CANALS IÒNICS: ESTRUCTURA, FUNCIONS, TIPUS - BIOLOGIA - 2025

Els canals iònics són unes estructures membranals buides que formen conductes o porus que travessen el gruix de la membrana i comuniquen l'exterior de la cèl·lula amb el seu citosol i viceversa; alguns poden disposar d'un sistema de comporta que regula la seva obertura.

Aquests canals estan plens d'aigua i controlen el pas d'ions específics d'un costat a l'altre de la membrana. Estan formats per unes proteïnes pròpies de les membranes cel·lulars que formen estructures cilíndriques en forma de tub que les travessen a l'ample.

Conformació oberta i tancada d'un canal iònic (Font: Efazzari via Wikimedia Commons)

Els mecanismes de transport a través d'aquestes membranes es poden classificar àmpliament en transports passius o actius. Els passius són aquells que permeten el pas de substàncies a favor dels seus gradients de concentració, mentrestant els actius requereixen de l'consum d'energia, ja que desplacen substàncies en contra dels seus gradients de concentració.

Els canals iònics constitueixen un mecanisme de transport passiu que pot classificar-se d'acord amb la seva especificitat, és a dir, d'acord amb el tipus de ió que deixen passar, o en funció de la forma en què s'obren o es tanquen.

La funció principal d'aquests sistemes de transport membranals és la de permetre el pas regulat de substàncies cap a dins o fora de les cèl·lules i mantenir així les concentracions intracel·lulars de ions i altres substàncies.

La presència de les membranes cel·lulars i els canals iònics en fonamental per al manteniment de les diferències de concentració entre els mitjans intracel·lular i extracel·lular, que té rellevància des de molts punts de vista.

Els canals iònics, especialment aquells lligant dependents, són molt importants en la farmacologia i la medicina, ja que molts fàrmacs poden mimetitzar les funcions dels lligands naturals i unir-se així a canal, obrint o tancant, segons sigui el cas.

Altres fàrmacs són capaços de bloquejar el lloc d'unió i així impedir l'acció de l'lligant natural.

estructura

L'estructura dels canals iònics està formada per proteïnes transmembranales específiques que tenen una forma tubular i deixen un porus o orifici que permet la comunicació entre l'interior i l'exterior de la cèl·lula o entre compartiments intracel·lulars (orgànuls).

Cada canal iònic implica una proteïna estructural específica de la membrana i s'han descrit més de 100 gens que codifiquen canals iònics específics.

Per al canal de sodi, per exemple, s'han descrit 10 gens anomenats SCN que codifiquen diferents proteïnes distribuïdes en diferents teixits amb funcions i estructures particulars.

Així mateix, s'ha descrit una quantitat considerable de gens que codifiquen diferents proteïnes que conformen canals de potassi que pertanyen a diferents famílies i posseeixen diferents mecanismes d'activació, obertura i inactivació.

Estructura proteica d'un canal iònic

Típicament, un canal iònic funcional associat a una membrana està compost per l'acoblament de 4 a 6 subunitats polipeptídiques similars (homo oligòmers) o diferents (hetero oligòmers) que formen un porus central entre elles.

Esquema de les subunitats membranals d'un canal iònic (Font: Efazzari via Wikimedia Commons)

Cada subunitat varia d'acord amb les característiques i propietats de l'canal, ja que molts són específics per ions determinats i posseeixen mecanismes diversos d'obertura i tancament.

Alguns canals estan conformats per una sola cadena polipeptídica organitzada en motius repetits que van travessant diverses vegades el gruix de la membrana i funcionen com l'equivalent a una subunitat proteica.

A més d'aquestes subunitats, que es coneixen en la literatura com subunitats α, alguns canals iònics també posseeixen una o més subunitats auxiliars (ß o γ) que regulen l'obertura i el tancament dels mateixos.

L'especificitat de cada canal està relacionada amb el diàmetre de l'porus format per les proteïnes transmembranales i les cadenes laterals (─R) dels aminoàcids que les conformen.

D'aquesta manera, hi ha canals que només deixen passar ions de sodi, de potassi, de calci i així successivament, ja que les cadenes laterals funcionen com "tamís".

Característiques estructurals addicionals

Una altra característica important de molts canals són les comportes. Els canals amb aquestes propietats poden obrir-se o tancar-se davant de canvis locals que ocorren en el microambient membranal que envolta el canal.

Depenent de l'tipus de canal, aquests canvis poden ser mecànics, tèrmics (canvis de temperatura), elèctrics (canvis de voltatge) o químics (unió d'un lligant).

