miniatura|350px|Diagrama esquemático dunha canle iónica. 1 - dominios de canle (normalmente son catro por canle), 2 - vestíbulo exterior, 3 - filtro de selectividade, 4 - diámetro do filtro de selectividade, 5 - sitio de fosforilación, 6 - membrana plasmática. As canles iónicasDicionario de Bioloxía. Xunta de Galicia 2010. Páxina 38 son un tipo de proteína transmembrana que permite o paso de ións específicos ou auga a través da membrana plasmática. A súa estrutura é semellante a un poro ou canle cheo de auga cun sistema de comportas para abrilo ou pechalo. O seu funcionamento permite a xeración de potenciais de acción en células excitables, o mantemento da homeostase interna das células, a subministración de produtos ou condicións necesarias para realizar funcións biolóxicas tales como a síntese de hormonas, a produción de moco e outras. Poden encontrarse na membrana plasmática ou en membranas internas como as do retículo endoplasmático ou mitocondrias.
Así, as canles iónicas son proteínas que controlan o paso de ións a través da membrana plasmática tales como Na+, K+, Ca2+ e Cl− e, por tanto, dependen do gradiente electroquímico de cada ión en particular. No caso de células excitables como os miocitos e as neuronas, o gradiente dos distintos ións establece o potencial de repouso da membrana e a activación de determinadas canles xera os potenciais de acción para a execución da contracción muscular, a liberación de neurotransmisores e a regulación da expresión xenética, entre outras funcións. No caso de células non excitables, as canles iónicas determinan o fluxo de sal e auga, regulando o volume celular e o pH.
As canles iónicas son estruturalmente moi diversas; porén, teñen características comúns. Tipicamente actúan como comportas, abríndose ou pechándose ante diferentes estímulos tales como: o potencial de membrana, a unión de neurotransmisores, a concentración de certos ións ou forzas mecánicas. Unha vez abertos, o fluxo de diferentes ións pode chegar a 106 ou 107 ións por segundo. Poden ser particularmente selectivos para un ión específico, como as canles de sodio, as de potasio e as de calcio; ou non seren selectivas, como os receptores nicotínicos.
Descrición básica
Todas as células vivas deben adquirir do seu arredor as materias primas para a biosíntese e a produción de enerxía e deben liberar na súa contorna os produtos de refugallo do metabolismo. As células promoven intercambios de materia co exterior e están rodeadas por unha membrana plasmática que separa o seu interior do exterior. Uns poucos compostos apolares poden disolverse na bicapa lipídica e cruzar a membrana plasmática sen ningún obstáculo (difusión de partículas liposolubles tales como: oxíxeno, alcohol, entre outros). Porén, no caso de compostos polares (ex. azucre, aminoácidos, ións etc.) é esencial unha proteína de membrana para o transporte transmembrana, unha vez que a estrutura da bicapa lipídica non é doadamente permeable a este tipo de partículas. O transporte destas substancias cara a dentro e fóra da célula ou entre diferentes compartimentos intracelulares lévase a cabo por proteínas de membrana como bombas, transportadores e canles iónicas. As canles iónicas están formadas por glicoproteínas e son compoñentes esenciais na actividade de todas as células.
As canles teñen tres propiedades importantes: conducen ións; recoñecen e seleccionan os ións (as canles poden ser selectivamente permeables a un ou varios ións); ábrense e péchanse en resposta a estímulos eléctricos, químicos ou mecánicos.
As canles iónicas forman poros de membrana que poden abrirse e pecharse. Cando a canle iónica se abre, forma un poro acuoso que se estende a través do espesor da membrana. O fluxo de ións a través dunha canle debido a diferenzas no potencial eléctrico ou de concentracións é pasivo, é dicir, non necesita de gasto metabólico enerxético por parte da célula. Os ións flúen pasivamente a favor do seu gradiente electroquímico. A enerxía vén das forzas químicas que interveñen na difusión, osmose e equilibrio electroquímico. Así, as dúas grandes forzas que impulsan os ións a moverse son a diferenza de concentración e o gradiente eléctrico (a ambas chámaselles forza electromotriz). Xa que na rexión de maior concentración a probabilidade de que as partículas choquen entre si é maior, a migración dunha partícula desta rexión a unha de menor concentración está termodinamicamente favorecida, e dise que a partícula se move a favor dun gradiente químico ou de concentración.
As canles iónicas poden ser de dous tipos: de filtración, que sempre se manteñen abertas; de comporta, que se abren e pechan en reacción a algún tipo de estímulo.
Mecanismos para a apertura ou peche das canles iónicas
En electrofisioloxía a apertura das canles ten lugar xeralmente por medio de activación, e o peche, por medio da desactivación ou inactivación, e na literatura inglesa adoita utilizarse para referirse a isto o termo gating (de gate, 'cancela, porta'), xa que o termo deriva da idea de que unha proteína de canle iónica consta dun poro cunha ou varias comportas, e estas deben estar abertas para que os ións pasen a través do poro. Diversos cambios celulares poden disparar a activación das comportas, en función do tipo de canle iónica de que se trate, entre outros están os seguintes: cambios na voltaxe na membrana celular (canles iónicas reguladas por voltaxe), substancias químicas (fármacos, substancias adictivas, hormonas) que interaccionan coa canle iónica (canles iónicas reguladas por ligandos), cambios na temperatura,Cesare P, Moriondo A, Vellani V, McNaughton PA (1999). Ion channels gated by heat. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 96(14), Jul, 7658–7663, PMID=10393876, PMC=33597, DOI=10.1073/pnas.96.14.7658, . un estreitamento ou unha deformación da membrana celular, adición dun grupo fosfato á canle iónica (fosforilación) e interacción con outras moléculas da célula (por exemplo, as proteínas G).Hille, B. (2001). Ion Channels of Excitable Membranes. Sunderland, Mass.: Sinauer. ISBN 0-87893-321-2. A velocidade á que ocorre calquera destes procesos de activación/inactivación en resposta a estes estímulos coñécese como cinética da activación. Algúns fármacos e moitas toxinas actúan como "modificadores da activación" das canles iónicas modificando a cinética das comportas.
