Arten von Ionenkanälen im Körper

Ionenkanäle sind Membranproteine, die eine Hauptrolle bei der Regulierung der zellulären Erregbarkeit spielen. Sie kommen in praktisch allen Zellen vor und sind von entscheidender physiologischer Bedeutung. Basierend auf dem Reiz, auf den sie reagieren, werden Ionenkanäle in drei Überfamilien eingeteilt: spannungsgesteuerte, ligandengesteuerte und mechano-sensitive Ionenkanäle.

Ionenkanal. Struktur des Kanals. Image Credit: Designua /

Spannungsgesteuerte Ionenkanäle

Spannungsgesteuerte Kanäle reagieren auf Störungen des Zellmembranpotentials und sind hochselektiv für ein bestimmtes Ion, d.h. Na+, K+, Ca2+ und Cl-. Sie werden weiter in Familien unterteilt, die auf dem wichtigsten permeierenden Ion basieren.

• Spannungsgesteuerte Na+-Kanäle – Diese Kanäle sind für die Erzeugung von Aktionspotentialen von langer Dauer verantwortlich und sind daher Ziel von Lokalanästhetika wie Lidocain und Benzocain.
• Spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle – Sie regulieren die intrazelluläre Ca2+-Konzentration und sind daher für eine Vielzahl von biochemischen Prozessen innerhalb der Zellen verantwortlich. Einer der wichtigsten Prozesse, der von diesen Kanälen reguliert wird, ist die Freisetzung von Neurotransmittern an Synapsen. Kalziumkanalblocker sind wertvoll bei der Behandlung einer Vielzahl von Erkrankungen, die von Herzkrankheiten bis hin zu Angstzuständen reichen.
• Spannungsgesteuerte K+-Kanäle – Sie bilden die größte und vielfältigste Klasse der spannungsgesteuerten Ionenkanäle. Sie sind unerlässlich für die Erzeugung des Ruhemembranpotentials.
• Spannungsabhängige Cl-Kanäle – Diese Kanäle sind in allen Arten von Neuronen vorhanden und sind an der Regulierung der Erregbarkeit und des Zellvolumens beteiligt. Es ist auch bekannt, dass sie zum Ruhemembranpotenzial beitragen.

Liganden-gesteuerte Ionenkanäle (LGIC)

LGIC sind Angriffspunkte für viele Medikamente, wie Anästhetika, Antipsychotika und Antidepressiva. Sie werden nach dem Liganden benannt, auf den sie reagieren, und nach molekularbiologischen und proteinstrukturellen Kriterien in drei Familien eingeteilt.

„Cys-Loop“-LGIC

Sie bilden die größte Klasse der LGICs und umfassen Nikotin-Acetylcholin-Rezeptoren (nAChR), γ-Aminobuttersäure-(GABA)-Rezeptoren, 5-Hydroxytryptamin-3-(5HT3)-Rezeptoren und Glycin-Rezeptoren. Die nAChR und 5-HT3R sind exzitatorische Rezeptoren, während die GABA-Rezeptoren und Glycin-Rezeptoren hemmend wirken.

Die nAChRs werden endogen durch den Neurotransmitter Acetylcholin aktiviert. Acetylcholin spielt eine wichtige Rolle bei verschiedenen kognitiven Prozessen, wie Lernen, Gedächtnis und Aufmerksamkeit. Es ist auch eine wichtige Signalchemikalie an der neuromuskulären Verbindung.

Die Aktivierung von 5-HT3-Rezeptoren spielt eine wichtige Rolle bei einer Vielzahl von sympathischen, parasympathischen und sensorischen Funktionen. Im zentralen Nervensystem (ZNS) sind 5-HT3-Rezeptoren an Erbrechen, Kognition und Angst beteiligt. Es hilft bei der Regulierung verschiedener kognitiver, physiologischer, emotionaler und metabolischer Systeme. Er beeinflusst physiologische Prozesse wie Schlafmuster, zirkadiane Rhythmen, Appetit, Aggressionslevel und Körpertemperatur.

