Іонні канали

Схематичне зображення іонних каналів в мембрані клітини

Іонні канали — трансмембранні білки, що утворюють пори через цитоплазматичну та інші біологічні мембрани, які допомагають встановлювати і управляти електричною напругою через мембрани всіх живих клітин (так званим мембранним потенціалом), дозволяючи рух певних іонів вниз за електрохімічним градієнтом.

Основні риси

Іонні канали регулюють потік іонів через мембрану у всіх клітинах. Вони є трансмембраннми білками (підгрупою інтергальних мембранних білків) або, частіше, комплексом таких білків.

Молекулярна будова

Схема молекулярної будови пороутворюючої α-субодиниці потенціал-залежного іонного каналу (на прикладі калієвого каналу)

Ці комплекси зазвичай мають вигляд циліндричної структури, складеної з однієї або декількох ідентичних, гомологічних або різних білкових молекул, щільно упакованих навколо заповненої водою пори, що проходить через ліпідний бішар мембрани. Якщо ці білкові молекули або субодиниці каналу є продуктами одного гену, то канал є гомомером, якщо ж різних — то гетерометром. За кількістю субодиниць розрізняють мономери, дімери, тримери, тетрамери, пентамери, октамери тощо. Наприклад, калієві канали часто є гомотетрамерами — тобто утворені чотирма однаковими субодиницями. За звичайною номенклатурою, субодиниці, що формують пору, називаються α-субодиницями, тоді як допоміжні субодиниці — β, γ і так далі. Кожна α-субодиниця складається з декількох (2-7) трансмембранних сегментів (що найчастіше є α-спіралями), Р-петлі, яка вистилає пору, цитоплазматичних кінців та зовнішньоклітинних петель.

В багатьох іонних каналах проходження через пору управляється «воротами», які можуть бути відкриті або закриті залежно від хімічних або електричних сигналів, температури або механічної сили, залежно від типу каналу.

Властивості іонних каналів

Селективність — це здатність каналу вибірково пропускати певний тип іонів. Вибірковість є відносною: навіть високоселективні канали при певних умовах (іонний склад середовища, ліпідний склад мембран, температура тощо) можуть пропускати й інші іони окрім основного. Але при фізіологічному стані за селективністю канали поділяють на селективні (наприклад, натрієві чи калієві), чи неселективні (катіонний канал глутаматного рецептору). Селективність звичайно досягається специфічною будовою пори. Пора містить в собі селективний фільтр, який може мати ширину близько діаметру одного атому, що дозволяє проходження лише певного типу іонів, наприклад натрію або калію, або в ньому знаходяться місця зв'язування, що мають афінність лише до певних іонів (наприклад, кальцію).
Проникність — це здатність певного іону проходити крізь пору каналу. Проникність прямо випливає з селективності. Чим вище селективність каналу, тим нижче провідності для неосновних іонів.
Провідність — це величина, що показує кількість іонів, що здатні пройти через пору каналу за одиницю часу. Одиниця провідності — сіменс.

Біологічна роль

Відкриття і закриття іонних каналів лежать в основі передачі нервових імпульсів, а провідність каналів є основою роботи електричних синапсів. Тому іонні канали є вкрай важливими компонентами нервової системи. Дійсно, більшість наступальних і захисних токсинів, які організми розвинули для припинення роботи нервові системи хижаків і здобичі (наприклад, отрути, що виділяються павуками, скорпіонами, зміями, рибами, бджолами, морськими молюсками та іншими організмами) працюють через блокування іонних калалів. Іонні канали залучені до підтримання напруги в мітохондріях еукаріотів та на плазматичних мембраних прокаріотів, яка використовується для отримання енергії у вигляді АТФ — основного «палива» клітин. Крім того, численні іонні канали відповідають за широкий спектр біологічних процесів, які залучають швидкі зміни стану клітини, наприклад: серцевої діяльності, скорочення скелетних і гладеньких м'язів, транспорт поживних речовин через епітелій, роботі T-клітин, секреції гормонів. При розробці нових ліків іонні канали — дуже часті мішені.

Різноманіття іонних каналів

Єдиної класифікації іонних каналів на сьогодні не існує. Канали систематизують за селективністю до іонів (аніонні, катіонні, натрієві, калієві, хлорні, тощо), за механізмом активації (потенціалзалежні, лігандкеровані, депокеровані, механорецептори, температурозалежні тощо), за чутливістю до хімічних речовин (наприклад, АТФ-залежні, TTX-нечутливі), за генетичною гомологією. В українській науковій літературі запропонована така класифікація:

• Лігандкеровані іонні канали
  • Cys-петельні — гомо- чи гетеропентамерні
    • Неселективні катіонні: нікотиновий ацетилхоліновий рецептор, серотоніновий рецептор
    • Селективні хлорні: гліциновий рецептор, ГАМК_А-рецептор, ГАМК_С-рецептор
  • Глутаматні рецептори — гомо- чи гетеротетрамери
    • AMPA-рецептори, каїнатні рецептори, NMDA-рецептори
  • Пуринові рецептори — гомо- чи гетеротетрамери
    • P2X рецептори
• Потенціалзалежні іонні канали
  • Натрієві канали
    • тетродоксин-чутливі
    • тетродоксин-нечутливі
  • Кальцієві канали
    • L-типу
    • N-типу
    • P/Q-типу
    • R-типу
    • T-типу - низькопорогові кальцієві канали
• Калієві канали
  • Потенціалзалежні
    • Shaker- Shab- Shal- Shaw-споріднені
    • KvLQT1-споріднені
    • eag-споріднені
    • erg-споріднені
    • elc-споріднені
  • кальцій-активовані
    • великої провідності BK
    • малої провідності SK
    • IK
    • Na-, Cl-активовані
    • OH-активовані
  • Вхідного випрямлення
    • Kir
    • G-білок регульовані GIRK
    • АТФ-залежні калієві канали K-ATP
  • фонові
    • двопородоменні (2P)
• Канали, керовані циклічними нуклеотидами
  • CNG
  • HCN
• Депокеровані та арахідонатрегульовані канали
  • SOC
  • ARC
• Канали "транзієнтного рецепторного потенціалу" (ТРП)
  • • TRPC, "класичні"
    • TRPV, "ванілоїдні" TRPV1
    • TRPM, "меластатинові" TRPM8
    • TRPA, "анкиринові"
    • TRPP, "поліцистинові"
    • TRPML, "муколіпіни"
• Натрієві потенціалзалежні дегенеринподібні
  • епітеліальні ENaC
  • протончутливі ASIC
• Аніонні іонні канали
  • Хлорні канали ClC
  • ABC
  • VRAC
  • CACC

Захворювання, пов'язані з іонними каналами

Порушення роботи іонних каналів часто призводять до захворювань - каналопатій. Основна причина таких порушень - спадкові мутації, що впливають на структуру каналу, але й можливі й інші пошкодження (метаболічні, радіаційні тощо). Приклади каналопатій:

• муковісцидоз
• серцеві аритмії
• синдром Бругада
• синдром Тимоті
• генералізована епілепсія

Як вивчають іонні канали

Мембранна теорія

Довгий час цитологи сперечались, як влаштована клітина. Між собою конкурували дві теорії: мембранна та фазова. Мембранна теорія передбачала наявність напівпроникного бар'єру, який би відокремлював цитоплазму від міжклітинного простору, таким чином створюючи градієнти речовин. Фазова теорія виключала наявність такого бар'єру, а гомеостаз у клітині підтримують білки-акцептори різних речовин - акцептори калію, натрію, кисню, глюкози та інш. Відкриття електронної мікроскопії довело перемогу мембранної теорії. Тому наступним кроком стало вивчення властивостей мембрани. Ходжкін та Катц виявили здатність гігантського аксону кальмара пропускати різні іони при різних мембранних потенціалах. Так з'явилась гіпотеза про наявність селективних іонних каналів. Надалі вона блискуче підтвердилася.

Методи дослідження

Перші дослідження іонних каналів були здійснені за допомогою мікроелектродів на гігантських збудливих клітинах. Розвиток мікроелектродної техніки призвів до створення методу фіксації потенціалу на ділянці мембрани. Спочатку дослідження проводилися лише на функціональному рівні, далі гени каналів було клоновано і їх стали також вивчати генетично та структурно. Також іонні канали тепер штучно вводять у клітини, що майже не мають власних каналів (яйцеклітини, імморталізовані клітинні лінії тощо), де вивчають їх функції. Використовують низку молекулярно-біологічних та оптичних методів (ПЛР, кількісну ПЛР, ПЛР для однієї клітини, імунохімічні методи, флуоресцентну мікроскопію). Деякі канальні білки вдалося закристалізувати та провести рентгеноструктурний аналіз. Інші структури передбачені поки що теоретично.

Внесок українських вчених у дослідження іонних каналів

В Інституті фізіології імені О.О. Богомольця НАН України ще з 1950х почалися дослідження електричних властивостей клітин. У витоків цієї роботи стояли Д. С. Воронцов та П.Г. Костюк. Надалі під керівництвом Платона Костюка групою М.С. Веселовського було вперше описано струми через кальцієві канали Т-типу, а групою О.О. Кришталя - через пуринові та протончутливі канали.
У 2005 році виходець з України Юрій Киричок (учень О.О. Кришталя) вперше описав струми через іонні канали сперматозоїда, зокрема вдалося відкрити лужночутливий кальцієвий канал CatSper .

Джерела

Шуба, Я. М. Основи молекулярної фізіології іонних каналів: навч. посіб. для студ. вищ. навч. закладів / Я. М. Шуба; Нац. акад. наук України, Ін-т фізіології ім О. О. Богомольця, Міжнар. центр молнкуляр. фізіології. — К. : Наук. думка, 2010. — 446 с.: рис., табл. — Дод.: с. 401–415. — Предм. покажч.: с. 422–424. — Бібліогр.: с. 425–442. — ISBN 978-966-00-1042-0