Biologia del canale ionico

Canale ionico, proteina espressa praticamente da tutte le cellule viventi che crea un percorso per gli ioni carichi da sali disciolti, tra cui ioni sodio, potassio, calcio e cloruro, per passare attraverso la membrana cellulare lipidica altrimenti impermeabile. Il funzionamento delle cellule nel sistema nervoso, la contrazione del cuore e del muscolo scheletrico e la secrezione nel pancreas sono esempi di processi fisiologici che richiedono canali ionici. Inoltre, i canali ionici nelle membrane degli organelli intracellulari sono importanti per regolare la concentrazione di calcio citoplasmatico e l'acidificazione di specifici compartimenti subcellulari (ad es. Lisosomi).

cell: canali a membrana

I biofisici che misurano la corrente elettrica che passa attraverso le membrane cellulari hanno scoperto che, in generale, le membrane cellulari hanno un

.

Evoluzione e selettività

Gli ioni fluiscono passivamente attraverso i canali verso l'equilibrio. Questo movimento può essere guidato da gradienti elettrici (tensione) o chimici (concentrazione). La capacità di alterare il flusso ionico a seguito dello sviluppo dei canali ionici potrebbe aver fornito un vantaggio evolutivo consentendo agli organismi monocellulari di regolare il loro volume di fronte ai cambiamenti ambientali. Attraverso la successiva evoluzione, i canali ionici hanno assunto ruoli essenziali nella secrezione cellulare e nella segnalazione elettrica.

La maggior parte dei canali ionici sono gated, ovvero si aprono e si chiudono spontaneamente o in risposta a uno stimolo specifico, come il legame di una piccola molecola alla proteina del canale (canali ionici legati al ligando) o una variazione di tensione attraverso la membrana che viene rilevato dai segmenti caricati della proteina del canale (canali ionici dipendenti dalla tensione). Inoltre, la maggior parte dei canali ionici è selettiva, consentendo il passaggio solo di determinati ioni. Alcuni canali conducono solo un tipo di ione (ad es. Potassio), mentre altri canali presentano una selettività relativa, ad esempio consentendo il passaggio di cationi caricati positivamente, escludendo gli anioni negativamente caricati. Le cellule negli organismi superiori possono esprimere più di 100 diversi tipi di canali ionici, ciascuno con selettività e proprietà di gating diverse.

Funzione e struttura

Il flusso di ioni carichi attraverso i canali aperti rappresenta una corrente elettrica che cambia la tensione attraverso la membrana alterando la distribuzione della carica. Nelle cellule eccitabili, i canali dipendenti dalla tensione che consentono l'afflusso transitorio di ioni positivi (ad es. Ioni sodio e calcio) sono alla base di brevi depolarizzazioni della membrana note come potenziali d'azione. I potenziali d'azione possono essere trasmessi rapidamente su lunghe distanze, consentendo il coordinamento e il tempismo preciso delle uscite fisiologiche. In quasi tutti i casi, i potenziali di azione innescano effetti fisiologici a valle, come la secrezione o la contrazione muscolare, aprendo canali ionici selettivi per voltaggio e aumentando la concentrazione intracellulare di calcio.

Sono state determinate le sequenze di aminoacidi di molte diverse proteine ​​del canale ionico e in alcuni casi è nota anche la struttura a raggi X del canale. In base alla loro struttura, la maggior parte dei canali ionici può essere classificata in sei o sette superfamiglie. Per i canali selettivi di potassio, che sono tra i canali ionici meglio caratterizzati, quattro omologhe submembrane transmembrane si uniscono per creare un tunnel, noto come poro conduttore, che fornisce un percorso polare attraverso la membrana lipidica non polare. Altri tipi di canale richiedono tre o cinque subunità omologhe per generare il poro conduttore centrale. In soluzione, gli ioni sono stabilizzati da molecole d'acqua polarizzate nell'ambiente circostante. I canali ionici stretti e altamente selettivi imitano l'ambiente dell'acqua rivestendo il poro conduttore con atomi di ossigeno carbonile polarizzati. Canali meno selettivi formano pori con un diametro abbastanza grande da consentire il passaggio di ioni e molecole d'acqua.

Tossine e malattie

Molte tossine naturali colpiscono i canali ionici. Gli esempi includono la tetrodotossina bloccante i canali del sodio in tensione, che è prodotta da batteri residenti in pesci palla (pesce palla) e diversi altri organismi; l'antagonista alfa-bungarotossina del recettore dell'acetilcolina nicotinica irreversibile, dal veleno dei serpenti nel genere Bungarus (kraits); e alcaloidi di origine vegetale, come la stricnina e la d-tubocurarina, che inibiscono l'attivazione dei canali ionici aperti dai neurotrasmettitori glicina e acetilcolina, rispettivamente. Inoltre, un gran numero di farmaci terapeutici, compresi anestetici locali, benzodiazepine e derivati ​​della sulfonilurea, agiscono direttamente o indirettamente per modulare l'attività del canale ionico.

Le mutazioni ereditarie nei geni del canale ionico e nei geni che codificano per le proteine ​​che regolano l'attività del canale ionico sono state implicate in una serie di malattie, tra cui atassia (l'incapacità di coordinare i movimenti muscolari volontari), diabete mellito, alcuni tipi di epilessia e aritmie cardiache (irregolarità nel battito del cuore). Ad esempio, le variazioni genetiche nei canali selettivi per sodio e selettivi per potassio, o nelle loro subunità regolatorie associate, sono alla base di alcune forme di sindrome del QT lungo. Questa sindrome è caratterizzata da un prolungamento nel tempo della depolarizzazione dei potenziali d'azione dei miociti cardiaci, che può portare ad aritmie fatali. Inoltre, le mutazioni nei canali di potassio sensibili all'adenosina trifosfato (ATP) che controllano la secrezione di insulina dalle cellule del pancreas sono alla base di alcune forme di diabete mellito.