Ionekanal

Ionekanal - Et protein som går gjennom membranen og som lager en vannfylt kanal som kan utføre rask og selektiv transport av ioner langs en elektrokjemisk gradient. Elektrokjemisk vil si at det er en kombinert ladnings- og konsentrasjonsgradient. Regulering av åpning og lukking av ionekanaler er styrt av membranpotensial, ligander, pH, hormoner og andre signalfaktorer. Ionekanaler har en fundamental rolle i molekylær signaloverføring i form av kalsiumkanaler i alle eukaryote celler. Dessuten ionekanaler deltar i elektrolyttbalanse og regulering av pH, cellevolum og ionekonsentrasjoner i cytoplasma eller vesikler.  Flere typer sykdommer hos mennesker er relatert til feil i ionekanaler (kanalopati, kanalfeilsykdom).

Ionekanalene er som oftest spesifikke for en type ioner: Na+ (natriumkanaler), K+ (kaliumkanaler), Ca2+ (kalsiumkanaler), Cl- (kloridkanaler), men det finnes også mer uspesifikke kationkanaler eller anionkanaler. Når en ionekanal åpnes strømmer det titalls millioner ioner gjennom kanalen per sekund. 

  1) Ligandregulerte kanaler kan åpnes og lukkes via spesielle molekyler, e.g. glutamat- eller GABA (gamma-aminosmørsyreregulerte kanaler i nervesystemet.Syklisk nukleotidregulerte ionekanaler har cAMP og cGMP som ligander. 

2) Spenningsregulerte kanaler via endring i  membranpotensialet over plasmamembranen, eller over membranen som omgir celleorganeller (mitokondrier, endosomer, lysosomer, endoplasmatisk retikulum, kloroplaster (planter). Spenningsregulerte ionekanaler deltar i aksjonspotensialer og overføring av nerveimpulser hos dyr.

3) Strekningsaktiverte ionekanaler som responderer på berøring. Ionekanaler kan påvirkes av kulde eller varme, pH, fosforylering, stoffer fra fettmetabolismen. Ionekanalene samvirker med elektrogene pumper, ATPaser, det vil si transport av ioner over membranen ved bruk av energi i form av ATP. Ionegradienter over membranen kan også være koblet til sekundær aktiv transport over membranen via symport eller antiport. 

Etter virkemåte deles ionekanalene inn i:

Spenningsregulerte ionekanaler

Sspenningsregulerte ionekanaler styrt av membranpotensialet. Disse åpnes eller lukkes når membranpotensialet i cellene passerer en terskelverdi.

Elektrogene pumper som H+ATPase, Ca2+ATPase, Na+K+ATPase i plasmamembranen senker membranpotensialet, gjør det mer negativt, og gir hyperpolarisering i forhold til hvilepotensialet.  En depolarisering gir et mer positivt membranpotensial. Natriumkanaler sammen med kalium- og kalsiumkanaler deltar i overføring av nerveimpulser og kontraksjon av muskler. Na+K+ATPase frakter tre Na+ ut av cellen for hver to K+ inn, er således elektrogen og gjør membranpotensialet mer negativt. 

Noen marine dinoflagellater lager nervegiften saxitoksin (paralyttisk skalldyrtoksin) som binder seg til spenningsregulerte natriumkanaler i nerveceller hos pattedyr og blokkerer derved overføring av aksjonspotensialer som er nødvendig for å kunne overføre nerveimpulser. Skjell og østers som bruker dinoflagellater som matkilde lagrer saxitoksin som deretter kan forgifte mennesker. 

Pufferfisker i familien Tetraodontiformes  inneholder nervegiften tetrodotoksin som blokkerer spenningsregulerte natriumkanaler hos pattedyr.  

  Hos berøringsfølsomme planter og i nerveceller i nervesystemet hos dyr vil et aksjonspotensial kunne åpne spenningsregulerte kalium- og kalsium-kanaler. 

