กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 18 นาที

ช่องไอออน

เปลี่ยนทางจากหัวข้อย่อย

ช่องไอออน เป็น โปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ ที่ มีรูพรุนซึ่งยอมให้ไอออนผ่านรูพรุนของช่อง หน้าที่ของช่องไอออน ได้แก่...

ช่องไอออน

แผนภาพแสดงโครงสร้างของช่องไอออน1 - โดเมน ของช่อง (โดยทั่วไปมีสี่โดเมนต่อช่อง) 2 - ทางเข้าด้านนอก3 - ตัวกรองการเลือก4 - เส้นผ่านศูนย์กลางของตัวกรองการเลือก5 - ตำแหน่ง การเติมหมู่ ฟอสเฟต6 - เยื่อ หุ้มเซลล์

ช่องไอออน เป็น โปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ ที่ มีรูพรุนซึ่งยอมให้ไอออนผ่านรูพรุนของช่อง หน้าที่ของช่องไอออน ได้แก่ การสร้างศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ขณะพัก[ 1 ]การสร้างศักย์การกระทำและสัญญาณไฟฟ้าอื่นๆ โดยการควบคุมการไหลของไอออนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์การควบคุมการไหลของไอออนผ่าน เซลล์ ที่หลั่งสารและเซลล์เยื่อบุผิวและการควบคุม ปริมาตร ของเซลล์ช่องไอออนมีอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์ทุกเซลล์[ 2 ] [ 3 ]ช่องไอออนเป็นหนึ่งในสองประเภทของ โปรตีน ไอโอโนฟอริกอีกประเภทหนึ่งคือตัวขนส่งไอออน[ 4 ]

การศึกษาเกี่ยวกับช่องไอออนมักเกี่ยวข้องกับชีวฟิสิกส์สรีรวิทยาไฟฟ้าและเภสัชวิทยาโดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่นการควบคุมแรงดันไฟฟ้าการ บันทึกกระแส ไฟฟ้าผ่านเยื่อหุ้ม เซลล์ อิมมูโน ฮิ สโตเคมี การตกผลึก ด้วย รังสีเอกซ์ ฟลูออโรส โคปีและRT-PCRการจัดประเภทช่องไอออนเป็นโมเลกุลเรียกว่าแชนเนลโอมิกส์

คุณสมบัติพื้นฐาน

โครงสร้างของช่องโพแทสเซียม KcsA ( PDB: 1K4C ) ระนาบทั้งสองแสดงถึง ขอบเขต ไฮโดรคาร์บอนของเยื่อไขมันสอง ชั้น และคำนวณด้วยอัลกอริทึม ANVIL [ 5 ]

ช่องไอออนมีลักษณะเด่นสองประการที่ทำให้แตกต่างจากโปรตีนขนส่งไอออนประเภทอื่น: [ 4 ]

  1. อัตราการเคลื่อนที่ของไอออนผ่านช่องทางนี้สูงมาก (โดยทั่วไปอยู่ที่ 10⁶ ไอออนต่อวินาทีหรือมากกว่านั้น)
  2. ไอออนเคลื่อนที่ผ่านช่องทางต่างๆ ตามความลาดชันทางไฟฟ้า เคมี ซึ่งเป็นฟังก์ชันของความเข้มข้นของไอออนและศักย์ไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ "ลงเนิน" โดยไม่ต้องอาศัยพลังงานจากกระบวนการเผาผลาญ (เช่นATP กลไกการขนส่งร่วมหรือ กลไกการ ขนส่งแบบแอคทีฟ )

ช่องไอออนตั้งอยู่ภายในเยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์ที่สามารถกระตุ้นได้ทั้งหมด[ 3 ]และออร์แกเนลล์ ภายในเซลล์จำนวนมาก มักอธิบายว่าเป็นอุโมงค์แคบๆ ที่เต็มไปด้วยน้ำซึ่งยอมให้เฉพาะไอออนที่มีขนาดและ/หรือประจุที่กำหนดเท่านั้นผ่านได้ คุณลักษณะนี้เรียกว่าการซึมผ่านแบบเลือกช่องไอออนต้นแบบมีความกว้างเพียงหนึ่งหรือสองอะตอมที่จุดที่แคบที่สุดและเลือกเฉพาะไอออนชนิดใดชนิดหนึ่ง เช่นโซเดียมหรือโพแทสเซียมอย่างไรก็ตาม บางช่องอาจยอมให้ไอออนมากกว่าหนึ่งชนิดผ่านได้ โดยทั่วไปจะมีประจุร่วมกันคือ ประจุบวก ( แคตไอออน ) หรือประจุลบ ( แอนไอออน ) ไอออนมักเคลื่อนที่ผ่านส่วนต่างๆ ของช่องไอออนเป็นแถวเดียวอย่างรวดเร็วเกือบเท่ากับที่ไอออนเคลื่อนที่ผ่านสารละลายอิสระ ในช่องไอออนหลายช่อง การผ่านรูพรุนถูกควบคุมโดย "ประตู" ซึ่งอาจเปิดหรือปิดเพื่อตอบสนองต่อสัญญาณทางเคมีหรือไฟฟ้า อุณหภูมิ หรือแรงทางกล

