CANALE IONICE: STRUCTURĂ, FUNCȚII, TIPURI - BIOLOGIE - 2025

Cele Canalele ionice sunt structuri de membrane tubulare , care formează canale sau pori care traversează grosimea membranei și comunicând exteriorul celulei cu citosol și vice - versa ei; unii pot avea un sistem de poartă care le reglementează deschiderea.

Aceste canale sunt umplute cu apă și controlează trecerea ionilor specifici dintr-o parte a membranei în cealaltă. Sunt formate din proteine ​​tipice membranelor celulare care formează structuri cilindrice în formă de tub care le traversează în lățime.

Formarea deschisă și închisă a unui canal ionic (Sursa: Efazzari prin Wikimedia Commons)

Mecanismele de transport între aceste membrane pot fi clasificate în linii mari în transporturi pasive sau active. Pasivii sunt cei care permit trecerea substanțelor în favoarea gradienților lor de concentrație, în timp ce cei activi necesită consumul de energie, deoarece mută substanțele împotriva gradienților lor de concentrare.

Canalele ionice constituie un mecanism de transport pasiv care poate fi clasificat în funcție de specificul lor, adică în funcție de tipul de ion pe care le permit să treacă sau în funcție de modul în care se deschid sau se închid.

Principala funcție a acestor sisteme de transport cu membrană este de a permite trecerea reglementată a substanțelor în sau din celule și, astfel, menținerea concentrațiilor intracelulare de ioni și alte substanțe.

Prezența membranelor celulare și a canalelor ionice este esențială pentru menținerea diferențelor de concentrație între media intracelulară și extracelulară, ceea ce este relevant din mai multe puncte de vedere.

Canalele ionice, în special cele dependente de ligand, sunt foarte importante în farmacologie și medicină, deoarece multe medicamente pot imita funcțiile liganzilor naturali și astfel se leagă de canal, deschizându-l sau închizându-l, după caz.

Alte medicamente sunt capabile să blocheze locul de legare și astfel să prevină acțiunea ligandului natural.

Structura

Structura canalelor ionice este formată din proteine ​​transmembranare specifice care au o formă tubulară și care lasă un por sau o gaură care permite comunicarea între interiorul și exteriorul celulei sau între compartimentele intracelulare (organele).

Fiecare canal ionic implică o proteină de membrană structurală specifică și au fost descrise peste 100 de gene care codifică canale ionice specifice.

Pentru canalul de sodiu, de exemplu, au fost descrise 10 gene numite SCN care codifică diferite proteine ​​distribuite în diferite țesuturi cu funcții și structuri particulare.

De asemenea, au fost descrise un număr considerabil de gene care codifică diferite proteine ​​care alcătuiesc canale de potasiu care aparțin unor familii diferite și au mecanisme diferite de activare, deschidere și inactivare.

Structura proteică a unui canal ionic

De obicei, un canal funcțional de ioni asociat cu o membrană este compus din ansamblul de 4 până la 6 subunități polipeptidice similare (homo oligomeri) sau diferite (hetero oligomeri) care formează un por central între ele.

Diagrama subunităților de membrană a unui canal ionic (Sursa: Efazzari prin Wikimedia Commons)

Fiecare subunitate variază în funcție de caracteristicile și proprietățile canalului, deoarece multe sunt specifice pentru anumiți ioni și au mecanisme diferite de deschidere și închidere.

Unele canale sunt alcătuite dintr-un singur lanț polipeptidic organizat în tipare repetate care trec de mai multe ori grosimea membranei și funcționează ca echivalentul unei subunități proteice.

Pe lângă aceste subunități, care sunt cunoscute în literatura de specialitate subunitățile α, unele canale ionice au și una sau mai multe subunități auxiliare (ß sau γ) care reglează deschiderea și închiderea lor.

Specificitatea fiecărui canal este legată de diametrul porilor formați de proteinele transmembranare și lanțurile laterale (─R) ale aminoacizilor care le compun.

În acest fel, există canale care lasă doar ionii de sodiu, potasiu, calciu și așa mai departe, deoarece lanțurile laterale funcționează ca o „sită”.

Caracteristici structurale suplimentare

O altă caracteristică importantă a multor canale este porțile. Canalele cu aceste proprietăți se pot deschide sau închide împotriva modificărilor locale care au loc în micro-mediu membranar care înconjoară canalul.

În funcție de tipul de canal, aceste modificări pot fi mecanice, termice (schimbări de temperatură), electrice (modificări de tensiune) sau chimice (legarea unui ligand).

