Canal de iones, Características básicas, Papel biológico, Diversidad, Estructura detallada, Bloqueadores de los canales de iones, Enfermedades de los canales iónicos, Historia, El canal de iones en arte

Los canales iónicos son proteínas de membrana formadores de poros cuyas funciones incluyen el establecimiento de un potencial de membrana en reposo, dando forma a los potenciales de acción y otras señales eléctricas por gating el flujo de iones a través de la membrana celular, el control del flujo de iones a través de secreción y células epiteliales, y la regulación del volumen celular . Los canales iónicos están presentes en las membranas de todas las células. Los canales iónicos son considerados como una de las dos clases tradicionales de proteínas ionofóricos, con la otra clase conocida como los transportadores de iones.

Estudio de los canales iónicos a menudo incluye la biofísica, la electrofisiología y farmacología, la utilización de técnicas que incluyen la tensión de la abrazadera, de patch clamp, inmunohistoquímica, y RT-PCR.

Características básicas

Hay dos rasgos distintivos de los canales iónicos que las diferencian de otros tipos de proteínas transportadoras de iones:

  • La tasa de transporte de iones a través del canal es muy alta.
  • Los iones pasan a través de canales hacia abajo de su gradiente electroquímico, que es una función de la concentración de iones y potencial de membrana, "hacia abajo", sin que la aportación de energía metabólica.
  • Los canales iónicos se encuentran dentro de la membrana plasmática de casi todas las células y muchos orgánulos intracelulares. Se describen a menudo como túneles estrechos, llenos de agua que permiten que sólo los iones de un cierto tamaño y/o carga pasen a través. Esta característica se denomina permeabilidad selectiva. El poro del canal arquetípica es sólo uno o dos átomos de ancho en su punto más estrecho y es selectivo para determinadas especies de iones, como el sodio o el potasio. Sin embargo, algunos canales pueden ser permeable al paso de más de un tipo de ión, típicamente compartir una carga común: positivo o negativo. Los iones se mueven a menudo a través de los segmentos del poro del canal en una sola fila casi tan rápidamente como los iones se mueven a través de solución libre. En muchos canales de iones, el paso a través del poro se rige por una "puerta", que puede abrirse o cerrarse en respuesta a las señales químicas o eléctricas, la temperatura o la fuerza mecánica.

    Los canales iónicos son proteínas integrales de membrana, típicamente formadas como conjuntos de varias proteínas individuales. Tales conjuntos "de múltiples subunidades" por lo general implican una disposición circular de proteínas idénticas u homólogas estrechamente empaquetadas alrededor de un poro lleno de agua a través del plano de la membrana o bicapa lipídica. Para la mayoría de los canales iónicos dependientes de voltaje, la subunidad formadora de poros se llama la una subunidad, mientras que las subunidades auxiliares se indican,?, Y así sucesivamente.

    Papel biológico

    Debido a que los canales subyacen el impulso nervioso y porque los canales de "transmisores-activadas" median conducción a través de las sinapsis, los canales son componentes especialmente importantes del sistema nervioso. De hecho, la mayoría de las toxinas defensivas y ofensivas que los organismos han evolucionado para apagar el sistema nervioso de los depredadores y presas de trabajo mediante la modulación de la conductancia del canal iónico y/o cinética. Además, los canales de iones son componentes clave en una amplia variedad de procesos biológicos que implican cambios rápidos en las células, tales como la contracción del músculo cardíaco, esquelético y liso, el transporte epitelial de los nutrientes y de los iones, la activación de células T y pancreática de insulina de las células beta liberar. En la búsqueda de nuevos fármacos, los canales iónicos son un blanco frecuente.

    Diversidad

    Hay más de 300 tipos de canales iónicos en una célula viva. Los canales iónicos pueden ser clasificadas por la naturaleza de su compuerta, las especies de iones pasan a través de esas puertas, el número de puertas y la localización de las proteínas.

    Además heterogeneidad de los canales iónicos surge cuando los canales con diferentes subunidades constitutivas dan lugar a una especie específica de corriente. La ausencia o mutación de uno o más de los tipos de subunidades de los canales que contribuyen pueden resultar en la pérdida de la función y, potencialmente, la base de enfermedades neurológicas.