ช่องไอออนเป็นโปรตีนเมมเบรนแบบฝังตัวโดยทั่วไปจะประกอบขึ้นจากโปรตีนแต่ละตัวหลายๆ ตัวรวมกัน การประกอบแบบ "หลายหน่วยย่อย " ดังกล่าว มักเกี่ยวข้องกับการจัดเรียงเป็นวงกลมของโปรตีนที่เหมือนกันหรือคล้ายคลึงกันซึ่งอัดแน่นอยู่รอบรูพรุนที่เต็มไปด้วยน้ำผ่านระนาบของเมมเบรนหรือชั้นไขมัน[ 6 ] [ 7 ]สำหรับช่องไอออนที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า ส่วนใหญ่ หน่วยย่อยที่สร้างรูพรุนเรียกว่าหน่วยย่อย α ในขณะที่หน่วยย่อยเสริมจะถูกกำหนดเป็น β, γ และอื่นๆ

บทบาททางชีววิทยา

เนื่องจากช่องไอออนเป็นพื้นฐานของกระแสประสาทและเนื่องจากช่องไอออนที่ "ถูกกระตุ้นโดยสารส่งสัญญาณ" เป็นตัวกลางในการนำกระแสข้ามไซแนปส์ช่องไอออนจึงเป็นส่วนประกอบที่โดดเด่นอย่างยิ่งของระบบประสาทอันที่จริงสารพิษจำนวนมากที่สิ่งมีชีวิตได้พัฒนาขึ้นเพื่อปิดการทำงานของระบบประสาทของผู้ล่าและเหยื่อ (เช่น พิษที่ผลิตโดยแมงมุม แมงป่อง งู ปลา ผึ้ง หอยทะเล และอื่นๆ) ทำงานโดยการปรับการนำไฟฟ้าและ/หรือจลนศาสตร์ของช่องไอออน นอกจากนี้ ช่องไอออนยังเป็นส่วนประกอบสำคัญในกระบวนการทางชีวภาพที่หลากหลายซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในเซลล์ เช่นการหดตัว ของ กล้ามเนื้อหัวใจกล้ามเนื้อโครง ร่าง และ กล้ามเนื้อ เรียบ การขนส่งสารอาหารและไอออนของ เยื่อ บุผิว การกระตุ้น เซลล์ Tและ การปล่อย อินซูลินของเซลล์เบต้าในตับอ่อนในการค้นหายาใหม่ ช่องไอออนเป็นเป้าหมายที่ถูกพิจารณาบ่อยครั้ง[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

ความหลากหลาย

มีช่องไอออนมากกว่า 300 ชนิดในเซลล์ของหูชั้นใน[ 11 ]ช่องไอออนอาจถูกจำแนกตามลักษณะของการเปิดปิดชนิดของไอออนที่ผ่านช่องเหล่านั้น จำนวนช่อง (รูพรุน) และตำแหน่งของโปรตีน[ 12 ]

ความแตกต่างเพิ่มเติมของช่องไอออนเกิดขึ้นเมื่อช่องที่มีหน่วยย่อย องค์ประกอบที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าชนิดเฉพาะ[ 13 ]การขาดหายไปหรือการกลายพันธุ์ของหน่วยย่อยช่องอย่างน้อยหนึ่งชนิดอาจส่งผลให้สูญเสียการทำงานและอาจเป็นสาเหตุของโรคทางระบบประสาทได้[ 14 ]

การจำแนกประเภทโดยใช้เกตติ้ง

ช่องไอออนอาจถูกจำแนกตามการเปิดปิด กล่าวคือ สิ่งที่เปิดและปิดช่อง ตัวอย่างเช่น ช่องไอออนที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าจะเปิดหรือปิดขึ้นอยู่กับความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าข้ามเยื่อหุ้มพลาสมา ในขณะที่ช่องไอออนที่ควบคุมด้วยลิแกนด์จะเปิดหรือปิดขึ้นอยู่กับการจับตัวของลิแกนด์กับช่อง[ 15 ]

ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า

ช่องไอออนที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าจะเปิดและปิดตามการเปลี่ยนแปลงของศักย์ไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์

