6.13: Kanały jonowe

Ruch jonów, takich jak sód, potas i wapń, do i z komórki jest niezbędny do utrzymania gradientu elektrochemicznego w żywych komórkach. Kanały jonowe – klasa białek transportujących błonę – pomagają utrzymać ten gradient jonowy dla płynnego funkcjonowania czynności fizjologicznych, takich jak utrzymanie wielkości i objętości komórki, przewodzenie impulsów nerwowych oraz wymiana gazów i składników odżywczych.

Kanały jonowe to wyspecjalizowane integralne białka błonowe na błonie plazmatycznej, które umożliwiają określonym jonom przekazywanie ich gradientu elektrochemicznego. Ich główną funkcją jest utrzymanie potencjału błonowego krytycznego dla żywotności komórek. Przez błonę plazmatyczną przechodzą dwa rodzaje kanałów, kanały bramkowane i niebramkowane, które mogą transportować ponad tysiąc jonów w ciągu milisekund.

W przypadku większości komórek, zwłaszcza pobudliwych, we wnętrzu komórki znajduje się więcej ładunku ujemnego niż na zewnątrz ze względu na większą liczbę jonów ujemnych niż jonów dodatnich. W przypadku komórek pobudliwych, takich jak neurony, kurczące się komórki mięśniowe lub czuciowe komórki dotykowe, potencjał błonowy musi być w stanie szybko się zmieniać, przechodząc od ujemnego potencjału błonowego do takiego, który jest bardziej pozytywny. Aby to osiągnąć, komórki opierają się na dwóch typach bramkowanych kanałów jonowych: kanałach jonowych bramkowanych ligandem i kanałach jonowych bramkowanych napięciem.

Kanały jonowe mogą odgrywać rolę w migrenowych bólach głowy. Opona twarda jest powłoką ochronną dla mózgu. Jest unerwiony przez kilka nerwów czaszkowych. Przypuszcza się, że migreny mają swoje źródło w tych nerwach. Zarówno kanały jonowe bramkowane ligandem, jak i napięciem w oponie twardej mogą nasilać sygnały bólowe poprzez zmianę potencjałów błonowych.

Kanały jonowe znajdują się w roślinach. Na przykład w liściach roślin otwarcie aparatów szparkowych przez otaczające komórki ochronne wymaga gradientów jonów potasu (K⁺). Aktywny transport jonów wodorowych (H⁺) z komórki ochronnej tworzy potencjał błonowy, który napędza ruch K⁺ do wewnątrz. Ten wychwyt K⁺ przez komórki ochronne przez kanały potasowe wyzwala ruch wody do komórek. Ten osmotyczny napływ powoduje rozszerzanie się komórek ochronnych, otwierając aparaty szparkowe. Kiedy potas opuszcza komórki ochronne, woda podąża za nim przez osmozę. Teraz zwiotczałe komórki ochronne zamykają stomię.

Bakterie potrzebują gradientów jonów do kilku funkcji komórkowych utrzymywanych przez różne kanały jonowe. Poryny u prokariontów umożliwiają pasywną dyfuzję składników odżywczych, soli i odpadów przez błonę i w dół gradientu stężeń bez wydatkowania ATP. Również bramkowane kanały mechanowrażliwe odgrywają ważną rolę podczas wstrząsu osmotycznego. Kiedy bakterie przemieszczają się z obszaru o wysokiej osmolarności do obszaru o niskiej osmolarności, kanały te, działając jak zawory awaryjnego uwalniania, otwierają się, aby uwolnić substancje rozpuszczone do cytoplazmy, aby utrzymać nierównowagę między środowiskiem zewnętrznym i wewnętrznym.