Canais iônicos: estrutura, funções, tipos

Os canais de iões são estruturas de membranas ocas que formam canais ou poros que atravessa a espessura da membrana e que comunica o exterior da célula com o seu citosol e vice-versa; Alguns podem ter um sistema de portão que regula sua abertura.

Esses canais são preenchidos com água e controlam a passagem de íons específicos de um lado da membrana para o outro. Eles são formados por proteínas das membranas celulares que formam estruturas cilíndricas em forma de tubo que as atravessam através da largura.

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Conformação aberta e fechada de um canal de íons (Fonte: Efazzari [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)] via Wikimedia Commons)

Os mecanismos de transporte através dessas membranas podem ser amplamente classificados como transporte passivo ou ativo.Os passivos são aqueles que permitem a passagem de substâncias em favor de seus gradientes de concentração, enquanto os ativos requerem consumo de energia, uma vez que movem substâncias contra seus gradientes de concentração.

Os canais iônicos constituem um mecanismo de transporte passivo que pode ser classificado de acordo com sua especificidade, ou seja, de acordo com o tipo de íon que eles permitem passar, ou dependendo da maneira pela qual eles abrem ou fecham.

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A principal função desses sistemas de transporte de membrana é permitir a passagem regulada de substâncias para dentro ou fora das células e, assim, manter concentrações intracelulares de íons e outras substâncias.

A presença de membranas celulares e canais de íons é essencial para manter diferenças na concentração entre os meios intracelular e extracelular, o que é relevante sob muitos pontos de vista.

Os canais iônicos, especialmente os ligantes dependentes, são muito importantes na farmacologia e na medicina, pois muitos medicamentos podem imitar as funções dos ligantes naturais e, assim, se ligam ao canal, abrindo ou fechando, conforme o caso.

Outras drogas são capazes de bloquear o local de ligação e, assim, impedir a ação do ligante natural.

Estrutura

A estrutura dos canais iônicos é formada por proteínas transmembranares específicas que têm uma forma tubular e deixam um poro ou buraco que permite a comunicação entre o interior e o exterior da célula ou entre os compartimentos intracelulares (organelas).

Cada canal iônico envolve uma proteína estrutural específica da membrana e foram descritos mais de 100 genes que codificam canais iônicos específicos.

Para o canal de sódio, por exemplo, foram descritos 10 genes chamados SCN que codificam diferentes proteínas distribuídas em diferentes tecidos com funções e estruturas particulares.

Da mesma forma, uma quantidade considerável de genes que codificam proteínas diferentes que compõem os canais de potássio que pertencem a famílias diferentes e têm diferentes mecanismos de ativação, abertura e inativação foi descrita.

Estrutura proteica de um canal iônico

Tipicamente, um canal iônico funcional associado a uma membrana é composto pela montagem de 4 a 6 subunidades polipeptídicas semelhantes (homo oligômeros) ou diferentes (polimerídeos) que formam um poro central entre elas.

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Diagrama das subunidades da membrana de um canal de íons (Fonte: Efazzari [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)] via Wikimedia Commons)

Cada subunidade varia de acordo com as características e propriedades do canal, pois muitas são específicas para íons específicos e possuem diferentes mecanismos de abertura e fechamento.

Alguns canais são constituídos por uma única cadeia polipeptídica organizada em motivos repetidos que cruzam a espessura da membrana várias vezes e funcionam como o equivalente a uma subunidade proteica.

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Além dessas subunidades, conhecidas na literatura como subunidades α, alguns canais de íons também possuem uma ou mais subunidades auxiliares (ß ou γ) que regulam sua abertura e fechamento.

A especificidade de cada canal está relacionada ao diâmetro dos poros formado pelas proteínas transmembranares e às cadeias laterais (─R) dos aminoácidos que os compõem.

Dessa forma, existem canais que permitem apenas a passagem de íons sódio, potássio e cálcio, e assim por diante, uma vez que as cadeias laterais funcionam como uma “peneira”.

Recursos estruturais adicionais

Outra característica importante de muitos canais são as comportas. Os canais com essas propriedades podem abrir ou fechar diante de alterações locais que ocorrem no microambiente da membrana ao redor do canal.

Dependendo do tipo de canal, essas alterações podem ser mecânicas, térmicas (mudanças de temperatura), elétricas (mudanças de tensão) ou químicas (ligação de um ligante).

