Canal iônico - Ion channel

Diagrama esquemático de um canal iônico. 1 - domínios de canal (normalmente quatro por canal), 2 - vestíbulo externo, 3 - filtro de seletividade , 4 - diâmetro do filtro de seletividade, 5 - local de fosforilação , 6 - membrana celular .

Os canais iônicos são proteínas de membrana formadoras de poros que permitem que os íons passem através dos poros do canal. Suas funções incluem o estabelecimento de um potencial de membrana em repouso , moldando potenciais de ação e outros sinais elétricos, controlando o fluxo de íons através da membrana celular , controlando o fluxo de íons através das células epiteliais e secretoras e regulando o volume celular . Os canais iônicos estão presentes nas membranas de todas as células. Os canais iônicos são uma das duas classes de proteínas ionofóricas , sendo a outra os transportadores iônicos .

O estudo dos canais iônicos frequentemente envolve biofísica , eletrofisiologia e farmacologia , enquanto usa técnicas que incluem clamp de voltagem , patch clamp , imunohistoquímica , cristalografia de raios X , fluoroscopia e RT-PCR . Sua classificação como moléculas é chamada de channelomics .

Recursos básicos

Filtro de seletividade permitindo apenas íons de potássio através do canal de potássio ( PDB: 1K4C ).

Existem duas características distintas dos canais iônicos que os diferenciam de outros tipos de proteínas transportadoras de íons:

  1. A taxa de transporte de íons através do canal é muito alta (geralmente 10 6 íons por segundo ou mais).
  2. Os íons passam através dos canais para baixo em seu gradiente eletroquímico , que é uma função da concentração de íons e potencial de membrana, "downhill", sem a entrada (ou ajuda) de energia metabólica (por exemplo , ATP , mecanismos de co-transporte ou mecanismos de transporte ativo ).

Os canais iônicos estão localizados dentro da membrana de todas as células excitáveis ​​e de muitas organelas intracelulares . Eles são frequentemente descritos como túneis estreitos cheios de água que permitem a passagem apenas de íons de um determinado tamanho e / ou carga. Essa característica é chamada de permeabilidade seletiva . O poro do canal arquetípico tem apenas um ou dois átomos de largura em seu ponto mais estreito e é seletivo para espécies específicas de íons, como sódio ou potássio . No entanto, alguns canais podem ser permeáveis ​​à passagem de mais de um tipo de íon, normalmente compartilhando uma carga comum: positiva ( cátions ) ou negativa ( ânions ). Os íons geralmente se movem através dos segmentos do poro do canal em um único arquivo quase tão rapidamente quanto os íons se movem através da solução livre. Em muitos canais de íons, a passagem pelo poro é governada por uma "porta", que pode ser aberta ou fechada em resposta a sinais químicos ou elétricos, temperatura ou força mecânica.

Os canais iônicos são proteínas integrais de membrana , normalmente formadas como conjuntos de várias proteínas individuais. Esses conjuntos de "múltiplas subunidades " geralmente envolvem um arranjo circular de proteínas idênticas ou homólogas compactadas em torno de um poro cheio de água através do plano da membrana ou bicamada lipídica . Para a maioria dos canais de íons dependentes de voltagem , as subunidades formadoras de poros são chamadas de subunidades α, enquanto as subunidades auxiliares são denotadas β, γ e assim por diante.

Papel biológico

Como os canais estão por trás do impulso nervoso e como os canais "ativados pelo transmissor" medeiam a condução através das sinapses , os canais são componentes especialmente proeminentes do sistema nervoso . Na verdade, inúmeras toxinas que os organismos desenvolveram para desligar o sistema nervoso de predadores e presas (por exemplo, os venenos produzidos por aranhas, escorpiões, cobras, peixes, abelhas, caracóis marinhos e outros) funcionam modulando a condutância do canal iônico e / ou cinética. Além disso, os canais iônicos são componentes-chave em uma ampla variedade de processos biológicos que envolvem mudanças rápidas nas células, como contração cardíaca , esquelética e muscular lisa , transporte epitelial de nutrientes e íons, ativação de células T e insulina de células beta pancreáticas liberar. Na busca por novos medicamentos, os canais iônicos são um alvo frequente.

