija. Ionski kanali su prisutni u membranama svih ćelija.[2][3] Ovi kanali su jedna od dvije klase ionofornih proteina, a druga su ionski transporteri.[4]

Dijagram ionskog kanala:
1 – Kanalski domeni (tipski: četiri po kanalu),
2 – vanjsko predvorje,
3filter za selektivnost,
4 – promjer filtra za selektivnost,
5fosforilacija mjesta ,
6ćelijska membrana.

Proučavanje ionskih kanala često uključuje više naučnih oblasti, kao što su biofizika, elektrofiziologija i farmakologija, dok se koriste tehnike naponska spona, stezna spona, imunohistohemija, rendgenska kristalografija, fluoroskopija i RT-PCR. Njihova klasifikacija kao molekula naziva se kanalomika.

Osnovna obilježjaUredi

 
Filter za selektivnost, koji omogućava samo prolaz iona kalija kroz kalijev kanal (PDB: 1K4C).

Dva obilježavajuća svojstva ionskih kanala ih razlikuju od ostalih vrsta proteina ionskih transportera

  1. Stopa brzine transporta iona kroz kanal je vrlo visoka (često 106 iona u sekundi ili veća).
  2. Ioni prolaze kroz kanale niz svoj elektrohemijski gradijent, što je funkcija koncentracije iona i membranskog potencijala, "nizbrdo", bez unosa (ili pomoći) metaboličke energije (npr. ATP, mehanizmi kotransporta ili aktivnog transporta). Ionski kanali nalaze se unutar membrana svih podražaljivih ćelija[3] i mnogih unutarćelijskih organela. Često se opisuju kao uski tuneli ispunjeni vodom koji propuštaju samo ione određene veličine i/ili naboja. Ova karakteristika se naziva selektivna propusnost. U svojoj najužoj tački, pora arhetipskog kanala široka je samo jedan ili dva atoma i selektivna je za specifične ione, poput natrija ili kalija. Međutim, neki kanali mogu biti propusni za prolaz više od jednog tipa iona, obično dijeleći zajednički naboj: pozitivan (kationi) ili negativni (anioni). Ioni se često kreću kroz segmente pornih kanala u jednom skupu gotovo jednako brzo kao i ioni kroz slobodni rastvor. U mnogim ionskim kanalima prolaz kroz pore regulira se "kapijom", koja se može otvoriti ili zatvoriti kao odgovor na hemijske ili električne signale, temperaturu ili mehaničku silu.

Ionski kanali su integralni membranski proteini, tipski formirani kao sklopovi nekoliko pojedinačnih proteina. Takvi sklopovi "multipodjedinica" obično uključuju kružni raspored identičnih ili homolognih proteina, usko upakovanih oko vodom napunjene pore kroz ravninu membrane ili lipidni dvosloj.[5][6] Za većinu naponski usmerenih ionskih kanala podjedinica (e) koja formira pore naziva se α podjedinica, dok se pomoćne podjedinice označavaju kao β, γ i tako dalje.

Biološka ulogaUredi

Budući da su kanali u osnovi nervnog impulsa i jer kanali "aktivirani predajnikom" posreduju u provođenju kroz sinapse, kanali su posebno istaknute komponente nervnog sistema. Zapravo, brojni toksini koji su evoluirali radi isključivanja nervnog sistema grabljivica i plijena (npr. otrovi koje proizvode pauci, škorpije, zmije, ribe, pčele, morski puževi i drugi) djeluju moduliranjem vodljivosti ionskog kanala i / ili njihove kinetike. Pored toga, ionski kanali su ključne komponente u širokom spektru bioloških procesa koji uključuju brze promjene u ćelijama, kao što su srčane, skeletne i glatkomišićne kontrakcije, epitelni transport hranljivih sastojaka i iona, aktivacija T-ćelija i oslobađanje insulina iz beta-ćelija pankreasa., Ionski kanali su česta meta u potrazi za novim lijekovima.[7][8][9]

