Canal iônico

Diagrama esquemático de um canal de iões. 1 - domínios de canal (tipicamente quatro por canal), 2 - vestíbulo exterior, 3 - filtro de seletividade, 4 - diâmetro do filtro de seletividade, 5 - sítio de fosforilação, 6 - membrana celular.

Canais iônicos são proteínas de membrana formadoras de poros que permitem que os íons passem pelo poro 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 secretoras e epiteliais e regulando o volume celular. Canais iônicos estão presentes nas membranas de todas as células. Os canais iônicos são uma das duas classes de proteínas ionofóricas, sendo a outra transportadores de íons.

O estudo dos canais iônicos geralmente envolve biofísica, eletrofisiologia e farmacologia, enquanto usa técnicas que incluem voltage clamp, patch clamp, imuno-histoquímica, cristalografia de raios-X, fluoroscopia e RT-PCR. Sua classificação como moléculas é chamada de canalômica.

Recursos básicos

Estrutura do canal de potássio KcsA (PDB: 1K4C). Os dois planos cinzas indicam os limites de hidrocarbonetos da bicamada lipídica e foram calculados com o algoritmo ANVIL.

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 (frequentemente 10⁶ íons por segundo ou maior).
2. Os íons passam por canais pelo seu gradiente eletroquímico, que é uma função de concentração de íons e potencial de membrana, "para baixo", sem a entrada (ou ajuda) de energia metabólica (por exemplo, ATP, mecanismos de co-transporte ou mecanismos de transporte ativos).

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 e 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 pelos segmentos do poro do canal em um único arquivo quase tão rapidamente quanto os íons se movem pela solução livre. Em muitos canais iônicos, a passagem através do poro é governada por um "portão", que pode ser aberto ou fechado em resposta a sinais químicos ou elétricos, temperatura ou força mecânica.

Canais iônicos são proteínas integrais de membrana, tipicamente formadas como montagens de várias proteínas individuais. Essa "subunidade múltipla" as montagens 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 da bicamada lipídica. Para a maioria dos canais iônicos dependentes de voltagem, as subunidades formadoras de poros são chamadas de subunidade α, enquanto as subunidades auxiliares são denominadas β, γ e assim por diante.

Papel biológico

Como os canais estão subjacentes ao impulso nervoso e porque a energia "ativada por transmissor" canais medeiam a condução através das sinapses, os canais são componentes especialmente proeminentes do sistema nervoso. De fato, inúmeras toxinas que os organismos desenvolveram para desligar os sistemas nervosos 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 dos músculos lisos, transporte epitelial de nutrientes e íons, ativação de células T e células beta pancreáticas. liberação de insulina. Na busca por novos fármacos, os canais iônicos são um alvo frequente.

Diversidade

Existem mais de 300 tipos de canais iônicos apenas nas células do ouvido interno. Os canais iônicos podem ser classificados pela natureza de suas portas, as espécies de íons que passam por essas portas, o número de portas (poros) e a localização das proteínas.

