CANAIS IÔNICOS: ESTRUTURA, FUNÇÕES, TIPOS - BIOLOGIA - 2025

Os canais iônicos são estruturas de membrana oca que formam canais ou poros que atravessam a espessura da membrana e comunicam o exterior da célula com seu citosol e vice-versa; alguns podem ter um sistema de portão que regula sua abertura.

Esses canais são preenchidos com água e controlam a passagem de íons específicos de um lado para o outro da membrana. Eles são feitos de algumas proteínas típicas das membranas celulares que formam estruturas cilíndricas em forma de tubo que as atravessam em largura.

Formação aberta e fechada de um canal iônico (Fonte: Efazzari via Wikimedia Commons)

Os mecanismos de transporte através dessas membranas podem ser amplamente classificados em transporte passivo ou ativo. Passivos são aqueles que permitem a passagem de substâncias em favor de seus gradientes de concentração, enquanto os ativos requerem consumo de energia, pois movimentam substâncias contra seus gradientes de concentração.

Os canais iônicos constituem um mecanismo de transporte passivo que pode ser classificado de acordo com sua especificidade, ou seja, de acordo com o tipo de íon que permitem a passagem, ou de acordo com a forma como se abrem ou fecham.

A principal função desses sistemas de transporte de membrana é permitir a passagem regulada de substâncias para dentro ou para fora das células e, assim, manter as concentrações intracelulares de íons e outras substâncias.

A presença de membranas celulares e canais iônicos é essencial para a manutenção das diferenças de concentração entre os meios intracelular e extracelular, o que é relevante sob vários pontos de vista.

Os canais iônicos, principalmente os dependentes de ligantes, são muito importantes na farmacologia e na medicina, pois muitos medicamentos podem mimetizar as funções dos ligantes naturais e, assim, se ligar ao canal, abrindo ou fechando-o, conforme o caso.

Outras drogas são capazes de bloquear o sítio de ligação e, assim, impedir a ação do ligante natural.

Estrutura

A estrutura dos canais iônicos é composta por proteínas transmembrana específicas que possuem formato tubular e deixam um poro ou orifício que permite a comunicação entre o interior e o exterior da célula ou entre compartimentos intracelulares (organelas).

Cada canal iônico envolve uma proteína de membrana estrutural específica, e mais de 100 genes foram descritos que codificam canais iônicos específicos.

Para o canal de sódio, por exemplo, foram descritos 10 genes chamados SCNs que codificam diferentes proteínas distribuídas em diferentes tecidos com funções e estruturas particulares.

Da mesma forma, tem sido descrito um número considerável de genes que codificam diferentes proteínas que constituem os canais de potássio pertencentes a diferentes famílias e possuem diferentes mecanismos de ativação, abertura e inativação.

Estrutura de proteína de um canal iônico

Normalmente, um canal iônico funcional associado a uma membrana é composto da montagem de 4 a 6 subunidades polipeptídicas semelhantes (homo oligômeros) ou diferentes (hetero oligômeros) que formam um poro central entre eles.

Diagrama das subunidades da membrana de um canal iônico (Fonte: Efazzari via Wikimedia Commons)

Cada subunidade varia de acordo com as características e propriedades do canal, uma vez que muitas são específicas para determinados íons e possuem diferentes mecanismos de abertura e fechamento.

Alguns canais são constituídos por uma única cadeia polipeptídica organizada em padrões repetidos que atravessam várias vezes a espessura da membrana e funcionam como o equivalente a uma subunidade de proteína.

Além dessas subunidades, conhecidas na literatura como subunidades α, alguns canais iônicos também possuem uma ou mais subunidades auxiliares (ß ou γ) que regulam sua abertura e fechamento.

A especificidade de cada canal está relacionada ao diâmetro do poro formado pelas proteínas transmembrana e às cadeias laterais (─R) dos aminoácidos que as compõem.

Dessa forma, existem canais que só deixam passar os íons sódio, potássio, cálcio e assim por diante, já que as cadeias laterais funcionam como uma "peneira".

