İYON KANALLARI: YAPISI, IŞLEVLERI, TÜRLERI - BIYOLOJI - 2025

İyon kanalları bir şekilde kanal veya zarın kalınlığını enine geçen ve çok yönlü olarak sitozol ve mengene ile hücrenin dış iletişim gözenekler olduğu bir içi boş membran yapılardır; bazılarının açılmalarını düzenleyen bir kapı sistemi olabilir.

Bu kanallar su ile doldurulur ve belirli iyonların zarın bir tarafından diğerine geçişini kontrol eder. Genişliklerinde içlerinden geçen silindirik tüp şekilli yapılar oluşturan hücre zarlarına özgü proteinlerden oluşurlar.

Bir iyon kanalının açık ve kapalı oluşumu (Kaynak: Efazzari, Wikimedia Commons aracılığıyla)

Bu zarlardan geçen taşıma mekanizmaları genel olarak pasif veya aktif taşıma olarak sınıflandırılabilir. Pasifler, maddelerin konsantrasyon gradyanları lehine geçişine izin veren maddelerdir, aktif olanlar ise maddeleri konsantrasyon gradyanlarına karşı hareket ettirdikleri için enerji tüketimi gerektirir.

İyon kanalları, özgüllüklerine, yani geçmesine izin verdikleri iyon türüne veya açılıp kapanma şekline göre sınıflandırılabilen pasif bir taşıma mekanizması oluşturur.

Bu zar taşıma sistemlerinin ana işlevi, maddelerin hücrelerin içine veya dışına düzenlenmiş geçişine izin vermek ve böylece hücre içi iyon ve diğer maddelerin konsantrasyonlarını korumaktır.

Hücre zarlarının ve iyon kanallarının varlığı, birçok açıdan ilgili olan hücre içi ve hücre dışı ortam arasındaki konsantrasyon farklılıklarının korunması için esastır.

İyon kanalları, özellikle liganda bağımlı olanlar, farmakoloji ve tıpta çok önemlidir, çünkü birçok ilaç doğal ligandların işlevlerini taklit edebilir ve böylece kanala bağlanabilir, duruma göre kanalı açar veya kapatır.

Diğer ilaçlar bağlanma bölgesini bloke edebilir ve böylece doğal ligandın hareketini engelleyebilir.

yapı

İyon kanallarının yapısı, tübüler bir şekle sahip olan ve hücrenin içi ve dışı arasında veya hücre içi bölmeler (organeller) arasında iletişime izin veren bir gözenek veya delik bırakan spesifik transmembran proteinlerden oluşur.

Her iyon kanalı, spesifik bir yapısal membran proteinini içerir ve spesifik iyon kanallarını kodlayan 100'den fazla gen tanımlanmıştır.

Örneğin sodyum kanalı için, farklı dokularda dağıtılan farklı proteinleri belirli işlev ve yapılarla kodlayan SCN denilen 10 gen tanımlanmıştır.

Benzer şekilde, farklı ailelere ait potasyum kanallarını oluşturan ve farklı aktivasyon, açılma ve inaktivasyon mekanizmalarına sahip farklı proteinleri kodlayan önemli sayıda gen tanımlanmıştır.

Bir iyon kanalının protein yapısı

Tipik olarak, bir zar ile ilişkili bir işlevsel iyon kanalı, aralarında merkezi bir gözenek oluşturan 4 ila 6 benzer polipeptit alt biriminin (homo oligomerler) veya farklı (hetero oligomerler) birleşiminden oluşur.

Bir iyon kanalının zar alt birimlerinin diyagramı (Kaynak: Efazzari, Wikimedia Commons)

Birçoğu belirli iyonlara özgü olduğundan ve farklı açma ve kapama mekanizmalarına sahip olduğundan, her alt birim kanalın özelliklerine ve özelliklerine göre değişir.

