ช่องไอออน: โครงสร้างหน้าที่ประเภท - ชีววิทยา - 2025

ช่องไอออนเป็นโครงสร้างเมมเบรนกลวงที่ช่องฟอร์มหรือรูขุมขนภายในความหนาของเยื่อหุ้มเซลล์และการสื่อสารภายนอกของเซลล์ที่มีเซลล์และรองของตนในทางกลับกัน; บางแห่งอาจมีระบบประตูที่ควบคุมการเปิด

ช่องเหล่านี้เต็มไปด้วยน้ำและควบคุมการผ่านของไอออนเฉพาะจากด้านหนึ่งของเมมเบรนไปยังอีกด้านหนึ่ง พวกมันประกอบด้วยโปรตีนตามแบบฉบับของเยื่อหุ้มเซลล์ที่สร้างโครงสร้างรูปทรงกระบอกทรงกระบอกที่พาดผ่าน

การสร้างช่องไอออนแบบเปิดและปิด (ที่มา: Efazzari ผ่าน Wikimedia Commons)

กลไกการขนส่งผ่านเยื่อเหล่านี้สามารถแบ่งได้อย่างกว้าง ๆ เป็นการขนส่งแบบพาสซีฟหรือแอคทีฟ พาสซีฟคือสารที่อนุญาตให้มีการเคลื่อนผ่านของสารในการไล่ระดับความเข้มข้นในขณะที่สารออกฤทธิ์ต้องการการใช้พลังงานเนื่องจากสารเหล่านี้เคลื่อนย้ายสารไปตามการไล่ระดับความเข้มข้น

ช่องไอออนเป็นกลไกการขนส่งแบบพาสซีฟที่สามารถจำแนกได้ตามความจำเพาะนั่นคือตามชนิดของไอออนที่อนุญาตให้ผ่านหรือตามวิธีที่พวกมันเปิดหรือปิด

หน้าที่หลักของระบบการขนส่งเมมเบรนเหล่านี้คือการอนุญาตให้สารควบคุมผ่านเข้าหรือออกจากเซลล์และรักษาระดับความเข้มข้นของไอออนและสารอื่น ๆ ภายในเซลล์

การมีเยื่อหุ้มเซลล์และช่องไอออนเป็นพื้นฐานสำหรับการรักษาความแตกต่างของความเข้มข้นระหว่างสื่อภายในเซลล์และภายนอกเซลล์ซึ่งมีความเกี่ยวข้องจากหลายมุมมอง

ช่องไอออนโดยเฉพาะอย่างยิ่งช่องที่ขึ้นอยู่กับลิแกนด์มีความสำคัญอย่างมากในด้านเภสัชวิทยาและการแพทย์เนื่องจากยาหลายชนิดสามารถเลียนแบบการทำงานของลิแกนด์ตามธรรมชาติและทำให้เกาะติดกับช่องเปิดหรือปิดได้แล้วแต่กรณี

ยาอื่น ๆ สามารถปิดกั้นบริเวณที่มีผลผูกพันและป้องกันการกระทำของลิแกนด์ตามธรรมชาติ

โครงสร้าง

โครงสร้างของช่องไอออนประกอบด้วยโปรตีน transmembrane เฉพาะที่มีรูปร่างเป็นท่อและปล่อยให้มีรูพรุนหรือรูที่ช่วยให้สามารถสื่อสารระหว่างภายในและภายนอกเซลล์หรือระหว่างช่องภายในเซลล์ (ออร์แกเนลล์)

แต่ละช่องไอออนเกี่ยวข้องกับโปรตีนเมมเบรนที่มีโครงสร้างเฉพาะและมีการอธิบายยีนมากกว่า 100 ยีนที่เข้ารหัสช่องไอออนเฉพาะ

ตัวอย่างเช่นสำหรับช่องโซเดียมมีการอธิบายยีน 10 ยีนที่เรียกว่า SCN ซึ่งเข้ารหัสโปรตีนที่แตกต่างกันซึ่งกระจายอยู่ในเนื้อเยื่อที่แตกต่างกันโดยมีหน้าที่และโครงสร้างเฉพาะ