Recursos estruturais adicionais

Outra característica importante de muitos canais são os portões. Canais com essas propriedades podem abrir ou fechar contra mudanças locais que ocorrem no microambiente da membrana ao redor do canal.

Dependendo do tipo de canal, essas mudanças podem ser mecânicas, térmicas (mudanças na temperatura), elétricas (mudanças na tensão) ou químicas (ligação de um ligante).

Porém, nos chamados canais iônicos passivos, que são aqueles que permanecem abertos e permitem a passagem específica de determinados íons, essas estruturas não possuem comportas ou são sensíveis a ligantes ou outros tipos de estímulos.

Em outros canais iônicos, que são sensíveis à presença ou ligação de ligantes, há um local de ligação para o ligante no lado extracelular ou em direção ao citosol celular e, nesses casos, os poros ou canais têm uma porta que pode ser aberta ou fechada de acordo com o estado de seu ligante.

Mecanismo de segundo mensageiro para abrir ou fechar canais

No caso de haver um local de ligante na porção intracelular, esses canais geralmente têm segundos mensageiros como ligantes. Um exemplo de canais iônicos que são abertos ou fechados por mecanismos de segundo mensageiro é o de receptores olfativos:

As moléculas de cheiro se ligam a seus receptores no lado extracelular. Esses receptores, por sua vez, estão ligados a uma proteína G ativada que, por sua vez, ativa a proteína adenil ciclase que forma o AMPc, que é um segundo mensageiro.

O cAMP liga-se a um local de ligação intracelular de alguns canais de cálcio, o que resulta em sua abertura e entrada de cálcio na célula.

Como se fosse um efeito dominó, o cálcio se liga a um sítio ligante de outro canal de cloro, o que gera sua abertura e a saída desse íon, causando a despolarização da célula olfatória.

É importante destacar que as mudanças geradas pelos ligantes ou estímulos que afetam os canais iônicos correspondem a mudanças conformacionais das proteínas que compõem a estrutura do canal.

Em outras palavras, as mudanças conformacionais que podem mover um portão e fechar ou abrir um canal nada mais são do que a aproximação ou distanciamento das subunidades protéicas que o compõem.

Outros mecanismos de ativação e inativação

Alguns canais, especialmente canais dependentes de voltagem, podem entrar em um estado refratário durante o qual a mesma mudança de voltagem que os ativou agora não os ativa mais.

Por exemplo, em canais de cálcio dependentes de voltagem, a mudança de voltagem abre o canal e o cálcio entra e, uma vez dentro da célula, o mesmo íon se liga a um local de ligação do canal de cálcio e o canal de cálcio fecha..

Outra forma de inativação reversível do canal de cálcio que explica sua refratariedade após a ativação é a desfosforilação do canal devido ao aumento da concentração interna de cálcio.

Ou seja, um canal de cálcio pode ser irreversivelmente inativado devido à presença de concentrações patologicamente altas do íon, que medeiam o recrutamento de enzimas de clivagem de outras proteínas ativadas por cálcio.

Os canais dependentes de ligante podem entrar em um estado refratário quando expostos ao seu ligante por um longo período, sendo esse mecanismo denominado dessensibilização.

Drogas, venenos e toxinas podem afetar a regulação dos canais iônicos, fechando ou mantendo-os abertos ou, em alguns casos, ocupando o local do ligante, interferindo assim em sua função.

Recursos

Os canais iônicos têm uma multiplicidade de funções, diretas ou indiretas.

- São responsáveis ​​por regular o fluxo de íons através do plasma e das membranas organelares de todas as células.

- Permitem a existência de um controle sobre as concentrações intracelulares dos diferentes íons.

- Em neurônios e células musculares, os canais iônicos controlam as variações no potencial de membrana que ocorrem durante os potenciais de ação e durante os potenciais pós-sinápticos das células efetoras.

- Os canais de cálcio que geram fluxos líquidos de cálcio para o espaço intracelular são responsáveis ​​pela ativação de numerosas enzimas e proteínas que participam de muitos processos metabólicos.