    Clasificación por gating

    Los canales iónicos pueden ser clasificados por gating, es decir, lo que abre y cierra los canales. Canales iónicos activados por voltaje abrir o cerrar dependiendo del gradiente de voltaje a través de la membrana plasmática, mientras que los canales iónicos activados por ligando abrir o cerrar dependiendo de la unión de ligandos a la canal.

    Canales iónicos activados por voltaje se abren y cierran en respuesta al potencial de membrana.

    • Canales de sodio dependientes de voltaje: Esta familia contiene al menos 9 miembros y es en gran parte responsable de la acción potencial de creación y propagación. Los poros que forman un subunidades son muy grandes y consisten en cuatro dominios homólogos de repetición que comprenden cada uno seis segmentos transmembrana para un total de 24 segmentos transmembrana. Los miembros de esta familia también se ensamblan con las subunidades auxiliares, cada uno que abarca la membrana de una vez. Tanto a como subunidades están glicosiladas ampliamente.
    • Canales de calcio dependientes del voltaje: Esta familia consta de 10 miembros, aunque estos miembros son conocidos ensamblan con a2d, y? subunidades. Estos canales juegan un papel importante tanto en la excitación de la vinculación con la contracción muscular, así como la excitación neuronal con liberación del transmisor. Las subunidades A tienen un parecido estructural general a las de los canales de sodio y son igualmente grandes.

      • Canales de cationes de esperma: Esta pequeña familia de canales, normalmente se hace referencia como canales CatSper, está relacionada con los canales de dos poros y lejanamente relacionado con los canales TRP.

    • Canales de potasio activados por voltaje: Esta familia contiene cerca de 40 miembros, los cuales se dividen en 12 subfamilias. Estos canales se conoce principalmente por su papel en la repolarización de la membrana celular después de potenciales de acción. Las subunidades tienen una seis segmentos transmembrana, homólogas a un único dominio de los canales de sodio. De la misma manera, se reúnen como tetrámeros para producir un canal de funcionamiento.
    • Algunos canales Transient Receptor Potential: Este grupo de canales, por lo general se refiere simplemente como canales TRP, lleva el nombre de su papel en la Drosophila fototransducción. Esta familia, que contiene por lo menos 28 miembros, es muy diversa en su método de activación. Algunos canales TRP parecen estar constitutivamente abierto, mientras que otros son cerrada por +, pH, estado redox, la osmolaridad, y la tensión de estiramiento mecánico, intracelular de Ca2. Estos canales también varían de acuerdo con el ion que pasan, un poco de ser selectivo para Ca2 +, mientras que otros son menos selectivos, en calidad de canales de cationes. Esta familia se subdivide en 6 subfamilias basadas en la homología: clásicos, receptores vainilloides, melastatina, poliquistinas, mucolipins, y ankyrin proteína transmembrana 1.
    • Canales de nucleótidos cíclicos-dependientes hiperpolarización activados: La apertura de estos canales es debido a la hiperpolarización en lugar de la despolarización necesario para otros canales de nucleótidos cíclicos-dependientes. Estos canales también son sensibles a la nucleótidos cíclicos AMPc y GMPc, lo que altera la sensibilidad del voltaje de la abertura de canales. Estos canales son permeables a los cationes monovalentes K + y Na +. Hay 4 miembros de esta familia, todos los cuales forman tetrámeros de seis transmembrana un subunidades. A medida que estos canales abiertos en condiciones de hiperpolarización, que funcionan como canales de marcapasos en el corazón, en particular el nodo SA.
    • Canales de protones por voltaje: canales de protones por voltaje se abren con la despolarización, pero de una manera muy sensible al pH. El resultado es que estos canales se abren sólo cuando el gradiente electroquímico es hacia el exterior, de tal manera que su apertura sólo permitirá protones a salir de las células. Su función parece ser, pues extrusión ácido a partir de las células. Otra función importante se produce en los fagocitos durante la "explosión respiratoria." Cuando las bacterias u otros microbios son engullidos por los fagocitos, la enzima NADPH oxidasa se ensambla en la membrana y comienza a producir especies reactivas de oxígeno que ayudan a eliminar las bacterias. NADPH oxidasa es electrogénico, mover electrones a través de la membrana, y los canales de protones abrir para permitir el flujo de protones para equilibrar el movimiento de los electrones eléctricamente.

