IONENKANÄLE: STRUKTUR, FUNKTIONEN, TYPEN - BIOLOGIE - 2025

Die Ionenkanäle sind hohle Membranstrukturen, die Kanäle oder Poren bilden, die die Dicke der Membran durchqueren und das Äußere der Zelle mit ihrem Cytosol verbinden und umgekehrt; Einige haben möglicherweise ein Torsystem, das ihre Öffnung reguliert.

Diese Kanäle sind mit Wasser gefüllt und steuern den Durchgang bestimmter Ionen von einer Seite der Membran zur anderen. Sie bestehen aus Proteinen, die für Zellmembranen typisch sind und zylindrische röhrenförmige Strukturen bilden, die sie in ihrer Breite kreuzen.

Offene und geschlossene Bildung eines Ionenkanals (Quelle: Efazzari via Wikimedia Commons)

Die Transportmechanismen über diese Membranen können grob in passiven oder aktiven Transport eingeteilt werden. Passive sind solche, die den Durchgang von Substanzen zugunsten ihrer Konzentrationsgradienten ermöglichen, während aktive den Energieverbrauch erfordern, da sie Substanzen gegen ihre Konzentrationsgradienten bewegen.

Ionenkanäle stellen einen passiven Transportmechanismus dar, der nach ihrer Spezifität klassifiziert werden kann, dh nach der Art des Ions, das sie passieren lassen, oder nach der Art und Weise, wie sie sich öffnen oder schließen.

Die Hauptfunktion dieser Membrantransportsysteme besteht darin, den regulierten Durchgang von Substanzen in oder aus Zellen zu ermöglichen und somit die intrazellulären Konzentrationen von Ionen und anderen Substanzen aufrechtzuerhalten.

Das Vorhandensein von Zellmembranen und Ionenkanälen ist für die Aufrechterhaltung von Konzentrationsunterschieden zwischen intrazellulären und extrazellulären Medien wesentlich, was unter vielen Gesichtspunkten relevant ist.

Ionenkanäle, insbesondere ligandenabhängige, sind in der Pharmakologie und Medizin von großer Bedeutung, da viele Arzneimittel die Funktionen natürlicher Liganden nachahmen und so an den Kanal binden und ihn je nach Fall öffnen oder schließen können.

Andere Medikamente können die Bindungsstelle blockieren und so die Wirkung des natürlichen Liganden verhindern.

Struktur

Die Struktur von Ionenkanälen besteht aus spezifischen Transmembranproteinen, die eine röhrenförmige Form haben und eine Pore oder ein Loch hinterlassen, das die Kommunikation zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle oder zwischen intrazellulären Kompartimenten (Organellen) ermöglicht.

Jeder Ionenkanal beinhaltet ein spezifisches Strukturmembranprotein, und es wurden mehr als 100 Gene beschrieben, die spezifische Ionenkanäle codieren.

Für den Natriumkanal wurden beispielsweise 10 Gene beschrieben, die als SCNs bezeichnet werden und verschiedene Proteine ​​codieren, die in verschiedenen Geweben mit bestimmten Funktionen und Strukturen verteilt sind.

Ebenso wurde eine beträchtliche Anzahl von Genen beschrieben, die verschiedene Proteine ​​codieren, die Kaliumkanäle bilden, die zu verschiedenen Familien gehören und unterschiedliche Aktivierungs-, Öffnungs- und Inaktivierungsmechanismen besitzen.

Proteinstruktur eines Ionenkanals

Typischerweise besteht ein mit einer Membran assoziierter funktioneller Ionenkanal aus der Anordnung von 4 bis 6 ähnlichen Polypeptiduntereinheiten (Homo-Oligomere) oder verschiedenen (Hetero-Oligomeren), die eine zentrale Pore zwischen ihnen bilden.

Diagramm der Membranuntereinheiten eines Ionenkanals (Quelle: Efazzari über Wikimedia Commons)

Jede Untereinheit variiert je nach den Eigenschaften und Eigenschaften des Kanals, da viele für bestimmte Ionen spezifisch sind und unterschiedliche Öffnungs- und Schließmechanismen aufweisen.

Einige Kanäle bestehen aus einer einzelnen Polypeptidkette, die in sich wiederholenden Mustern organisiert ist, die die mehrfache Dicke der Membran durchlaufen und als Äquivalent einer Proteinuntereinheit fungieren.

Zusätzlich zu diesen Untereinheiten, die in der Literatur als α-Untereinheiten bekannt sind, weisen einige Ionenkanäle auch eine oder mehrere Hilfsuntereinheiten (ß oder γ) auf, die ihr Öffnen und Schließen regulieren.

Die Spezifität jedes Kanals hängt mit dem Durchmesser der Pore zusammen, die von den Transmembranproteinen und den Seitenketten (─R) der Aminosäuren, aus denen sie bestehen, gebildet wird.

Auf diese Weise gibt es Kanäle, die nur Natrium-, Kalium-, Calciumionen usw. durchlassen, da die Seitenketten als "Sieb" fungieren.