ในทำนองเดียวกันยีนจำนวนมากได้รับการอธิบายว่าเข้ารหัสโปรตีนที่แตกต่างกันซึ่งประกอบเป็นช่องโพแทสเซียมที่อยู่ในตระกูลต่างๆและมีกลไกการกระตุ้นการเปิดและการปิดใช้งานที่แตกต่างกัน

โครงสร้างโปรตีนของช่องไอออน

โดยปกติแล้วช่องไอออนที่ใช้งานได้ที่เกี่ยวข้องกับเมมเบรนจะประกอบด้วยการประกอบของหน่วยย่อยโพลีเปปไทด์ที่คล้ายกัน 4 ถึง 6 หน่วย (โฮโมโอลิโกเมอร์) หรือที่แตกต่างกัน (เฮเทอโรโอลิโกเมอร์) ซึ่งเป็นรูพรุนกลางระหว่างพวกมัน

แผนภาพของหน่วยย่อยเมมเบรนของช่องไอออน (ที่มา: Efazzari ผ่าน Wikimedia Commons)

หน่วยย่อยแต่ละหน่วยแตกต่างกันไปตามลักษณะและคุณสมบัติของช่องสัญญาณเนื่องจากส่วนใหญ่มีความเฉพาะเจาะจงสำหรับไอออนบางชนิดและมีกลไกการเปิดและปิดที่แตกต่างกัน

บางช่องประกอบด้วยโซ่โพลีเปปไทด์เส้นเดียวที่จัดเรียงในรูปแบบการทำซ้ำซึ่งผ่านความหนาของเมมเบรนหลายเท่าและทำหน้าที่เทียบเท่ากับหน่วยย่อยของโปรตีน

นอกเหนือจากหน่วยย่อยเหล่านี้ซึ่งรู้จักกันในวรรณคดีว่าหน่วยย่อยαแล้วช่องไอออนบางช่องยังมีหน่วยย่อยเสริม (ßหรือγ) อย่างน้อยหนึ่งหน่วยที่ควบคุมการเปิดและปิด

ความจำเพาะของแต่ละช่องมีความสัมพันธ์กับเส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนที่เกิดจากโปรตีนทรานส์เมมเบรนและโซ่ด้านข้าง (─R) ของกรดอะมิโนที่ประกอบขึ้น

ด้วยวิธีนี้มีช่องทางที่ปล่อยให้โซเดียมโพแทสเซียมแคลเซียมไอออนผ่านและอื่น ๆ เท่านั้นเนื่องจากโซ่ด้านข้างทำหน้าที่เป็น "ตะแกรง"

คุณสมบัติโครงสร้างเพิ่มเติม

คุณสมบัติที่สำคัญอีกประการหนึ่งของหลาย ๆ ช่องคือประตู ช่องที่มีคุณสมบัติเหล่านี้สามารถเปิดหรือปิดเพื่อป้องกันการเปลี่ยนแปลงเฉพาะที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมขนาดเล็กของเมมเบรนที่อยู่รอบ ๆ ช่องสัญญาณ

การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจเป็นเชิงกลความร้อน (การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ) ไฟฟ้า (การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า) หรือสารเคมีทั้งนี้ขึ้นอยู่กับประเภทของช่องสัญญาณ

อย่างไรก็ตามในช่องไอออนแฝงที่เรียกว่าซึ่งเป็นช่องที่ยังคงเปิดอยู่และอนุญาตให้มีการไหลผ่านของไอออนบางชนิดโครงสร้างเหล่านี้ไม่มีประตูหรือมีความไวต่อลิแกนด์หรือสิ่งเร้าประเภทอื่น ๆ

ในช่องไอออนอื่น ๆ ซึ่งมีความไวต่อการมีอยู่หรือการผูกมัดของลิแกนด์มีสถานที่ผูกมัดสำหรับลิแกนด์ทั้งที่ด้านนอกเซลล์หรือไปทางไซโตซอลของเซลล์และในกรณีเหล่านี้รูขุมขนหรือช่องมีประตูที่สามารถเปิดหรือปิดได้ ตามสถานะของลิแกนด์

กลไกการส่งข้อความที่สองสำหรับการเปิดหรือปิดช่อง

ในกรณีที่มีไซต์ลิแกนด์อยู่ในส่วนภายในเซลล์ช่องเหล่านี้มักจะมีผู้ส่งสารที่สองเป็นลิแกนด์ ตัวอย่างของช่องไอออนที่เปิดหรือปิดโดยกลไกของผู้ส่งสารที่สองคือตัวรับกลิ่น:

โมเลกุลของกลิ่นจับตัวกับตัวรับที่ด้านนอกเซลล์ ในทางกลับกันตัวรับเหล่านี้จะติดอยู่กับโปรตีน G ที่เปิดใช้งานซึ่งในทางกลับกันจะเปิดใช้งานโปรตีน adenyl cyclase ที่สร้างแคมป์ซึ่งเป็นสารตัวที่สอง

แคมป์จะจับกับไซต์ที่มีผลผูกพันภายในเซลล์ของช่องแคลเซียมบางช่องซึ่งส่งผลให้เกิดการเปิดและการเข้าของแคลเซียมเข้าสู่เซลล์

ราวกับว่ามันเป็นผลกระทบของโดมิโนแคลเซียมจะจับกับบริเวณแกนด์ของช่องคลอรีนอื่นซึ่งสร้างช่องเปิดและทางออกของไอออนนี้ทำให้เกิดการลดขั้วของเซลล์รับกลิ่น

สิ่งสำคัญคือต้องเน้นว่าการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากแกนด์หรือสิ่งเร้าที่มีผลต่อช่องไอออนนั้นสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงตามโครงสร้างของโปรตีนที่ประกอบเป็นโครงสร้างของช่องสัญญาณ

กล่าวอีกนัยหนึ่งการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่สามารถเคลื่อนประตูและปิดหรือเปิดช่องนั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าการเข้าใกล้หรือระยะห่างของหน่วยย่อยของโปรตีนที่ประกอบกัน

กลไกการเปิดใช้งานและการปิดใช้งานอื่น ๆ

ช่องสัญญาณบางช่องโดยเฉพาะช่องที่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าสามารถเข้าสู่สถานะวัสดุทนไฟในระหว่างที่การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าเดียวกันกับที่เปิดใช้งานตอนนี้จะไม่เปิดใช้งานอีกต่อไป

ตัวอย่างเช่นในช่องแคลเซียมที่มีแรงดันไฟฟ้าการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าจะเปิดช่องและแคลเซียมเข้ามาและเมื่ออยู่ภายในเซลล์ไอออนเดียวกันจะจับกับไซต์ที่มีผลผูกพันกับช่องแคลเซียมและช่องแคลเซียมจะปิดลง .

อีกรูปแบบหนึ่งของการปิดใช้งานแคลเซียมแชนแนลแบบย้อนกลับได้ซึ่งอธิบายถึงการหักเหของมันหลังจากการกระตุ้นคือการลดทอนฟอสฟอรัสของช่องเนื่องจากความเข้มข้นของแคลเซียมภายในเพิ่มขึ้น

นั่นคือช่องแคลเซียมสามารถถูกปิดใช้งานโดยไม่สามารถย้อนกลับได้เนื่องจากมีไอออนที่มีความเข้มข้นสูงทางพยาธิวิทยาซึ่งเป็นสื่อกลางในการสรรหาเอนไซม์ที่แยกออกจากโปรตีนที่กระตุ้นแคลเซียมอื่น ๆ

Ligand-gated channels สามารถเข้าสู่สภาวะทนไฟได้เมื่อสัมผัสกับลิแกนด์เป็นเวลานานกลไกนี้เรียกว่า desensitization

ยาพิษและสารพิษอาจส่งผลต่อการควบคุมช่องไอออนปิดหรือเปิดไว้หรือในบางกรณีการครอบครองพื้นที่ของลิแกนด์จึงรบกวนการทำงานของมัน

คุณสมบัติ

ช่องไอออนมีฟังก์ชันหลายหลากไม่ว่าทางตรงหรือทางอ้อม

- มีหน้าที่ควบคุมการไหลของไอออนผ่านพลาสมาและเยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์ทั้งหมด

- อนุญาตให้มีการควบคุมความเข้มข้นภายในเซลล์ของไอออนที่แตกต่างกัน

- ในเซลล์ประสาทและเซลล์กล้ามเนื้อช่องอิออนจะควบคุมการเปลี่ยนแปลงของศักยภาพของเมมเบรนที่เกิดขึ้นระหว่างศักยภาพในการออกฤทธิ์และในระหว่างการเกิดปฏิกิริยาโพสซินแนปติกของเซลล์เอฟเฟกต์

