Iontový kanál

Iontové kanály jsou pórotvorné bílkoviny, které pomáhají vytvořit malý napěťový gradient, který existuje napříč membránou všech živých buněk (viz buněčný potenciál), tím, že umožňují tok iontů po jejich elektrochemickém gradientu. Jsou přítomny v membránách, které obklopují všechny biologické buňky.

Iontový kanál je integrální membránový protein nebo typicky soustava několika proteinů. Takové „vícepodjednotkové“ sestavy obvykle zahrnují kruhové uspořádání identických nebo příbuzných proteinů těsně namačkaných kolem vodou naplněného póru v rovině membrány nebo lipidové dvouvrstvy. Zatímco velkopórové kanály umožňují průchod iontů víceméně bez rozdílu, archetypální kanálový pór je v nejužším místě široký jen jeden nebo dva atomy, vede určitý druh iontů, jako je sodík nebo draslík, a přenáší je membránou jedním souborem – téměř tak rychle, jako se ionty pohybují volnou tekutinou. V některých iontových kanálech je přístup do póru řízen „bránou“, která může být otevřena nebo uzavřena chemickými nebo elektrickými signály, teplotou nebo mechanickou silou v závislosti na rozmanitosti kanálů.

Protože „napěťově řízené“ kanály jsou základem nervového impulsu a protože „vysílačově řízené“ kanály zprostředkovávají vedení přes synapse, jsou kanály zvláště výraznými složkami nervového systému. Většina útočných a obranných toxinů, které organismy vyvinuly pro vypínání nervových systémů predátorů a kořisti (např. jedy produkované pavouky, štíry, hady, rybami, včelami, mořskými šneky a dalšími) funguje tak, že ucpává póry iontových kanálů. Ale iontové kanály figurují v široké škále biologických procesů, které zahrnují rychlé změny v buňkách. Při hledání nových léků jsou iontové kanály oblíbeným cílem.

Některé kanály reagují na více vlivů. Například NMDA receptor je částečně aktivován interakcí s ligandem, glutamátem, ale je také citlivý na napětí a vede pouze při depolarizaci membrány. Některé kalcium citlivé draselné kanály reagují jak na vápník, tak na depolarizaci, přičemž přebytek jednoho zřejmě postačuje k překonání absence druhého.

Doporučujeme:  Ernst Mayr

Kanály se liší s ohledem na iont, který nechávají projít (například Na+, K+, Cl−), způsoby, kterými mohou být regulovány, počet podjednotek, z nichž jsou složeny, a další aspekty struktury. Kanály patřící do největší třídy, která zahrnuje napěťově řízené kanály, které jsou základem nervového impulsu, se skládají ze čtyř podjednotek po šesti transmembránových helicích. Při aktivaci se tyto helice pohybují a otevírají pór. Dvě z těchto šesti helií jsou odděleny smyčkou, která lemuje pór a je primárním determinantem iontové selektivity a vodivosti v této třídě kanálů a některých dalších. Kanálové podjednotky jedné takové jiné třídy se například skládají jen z této „P“ smyčky a dvou transmembránových helicí. Stanovení jejich molekulární struktury Roderickem MacKinnonem pomocí rentgenové krystalografie získalo podíl na Nobelově ceně za chemii za rok 2003.

Vzhledem k jejich malé velikosti a obtížnosti krystalizace integrálních membránových proteinů pro rentgenovou analýzu byli vědci schopni přímo zkoumat, jak kanály „vypadají“. Zejména v případech, kdy krystalografie vyžadovala odstranění kanálů z jejich membrán pomocí čisticího prostředku, mnoho výzkumníků považuje snímky, které byly získány, za předběžné. Příkladem je dlouho očekávaná krystalová struktura draslíkového kanálu řízeného napětím, která byla hlášena v květnu 2003. Jedna nevyhnutelná nejasnost o těchto strukturách se týká silného důkazu, že kanály mění konformaci, jak fungují (například se otevírají a zavírají), takže struktura v krystalu by mohla představovat kterýkoli z těchto provozních stavů. Většinu toho, co výzkumníci o provozu kanálů dosud odvodili, zjistili pomocí elektrofyziologie, biochemie, srovnání genových sekvencí a mutageneze.

Existuje celá řada chemických a genetických poruch, které narušují normální fungování iontových kanálů a mají katastrofální důsledky pro organismus.

Existence iontových kanálů byla hypoteticky potvrzena britskými biofyziky Alanem Hodgkinem a Andrewem Huxleym v rámci jejich nositelů Nobelovy ceny za teorii nervového impulsu, publikované v roce 1952. Existence kanálu byla potvrzena v 70. letech elektrickou nahrávací technikou známou jako „patch clamp“, která vedla k Nobelově ceně Erwina Nehera a Berta Sakmanna, vynálezců této techniky. Stovky, ne-li tisíce výzkumníků pokračují v úsilí o podrobnější pochopení toho, jak tyto proteiny fungují.
V posledních letech pomohl vývoj automatizovaných patch clamp zařízení významně zvýšit throuput v detekci iontových kanálů.