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

Classificação por gating

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

Voltagem controlada

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

• Canais de sódio com Tensão: Esta família contém pelo menos 9 membros e é em grande parte responsável pela criação e propagação potenciais de ação. As subunidades α formadoras de poros são muito grandes (até 4.000 aminoácidos) e consistem em quatro domínios repetidos homologous (I-IV) cada um com seis segmentos transmembranos (S1-S6) para um total de 24 segmentos transmembranos. Os membros desta família também se reúnem com subunidades auxiliares de β, cada uma com a membrana uma vez. As subunidades α e β são extensivamente glicosiladas.
• Canais de cálcio de Tensão: Esta família contém 10 membros, embora estes sejam conhecidos por reunir com α₂δ, β e γ subunidades. Estes canais desempenham um papel importante tanto na ligação da excitação muscular com a contração, bem como na excitação neuronal com a liberação do transmissor. As subunidades α têm uma semelhança estrutural global com as dos canais de sódio e são igualmente grandes.
  • Canais de Cação de esperma: Esta pequena família de canais, normalmente referido como canais Catsper, está relacionada com os canais de dois graus e distantemente relacionados com canais TRP.
• Canais de potássio com Tensão (K_V: Esta família contém quase 40 membros, que são divididos em 12 subfamílias. Estes canais são conhecidos principalmente por seu papel na repolarização da membrana celular após potenciais de ação. As subunidades α têm seis segmentos transmembranos, homologous a um único domínio dos canais de sódio. Correspondentemente, eles montam como tetramers para produzir um canal de funcionamento.
• Alguns canais potenciais do receptor transiente: Este grupo de canais, normalmente referido simplesmente como canais TRP, é nomeado após o seu papel na fototransdução Drosophila. Esta família, contendo pelo menos 28 membros, é incrivelmente diversificada em seu método de ativação. Alguns canais TRP parecem estar constitutivamente abertos, enquanto outros são fechados por tensão, Ca2+ intracelular, pH, estado redox, osmolaridade e estiramento mecânico. Estes canais também variam de acordo com os íons que passam, alguns sendo seletivos para Ca²⁺ enquanto outros são menos seletivos, atuando como canais de cação. Esta família é subdividida em 6 subfamílias baseadas em homologia: clássica (TRPC), receptores vaniloides (TRPV), melastatina (TRPM), policystins (TRPP), mucolipinas (TRPML), e proteína transmembrana de ankyrin 1 (TRPA).
• Canais de nucleotídeo ativados por hiperpolarização: A abertura desses canais deve-se à hiperpolarização em vez da despolarização necessária para outros canais cíclicos de nucleotídeos. Estes canais também são sensíveis aos nucleótidos cíclicos cAMP e cGMP, que alteram a sensibilidade de tensão da abertura do canal. Estes canais são permeáveis para as monovalentes cations K⁺ e Na⁺. Há 4 membros desta família, todos os quais formam tetramers de seis subunidades transmembranas α. Como esses canais abrem sob condições hiperpolarizantes, eles funcionam como canais de ritmo no coração, particularmente o nó SA.
• Canais de protão com Tensão: Canais de próton com Tensão abertos com despolarização, mas de forma fortemente sensível ao pH. O resultado é que esses canais se abrem apenas quando o gradiente eletroquímico é externo, de modo que sua abertura só permitirá que os prótons deixem as células. Sua função parece ser, assim, a extrusão de ácido de células. Outra função importante ocorre em fagócitos (por exemplo, eosinófilos, neutrófilos, macrófagos) durante a "rupção respiratória". Quando as bactérias ou outros micróbios são engulfed por fagócitos, a enzima NADPH oxidase monta na membrana e começa a produzir espécies reativas de oxigênio (ROS) que ajudam a matar bactérias. A oxidase NADPH é eletrogênica, movendo elétrons através da membrana e canais de próton abertos para permitir que o fluxo de próton equilibre o movimento eletrônico eletricamente.

Ligand-gated (neurotransmissor)

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

Canais iônicos ativados por segundos mensageiros também podem ser categorizados neste grupo, embora ligantes e segundos mensageiros sejam diferenciados um do outro.

Lipid-dependente

Esse 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. O fosfatidilinositol 4,5-bifosfato (PIP2) e o ácido fosfatídico (PA) são os lipídeos mais bem caracterizados para bloquear esses canais. Muitos dos canais de potássio de vazamento são controlados por lipídios, incluindo os canais de potássio retificadores internos e os canais de potássio de domínio de dois poros TREK-1 e TRAAK. A família de canais de potássio KCNQ é controlada por PIP₂. O canal de potássio ativado por voltagem (Kv) é regulado por PA. Seu ponto médio de ativação muda para +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 esse canal como um canal dual lipídico e dependente de voltagem.

Outros bloqueios

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

• Alguns canais de potássio:
  • Canais de potássio de retifiador interno: Estes canais permitem que os íons de potássio fluam para a célula de uma maneira "inwardly rectifying": fluxos de potássio mais eficientemente em que fora da célula. Esta família é composta por 15 membros oficiais e 1 não-oficiais e é subdividida em 7 subfamílias baseadas na homologia. Estes canais são afetados por ATP intracelular, PIP₂, e G-proteína βγ subunidades. Eles estão envolvidos em processos fisiológicos importantes, como atividade de pacemaker no coração, liberação de insulina e absorção de potássio em células gliais. Eles contêm apenas dois segmentos transmembranos, correspondentes aos segmentos principais de formação de poros do K_V e K_Ca. canais. As suas subunidades formam tetramers.
  • Canais de potássio ativados por cálcio: Esta família de canais é ativada por Ca intracelular²⁺ e contém 8 membros.
  • Tandem pore canal de potássio domínio: Esta família de 15 membros formam o que é conhecido como canais de vazamento, e eles exibem Goldman-Hodgkin-Katz (aberto) rectificação. Contrariamente ao seu nome comum de 'canais de potássio de dois póres', estes canais têm apenas um poro, mas dois domínios poros por subunidade.
• Os canais de duas vias incluem canais de cação com porta-ligante e de tensão, assim denominados porque contêm duas subunidades de formação de poros. Como o nome deles sugere, eles têm dois poros.
• Canais leves como canalrhodopsin são abertos diretamente por fótons.
• Canais de íons mecanosensitivos abertos sob a influência de estiramento, pressão, cisalhamento e deslocamento.
• Canais de nucleotídeos cíclicos: Esta superfamília de canais contém duas famílias: os canais cíclicos de nucleotídeos (CNG) e os canais de nucleotídeos (HCN) ativados por hiperpolarização. Este agrupamento é funcional e não evolutivo.
  • Canais de nucleotídeos cíclicos: Esta família de canais é caracterizada por ativação por cAMP intracelular ou cGMP. Estes canais são principalmente permeáveis a monovalentes cations tais como K⁺ e Na⁺. Eles também são permeáveis para Ca²⁺, embora aja para fechá-los. Há 6 membros desta família, que é dividida em 2 subfamílias.
  • Canais cíclicos ativados por hiperpolarização
• Canais de temperatura: Os membros da superfamília do canal iônico potencial do receptor transitório, como TRPV1 ou TRPM8, são abertos tanto por temperaturas quentes quanto frias.

