Canal de sódio - Sodium channel

Os canais de sódio são proteínas integrais da membrana que formam canais iônicos , conduzindo íons sódio ( Na + ) através da membrana plasmática da célula . Eles pertencem à superfamília dos canais de cátions e podem ser classificados de acordo com o gatilho que abre o canal para tais íons, ou seja, uma mudança de voltagem ("voltagem controlada", "sensível à voltagem" ou sódio "dependente da voltagem" canal; também chamado de "VGSCs" ou "canal de navegação") ou uma ligação de uma substância (um ligante ) ao canal (canais de sódio controlados por ligante).

Em células excitáveis, como neurônios , miócitos e certos tipos de glia , os canais de sódio são responsáveis ​​pela fase crescente dos potenciais de ação . Esses canais passam por três estados diferentes, chamados de estados de repouso, ativo e inativo. Mesmo que os estados de repouso e inativo não permitam que os íons fluam através dos canais, a diferença existe no que diz respeito à sua conformação estrutural.

Seletividade

Os canais de sódio são altamente seletivos para o transporte de íons através das membranas celulares. A alta seletividade com respeito ao íon sódio é alcançada de muitas maneiras diferentes. Todos envolvem o encapsulamento do íon sódio em uma cavidade de tamanho específico dentro de uma molécula maior.

Canais de sódio dependentes de voltagem

Estrutura

Diagrama de uma subunidade α do canal de sódio sensível à voltagem. G - glicosilação , P - fosforilação , S - seletividade de íons, I - inativação. Cargas positivas (+) em S4 são importantes para a detecção de tensão transmembrana.

Os canais de sódio consistem em grandes subunidades α que se associam a proteínas, como as subunidades β. Uma subunidade α forma o núcleo do canal e é funcional por conta própria. Quando a proteína da subunidade α é expressa por uma célula, ela é capaz de formar canais que conduzem Na + de forma dependente de voltagem, mesmo que as subunidades β ou outras proteínas moduladoras conhecidas não sejam expressas. Quando as proteínas acessórias se reúnem com subunidades α, o complexo resultante pode exibir dependência de voltagem e localização celular alteradas.

A subunidade α tem quatro domínios de repetição, rotulados de I a IV, cada um contendo seis segmentos que abrangem a membrana, rotulados de S1 a S6. O segmento S4 altamente conservado atua como o sensor de tensão do canal. A sensibilidade à voltagem deste canal é devido aos aminoácidos positivos localizados em cada terceira posição. Quando estimulado por uma mudança na voltagem transmembrana , esse segmento se move em direção ao lado extracelular da membrana celular, permitindo que o canal se torne permeável aos íons. Os íons são conduzidos por um poro, que pode ser dividido em duas regiões. A porção mais externa (isto é, mais extracelular) do poro é formada pelos "P-loops" (a região entre S5 e S6) dos quatro domínios. Esta região é a parte mais estreita do poro e é responsável por sua seletividade iônica. A porção interna (isto é, mais citoplasmática) do poro é formada pelos segmentos S5 e S6 combinados dos quatro domínios. A região que liga os domínios III e IV também é importante para a função do canal. Esta região conecta o canal após ativação prolongada, inativando-o.

Gating

Os canais de Na + dependentes de tensão têm três estados conformacionais principais: fechado, aberto e inativado. As transições para frente / para trás entre esses estados são correspondentemente referidas como ativação / desativação (entre aberto e fechado, respectivamente), inativação / reativação (entre inativado e aberto, respectivamente) e recuperação de inativação / inativação de estado fechado (entre inativado e fechado , respectivamente). Os estados fechado e inativado são impermeáveis ​​aos íons.

Antes de ocorrer um potencial de ação, a membrana axonal está em seu potencial normal de repouso , cerca de -70 mV na maioria dos neurônios humanos, e os canais de Na + estão em seu estado desativado, bloqueados no lado extracelular por seus portões de ativação . Em resposta a um aumento do potencial de membrana para cerca de -55 mV (neste caso, causado por um potencial de ação), as portas de ativação se abrem, permitindo que íons Na + carregados positivamente fluam para o neurônio através dos canais, e causando a voltagem através da membrana neuronal para aumentar para +30 mV em neurônios humanos. Uma vez que a tensão através da membrana é inicialmente negativa, como os seus aumentos de tensão para e passado zero (de -70 mV em repouso para um máximo de 30 mV), diz-se para despolarizar. Este aumento de tensão constitui a fase ascendente de um potencial de ação.