Ligandstyrte ionekanaler

Ligandstyrte ionekanaler hvor hormoner, sekundære budbringere og andre kjemiske stoffer binder seg til reseptorer koblet til kanalen.  Reseptorene kan være ionotrofe glutamatreseptorer som hos pattedyr, eller metabotrofe som er membranreseptorer hos eukaryote celler som binder sekundære budbringere.  Hos dyr kan disse kanalene bli styrt av nevrotransmittorene og aminosyrene glutamat, glycin samt gamma-aminosmørsyre (GABA), men i planter er det også funnet glutamat-reseptor lignende gener, og aminosyrer deltar i signalveier som regulerer nitrogenstatus.

Mekanosensitive ionekanaler

Strekkfølsomme (mekanosensitive, strekksensitive) ionekanaler som responderer på berøring, både på utsiden og innsiden av krooppen, for eksempel ionekanaler, Piezo1 og Piezo 2. Proprioreseptorer på muskler som bestemmer posisjonen til muskler i kroppen, trykkfølsomme Merkelceller, og måling av trykk i nervender i blodkar og lunger. 

Lysregulerte ionekanaler

Lysfølsomme ionekanaler hvor lys via fytokrom, kryptokrom, fototropin eller andre fotoreseptorer registrerer lys

pH-regulerte ionekanaler

pH sensitive ionekanaler som responderer på pH i cellene.

Temperaturregulerte ionekanaler

Temperaturregulerte ionekanaler responderer på endringer i temperatur. 

Selektive og ikke-selektive ionekanaler

Kalium- og kalsiumkanaler er selektive og spesialisert, men planter inneholder også en rekke ikke-selektive kationkanaler i plasmamembranen og vakuolemembranen (tonoplast).

Åpning og lukking av spalteåpninger

I åpning og lukking av spalteåpninger deltar henholdsvis innover-  og utover-forsterkende kaliumkanaler, kloridkanaler og kalsiumkanaler som responderer på størrelsen til membranpotensialet. Ionekanaler er åpne eller lukket, og når de åpnes beveger ioner seg ned en elektrokjemisk gradient. I lys virker en blåttlysaktivert H+ATPase som gir hyperpolarisering passering av en terskelverdi for membranpotensialet.

Mekanosensitive ionekanaler

Mekanisk påvirkning som berøring, bøying, trykk, gravitasjon og osmotisk trykk kan bli registrert av mekanosensitive ionekanaler. Kalles også strekkaktiverte kanaler eller styrkeregulerte kanaler.  To-pore kaliumkanaler i vakuolen reagerer på strekk.

Hos planter blir det registrert trykk ved vekst av siderøtter gjennom cortex eller vekst av pollenslangen fra arret gjennom transmisjonsvev til embryosekken. Stimulering via gravitasjon og statolitter gir membrandepolarisering, innfluks av kalsium (Ca2+) og alkalisering av cytoplasma.

Mekanosensitive ionekanaler finnes hos bakterier, planter, sopp og dyr registrerer berøring eller endringer i cellevolumet forårsaket av strekk, form og tykkelse av cellemembraner. De mekanosensitive ionekanalene kan sørge for osmotisk balanse (osmotisk homeostase). Hos dyr deltar mekanosensitive ionekanaler i hørsel og balanse. Det finnes mekanosensitive kalium-kanaler i neuroner, og finnes i piezo-familien. Piezokanaler deltar i overføringen av mekaniske trykkstimuli i dyr. Piezokanaler er store proteiner med opptil 4000 aminosyrer og 40 membranløkker.

Hos bakterier, sopp og planter finner man MscS (”Mechanosensitive channel of Small conductanse”) som registrerer osmotiske endringer, men kan også åpnes eller lukkes eller respons på mekaniske virkning av plantespisere som skader cellevevet eller via patogener. Mekanosensitive ionekanaler i bakterier registrerer osmotiske endringer og osmotisk sjokk. Mekanosensitive ionekanaler med liten konduktanse er av forskjellig type i plastider, mitokondrier og plasmamembran.