  • ช่องโซเดียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า : กลุ่มนี้มีสมาชิกอย่างน้อย 9 ชนิด และมีบทบาทสำคัญใน การสร้างและการแพร่ กระจายศักย์ไฟฟ้าแอ็กชัน หน่วยย่อยอัลฟา (α) ที่สร้างรูพรุนมีขนาดใหญ่มาก (มากถึง 4,000 กรดอะมิโน ) และประกอบด้วยโดเมนซ้ำที่เหมือนกัน 4 โดเมน (I-IV) แต่ละโดเมนประกอบด้วยส่วนที่ทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ 6 ส่วน (S1-S6) รวมทั้งหมด 24 ส่วน สมาชิกในกลุ่มนี้ยังประกอบรวมกับหน่วยย่อยเบตา (β) เสริม ซึ่งแต่ละหน่วยย่อยเบตาจะทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์หนึ่งครั้ง ทั้งหน่วยย่อยอัลฟาและเบตาต่างก็มีการเติมหมู่ไกลโคซิลอย่าง กว้างขวาง
  • ช่องแคลเซียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า : กลุ่มนี้มีสมาชิก 10 ชนิด แม้ว่าจะทราบกันดีว่าสามารถประกอบรวมกับซับยูนิต α, , β และ γ ได้ ช่องเหล่านี้มีบทบาทสำคัญทั้งในการเชื่อมโยงการกระตุ้นกล้ามเนื้อกับการหดตัว และการกระตุ้นเซลล์ประสาทกับการปล่อยสารสื่อประสาท ซับยูนิต α มีโครงสร้างโดยรวมคล้ายกับซับยูนิตของช่องโซเดียมและมีขนาดใหญ่เท่ากัน
  • ช่องโพแทสเซียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า (KV : กลุ่มนี้มีสมาชิกเกือบ 40 ตัว ซึ่งแบ่งย่อยออกเป็น 12 กลุ่มย่อย ช่องเหล่านี้เป็นที่รู้จักกันดีในบทบาทของการทำให้เยื่อหุ้มเซลล์กลับสู่สภาวะปกติหลังจากการเกิดศักย์ไฟฟ้า กระตุ้น หน่วยย่อย α มีส่วนที่ทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ 6 ส่วน ซึ่งคล้ายคลึงกับโดเมนเดี่ยวของช่องโซเดียม และเมื่อรวมกันแล้ว จะประกอบกันเป็นเทตราเมอร์เพื่อสร้างช่องที่ทำงานได้
  • ช่องรับสัญญาณศักย์ชั่วคราวบางชนิด: กลุ่มช่องสัญญาณนี้ โดยปกติจะเรียกง่ายๆ ว่าช่องสัญญาณ TRP ได้รับชื่อมาจากบทบาทของมันใน การแปลงสัญญาณแสง ในแมลงหวี่ตระกูลนี้มีสมาชิกอย่างน้อย 28 ตัว และมีความหลากหลายอย่างมากในวิธีการกระตุ้น ช่องสัญญาณ TRP บางชนิดดูเหมือนจะเปิดอยู่ตลอดเวลา ในขณะที่บางชนิดถูกควบคุมโดยแรงดันไฟฟ้าแคลเซียมไอออนภายในเซลล์ค่า pH สถานะรีดอกซ์ ความเข้มข้นของสารละลาย และการยืดตัวทางกล ช่องสัญญาณเหล่านี้ยังแตกต่างกันไปตามไอออนที่มันผ่าน บางชนิดเลือกเฉพาะแคลเซียมไอออนในขณะที่บางชนิดเลือกน้อยกว่า ทำหน้าที่เป็นช่องสัญญาณแคตไอออน ตระกูลนี้แบ่งออกเป็น 6 ตระกูลย่อยตามความคล้ายคลึงกัน ได้แก่ แบบคลาสสิก ( TRPC ) ตัวรับวานิลลอยด์ ( TRPV ) เมลาสตาทิน ( TRPM ) โพลีซิสติน ( TRPP ) มิวโคลิปิน ( TRPML ) และโปรตีนทรานส์เมมเบรนแอนคิริน 1 ( TRPA )
  • ช่องสัญญาณ ที่กระตุ้นด้วยไฮเปอร์โพลาไรเซชันและควบคุมด้วยนิวคลีโอไทด์ แบบวงจร : การเปิดของช่องสัญญาณเหล่านี้เกิดจากไฮเปอร์โพลาไรเซชัน ไม่ใช่ดีโพลาไรเซชันที่จำเป็นสำหรับช่องสัญญาณที่ควบคุมด้วยนิวคลีโอไทด์แบบวงจรอื่นๆ ช่องสัญญาณเหล่านี้ยังไวต่อไซคลิกนิวคลีโอไทด์cAMP และ cGMP ซึ่งเปลี่ยนแปลงความไวต่อแรงดันไฟฟ้าของการเปิดช่องสัญญาณ ช่องสัญญาณเหล่านี้ยอมให้ไอออนบวกโมโนวาเลนต์ K +และ Na + ผ่านได้ มีสมาชิกในกลุ่มนี้ 4 ตัว ซึ่งทั้งหมดก่อตัวเป็นเตตระเมอร์ของหน่วยย่อย α ที่มีทรานส์เมมเบรน 6 ตัว เมื่อช่องสัญญาณเหล่านี้เปิดภายใต้สภาวะไฮเปอร์โพลาไรเซชัน พวกมันจะทำหน้าที่เป็น ช่อง สัญญาณสร้างจังหวะในหัวใจ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในปุ่มSA
  • ช่องโปรตอนที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า : ช่องโปรตอนที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าจะเปิดเมื่อเกิดการลดขั้ว แต่มีความไวต่อค่า pH อย่างมาก ผลก็คือ ช่องเหล่านี้จะเปิดก็ต่อเมื่อความชันทางเคมีไฟฟ้าเป็นไปในทิศทางออกเท่านั้น ดังนั้นการเปิดของช่องเหล่านี้จะอนุญาตให้เฉพาะโปรตอนออกจากเซลล์ได้เท่านั้น หน้าที่ของมันจึงดูเหมือนจะเป็นการขับกรดออกจากเซลล์ อีกหน้าที่สำคัญหนึ่งเกิดขึ้นในเซลล์ฟาโกไซต์ (เช่นอีโอซิโน ฟิ ลนิวโทรฟิล แมโครฟาจ ) ในระหว่าง "การระเบิดของการหายใจ" เมื่อแบคทีเรียหรือจุลินทรีย์อื่นๆ ถูกเซลล์ฟาโกไซต์กลืนกิน เอนไซม์NADPH oxidaseจะประกอบขึ้นในเยื่อหุ้มเซลล์และเริ่มผลิตสารออกซิเจนที่ว่องไว (ROS) ซึ่งช่วยฆ่าแบคทีเรีย NADPH oxidase เป็นเอนไซม์ที่สร้างกระแสไฟฟ้า โดยเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ และช่องโปรตอนจะเปิดเพื่อให้กระแสโปรตอนไหลผ่านเพื่อปรับสมดุลการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนทางไฟฟ้า