Potencial de acção Potencial de Membrana Potencial Alvo Estado do alvo do portão Estado alvo do neurônio
Em repouso -70 mV −55 mV Desativado → Ativado Polarizado
Ascendente −55 mV 0 mV ativado Polarizado → Despolarizado
Ascendente 0 mV +30 mV Ativado → Inativado Despolarizado
Caindo +30 mV 0 mV Inativado Despolarizado → Repolarizado
Caindo 0 mV -70 mV Inativado Repolarizado
Undershot -70 mV -75 mV Inativado → Desativado Repolarizado → Hiperpolarizado
Rebatendo -75 mV -70 mV Desativado Hiperpolarizado → Polarizado

No pico do potencial de ação, quando Na + suficiente entra no neurônio e o potencial da membrana torna-se alto o suficiente, os canais de Na + se inativam fechando suas portas de inativação . O portão de inativação pode ser considerado um "plug" amarrado aos domínios III e IV da subunidade alfa intracelular do canal. O fechamento da porta de inativação faz com que o fluxo de Na + pare através do canal, o que, por sua vez, faz com que o potencial de membrana pare de aumentar. O fechamento da porta de inativação cria um período refratário dentro de cada canal de Na + individual . Esse período refratário elimina a possibilidade de um potencial de ação se mover na direção oposta de volta ao soma. Com a sua porta de inativação fechada, o canal é considerado inativado. Com o canal de Na + não mais contribuindo para o potencial de membrana, o potencial diminui de volta ao seu potencial de repouso conforme o neurônio se repolariza e subsequentemente se hiperpolariza, e isso constitui a fase de queda de um potencial de ação. O período refratário de cada canal é, portanto, vital na propagação do potencial de ação unidirecionalmente por um axônio para a comunicação adequada entre os neurônios.

Quando a voltagem da membrana torna-se baixa o suficiente, a porta de inativação reabre e a porta de ativação fecha em um processo denominado desinativação . Com a porta de ativação fechada e a porta de inativação aberta, o canal de Na + está novamente em seu estado desativado e pronto para participar de outro potencial de ação.

Quando qualquer tipo de canal iônico não se inativa, diz-se que ele está persistentemente (ou tonicamente) ativo. Alguns tipos de canais iônicos são naturalmente ativos de forma persistente. No entanto, mutações genéticas que causam atividade persistente em outros canais podem causar doenças, criando atividade excessiva de certos tipos de neurônios. Mutações que interferem na inativação dos canais de Na + podem contribuir para doenças cardiovasculares ou ataques epilépticos por correntes de janela , que podem fazer com que as células musculares e / ou nervosas fiquem superexcitadas.

Modelando o comportamento de portões

O comportamento temporal dos canais de Na + pode ser modelado por um esquema Markoviano ou pelo formalismo do tipo Hodgkin-Huxley . No primeiro esquema, cada canal ocupa um estado distinto com equações diferenciais que descrevem as transições entre os estados; no último, os canais são tratados como uma população afetada por três variáveis ​​independentes de gating. Cada uma dessas variáveis ​​pode atingir um valor entre 1 (totalmente permeante aos íons) e 0 (totalmente não permeante), o produto dessas variáveis ​​produzindo a porcentagem de canais condutores. O modelo Hodgkin-Huxley pode ser mostrado como equivalente a um modelo Markoviano.

Impermeabilidade a outros íons

O poro dos canais de sódio contém um filtro de seletividade feito de resíduos de aminoácidos carregados negativamente , que atraem o íon Na + positivo e impedem a entrada de íons carregados negativamente, como o cloreto . Os cátions fluem para uma parte mais restrita do poro, que tem 0,3 por 0,5 nm de largura, que é grande o suficiente para permitir a passagem de um único íon Na + com uma molécula de água associada. O íon K + maior não pode passar por esta área. Íons de tamanhos diferentes também não podem interagir tão bem com os resíduos de ácido glutâmico carregados negativamente que revestem os poros.

Diversidade

Canais de sódio dependentes de voltagem normalmente consistem em uma subunidade alfa que forma o poro de condução de íons e uma a duas subunidades beta que têm várias funções, incluindo a modulação de passagem de canal. A expressão da subunidade alfa sozinha é suficiente para produzir um canal funcional.

Subunidades alfa

Figura 1. Relação evolutiva provável dos nove canais de sódio humanos conhecidos.

