Ionski kanal

Dva obilježavajuća svojstva ionskih kanala ih razlikuju od ostalih vrsta proteina ionskih transportera

1. Stopa brzine transporta iona kroz kanal je vrlo visoka (često 10⁶ iona u sekundi ili veća).
2. Ioni prolaze kroz kanale niz svoj elektrohemijski gradijent, što je funkcija koncentracije iona i membranskog potencijala, "nizbrdo", bez unosa (ili pomoći) metaboličke energije (npr. ATP, mehanizmi kotransporta ili aktivnog transporta). Ionski kanali nalaze se unutar membrana svih podražaljivih ćelija^[3] i mnogih unutarćelijskih organela. Često se opisuju kao uski tuneli ispunjeni vodom koji propuštaju samo ione određene veličine i/ili naboja. Ova karakteristika se naziva selektivna propusnost. U svojoj najužoj tački, pora arhetipskog kanala široka je samo jedan ili dva atoma i selektivna je za specifične ione, poput natrija ili kalija. Međutim, neki kanali mogu biti propusni za prolaz više od jednog tipa iona, obično dijeleći zajednički naboj: pozitivan (kationi) ili negativni (anioni). Ioni se često kreću kroz segmente pornih kanala u jednom skupu gotovo jednako brzo kao i ioni kroz slobodni rastvor. U mnogim ionskim kanalima prolaz kroz pore regulira se "kapijom", koja se može otvoriti ili zatvoriti kao odgovor na hemijske ili električne signale, temperaturu ili mehaničku silu.

Ionski kanali su integralni membranski proteini, tipski formirani kao sklopovi nekoliko pojedinačnih proteina. Takvi sklopovi "multipodjedinica" obično uključuju kružni raspored identičnih ili homolognih proteina, usko upakovanih oko vodom napunjene pore kroz ravninu membrane ili lipidni dvosloj.^[5][6] Za većinu naponski usmjerenih ionskih kanala podjedinica (e) koja formira pore naziva se α podjedinica, dok se pomoćne podjedinice označavaju kao β, γ i tako dalje.

Budući da su kanali u osnovi nervnog impulsa i jer kanali "aktivirani predajnikom" posreduju u provođenju kroz sinapse, kanali su posebno istaknute komponente nervnog sistema. Zapravo, brojni toksini koji su evoluirali radi isključivanja nervnog sistema grabljivica i plijena (npr. otrovi koje proizvode pauci, škorpije, zmije, ribe, pčele, morski puževi i drugi) djeluju moduliranjem vodljivosti ionskog kanala i / ili njihove kinetike. Pored toga, ionski kanali su ključne komponente u širokom spektru bioloških procesa koji uključuju brze promjene u ćelijama, kao što su srčane, skeletne i glatkomišićne kontrakcije, epitelni transport hranljivih sastojaka i iona, aktivacija T-ćelija i oslobađanje insulina iz beta-ćelija pankreasa, Ionski kanali su česta meta u potrazi za novim lijekovima.^[7][8][9]

Kanali se razlikuju u odnosu na ion koji propuštaju (naprimjer, Na⁺, K⁺, Cl^–), kao i načine na koje se mogu regulirati, broj podjedinica od kojih su sastavljeni i druge aspekte strukture.^[10] Kanali koji pripadaju najvećoj klasi, koja uključuje naponski ograničene kanale koji su u osnovi nervnog impulsa, sastoje se od četiri podjedinice, sa po šest transmembranskih heliksa. Pri aktivaciji, ove spiralne kretnje se otvaraju, čim otvaraju i pore. Dvije od ovih šest spirala odvojene su petljom koja poravnava pore i primarna je odrednica selektivnosti i provodljivosti iona u ovoj klasi kanala i nekim drugim. Postojanje i mehanizam selektivnosti iona prvi su postulirali Bertil Hille i Clay Armstrong, krajem 1960-ih.^{[11][12][13][14][15]}