ควบคุมโดยลิแกนด์ (สารสื่อประสาท)

ช่องสัญญาณกลุ่มนี้เรียกอีกอย่างว่าตัวรับ ไอโอโนโทรปิก ซึ่งจะเปิดออกเมื่อโมเลกุลลิแกนด์เฉพาะจับกับโดเมนภายนอกเซลล์ของโปรตีนตัวรับ [ 16 ]การจับของลิแกนด์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโปรตีนช่องสัญญาณ ซึ่งในที่สุดจะนำไปสู่การเปิดประตูช่องสัญญาณและการไหลของไอออนผ่านเยื่อหุ้มพลาสมา ตัวอย่างของช่องสัญญาณดังกล่าว ได้แก่ตัวรับอะเซทิลโคลีนนิโคตินิกที่ ยอมให้แคตไอออนผ่านได้ ตัวรับกลูตาเมตแบบไอโอโน โทรปิ กช่องไอออนที่ไวต่อกรด (ASICs) [ 17 ]ตัวรับ P2X ที่ควบคุมด้วย ATP และ ตัวรับGABA ที่ยอมให้แอนไอออนผ่านได้ด้วยกรดแกมมาอะมิโนบิวทิริก[ 18 ]

ช่องไอออนที่ถูกกระตุ้นโดยสารสื่อประสาทรองอาจถูกจัดอยู่ในกลุ่มนี้ด้วยเช่นกัน แม้ว่าลิแกนด์และสารสื่อประสาทรองจะแตกต่างกันออกไปก็ตาม

ประตูไขมัน

กลุ่มช่องสัญญาณนี้จะเปิดออกเมื่อ โมเลกุล ไขมัน เฉพาะ จับกับโดเมนทรานส์เมมเบรนของช่องสัญญาณ ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ใกล้กับชั้นด้านในของเยื่อหุ้มพลาสมา[ 19 ]ฟอสฟาติดิลอิโนซิทอล 4,5-บิสฟอสเฟต ( PIP ) และกรดฟอสฟาติดิก ( PA ) เป็นไขมันที่ได้รับการศึกษาอย่างดีที่สุดในการควบคุมช่องสัญญาณเหล่านี้[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]ช่องโพแทสเซียมที่รั่วไหลจำนวนมากถูกควบคุมโดยไขมัน รวมถึงช่องโพแทสเซียมแบบปรับทิศทางเข้าด้านในและช่องโพแทสเซียมแบบสองโดเมนรูพรุน TREK-1 และ TRAAK ตระกูลช่องโพแทสเซียม KCNQถูกควบคุมโดย PIP [ 23 ]ช่องโพแทสเซียมที่เปิดใช้งานด้วยแรงดันไฟฟ้า (Kv) ถูกควบคุมโดย PA จุดกึ่งกลางของการเปิดใช้งานจะเลื่อนไปที่ +50 mV เมื่อ PA เกิดการไฮโดรไลซิส ใกล้กับศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ขณะพัก[ 24 ]สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่า Kv สามารถเปิดได้โดยการไฮโดรไลซิสของไขมันโดยไม่ขึ้นกับแรงดันไฟฟ้า และอาจทำให้ช่องนี้มีคุณสมบัติเป็นช่องที่มีการควบคุมด้วยไขมันและแรงดันไฟฟ้าแบบคู่

ประตูอื่นๆ

การควบคุมการเปิดปิดช่องไอออนยังรวมถึงการกระตุ้นและการยับยั้งโดยสารสื่อกลางตัวที่สองจากภายในเยื่อหุ้มเซลล์แทนที่จะเป็นจากภายนอกเซลล์ เช่นเดียวกับกรณีของลิแกนด์