No entanto, nos chamados canais iônicos passivos, que são aqueles que permanecem abertos e permitem a passagem específica de íons específicos, essas estruturas não têm portas ou são sensíveis a ligantes ou outros estímulos.

Em outros canais iônicos, que são sensíveis à presença ou ligação de ligantes, existe um local de ligação para o ligante no lado extracelular ou em direção ao citosol celular e, nesses casos, os poros ou canais têm uma porta que pode ser aberta ou fechada. de acordo com o status do seu ligante.

Segundo mecanismo do messenger para abrir ou fechar canais

No caso de ter um local para ligante na porção intracelular, esses canais geralmente têm segundos mensageiros como ligantes. Um exemplo de canais iônicos que são abertos ou fechados pelos mecanismos do segundo mensageiro é o dos receptores olfativos:

Moléculas odoríferas se ligam aos seus receptores no lado extracelular. Esses receptores, por sua vez, estão ligados a uma proteína G ativada que, por sua vez, ativa a proteína cAMP adenil ciclase, que é um segundo mensageiro.

O cAMP se liga a um local de junção intracelular dos canais de cálcio, resultando em sua abertura e na entrada de cálcio na célula.

Como se fosse um efeito dominó, o cálcio se liga ao local do ligante de outro canal de cloro, o que gera sua abertura e a saída desse íon, causando a despolarização da célula olfativa.

É importante notar que as alterações geradas pelos ligantes ou pelos estímulos que afetam os canais iônicos correspondem a alterações conformacionais das proteínas que constituem a estrutura do canal.

Em outras palavras, as mudanças conformacionais que podem mover um portão e fechar ou abrir um canal nada mais são do que a aproximação ou o distanciamento das subunidades de proteínas que o compõem.

Outros mecanismos de ativação e inativação

Alguns canais, especialmente canais dependentes de tensão, podem entrar em um estado refratário durante o qual a mesma mudança de tensão que os ativou agora não os ativa mais.

Por exemplo, nos canais de cálcio dependentes da voltagem, a mudança de voltagem abre o canal e o cálcio entra e, uma vez dentro da célula, o mesmo íon se liga ao local de ligação do canal de cálcio e fecha .

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Outra forma de inativação reversível do canal de cálcio que explica sua refratariedade após a ativação é a desfosforilação do canal devido ao aumento da concentração interna de cálcio.

Ou seja, um canal de cálcio pode ser irreversivelmente inativado devido à presença de altas concentrações patológicas do íon, que mediam o recrutamento de enzimas de clivagem de outras proteínas ativadas por cálcio.

Os canais regulados pelo ligante podem entrar em estado refratário quando expostos ao seu ligante por um longo tempo, sendo esse mecanismo chamado dessensibilização.

Drogas, venenos e toxinas podem influenciar a regulação dos canais iônicos, fechando-os ou mantendo-os abertos ou, em alguns casos, ocupando o local do ligante e interferindo em sua função.

Funções

Canais iônicos têm múltiplas funções, diretas ou indiretas.

– Eles são responsáveis ​​por regular o fluxo de íons através do plasma e membranas organelares de todas as células.

– Eles permitem a existência de um controle sobre as concentrações intracelulares dos diferentes íons.

– Nos neurônios e nas células musculares, os canais iônicos controlam as variações no potencial da membrana que ocorrem durante os potenciais de ação e durante os potenciais pós-sinápticos das células efetoras.

– Os canais de cálcio que geram fluxos líquidos de cálcio no espaço intracelular são responsáveis ​​pela ativação de inúmeras enzimas e proteínas que participam de muitos processos metabólicos.

– Da mesma forma, o aumento do cálcio devido ao aumento do transporte inicia o mecanismo de liberação de neurotransmissores no espaço sináptico dos neurônios.

– Portanto, a função dos canais iônicos também está relacionada aos mecanismos de comunicação celular.

Generalidades do transporte de membrana

Como afirmado acima, os mecanismos de transporte de membrana podem ser ativos ou passivos, dependendo de consumirem ou não energia da célula onde estão localizados.Os mecanismos passivos são classificados em difusão simples e difusão facilitada.