Bazı kanallar, zarın kalınlığının birkaç katı boyunca ilerleyen ve bir protein alt biriminin eşdeğeri olarak işlev gören, tekrar eden modellerde organize edilmiş tek bir polipeptit zincirinden oluşur.

Literatürde a alt birimleri olarak bilinen bu alt birimlere ek olarak, bazı iyon kanallarında açılıp kapanmalarını düzenleyen bir veya daha fazla yardımcı alt birim (ß veya γ) bulunur.

Her kanalın özgüllüğü, transmembran proteinler tarafından oluşturulan gözenek çapı ve bunları oluşturan amino asitlerin yan zincirleri (─R) ile ilgilidir.

Bu şekilde, yan zincirler bir "elek" işlevi gördüğü için, yalnızca sodyum, potasyum, kalsiyum iyonlarının geçmesine izin veren kanallar vardır.

Ek yapısal özellikler

Birçok kanalın bir diğer önemli özelliği de kapılardır. Bu özelliklere sahip kanallar, kanalı çevreleyen membran mikro ortamında meydana gelen lokal değişikliklere karşı açılıp kapanabilir.

Kanalın türüne bağlı olarak, bu değişiklikler mekanik, termal (sıcaklıktaki değişiklikler), elektriksel (voltajdaki değişiklikler) veya kimyasal (bir ligandın bağlanması) olabilir.

Bununla birlikte, açık kalan ve belirli iyonların spesifik geçişine izin veren sözde pasif iyon kanallarında, bu yapıların kapısı yoktur veya ligandlara veya diğer uyarıcı türlerine duyarlıdır.

Ligandların varlığına veya bağlanmasına duyarlı olan diğer iyon kanallarında, ligand için hücre dışı tarafta veya hücre sitozole doğru bir bağlanma sahası vardır ve bu durumlarda gözenekler veya kanallar, açılıp kapanabilen bir kapıya sahiptir. ligandının durumuna göre.

Kanalları açmak veya kapatmak için ikinci haberci mekanizması

Hücre içi kısımda bir ligand sahası olması durumunda, bu kanallar genellikle ligandlar olarak ikinci habercilere sahiptir. İkinci haberci mekanizmalarla açılan veya kapatılan iyon kanallarına bir örnek, koku alma reseptörlerininki:

Koku molekülleri, hücre dışı taraftaki reseptörlerine bağlanır. Bu reseptörler, sırayla, ikinci bir haberci olan cAMP'yi oluşturan protein adenil siklazı aktive eden aktive bir G proteinine bağlanır.

CAMP, bazı kalsiyum kanallarının hücre içi bir bağlanma bölgesine bağlanır, bu da açılmasına ve kalsiyumun hücreye girmesine neden olur.

Sanki bir domino etkisiymiş gibi, kalsiyum başka bir klor kanalının ligand bölgesine bağlanır, bu da onun açılmasını ve bu iyonun çıkışını oluşturarak koku hücresinin depolarizasyonuna neden olur.

İyon kanallarını etkileyen ligandlar veya uyaranlar tarafından üretilen değişikliklerin, kanalın yapısını oluşturan proteinlerin konformasyonel değişikliklerine karşılık geldiğini vurgulamak önemlidir.

Başka bir deyişle, bir kapıyı hareket ettirebilen ve bir kanalı kapatabilen veya açabilen konformasyonel değişiklikler, onu oluşturan protein alt birimlerinin yaklaşmasından veya uzaklaşmasından başka bir şey değildir.

Diğer aktivasyon ve inaktivasyon mekanizmaları

Bazı kanallar, özellikle voltaja bağımlı kanallar, onları etkinleştiren aynı voltaj değişikliğinin artık onları etkinleştirmediği bir refrakter duruma girebilir.

Örneğin, voltaj kapılı kalsiyum kanallarında, voltaj değişimi kanalı açar ve kalsiyum girer ve hücreye girdikten sonra aynı iyon bir kalsiyum kanalı bağlama bölgesine bağlanır ve kalsiyum kanalı kapanır. .