  • ช่องโพแทสเซียมบางส่วน:
    • ช่องโพแทสเซียมแบบปรับทิศทางเข้า (Inward-rectifier potassium channels ): ช่องเหล่านี้อนุญาตให้ไอออนโพแทสเซียมไหลเข้าสู่เซลล์ในลักษณะ "ปรับทิศทางเข้า" กล่าวคือ โพแทสเซียมไหลเข้าสู่เซลล์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าไหลออกจากเซลล์ กลุ่มนี้ประกอบด้วยสมาชิกอย่างเป็นทางการ 15 ตัว และสมาชิกไม่เป็นทางการ 1 ตัว และยังแบ่งย่อยออกเป็น 7 กลุ่มย่อยตามความคล้ายคลึงกัน ช่องเหล่านี้ได้รับผลกระทบจากATP ภายในเซลล์ , PIP2 หน่วย ย่อย βγ ของโปรตีน Gพวกมันมีส่วนเกี่ยวข้องในกระบวนการทางสรีรวิทยาที่สำคัญ เช่น กิจกรรมการสร้างจังหวะในหัวใจ การหลั่งอินซูลิน และการดูดซึมโพแทสเซียมในเซลล์เกลียพวกมันมีส่วนประกอบที่ทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เพียงสองส่วน ซึ่งสอดคล้องกับส่วนที่สร้างรูพรุนหลักของช่อง KV KA ย่อย α ของพวกมันก่อตัวเป็นเตตระเมอร์
    • ช่องโพแทสเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียม : ช่องในกลุ่มนี้ถูกกระตุ้นด้วย Ca 2+ ภายในเซลล์ และประกอบด้วยสมาชิก 8 ชนิด
    • ช่องโพแทสเซียมโดเมนรูพรุนคู่ : กลุ่มสมาชิก 15 ชนิดนี้เรียกว่าช่องรั่วและแสดงการแก้ไขแบบโกลด์แมน-ฮอดจ์กิน-แคทซ์ (เปิด) ตรงกันข้ามกับชื่อสามัญว่า 'ช่องโพแทสเซียมสองโดเมนรูพรุน' ช่องเหล่านี้มีรูพรุนเพียงรูเดียว แต่มีโดเมนรูพรุนสองโดเมนต่อหน่วยย่อย[ 25 ] [ 26 ]
  • ช่องสองรูประกอบด้วยช่องไอออนบวกที่ควบคุมด้วยลิแกนด์และควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า ซึ่งตั้งชื่อตามหน่วยย่อยที่สร้างรูพรุนสองหน่วย ดังที่ชื่อบ่งบอก ช่องเหล่านี้มีรูพรุนสองรู[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]
  • ช่องที่ควบคุมด้วยแสงเช่นแชนเนลโรดอปซินจะเปิดโดยตรงด้วยโฟตอน[ 32 ]
  • ช่องไอออนที่ไวต่อแรงกลจะเปิดออกภายใต้อิทธิพลของการยืด แรงดัน แรงเฉือน และการเคลื่อนที่[ 33 ]
  • ช่องสัญญาณที่ควบคุมด้วยนิวคลีโอไทด์แบบวงจร : กลุ่มช่องสัญญาณขนาดใหญ่กลุ่มนี้ประกอบด้วยสองตระกูล ได้แก่ ช่องสัญญาณที่ควบคุมด้วยนิวคลีโอไทด์แบบวงจร (CNG) และช่องสัญญาณที่ควบคุมด้วยนิวคลีโอไทด์แบบวงจรที่กระตุ้นด้วยภาวะไฮเปอร์โพลาไรเซชัน (HCN) การจัดกลุ่มนี้เป็นไปตามหน้าที่การทำงาน ไม่ใช่ตามวิวัฒนาการ
    • ช่องสัญญาณที่ควบคุมด้วยนิวคลีโอไทด์แบบวงจร: ช่องสัญญาณในกลุ่มนี้มีลักษณะเฉพาะคือถูกกระตุ้นด้วยcAMPหรือcGMP ภายในเซลล์ ช่องสัญญาณเหล่านี้ส่วนใหญ่จะยอมให้ไอออนบวกที่มีประจุเดียว เช่น K +และ Na +ผ่านได้ นอกจากนี้ยังยอมให้ Ca2 + ผ่านได้ เช่นกัน แต่ Ca2+ จะทำหน้าที่ปิดช่องสัญญาณ กลุ่มนี้มีสมาชิก 6 ตัว ซึ่งแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มย่อย
    • ช่องสัญญาณที่ควบคุมด้วยนิวคลีโอไทด์แบบวงจรซึ่งถูกกระตุ้นด้วยภาวะไฮเปอร์โพ ลาไรเซชัน
  • ช่องที่ควบคุมด้วยอุณหภูมิ: สมาชิกของซูเปอร์แฟมิลีช่องไอออนตัวรับศักย์ชั่วคราวเช่นTRPV1หรือTRPM8จะเปิดออกเมื่ออุณหภูมิสูงหรือต่ำ[ 34 ]

การจำแนกประเภทตามชนิดของไอออน

การจำแนกประเภทตามตำแหน่งภายในเซลล์

ช่องไอออนยังถูกจำแนกตามตำแหน่งภายในเซลล์ด้วย เยื่อหุ้มเซลล์คิดเป็นประมาณ 2% ของเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งหมด ในขณะที่ออร์แกเนลล์ภายในเซลล์มีเยื่อหุ้มเซลล์ถึง 98% ส่วนประกอบภายในเซลล์ที่สำคัญ ได้แก่ เอนโดพลาสมิกเรติคูลัม กอลจิแอพพาราตัสและไมโทคอนเดรียโดยพิจารณาจากตำแหน่ง ช่องไอออนจึงถูกจำแนกดังนี้:

  • ช่องทางเยื่อหุ้มพลาสมา
    • ตัวอย่างเช่น ช่องโพแทสเซียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า (Kv), ช่องโซเดียม (Nav), ช่องแคลเซียม (Cav, Orai) และช่องคลอไรด์ (ClC)
  • ช่องภายในเซลล์ซึ่งถูกจำแนกเพิ่มเติมเป็นออร์แกเนลล์ต่างๆ[ 39 ]

การจำแนกประเภทอื่นๆ

ช่องไอออนบางชนิดถูกจัดประเภทตามระยะเวลาการตอบสนองต่อสิ่งเร้า:

  • ช่องรับสัญญาณศักย์ชั่วคราว : กลุ่มช่องสัญญาณนี้ ซึ่งโดยปกติจะเรียกง่ายๆ ว่าช่องสัญญาณ TRP ได้รับชื่อมาจากบทบาทของมันใน การแปลงสัญญาณแสงในการมองเห็น ของแมลงหวี่ตระกูลนี้ประกอบด้วยสมาชิกอย่างน้อย 28 ตัว และมีความหลากหลายในกลไกการกระตุ้น[ 40 ]ช่องสัญญาณ TRP บางช่องเปิดอยู่ตลอดเวลา ในขณะที่บางช่องถูกควบคุมโดยแรงดันไฟฟ้า , Ca 2+ ภายในเซลล์ , pH , สถานะรีดอกซ์ , ความเข้มข้น ของสารละลาย และการยืดตัวเชิงกลช่องสัญญาณเหล่านี้ยังแตกต่างกันไปตามไอออนที่ผ่าน บางช่องมีความเลือกเฉพาะสำหรับ Ca 2+ในขณะที่บางช่องเป็นช่องไอออนบวกที่มีความเลือกน้อยกว่า ตระกูลนี้แบ่งออกเป็น 6 ตระกูลย่อยตามความเหมือนกัน: TRP แบบดั้งเดิม ( TRPC ), ตัวรับวานิลลอยด์ ( TRPV ), เมลาสตาทิน ( TRPM ), โพลีซิสติน ( TRPP ), มิวโคลิปิน ( TRPML ) และโปรตีนทรานส์เมมเบรนแอนคิริน 1 ( TRPA )

โครงสร้างโดยละเอียด

ช่องไอออนมีความแตกต่างกันในแง่ของไอออนที่ยอมให้ผ่าน (เช่นNa + , K + , Cl− )วิธีการควบคุม จำนวนหน่วยย่อยที่ประกอบขึ้นเป็นช่องไอออน และลักษณะโครงสร้างอื่นๆ[ 41 ]ช่องไอออนที่อยู่ในกลุ่มที่ใหญ่ที่สุด ซึ่งรวมถึงช่องไอออนที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าซึ่งเป็นพื้นฐานของกระแสประสาท ประกอบด้วยหน่วยย่อยสี่หรือบางครั้งห้าหน่วย[ 42 ] โดยแต่ละ หน่วยมีเกลียวทรานส์เมมเบรนหก เกลียว เมื่อเปิดใช้งาน เกลียวเหล่านี้จะเคลื่อนที่ไปมาและเปิดรูพรุน เกลียวสองในหกเกลียวนี้ถูกคั่นด้วยห่วงที่เรียงตัวอยู่ภายในรูพรุน ซึ่งเป็นตัวกำหนดหลักของการเลือกไอออนและการนำไฟฟ้าในช่องไอออนกลุ่มนี้และกลุ่มอื่นๆ[ 42 ]

การมีอยู่และกลไกของการเลือกไอออนได้รับการตั้งสมมติฐานครั้งแรกในช่วงปลายทศวรรษ 1960 โดยBertil HilleและClay Armstrong [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] แนวคิดของการเลือกไอออนสำหรับช่องโพแทสเซียมคือ ออกซิเจนคาร์บอนิลของโครงสร้างโปรตีนของ "ตัวกรองการเลือก" (ตั้งชื่อโดยBertil Hille ) สามารถแทนที่โมเลกุลน้ำที่ปกติจะปกป้องไอออนโพแทสเซียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ไอออนโซเดียมมีขนาดเล็กกว่าและไม่สามารถถูกกำจัดน้ำได้อย่างสมบูรณ์เพื่อให้เกิดการปกป้องดังกล่าว ดังนั้นจึงไม่สามารถผ่านได้ กลไกนี้ได้รับการยืนยันในที่สุดเมื่อมีการอธิบายโครงสร้างแรกของช่องไอออน ช่องโพแทสเซียมของแบคทีเรีย KcsA ซึ่งประกอบด้วยตัวกรองการเลือก ลูป "P" และเกลียวทรานส์เมมเบรนสองอัน ถูกใช้เป็นแบบจำลองเพื่อศึกษาการซึมผ่านและการเลือกของช่องไอออนในห้องปฏิบัติการของ Mackinnon การกำหนดโครงสร้างโมเลกุลของ KcsA โดยRoderick MacKinnonโดยใช้ผลึกศาสตร์รังสีเอกซ์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ประจำปี 2003 [ 48 ]

เนื่องจากขนาดที่เล็กและความยากลำบากในการตกผลึกโปรตีนเมมเบรนแบบบูรณาการสำหรับการวิเคราะห์ด้วยรังสีเอกซ์ นักวิทยาศาสตร์เพิ่งจะสามารถตรวจสอบลักษณะของช่องสัญญาณได้โดยตรงเมื่อไม่นานมานี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่การตกผลึกต้องแยกช่องสัญญาณออกจากเมมเบรนด้วยผงซักฟอก นักวิจัยหลายคนจึงมองว่าภาพที่ได้มานั้นเป็นเพียงการคาดการณ์ ตัวอย่างเช่น โครงสร้างผลึกของช่องโพแทสเซียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าซึ่งรอคอยมานาน ได้รับการรายงานในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2546 [ 49 ] [ 50 ]ความกำกวมที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เกี่ยวกับโครงสร้างเหล่านี้เกี่ยวข้องกับหลักฐานที่ชัดเจนว่าช่องสัญญาณเปลี่ยนรูปร่างขณะทำงาน (เช่น เปิดและปิด) ดังนั้นโครงสร้างในผลึกจึงอาจแสดงถึงสถานะการทำงานใดๆ ก็ได้ นักวิจัยส่วนใหญ่ได้สรุปเกี่ยวกับการทำงานของช่องสัญญาณจนถึงปัจจุบันโดยอาศัยสรีรวิทยาไฟฟ้าชีวเคมีการ เปรียบเทียบลำดับ ยีนและการกลายพันธุ์