Classificação por tipo de íons

• Canais de cloreto: Esta superfamília de canais consiste em aproximadamente 13 membros. Eles incluem ClCs, CLICs, Bestrophins e CFTRs. Estes canais são não seletivos para pequenas aniões; no entanto, o cloreto é o anião mais abundante, e, portanto, eles são conhecidos como canais de cloreto.
• Canais de potássio
  • Canais de potássio com Tensão por exemplo, Kvs, Kirs etc.
  • Canais de potássio ativados por cálcio, por exemplo, BKCa ou MaxiK, SK, etc.
  • Canais de potássio do retiquizador interno
  • Canais de potássio de dois póres: Esta família de 15 membros forma o que é conhecido como canais de vazamento, e eles exibem Goldman-Hodgkin-Katz (aberto) rectificação.
• Canais de sódio
  • Canais de sódio com Tensão (NaVs)
  • Canais de sódio epitelial (ENaCs)
• Canais de cálcio (CaVs)
• Canais de Proton
  • Canais de protão tensos
• Canais de cação não seletivos: Estes não seletivamente permitem muitos tipos de cations, principalmente Na⁺, K⁺ e Ca²⁺, através do canal.
  • Canais potenciais do receptor mais transientes

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 o retículo endoplasmático, o aparelho de Golgi e as mitocôndrias. Com base na localização, os canais iônicos são classificados como:

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

Outras classificações

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

• Canais potenciais do receptor transitório: Este grupo de canais, normalmente referido simplesmente como canais TRP, é nomeado após o seu papel em Drosophila fototransdução visual. Esta família, contendo pelo menos 28 membros, é diversificada em seus mecanismos de ativação. Alguns canais TRP permanecem constitutivamente abertos, enquanto outros são fechados por tensão, intracelular Ca²⁺, pH, estado redox, osmolaridade e estiramento mecânico. Estes canais também variam de acordo com os íons que passam, alguns sendo seletivos para Ca²⁺ enquanto outros são canais de cação menos seletivos. Esta família é subdividida em 6 subfamílias baseadas em homologia: TRP canônico (TRPC), receptores vaniloides (TRPV), melastatina (TRPM), policystins (TRPP), mucolipinas (TRPML), e proteína transmembrana de ankyrin 1 (TRPA).

Estrutura detalhada

Os canais diferem em relação ao íon que deixam passar (por exemplo, Na+, K+, Cl-), às formas como podem ser regulados, ao número de subunidades das quais são compostos e a outros aspectos da estrutura. Os canais pertencentes à classe maior, que inclui os canais controlados por voltagem subjacentes ao 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 da seletividade iônica foram postulados pela primeira vez no final da década de 1960 por Bertil Hille e Clay Armstrong. A ideia da seletividade iônica para os canais de potássio era que os oxigênios carbonílicos dos esqueletos proteicos do "filtro de seletividade" (nomeado por Bertil Hille) poderia substituir com eficiência as moléculas de água que normalmente protegem os íons de potássio, mas os íons de sódio eram menores e não podem ser completamente desidratados para permitir tal proteção e, portanto, não poderiam passar. Este mecanismo foi finalmente confirmado quando a primeira estrutura de um canal iônico foi elucidada. Um canal de potássio bacteriano KcsA, consistindo apenas no filtro de seletividade, "P" loop e duas hélices transmembrana foi usado como modelo para estudar a permeabilidade e a seletividade de 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.

