Ionski kanali i elektrohemijski gradijent

Ionski kanali omogućavaju kontrolisan prelaz električnog naboja kroz membranu. Kanal određuje kojim jonima je prolaz omogućen i kada je put otvoren, dok elektrohemijski gradijent određuje pogon kretanja. Otvaranje kanala zato ne znači obavezno ulazak jona. Smjer i veličina toka zavise od koncentracija, membrane i ravnotežnog potencijala za konkretni jon.

Selektivnost i otvorenost su različite osobine

Pora kanala pruža vodeni put kroz hidrofobni dvosloj. Njeni prostorni i električni uslovi omogućavaju povoljne interakcije za određene jone, a otežavaju prolaz drugih. Selektivnost nije jednostavno poređenje veličine golih jona: važni su hidratacija i uslovi koji nastaju pri prolasku kroz selektivni dio pora.

Neki kanali izrazito favorizuju jednu vrstu jona, dok drugi propuštaju više kationa ili anjona. Mogućnost prolaska ne znači da kanal stalno ostaje otvoren. Proteinski oblik može prelaziti između zatvorenih, otvorenih i drugih funkcijskih stanja, pa ista membrana može brzo mijenjati svoje električno ponašanje.

Mehanizmi otvaranja

Naponski zavisni kanali mijenjaju vjerovatnoću otvaranja kada se promijeni membranski potencijal. Kanali zavisni od liganda odgovaraju na vezivanje hemijskog signala. Mehanosenzitivni kanali povezuju deformaciju membrane ili odgovarajućih struktura sa otvaranjem. Neki kanali u mirovanju daju stalnu, ali regulisanu provodljivost.

Vezivanje signala može otvoriti samu receptorsku poru ili posredno promijeniti drugi kanal. Nikotinski acetilholinski receptor primjer je receptora-kanala, dok receptor povezan sa G proteinom koristi posredni signalni put. Razlikovanje neposrednog i posrednog mehanizma objašnjava razlike u vremenu i trajanju odgovora.

Kod naponski zavisnog natrijumovog kanala aktivacija i inaktivacija nisu isti događaj. Depolarizacija brzo olakšava otvaranje, ali zatim može izazvati prelazak u nedostupno stanje. Oporavak od inaktivacije zahtijeva odgovarajuću promjenu napona i vrijeme. Kanal zatvoren u mirovanju zato se funkcijski razlikuje od inaktivisanog.

Elektrohemijski pogon

Koncentracioni gradijent teži da rasporedi jon prema njegovoj nižoj koncentraciji. Električni potencijal istovremeno privlači ili odbija naelektrisanu česticu. Zbir tih uticaja određuje elektrohemijski pogon. Kada se međusobno uravnoteže za određeni jon, Vm je jednak njegovom ravnotežnom potencijalu i nema njegovog neto pasivnog toka.

Ako Vm nije jednak tom potencijalu, otvoren selektivni kanal omogućava struju koja teži da približi Vm ravnotežnom potencijalu jona. Membrana se pri tome ne mora potpuno izjednačiti sa njim, jer istovremeno djeluju druge jonske struje i transporteri.

Za kation izlazak daje pozitivnu spoljašnju struju. Za anjon takvu struju daje ulazak negativnog naboja. Zato smjer čestice i znak konvencionalne struje treba razdvojiti. Izraz određuje električni doprinos, a ne opštu tvrdnju da pozitivan jon mora uvijek izlaziti.

Veličina gradijenta može se približiti reprezentativnim udžbeničkim primjerom. Guytonov prikaz neuronske some i Boronov ćelijski model imaju vanćelijski Na⁺ oko 142 mmol/L, nasuprot približno 14–15 mmol/L unutar ćelije. Za K⁺ odnos je obrnut: spolja je oko 4–4,5 mmol/L, a unutra približno 120 mmol/L. Za ove jednovalentne jone brojčana vrijednost u mmol/L jednaka je vrijednosti u mEq/L. Navedene koncentracije označavaju primjere raspodjele, sa razlikama između ćelija i odjeljaka, a ne laboratorijske dijagnostičke granice. One objašnjavaju zašto otvaranje natrijumovog kanala u negativnoj mirujućoj membrani snažno pogoduje ulasku Na⁺, dok za K⁺ koncentraciona i električna sila često djeluju u suprotnim smjerovima.

Od pojedinačnog kanala do membrane

Ukupna provodljivost zavisi od broja kanala, provodljivosti pojedinačne otvorene pore i vjerovatnoće otvorenog stanja. Povećanje broja kanala i duže otvaranje mogu pojačati struju čak i ako koncentracije ostaju iste. Nasuprot tome, veliki pogonski gradijent neće dati značajnu struju kada je odgovarajući put zatvoren.

Broj i raspored kanala razlikuju se između ćelija i membranskih područja. Aksonski čvor, dendrit i membrana radnog kardiomiocita ne nose isti funkcijski sklop. Fiziološki odgovor zato zavisi od kombinacije kanala, a ne samo od prisustva jednog poznatog tipa.

Regulacija i integracija

Fosforilacija, drugi glasnici, vezivanje regulatornih proteina i premještanje kanala mogu mijenjati električno stanje ćelije. To povezuje hormone i neurotransmitere sa ekscitabilnošću. Isti hemijski signal može izazvati različit odgovor kada ciljne ćelije izražavaju različite receptore ili kanale.

Bubrezi održavaju koncentracionu stranu gradijenata, a metabolički podržane pumpe održavaju ćelijsku raspodjelu. Kanali koriste te uslove za signalizovanje, kontrakciju i sekreciju. Električna funkcija zato zavisi i od sistema koji održavaju sastav tečnosti.

Zapamti

• Kanal određuje prolaz, elektrohemijski gradijent određuje pogon.
• Otvorenost, selektivnost i dostupnost različita su svojstva.
• Za zaključak o struji treba znati Vm, Ejon i provodljivost.