Diversidade

Existem mais de 300 tipos de canais iônicos apenas nas células do ouvido interno. Canais de iões pode ser classificada pela sua natureza de intermitcia , as espécies de iões que passam através destas portas, o número de portas (poros) e localização de proteínas.

Mais heterogeneidade de canais iônicos surge quando canais com diferentes subunidades constitutivas dão origem a um tipo específico de corrente. Ausência ou mutação de um ou mais dos tipos contribuintes de subunidades de canal pode resultar em perda de função e, potencialmente, estar subjacente a doenças neurológicas.

Classificação por gating

Os canais de íons podem ser classificados por portas, ou seja, o que abre e fecha os canais. Por exemplo, os canais de íons dependentes de voltagem abrem ou fecham dependendo do gradiente de voltagem através da membrana plasmática, enquanto os canais de íons dependentes de ligante abrem ou fecham dependendo da ligação dos ligantes ao canal.

Voltagem-controlada

Os canais iônicos dependentes de voltagem abrem e fecham em resposta ao potencial de membrana .

  • Canais de sódio dependentes de voltagem : Esta família contém pelo menos 9 membros e é amplamente responsável pela criação e propagação do potencial de ação . As subunidades α formadoras de poros são muito grandes (até 4.000 aminoácidos ) e consistem em quatro domínios de repetição homólogos (I-IV), cada um compreendendo seis segmentos transmembranares (S1-S6) para um total de 24 segmentos transmembranares. Os membros desta família também se agrupam com subunidades β auxiliares, cada uma abrangendo a membrana uma vez. Ambas as subunidades α e β são amplamente glicosiladas .
  • Canais de cálcio dependentes de voltagem : esta família contém 10 membros, embora se saiba que eles se agrupam com as subunidades α 2 δ, β e γ. Esses canais desempenham um papel importante tanto na ligação da excitação muscular com a contração quanto na excitação neuronal com a liberação do transmissor. As subunidades α têm uma semelhança estrutural geral com as dos canais de sódio e são igualmente grandes.
  • Canais de potássio controlados por voltagem (K V ): Esta família contém quase 40 membros, que são divididos em 12 subfamílias. Esses canais são conhecidos principalmente por seu papel na repolarização da membrana celular seguindo potenciais de ação . As subunidades α possuem seis segmentos transmembrana, homólogos a um único domínio dos canais de sódio. Correspondentemente, eles se montam como tetrâmeros para produzir um canal funcional.
  • Alguns canais de receptor potencial transiente : Este grupo de canais, normalmente referido simplesmente como canais TRP, é nomeado após seu papel na fototransdução de Drosophila . Esta família, contendo pelo menos 28 membros, é incrivelmente diversa em seu método de ativação. Alguns canais de TRP parecem ser constitutivamente abertos, enquanto outros são controlados por voltagem , Ca 2+ intracelular , pH, estado redox, osmolaridade e alongamento mecânico . Esses canais também variam de acordo com o (s) íon (es) que passam, alguns sendo seletivos para Ca 2+, enquanto outros são menos seletivos, atuando como canais catiônicos. Esta família é subdividida em 6 subfamílias com base na homologia: clássica ( TRPC ), receptores vaniloides ( TRPV ), melastatina ( TRPM ), policistinas ( TRPP ), mucolipinas ( TRPML ) e proteína transmembranar anquirina 1 ( TRPA ).
  • Canais dependentes de nucleotídeos cíclicos ativados por hiperpolarização : A abertura desses canais é devido à hiperpolarização, e não à despolarização necessária para outros canais dependentes de nucleotídeos cíclicos. Esses canais também são sensíveis aos nucleotídeos cíclicos cAMP e cGMP , que alteram a sensibilidade à voltagem da abertura do canal. Esses canais são permeáveis ​​aos cátions monovalentes K + e Na + . Existem 4 membros nesta família, todos os quais formam tetrâmeros de seis subunidades α transmembrana. À medida que esses canais se abrem sob condições de hiperpolarização, eles funcionam como canais de marcapasso no coração, particularmente o nó SA .
  • Canais de prótons dependentes de voltagem : Os canais de prótons dependentes de voltagem abrem com despolarização, mas de uma maneira fortemente sensível ao pH. O resultado é que esses canais se abrem apenas quando o gradiente eletroquímico está para fora, de modo que sua abertura só permitirá que os prótons deixem as células. Sua função, portanto, parece ser a extrusão de ácido das células. Outra função importante ocorre nos fagócitos (por exemplo , eosinófilos , neutrófilos , macrófagos ) durante a "explosão respiratória". Quando as bactérias ou outros micróbios são engolfados pelos fagócitos, a enzima NADPH oxidase se reúne na membrana e começa a produzir espécies reativas de oxigênio (ROS) que ajudam a matar as bactérias. A NADPH oxidase é eletrogênica, movendo os elétrons através da membrana e os canais de prótons se abrem para permitir que o fluxo de prótons equilibre o movimento dos elétrons eletricamente.