No obstant això, en els anomenats canals iònics passius, que són aquells que romanen oberts i permeten el pas específic de ions determinats, aquestes estructures no tenen comportes ni són sensibles a lligands o un altre tipus d'estímuls.

En altres canals iònics, que són sensibles a la presència o unió de lligands, hi ha un lloc d'unió per lligant bé sigui en el costat extracel·lular o cap al citosol cel·lular i en aquests casos els porus o canals posseeixen una comporta que pot obrir-se o tancar-se d'acord amb l'estat de la seva lligant.

Mecanisme de segons missatgers per a l'obertura o el tancament de canals

En el cas de tenir un lloc per lligant en la porció intracel·lular, aquests canals solen tenir segons missatgers com lligands. Un exemple dels canals iònics que s'obren o es tanquen per mecanismes de segons missatgers és el dels receptors olfactius:

Les molècules odoríferes s'uneixen als seus receptors en el costat extracel·lular. Aquests receptors, al seu torn, estan units a una proteïna G que s'activa que, al seu torn, activa a la proteïna adenilciclasa que forma AMPc, que és un segon missatger.

L'AMPc s'uneix a un lloc d'unió intracel·lular d'uns canals de calci, el que resulta en la seva obertura i l'entrada de calci cap a la cèl·lula.

Com si d'un efecte dòmino es tractés, el calci s'uneix a un lloc per lligant d'un altre canal de clor, el que genera la seva obertura i la sortida d'aquest ió, ocasionant la despolarització de la cèl·lula olfactòria.

És important destacar que els canvis generats pels lligands o els estímuls que afecten els canals iònics corresponen a canvis conformacionals de les proteïnes que constitueixen l'estructura de canal.

En altres paraules, els canvis conformacionals que poden moure una comporta i tancar o obrir un canal, no són més que l'acostament o el distanciament de les subunitats proteiques que el componen.

Altres mecanismes d'activació i inactivació

Alguns canals, sobretot els canals voltatge-dependents, poden entrar en un estat refractari durant el qual el mateix canvi de voltatge que els va activar ara ja no els activa.

Per exemple, en els canals de calci voltatge-dependents, el canvi de voltatge obre el canal i el calci entra i, un cop dins de la cèl·lula, el mateix ió s'uneix a un lloc d'unió de l'canal de calci i aquest es tanca.

Una altra forma d'inactivació reversible de canal de calci que explica la seva refractarietat després de l'activació és la desfosforilació de canal causa de l'augment de la concentració interna de l'calci.

És a dir, una cadena de calci pot inactivar irreversiblement a causa de la presència de concentracions patològicament altes de l'ió, que intervenen el reclutament d'enzims desdobladores d'altres proteïnes activades per calci.

Els canals regulats per lligant poden entrar en estat refractari quan s'exposen de forma perllongada al seu lligant, rebent aquest mecanisme el nom de desensibilització.

Els fàrmacs, els verins i les toxines poden incidir sobre la regulació dels canals iònics, tancant-los o mantenint-los oberts o, en alguns casos, ocupant el lloc de l'lligant i interferint així amb la seva funció.

funcions

Els canals iònics tenen multiplicitat de funcions, directes o indirectes.

- Són els responsables de regular el flux d'ions a través de les membranes plasmàtiques i organelares de totes les cèl·lules.

- Permeten l'existència d'un control sobre les concentracions intracel·lulars dels diferents ions.

- A les neurones i en les cèl·lules musculars, els canals iònics controlen les variacions de l'potencial de membrana que tenen lloc durant els potencials d'acció i durant els potencials post sinàptics de les cèl·lules efectores.

- Els canals de calci que generen fluxos nets de calci cap a l'espai intracel·lular són responsables de l'activació de nombrosos enzims i proteïnes que participen en molts processos metabòlics.

- Així mateix l'increment de calci causa d'un augment en el seu transport s'inicia el mecanisme d'alliberament dels neurotransmissors a l'espai sinàptic de les neurones.

- Per tant, la funció dels canals iònics també es relaciona amb els mecanismes de comunicació cel·lular.

Generalitats de l'transport a través de la membrana

Com es va enunciar anteriorment, els mecanismes de transport membranals poden ser actius o passius segons consumeixin o no energia de la cèl·lula on es troben. Els mecanismes passius es classifiquen en difusió simple i difusió facilitada.

difusió simple

La difusió simple permet el pas a través de l'estructura de fosfolípids de la membrana de molècules liposolubles de mida petita, amb característiques apolars i sense càrrega.