ช่องสัญญาณสามารถมีโดเมนทรานส์เมมเบรนเดี่ยว (CLICs) ถึงหลายโดเมน (ช่อง K, ตัวรับ P2X, ช่อง Na) ซึ่งทอดผ่านเยื่อหุ้มพลาสมาเพื่อสร้างรูพรุน รูพรุนสามารถกำหนดการเลือกของช่องสัญญาณได้ ประตูสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งภายในหรือภายนอกบริเวณรูพรุน[ 51 ]

เภสัชวิทยา

สารเคมีสามารถปรับเปลี่ยนการทำงานของช่องไอออนได้ เช่น โดยการปิดกั้นหรือกระตุ้นช่องไอออน

สารปิดกั้นช่องไอออน

สารปิดกั้นช่องไอออนหลายชนิด(โมเลกุลอนินทรีย์และอินทรีย์) สามารถปรับเปลี่ยนกิจกรรมและการนำไฟฟ้าของช่องไอออนได้ สารปิดกั้นที่ใช้กันทั่วไปบางชนิดได้แก่: [ 52 ]

ตัวกระตุ้นช่องไอออน

สารประกอบหลายชนิดเป็นที่ทราบกันว่าส่งเสริมการเปิดหรือการกระตุ้นช่องไอออนเฉพาะ สารประกอบเหล่านี้ถูกจัดประเภทตามช่องที่พวกมันออกฤทธิ์: [ 53 ]

โรคต่างๆ

มีภาวะผิดปกติหลายอย่างที่รบกวนการทำงานปกติของช่องไอออนและส่งผลร้ายแรงต่อร่างกาย ภาวะผิดปกติทางพันธุกรรมและภูมิคุ้มกันของช่องไอออนและตัวปรับเปลี่ยนช่องไอออนเรียกว่า โรคช่องไอออน(channelopathies ) ดูรายละเอียดทั้งหมดได้ที่หมวดหมู่: โรคช่องไอออน (Category:Channelopathies )

ประวัติศาสตร์

คุณสมบัติพื้นฐานของกระแสไฟฟ้าที่ส่งผ่านช่องไอออนได้รับการวิเคราะห์โดยนักชีวฟิสิกส์ ชาวอังกฤษ Alan HodgkinและAndrew Huxleyซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการวิจัยที่ได้รับรางวัล โนเบลเกี่ยวกับ ศักยภาพการกระทำซึ่งตีพิมพ์ในปี 1952 พวกเขาสร้างต่อยอดจากงานของนักสรีรวิทยาคนอื่นๆ เช่น การวิจัยของ Cole และ Baker เกี่ยวกับรูพรุนของเยื่อหุ้มเซลล์ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ปี 1941 [ 56 ] [ 57 ]การมีอยู่ของช่องไอออนได้รับการยืนยันในช่วงทศวรรษ 1970 โดยBernard KatzและRicardo Milediโดยใช้การวิเคราะห์สัญญาณรบกวน[ 58 ]จากนั้นจึงแสดงให้เห็นโดยตรงมากขึ้นด้วยเทคนิคการบันทึกทางไฟฟ้าที่เรียกว่า " patch clamp " ซึ่งนำไปสู่รางวัลโนเบลแก่Erwin NeherและBert Sakmannผู้คิดค้นเทคนิคนี้ นักวิจัยหลายร้อยคนหรือหลายพันคนยังคงแสวงหาความเข้าใจที่ละเอียดมากขึ้นเกี่ยวกับวิธีการทำงานของโปรตีนเหล่านี้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การพัฒนาอุปกรณ์ patch clamp แบบอัตโนมัติช่วยเพิ่มปริมาณงานในการคัดกรองช่องไอออนอย่างมีนัยสำคัญ[ 59 ]

รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2003 มอบให้แก่Roderick MacKinnonสำหรับการศึกษาเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของโครงสร้างและหน้าที่ของช่องไอออน รวมถึงการศึกษาโครงสร้างผลึกเอกซ์เรย์[ 60 ]

วัฒนธรรม

ผลงานชื่อ "Birth of an Idea " (2007) โดยJulian Voss-Andreaeประติมากรรมชิ้นนี้ได้รับมอบหมายจากRoderick MacKinnonโดยอิงจากพิกัดอะตอมของโมเลกุลที่กลุ่มของ MacKinnon กำหนดไว้ในปี 2001

Roderick MacKinnonได้ว่าจ้างให้สร้าง Birth of an Ideaซึ่งเป็น ประติมากรรมสูง 5 ฟุต (1.5 เมตร)โดยอิงจากช่องโพแทสเซียม KcsA [ 61 ] ผลงานศิลปะโดยJulian Voss-Andreaeประกอบด้วยวัตถุที่ทำจากลวดซึ่งแสดงถึงส่วนภายในของช่อง และวัตถุที่ทำจากแก้วเป่าซึ่งแสดงถึงโพรงหลักของโครงสร้างช่อง[ 62 ] 

ช่องไอออนและกระบวนการสุ่ม

พฤติกรรมของช่องไอออนสามารถจำลองได้อย่างมีประโยชน์โดยใช้คณิตศาสตร์และความน่า จะเป็น กระบวนการ สุ่มเป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของระบบและปรากฏการณ์ที่ดูเหมือนจะแปรผันในลักษณะสุ่ม[ 63 ]ตัวอย่างที่ง่ายมากคือการโยนเหรียญ การโยนแต่ละครั้งมีโอกาสเท่ากันที่จะได้หัวหรือก้อย โอกาสจะไม่ได้รับอิทธิพลจากผลลัพธ์ของการโยนครั้งก่อนๆ และเราสามารถกล่าวได้ว่า p = 0.5 และ p = 0.5 [ 64 ]