    También conocido como receptores ionotrópicos, este grupo de canales abiertos en respuesta a moléculas de ligando de unión específica para el dominio extracelular de la proteína receptora. La unión del ligando provoca un cambio conformacional en la estructura de la proteína del canal que en última instancia conduce a la apertura de la compuerta del canal y la subsiguiente flujo de iones a través de la membrana plasmática. Ejemplos de estos canales incluyen el catión permeable al receptor "nicotínico" La acetilcolina, receptores ionotrópicos de glutamato y los receptores P2X ATP-dependientes, y el anión permeable al receptor GABAA ácido cerrada?-Aminobutírico.

    Los canales iónicos activados por segundos mensajeros también pueden clasificarse en este grupo, aunque ligandos y segundos mensajeros se distinguen de lo contrario el uno del otro.

     Otros gating

    Otros gating incluyen la activación/inactivación por ejemplo, segundos mensajeros desde el interior de la membrana de la célula, más bien como desde fuera, como en el caso de los ligandos. Los iones pueden contar a dichos segundos mensajeros, y luego provoca la activación directa, en lugar de indirecta, como en el caso eran el potencial eléctrico de los iones de causar la activación/inactivación de los canales iónicos dependientes de voltaje.

    • Algunos canales de potasio

      • Los canales de potasio rectificadores hacia el interior-: Estos canales permiten que el potasio fluya en la célula de una manera dentro rectificación, es decir, potasio fluye efectivamente en, pero no fuera de, la célula. Esta familia está compuesta por 15 oficiales y 1 miembros no oficiales y se subdivide en 7 subfamilias basado en homología. Estos canales se ven afectados por el ATP intracelular, PIP2, y la proteína G? subunidades. Están involucrados en importantes procesos fisiológicos tales como la actividad de marcapasos en el corazón, la liberación de insulina, y la absorción de potasio en las células gliales. Ellos contienen solamente dos segmentos transmembrana, que corresponden a los segmentos formadores de poros centrales de los canales KV y KCa. Sus un subunidades forman tetrámeros.
      • Los canales de potasio activados por calcio: Esta familia de canales es, en su mayor parte, activado por Ca2 + intracelular y contiene 8 miembros.
      • Los canales de potasio en dos poros de dominio: Esta familia de 15 miembros forman lo que se conoce como canales de fuga, y me siguen Goldman-Hodgkin-Katz rectificación.

    • Canales Light-bloqueados como canalrodopsina se abren directamente por la acción de la luz.
    • Canales iónicos mechanosensitive están abriendo bajo la influencia de estiramiento, presión, cizalladura, el desplazamiento.
    • Canales de nucleótidos cíclicos-dependientes: Esta superfamilia de canales contiene dos familias: los canales de nucleótidos cíclicos-dependientes y los canales de nucleótidos-bloqueados hiperpolarización activados, cíclicos. Cabe señalar que esta agrupación es más funcional que evolutiva.

      • Canales de nucleótidos cíclicos-dependientes: Esta familia de canales se caracteriza por la activación debido a la unión de AMPc intracelular o GMPc, con una especificidad variable por el miembro. Estos canales son principalmente permeables a los cationes monovalentes tales como K + y Na +. Ellos también son permeables a Ca2 +, a pesar de que actúa para cerrar ellos. Hay 6 miembros de esta familia, que se divide en 2 subfamilias.
      • Canales de nucleótidos cíclicos-dependientes hiperpolarización activados

    • Temperatura Canales Cerrada: Miembros del receptor de potencial transitorio superfamilia de canales iónicos, como TRPV1 y TRPM8 se abren ya sea por calor o frío.

    Clasificación por tipo de iones

    • Los canales de cloruro: Esta superfamilia de canales de mal entendidos se compone de aproximadamente 13 miembros. Incluyen CLC, clics, Bestrophins y CFTRs. Estos canales no son selectivos para aniones pequeños, sin embargo cloruro es el más abundante de aniones, y por lo tanto se les conoce como canales de cloruro.
    • Los canales de potasio

      • Canales voltaje-bloqueados del potasio por ejemplo, Kv, Kirs etc
      • Canales de potasio activados por calcio, por ejemplo, BKCa o MaxiK, SK, etc
      • Los canales de potasio rectificadores hacia el interior-
      • Los canales de potasio en dos poros de dominio: Esta familia de 15 miembros forman lo que se conoce como canales de fuga, y me siguen Goldman-Hodgkin-Katz rectificación.