Zusätzliche strukturelle Merkmale

Ein weiteres wichtiges Merkmal vieler Kanäle sind die Tore. Kanäle mit diesen Eigenschaften können sich gegen lokale Änderungen öffnen oder schließen, die in der den Kanal umgebenden Membranmikroumgebung auftreten.

Je nach Kanaltyp können diese Änderungen mechanisch, thermisch (Temperaturänderungen), elektrisch (Spannungsänderungen) oder chemisch (Bindung eines Liganden) sein.

In den sogenannten passiven Ionenkanälen, die offen bleiben und den spezifischen Durchgang bestimmter Ionen ermöglichen, haben diese Strukturen jedoch keine Gates oder sind empfindlich gegenüber Liganden oder anderen Arten von Stimuli.

In anderen Ionenkanälen, die empfindlich auf das Vorhandensein oder die Bindung von Liganden reagieren, gibt es eine Bindungsstelle für den Liganden entweder auf der extrazellulären Seite oder in Richtung des Zellcytosols, und in diesen Fällen haben die Poren oder Kanäle ein Tor, das geöffnet oder geschlossen werden kann nach dem Zustand seines Liganden.

Zweiter Messenger-Mechanismus zum Öffnen oder Schließen von Kanälen

Im Fall einer Ligandenstelle im intrazellulären Teil haben diese Kanäle üblicherweise Second Messenger als Liganden. Ein Beispiel für Ionenkanäle, die durch Second-Messenger-Mechanismen geöffnet oder geschlossen werden, sind olfaktorische Rezeptoren:

Duftmoleküle binden an ihre Rezeptoren auf der extrazellulären Seite. Diese Rezeptoren sind wiederum an ein aktiviertes G-Protein gebunden, das wiederum das Protein Adenylcyclase aktiviert, das cAMP bildet, das ein zweiter Botenstoff ist.

Das cAMP bindet an eine intrazelluläre Bindungsstelle einiger Calciumkanäle, was zu seiner Öffnung und dem Eintritt von Calcium in die Zelle führt.

Als wäre es ein Dominoeffekt, bindet Calcium an eine Ligandenstelle eines anderen Chlorkanals, der seine Öffnung und den Austritt dieses Ions erzeugt und die Depolarisation der Riechzelle verursacht.

Es ist wichtig hervorzuheben, dass die durch die Liganden oder die Stimuli, die Ionenkanäle beeinflussen, erzeugten Änderungen Konformationsänderungen der Proteine ​​entsprechen, aus denen die Struktur des Kanals besteht.

Mit anderen Worten, die Konformationsänderungen, die ein Gate bewegen und einen Kanal schließen oder öffnen können, sind nichts anderes als das Annähern oder Distanzieren der Proteinuntereinheiten, aus denen es besteht.

Andere Aktivierungs- und Inaktivierungsmechanismen

Einige Kanäle, insbesondere spannungsabhängige Kanäle, können in einen feuerfesten Zustand übergehen, in dem dieselbe Spannungsänderung, die sie aktiviert hat, sie jetzt nicht mehr aktiviert.

Beispielsweise öffnet in spannungsgesteuerten Calciumkanälen die Spannungsänderung den Kanal und Calcium tritt ein und sobald es sich in der Zelle befindet, bindet dasselbe Ion an eine Calciumkanal-Bindungsstelle und der Calciumkanal schließt sich. .

Eine andere Form der reversiblen Inaktivierung des Calciumkanals, die seine Feuerfestigkeit nach Aktivierung erklärt, ist die Dephosphorylierung des Kanals aufgrund einer erhöhten internen Calciumkonzentration.

Das heißt, ein Calciumkanal kann aufgrund des Vorhandenseins pathologisch hoher Konzentrationen des Ions irreversibel inaktiviert werden, was die Rekrutierung von Spaltungsenzymen aus anderen Calcium-aktivierten Proteinen vermittelt.

Ligandengesteuerte Kanäle können in einen feuerfesten Zustand übergehen, wenn sie längere Zeit ihrem Liganden ausgesetzt werden. Dieser Mechanismus wird als Desensibilisierung bezeichnet.

Medikamente, Gifte und Toxine können die Regulation von Ionenkanälen beeinflussen, sie schließen oder offen halten oder in einigen Fällen die Stelle des Liganden einnehmen und somit dessen Funktion beeinträchtigen.

Eigenschaften

Ionenkanäle haben eine Vielzahl von Funktionen, direkt oder indirekt.

- Sie sind für die Regulierung des Ionenflusses durch die Plasma- und Organellenmembranen aller Zellen verantwortlich.

- Sie ermöglichen die Kontrolle der intrazellulären Konzentrationen der verschiedenen Ionen.

- In Neuronen und Muskelzellen steuern Ionenkanäle die Schwankungen des Membranpotentials, die während Aktionspotentialen und während postsynaptischer Potentiale von Effektorzellen auftreten.

- Die Kalziumkanäle, die Nettokalziumflüsse in den intrazellulären Raum erzeugen, sind für die Aktivierung zahlreicher Enzyme und Proteine ​​verantwortlich, die an vielen Stoffwechselprozessen beteiligt sind.

