Proteínas de membrana como canales iónicos. Canales selectivos y no selectivos

canales iónicos representado por proteínas integrales de membrana. Estas proteínas son capaces, bajo determinadas influencias, de cambiar su conformación (forma y propiedades) de tal forma que el poro por el que puede pasar cualquier ion se abre o se cierra. Se conocen canales de sodio, potasio, calcio y cloro; a veces por un canal pueden pasar dos iones, por ejemplo, se conocen canales de sodio-calcio. Sólo se produce transporte pasivo de iones a través de canales iónicos. Esto significa que para que un ion se mueva no sólo se requiere un canal abierto, sino también un gradiente de concentración para ese ion. En este caso, el ion se moverá a lo largo de un gradiente de concentración, desde un área con mayor concentración a un área con menor concentración. Hay que recordar que estamos hablando de iones, partículas cargadas cuyo transporte también está determinado por la carga. Son posibles situaciones en las que el movimiento a lo largo del gradiente de concentración puede dirigirse en una dirección y las cargas existentes contrarrestan esta transferencia.

Los canales iónicos tienen dos propiedades importantes: 1) selectividad (selectividad) hacia ciertos iones y 2) capacidad de abrir (activar) y cerrar. Cuando se activa, el canal se abre y permite el paso de los iones (Fig. 8). Así, el complejo de proteínas integrales que forman el canal debe incluir necesariamente dos elementos: estructuras que reconocen “su” ion y son capaces de dejarlo pasar, y estructuras que permiten saber cuándo dejar pasar este ion. La selectividad del canal está determinada por las proteínas que lo forman; el “propio” ion se reconoce por su tamaño y carga.

Activación de canal posible de varias maneras. Primero, los canales pueden abrirse y cerrarse a medida que cambia el potencial de membrana. El cambio de carga provoca un cambio en la conformación de las moléculas de proteínas y el canal se vuelve permeable al ion. Para cambiar las propiedades del canal es suficiente una ligera fluctuación del potencial de membrana. Estos canales se llaman dependiente del voltaje(o controlado eléctricamente). En segundo lugar, los canales pueden ser parte de un complejo proteico llamado receptor de membrana. En este caso, el cambio en las propiedades del canal es causado por un reordenamiento conformacional de las proteínas, que surge como resultado de la interacción del receptor con una sustancia biológicamente activa (hormona, mediador). Estos canales se llaman quimiodependiente(o activado por receptor ) . Además, los canales pueden abrirse bajo influencia mecánica: presión, estiramiento (Fig. 9). El mecanismo que proporciona activación se llama activación de canales. Según la velocidad a la que se abren y cierran los canales, se pueden dividir en rápidos y lentos.

La mayoría de los canales (potasio, calcio, cloruro) pueden estar en dos estados: abiertos y cerrados. Existen algunas peculiaridades en el funcionamiento de los canales de sodio. Estos canales, como el potasio, el calcio y el cloruro, tienden a estar en estado abierto o cerrado; sin embargo, el canal de sodio también puede estar inactivado, este es un estado en el que el canal está cerrado y no puede abrirse bajo ninguna influencia ( Figura 10).

Figura 8. Estados del canal iónico

Figura 9. Ejemplo de un canal activado por receptor. ACh – acetilcolina. La interacción de la molécula de ACh con el receptor de membrana cambia la conformación de la proteína puerta de tal manera que el canal comienza a permitir el paso de los iones.

Figura 10 Ejemplo de un canal dependiente del potencial

El canal de sodio dependiente de voltaje tiene puertas (compuertas) de activación e inactivación. Las puertas de activación e inactivación cambian la conformación a diferentes potenciales de membrana.

Al considerar los mecanismos de excitación, nos interesará principalmente el trabajo de los canales de sodio y potasio, pero nos detendremos brevemente en las características de los canales de calcio, los necesitaremos en el futuro. Los canales de sodio y calcio difieren en sus propiedades. Los canales de sodio son rápidos y lentos, mientras que los canales de calcio son sólo lentos. La activación de los canales de sodio solo conduce a la despolarización y la aparición de LO o AP; la activación de los canales de calcio también puede causar cambios metabólicos en la célula. Estos cambios se deben al hecho de que el calcio se une a proteínas especiales que son sensibles a este ion. La proteína unida al calcio cambia sus propiedades de tal manera que se vuelve capaz de cambiar las propiedades de otras proteínas, por ejemplo, activando enzimas, provocando la contracción muscular y liberando mediadores.

Según los conceptos modernos, las membranas biológicas forman la capa exterior de todas las células animales y forman numerosos orgánulos intracelulares. El rasgo estructural más característico es que las membranas siempre forman espacios cerrados, y esta organización microestructural de las membranas les permite realizar funciones esenciales.

Estructura y funciones de las membranas celulares.

1. La función de barrera se expresa en el hecho de que la membrana, utilizando los mecanismos adecuados, participa en la creación de gradientes de concentración, impidiendo la libre difusión. En este caso, la membrana participa en los mecanismos de electrogénesis. Estos incluyen mecanismos para crear un potencial de reposo, generación de un potencial de acción, mecanismos para la propagación de impulsos bioeléctricos a través de estructuras excitables homogéneas y heterogéneas.

2. La función reguladora de la membrana celular es la regulación fina del contenido intracelular y las reacciones intracelulares debidas a la recepción de sustancias biológicamente activas extracelulares, lo que conduce a cambios en la actividad de los sistemas enzimáticos de la membrana y a la puesta en marcha de mecanismos secundarios ". mensajeros” (“intermediarios”).