Kalsiyum kanalının, aktivasyondan sonra refrakterliğini açıklayan bir başka tersinir inaktivasyon şekli, artan dahili kalsiyum konsantrasyonuna bağlı olarak kanalın defosforilasyonudur.

Yani, bir kalsiyum kanalı, diğer kalsiyum ile aktive olan proteinlerden yarılma enzimlerinin toplanmasına aracılık eden, patolojik olarak yüksek iyon konsantrasyonlarının mevcudiyetine bağlı olarak geri döndürülemez şekilde etkisiz hale getirilebilir.

Ligand kapılı kanallar, ligandlarına uzun süre maruz kaldıklarında refrakter bir duruma girebilirler, bu mekanizmaya duyarsızlaştırma adı verilir.

İlaçlar, zehirler ve toksinler iyon kanallarının düzenlenmesini etkileyebilir, bunları kapatabilir veya açık tutabilir veya bazı durumlarda ligandın sahasını işgal edebilir ve böylece işlevine müdahale edebilir.

Özellikleri

İyon kanallarının, doğrudan veya dolaylı olarak çok sayıda işlevi vardır.

- Tüm hücrelerin plazma ve organel zarlarından iyon akışını düzenlemekten sorumludurlar.

- Farklı iyonların hücre içi konsantrasyonları üzerinde bir kontrolün varlığına izin verirler.

- Nöronlarda ve kas hücrelerinde iyon kanalları, aksiyon potansiyelleri sırasında ve efektör hücre postsinaptik potansiyelleri sırasında meydana gelen membran potansiyelindeki değişiklikleri kontrol eder.

- Hücre içi boşluğa net kalsiyum akışı oluşturan kalsiyum kanalları, birçok metabolik sürece katılan çok sayıda enzim ve proteinin aktivasyonundan sorumludur.

- Aynı şekilde, taşınmasındaki artışa bağlı olarak kalsiyumdaki artış, nörotransmiterlerin nöronların sinaptik boşluğuna salınım mekanizmasını başlatır.

- Bu nedenle iyon kanallarının işlevi, hücresel iletişim mekanizmalarıyla da ilgilidir.

Membran boyunca taşınmanın genel özellikleri

Yukarıda belirtildiği gibi, membran taşıma mekanizmaları, bulundukları hücreden enerji tüketip tüketmemelerine bağlı olarak aktif veya pasif olabilir. Pasif mekanizmalar, basit difüzyon ve kolaylaştırılmış difüzyon olarak sınıflandırılır.

Basit difüzyon

Basit difüzyon, apolar özelliklere sahip ve yüksüz küçük boyutlu yağda çözünen moleküllerin zarının fosfolipid yapısından geçişine izin verir.

Bu nedenle, örneğin oksijen (O2) ve karbon dioksit (CO2), etanol ve üre gibi gazlar, birkaçını belirtmek gerekirse, konsantrasyon gradyanlarından geçer.

Kolaylaştırılmış dağıtım

Kolaylaştırılmış difüzyon, proteinler tarafından kolaylaştırılan bir işlemdir ve bu pasif taşıma mekanizmasının iki türü vardır: iyon kanalları ve taşıma proteinleri veya taşıyıcı proteinler.

İyon kanalları, hücreler tarafından basit difüzyondan geçemeyen iyonların taşınması için en çok kullanılan mekanizmadır, çünkü ya bir elektrik yüküne sahiptirler ve zarın fosfolipidleri, boyutları ve polariteleri ya da başka herhangi bir özellik nedeniyle onları iter.

Taşıyıcı proteinler tarafından kolaylaştırılan difüzyon, glikoz ve diğer şekerler gibi daha büyük maddelerin yüklü veya bedelsiz taşınması için kullanılır.

Aktif membran taşınması, taşınan çözünen maddenin konsantrasyon gradyanına karşı meydana gelen ve ATP formunda enerji tüketimini gerektiren şeydir. Bu tip taşıyıcılar arasında pompalar ve veziküler taşıma bulunur.