    • Los canales de sodio

      • voltaje canales de sodio NAV
      • los canales de sodio epiteliales

    • Calcio canales Cavs
    • Canales de protones

      • Canales de protones por voltaje

    • Canales de cationes no selectivos: Estos dejar que muchos tipos de cationes, principalmente Na +, K + y Ca2 + a través del canal.

      • Canales potenciales receptores más transitorios

    Otras clasificaciones

    Hay otros tipos de clasificaciones de los canales iónicos que se basan en características menos normales, por ejemplo, múltiples poros y potenciales transitorios.

    Casi todos los canales iónicos tienen un solo poro. Sin embargo, también son los que tienen dos:

    • Dos canales de poro: Esta pequeña familia de 2 miembros supuestamente forman canales iónicos selectivos de cationes. Se prevé que contienen dos dominios de seis transmembrana de estilo KV, lo que sugiere que forman un dímero en la membrana. Estos canales están relacionados con CatSper canales de canales y, más alejadas, canales TRP.

    Hay canales que están clasificados por la duración de la respuesta a los estímulos:

    • Canales Transient Receptor Potential: Este grupo de canales, por lo general se refiere simplemente como canales TRP, lleva el nombre de su papel en la Drosophila fototransducción. Esta familia, que contiene por lo menos 28 miembros, es muy diversa en su método de activación. Algunos canales TRP parecen estar constitutivamente abierto, mientras que otros son cerrada por +, pH, estado redox, la osmolaridad, y la tensión de estiramiento mecánico, intracelular de Ca2. Estos canales también varían de acuerdo con el ion que pasan, un poco de ser selectivo para Ca2 +, mientras que otros son menos selectivos, en calidad de canales de cationes. Esta familia se subdivide en 6 subfamilias basadas en la homología: canónicos, receptores vaniloides, melastatina, poliquistinas, mucolipins y ankyrin proteínas transmembrana 1.

    Estructura detallada

    Canales difieren con respecto a la de iones que dejan pasar, las formas en que pueden ser regulados, el número de subunidades de los que están compuestos y otros aspectos de la estructura. Canales que pertenecen a la clase más grande, que incluye los canales dependientes de voltaje que son la base del impulso nervioso, se compone de cuatro subunidades con seis hélices transmembrana cada uno. En la activación, estas hélices se mueven y se abren los poros. Dos de estos seis hélices están separados por un bucle que recubre el poro y es el determinante principal de la selectividad de iones y la conductancia en esta clase de canal y algunos otros. La existencia y el mecanismo para la selectividad de iones se postuló por primera vez en la década de 1960 por Clay Armstrong. Sugirió que el revestimiento del poro podría sustituir eficientemente las moléculas de agua que normalmente protegen iones de potasio, pero que los iones de sodio eran demasiado pequeños para permitir dicha protección, y por lo tanto no podía pasar. Este mecanismo se confirmó finalmente cuando se aclaró la estructura del canal. Las subunidades de los canales de uno de tales otra clase, por ejemplo, consisten en sólo este bucle "P" y dos hélices transmembrana. La determinación de su estructura molecular por Roderick MacKinnon utilizando cristalografía de rayos X ganó una participación del Premio Nobel de Química 2003.

    Debido a su pequeño tamaño y la dificultad de cristalizar proteínas integrales de membrana para el análisis de rayos X, es sólo recientemente que los científicos han sido capaces de examinar directamente lo que los canales "se parecen". En particular, en los casos en que se requiere la eliminación de la cristalografía de canales de sus membranas con detergente, muchos investigadores consideran imágenes que han sido obtenidos como provisional. Un ejemplo es la estructura cristalina muy esperado de un canal de potasio dependiente de voltaje, que se informó en mayo de 2003. Una inevitable ambigüedad acerca de estas estructuras se refiere a la fuerte evidencia de que los canales de cambio de conformación, ya que operar, de tal manera que la estructura en el cristal podría representar uno cualquiera de estos estados de funcionamiento. La mayor parte de lo que los investigadores han deducido sobre el funcionamiento del canal hasta el momento se han establecido a través de la electrofisiología, bioquímica, genética comparación de secuencias y mutagénesis.

    Los canales pueden tener solo a múltiples dominios transmembrana que atraviesan la membrana plasmática para formar poros. Poro puede determinar la selectividad del canal. Puerta se puede formar ya sea dentro o fuera de la región del poro.

