Ioonikanal

Ioonikanal ehk ioonkanal on transmembraanne valk, kus membraani läbivatest valgumolekulidest moodustub kanal ehk poor. Ioonikanalid aitavad tekitada ja kontrollida elektrilist gradienti läbi kõikide elusrakkude rakumembraani (vt puhkepotentsiaal), võimaldades ioonide liikumist mööda elektrokeemilist gradienti (näit närviimpulsi teke ja ülekanne).
Ioonikanal avaneb (näiteks ligandi toimel) ning laseb perioodiliselt ja väga valikuliselt läbi teatud ioonid või ühe või mitu aniooni või katiooni.

Bioloogiline roll

Ioonide reguleeritud ja selektiivne transport, mis toimub ioonikanalite kaudu, on aluseks mitmele fundamentaalsele füsioloogilisele protsessile. See hõlmab näiteks elektrisignaale südames ja närvisüsteemis, neerude tööd ja immuunvastust. Palju toksiine on välja arenenud halvamaks saaklooma närvisüsteemi ioonikanaleid (näiteks ämblike ja madude mürgid). Need töötavad, muutes ioonikanali juhtivust ja/või kineetikat. Ioonikanalid on ka võtmeosaks mitmes bioloogilises protsessis, mis vajavad kiireid muutusi rakkudes, näiteks südame-, skeleti- ja silelihaste kokkutõmbed, epiteelkoes toitainete ja ioonide transport, T-lümfotsüütide aktivatsioon ja pankreases insuliini vabastamine. Uute ravimite väljatöötamisel üritatakse mõjutada just ioonikanalite tööd. ioonikanalite olulisust näitab ka see, et nad moodustavad tervelt 1,5% inimgenoomist.
Teatud tüüpi kanalite alaühiku(te) puudumine või mutatsioon neis võib viia funktsiooni kadumiseni ja on põhjuseks mitmele neuroloogilisele ja teistele haigustele.

Mitmekesisus

Elusrakkudes on üle 300 tüübi ioonikanaleid. Vastavalt läbilastavate ioonide laengule saab neid jagada katioonikanaliteks ja anioonikanaliteks. Veel saab neid jagada lekkivateks(ingl leakage) kanaliteks, mis on pidevalt avatud ja tõkestatavateks (ingl gated) kanaliteks, mida saab avada ja sulgeda vastava ligandi või muu mehhanismi abil. Kanaleid võib kategoriseerida ka tööpõhimõtte, arvu või valkude paiknemise järgi.
Ioonikanaleid saab edasi eristada, kui abistavad alaühikud tekitavad spetsiifilist tüüpi voolu.

Klassifikatsioon tõkestuse järgi

Ioonikanaleid saab klassifitseerida tõkestatuse (ingl gating) järgi, mis avab ja sulgeb kanali. Pingeseoselised ehk pingetõkestatud ioonikanalid avanevad ja sulguvad vastavalt plasmamembraani pingegradiendile, samas ligandseoselised ioonikanalid avanevad ja sulguvad vastava ligandi seondumisel kanalile.

Ligandseoselised kanalid

Ligandseoselist ehk ligandtõkestatud rühma tuntakse ka kui ionotroopseid retseptoreid. Kanalid avanevad kindla ligandmolekuli seondumisel rakuvälisele retseptorvalgu domeenile. Ligandi seondumine põhjustab konformatsioonilisi muutusi kanalivalgu struktuuris, mis viib kanali avanemiseni. Sellele järgneb ioonide vool läbi plasmamembraani. Sellised kanalid on näiteks katioone läbilaskev nikotiinergiline atsetüülkoliini retseptor, ionotroopsed glutamaat-tõkestatud retseptorid, happetundlikud ioonikanalid (ASIC – acid-sensing ion channel) ja ATP-tõkestatud P2X retseptorid.

Ioonikanali blokeerijad

Paljud anorgaanilised ja orgaanilised molekulid võivad muuta ioonikanali aktiivsust ja juhtivust. Levinumad ioonikanalite blokaatorid on näiteks:
tetrodotoksiin (TTX) – toksiin, mida kasutab kerakala enesekaitseks, blokeerides ohvri naatriumkanaleid;
saksitoksiin (STX) – neurotoksiin, mida looduslikult toodavad paljud dinoflagellaadid ja tsüanobakterid, mis blokeerib pingeseoselisi naatriumkanaleid;
konotoksiin – neurotoksiline valk, mida toodab koonustigu. Eri tüübid võivad mõjutada näiteks naatriumkanaleid, kaaliumkanaleid ning pingeseoselisi naatrium- ja kaltsiumkanaleid;
lidokaiin ja novokaiin – kasutatakse lokaalanesteetikumidena näiteks hambaravis, blokeerivad naatriumkanaleid;
dendrotoksiinid – klass presünaptilisi neurotoksiine, mida toodavad mambad, blokeerivad teatud alamtüüpe pingeseoselisi kaaliumkanaleid. Musta mamba toodetud dendrotoksiin K blokeerib eelistatult Kv1.1 kanaleid ja on aktiivne juba pikomolaarsetel kontsentratsioonidel.

Patoloogia

Loomadel (sh inimestel) seostatakse ioonikanalitega hulka haiguslikke seisundeid, nagu kaasasündinud hüperinsulism, tsüstneer, tsüstiline fibroos, Brugada sündroom, mukolipidoos IV.
Tsüstilist fibroosi põhjustab ka mutatsioon CFTR-geenis, mis kodeerib tsüstilise fibroosi transmembraanse juhtivuse regulaatorvalku (CFTR), mis on kloriidikanal. Mutatsioon selles geenis häirib kloriidiooni transporti rakust välja. Haiguse korral kattuvad kopsud seest limaga, peamine sümptom on hingamishäired. Kahjustada saavad ka maks, pankreas ja seedesüsteem.
Brugada sündroomi põhjustavad mutatsioonid pingeseoselises naatriumkanalis. Sümptomiteks on ventrikulaarne arütmia, sünkoop ja südameseiskumine, mis leiavad aset peamiselt kas magades või puhates. On täheldatud ka eelnevate sümptomiteta südame äkksurma.
Mukolipidoos IV põhjustavad mutatsioonid TRMPML1 kanalit kodeerivas geenis. Sümptomiteks on arengu mahajäämus ja progresseeruv nägemiskahjustus.
Närvisüsteemi haigustest seostatakse eri ioonikanalite düsfunktsiooniga epilepsiat, episoodilist ataksiat, auraga migreeni, Eatoni-Lamberti sündroomi, Alzheimeri tõbe, Parkinsoni tõbe, skisofreeniat, ekstrapüramidaal- ja liigutushäireid, müotoonilisi haigusseisundeid jpt.
Episoodilise ataksia tüübid 1 ja 2: esimest tüüpi põhjustavad mutatsioonid KCNA1 geenis, mis kodeerib pingeseoselist kaaliumkanalit KV1.1. Teist tüüpi põhjustavad mutatsioonid CACNA1A geenis, mis kodeerib pingeseoselist kaltsiumkanalit.