- ช่องแคลเซียมที่สร้างกระแสสุทธิของแคลเซียมเข้าสู่ช่องว่างภายในเซลล์มีหน้าที่กระตุ้นเอนไซม์และโปรตีนจำนวนมากที่มีส่วนร่วมในกระบวนการเผาผลาญอาหารจำนวนมาก

- ในทำนองเดียวกันการเพิ่มขึ้นของแคลเซียมเนื่องจากการขนส่งที่เพิ่มขึ้นทำให้เกิดกลไกการปลดปล่อยสารสื่อประสาทไปยังช่องว่างของเซลล์ประสาท

- ดังนั้นการทำงานของช่องไอออนจึงเกี่ยวข้องกับกลไกการสื่อสารของเซลล์ด้วย

ลักษณะทั่วไปของการขนส่งผ่านเมมเบรน

ตามที่ระบุไว้ข้างต้นกลไกการเคลื่อนย้ายเมมเบรนอาจเป็นแบบแอคทีฟหรือพาสซีฟขึ้นอยู่กับว่าพวกมันใช้พลังงานจากเซลล์ที่มันอยู่หรือไม่ กลไกแบบพาสซีฟแบ่งออกเป็นการแพร่กระจายอย่างง่ายและการแพร่กระจายแบบอำนวยความสะดวก

การแพร่กระจายอย่างง่าย

การแพร่กระจายอย่างง่ายช่วยให้สามารถผ่านโครงสร้างฟอสโฟลิปิดของเมมเบรนของโมเลกุลที่ละลายในไขมันที่มีขนาดเล็กโดยมีลักษณะที่ไม่เป็นขั้วและไม่มีประจุ

ดังนั้นตัวอย่างเช่นก๊าซเช่นออกซิเจน (O2) และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เอทานอลและยูเรียเพื่อเรียกชื่อไม่กี่ชนิดผ่านการไล่ระดับความเข้มข้น

การเผยแพร่ที่อำนวยความสะดวก

การแพร่กระจายที่อำนวยความสะดวกเป็นสิ่งที่อำนวยความสะดวกโดยโปรตีนและกลไกการขนส่งแบบพาสซีฟนี้มีสองประเภท ได้แก่ ช่องไอออนและโปรตีนขนส่งหรือโปรตีนขนส่ง

ช่องไอออนเป็นกลไกที่เซลล์ใช้มากที่สุดสำหรับการขนส่งไอออนที่ไม่สามารถผ่านการแพร่กระจายอย่างง่ายได้เนื่องจากมีประจุไฟฟ้าและฟอสโฟลิปิดของเมมเบรนขับไล่พวกมันเนื่องจากขนาดและขั้วหรือลักษณะอื่นใด

การแพร่กระจายที่อำนวยความสะดวกโดยโปรตีนตัวพาใช้สำหรับการขนส่งสารขนาดใหญ่ที่มีหรือไม่มีประจุเช่นกลูโคสและน้ำตาลอื่น ๆ

การขนส่งเมมเบรนที่ใช้งานคือสิ่งที่เกิดขึ้นกับการไล่ระดับความเข้มข้นของตัวถูกละลายที่ถูกขนส่งและต้องการการใช้พลังงานในรูปแบบของ ATP ในบรรดาตัวขนส่งประเภทนี้ ได้แก่ ปั๊มและการขนส่งแบบแยกส่วน

ตัวอย่างของปั๊มคือปั๊มโซเดียม / โพแทสเซียมซึ่งกำจัดโซเดียมสามตัวและแนะนำโพแทสเซียมสองตัว นอกจากนี้ยังมีปั๊มแคลเซียม

ตัวอย่างของการขนส่ง vesicular ได้แก่ endocytosis, exocytosis, pinocytosis และ phagocytosis กลไกการขนส่งที่ใช้งานอยู่ทั้งหมดนี้

ประเภทของช่องไอออน

จากจุดนี้เป็นต้นไปการอ้างอิงจะถูกสร้างขึ้นไปยังช่องไอออนที่อนุญาตให้ไอออนผ่านเมมเบรนเพื่อรองรับการไล่ระดับความเข้มข้นนั่นคือเป็นช่องทางการขนส่งแบบพาสซีฟ