Nobelprisen i fysiologi eller medisin i 2021 ble tildelt amerikanerne David Julius og Ardem Patapoutian «for deres oppdagelser av reseptorer for temperatur og berøring». Med bruk av alkaloidet capsaicin ble varme- og capsaicinreseptoren TRPV1 (Transient reseptor potensial vanilloidunderfamilien nummer 1) identifisert. En kationionekanal som overfører smerte, og kan også bli aktivert av protoner ved lav pH, betennelsesaktiverende stoffer og signalstoffer laget fra fettsyrer. Med mentol ble kationioneknalen TRPM1 funnet, og som virker som en kulde- og mentolreseptor.   

Reseptorionekanaler i koblingen mellom nerve- og muskelceller

Dyr kan ha reseptorionekanaler, ionotrope ionekanaler, som virker som reseptorer for nevrotransmittere, og er forskjellig fra de metabotrope reseptorene som gir signal via sekundære budbringere. Disse kan klassifiseres som ligandregulerte ionekanaler. Acetylkolinreseptoren i koblingen mellom nerveceller og muskelceller er eksempel på en ionotrop ionekanal. Når reseptoren binder acetylkolin så åpnes kanalen for kalium (K+), natrium (Na+) og kalsium (Ca2+) som resulterer i depolarisering av cellen. Nevrotransmittorene glutamat og serotonin virker på lignende måte via ionotrope ionekanaler som for acetylkolin. Nevrotransmittoren og aminosyren glycin er en ionotrop ionekanal for klorid (Cl-). Åpning av reseptorionekanaler kan gi depolarisering eller hyperpolarisering av cellen. Det finnes både ionotrope (GABAA) og metabotrope (GABAB) GABA (gamma-aminosmørsyre) -reseptorer

Kalsiumkanaler og inositoler

Konsentrasjonen av kalsium (Ca2+) er vanligvis lav i cytoplasma, men ved åpning av Ca2+ kanaler kan konsentrasjonen plutselig øke ved binding av inositol 1,4,5-trifosfat (IP3) eller syklisk ADP-ribose.  Når IP3 bindes til kalsiumkanalreceptoren åpner denne og tømmer reservoirene med Ca2+ i endoplasmatisk retikulum og vakuoler ut i cytoplasma. 

Det finnes 3 hovedtyper kalsiumkanaler:

1) Spenningsregulerte Ca2+-kanaler.

2) Reseptor/sekundær budbringer Ca2+-kanaler. Reguleres av IP3.

3) Strekkfølsomme Ca2+-kanaler som responderer på berøring, vind, turgor.

Lagrene for Ca2+ befinner seg i cellevegg, vakuole, endoplasmatisk retikulum, men lagere kan også finnes i kloroplaster, mitokondrier og cellekjerne. Ca2+-ATPase pumper Ca2+ ut i lagrene, og de tømmes via Ca2+-kanalene. Det kan være millimolare (mM) konsentrasjoner av Ca2+ i lagrene, mens det i cytoplasma kan være en hvilke konsentrasjon av Ca2+ opptil 200 nanomolar (nM) = 0.2 mikromolar (μM). Vi kjenner til fra vår hverdag at en svitsj eller bryter kan brukes til å skru på forskjellige ting. Ved fjernkontrollen kan vi skru av/på video, radio, TV og DVD-spiller ved å trykke på litt forskjellige knapper.  Både den romlige utbredelse og varigheten av kalsiumsignalet kan påvirke hvor spesifikt signalet er. Det finnes flere kalmodulinbindende proteiner.  Noen protein kinaser kan aktiveres av et kompleks av kalsium (Ca2+) bundet til proteinet kalmodulin. Konformasjonsendringen som skjer når Ca2+ bindes aktiverer Ca2+-kalmodulin avhengige protein kinaser som fosforylerer aminosyrene serin og threonin på enzymer påvirker enzymaktiviteten. Kalmodulin har 4 Ca2+ -bindende løkker, 12 aminosyrer i hver løkke med mye av aminosyrene aspartat og glutamat. Ved binding av Ca2+ endres strukturen til kalmodulin slik at hydrofobe områder av proteinet blir eksponert. Andre eksempler på Ca2+-kalmodulinbindende proteiner er NAD+kinase, glutamat dekarboksylase, Ca2+-ATPase, kinesin og myosin V.

