Los canales iónicos son proteínas integrales de la membrana que permite el paso selectivo de algunos iones, en la presencia de algún estímulo. Son principalmente importantes en células excitables, como las neuronas y los músculos. De hecho, todo el trabajo de las neuronas está relacionado a la función de los canales iónicos. Los canales iónicos catalizan directamente el flujo de iones que provoca los cambios de voltaje a través de una membrana y, simultáneamente actúan como sensores de señales fisiológicas, como cambio de voltaje o cambio en la concentración de un ligando, organizando los cambios eléctricos de la neurona.
Mientras que la célula gasta una gran parte de su energía para mantener los gradientes de concentración de iones, son los canales iónicos quienes se gastan esa energía, al abrirse y permitir el flujo de iones.
La eficiencia de los canales iónicos es tan grande, que generalmente una célula tan solo necesita un par de miles de ellos, contrario a una enzima, de la cual se necesitan concentraciones de varios órdenes de magnitud.
Actualmente se conocen dos tipos principales de canales iónicos. Los primeros son los operados por voltaje, y los otros los operados por ligando.
De los últimos, todavía se diferencian los activados por un segundo mensajero intracelular y por un ligando externo.
Lo que se conoce acerca de ellos todavía es muy limitado. No existe ninguna imagen de alta resolución de estas proteínas, así que casi todo lo que se sabe se basa en pruebas fisiológicas, que han permitido crear un modelo estructural de los canales. Se cree que son más o menos agregados cilíndricos con varias subunidades, con un poro de transmisión iónica en el eje de simetría.
Un buen ejemplo que ilustra la estructura de la mayor parte de canales es el canal de potasio activado por voltaje. Este cuenta con 4 unidades alpha, cada uno con 6 regiones hidrofílicas (S1-S6) y 4 subunidades Beta hidrofóbicas. Entre el S5 y S6 existe un segmento H5.
Se sabe que los residuos en cada subunidad, en posición equivalente tienen una influencia electrostática similar, que favorece el paso del ion. Adicionalmente, se sabe que son proteínas transmembrana, que la suelen atravesar varias veces, aunque es sólo por un segmento que sucede el transporte de iones.
Los iones se comportan como cualquier substancia: tratan de irse de un lugar de mayor a otro de menor concentración. Sin embargo, por ser moléculas cargadas, también son influenciados por campos eléctricos.
Como cualquier enzima, los canales iónicos no alteran el flujo natural de los iones. Sin embargo, permiten que este suceda a través de una membrana que lo impide, y además hace que ocurra rápido. Sin embargo, el canal iónico tiene un mecanismo para favorecer el flujo de un lado hacia el otro. Esto no significa que fuerce a los iones a ir en contra de su gradiente. Simplemente, tiene una estructura tal que impide en cierta medida el paso de iones en la dirección no deseada. Este sistema está relacionado a la forma en que se cierran las compuertas cuando ya no es deseable que siga abierto. Sin embargo, mientras el canal está abierto, existe flujo de iones bidireccionalmente, siendo obviamente, el flujo neto, según el gradiente electroquímico del ion.
La activación de la compuerta de un canal puede ser compleja. Se cree, que para canales operados por voltaje, hay un cambio conformacional que tiene como última consecuencia el paso del ion. Primero, el segmento S4 actúa como un dipolo eléctrico. Bajo cierto voltaje existe un momento de dipolo lo suficientemente grande para causar un cambio de conformación. El residuo cargado de esta proteína cargada se mueve a través de la membrana, cambiando la estructura terciaria del canal. Este cambio permite que un ion (el canal es selectivo) se mueva interactuando con las otras subunidades del canal, hasta atravesar la membrana en su totalidad. El tipo de ion que transporta la membrana es decidido por la posición que ocupa el residuo responsable del dipolo en S4.
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