Transmissão simples

A difusão simples permite a passagem através da estrutura fosfolipídica da membrana de pequenas moléculas lipossolúveis, com características apolares e sem carga.

Assim, por exemplo, gases como oxigênio (O2) e dióxido de carbono (CO2), etanol e uréia, para citar alguns, passam a favor de seu gradiente de concentração.

Difusão facilitada

A difusão facilitada é aquela que é facilitada pelas proteínas e, desse mecanismo de transporte passivo, existem dois tipos: canais iônicos e proteínas de transporte ou proteínas de transporte.

Os canais iônicos são o mecanismo mais utilizado pelas células para o transporte de íons que não podem passar por simples difusão, seja por terem carga elétrica e pelos fosfolipídios da membrana os repelirem, devido ao seu tamanho e polaridade ou a qualquer outra característica.

A difusão facilitada pelas proteínas de transporte é usada para transportar substâncias maiores com ou sem carga, como glicose e outros açúcares.

O transporte ativo da membrana é aquele que ocorre contra o gradiente de concentração do soluto que é transportado e requer consumo de energia na forma de ATP. Transportadores deste tipo incluem bombas e transporte vesicular.

Como exemplo das bombas está o sódio / potássio, que retira três de sódio e introduz dois de potássio. Existem também bombas de cálcio.

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Como exemplo de transporte vesicular estão endocitose, exocitose, pinocitose e fagocitose; Todos esses mecanismos de transporte ativos.

Tipos de canais iônicos

A partir deste ponto, será feita referência aos canais iônicos que permitem a passagem de íons através de uma membrana em favor de seus gradientes de concentração, ou seja, são canais de transporte passivos.

Geralmente, cada um desses canais é específico para um único íon, com exceção de alguns canais que permitem o transporte de pares de íons.

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Esquema estrutural de um canal de íons (Fonte: Outslider (Paweł Tokarz) em pl.wikipedia [Domínio público] via Wikimedia Commons)

Uma maneira de classificar os canais iônicos é agrupá-los de acordo com o mecanismo responsável por sua abertura. Assim, canais passivos, canais regulados por voltagem (dependentes de voltagem), canais regulados por ligantes e canais regulados por estímulos mecânicos foram descritos.

– Canais passivos : são canais permanentemente abertos e que não respondem a nenhum tipo de estímulo; Estes são específicos para certos íons.

Canais dependentes de tensão : podem ser abertos ou fechados (dependendo do canal) contra alterações na tensão da membrana. Eles são muito importantes para a sinalização celular, especialmente no sistema nervoso central dos mamíferos.

– Canais dependentes de ligantes: também chamados de canais de porta de ligantes ou regulados por ligantes, estão amplamente distribuídos nas diferentes células do corpo dos seres humanos, mas no sistema nervoso constituem os canais iônicos ativados por neurotransmissores e são essenciais para a transmissão sináptica e sinalização intercelular.

Exemplos de canais de íons dependentes de ligantes ativados por neurotransmissores são os canais de sódio / potássio ativados pelo glutamato.

A ativação dos receptores colinérgicos, neste caso a ligação da acetilcolina à membrana pós-sináptica (ligante do canal), abre canais de sódio dependentes do ligante e permite a entrada desse íon após seu gradiente de concentração.

Canais regulados por estímulos mecânicos : são canais que podem ser ativados por distensão ou pressão. Essas forças mecânicas são transmitidas ao canal através do citoesqueleto e o canal se abre.

Referências

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  2. Departamento de Bioquímica e Biofísica Molecular Thomas Jessell, Siegelbaum, S., e Hudspeth, AJ (2000). Principles of neural science (Vol. 4, pp. 1227-1246). ER Kandel, JH Schwartz e TM Jessell (Eds.). Nova York: McGraw-Hill.
  3. Lewis, CA, & Stevens, CF (1983). Seletividade iônica do canal receptor da acetilcolina: os íons experimentam um ambiente aquoso. Anais da Academia Nacional de Ciências , 80 (19), 6110-6113.
  4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Princípios de Lehninger da bioquímica . Macmillan
  5. Rawn, JD (1998). Bioquímica . Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
  6. Viana, F., de la Peña, E., & Belmonte, C. (2002). A especificidade da termotransdução a frio é determinada pela expressão diferencial do canal iônico. Nature neurociência , 5 (3), 254.
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