Cu toate acestea, în așa-numitele canale de ioni pasivi, care sunt cele care rămân deschise și permit trecerea specifică a anumitor ioni, aceste structuri nu au porți sau sunt sensibile la liganzi sau la alte tipuri de stimuli.

În alte canale ionice, care sunt sensibile la prezența sau legarea liganzilor, există un loc de legare pentru ligand fie pe partea extracelulară, fie spre citosolul celular și în aceste cazuri porii sau canalele au o poartă care poate fi deschisă sau închisă în funcție de starea ligandului său.

Al doilea mecanism de mesagerie pentru deschiderea sau închiderea canalelor

În cazul în care au un situs de ligand în porțiunea intracelulară, aceste canale au de obicei mesageri secundari ca liganzi. Un exemplu de canale ionice care sunt deschise sau închise prin al doilea mecanism de mesagerie este cel al receptorilor olfactivi:

Moleculele parfumate se leagă de receptorii lor din partea extracelulară. La rândul lor, acești receptori sunt atașați la o proteină G activată care, la rândul său, activează proteina adenilciclază care formează cAMP, care este un al doilea mesager.

CAMP se leagă de un loc intracelular de legare a unor canale de calciu, ceea ce duce la deschiderea acestuia și la intrarea calciului în celulă.

Ca și cum ar fi un efect domino, calciul se leagă de un loc ligand al altui canal de clor, ceea ce generează deschiderea și ieșirea acestui ion, determinând depolarizarea celulei olfactive.

Este important de subliniat faptul că modificările generate de liganzi sau stimulii care afectează canalele ionice corespund modificărilor conformaționale ale proteinelor care alcătuiesc structura canalului.

Cu alte cuvinte, schimbările conformaționale care pot muta o poartă și închide sau deschide un canal nu sunt altceva decât apropierea sau distanțarea subunităților proteice care o compun.

Alte mecanisme de activare și inactivare

Unele canale, în special canalele dependente de tensiune, pot intra într-o stare refractară în timpul căreia aceeași schimbare de tensiune care le-a activat acum nu le mai activează.

De exemplu, în canalele de calciu cu tensiune, schimbarea de tensiune deschide canalul și calciul intră și, odată în interiorul celulei, același ion se leagă de un loc de legare a canalului de calciu și se închide canalul de calciu. .

O altă formă de inactivare reversibilă a canalului de calciu care explică refractaritatea acestuia după activare este defosforilarea canalului datorită creșterii concentrației interne de calciu.

Adică, un canal de calciu poate fi inactivat ireversibil datorită prezenței unor concentrații patologice mari de ion, care mediază recrutarea enzimelor de clivaj din alte proteine ​​activate de calciu.

Canalele cu ligand pot intra într-o stare refractară atunci când sunt expuse ligandului lor mult timp, acest mecanism fiind numit desensibilizare.

Medicamentele, otrăvurile și toxinele pot afecta reglarea canalelor ionice, închiderea sau menținerea lor deschisă sau, în unele cazuri, ocuparea site-ului ligandului și, astfel, să interfereze cu funcția sa.

Caracteristici

Canalele ionice au o multitudine de funcții, directe sau indirecte.

- Sunt responsabili de reglarea fluxului de ioni prin plasmă și membranele organelare ale tuturor celulelor.

- Ele permit existența unui control asupra concentrațiilor intracelulare ale diferitelor ioni.

- În neuroni și celule musculare, canalele ionice controlează variațiile potențialului de membrană care apar în timpul potențialelor de acțiune și în timpul potențialelor potențiale postsinaptice ale celulelor efectoare.

- Canalele de calciu care generează fluxuri nete de calciu în spațiul intracelular sunt responsabile de activarea a numeroase enzime și proteine ​​care participă la multe procese metabolice.

- De asemenea, creșterea calciului datorită creșterii transportului său inițiază mecanismul de eliberare a neurotransmițătorilor în spațiul sinaptic al neuronilor.

- Prin urmare, funcția canalelor ionice este legată și de mecanismele comunicării celulare.

Generalități ale transportului pe membrană

După cum s-a menționat mai sus, mecanismele de transport cu membrană pot fi active sau pasive, în funcție de faptul dacă consumă sau nu energie din celula în care se află. Mecanismele pasive sunt clasificate în difuzie simplă și difuzie facilitată.

Difuzie simplă

Difuzia simplă permite trecerea prin structura fosfolipidă a membranei moleculelor solubile în grăsimi de dimensiuni mici, cu caracteristici apolare și fără sarcină.

