Canalul ionic, proteină exprimată de practic toate celulele vii care creează o cale pentru ionii încărcați din sărurile dizolvate, inclusiv ionii de sodiu, potasiu, calciu și clorură, să treacă prin membrana celulară lipidică altfel impermeabilă. Funcționarea celulelor în sistemul nervos, contracția inimii și a mușchiului scheletului și secreția în pancreas sunt exemple de procese fiziologice care necesită canale ionice. În plus, canalele ionice din membranele organelelor intracelulare sunt importante pentru reglarea concentrației citoplasmice de calciu și acidifierea compartimentelor subcelulare specifice (de exemplu, lizozomi).
celulă: canale de membrană
Biofizicienii care măsoară curentul electric care trece prin membranele celulare au descoperit că, în general, membranele celulare au o valoare mult mai mare
Evoluție și selectivitate
Ionii curg pasiv prin canale spre echilibru. Această mișcare poate fi condusă de gradienți electrici (tensiune) sau chimici (concentrație). Posibilitatea de a modifica fluxul de ioni ca urmare a dezvoltării canalelor ionice ar fi putut oferi un avantaj evolutiv, permițând organismelor unicelulare să își regleze volumul în fața schimbărilor de mediu. Prin evoluția ulterioară, canalele ionice au ajuns să joace roluri esențiale în secreția celulară și semnalizarea electrică.
Majoritatea canalelor ionice sunt închise - adică se deschid și se închid fie în mod spontan, fie ca răspuns la un stimul specific, cum ar fi legarea unei molecule mici la proteina canalului (canale ionice cu ligand) sau o modificare a tensiunii în membrană care este sesizată de segmente încărcate ale proteinei canalului (canale ionice cu tensiune). În plus, majoritatea canalelor ionice sunt selective, permițând doar trecerea anumitor ioni. Unele canale conduc doar un singur tip de ion (de exemplu, potasiu), în timp ce alte canale prezintă selectivitate relativă - de exemplu, permițând trecerea cationilor încărcați pozitiv în timp ce exclud anionii încărcați negativ. Celulele din organisme superioare pot exprima mai mult de 100 de tipuri diferite de canale ionice, fiecare cu selectivitate diferită și proprietăți de închidere diferite.
Funcția și structura
Fluxul de ioni încărcați prin canalele deschise reprezintă un curent electric care schimbă tensiunea pe membrană prin modificarea distribuției sarcinii. În celulele excitabile, canalele cu tensiune care permit fluxul tranzitoriu de ioni pozitivi (de exemplu, ioni de sodiu și calciu) stau la baza depolarizărilor scurte ale membranei cunoscute sub numele de potențiale de acțiune. Potențialele de acțiune pot fi transmise rapid pe distanțe lungi, permițând coordonarea și momentul precis al rezultatelor fiziologice. În aproape toate cazurile, potențialele de acțiune declanșează efecte fiziologice în aval, cum ar fi secreția sau contracția musculară, prin deschiderea canalelor ionice selective de calciu selectate de calciu și crescând concentrația de calciu intracelular.
Au fost determinate secvențele de aminoacizi ale multor proteine diferite ale canalului ionic, iar în câteva cazuri, structura cristalului cu raze X este cunoscută. Pe baza structurii lor, majoritatea canalelor ionice pot fi clasificate în șase sau șapte superfamilii. Pentru canalele selective de potasiu, care sunt printre cele mai bine caracterizate canale ionice, patru subunități transmembrane omologe se reunesc pentru a crea un tunel, cunoscut sub numele de porul conducător, care oferă o cale polară prin membrana lipidică nepolară. Alte tipuri de canale necesită fie trei sau cinci subunități omologe pentru a genera porul conducător central. În soluție, ionii sunt stabilizați de molecule de apă polarizate în mediul înconjurător. Canalele ionice înguste și extrem de selective imită mediul apei prin căptușirea porilor conducători cu atomi de oxigen carbonil polarizați. Canalele mai puțin selective formează pori cu un diametru suficient de mare încât ionii și moleculele de apă pot trece împreună.
Toxinele și boala
Multe toxine naturale vizează canalele ionice. Exemple includ tetrodotoxina blocantă a canalului de sodiu cu tensiune, care este produsă de bacteriile rezidente în puffers (fluturaș) și mai multe alte organisme; antagonistul alfa-bungarotoxin al receptorului nicotinic nicotinic ireversibil, din veninul șerpilor din genul Bungarus (kraits); și alcaloizi derivați de plante, cum ar fi stricnina și d-tubocurarina, care inhibă activarea canalelor ionice care sunt deschise de către neurotransmițători glicină și respectiv acetilcolină. În plus, un număr mare de medicamente terapeutice, inclusiv anestezice locale, benzodiazepine și derivați de sulfoniluree, acționează direct sau indirect pentru a modula activitatea canalului ionic.
Mutațiile moștenite în genele canalului ionic și în genele care codifică proteine care reglează activitatea canalului ionic au fost implicate într-o serie de boli, inclusiv ataxia (incapacitatea de a coordona mișcările musculare voluntare), diabetul zaharat, anumite tipuri de epilepsie și aritmii cardiace (nereguli în bătăi de inimă). De exemplu, variațiile genetice ale canalelor selective cu sodiu și potasiu, sau în subunitățile lor reglatoare asociate, stau la baza unor forme de sindrom QT lung. Acest sindrom se caracterizează printr-o prelungire a timpului de depolarizare a cursului potențialelor de acțiune a miocitului cardiac, care poate duce la aritmii fatale. În plus, mutațiile canalelor de potasiu sensibile cu adenozin trifosfat (ATP) care controlează secreția de insulină din celulele din pancreas stau la baza unor forme de diabet zaharat.
