Jonkanal, protein uttryckt av praktiskt taget alla levande celler som skapar en väg för laddade joner från upplösta salter, inklusive natrium-, kalium-, kalcium- och kloridjoner, för att passera genom det annars impermeanta lipidcellmembranet. Funktion av celler i nervsystemet, sammandragning av hjärta och skelettmuskulatur och utsöndring i bukspottkörteln är exempel på fysiologiska processer som kräver jonkanaler. Dessutom är jonkanaler i membranen i intracellulära organeller viktiga för att reglera cytoplasmisk kalciumkoncentration och försurning av specifika subcellulära fack (t.ex. lysosomer).
cell: Membrankanaler
Biofysiker som mäter den elektriska strömmen som passerar genom cellmembran har funnit att cellmembranen i allmänhet har mycket större
Evolution och selektivitet
Joner flyter passivt genom kanaler mot jämvikt. Denna rörelse kan drivas av elektriska (spänning) eller kemiska (koncentrations) lutningar. Förmågan att förändra jonflödet till följd av utvecklingen av jonkanaler kan ha gett en evolutionär fördel genom att låta encelliga organismer reglera deras volym inför miljöförändringar. Genom efterföljande utveckling har jonkanaler spelat väsentliga roller i cellutsöndring och elektrisk signalering.
De flesta jonkanaler är grindade - det vill säga de öppnar och stängs antingen spontant eller som svar på en specifik stimulans, såsom bindning av en liten molekyl till kanalproteinet (ligand-gated jonkanaler) eller en spänningsförändring över membranet som avkänns av laddade segment av kanalproteinet (spänningsgrindade jonkanaler). Dessutom är de flesta jonkanaler selektiva, vilket gör att endast vissa joner kan passera. Vissa kanaler leder bara en typ av jon (t.ex. kalium), medan andra kanaler uppvisar relativ selektivitet - till exempel, vilket tillåter positivt laddade katjoner att passera genom att utesluta negativt laddade anjoner. Celler i högre organismer kan uttrycka mer än 100 olika typer av jonkanaler, var och en med olika selektivitet och olika grindningsegenskaper.
Funktion och struktur
Flödet av laddade joner genom öppna kanaler representerar en elektrisk ström som ändrar spänningen över membranet genom att ändra laddningsfördelningen. I exciterbara celler ligger spänningsgrindade kanaler som tillåter övergående tillströmning av positiva joner (t.ex. natrium- och kalciumjoner) till korta depolariseringar av membranet känt som actionpotentialer. Åtgärdspotentialer kan överföras snabbt över långa avstånd, vilket möjliggör samordning och exakt tidtagning av fysiologiska resultat. I nästan alla fall utlöser åtgärdspotentialer nedströms fysiologiska effekter, såsom utsöndring eller muskelsammandragning, genom att öppna spänningsgrindade kalcium-selektiva jonkanaler och höja den intracellulära kalciumkoncentrationen.
Aminosyrasekvenserna för många olika jonkanalproteiner har bestämts, och i några få fall är kanalens röntgenkristallstruktur också känd. Baserat på deras struktur kan majoriteten av jonkanaler klassificeras i sex eller sju superfamilier. För kaliumselektiva kanaler, som är bland de bäst karakteriserade jonkanalerna, sammanförs fyra homologa transmembranunderenheter för att skapa en tunnel, känd som den ledande poren, som ger en polär väg genom det icke-polära lipidmembranet. Andra kanaltyper kräver antingen tre eller fem homologa subenheter för att generera den centrala ledande poren. I lösning stabiliseras joner av polariserade vattenmolekyler i den omgivande miljön. Smala, mycket selektiva jonkanaler efterliknar vattenmiljön genom att fodra den ledande poren med polariserade karbonylsyreatomer. Mindre selektiva kanaler bildar porer med en tillräckligt stor diameter för att joner och vattenmolekyler kan passera tillsammans.
Toxiner och sjukdomar
Många naturliga gifter riktar sig till jonkanaler. Exempel inkluderar den spänningsgrindade natriumkanalblockeraren tetrodotoxin, som produceras av bakterier som är bosatta i puffrar (blowfish) och flera andra organismer; det irreversibla nikotiniska acetylkolinreceptorantagonisten alfa-bungarotoxin, från gift av ormar i släktet Bungarus (kraits); och växt härledda alkaloider, såsom stryknin och d-tubokurarin, som hämmar aktiveringen av jonkanaler som öppnas av neurotransmittorerna glycin respektive acetylkolin. Dessutom verkar ett stort antal terapeutiska läkemedel, inklusive lokalbedövningsmedel, bensodiazepiner och sulfonylureaderivat, direkt eller indirekt för att modulera jonkanalaktivitet.
Ärvda mutationer i jonkanalgener och gener som kodar proteiner som reglerar jonkanalaktivitet har varit inblandade i ett antal sjukdomar, inklusive ataxi (oförmågan att koordinera frivilliga muskelrörelser), diabetes mellitus, vissa typer av epilepsi och hjärtarytmier (oregelbundenhet) i hjärtslag). Till exempel ligger genetiska variationer i natriumselektiva och kaliumselektiva kanaler, eller i deras tillhörande regulatoriska underenheter, under vissa former av long-QT-syndrom. Detta syndrom kännetecknas av en förlängning av depolarisationstiden för hjärtmyocytverkan, vilket kan leda till dödliga arytmier. Dessutom ligger mutationer i adenosintrifosfat (ATP) -känsliga kaliumkanaler som kontrollerar insulinutsöndring från celler i bukspottkörteln under vissa former av diabetes mellitus.