Ligando-gated (neurotransmissor)

Também conhecido como receptores ionotrópicos , esse grupo de canais se abre em resposta a moléculas de ligante específicas que se ligam ao domínio extracelular da proteína receptora. A ligação do ligante causa uma mudança conformacional na estrutura da proteína do canal que, em última análise, leva à abertura da porta do canal e subsequente fluxo de íons através da membrana plasmática. Exemplos de tais canais incluem o receptor de acetilcolina "nicotínico" permeável a cátions , receptores ionotrópicos bloqueados por glutamato , canais iônicos de detecção de ácido ( ASICs ), receptores P2X bloqueados por ATP e o receptor GABA A bloqueado por ácido γ-aminobutírico permeável a ânions .

Os canais iônicos ativados por segundos mensageiros também podem ser categorizados neste grupo, embora ligantes e segundos mensageiros sejam distintos uns dos outros.

Bloqueado por lipídios

Este grupo de canais se abre em resposta a moléculas lipídicas específicas que se ligam ao domínio transmembranar do canal, tipicamente próximo ao folheto interno da membrana plasmática. Fosfatidilinositol 4,5-bifosfato ( PIP 2 ) e ácido fosfatídico ( PA ) são os lipídios mais bem caracterizados para bloquear esses canais. Muitos dos canais de potássio de vazamento são controlados por lipídios, incluindo os canais de potássio do retificador interno e dois canais de potássio de domínio de poro TREK-1 e TRAAK. A família de canais de potássio KCNQ é controlada por PIP 2 . O canal de potássio ativado por tensão (Kv) é regulado pelo PA. Seu ponto médio de ativação muda +50 mV após a hidrólise do PA, próximo aos potenciais de membrana em repouso. Isso sugere que o Kv pode ser aberto por hidrólise lipídica independente da voltagem e pode qualificar este canal como canal duplo de lipídio e voltado para a voltagem.

Outro portão

Gating também inclui ativação e inativação por segundos mensageiros de dentro da membrana celular - ao invés de fora da célula, como no caso dos ligantes.

  • Alguns canais de potássio:
    • Canais de potássio retificadores internos : Esses canais permitem que os íons de potássio fluam para dentro da célula de uma maneira "retificadora interna": o potássio flui mais eficientemente para dentro do que para fora da célula. Esta família é composta por 15 membros oficiais e 1 membro não oficial e é subdividida em 7 subfamílias com base na homologia. Esses canais são afetados por ATP intracelular , PIP 2 e subunidades βγ da proteína G. Eles estão envolvidos em processos fisiológicos importantes, como a atividade do marcapasso no coração, a liberação de insulina e a captação de potássio nas células gliais . Eles contêm apenas dois segmentos transmembranares, correspondendo aos segmentos centrais de formação de poros dos canais K V e K Ca. Suas subunidades α formam tetrâmeros.
    • Canais de potássio ativados por cálcio : esta família de canais é ativada pelo Ca 2+ intracelular e contém 8 membros.
    • Canal de potássio de domínio de poro em tandem : Esta família de 15 membros forma o que é conhecido como canais de vazamento e exibem retificação Goldman-Hodgkin-Katz (aberta) . Ao contrário do seu nome comum de "canais de potássio com dois poros", esses canais têm apenas um poro, mas dois domínios de poro por subunidade.
  • Os canais de dois poros incluem canais de cátions ligados por ligante e por voltagem, assim chamados porque contêm duas subunidades formadoras de poros. Como o nome sugere, eles têm dois poros.
  • Canais controlados por luz, como a channelrodopsina, são abertos diretamente pelos fótons .
  • Os canais iônicos mecanossensíveis se abrem sob a influência de estiramento, pressão, cisalhamento e deslocamento.
  • Canais cíclicos de nucleotídeos : esta superfamília de canais contém duas famílias: os canais cíclicos de nucleotídeos (CNG) e os canais de hiperpolarização, cíclicos de nucleotídeos (HCN). Esse agrupamento é mais funcional do que evolutivo.
    • Canais cíclicos controlados por nucleotídeos: esta família de canais é caracterizada pela ativação por cAMP intracelular ou cGMP . Esses canais são principalmente permeáveis ​​a cátions monovalentes, como K + e Na + . Eles também são permeáveis ​​ao Ca 2+ , embora atue para fechá-los. Existem 6 membros nesta família, que é dividida em 2 subfamílias.
    • Canais bloqueados por nucleotídeos cíclicos ativados por hiperpolarização
  • Canais controlados por temperatura: Membros da superfamília de canais iônicos de potencial receptor transiente , como TRPV1 ou TRPM8 , são abertos por temperaturas quentes ou frias.