Detaljna strukturaUredi

Kanali se razlikuju u odnosu na ion koji propuštaju (naprimjer, Na+, K+, Cl), kao i načine na koje se mogu regulirati, broj podjedinica od kojih su sastavljeni i druge aspekte strukture.[10] Kanali koji pripadaju najvećoj klasi, koja uključuje naponski ograničene kanale koji su u osnovi nervnog impulsa, sastoje se od četiri podjedinice, sa po šest transmembranskih heliksa. Pri aktivaciji, ove spiralne kretnje se otvaraju, čim otvaraju i pore. Dvije od ovih šest spirala odvojene su petljom koja poravnava pore i primarna je odrednica selektivnosti i provodljivosti iona u ovoj klasi kanala i nekim drugim. Postojanje i mehanizam selektivnosti iona prvi su postulirali Bertil Hille i Clay Armstrong, krajem 1960-ih.[11][12][13][14][15]

Ideja ionske selektivnosti za kalijeve kanale bila je da karbonilni kisici proteinskih okosnica "selektivnog filtra" (termin uveo Bertil Hille) mogu efikasno zamijeniti molekule vode koje normalno štite kalijeve ione, ali da se ioni natrija, bili manji i ne, mogu potpuno dehidrirati da omoguće takvu zaštitu, pa stoga nisu mogli proći. Ovaj mehanizam je konačno potvrđen kada je razjašnjena prva struktura ionskog kanala. Kao model za proučavanje permeabilnosti i selektivnosti ionskih kanala u Mackinnonovoj laboratoriji korišten je bakterijski kalijev kanal KcsA, koji se sastoji samo od filtera za selektivnost, "P" petlje i dva transmembranska vijka. Određivanje molekularne strukture KcsA izveo je Roderick MacKinnon pomoću kristalografija X-zraka i osvojio dio Nobelove nagrade za hemiju, u 2003.[16]

Zbog njihove male veličine i poteškoća u kristalizaciji integralnih membranskih proteina za rendgensku analizu, tek su nedavno naučnici uspjeli izravno ispitati kako "kanali izgledaju". Pogotovo u slučajevima kada je kristalografija zahtijevala uklanjanje kanala s membrana deterdžentom, mnogi istraživači smatraju da su slike koje su dobijene okvirne. Primjer je dugo očekivana kristalna struktura naponskog kalijevog kanala, koja je objavljena u maju 2003.[17][18] Jedna neizbježna dvosmislenost oko ovih struktura odnosi se na snažne dokaze da kanali mijenjaju konformaciju dok djeluju (naprimjer, otvaraju se i zatvaraju), tako da bi struktura u kristalu mogla predstavljati bilo koje od ovih operativnih stanja. Većinu onoga što su istraživači do sada zaključili o radu kanala utvrdili su putem metoda elektrofiziologije, biohemije, poređenja genskih sekvenci i mutageneze.

Kanali mogu imati pojedinačne (CLIC) do višestruke transmembranske (K-kanale, P2X-receptore, Na-kanale) domene koji se protežu kroz plazmatsku membranu da bi stvorili pore. Pore može odrediti selektivnost kanala. Ulazi se mogu formirati unutar ili izvan područja pora.

FarmakologijaUredi

Hemijske supstance mogu modulirati aktivnost ionskih kanala, naprimjer tako što ih blokiraju ili aktiviraju.

Blokatori ionskih kanalaUredi

Raznovrsni blokatori jonskih kanala (anorganske i organske molekule) mogu modulirati aktivnost i provodljivost ionskih kanala. Neki od najčešće korištenih blokatora uključuju:

Aktivatori ionskih kanalaUredi

Poznato je nekoliko spojeva koji pospješuju otvaranje ili aktiviranje određenih ionskih kanala. Klasificirani su prema kanalu na kojem djeluju:

Također pogledajteUredi

ReferenceUredi

  1. ^ Abdul Kadir L, Stacey M, Barrett-Jolley R (2018). "Emerging Roles of the Membrane Potential: Action Beyond the Action Potential". Frontiers in Physiology. 9: 1661. doi:10.3389/fphys.2018.01661. PMC 6258788. PMID 30519193.
  2. ^ Alexander SP, Mathie A, Peters JA (novembar 2011). "Ion Channels". British Journal of Pharmacology. 164 (Suppl 1): S137–S174. doi:10.1111/j.1476-5381.2011.01649_5.x. PMC 3315630.
  3. ^ a b "Ion Channel". Scitable. 2014. Pristupljeno 28. 5. 2019.
  4. ^ Hille, Bertil (2001) [1984]. Ion Channels of Excitable Membranes (3rd izd.). Sunderland, Mass: Sinauer Associates, Inc. str. 5. ISBN 978-0-87893-321-1.
  5. ^ Purves, Dale; Augustine, George J.; Fitzpatrick, David; Katz, Lawrence. C.; LaMantia, Anthony-Samuel; McNamara, James O.; Williams, S. Mark, ured. (2001). "Chapter 4: Channels and Transporters". Neuroscience (2nd izd.). Sinauer Associates Inc. ISBN 978-0-87893-741-7.
  6. ^ Hille B, Catterall WA (1999). "Chapter 6: Electrical Excitability and Ion Channels". u Siegel GJ, Agranoff BW, Albers RW, Fisher SK, Uhler MD (ured.). Basic neurochemistry: molecular, cellular, and medical aspects. Philadelphia: Lippincott-Raven. ISBN 978-0-397-51820-3.
  7. ^ Camerino DC, Tricarico D, Desaphy JF (april 2007). "Ion channel pharmacology". Neurotherapeutics. 4 (2): 184–98. doi:10.1016/j.nurt.2007.01.013. PMID 17395128.
  8. ^ Verkman AS, Galietta LJ (februar 2009). "Chloride channels as drug targets". Nature Reviews. Drug Discovery. 8 (2): 153–71. doi:10.1038/nrd2780. PMC 3601949. PMID 19153558.
  9. ^ Camerino DC, Desaphy JF, Tricarico D, Pierno S, Liantonio A (2008). Therapeutic approaches to ion channel diseases. Advances in Genetics. 64. str. 81–145. doi:10.1016/S0065-2660(08)00804-3. ISBN 978-0-12-374621-4. PMID 19161833.
  10. ^ Lim C, Dudev T (2016). "Potassium Versus Sodium Selectivity in Monovalent Ion Channel Selectivity Filters". u Sigel A, Sigel H, Sigel R (ured.). The Alkali Metal Ions: Their Role for Life. Metal Ions in Life Sciences. 16. Springer. str. 325–47. doi:10.1007/978-3-319-21756-7_10. ISBN 978-3-319-21755-0. PMID 26860306.
  11. ^ Hille B (decembar 1971). "The permeability of the sodium channel to organic cations in myelinated nerve". The Journal of General Physiology. 58 (6): 599–619. doi:10.1085/jgp.58.6.599. PMC 2226049. PMID 5315827.
  12. ^ Bezanilla F, Armstrong CM (novembar 1972). "Negative conductance caused by entry of sodium and cesium ions into the potassium channels of squid axons". The Journal of General Physiology. 60 (5): 588–608. doi:10.1085/jgp.60.5.588. PMC 2226091. PMID 4644327.
  13. ^ Hille B (juni 1973). "Potassium channels in myelinated nerve. Selective permeability to small cations". The Journal of General Physiology. 61 (6): 669–86. doi:10.1085/jgp.61.6.669. PMC 2203488. PMID 4541077.
  14. ^ Hille B (novembar 1975). "Ionic selectivity, saturation, and block in sodium channels. A four-barrier model". The Journal of General Physiology. 66 (5): 535–60. doi:10.1085/jgp.66.5.535. PMC 2226224. PMID 1194886.
  15. ^ Hille B (mart 2018). "Journal of General Physiology: Membrane permeation and ion selectivity". The Journal of General Physiology. 150 (3): 389–400. doi:10.1085/jgp.201711937. PMC 5839722. PMID 29363566.
  16. ^ Doyle DA, Morais Cabral J, Pfuetzner RA, Kuo A, Gulbis JM, Cohen SL, et al. (april 1998). "The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity". Science. 280 (5360): 69–77. Bibcode:1998Sci...280...69D. doi:10.1126/science.280.5360.69. PMID 9525859.
  17. ^ Jiang Y, Lee A, Chen J, Ruta V, Cadene M, Chait BT, MacKinnon R (maj 2003). "X-ray structure of a voltage-dependent K+ channel". Nature. 423 (6935): 33–41. Bibcode:2003Natur.423...33J. doi:10.1038/nature01580. PMID 12721618.
  18. ^ Lunin VV, Dobrovetsky E, Khutoreskaya G, Zhang R, Joachimiak A, Doyle DA, et al. (april 2006). "Crystal structure of the CorA Mg2+ transporter". Nature. 440 (7085): 833–7. Bibcode:2006Natur.440..833L. doi:10.1038/nature04642. PMC 3836678. PMID 16598263.

Vanjski linkoviUredi


Šablon:Ligandni jonski kanali Šablon:Blokatori kanala