    Bloqueadores de los canales de iones

    Una variedad de moléculas orgánicas e inorgánicas puede modular la actividad de los canales de iones y la conductancia. Algunos bloqueadores de frecuencia del uso incluyen:

    • La tetrodotoxina, utilizado por pez globo y algunos tipos de tritones para la defensa. Bloquea los canales de sodio.
    • Saxitoxina, se produce por un dinoflagelado también conocido como "marea roja". Bloquea los canales de sodio dependientes de voltaje.
    • Conotoxina, es utilizado por los caracoles cono para cazar sus presas.
    • La lidocaína y novocaína pertenecen a una clase de anestésicos locales que bloquean los canales de iones de sodio.
    • Dendrotoxina es producido por las serpientes mamba, y bloquea los canales de potasio.
    • Iberiotoxina es producido por los tamulus Buthus y bloquea los canales de potasio.
    • Heteropodatoxin es producido por Heteropoda venatoria y bloquea los canales de potasio.

    Enfermedades de los canales iónicos

    Hay un número de trastornos genéticos que interrumpir el funcionamiento normal de los canales iónicos y tener consecuencias desastrosas para el organismo. Los trastornos genéticos de los canales iónicos y sus modificadores son conocidos como canalopatías. Ver Categoría: Canalopatía para una lista completa.

    • Mutaciones del gen Shaker causan un defecto en los canales iónicos dependientes de voltaje, lo que frena la repolarización de la célula.
    • Parálisis periódica hiperpotasemia Equinos y parálisis periódica hiperpotasemia humano son causadas por un defecto en los canales de sodio dependientes de voltaje.
    • Paramiotonía congénita y miotonías agravadas potasio
    • Epilepsia generalizada con convulsiones febriles plus
    • Ataxia episódica, caracterizado por episodios esporádicos de descoordinación grave con o sin mioquimia, y puede ser provocada por el estrés, sobresalto, o esfuerzo pesado como el ejercicio.
    • Migraña hemipléjica familiar
    • Ataxia espinocerebelosa tipo 13
    • Síndrome de QT largo es un síndrome de arritmia ventricular causada por mutaciones en uno o más de diez genes diferentes actualmente, la mayoría de los cuales son los canales de potasio y todos de los cuales afectan a la repolarización cardiaca.
    • El síndrome de Brugada es otra arritmia ventricular causada por mutaciones en los genes de los canales de sodio dependientes de voltaje.
    • La fibrosis quística es causada por mutaciones en el gen CFTR, que es un canal de cloruro.
    • Tipo Mucolipidosis IV está causada por mutaciones en el gen que codifica el canal TRPML1

    Historia

    Las propiedades fundamentales de las corrientes mediadas por los canales iónicos se analizaron por el biofísicos británicos Alan Hodgkin y Andrew Huxley, como parte de su investigación, ganador del Premio Nobel en el potencial de acción, publicado en 1952 - Se construyen sobre el trabajo de otros fisiólogos, como Cole y la investigación de poros de la membrana de voltaje de Baker a partir de 1941. La existencia de los canales iónicos se confirmó en la década de 1970 por Bernard Katz y Ricardo Miledi usando análisis de ruido. A continuación, se muestra más directamente con una técnica de registro eléctrico conocido como el "patch clamp", que llevó a un Premio Nobel Erwin Neher y Bert Sakmann, los inventores de la técnica. Cientos, si no miles de investigadores continúan buscando una comprensión más detallada de cómo estas proteínas trabajo. En los últimos años el desarrollo de dispositivos automatizados de patch clamp ayudó a aumentar de manera significativa el rendimiento en el cribado del canal de iones.

    El Premio Nobel de Química de 2003 fue otorgado a dos científicos americanos: Roderick MacKinnon por sus estudios sobre las propiedades físico-químicas de la estructura del canal de iones y función, incluyendo estudios de la estructura cristalográfica de rayos x, y Peter Agre por su trabajo similar sobre las acuaporinas.

    El canal de iones en arte

    Roderick MacKinnon encargó nacimiento de una idea, una escultura de altura de 5 pies basado en el canal de potasio KcsA. La obra de arte contiene un objeto de alambre que representa el interior del canal con un objeto de vidrio soplado que representa la cavidad principal de la estructura del canal.