A família dos canais de sódio possui nove membros conhecidos, com identidade de aminoácidos> 50% nos segmentos transmembranares e nas regiões de alça extracelular. Uma nomenclatura padronizada para canais de sódio é usada atualmente e é mantida pelo IUPHAR .

As proteínas desses canais são denominadas Na v 1.1 até Na v 1.9. Os nomes dos genes são referidos como SCN1A a SCN11A (o gene SCN6 / 7A faz parte da subfamília Na x e tem função incerta). A provável relação evolutiva entre esses canais, com base na similaridade de suas sequências de aminoácidos, é mostrada na figura 1. Os canais de sódio individuais são distinguidos não apenas por diferenças em sua sequência, mas também por sua cinética e perfis de expressão. Alguns desses dados estão resumidos na tabela 1, a seguir.

Tabela 1. Nomenclatura e algumas funções das subunidades alfa do canal de sódio dependentes de voltagem
Nome da proteína Gene Perfil de expressão Canalopatias humanas associadas
Na v 1.1 SCN1A Neurônios centrais , [neurônios periféricos] e miócitos cardíacos epilepsia febril , GEFS + , síndrome de Dravet (também conhecida como epilepsia myclônica grave da infância ou SMEI), SMEI limítrofe (SMEB), síndrome de West (também conhecido como espasmos infantis ), síndrome de Doose (também conhecida como epilepsia astática mioclônica ), epilepsia infantil intratável com convulsões tônico-clônicas generalizadas (ICEGTC), síndrome de Panayiotopoulos, enxaqueca hemiplégica familiar (FHM), autismo familiar, encefalite de Rasmussens e síndrome de Lennox-Gastaut
Na v 1.2 SCN2A Neurônios centrais, neurônios periféricos convulsões febris hereditárias , epilepsia e transtorno do espectro do autismo
Na v 1.3 SCN3A Neurônios centrais, neurônios periféricos e miócitos cardíacos epilepsia, dor, malformações cerebrais
Na v 1.4 SCN4A Músculo esquelético paralisia periódica hipercalêmica , paramiotonia congênita e miotonia agravada por potássio
Na v 1.5 SCN5A Miócitos cardíacos, músculo esquelético não inervado, neurônios centrais, células do músculo liso gastrointestinal e células intersticiais de Cajal Cardíaco: síndrome do QT longo tipo 3, síndrome de Brugada , doença de condução cardíaca progressiva , fibrilação atrial familiar e fibrilação ventricular idiopática ;

Gastrointestinal: síndrome do intestino irritável ;

Na v 1.6 SCN8A Neurônios centrais, gânglios da raiz dorsal , neurônios periféricos , coração, células da glia Epilepsia , ataxia , distonia , tremor
Na v 1.7 SCN9A Gânglios da raiz dorsal , neurônios simpáticos, células de Schwann e células neuroendócrinas eritromelalgia , PEPD , insensibilidade à dor associada à canalopatia e descobriu recentemente uma forma incapacitante de fibromialgia (polimorfismo rs6754031)
Na v 1.8 SCN10A Gânglios da raiz dorsal dor, distúrbios neuropsiquiátricos
Na v 1.9 SCN11A Gânglios da raiz dorsal dor
Na x SCN7A coração, útero, músculo esquelético, astrócitos, células ganglionares da raiz dorsal nenhum conhecido

Subunidades beta

As subunidades beta do canal de sódio são glicoproteínas transmembrana tipo 1 com um terminal N extracelular e um terminal C citoplasmático. Como membros da superfamília de Ig, as subunidades beta contêm uma alça de Ig prototípica do conjunto V em seu domínio extracelular. Eles não compartilham qualquer homologia com suas contrapartes dos canais de cálcio e potássio. Em vez disso, eles são homólogos às moléculas de adesão de células neurais (CAMs) e à grande família de L1 CAMs. Existem quatro betas distintos nomeados em ordem de descoberta: SCN1B, SCN2B, SCN3B, SCN4B (tabela 2). Beta 1 e beta 3 interagem com a subunidade alfa de forma não covalente, enquanto beta 2 e beta 4 se associam com alfa via ligação dissulfeto. Os canais de sódio têm maior probabilidade de permanecer abertos no potencial de membrana subliminar ao interagir com as toxinas beta, o que, por sua vez, induz uma sensação imediata de dor.