Pompalara bir örnek olarak, üç sodyumu çıkaran ve iki potasyum veren sodyum / potasyum pompasıdır. Kalsiyum pompaları da var.

Veziküler taşınmanın örnekleri, endositoz, ekzositoz, pinositoz ve fagositozdur; tüm bu aktif taşıma mekanizmaları.

İyon kanalı türleri

Bu noktadan itibaren, iyonların bir zardan geçmesine izin veren iyon kanallarına, konsantrasyon gradyanları, yani pasif taşıma kanalları lehine değinilecektir.

Genellikle, iyon çiftlerinin taşınmasına izin veren birkaç kanal dışında, bu kanalların her biri tek bir iyona özgüdür.

Bir iyon kanalının yapısal diyagramı (Kaynak: Outslider (Paweł Tokarz), pl.wikipedia, Wikimedia Commons aracılığıyla)

İyon kanallarını sınıflandırmanın bir yolu, açılmalarından sorumlu mekanizmaya göre gruplamaktır. Bu nedenle, pasif kanallar, voltaj regülasyonlu (voltaja bağlı) kanallar, ligand regülasyonlu kanallar ve mekanik stimulus regüle kanallar tarif edilmiştir.

- Pasif kanallar: kalıcı olarak açık olan ve herhangi bir uyarıcıya cevap vermeyen kanallardır; bunlar belirli iyonlara özeldir.

- Gerilime bağlı kanallar : Bunlar, membran gerilimindeki değişiklikler karşısında (kanala bağlı olarak) açılıp kapanabilir. Özellikle memelilerin merkezi sinir sisteminde hücre sinyallemesi için çok önemlidirler.

- Liganda bağımlı kanallar: ligandlı veya ligandla düzenlenen kanallar olarak da adlandırılırlar, farklı insan vücut hücrelerinde geniş çapta dağılırlar, ancak sinir sisteminde nörotransmiterler tarafından aktive edilen iyon kanallarını oluştururlar ve sinaptik iletim için gereklidirler ve hücreler arası sinyalleşme.

Nörotransmiterler tarafından aktive edilen liganda bağlı iyon kanallarının örnekleri, glutamat tarafından aktive edilen sodyum / potasyum kanallarıdır.

Kolinerjik reseptörlerin aktivasyonu, bu durumda asetilkolinin postsinaptik membrana (kanal ligandı) bağlanması liganda bağlı sodyum kanallarını açar ve konsantrasyon gradyanını takiben bu iyonun girişine izin verir.

- Mekanik uyaranlarla düzenlenen kanallar: Bunlar, gerginlik veya basınçla aktive edilebilen kanallardır. Bu mekanik kuvvetler hücre iskeleti aracılığıyla kanala iletilir ve kanal açılır.

Referanslar

1. Bear, MF, Connors, BW ve Paradiso, MA (Eds.). (2007). Neuroscience (Cilt 2). Lippincott Williams ve Wilkins.
2. Biyokimya ve Moleküler Biyofizik Bölümü Thomas Jessell, Siegelbaum, S. ve Hudspeth, AJ (2000). Sinir bilimi prensipleri (Cilt 4, s. 1227-1246). ER Kandel, JH Schwartz ve TM Jessell (Editörler). New York: McGraw-tepesi.
3. Lewis, CA ve Stevens, CF (1983). Asetilkolin reseptör kanalı iyonik seçicilik: iyonlar sulu bir ortam yaşarlar. Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri, 80 (19), 6110-6113.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL ve Cox, MM (2008). Lehninger biyokimyanın ilkeleri. Macmillan.
5. Rawn, JD (1998). Biyokimya. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
6. Viana, F., de la Peña, E. ve Belmonte, C. (2002). Soğuk termo transdüksiyonun özgüllüğü, diferansiyel iyonik kanal ifadesi ile belirlenir. Doğa sinirbilimi, 5 (3), 254.