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 (nt närviimpulsi teke ja ülekanne).
Ioonikanal avaneb (nt ligandi toimel) ning laseb perioodiliselt ja väga valikuliselt läbi teatud ioonid või ühe või mitu aniooni või katiooni.
Üldiseloomustus.
Kaks peamist omadust, mis eristavad ioonikanaleid teistest ioontransporteritest ehk ioonpumpadest:
Ioonikanalid paiknevad peaaegu kõikide elusorganismide rakkude rakumembraanides ja mitmes rakuorganellis. Valk moodustab kitsa ava läbi membraani, kust pääsevad läbi vaid kindla suuruse ja/või laenguga ioonid. Seda kutsutakse selektiivseks permeaabluseks ehk selektiivseks läbitavuseks. Tüüpiline ioonikanal on vaid ühe või kahe aatomi laiuse vahega oma kitsaimast kohast ning seda saavad läbivad vaid kindlat tüüpi ioonid, näiteks kaalium või naatrium. Mõned kanalid võivad olla aga läbitavad rohkem kui üht tüüpi ioonidele, kuid üldiselt peavad ioonid siiski sama laenguga olema: positiivsed katioonid või negatiivsed anioonid. Ioonid liiguvad läbi kanali üksteise järel tihti sama kiiresti kui mujal lahuses. Mitme iooni läbitavust reguleeritakse värava ehk tõkkega, mis avaneb ja sulgub reaktsioonina keemilisele või elektrilisele signaalile, temperatuurile või mehaanilisele jõule.
Ioonikanalid on integraalsed membraanivalgud, koosnedes tavaliselt mitmest valgust. Eri alaühikud ehk subühikud on tavaliselt homoloogilised või identsed ning paiknevad ringikujuliselt tihedalt üksteise kõrval, omavahel membraani läbivat poori moodustades. Pingeseoseliste ioonikanalite poori moodustavaid alaühikuid kutsutakse α alaühikuteks ning abistavaid alaühikuid tähistatakse β, γ jne.
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 (nt 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.
Pingeseoselised ioonikanalid.
Rakumembraanil paiknev potentsiaalide erinevuse tekitatud elektriväli põhjustab ioonikanalis konformatsioonilisi muutusi, mis vastavalt membraanipotentsiaalile avavad või sulgevad pingeseoselise ioonikanali.
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.
Muude tegurite toimel avanevad kanalid.
See kategooria hõlmab muuhulgas sekundaarset edastajate aktivatsiooni ja inaktivatsiooni. Nende signaal pärineb raku seest. Võrdluseks, ligandtõkestatavatel kanalitel tuleb taoline signaal väljastpoolt rakku. Sellisteks sekundaarseteks edastajateks võivad olla ioonid, mis põhjustavad kanali otsest aktivatsiooni. See erineb pingeseoseliste ioonikanalite kaudsest aktivatsioonist (ioonidest tekkinud elektriline potentsiaal põhjustab (in)aktivatsiooni).
Klassifikatsioon paiknemise järgi.
Ioonikanalid võivad asuda nii rakku ümbritseval plasmamembraanil kui ka rakusiseste organellide membraanil. Kuna plasmamembraan moodustab vaid ~2% tervest raku membraanist, siis ülejäänud 98% on rakusiseste organellide koostises (nt endoplasmaatiline retiikulum, Golgi kompleks, mitokonder ja kloroplast). Selle alusel jagatakse ioonikanalid kaheks:
Ioonikanali blokeerijad.
Paljud anorgaanilised ja orgaanilised molekulid võivad muuta ioonikanali aktiivsust ja juhtivust. Levinumad ioonikanalite blokaatorid on näiteks
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.