Papel das subunidades beta como moléculas de adesão celular

Além de regular a passagem do canal, as subunidades beta do canal de sódio também modulam a expressão do canal e formam ligações com o citoesqueleto intracelular via anquirina e espectrina . Os canais de sódio dependentes de voltagem também se agrupam com uma variedade de outras proteínas, como as proteínas FHF (Fibroblast growth factor Homologous Factor), calmodulina, citoesqueleto ou quinases regulatórias, que formam um complexo com canais de sódio, influenciando sua expressão e / ou função. Várias subunidades beta interagem com uma ou mais moléculas de matriz extracelular (ECM). Contactina, também conhecida como F3 ou F11, associa-se ao beta 1, conforme mostrado por meio de co-imunoprecipitação. Repetições semelhantes à fibronectina (semelhantes a FN) de Tenascina -C e Tenascina- R ligam-se ao beta 2 em contraste com as repetições semelhantes ao fator de crescimento epidérmico (semelhantes a EGF) que repelem beta2. Uma desintegrina e metaloproteinase (ADAM) 10 eliminam o ectodomínio do beta 2, possivelmente induzindo o crescimento de neuritos. O beta 3 e o beta 1 ligam-se à neurofascina nos nós de Ranvier nos neurônios em desenvolvimento.

Tabela 2. Nomenclatura e algumas funções das subunidades beta do canal de sódio dependentes de voltagem
Nome da proteína Ligação genética Monta com Perfil de expressão Canalopatias humanas associadas
Na v β1 SCN1B Na v 1.1 a Na v 1.7 Neurônios centrais, neurônios periféricos, músculo esquelético, coração, glia epilepsia (GEFS +), síndrome de Brugada
Na v β2 SCN2B Na v 1.1, Na v 1.2, Na v 1.5 a Na v 1.7 Neurônios centrais, neurônios periféricos, coração, glia Síndrome de Brugada
Na v β3 SCN3B Na v 1.1 a Na v 1.3, Na v 1.5 neurônios centrais, glândula adrenal, rim, neurônios periféricos Síndrome de Brugada
Na v β4 SCN4B Na v 1.1, Na v 1.2, Na v 1.5 coração, músculo esquelético, neurônios centrais e periféricos nenhum conhecido

Canais de sódio controlados por ligante

Os canais de sódio dependentes do ligante são ativados pela ligação de um ligante em vez de uma mudança no potencial de membrana.

Eles são encontrados, por exemplo, na junção neuromuscular como receptores nicotínicos , onde os ligantes são moléculas de acetilcolina . A maioria dos canais desse tipo é permeável ao potássio em certo grau, bem como ao sódio.

Potencial de papel em ação

Os canais de sódio dependentes de voltagem desempenham um papel importante nos potenciais de ação . Se canais suficientes se abrirem quando houver uma mudança no potencial de membrana da célula , um número pequeno, mas significativo de íons Na + se moverá para dentro da célula em seu gradiente eletroquímico , despolarizando ainda mais a célula. Assim, quanto mais canais de Na + localizados em uma região da membrana celular, mais rápido o potencial de ação se propagará e mais excitável será essa área da célula. Este é um exemplo de ciclo de feedback positivo . A capacidade desses canais de assumir um estado fechado-inativado causa o período refratário e é crítica para a propagação dos potenciais de ação ao longo de um axônio .

Os canais de Na + abrem e fecham mais rapidamente do que os canais de K + , produzindo um influxo de carga positiva (Na + ) em direção ao início do potencial de ação e um efluxo (K + ) em direção ao final.

Canais de sódio dependentes de ligante, por outro lado, criam a mudança no potencial de membrana em primeiro lugar, em resposta à ligação de um ligante a ele.

Modulação farmacológica

Bloqueadores

Ativadores

As seguintes substâncias produzidas naturalmente ativam (abrem) os canais de sódio de forma persistente:

Modificadores de Gating

As seguintes toxinas modificam o bloqueio dos canais de sódio:

modulação de pH

Mudanças no pH do sangue e dos tecidos acompanham as condições fisiológicas e fisiopatológicas, como exercícios, isquemia cardíaca, acidente vascular cerebral isquêmico e ingestão de cocaína. Essas condições são conhecidas por desencadear os sintomas de doenças elétricas em pacientes portadores de mutações no canal de sódio. Os prótons causam um conjunto diversificado de mudanças no canal de sódio, que geralmente levam a diminuições na amplitude da corrente transiente de sódio e a aumentos na fração de canais não inativados que passam por correntes persistentes. Esses efeitos são compartilhados com mutantes causadores de doenças em neurônios, músculos esqueléticos e tecido cardíaco e podem ser combinados em mutantes que conferem maior sensibilidade de prótons aos canais de sódio, sugerindo um papel dos prótons no desencadeamento de sintomas agudos de doenças elétricas.