- Ebenso initiiert die Zunahme von Kalzium aufgrund einer Zunahme seines Transports den Freisetzungsmechanismus von Neurotransmittern in den synaptischen Raum von Neuronen.

- Daher hängt die Funktion von Ionenkanälen auch mit den Mechanismen der zellulären Kommunikation zusammen.

Allgemeine Transportbedingungen durch die Membran

Wie oben angegeben, können Membrantransportmechanismen aktiv oder passiv sein, abhängig davon, ob sie Energie aus der Zelle verbrauchen, in der sie sich befinden oder nicht. Passive Mechanismen werden in einfache Diffusion und erleichterte Diffusion eingeteilt.

Einfache Diffusion

Einfache Diffusion ermöglicht den Durchgang von fettlöslichen Molekülen kleiner Größe mit unpolaren Eigenschaften und ohne Ladung durch die Phospholipidstruktur der Membran.

So durchlaufen beispielsweise Gase wie Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2), Ethanol und Harnstoff, um nur einige zu nennen, ihren Konzentrationsgradienten.

Erleichterte Verbreitung

Die erleichterte Diffusion wird durch Proteine ​​erleichtert, und es gibt zwei Arten dieses passiven Transportmechanismus: Ionenkanäle und Transportproteine ​​oder Transporterproteine.

Ionenkanäle sind der Mechanismus, der von Zellen am häufigsten für den Transport von Ionen verwendet wird, die nicht durch einfache Diffusion passieren können, entweder weil sie eine elektrische Ladung haben und die Phospholipide der Membran sie aufgrund ihrer Größe und Polarität oder anderer Eigenschaften abstoßen.

Die durch Trägerproteine ​​erleichterte Diffusion wird zum Transport größerer Substanzen mit oder ohne Ladung wie Glucose und anderen Zuckern verwendet.

Aktiver Membrantransport ist derjenige, der gegen den Konzentrationsgradienten des transportierten gelösten Stoffes auftritt und den Verbrauch von Energie in Form von ATP erfordert. Zu den Transportern dieses Typs gehören Pumpen und vesikulärer Transport.

Ein Beispiel für die Pumpen ist die Natrium / Kalium-Pumpe, die drei Natrium entfernt und zwei Kalium einführt. Es gibt auch die Kalziumpumpen.

Beispiele für den vesikulären Transport sind Endozytose, Exozytose, Pinozytose und Phagozytose; all diese aktiven Transportmechanismen.

Arten von Ionenkanälen

Von diesem Punkt an wird auf die Ionenkanäle Bezug genommen, die den Durchgang von Ionen durch eine Membran zugunsten ihrer Konzentrationsgradienten ermöglichen, dh sie sind passive Transportkanäle.

Im Allgemeinen ist jeder dieser Kanäle spezifisch für ein einzelnes Ion, mit Ausnahme einiger Kanäle, die den Transport von Ionenpaaren ermöglichen.

Strukturdiagramm eines Ionenkanals (Quelle: Outslider (Paweł Tokarz) auf pl.wikipedia via Wikimedia Commons)

Eine Möglichkeit, Ionenkanäle zu klassifizieren, besteht darin, sie nach dem Mechanismus zu gruppieren, der für ihre Öffnung verantwortlich ist. Daher wurden passive Kanäle, spannungsregulierte (spannungsabhängige) Kanäle, ligandenregulierte Kanäle und mechanische stimulusregulierte Kanäle beschrieben.

- Passive Kanäle: Dies sind Kanäle, die permanent geöffnet sind und auf keinerlei Reiz reagieren. Diese sind spezifisch für bestimmte Ionen.

- Spannungsabhängige Kanäle : Diese können sich (je nach Kanal) bei Änderungen der Membranspannung öffnen oder schließen. Sie sind sehr wichtig für die Signalübertragung von Zellen, insbesondere im Zentralnervensystem von Säugetieren.

- Ligandenabhängige Kanäle: Auch als ligandengesteuerte oder ligandenregulierte Kanäle bezeichnet. Sie sind in den verschiedenen menschlichen Körperzellen weit verbreitet. Im Nervensystem bilden sie jedoch die durch Neurotransmitter aktivierten Ionenkanäle und sind für die synaptische Übertragung und interzelluläre Signalübertragung.

Beispiele für ligandenabhängige Ionenkanäle, die durch Neurotransmitter aktiviert werden, sind Natrium / Kalium-Kanäle, die durch Glutamat aktiviert werden.

Die Aktivierung von cholinergen Rezeptoren, in diesem Fall die Bindung von Acetylcholin an die postsynaptische Membran (Kanalligand), öffnet ligandenabhängige Natriumkanäle und ermöglicht den Eintritt dieses Ions nach seinem Konzentrationsgradienten.

- Kanäle, die durch mechanische Reize reguliert werden : Dies sind Kanäle, die durch Ausdehnung oder Druck aktiviert werden können. Diese mechanischen Kräfte werden über das Zytoskelett auf den Kanal übertragen und der Kanal öffnet sich.

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