Classificação por tipo de íons

Classificação por localização celular

Os canais iônicos também são classificados de acordo com sua localização subcelular. A membrana plasmática representa cerca de 2% da membrana total da célula, enquanto as organelas intracelulares contêm 98% da membrana celular. Os principais compartimentos intracelulares são retículo endoplasmático , aparelho de Golgi e mitocôndria . Com base na localização, os canais iônicos são classificados como:

  • Canais de membrana plasmática
    • Exemplos: canais de potássio dependentes de voltagem (Kv), canais de sódio (Nav), canais de cálcio (Cav) e canais de cloreto (ClC)
  • Canais intracelulares, que são classificados em diferentes organelas
    • Canais de retículo endoplasmático : RyR, SERCA, ORAi
    • Canais mitocondriais: mPTP, KATP, BK, IK, CLIC5, Kv7.4 na membrana interna e VDAC e CLIC4 como canais da membrana externa.

Outras classificações

Alguns canais iônicos são classificados pela duração de sua resposta aos estímulos:

  • Canais de potencial receptor transiente : Este grupo de canais, normalmente referido simplesmente como canais TRP, é nomeado após seu papel na fototransdução visual da Drosophila . Esta família, contendo pelo menos 28 membros, é diversa em seus mecanismos de ativação. Alguns canais TRP permanecem constitutivamente abertos, enquanto outros são controlados por voltagem , Ca 2+ intracelular , pH , estado redox , osmolaridade e estiramento mecânico . Esses canais também variam de acordo com o (s) íon (s) que passam, alguns sendo seletivos para Ca 2+, enquanto outros são canais catiônicos menos seletivos. Esta família é subdividida em 6 subfamílias com base na homologia: TRP canônico ( TRPC ), receptores vaniloides ( TRPV ), melastatina ( TRPM ), policistinas ( TRPP ), mucolipinas ( TRPML ) e proteína transmembranar anquirina 1 ( TRPA ).

Estrutura detalhada

Os canais diferem com relação ao íon que deixam passar (por exemplo, Na + , K + , Cl - ), as maneiras pelas quais podem ser regulados, o número de subunidades das quais são compostos e outros aspectos da estrutura. Os canais pertencentes à maior classe, que inclui os canais dependentes de voltagem que sustentam o impulso nervoso, consistem em quatro subunidades com seis hélices transmembrana cada. Na ativação, essas hélices se movem e abrem o poro. Duas dessas seis hélices são separadas por um loop que reveste o poro e é o principal determinante da seletividade e condutância de íons nesta classe de canal e em algumas outras. A existência e o mecanismo de seletividade de íons foram postulados pela primeira vez no final dos anos 1960 por Bertil Hille e Clay Armstrong . A ideia da seletividade iônica para os canais de potássio era que os carbonil oxigênios da estrutura protéica do "filtro de seletividade" (denominado por Bertil Hille ) poderiam substituir com eficiência as moléculas de água que normalmente protegem os íons de potássio, mas que os íons de sódio eram menores e não podem ser completamente desidratado para permitir tal proteção e, portanto, não poderia passar. Esse mecanismo foi finalmente confirmado quando a primeira estrutura de um canal iônico foi elucidada. Um canal de potássio bacteriano KcsA, consistindo apenas do filtro de seletividade, loop "P" e duas hélices transmembrana foi usado como um modelo para estudar a permeabilidade e a seletividade dos canais iônicos no laboratório Mackinnon. A determinação da estrutura molecular de KcsA por Roderick MacKinnon usando cristalografia de raios-X ganhou uma parte do Prêmio Nobel de Química de 2003 .

