Canales iónicos

Canales iónicos 

Como ya se ha descrito en artículos anteriores, las membranas celulares están formadas principalmente de fosfolípidos, sin embargo, no es el único componente estructural que tienen. Las proteínas juegan un papel muy importante para mantener el equilibrio dentro y fuera de la célula, sobretodo la carga eléctrica de la membrana que en condicione basales está en un rango de -50 a -90 milivolts. Existen proteínas integrales (multitrasnportadoras o unitransportadoras), proteínas de superficie (hacia el citosol o hacia el medio extracelular) y proteínas transmembranales (atraviesan de un lado a otro la membrana celular) que conforman al grupo de proteínas de membrana. Dentro de la clasificación de proteínas transmembranales se encuentran estructuras que sirven como poros hidrofílicos llamados canales iónicos (figura 1) y permiten el paso de iones a través de la membrana plasmática a una velocidad aproximada de 10^7-10^8 iones/segundo.

Los canales iónicos se clasifican de diferente manera de acuerdo con ciertas propiedades que presentan, una de las clasificaciones generales es mediante el mecanismo de activación de estos complejos proteicos:

1. Canales activados por voltaje (voltaje-dependientes): son aquellos que en su estructura poseen aminoácidos cargados y que al ser estimulados por una variación en el voltaje basal de la membrana se activan siempre y cuando se alcance el umbral para lograr un potencial de acción.Ver potencial de acción en este blog. https://cienciasexactasenlabiologia.blogspot.com/2019/09/fisiologia-celular-potencial-de-accion.html Ejemplo de este tipo de canales son los de potasio, calcio y sodio.

2. Canales operados por ligando: este tipo de canales se activan cuando una molécula con alta afinidad por el sitio de acción del canal se une al complejo proteico y el canal se activa cuando reconoce esa interacción. Ejemplo de ello son las uniones de los neurotransmisores a canales de potasio en las neuronas pos-sinápticas durante la transmisión de información entre una neurona y otra.

3. Canales operados mecánicamente: en el caso de este tipo de canales, su activación se da por perturbaciones mecánicas que provocan la apertura del canal. Ejemplo de ello son los estímulos que reciben las células sensoriales cuando te golpeas alguna parte del cuerpo y eso desencadena una señal que se interpreta como dolor. En este ejemplo el golpe es lo suficientemente fuerte para perturbar las células más próximas al sitio de contacto, se abren los canales y se emite un impulso nervioso que llega al cerebro y se interpreta como dolor o peligro.

figura 1. De izquierda a derecha. En color verde se muestra la representación esquemática de un canal activado por voltaje, aquí la membrana se encuentra en estado basal o polarizada (closed) y cuando hay un cambio en ese estado de reposo el canal se activa (open); en color azul los canales activados por ligando, una especie se une al sitio activo del canal y este se abre; finalmente, en color rojo se muestra un canal activado mecánicamente que sufre un cambio debido a una perturbación mecánica (puede ser de estiramiento) y se abre para dar paso al ión específico.

Otra clasificación es por su selectividad y aquí encontramos a los canales de potasio, sodio, calcio, cloruro, cationes inespecíficos, etc. Finalmente también se usa con menor frecuencia la clasificación por su tipo de estructura pero no entraremos en detalle con estas última.

Canales voltaje-dependientes

Regularmente están formados por ocho subunidades proteicas (cuatro alfa y dos beta) (figura 2), y cada par de subunidades posee siete segmentos transmembranales, es decir, que atraviesan completamente la membrana plasmática y poseen una porción hidrofóbica y otra hidrofílica. La característica principal de este tipo de canales es que en el segmento cuatro (S4) de las subunidades alfa los aminoácidos intermembranales se encuentran cargados positivamente y es aquí donde se da la respuesta al cambio de voltaje que activa los canales para el paso de iones.

Figura 2. Canal de potasio activado por voltaje, se muestra el acomodo de las subunidades alfa y beta en la membrana celular (arriba) y su acomodo en una balsa lipídica si la viéramos superiormente (abajo).

Canales operados por ligando 

Este tipo de canales se explican mejor en procesos sinápticos mediados por neurotransmisores (ligando) y que se unen específicamente a su receptor (sitio activo) (figura 3). Cuando los ligandos reconocen el sitio activo de su receptor se unen a este por interacciones electrostáticas debido a una alta afinidad con la estructura del sitio activo, este mecanismo es la famosa unión llave-cerradura que se menciona en los libros menos actualizados de la biología. Es una analogía bastante fácil de entender pero científicamente no es lo más correcto. 

La unión ligando-receptor desencadena una respuesta del canal y el poro de esa proteína queda abierto para el paso de iones como los cationes inespecíficos o de calcio.

Figura 3. Canal de sodio/potasio activado por acetilcolina. En esta imagen se muestra una caricatura de las cuatro subunidades principales que forman el receptor de acetilcolina y que unido al neurotransmisor  permite el paso de iones sodio y potasio (bomba de sodio/potasio). Se observa el sitio de unión (sitio activo) de la acetilcolina en la subunidad alfa de la proteína en el espacio extracelular.

Se puede decir que los canales iónicos son conjuntos proteicos presentes en la membrana plasmática de todas las células y su  función principal es regular el paso de iones a través de la membrana para mantener un potencial estándar basal o para permitir que se desarrolle el potencial de acción y así las células puedan transmitir información a todo el cuerpo.