Canais iônicos e gradientes

Estrutura

Os canais iônicos são proteínas encontradas ao longo da membrana celular, firmemente inseridas na bicamada fosfolipídica (proteínas transmembrana). Eles são compostos de subunidades transmembrana que se reúnem para formar um poro e estruturas acessórias. O número dessas subunidades varia entre as diferentes subfamílias de canais iônicos.

Função

Os canais iônicos possuem três funções principais:

1. Facilitação do transporte de íons: devido à sua estrutura e suas propriedades, a bicamada fosfolipídica inibe ativamente a passagem de moléculas carregadas através da membrana celular. Os canais iônicos permitem que os íons passem por eles passivamente, sem consumo de energia. Quando o poro está aberto, os íons podem se difundir através dos seus respectivos gradientes eletroquímicos, atingindo uma taxa surpreendente de 10 milhões de íons por segundo.
2. Seletividade: a maioria dos canais iônicos é altamente seletiva, permitindo apenas a passagem de íons específicos por seus poros.
3. Ativação em resposta a estímulos: devido à sua estrutura proteica única, os canais iônicos mantêm um estado fechado, impedindo a passagem de íons. No entanto, em resposta a vários diferentes estímulos, que podem ser de natureza elétrica, química ou mecânica, a estrutura do canal pode mudar, levando à abertura do poro e permitindo a passagem de íons. Uma exceção a esse padrão de ativação/desativação são os canais de vazamento, que são constantemente ativados e, portanto, permanecem em um estado aberto.

Seletividade iônica

O movimento dos íons através de seus respectivos canais ocorre sem consumo de energia. Ele é impulsionado unicamente pelo gradiente eletroquímico, que dita o fluxo de íons através da membrana celular. Uma questão fundamental, no entanto, é por que os canais iônicos são seletivos, permitindo que apenas íons específicos passem por seus poros. A teoria predominante sobre os mecanismos determinantes dessa seletividade aponta para uma combinação de fatores que incluem o tamanho do íon, sua carga elétrica e sua interação com a estrutura do canal:

1. Papel do tamanho do íon e sua carga elétrica: os íons possuem variados tamanhos e cargas elétricas, atraindo diferentes quantidades de moléculas de água ao seu redor (capa ou camada de hidratação). Por exemplo, o Na+ é menor que o K+, e carrega uma carga elétrica maior devido a suas reduzidas dimensões. Consequentemente, cada íon Na+ é envolto por mais moléculas de água, formando uma camada de hidratação maior do que a do K+.
2. Limitação do tamanho do poro: o poro do canal iônico é muito pequeno para acomodar íons envoltos por uma camada de hidratação de moléculas de água. Portanto, os íons devem descartar essas moléculas de água para passar pelo poro, um processo que exige grande quantidade de energia.
3. Carga elétrica do poro: o revestimento do poro é eletricamente carregado, o que permite uma passagem seletiva de ânions ou cátions.

No caso dos canais de Na+, regiões específicas dentro do poro contêm aminoácidos, como os ácidos aspártico e glutâmico, determinando uma carga elétrica suficientemente negativa para atrair íons Na+. Essa atração fornece aos íons a energia necessária para descartar algumas das moléculas de água adjacentes, reduzindo seu tamanho até que eles possam efetivamente se difundir através do seu gradiente eletroquímico passando através do poro do canal. Dado seu maior diâmetro, o K+ não pode se aproximar dessas regiões do poro carregadas negativamente o suficiente para se beneficiar desse mecanismo de otimização de energia, tornando inviável para o K+ atravessar os canais de Na+.

Por outro lado, os poros dos canais de K+ têm regiões com átomos de oxigênio de grupos carbonila e hidroxila, que apresentam um campo elétrico mais fraco. Nessas regiões, os íons K+ conseguem interagir e liberar as moléculas de água que os envolvem, permitindo que os íons K+ passem pelo canal. No entanto, a energia presente nessas regiões é insuficiente para que os íons Na+ liberem suas moléculas de água e atravessem o canal.

Regulação da abertura e fechamento dos canais iônicos

Outra característica fundamental dos canais iônicos é o estado dinâmico dos seus poros. Eles possuem a capacidade de modificar sua estrutura proteica, abrindo-se ou fechando-se para a passagem de íons. Alguns autores denominam a transformação de um estado estrutural para outro gating, um termo usado na literatura inglesa.

Existem três modelos fundamentais que caracterizam as mudanças estruturais que os canais iônicos sofrem no seu processo de regulação. É importante notar que alguns canais iônicos podem empregar uma combinação desses modelos para estabelecer suas distintas configurações estáveis ​​de proteínas:

1. No primeiro modelo, a transformação estrutural ocorre dentro de uma região específica do lúmen do canal. Durante a regulação, apenas a estrutura dentro desse território específico sofre mudanças para abrir ou fechar o lúmen.
2. No segundo modelo, a transição de uma estrutura funcional para outra envolve mudanças em todo o lúmen, e não em uma região específica.
3. O terceiro modelo envolve um mecanismo distinto, no qual nenhuma mudança acontece dentro do próprio lúmen. Em vez disso, uma partícula se liga ao orifício do lúmen, efetivamente selando o poro do canal iônico.

As mudanças estruturais sofridas pelos canais iônicos estão ligadas a estados funcionais específicos que podem ser categorizados da seguinte forma:

• Ativado: neste estado, os íons podem passar pelo canal.
• Desativado: nenhum íon passa pelo canal. No entanto, com a introdução de estímulos específicos, ele pode abrir e se tornar ativado.
• Permanentemente desativado ou inativado: quando os canais iônicos estão no estado inativado, eles não permitem a passagem de íons e também não podem ser ativados, mesmo quando expostos a estímulos apropriados.

Tipos de canais iônicos

Os estados funcionais dos canais iônicos são regulados por diversos estímulos. Estes podem desencadear alterações proteicas estruturais em cada canal iônico, fornecendo a energia necessária para facilitar a transição estrutural do próprio canal. Os canais iônicos podem ser classificados com base no seu padrão de ativação/desativação e nos estímulos específicos aos quais respondem.