รูปแบบหนึ่งของกระบวนการสุ่มที่มีความเกี่ยวข้องเป็นพิเศษในการศึกษาช่องไอออนคือลูกโซ่ Markovในลูกโซ่ Markov จะมีสถานะหลายสถานะ โดยแต่ละสถานะมีโอกาสเปลี่ยนไปสู่สถานะอื่นในช่วงเวลาหนึ่ง[ 64 ]ช่องไอออนมีการเปลี่ยนสถานะ (เช่น เปิด ปิด ไม่ทำงาน) ซึ่งมีพฤติกรรมคล้ายกับลูกโซ่ Markov [ 65 ]การวิเคราะห์ลูกโซ่ Markov สามารถใช้เพื่อสรุปเกี่ยวกับลักษณะของช่องไอออนที่กำหนด รวมถึงจำนวนสถานะเปิดและปิดที่เป็นไปได้[ 66 ]เรายังสามารถใช้การวิเคราะห์ลูกโซ่ Markov เพื่อสร้างแบบจำลองที่จำลองการแทรกช่องไอออนเข้าไปในเยื่อหุ้มเซลล์ได้อย่างแม่นยำ[ 67 ]

นอกจากนี้ ยังสามารถใช้ลูกโซ่ Markov ร่วมกับเมทริกซ์สุ่มเพื่อกำหนด เมทริกซ์ การกระจายที่เสถียรได้โดยการแก้สมการ PX=X โดยที่ P คือเมทริกซ์สุ่ม และ X คือเมทริกซ์การกระจายที่เสถียร เมทริกซ์การกระจายที่เสถียรนี้จะบอกเราถึงความถี่สัมพัทธ์ของแต่ละสถานะหลังจากเวลาผ่านไปนาน ซึ่งในบริบทของช่องไอออนอาจเป็นความถี่ของสถานะเปิด ปิด และไม่ทำงานสำหรับช่องไอออน[ 68 ]โปรดทราบว่าสมมติฐานของลูกโซ่ Markov มีผลบังคับใช้ รวมถึง (1) ผลรวมของความน่าจะเป็นการเปลี่ยนสถานะทั้งหมดสำหรับแต่ละสถานะเท่ากับหนึ่ง (2) แบบจำลองความน่าจะเป็นใช้ได้กับทุกสถานะที่เป็นไปได้ และ (3) ความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนสถานะคงที่ตลอดเวลา ดังนั้น ลูกโซ่ Markov จึงมีข้อจำกัดในการใช้งานในบางสถานการณ์[ 68 ]

มีกระบวนการสุ่มอื่นๆ อีกหลายประเภทที่ใช้ในการศึกษาช่องไอออน แต่มีความซับซ้อนเกินกว่าจะกล่าวถึงในที่นี้ และสามารถตรวจสอบได้อย่างละเอียดมากขึ้นในที่อื่น[ 69 ]

ดูเพิ่มเติม

  • "ห้องปฏิบัติการไวส์"ห้องปฏิบัติการไวส์กำลังศึกษาถึงกลไกระดับโมเลกุลและเซลล์ที่เป็นสาเหตุของโรคต่างๆ ในมนุษย์ที่เกิดจากการทำงานผิดปกติของช่องไอออน (เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 25 กุมภาพันธ์ 2024)
  • "ช่องไอออนที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า"ฐานข้อมูลตัวรับและช่องไอออนของ IUPHARสหภาพระหว่างประเทศด้านเภสัชวิทยาพื้นฐานและคลินิก
  • "ฐานข้อมูล TRIP"คือฐานข้อมูลที่รวบรวมข้อมูลปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนกับโปรตีนของช่อง TRP ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม โดยทำการตรวจสอบและคัดกรองด้วยตนเอง
  • ช่องไอออน ใน หัวข้อทางการ แพทย์ (MeSH) ของหอสมุดแห่งชาติสหรัฐอเมริกา
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ion_channel&oldid=1360692752 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ช่องไอออน

ช่องไอออน เป็น โปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ ที่ มีรูพรุนซึ่งยอมให้ไอออนผ่านรูพรุนของช่อง หน้าที่ของช่องไอออน ได้แก่...

คุณสมบัติพื้นฐาน

ช่องไอออนมีลักษณะเด่นสองประการที่ทำให้แตกต่างจากโปรตีนขนส่งไอออนประเภทอื่น: [ 4 ]

บทบาททางชีววิทยา

เนื่องจากช่องไอออนเป็นพื้นฐานของ กระแสประสาท และเนื่องจากช่องไอออนที่ "ถูกกระตุ้นโดยสารส่งสัญญาณ" เป็นตัวกลางในการนำกระแสข้าม ไซแนปส์ ช่องไอออนจึงเป็นส่วนประกอบที่โดดเด่นอย่างยิ่งของ ระบบประสาท อันที่จริง สารพิษจำนวนมาก...

ความหลากหลาย

มีช่องไอออนมากกว่า 300 ชนิดในเซลล์ของหูชั้นใน [ 11 ] ช่องไอออนอาจถูกจำแนกตามลักษณะของ การเปิดปิด ชนิดของไอออนที่ผ่านช่องเหล่านั้น จำนวนช่อง (รูพรุน) และตำแหน่งของโปรตีน [ 12 ]