Ionikanavabiologia

Ionikanava, käytännöllisesti katsoen kaikkien elävien solujen ekspressoima proteiini, joka luo reitin varautuneille ioneille liuenneista suoloista, mukaan lukien natrium-, kalium-, kalsium- ja kloridi-ionit kulkemaan muuten läpäisemättömän lipidisolumembraanin läpi. Solujen toiminta hermostossa, sydämen ja luurankolihasten supistuminen sekä haiman eritys ovat esimerkkejä fysiologisista prosesseista, jotka vaativat ionikanavia. Lisäksi solunsisäisten organelien kalvojen ionikanavat ovat tärkeitä säätelemällä solujen solunsisäisten osastojen (esim. Lysosomien) sytoplasmisen kalsiumkonsentraatiota ja happamoitumista.

solu: Kalvokanavat

Biofyysikot, jotka mittaavat solukalvojen läpi kulkevaa sähkövirtaa, ovat havainneet, että yleensä solumembraaneilla on huomattavasti suurempi

.

Evolution ja selektiivisyys

Ionit virtaavat passiivisesti kanavien kautta kohti tasapainoa. Tätä liikettä voidaan ohjata sähköisillä (jännite) tai kemiallisilla (pitoisuus) kaltevuuksilla. Kyky muuttaa ionivirtausta ionikanavien kehittymisen seurauksena on saattanut tarjota evoluutioedun sallimalla yksisoluisilla organismeilla säätää niiden tilavuutta ympäristömuutosten vuoksi. Seuraavan evoluution kautta ionikanavilla on tullut tärkeä rooli solun erityksessä ja sähköisessä signaloinnissa.

Suurin osa ionikanavista on porteilla - ts. Ne avautuvat ja sulkeutuvat joko spontaanisti tai vasteena tiettyyn ärsykkeeseen, kuten pienen molekyylin sitoutumiseen kanavaproteiiniin (ligandilla avatut ionikanavat) tai muutokseen jännitteessä kalvon läpi joka tunnetaan kanavaproteiinin varautuneilla segmenteillä (jännitteelliset ionikanavat). Lisäksi suurin osa ionikanavista on selektiivisiä, jolloin vain tietyt ionit pääsevät läpi. Jotkut kanavat johtavat vain yhden tyyppisiä ioneja (esim. Kalium), kun taas toisilla kanavilla on suhteellinen selektiivisyys - esimerkiksi sallimalla positiivisesti varautuneiden kationien kulkemisen ja sulkemalla pois negatiivisesti varautuneet anionit. Korkeampien organismien solut voivat ilmentää yli 100 erityyppistä ionikanavaa, jokaisella on erilainen selektiivisyys ja erilaiset porttiominaisuudet.

Toiminta ja rakenne

Varattujen ionien virtaus avoimien kanavien kautta edustaa sähkövirtaa, joka muuttaa jännitettä kalvon läpi muuttamalla varauksen jakautumista. Ärsyttävissä soluissa jännitteelliset kanavat, jotka sallivat positiivisten ionien (esim. Natrium- ja kalsiumionit) ohimenevän virtauksen, ovat kalvon lyhyen depolarisaation taustalla, joka tunnetaan toimintapotentiaalina. Toimintapotentiaalit voidaan siirtää nopeasti pitkiä matkoja, mikä mahdollistaa fysiologisten tulosten koordinoinnin ja tarkan ajoituksen. Lähes kaikissa tapauksissa toimintapotentiaalit laukaisevat alavirtaan suuntautuvia fysiologisia vaikutuksia, kuten eritystä tai lihaksen supistumista, avaamalla jännitteellisesti kalsiumille selektiivisiä ionikanavia ja nostamalla solunsisäistä kalsiumkonsentraatiota.

Monien eri ionikanavaproteiinien aminohapposekvenssit on määritetty, ja joissain tapauksissa tunnetaan myös kanavan röntgenkiteinen rakenne. Suurin osa ionikanavista voidaan niiden rakenteen perusteella luokitella kuuteen tai seitsemään superperheeseen. Kaliumselektiivisille kanaville, jotka kuuluvat parhaiten karakterisoituihin ionikanaviin, neljä homologista kalvon läpäisevää alayksikköä muodostuu yhdessä tunnelin muodostamiseksi, joka tunnetaan johtavana huokosena ja joka tarjoaa polaarisen reitin ei-polaarisen lipidikalvon läpi. Muut kanavatyypit vaativat joko kolme tai viisi homologista alayksikköä johtavan keskushuokon muodostamiseksi. Liuoksessa ionit stabiloivat polarisoituneilla vesimolekyyleillä ympäröivässä ympäristössä. Kapeat, erittäin selektiiviset ionikanavat matkivat vesiympäristöä vuoraamalla johtava huokos polarisoiduilla karbonyylihappiatomeilla. Vähemmän selektiiviset kanavat muodostavat huokoset, joiden halkaisija on riittävän suuri, jotta ionit ja vesimolekyylit voivat kulkea yhdessä.

Myrkyt ja taudit

Monet luonnolliset toksiinit kohdistuvat ionikanaviin. Esimerkkeihin sisältyy jännitteellä varustettu natriumkanavasalpaaja tetrodotoksiini, jota tuottavat puffissa (blowfish) asuvat bakteerit ja useat muut organismit; peruuttamaton nikotiiniasetyylikoliinireseptoriantagonisti alfa-bungarotoksiini, joka on peräisin käärmeiden myrkkystä sukussa Bungarus (kraits); ja kasviperäiset alkaloidit, kuten strychniini ja d-tubokurariini, jotka estävät vastaavasti neurotransmitterien glysiinin ja asetyylikoliinin avaamien ionikanavien aktivointia. Lisäksi suuri määrä terapeuttisia lääkkeitä, mukaan lukien paikallispuudutteet, bentsodiatsepiinit ja sulfonyyliurean johdannaiset, vaikuttavat suoraan tai epäsuorasti ionikanava-aktiivisuuden modulointiin.

Ionikanavageenien ja ionikanava-aktiivisuutta sääteleviä proteiineja koodaavien geenien perinnölliset mutaatiot ovat liittyneet useisiin sairauksiin, mukaan lukien ataksia (kyvyttömyys koordinoida vapaaehtoisia lihaksen liikkeitä), diabetes mellitus, tietyn tyyppiset epilepsiat ja sydämen rytmihäiriöt (epäsäännöllisyydet). sydämessä). Esimerkiksi natriumselektiivisten ja kaliumselektiivisten kanavien tai niihin liittyvien säätelevien alayksiköiden geneettiset variaatiot ovat joidenkin pitkän QT-oireyhtymän muotojen taustalla. Tälle oireyhtymälle on ominaista sydämen myosyyttien toimintapotentiaalien depolarisaatioajan pidentyminen, mikä voi johtaa kuolemaan johtaviin rytmihäiriöihin. Lisäksi mutaatiot adenosiinitrifosfaatti (ATP) -herkissä kaliumkanavissa, jotka säätelevät insuliinin eritystä haiman soluista, ovat joidenkin diabetes mellituksen muotojen taustalla.