   Grønt fluorescerende protein (aequorin) er et Ca2+-følsomt luminiscerende protein fra maneten Aequorea victorea. Proteinet består av to deler, et apoaequorin og en hydrofob coelenterazin som luminiscerer. Binding av Ca2+ til aeqorin gir en konformasjonsendring i protein som gir oksidasjon av coelenterazin og utsendelse av lys. Aequorin er mye brukt for å studere endringer i kalsiumnivå i celler. Det samme gjelder kalsiumfluorescerende stoffer som fura-2, indo-1 og fluo-3. I lukkeceller i spalteåpninger kan man observere oscillasjoner av Ca2+. Effekter av blått og rødt lys, vind, temperatur, anaerobe forhold, ABA, vind, såring, oksidativt stress og elicitorer gir endringer av Ca2+-konsentrasjoner i cytoplasma. Ca2+ styrer også orienteringen av spissen av pollenslanger og i rotspisser.

   Inositoltrifosfat er en budbringer som frigis fra plasmamembranen som respons på et hormonsignal og aktiverer protein kinase i cytoplasma. Hormoner og sekundære budbringere er en integrert del av signalkjede og overføring fra ytre miljøbetingelser og respons på cellulært nivå.

    myo-inositol er et viktig mellomprodukt i plantenes metabolisme. Inositolheksafosfat er et viktig lager for fosfat i frø. I membranen finnes lipider som inneholder inositol. Galaktinol lages fra UDP-galaktose og inositol og er utgangspunktet for å lage raffinosesukker i platene.

Fosfatidylinositol er et fosfolipid i plasmamembranen som kan fosforyleres to ganger ved hjelp av ATP katalysert av kinaser slik at det dannes fosfatidylinositol 4,5-bisfosfat (PIP2). Når fosfatidylinositol 4,5-bisfosfat spaltes av fosfolipase C dannes inositol 1,4,5-trifosfat (IP3) og diacylglycerol (DAG). DAG aktiverer protein kinase C og IP3 gjør at kalsiumkanalene i endoplasmatisk retikulum og vakuolemembranen (tonoplast)  åpnes. Prosessen slutter ved at IP3 brytes ned av en fosfatase. Kalsiumsignalet beveger seg som en oscillerende bølge gjennom cytosol. PIP2 kan binde seg til proteiner som deltar i organiseringen av mikrofilamenter.

Sekvenseringsdata fra Arabidopsis  antyder at planter har en stor familie med reseptor lignende protein kinaser. Eksempler på slike er S-reseptor protein kinase som deltar i utskillelsen av glykoproteiner i forbindelse med selvinkompatibilitet i Brassica.

Oligosakkarider, celleveggfragmenter virker også som elicitorerer. Bakterielle lipooligosakkarider er viktige signalmoleykler i induksjonen av nitrogenfikserende symbiose med erteplanter.

Ionekanalsvikt

Feil i ionekanaler kan gi sykdom  og syndromer. Cystisk fibrose skyldes en mutasjon i genet CFTR  som gir endring i en aminosyre i proteinet CFTR (cystisk fibrose transmembran konduktanseregulator)  som er en del av ionekanalen for klorid (Cl-) som påvirker slimproduksjon i eksokrint cellevev.

DNA-virus og ionekanaler

Fra studier av phycodnavirus (Phycodnaviridae) som er dobbelttrådet DNA-virus formet som et ioksaeder og som infekterer marine alger, er det indikasjoner på at gener for ionekanaler for H+ og K+  fra viruset kan ha blitt overført til alger. 

Tilbake til hovedside

Publisert 4. feb. 2011 10:27 - Sist endret 5. okt. 2021 14:21