โดยทั่วไปแต่ละช่องเหล่านี้มีความเฉพาะเจาะจงสำหรับไอออนเดี่ยวยกเว้นช่องไม่กี่ช่องที่อนุญาตให้ขนส่งคู่ไอออนได้

แผนภาพโครงสร้างของช่องไอออน (ที่มา: Outslider (Paweł Tokarz) ที่ pl.wikipedia ผ่าน Wikimedia Commons)

วิธีหนึ่งในการจำแนกช่องไอออนคือการจัดกลุ่มตามกลไกที่รับผิดชอบในการเปิด ดังนั้นจึงมีการอธิบายช่องสัญญาณแบบพาสซีฟช่องที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า (ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า) ช่องสัญญาณที่ควบคุมด้วยแกนด์และช่องที่ควบคุมแรงกระตุ้นทางกล

- ช่องแฝง : เป็นช่องที่เปิดถาวรและไม่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าทุกประเภท สิ่งเหล่านี้เฉพาะสำหรับไอออนบางชนิด

- ช่องที่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า : ช่องเหล่านี้สามารถเปิดหรือปิดได้ (ขึ้นอยู่กับช่องสัญญาณ) เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าของเมมเบรน มีความสำคัญมากสำหรับการส่งสัญญาณของเซลล์โดยเฉพาะในระบบประสาทส่วนกลางของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม

- ช่องที่ขึ้นอยู่กับลิแกนด์ : เรียกอีกอย่างว่าช่องทางที่มีรั้วรอบขอบชิดหรือลิแกนด์ซึ่งมีการกระจายอย่างกว้างขวางในเซลล์ต่างๆของร่างกายมนุษย์ แต่ในระบบประสาทจะสร้างช่องไอออนที่กระตุ้นโดยสารสื่อประสาทและจำเป็นสำหรับการส่งผ่านแบบซินแนปติกและ การส่งสัญญาณระหว่างเซลล์

ตัวอย่างของช่องไอออนที่ขึ้นกับลิแกนด์ที่กระตุ้นโดยสารสื่อประสาทคือช่องโซเดียม / โพแทสเซียมที่กระตุ้นโดยกลูตาเมต

การกระตุ้นของตัวรับ cholinergic ในกรณีนี้การจับอะซิติลโคลีนกับเมมเบรนโพสซิแนปติก (ลิแกนด์ช่องสัญญาณ) จะเปิดช่องโซเดียมที่ขึ้นกับลิแกนด์และอนุญาตให้ป้อนไอออนนี้ตามการไล่ระดับความเข้มข้น

- ช่องที่ควบคุมโดยสิ่งเร้าทางกล : ช่องเหล่านี้เป็นช่องที่สามารถเปิดใช้งานได้โดยการขยายหรือความดัน แรงกลเหล่านี้ถูกส่งไปยังคลองผ่านโครงร่างโครงร่างและคลองจะเปิดออก

อ้างอิง

1. Bear, MF, Connors, BW, & Paradiso, MA (Eds.) (2007) ประสาทวิทยา (ฉบับ 2) Lippincott Williams และ Wilkins
2. ภาควิชาชีวเคมีและชีวฟิสิกส์โมเลกุล Thomas Jessell, Siegelbaum, S. , & Hudspeth, AJ (2000) หลักวิทยาศาสตร์ประสาท (เล่ม 4, หน้า 1227-1246) ER Kandel, JH Schwartz และ TM Jessell (Eds.) นิวยอร์ก: McGraw-hill
3. Lewis, CA, & Stevens, CF (1983) Acetylcholine receptor channel การเลือกไอออนิก: ไอออนสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำ Proceedings of the National Academy of Sciences, 80 (19), 6110-6113.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008) หลักการทางชีวเคมีของ Lehninger Macmillan
5. Rawn, JD (1998). ชีวเคมี. เบอร์ลิงตันแมสซาชูเซตส์: Neil Patterson Publishers
6. Viana, F. , de la Peña, E. , & Belmonte, C. (2002). ความจำเพาะของการถ่ายเทความร้อนด้วยความเย็นถูกกำหนดโดยการแสดงออกของช่องไอออนิกที่แตกต่างกัน ธรรมชาติวิทยา, 5 (3), 254.