Ideja ionske selektivnosti za kalijeve kanale bila je da karbonilni kisici proteinskih okosnica "selektivnog filtra" (termin uveo Bertil Hille) mogu efikasno zamijeniti molekule vode koje normalno štite kalijeve ione, ali da se ioni natrija, bili manji i ne, mogu potpuno dehidrirati da omoguće takvu zaštitu, pa stoga nisu mogli proći. Ovaj mehanizam je konačno potvrđen kada je razjašnjena prva struktura ionskog kanala. Kao model za proučavanje permeabilnosti i selektivnosti ionskih kanala u Mackinnonovoj laboratoriji korišten je bakterijski kalijev kanal KcsA, koji se sastoji samo od filtera za selektivnost, "P" petlje i dva transmembranska vijka. Određivanje molekularne strukture KcsA izveo je Roderick MacKinnon pomoću kristalografije X-zraka i osvojio dio Nobelove nagrade za hemiju, u 2003.^[16]

Zbog njihove male veličine i poteškoća u kristalizaciji integralnih membranskih proteina za rendgensku analizu, tek su nedavno naučnici uspjeli izravno ispitati kako "kanali izgledaju". Pogotovo u slučajevima kada je kristalografija zahtijevala uklanjanje kanala s membrana deterdžentom, mnogi istraživači smatraju da su slike koje su dobijene okvirne. Primjer je dugo očekivana kristalna struktura naponskog kalijevog kanala, koja je objavljena u maju 2003.^[17][18] Jedna neizbježna dvosmislenost oko ovih struktura odnosi se na snažne dokaze da kanali mijenjaju konformaciju dok djeluju (naprimjer, otvaraju se i zatvaraju), tako da bi struktura u kristalu mogla predstavljati bilo koje od ovih operativnih stanja. Većinu onoga što su istraživači do sada zaključili o radu kanala utvrdili su putem metoda elektrofiziologije, biohemije, poređenja genskih sekvenci i mutageneze.

Kanali mogu imati pojedinačne (CLIC) do višestruke transmembranske (K-kanale, P2X-receptore, Na-kanale) domene koji se protežu kroz plazmatsku membranu da bi stvorili pore. Pore može odrediti selektivnost kanala. Ulazi se mogu formirati unutar ili izvan područja pora.

Hemijske supstance mogu modulirati aktivnost ionskih kanala, naprimjer tako što ih blokiraju ili aktiviraju.

Raznovrsni blokatori jonskih kanala (anorganske i organske molekule) mogu modulirati aktivnost i provodljivost ionskih kanala.Neki od najčešće korištenih blokatora uključuju:

• Tetrodotoksin (TTX), za odbranu koriste neke vrste riba i daždevnjaka. Blokira natrijeve kanale.
• Saksitoksin proizvodi dinoflagelat poznat i kao "crvena plima". Blokira natrijeve kanale ovisne o naponu.
• Conotoksin korista puževi u konusu za lov na plijen.
• Lidokain i Novokain pripadaju klasi lokalnih anestetika koji blokiraju natrijeve ionske kanale.
• Dendrotoksin proizvodi zmija mamba i blokira kalijeve kanale.
• Iberiotoksin proizvodi Buthus tamulus (istočnoindijski škorpion) i blokira kalijeve kanale.
• Heteropodatoksin proizvodi Heteropoda venatoria (smeđi pauk lovac ili laja) i blokira kalijeve kanale.

Poznato je nekoliko spojeva koji pospješuju otvaranje ili aktiviranje određenih ionskih kanala. Klasificirani su prema kanalu na kojem djeluju:

• Otvarač kalcijevih kanala, kao što je Bay K8644;
• Hloridni otvarač kanala, kao što je fenantrolin;
• Otvarač kalijevih kanala, kao što je minoksidil;
• Otvarač natrijevih kanala, kao što je DDT.

• Alfa-heliks
• Porodica ionskih kanala kako je definirano u Pfam i InterPro
• Ki baza podataka
• Lipidni dvosloj
• Neurotoksin
• Pasivni transport
• Sintetski ionski kanali
• Transmembranski receptor

• "Voltage-Gated Ion Channels". IUPHAR Database of Receptors and Ion Channels. International Union of Basic and Clinical Pharmacology.
• "TRIP Database". a manually curated database of protein-protein interactions for mammalian TRP channels. Arhivirano s originala, 10. 8. 2016. Pristupljeno 21. 5. 2021.
• Ion Channels na US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)