Канали клітинної мембрани

Від | 20.02.2025
0 Коментарів

Канали в клітинній мембрані — це спеціалізовані білкові структури, які забезпечують транспорт іонів, молекул або води через плазматичну мембрану. Вони відіграють ключову роль у підтримці гомеостазу клітини, передачі сигналів і регуляції мембранного потенціалу. Ось докладний опис каналів із хімічної, структурної, біологічної та функціональної точок зору.

Хімічна структура

  • Склад: Канали — це переважно інтегральні мембранні білки, які вбудовані в ліпідний бішар плазматичної мембрани.
  • Амінокислотний склад: Складаються з одного або кількох поліпептидних ланцюгів (субодиниць), що містять гідрофобні домени (для вбудовування в мембрану) і гідрофільні ділянки (формують пору).
  • Просторова структура:
  • Трансмембранні домени: Зазвичай α-спіралі (наприклад, 6-12 спіралей у іонних каналах), які пронизують мембрану.
  • Пора: Гідрофільний канал у центрі, вистелений полярними амінокислотами (серин, треонін, аспарагін тощо).
  • Селективний фільтр: Вузька ділянка пори, що визначає специфічність до певних іонів чи молекул.

Класифікація каналів

1. За типом транспорту:

  • Іонні канали: Пропускають іони (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻).
  • Аквапорини: Транспортують воду.
  • Порини: Менш селективні, пропускають дрібні молекули (у зовнішній мембрані мітохондрій і бактерій).

2. За механізмом активації:

  • Потенціал-залежні: Відкриваються при зміні мембранного потенціалу (наприклад, Na⁺-канали в нейронах).
  • Ліганд-залежні: Відкриваються при зв’язуванні з молекулою (наприклад, ацетилхолінові рецептори).
  • Механочутливі: Реагують на механічний тиск чи розтягнення (у слухових клітинах).
  • Температурно-чутливі: Активуються теплом чи холодом (TRP-канали).
  • Нерегульовані (фонові): Постійно відкриті для підтримання базового потоку іонів.

3. За селективністю:

  • Селективні (K⁺-канали пропускають лише калій).
  • Неселективні (деякі катіонні канали пропускають Na⁺ і K⁺).

Структурні особливості

  • Приклад: K⁺-канал (KcsA):
  • Тетрамер із 4 субодиниць, кожна з 2 трансмембранними спіралями і “P-петлею” (селективний фільтр).
  • Селективність до K⁺ завдяки розміру пори (~2.8 Å) і координації з карбонільними групами амінокислот.
  • Аквапорини:
  • Годинникова форма з 6 трансмембранними спіралями, вузька пора (~2.8 Å) пропускає воду, але блокує H⁺ завдяки “аргініновому бар’єру”.
  • Субодиниці: Багато каналів (наприклад, Na⁺-канали) складаються з кількох субодиниць або доменів, які разом утворюють функціональну пору.

Функціональні властивості

1. Пасивний транспорт:

  • Канали працюють за градієнтом концентрації або електрохімічного потенціалу, не потребуючи енергії ATP (на відміну від насосів).

2. Швидкість:

  • Іонні канали пропускають 10⁶–10⁸ іонів за секунду, що значно швидше, ніж транспортні білки-носії.

3. Селективність:

  • Визначається розміром пори та хімічними взаємодіями (наприклад, Na⁺-канали віддають перевагу натрію через менший розмір гідратованого іона порівняно з K⁺).

4. Регуляція:

  • “Ворота” (gating): Канали можуть відкриватися або закриватися:
    • Потенціал-залежні: Зміна конформації при деполяризації мембрани.
    • Ліганд-залежні: Зв’язування ліганда (наприклад, Ca²⁺ чи нейротрансмітер) змінює структуру.

Біологічна роль

1. Мембранний потенціал:

  • K⁺-канали підтримують потенціал спокою (~ -70 мВ у нейронах).
  • Na⁺- і Ca²⁺-канали генерують потенціал дії (деполяризація).

2. Сигналізація:

  • Ca²⁺-канали регулюють вивільнення нейротрансмітерів, скорочення м’язів.
  • Ліганд-залежні канали (наприклад, NMDA-рецептори) беруть участь у синаптичній передачі.

3. Гомеостаз:

  • Аквапорини контролюють водний баланс (наприклад, у нирках).
  • Cl⁻-канали регулюють об’єм клітини.

4. Сенсорна функція:

  • Механочутливі канали в слухових клітинах реагують на звукові хвилі.
  • TRP-канали беруть участь у сприйнятті температури.

Приклади каналів

1. Натрієві канали (Na⁺):

  • Структура: Один великий білок із 4 гомологічними доменами.
  • Функція: Ініціація потенціалу дії.

2. Калієві канали (K⁺):

  • Типи: Потенціал-залежні, фонові, Ca²⁺-активовані.
  • Функція: Реполяризація мембрани.

3. Кальцієві канали (Ca²⁺):

  • Типи: L-, T-, N-типи.
  • Функція: Скорочення м’язів, секреція гормонів.

4. Хлоридні канали (Cl⁻):

  • Приклад: CFTR (мутація викликає муковісцидоз).
  • Функція: Регуляція осмотичного тиску.

5. Аквапорини:

  • AQP1, AQP2 тощо.
  • Функція: Транспорт води в нирках, мозку.

Механізм роботи

  • Відкриття/закриття: Зміна конформації білка (наприклад, рух “ворітного” домену).
  • Селективність: Розмір пори та заряджені амінокислоти в селективному фільтрі визначають, які іони проходять.
  • Приклад: У K⁺-каналі селективний фільтр має карбонільні кисні, що імітують гідратаційну оболонку K⁺, але не Na⁺.

Патології

  • Каналопатії:
  • Епілепсія: Мутації в Na⁺- або K⁺-каналах.
  • Муковісцидоз: Дефект CFTR (Cl⁻-каналу).
  • Синдром подовженого QT: Порушення роботи K⁺-каналів у серці.
  • Міотонія: Дисфункція Cl⁻-каналів у м’язах.

Застосування

  • Медицина:
  • Блокатори каналів (наприклад, лідокаїн для Na⁺-каналів) як анестетики.
  • Діуретики впливають на аквапорини в нирках.
  • Наука: Вивчення каналів (електрофізіологія, patch-clamp) для розуміння нервової системи.

Цікаві факти

  • Структура K⁺-каналу була розшифрована Родеріком МакКінноном (Нобелівська премія з хімії, 2003).
  • Аквапорини пропускають ~3 млрд молекул води за секунду.
  • У бактерій канали (порини) менш селективні, ніж у еукаріотів.
Переглядів: 19