Rodzaje kanałów jonowych w organizmie

Kanały jonowe są białkami błonowymi, które odgrywają główną rolę w regulacji pobudliwości komórkowej. Występują one praktycznie we wszystkich komórkach i mają kluczowe znaczenie fizjologiczne. Na podstawie bodźca, na który reagują, kanały jonowe dzieli się na trzy nadrodziny: napięciowo bramkowane, ligandowo bramkowane i mechanowrażliwe kanały jonowe.

Kanał jonowy. Struktura kanału. Image Credit: Designua /

Voltage-Gated Ion Channels

Kanały bramkowane napięciem reagują na perturbacje w potencjale błony komórkowej i są wysoce selektywne dla określonego jonu, tj. Na+, K+, Ca2+ i Cl-. Na+, K+, Ca2+ i Cl-. Są one dalej podzielone na rodziny w zależności od głównego przenikającego jonu.

• Kanały Na+ zależne od napięcia – kanały te są odpowiedzialne za generowanie potencjałów czynnościowych o długim czasie trwania, a tym samym są celem miejscowych środków znieczulających, takich jak lidokaina i benzokaina.
• Kanały Ca2+ zależne od napięcia – regulują wewnątrzkomórkowe stężenie Ca2+, a tym samym są odpowiedzialne za szeroki zakres procesów biochemicznych w komórkach. Jednym z najważniejszych procesów regulowanych przez te kanały jest uwalnianie neurotransmiterów w synapsach. Blokery kanałów wapniowych są cenne w leczeniu wielu schorzeń, od chorób serca po zaburzenia lękowe.
• Kanały K+ zależne od napięcia – stanowią największą i najbardziej zróżnicowaną klasę kanałów jonowych zależnych od napięcia. Są niezbędne w generowaniu spoczynkowego potencjału błonowego.
• Kanały Cl- zależne od napięcia – Kanały te są obecne w każdym typie neuronów i biorą udział w regulacji pobudliwości i objętości komórek. Wiadomo również, że przyczyniają się one do potencjału spoczynkowego błony.

Kanały jonowe bramkowane ligandami (LGIC)

LGIC są celem dla wielu leków, takich jak środki znieczulające, przeciwpsychotyczne i przeciwdepresyjne. Są one nazwane zgodnie z ligandem, na który reagują i podzielone na trzy rodziny na podstawie kryteriów biologii molekularnej i struktury białka.

„Cys-Loop” LGIC

Stanowią one największą klasę LGIC i obejmują nikotynowe receptory acetylocholinowe (nAChR), receptory kwasu γ-aminomasłowego (GABA), receptory 5-hydroksytryptaminy-3 (5HT3) i receptory glicyny. Receptory nAChR i 5-HT3R są receptorami pobudzającymi, natomiast receptory GABA i glicyny mają charakter hamujący.

Receptory nAChR są aktywowane endogennie przez neuroprzekaźnik acetylocholinę. Acetylocholina odgrywa ważną rolę w różnych procesach poznawczych, takich jak uczenie się, pamięć i uwaga. Jest ona również ważnym związkiem chemicznym sygnalizującym w złączu nerwowo-mięśniowym.

Aktywacja receptorów 5-HT3 odgrywa ważną rolę w wielu funkcjach współczulnych, przywspółczulnych i sensorycznych. W ośrodkowym układzie nerwowym (OUN), receptory 5-HT3 są zaangażowane w wymioty, poznanie i lęk. Pomaga w regulacji różnych systemów poznawczych, fizjologicznych, emocjonalnych i metabolicznych. Wpływa na procesy fizjologiczne, takie jak wzorce snu, rytmy okołodobowe, apetyt, poziom agresji i temperatura ciała.

Receptor GABA selektywnie przewodzi Cl- przez swój por, co powoduje hiperpolaryzację i w rezultacie wzrost progu generacji potencjału czynnościowego. Zmniejszenie prawdopodobieństwa generacji potencjału czynnościowego powoduje hamowanie neuronów. GABA hamuje regiony promujące czuwanie i tym samym jest zaangażowany w podtrzymywanie snu. Upośledzenie sygnalizacji GABA jest również jedną z głównych przyczyn zaburzeń lękowych. Benzodiazepiny zmniejszają niepożądaną pobudliwość mózgu poprzez zwiększenie sygnalizacji GABA w mózgu, a tym samym mogą być stosowane w leczeniu zaburzeń lękowych.

Receptory glicyny pośredniczą w hamowaniu synaptycznym w rdzeniu kręgowym, pniu mózgu i innych regionach ośrodkowego układu nerwowego. Regulują one pobudliwość neuronów ruchowych i aferentnych neuronów czuciowych, w tym włókien bólowych, a także biorą udział w przetwarzaniu sygnałów wzrokowych i słuchowych. Dlatego stanowią obiecujący cel dla rozwoju związków użytecznych terapeutycznie.

Ionotropowe receptory glutaminianowe

Aktywowane są przez neuroprzekaźnik glutaminian i pośredniczą w większości szybkich transmisji pobudzających w OUN. Dzielą się na receptory kwasu α-amino-3-hydroksy-5-metyloizoksazol-4-propionowego (AMPA), receptory kainianowe i receptory N-metylo-D-asparaginianowe (NMDA).

Receptory AMPA pośredniczą w szybkim pobudzającym przekaźnictwie synaptycznym w większości synaps ośrodkowych. Receptory kainianowe regulują pobudliwość neuronów, podczas gdy receptory NMDA odgrywają kluczową rolę w plastyczności synaptycznej.

Receptory P2X

Są one ostatnio odkrytymi błonowymi kanałami jonowymi. Są najlepiej przepuszczalne dla Na+, K+ i Ca2+ i są aktywowane przez ATP. Receptory P2X są szeroko eksprymowane w wielu tkankach i wykazano, że odgrywają kluczową rolę w różnych procesach fizjologicznych, takich jak przekaźnictwo nerwowe, odczuwanie bólu i różne odpowiedzi zapalne.

Mechano-wrażliwe kanały jonowe

Kanały jonowe reagujące na zmiany sił mechanicznych na błonie komórkowej są określane jako mechaniczno-wrażliwe kanały jonowe. Kanały te biorą udział w wykrywaniu i transdukcji zewnętrznych sił mechanicznych na elektryczne i/lub chemiczne sygnały wewnątrzkomórkowe.

Mechanowrażliwe kanały jonowe biorą udział w regulacji ciśnienia krwi i objętości komórek, stymulacji rozwoju mięśni i kości oraz zmysłów słuchu i dotyku. Badania wykazały, że kanały te biorą udział w różnych stanach chorobowych, takich jak zaburzenia rytmu serca, dystrofia mięśniowa, degeneracja neuronów, wielotorbielowatość nerek i przerzuty nowotworowe.

Ponieważ kanały jonowe są odpowiedzialne za regulację głównych funkcji fizjologicznych, zrozumienie ich mechanizmów na poziomie molekularnym jest ważne. W ostatniej dekadzie obserwuje się pionierskie prace nad poznaniem struktur krystalicznych kanałów jonowych. To z kolei doprowadziło do lepszego zrozumienia funkcjonowania kanałów jonowych. Badania doprowadziły również do odkrycia różnych mutacji w genach kanałów jonowych, które są znane jako przyczyny różnych kanałopatii. Przyszłe badania w tej dziedzinie będą miały kluczowe znaczenie dla rozszyfrowania przyczyn i sposobów leczenia wielu zaburzeń neurologicznych i mięśniowych.

Dalsza lektura

• Wszystkie treści dotyczące kanałów jonowych
• Importance of Ion Channels in the Body

Cytaty