Por causa de seu tamanho pequeno e da dificuldade de cristalizar proteínas integrais de membrana para análise de raios-X, só muito recentemente os cientistas foram capazes de examinar diretamente como os canais "se parecem". Particularmente nos casos em que a cristalografia exigiu a remoção de canais de suas membranas com detergente, muitos pesquisadores consideram as imagens obtidas como provisórias. Um exemplo é a tão esperada estrutura cristalina de um canal de potássio controlado por voltagem, relatada em maio de 2003. Uma ambigüidade inevitável sobre essas estruturas está relacionada à forte evidência de que os canais mudam de conformação conforme operam (eles abrem e fecham, por exemplo ), de modo que a estrutura no cristal pode representar qualquer um desses estados operacionais. A maior parte do que os pesquisadores deduziram sobre a operação do canal até agora eles estabeleceram por meio de eletrofisiologia , bioquímica , comparação de sequência de genes e mutagênese .

Os canais podem ter domínios únicos (CLICs) a múltiplos transmembrana (canais K, receptores P2X, canais de Na) que abrangem a membrana plasmática para formar poros. Poro pode determinar a seletividade do canal. A porta pode ser formada dentro ou fora da região dos poros.

Farmacologia

As substâncias químicas podem modular a atividade dos canais iônicos, por exemplo, bloqueando-os ou ativando-os.

Bloqueadores de canal iônico

Uma variedade de bloqueadores de canais iônicos (moléculas inorgânicas e orgânicas) podem modular a atividade e condutância do canal iônico. Alguns bloqueadores comumente usados ​​incluem:

Ativadores de canal iônico

Vários compostos são conhecidos por promover a abertura ou ativação de canais iônicos específicos. São classificados pelo canal em que atuam:

Doenças

Existem vários distúrbios que perturbam o funcionamento normal dos canais iônicos e têm consequências desastrosas para o organismo. Os distúrbios genéticos e autoimunes dos canais iônicos e seus modificadores são conhecidos como canalopatias . Veja Categoria: Channelopathies para uma lista completa.

História

As propriedades fundamentais das correntes mediadas por canais iônicos foram analisadas pelos biofísicos britânicos Alan Hodgkin e Andrew Huxley como parte de sua pesquisa ganhadora do Prêmio Nobel sobre o potencial de ação , publicada em 1952. Eles se basearam no trabalho de outros fisiologistas, como Cole e a pesquisa de Baker em poros de membrana dependentes de voltagem de 1941. A existência de canais iônicos foi confirmada na década de 1970 por Bernard Katz e Ricardo Miledi usando análise de ruído. Em seguida, foi mostrado mais diretamente com uma técnica de gravação elétrica conhecida como " patch clamp ", que levou ao Prêmio Nobel para Erwin Neher e Bert Sakmann , os inventores da técnica. Centenas, senão milhares de pesquisadores continuam a buscar uma compreensão mais detalhada de como essas proteínas funcionam. Nos últimos anos, o desenvolvimento de dispositivos de patch clamp automatizados ajudou a aumentar significativamente o rendimento na triagem de canais de íons.

O Prêmio Nobel de Química de 2003 foi concedido a Roderick MacKinnon por seus estudos sobre as propriedades físico-químicas da estrutura e função do canal iônico, incluindo estudos de estrutura cristalográfica de raios-X .

Cultura

Birth of an Idea (2007) de Julian Voss-Andreae . A escultura foi encomendada por Roderick MacKinnon com base nas coordenadas atômicas da molécula que foram determinadas pelo grupo de MacKinnon em 2001.

Roderick MacKinnon encomendou o Birth of an Idea , uma escultura de 1,5 m de altura baseada no canal de potássio KcsA . A arte contém um objeto de arame representando o interior do canal com um objeto de vidro soprado representando a cavidade principal da estrutura do canal.

Veja também

Referências

links externos