Canales iónicos y gradientes

Estructura

Los canales iónicos son proteínas que atraviesan la membrana celular y que están firmemente incrustadas o insertadas en la bicapa lipídica (proteínas transmembrana). Están formados por subunidades transmembrana que se unen para formar un poro y estructuras accesorias. El número de estas subunidades varía entre las diferentes subfamilias de canales iónicos.

Función

Como quizás ya te imaginas, los canales iónicos cumplen tres funciones cruciales que forman parte de la función de la membrana celular. Estas son:

1. Facilitar el transporte de iones: dado su estructura y propiedades, la bicapa lipídica inhibe activamente el paso de moléculas cargadas a través de la membrana celular. Los canales iónicos permiten que los iones pasen a través de ellos de forma pasiva, sin consumo de energía. Cuando el poro está abierto, los iones pueden difundirse siguiendo sus respectivos gradientes electroquímicos, alcanzando una asombrosa tasa de 10 millones de iones por segundo.
2. Selectividad: la mayoría de los canales iónicos son altamente selectivos, permitiendo solo el paso de iones específicos a través de ellos.
3. Activación en respuesta a estímulos: debido a su estructura proteica única, los canales iónicos mantienen un estado cerrado, impidiendo el paso de iones. Sin embargo, en respuesta a diversos estímulos, que pueden ser de naturaleza eléctrica, química o mecánica, la estructura del canal puede cambiar, llevando a la abertura del poro y permitiendo el paso de iones. Una excepción a este patrón de activación/desactivación son los canales iónicos de fuga, que están constantemente activados y, por lo tanto, permanecen en un estado abierto.

Selectividad iónica

El movimiento de iones a través de sus respectivos canales es un evento sin consumo de energía el cual es impulsado únicamente por el gradiente electroquímico, que determina el flujo neto de iones a través de la membrana celular. Sin embargo, aquí nos debería surgir una pregunta fundamental: ¿cómo es que logran los canales iónicos la selectividad, permitiendo que solo ciertos iones pasen a través de ellos? La teoría principal sobre estos mecanismos señala una combinación de factores, que incluyen el tamaño del ion, la carga eléctrica y la interacción con la estructura del canal. Vamos a revisarlos uno por uno:

1. Papel del tamaño y la carga eléctrica del ion: los iones varían en tamaño y carga eléctrica, lo que les permite atraer diferentes cantidades de moléculas de agua a su alrededor (capa de hidratación). Por ejemplo, el Na⁺ es más pequeño que el K⁺ y lleva una carga eléctrica mayor debido a su reducido tamaño. Como resultado, cada ion de Na⁺ está rodeado por más moléculas de agua, formando una capa o envoltura de hidratación mayor en comparación con el K⁺.
2. Limitación del tamaño del poro: el poro del canal iónico es demasiado pequeño para acomodar iones rodeados por su envoltura de hidratación. Por lo tanto, los iones deben desprenderse de estas moléculas de agua para pasar a través del poro, un proceso que requiere una cantidad considerable de energía.
3. Carga eléctrica del poro: el revestimiento del poro está cargado eléctricamente, lo que permite el paso selectivo de aniones o cationes, respectivamente.

En cuanto los canales de Na⁺, regiones específicas dentro del poro contienen aminoácidos como el ácido aspártico y el ácido glutámico, que poseen una carga eléctrica negativa suficiente para atraer los iones de Na⁺. Esta atracción proporciona a los iones la energía necesaria para desprenderse de algunas de sus moléculas de agua circundantes, reduciendo su tamaño a un punto en el que pueden difundir eficazmente a lo largo de su gradiente electroquímico y pasar a través del poro del canal. En consecuencia a su mayor diámetro, el K⁺ no es capaz de acercarse lo suficiente a estas regiones cargadas negativamente del poro como para beneficiarse de este mecanismo de aumento de energía, lo que hace que sea ineficaz para que el K⁺ atraviese los canales de Na⁺.

Por otro lado, los poros de los canales de K⁺ tienen regiones con átomos de oxígeno carbonilo e hidroxilo que presentan un campo eléctrico más débil. En estas regiones, los iones de K⁺ pueden interactuar y liberar las moléculas de agua circundantes, permitiendo su paso a través del canal. Sin embargo, la energía presente en estas regiones es insuficiente para que los iones de Na⁺ liberen sus moléculas de agua y atraviesen el canal.

Regulación de la abertura y cierre de canales iónicos (gating)

Otro aspecto vital de los canales iónicos es el estado dinámico de sus poros. Los canales tienen la capacidad de modificar su estructura proteica, ya sea abriendo o cerrando el paso de iones. Esta transformación de un estado estructural a otro recibe el nombre de ‘gating’.

Existen tres modelos fundamentales que caracterizan los cambios estructurales que los canales iónicos experimentan durante el dicho gating. Es importante destacar que algunos canales iónicos pueden emplear una combinación de estos modelos para instaurar sus configuraciones proteicas estables y únicas:

1. Modelo de transformación local (primer modelo): en este modelo, la transformación estructural ocurre dentro de una región específica del lumen del canal. Durante el gating, solo la estructura dentro de este territorio específico sufre cambios para abrir o cerrar el lumen.
2. Modelo de transformación global (segundo modelo): en el segundo modelo, la transición de una estructura funcional a otra implica cambios a lo largo de todo el lumen, en lugar de en una región específica.
3. Modelo de oclusión por partícula: este tercer modelo involucra un mecanismo distinto donde no ocurren cambios dentro del lumen en sí. En cambio, una partícula se une al orificio del lumen, sellando efectivamente el poro del canal iónico.

Los cambios estructurales que experimentan los canales iónicos están vinculados a estados funcionales específicos, que se pueden clasificar de la siguiente manera:

• Activado: en este estado, los iones pueden pasar a través del canal.
• Desactivado: en el estado desactivado, no hay paso de iones a través del canal. Sin embargo, con la introducción de estímulos específicos, puede abrirse y activarse.
• Desactivado permanentemente o inactivado: cuando los canales iónicos están inactivados, no permiten el paso de iones, y tampoco pueden activarse, incluso cuando se exponen a los estímulos adecuados mencionados en el estado de desactivación.

Tipos de canales iónicos

Los estados funcionales de los canales iónicos están regulados por diversos estímulos. Estos pueden desencadenar cambios estructurales en cada canal iónico, proporcionando la energía necesaria para facilitar la transición estructural del propio canal. Los canales iónicos pueden ser clasificados en varios tipos según su patrón/comportamiento de activación/desactivación y los estímulos específicos a los que responden.