Algunhas canles ábrense ou péchanse aleatoriamente independentemente do valor do potencial de membrana e dise que a súa apertura é independente da voltaxe. En contraste, outras canles están normalmente pechadas, pero a súa probabilidade de apertura pode incrementarse de maneira substancial por cambios no potencial de membrana (canles iónicas sensibles a voltaxe); por interaccións específicas con ligandos extracelulares ou intracelulares (canles activadas por ligandos); ou por estímulos físicos (mecanorreceptores e canles sensibles á calor).
Cando as canles iónicas están pechadas (sen posibilidade de condución), son impermeables aos ións e non conducen a corrente eléctrica. Cando as canles iónicas están abertas, si conducen a corrente eléctrica, e permiten entón que algúns ións pasen a través delas e, por tanto, a través da membrana plasmática da célula. Estes fluxos de ións xeran unha corrente eléctrica a través da membrana. A dirección en que se moven está determinada polo gradiente electroquímico que representa a suma do gradiente químico a través da membrana plasmática e o campo eléctrico que experimenta o ión. A activación é o proceso no que unha canle iónica se transforma e pasa de calquera dos seus estados de condución a calquera dos seus estados de non condución.
Na descrición habitual das canles iónicas activadas por voltaxe do potencial de acción, distínguense catro procesos: activación, desactivación, inactivación e reactivación (tamén chamada recuperación da inactivación). Nun modelo de canle iónica con dúas comportas (unha comporta de activación e outra de inactivación) no cal ambas as dúas deben estar abertas para que os ións sexan conducidos a través da canle, a activación é o proceso de apertura da comporta de activación, que ocorre en resposta ao feito de que a voltaxe dentro da membrana celular (o potencial de membrana) vólvese máis positivo con respecto ao exterior da célula (despolarización); a desactivación é o proceso oposto, é dicir, o peche da comporta en resposta ao feito de que a voltaxe do interior da membrana vólvese máis negativa (repolarización. A inactivación é o peche da comporta de inactivación; igual que na activación, a inactivación ocorre en resposta a que a voltaxe dentro da membrana se volve máis positiva, pero a miúdo ocorre que se atrasa, en comparación coa activación. A recuperación da inactivación é o oposto á inactivación. Así, tanto a inactivación coma a desactivación son procesos que fan que a canle perda a capacidade de condución, pero son procesos diferentes no sentido de que a inactivación se dispara cando o interior da membrana se volve máis positivo, mentres que a desactivación se dispara cando o potencial da membrana se volve máis negativo.
As canles iónicas poden clasificarse en función do tipo de estímulo para a súa apertura ou peche en:
canles activadas por voltaxe; canles activadas por ligandos; canles mecanosensibles.
Canles reguladas por voltaxe
300px|miniatura| Esquema do funcionamento dunha canle iónica regulada por voltaxe. A canle se abre pola diferenza de potencial trasmembrana, e é selectiva para certo tipo de ións debido a que o poro está polarizado e ten un tamaño similar ao do ión. As canles iónicas abren en resposta a cambios no potencial eléctrico a través da membrana plasmática, que é unha bicapa lipídica. A súa principal función é a transmisión de impulsos eléctricos (xeración do potencial de acción) debido a cambios na diferenza de cargas eléctricas derivadas das concentracións de anións e catións entre ambos os lados da membrana. O peche e apertura das canles iónicas son controlados por un sensor que pode ser eléctrico, químico ou mecánico. As canles activadas por voltaxe conteñen un sensor que contén varios aminoácidos con carga positiva que se moven no campo eléctrico da membrana durante a apertura ou peche da canle. O cambio na diferenza de potencial eléctrico a ambos os lados da membrana provoca o movemento do sensor. O movemento do sensor de voltaxe crea un movemento de cargas (chamado corrente de comporta) que cambia a enerxía libre que modifica a estrutura terciaria da canle, abríndoa ou pechándoa. Algunhas destas canles teñen un estado refractario coñecido como inactivación cuxo mecanismo depende dunha subunidade distinta das responsables da apertura e peche.
Canles de sodio (Na+)
A fase de rápida despolarización do potencial de acción das neuronas e células musculares (esqueléticas, lisas e cardíacas) e, en xeral, das células excitables, depende da entrada de Na+ a través de canles activadas por cambios de voltaxe. Esta entrada de Na+ produce unha despolarización do potencial de membrana que facilita, á súa vez, a apertura de máis canles de Na+ e permite que se chegue ao potencial de equilibrio para este ión en 1-2 mseg. Cando as células se encontran en repouso, a probabilidade de apertura das canles de Na+ é moi baixa, aínda que durante a despolarización produza un drástico aumento da súa probabilidade de apertura.
Canles de potasio (K+)