Astfel, de exemplu, gazele precum oxigenul (O2) și dioxidul de carbon (CO2), etanolul și urea, pentru a numi câteva, trec prin gradientul lor de concentrație.

Diseminarea facilitată

Difuziunea facilitată este una care este facilitată de proteine ​​și există două tipuri ale acestui mecanism de transport pasiv: canale ionice și proteine ​​de transport sau proteine ​​transportoare.

Canalele ionice sunt mecanismul cel mai utilizat de celule pentru transportul ionilor care nu pot trece printr-o simplă difuzie, fie pentru că au o sarcină electrică, cât și pentru că fosfolipidele membranei le resping, datorită mărimii și polarității lor sau a oricărei alte caracteristici.

Difuzia facilitată de proteinele purtătoare este utilizată pentru transportul substanțelor mai mari cu sau fără sarcină, cum ar fi glucoza și alte zaharuri.

Transportul activ al membranei este acela care apare împotriva gradientului de concentrație al solutului transportat și necesită consumul de energie sub formă de ATP. Printre transportatorii de acest tip se numără pompele și transportul vezicular.

Ca exemplu de pompe este pompa de sodiu / potasiu, care elimină trei sodiu și introduce două potasiu. Există și pompe de calciu.

Exemple de transport vezicular sunt endocitoza, exocitoza, pinocitoza și fagocitoza; toate aceste mecanisme de transport active.

Tipuri de canale ionice

În acest moment, se va face referire la canalele ionice care permit trecerea ionilor printr-o membrană în favoarea gradienților lor de concentrație, adică sunt canale de transport pasiv.

În general, fiecare dintre aceste canale este specific pentru un singur ion, cu excepția câtorva canale care permit transportul perechilor de ioni.

Diagrama structurală a unui canal ionic (Sursa: Outslider (Paweł Tokarz) la pl.wikipedia prin Wikimedia Commons)

O modalitate de clasificare a canalelor ionice este prin gruparea lor în funcție de mecanismul responsabil de deschiderea lor. Astfel, au fost descrise canale pasive, canale reglate de tensiune (dependente de tensiune), canale reglate cu ligandi și canale reglate cu stimulare mecanică.

- canale pasive : sunt canale care sunt permanent deschise și nu răspund la niciun tip de stimul; acestea sunt specifice pentru anumiți ioni.

- Canale dependente de tensiune : acestea se pot deschide sau închide (în funcție de canal) în fața schimbărilor în tensiunea membranei. Sunt foarte importante pentru semnalizarea celulelor, în special în sistemul nervos central al mamiferelor.

- Canalele dependente de ligand : numite și canale ligandate sau reglate cu ligandi, sunt distribuite pe scară largă în diferitele celule ale corpului uman, dar în sistemul nervos constituie acele canale ionice activate de neurotransmițători și sunt esențiale pentru transmisia sinaptică și semnalizare intercelulară.

Exemplu de canale ionice dependente de ligand activate de neurotransmițători sunt canalele de sodiu / potasiu activate de glutamat.

Activarea receptorilor colinergici, în acest caz legarea acetilcolinei la membrana postsinaptică (canalul ligand), deschide canalele de sodiu ligand-dependente și permite intrarea acestui ion în urma gradientului său de concentrație.

- Canale reglate de stimuli mecanici : acestea sunt canale care pot fi activate prin distensie sau presiune. Aceste forțe mecanice sunt transmise canalului prin citoschelet și canalul se deschide.

Referințe

1. Bear, MF, Connors, BW și Paradiso, MA (Eds.). (2007). Neuroștiință (vol. 2). Lippincott Williams & Wilkins.
2. Departamentul de Biochimie și Biofizică Moleculară Thomas Jessell, Siegelbaum, S., & Hudspeth, AJ (2000). Principiile științei neuronale (vol. 4, p. 1227-1246). ER Kandel, JH Schwartz și TM Jessell (Eds.). New York: McGraw-hill.
3. Lewis, CA, & Stevens, CF (1983). Selectivitatea ionică a receptorului de acetilcolină: ionii au un mediu apos. Proceedings of the National Academy of Sciences, 80 (19), 6110-6113.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Principiile biochimiei Lehninger. Macmillan.
5. Rawn, JD (1998). Biochimie. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
6. Viana, F., de la Peña, E., & Belmonte, C. (2002). Specificitatea transducției termice reci este determinată de expresia diferențială a canalului ionic. Neuroștiința naturii, 5 (3), 254.