Així, per exemple, els gasos com l'oxigen (O2) i el diòxid de carboni (CO2), l'etanol i la urea, per citar alguns, passen a favor del seu gradient de concentració.

difusió facilitada

La difusió facilitada és aquella que és facilitada per proteïnes i d'aquest mecanisme de transport passiu ha dos tipus: els canals iònics i les proteïnes de transport o proteïnes transportadores.

Els canals iònics són el mecanisme més emprat per les cèl·lules per al transport d'ions que no poden passar per difusió simple, bé sigui perquè tenen càrrega elèctrica i els fosfolípids de la membrana dels repel·leixen, per la seva grandària i polaritat o qualsevol altra característica.

La difusió facilitada per proteïnes transportadores és emprada per al transport de substàncies més grans amb o sense càrrega, com ara la glucosa i altres sucres.

El transport membranal actiu és aquell que passa en contra de el gradient de concentració de l'solut que es transporta i requereix d'el consum d'energia en forma d'ATP. Entre els transportadors d'aquest tipus estan les bombes i el transport vesicular.

Com a exemple de les bombes hi ha la de sodi / potassi, que treu 3 sodis i introdueix dues potasios. També hi ha les bombes de calci.

Com a exemple d'el transport vesicular estan l'endocitosi, l'exocitosi, la pinocitosi i fagocitosi; tots aquests mecanismes de transport actiu.

Tipus de canals iònics

A partir d'aquest punt es farà referència als canals iònics que permeten el pas d'ions a través d'una membrana a favor dels seus gradients de concentració, és a dir, que són canals de transport passiu.

Generalment, cada un d'aquests canals és específic per a un sol ió, amb l'excepció d'alguns pocs canals que permeten el transport de parells d'ions.

Esquema estructural d'un canal iònic (Font: Outslider (Paweł Tokarz) at pl.wikipedia via Wikimedia Commons)

Una manera de classificar els canals iònics és agrupant-los d'acord amb el mecanisme responsable de la seva obertura. Així, s'han descrit els canals passius, els canals regulats pel voltatge (voltatge-dependents), els canals regulats per lligant i els canals regulats per estímuls mecànics.

- Canals passius: són canals que es troben permanentment oberts i no responen a cap tipus d'estímul; aquests són específics per a determinats ions.

- Canals voltatge-dependents: aquests poden obrir-se o tancar-se (depenent de canal) enfront de canvis en el voltatge de la membrana. Són molt importants per a la senyalització cel·lular, sobretot en el sistema nerviós central dels mamífers.

- Canals lligant-dependents: anomenats també canals amb porta de lligant o regulats per lligant, estan àmpliament distribuïts en les diferents cèl·lules corporals dels humans, però en el sistema nerviós constitueixen aquells canals iònics activats per neurotransmissors i són essencials per a la transmissió sinàptica i la senyalització intercel·lular.

Exemple de canals iònics lligant-dependents activats per neurotransmissors són els canals de sodi / potassi activats per glutamat.

L'activació dels receptors colinèrgics, en aquest cas la unió de l'acetilcolina a la membrana postsinàptica (lligant de canal), obre canals de sodi lligant-dependents i permet l'entrada d'aquest ió seguint el seu gradient de concentració.

- Canals regulats per estímuls mecànics: són canals que es poden activar per distensió o pressió. Aquestes forces mecàniques es transmeten a canal a través del citoesquelet i el canal s'obre.

referències

1. Bear, MF, Connors, BW, & Paradiso, MA (Eds.). (2007). Neuroscience (Vol. 2). Lippincott Williams & Wilkins.
2. Department of Biochemistry and Molecular Biophysics Thomas Jessell, Siegelbaum, S., & Hudspeth, AJ (2000). Principles of neural science (Vol. 4, pp. 1227-1246). ER Kandel, JH Schwartz, & TM Jessell (Eds.). New York: McGraw-hill.
3. Lewis, CA, & Stevens, CF (1983). Acetylcholine receptor channel ionic selectivity: ions experience an aqueous environment. Proceedings of the National Academy of Sciences, 80 (19), 6110-6113.
4. Nelson, DL, Lehninger, A EL, & Cox, MM (2008). Lehninger principles of biochemistry. Macmillan.
5. Rawn, JD (1998). Bioquímica. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
6. Viana, F., de la Penya, I., & Belmonte, C. (2002). Specificity of cold thermo transduction is determined by differential ionic channel expression. Nature Neuroscience, 5 (3), 254.