- Da mesma forma, o aumento do cálcio devido ao aumento do seu transporte inicia o mecanismo de liberação de neurotransmissores para o espaço sináptico dos neurônios.

- Portanto, a função dos canais iônicos também está relacionada aos mecanismos de comunicação celular.

Generalidades de transporte através da membrana

Como afirmado acima, os mecanismos de transporte de membrana podem ser ativos ou passivos dependendo se eles consomem ou não energia da célula onde estão localizados. Os mecanismos passivos são classificados em difusão simples e difusão facilitada.

Difusão simples

A difusão simples permite a passagem pela estrutura fosfolipídica da membrana de moléculas lipossolúveis de pequeno tamanho, com características apolares e sem carga.

Assim, por exemplo, gases como oxigênio (O2) e dióxido de carbono (CO2), etanol e ureia, para citar alguns, passam por seu gradiente de concentração.

Divulgação facilitada

A difusão facilitada é aquela facilitada por proteínas e existem dois tipos desse mecanismo de transporte passivo: canais iônicos e proteínas de transporte ou proteínas de transporte.

Os canais iônicos são o mecanismo mais utilizado pelas células para o transporte de íons que não conseguem passar por difusão simples, seja porque possuem carga elétrica e os fosfolipídios da membrana os repelem, devido ao seu tamanho e polaridade ou qualquer outra característica.

A difusão facilitada por proteínas transportadoras é usada para o transporte de substâncias maiores com ou sem carga, como glicose e outros açúcares.

O transporte ativo por membrana é aquele que ocorre contra o gradiente de concentração do soluto a ser transportado e requer o consumo de energia na forma de ATP. Entre os transportadores desse tipo estão as bombas e o transporte vesicular.

Como exemplo de bombas está a bomba de sódio / potássio, que remove três sódio e introduz dois potássio. Existem também as bombas de cálcio.

Exemplos de transporte vesicular são endocitose, exocitose, pinocitose e fagocitose; todos esses mecanismos de transporte ativos.

Tipos de canais iônicos

A partir desse ponto, será feita referência aos canais iônicos que permitem a passagem dos íons por uma membrana em favor de seus gradientes de concentração, ou seja, são canais de transporte passivos.

Geralmente, cada um desses canais é específico para um único íon, com exceção de alguns canais que permitem o transporte de pares de íons.

Diagrama estrutural de um canal iônico (Fonte: Outslider (Paweł Tokarz) em pl.wikipedia via Wikimedia Commons)

Uma forma de classificar os canais iônicos é agrupá-los de acordo com o mecanismo responsável por sua abertura. Assim, canais passivos, canais regulados por voltagem (dependentes de voltagem), canais regulados por ligantes e canais regulados por estímulos mecânicos foram descritos.

- Canais passivos: são canais que estão permanentemente abertos e não respondem a nenhum tipo de estímulo; estes são específicos para certos íons.

- Canais dependentes de voltagem: podem abrir ou fechar (dependendo do canal) diante de mudanças na voltagem da membrana. Eles são muito importantes para a sinalização celular, especialmente no sistema nervoso central dos mamíferos.

- Canais dependentes de ligante: também chamados de canais regulados por ligante ou regulados por ligante, são amplamente distribuídos nas diferentes células do corpo humano, mas no sistema nervoso constituem aqueles canais iônicos ativados por neurotransmissores e são essenciais para a transmissão sináptica e sinalização intercelular.

Exemplos de canais iônicos dependentes de ligantes ativados por neurotransmissores são os canais de sódio / potássio ativados pelo glutamato.

A ativação dos receptores colinérgicos, neste caso a ligação da acetilcolina à membrana pós-sináptica (ligante do canal), abre os canais de sódio dependentes do ligante e permite a entrada desse íon seguindo seu gradiente de concentração.

- Canais regulados por estímulos mecânicos: são canais que podem ser ativados por distensão ou pressão. Essas forças mecânicas são transmitidas ao canal através do citoesqueleto e o canal se abre.

Referências

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