Mecanismos moleculares de bloqueio de prótons

Dados de canal único de cardiomiócitos mostraram que os prótons podem diminuir a condutância dos canais de sódio individuais. O filtro de seletividade do canal de sódio é composto por um único resíduo em cada uma das quatro alças de poro dos quatro domínios funcionais. Esses quatro resíduos são conhecidos como motivo DEKA. A taxa de permeação de sódio através do canal de sódio é determinada por quatro resíduos de carboxilato, o motivo EEDD, que constituem o anel externo carregado. A protonação desses carboxilatos é um dos principais motores do bloqueio de prótons nos canais de sódio, embora existam outros resíduos que também contribuem para a sensibilidade ao pH. Um desses resíduos é o C373 no canal de sódio cardíaco, o que o torna o canal de sódio mais sensível ao pH entre os canais de sódio estudados até agora.

Modulação do pH do canal de sódio

Como o canal de sódio cardíaco é o canal de sódio mais sensível ao pH, a maior parte do que se conhece baseia-se neste canal. A redução do pH extracelular demonstrou despolarizar a dependência de voltagem de ativação e inativação para potenciais mais positivos. Isso indica que durante atividades que diminuem o pH sanguíneo, como exercícios, a probabilidade de ativação e desativação de canais é maior em potenciais de membrana mais positivos, o que pode levar a potenciais efeitos adversos. Os canais de sódio expressos nas fibras musculares esqueléticas evoluíram para canais relativamente insensíveis ao pH. Foi sugerido que isso é um mecanismo de proteção contra a potencial super ou subexcitabilidade nos músculos esqueléticos, uma vez que os níveis de pH do sangue são altamente suscetíveis a alterações durante o movimento. Recentemente, foi demonstrado que uma mutação de síndrome mista que causa paralisia periódica e miotonia no canal de sódio esquelético confere sensibilidade ao pH neste canal, tornando o canal desse canal semelhante ao do subtipo cardíaco.

Modulação de pH entre os subtipos estudados até agora

Os efeitos da protonação foram caracterizados em Nav1.1-Nav1.5. Entre esses canais, Nav1.1-Nav1.3 e Nav1.5 exibem a dependência de tensão despolarizada da ativação, enquanto a ativação em Nav1.4 permanece insensível à acidose. A dependência da tensão da inativação rápida em estado estacionário não é alterada no Nav1.1-Nav1.4, mas a inativação rápida em estado estacionário no Nav1.5 é despolarizada. Portanto, entre os canais de sódio que foram estudados até agora, Nav1.4 é o menos e Nav1.5 é o subtipo mais sensível a prótons.

Evolução

Um canal de sódio controlado por voltagem está presente em membros dos coanoflagelados , considerados os parentes vivos unicelulares mais próximos dos animais. Isso sugere que uma forma ancestral do canal animal estava entre as muitas proteínas que desempenham papéis centrais na vida animal, mas que se acredita terem evoluído antes da multicelularidade. O canal de sódio controlado por voltagem animal de quatro domínios provavelmente evoluiu de um canal de íon de subunidade única, que provavelmente era permeável a íons de potássio, por meio de uma sequência de dois eventos de duplicação. Este modelo baseia-se no fato de que as subunidades I e III (e II e IV) agrupam por similaridade, sugerindo que um intermediário de dois canais gerado a partir da primeira duplicação existiu por tempo suficiente para que ocorresse divergência entre suas duas subunidades. Após a segunda duplicação, o canal ficou com dois conjuntos de domínios semelhantes. Acredita-se que o canal de quatro domínios resultante tenha sido permeável principalmente ao cálcio e tenha alcançado seletividade ao sódio várias vezes de forma independente. Após a divergência dos invertebrados, a linhagem de vertebrados passou por duas duplicações do genoma inteiro (WGDs), produzindo um conjunto de quatro prólogos do gene do canal de sódio no vertebrado ancestral, todos os quais foram mantidos. Após a divisão tetrápode / teleósteo, os teleósteos provavelmente passaram por um terceiro WGD levando aos oito prólogos dos canais de sódio expressos em muitos peixes modernos. Acredita-se que o moderno complemento do gene de sódio de dez parálogos de mamíferos tenha surgido de uma série de duplicações paralelas e aninhadas envolvendo dois dos quatro parálogos presentes no ancestral de todos os tetrápodes.

Veja também

Referências

links externos