Der GABA-Rezeptor leitet selektiv Cl- durch seine Pore, was zu einer Hyperpolarisation und einer daraus resultierenden Erhöhung der Schwelle für die Erzeugung eines Aktionspotentials führt. Eine Verringerung der Wahrscheinlichkeit der Aktionspotentialerzeugung bewirkt eine neuronale Hemmung. GABA hemmt wachmachende Regionen und ist somit an der Unterstützung des Schlafes beteiligt. Eine Beeinträchtigung der GABA-Signalisierung ist auch eine Hauptursache für Angststörungen. Benzodiazepine reduzieren die unerwünschte Erregbarkeit des Gehirns, indem sie die GABA-Signalisierung im Gehirn erhöhen, und können daher zur Behandlung von Angststörungen eingesetzt werden.

Glycinrezeptoren vermitteln die synaptische Hemmung im Rückenmark, Hirnstamm und anderen Regionen des zentralen Nervensystems. Sie regulieren die Erregbarkeit von motorischen und afferenten sensorischen Neuronen, einschließlich Schmerzfasern, und sind auch an der Verarbeitung von visuellen und auditiven Signalen beteiligt. Daher stellen sie ein vielversprechendes Ziel für die Entwicklung therapeutisch nützlicher Substanzen dar.

Ionotrope Glutamatrezeptoren

Sie werden durch den Neurotransmitter Glutamat aktiviert und vermitteln die meisten schnellen Erregungsübertragungen im ZNS. Sie werden in α-Amino-3-hydroxy-5-methylisoxazol-4-propionsäure (AMPA)-Rezeptoren, Kainat-Rezeptoren und N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptoren unterteilt.

AMPA-Rezeptoren vermitteln die schnelle erregende synaptische Übertragung an den meisten zentralen Synapsen. Kainatrezeptoren regulieren die neuronale Erregbarkeit, während NMDA-Rezeptoren eine Schlüsselrolle bei der synaptischen Plastizität spielen.

P2X-Rezeptoren

Sie sind die zuletzt entdeckten Membranionenkanäle. Sie sind bevorzugt permeabel für Na+, K+ und Ca2+ und werden durch ATP aktiviert. P2X-Rezeptoren sind in vielen Geweben weit verbreitet und spielen nachweislich eine Schlüsselrolle in verschiedenen physiologischen Prozessen, wie z. B. der Nervenübertragung, dem Schmerzempfinden und verschiedenen Entzündungsreaktionen.

Mechano-sensitive Ionenkanäle

Ionenkanäle, die auf Änderungen mechanischer Kräfte an der Zellmembran reagieren, werden als mechano-sensitive Ionenkanäle bezeichnet. Diese Kanäle sind an der Erkennung und Umwandlung äußerer mechanischer Kräfte in elektrische und/oder chemische intrazelluläre Signale beteiligt.

Mechano-sensitive Ionenkanäle sind an der Regulation des Blutdrucks und des Zellvolumens, der Stimulation der Muskel- und Knochenentwicklung sowie des Hör- und Tastsinns beteiligt. Studien haben gezeigt, dass diese Kanäle an verschiedenen Erkrankungen wie Herzrhythmusstörungen, Muskeldystrophie, neuronaler Degeneration, polyzystischer Nierenerkrankung und Tumormetastasierung beteiligt sind.

Da Ionenkanäle für die Regulation wichtiger physiologischer Funktionen verantwortlich sind, ist ein Verständnis ihrer Mechanismen auf molekularer Ebene wichtig. Im letzten Jahrzehnt wurden bahnbrechende Arbeiten zur Aufklärung der Kristallstrukturen von Ionenkanälen durchgeführt. Dies hat wiederum zu einem besseren Verständnis der Funktionsweise von Ionenkanälen geführt. Die Forschung hat auch zur Entdeckung einer Vielzahl von Mutationen in Ionenkanal-Genen geführt, von denen bekannt ist, dass sie die verschiedenen Kanalopathien verursachen. Zukünftige Forschung auf diesem Gebiet wird entscheidend sein, um die Ursachen und Heilungsmöglichkeiten für eine Reihe von neurologischen und muskulären Erkrankungen zu entschlüsseln.

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