Devido ao seu pequeno tamanho e à dificuldade de cristalizar proteínas integrais de membrana para análise de raios-X, só muito recentemente os cientistas puderam examinar diretamente como os canais "se parecem". Particularmente nos casos em que a cristalografia exigia 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 dependente de voltagem, que foi relatada em maio de 2003. Uma ambigüidade inevitável sobre essas estruturas está relacionada à forte evidência de que os canais mudam de conformação à medida que operam (eles abrem e fecham, por exemplo), de modo que a estrutura do cristal possa representar qualquer um desses estados operacionais. A maior parte do que os pesquisadores deduziram sobre a operação do canal até agora foi estabelecida por meio de eletrofisiologia, bioquímica, comparação de sequências de genes e mutagênese.

Os canais podem ter domínios transmembranares simples (CLICs) a múltiplos (canais K, receptores P2X, canais Na) que atravessam a membrana plasmática para formar poros. Pore pode determinar a seletividade do canal. O portão pode ser formado dentro ou fora da região do poro.

Farmacologia

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

Bloqueadores de canais iônicos

Uma variedade de bloqueadores de canais iônicos (moléculas inorgânicas e orgânicas) pode modular a atividade e a condutância dos canais iônicos. Alguns bloqueadores comumente usados incluem:

• Tetrodotoxin (TTX), usado por peixes puffer e alguns tipos de recém-chegados para defesa. Bloqueia canais de sódio.
• A saxitoxina é produzida por um dinoflagelato também conhecido como "maré vermelha". Ele bloqueia canais de sódio dependentes de tensão.
• Conotoxina é usada por caracóis de cone para caçar presas.
• A lidocaína e a Novocaine pertencem a uma classe de anestésicos locais que bloqueiam os canais de íons de sódio.
• A dendrotoxina é produzida por cobras de mamba e bloqueia canais de potássio.
• Iberiotoxina é produzida pela Hottentotta tamulus (Eastern Indian escorpion) e bloqueia canais de potássio.
• Heteropodatoxin é produzido por Heteropoda venatoria (Aranha de caça-marinho ou leigo) e bloqueia canais de potássio.

Ativadores de canais iônicos

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

• abridores de canal de cálcio, como Bay K8644
• abridores de canal de cloreto, tais como fenanthroline
• abridores de canal de potássio, tais como minoxidil
• abridores de canal de sódio, como DDT

Doenças

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

• As mutações do gene Shaker causam um defeito nos canais de íons fechados de tensão, diminuindo a repolarização da célula.
• Paralisia periódica hipercalámica da equine, bem como paralisia periódica hipercalámica humana (HyperPP) são causadas por um defeito em canais de sódio dependentes de tensão.
• Paramyotonia congenita (PC) e miotonias de potássio-agravadas (PAM)
• Epilepsia generalizada com convulsões febrilas mais (GEFS +)
• Ataxia episódica (EA), caracterizada por crises esporádicas de desconordenação severa com ou sem miokymia, e pode ser provocada por estresse, startle ou esforço pesado, como o exercício.
• Migração hemiplégica familiar (FHM)
• Spinocerebellar ataxia tipo 13
• A síndrome de QT longa é uma síndrome de arritmia ventricular causada por mutações em um ou mais dos atuais dez genes diferentes, a maioria dos quais são canais de potássio e todos os quais afetam a repolarização cardíaca.
• A síndrome de Brugada é outra arritmia ventricular causada por mutações genéticas de canal de sódio com porta de tensão.
• Polymicrogyria é uma malformação do cérebro de desenvolvimento causada por mutações do gene do canal de sódio com porta de tensão e do receptor NMDA.
• A fibrose cística é causada por mutações no gene CFTR, que é um canal de cloreto.
• Mucolipidosis tipo IV é causada por mutações no gene codificando o canal TRPML1
• Mutações em e superexpressão de canais de íons são eventos importantes em células cancerosas. No multiforme de Glioblastoma, a upregulação de canais de potássio gBK e canais de cloreto ClC-3 permite que as células de glioblastoma migram dentro do cérebro, o que pode levar aos padrões de crescimento difuso desses tumores.

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 vencedora do Prêmio Nobel sobre o potencial de ação, publicada em 1952. Eles se basearam no trabalho de outros fisiologistas, como a pesquisa de Cole e 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 rendeu um Prêmio Nobel a Erwin Neher e Bert Sakmann, os inventores da técnica. Centenas, senão milhares de pesquisadores continuam buscando uma compreensão mais detalhada de como essas proteínas funcionam. Nos últimos anos, o desenvolvimento de dispositivos automatizados de patch clamp ajudou a aumentar significativamente o rendimento na triagem de canais iônicos.

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

Nascimento de uma Ideia (2007) por 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 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.