Ionski kanal, protein eksprimiran gotovo svim živim stanicama, koji stvara put za nabijene ione iz otopljenih soli, uključujući ione natrija, kalija, kalcija i klorida, koji prolaze kroz inače nepropusnu membranu lipidnih stanica. Djelovanje stanica živčanog sustava, kontrakcija srca i skeletnog mišića te izlučivanje u gušterači su primjeri fizioloških procesa koji zahtijevaju ionske kanale. Osim toga, ionski kanali u membranama unutarćelijskih organela važni su za regulaciju koncentracije kalcija u citoplazmi i zakiseljavanje specifičnih subcelularnih odjeljaka (npr. Lizosoma).
ćelija: Membranski kanali
Biofizičari koji mjere električnu struju koja prolazi kroz stanične membrane otkrili su da općenito imaju stanične membrane znatno veće,
Evolucija i selektivnost
Ioni prolaze pasivno kroz kanale prema ravnoteži. Taj se pokret može voditi električnim (naponskim) ili kemijskim (koncentracijskim) gradijentima. Mogućnost izmjene protoka iona kao rezultat razvoja ionskih kanala mogla je pružiti evolucijsku prednost omogućavajući jednoceličnim organizmima da reguliraju svoj volumen u svjetlu promjena u okolišu. Nakon naknadne evolucije, ionski kanali su postali važni uloga u staničnoj sekreciji i električnoj signalizaciji.
Većina ionskih kanala je zatvorena - tj. Otvaraju se i zatvaraju se spontano ili kao odgovor na određeni podražaj, poput vezanja male molekule na kanalni protein (ionski kanal sa ligandom) ili promjena napona na membrani koji se osjeti nabijenim segmentima proteina kanala (ionski kanali sa naponom). Osim toga, većina je ionskih kanala selektivna, dopuštajući im da prolaze samo određeni ioni. Neki kanali provode samo jednu vrstu iona (npr. Kalij), dok drugi kanali pokazuju relativnu selektivnost - na primjer, dopuštajući pozitivno nabijenim kationima da prođu kroz isključenje negativno nabijenih aniona. Stanice u višim organizmima mogu izraziti više od 100 različitih vrsta ionskog kanala, svaki s različitom selektivnošću i različitim svojstvima gatinga.
Djelovanje i struktura
Protok nabijenih iona kroz otvorene kanale predstavlja električnu struju koja mijenja napon na membrani mijenjajući raspodjelu naboja. U ekscitabilnim ćelijama naponski kanali koji omogućavaju prolazni priliv pozitivnih iona (npr. Natrijevih i kalcijevih iona) podliježu kratkim depolarizacijama membrane poznatim kao akcijski potencijali. Akcijski potencijali mogu se brzo prenijeti na velike udaljenosti, omogućujući koordinaciju i precizno određivanje vremena fizioloških rezultata. U gotovo svim slučajevima, akcijski potencijali pokreću nizvodne fiziološke učinke, poput sekrecije ili kontrakcije mišića, otvaranjem ionskih kanala sa selektivnim naponom i povećanjem unutarćelijske koncentracije kalcija.
Određene su sekvence aminokiselina mnogih različitih proteina ionskih kanala, a u nekoliko slučajeva je poznata i rendgenska kristalna struktura kanala. Na temelju njihove strukture, većina ionskih kanala može se svrstati u šest ili sedam super-obitelji. Za kali-selektivne kanale, koji su među najbolje karakteriziranim ionskim kanalima, četiri homologne transmembranske podjedinice zajedno se stvaraju tunel, poznat kao vodeća pora, koji pruža polarni put kroz nepolarnu lipidnu membranu. Za ostale vrste kanala potrebne su tri ili pet homolognih podjedinica da bi se stvorile centralne provodne pore. U otopini se ioni stabiliziraju polariziranim molekulama vode u okruženju. Uski, visoko selektivni ionski kanali oponašaju vodeni okoliš obloživši vodeće pore polariziranim atomima karbonilnog kisika. Manjeselektivni kanali formiraju pore s dovoljno velikim promjerom da ioni i molekule vode mogu prolaziti zajedno.
Toksini i bolest
Mnogi prirodni toksini ciljaju ionske kanale. Primjeri uključuju tetrodotoksin koji blokira natrijev kanal i koji se proizvodi od bakterija koje borave u lisicama i nekoliko drugih organizama; ireverzibilni antagonist nikotinskog acetilholinog receptora alfa-bungarotoksin iz otrova zmija iz roda Bungarus (kraits); i alkaloidi dobiveni iz biljaka, kao što su strihin i d-tubokurarin, koji inhibiraju aktivaciju ionskih kanala koji otvaraju neurotransmiteri glicin i acetilkolin, respektivno. Osim toga, veliki broj terapijskih lijekova, uključujući lokalne anestetike, benzodiazepine i derivate sulfonilureje, djeluju izravno ili neizravno na moduliranje aktivnosti ionskih kanala.
Nasljedne mutacije u genima ionskih kanala i u genima koji kodiraju proteine koji reguliraju aktivnost ionskog kanala uključeni su u brojne bolesti, uključujući ataksiju (nemogućnost koordinacije dobrovoljnih pokreta mišića), dijabetes melitus, određene vrste epilepsije i srčane aritmije (nepravilnosti u otkucaju srca). Na primjer, genetske razlike u kanalima koji su selektivni prema natrijumu i kaliju-selektivnom podjedinici su u osnovi nekih oblika sindroma dugog QT-a. Za ovaj sindrom karakterizira produljenje vremenskog tijeka depolarizacije potencijalnih djelovanja srčanih miocita, što može dovesti do fatalne aritmije. Uz to, mutacije u kalijevskim kanalima osjetljivim na adenosin trifosfat (ATP) koji kontroliraju izlučivanje inzulina iz stanica u gušterači podliježu nekim oblicima šećerne bolesti.