3. Conversión de estímulos externos de naturaleza no eléctrica en señales eléctricas (en receptores).

4. Liberación de neurotransmisores en terminaciones sinápticas.

Los métodos modernos de microscopía electrónica determinaron el espesor de las membranas celulares (6-12 nm). El análisis químico mostró que las membranas están compuestas principalmente de lípidos y proteínas, cuya cantidad varía entre los diferentes tipos de células. La dificultad de estudiar los mecanismos moleculares del funcionamiento de las membranas celulares se debe a que cuando se aíslan y purifican las membranas celulares se altera su funcionamiento normal. Actualmente podemos hablar de varios tipos de modelos de membrana celular, entre los cuales el modelo de mosaico líquido es el más extendido.

Según este modelo, la membrana está representada por una bicapa de moléculas de fosfolípidos, orientadas de tal manera que los extremos hidrófobos de las moléculas se ubican dentro de la bicapa y los extremos hidrófilos se dirigen hacia la fase acuosa. Esta estructura es ideal para la formación de una separación entre dos fases: extra e intracelular.

Las proteínas globulares están integradas en la bicapa de fosfolípidos, cuyas regiones polares forman una superficie hidrófila en la fase acuosa. Estas proteínas integradas realizan diversas funciones, incluida la receptora, la enzimática, forman canales iónicos, son bombas de membrana y transportadoras de iones y moléculas.

Algunas moléculas de proteínas se difunden libremente en el plano de la capa lipídica; En el estado normal, partes de las moléculas de proteínas que emergen en diferentes lados de la membrana celular no cambian su posición.

Características eléctricas de las membranas:

Las propiedades capacitivas están determinadas principalmente por la bicapa de fosfolípidos, que es impermeable a los iones hidratados y al mismo tiempo lo suficientemente delgada (aproximadamente 5 nm) para permitir una separación y acumulación eficiente de cargas y la interacción electrostática de cationes y aniones. Además, las propiedades capacitivas de las membranas celulares son una de las razones que determinan las características temporales de los procesos eléctricos que ocurren en las membranas celulares.

La conductividad (g) es el recíproco de la resistencia eléctrica y es igual a la relación entre la corriente transmembrana total de un ion dado y el valor que determinó su diferencia de potencial transmembrana.

Varias sustancias pueden difundirse a través de la bicapa de fosfolípidos, y el grado de permeabilidad (P), es decir, la capacidad de la membrana celular para pasar estas sustancias, depende de la diferencia en las concentraciones de la sustancia que se difunde en ambos lados de la membrana, su solubilidad. en los lípidos y las propiedades de la membrana celular.

La conductividad de una membrana es una medida de su permeabilidad iónica. Un aumento de la conductividad indica un aumento en el número de iones que atraviesan la membrana.

Estructura y funciones de los canales iónicos.. Los iones Na+, K+, Ca2+, Cl- penetran en la célula y salen a través de canales especiales llenos de líquido. El tamaño del canal es bastante pequeño.

Todos los canales iónicos se dividen en los siguientes grupos:

1. Por selectividad:

a) Selectivo, es decir específico. Estos canales son permeables a iones estrictamente definidos.

b) Poco selectivo, no específico, sin selectividad iónica específica. Hay una pequeña cantidad de ellos en la membrana.

1. Según la naturaleza de los iones atravesados:

a) potasio

b) sodio

c) calcio

d) cloro

1. Según la tasa de inactivación, es decir. clausura:

a) inactivar rápidamente, es decir convirtiéndose rápidamente en un estado cerrado. Proporcionan una reducción cada vez mayor de MP y una recuperación igualmente rápida.

b) de acción lenta. Su apertura provoca una lenta disminución del MP y su lenta recuperación.

4. Según mecanismos de apertura:

a) dependiente del potencial, es decir aquellos que se abren a un cierto nivel de potencial de membrana.

b) quimiodependiente, que se abre cuando los quimiorreceptores de la membrana celular se exponen a sustancias fisiológicamente activas (neurotransmisores, hormonas, etc.).

Ahora se ha establecido que los canales iónicos tienen la siguiente estructura:

1. Filtro selectivo situado en la boca del canal. Asegura el paso de iones estrictamente definidos a través del canal.

2. Puertas de activación que se abren a un determinado nivel de potencial de membrana o de la acción del PAS correspondiente. Las puertas de activación de los canales dependientes del potencial tienen un sensor que las abre a un determinado nivel de MP.

3. Puerta de inactivación, que asegura el cierre del canal y el cese del flujo de iones a través del canal a un determinado nivel de MP (Fig.).

Los canales iónicos inespecíficos no tienen puerta.

Los canales iónicos selectivos pueden existir en tres estados, que están determinados por la posición de las puertas de activación (m) e inactivación (h):

1.Cerrado cuando los de activación están cerrados y los de inactivación abiertos.

2. Activado, ambas puertas están abiertas.

3. Inactivado, la puerta de activación está abierta y la puerta de inactivación está cerrada.

Funciones de los canales iónicos:

1. Potasio (en reposo): generación de potencial de reposo

2. Sodio – generación de potencial de acción

3. Calcio: generación de acción lenta.

4. Potasio (rectificación retardada): garantiza la repolarización

5. Activado por calcio y potasio: limita la despolarización causada por la corriente de Ca+2

La función de los canales iónicos se estudia de diversas formas. El método más común es la abrazadera de voltaje o “tensión-abrazadera”. La esencia del método es que, con la ayuda de sistemas electrónicos especiales, el potencial de membrana se cambia y se fija en un cierto nivel durante el experimento. En este caso, se mide la magnitud de la corriente iónica que fluye a través de la membrana. Si la diferencia de potencial es constante, entonces, de acuerdo con la ley de Ohm, la magnitud de la corriente es proporcional a la conductividad de los canales iónicos. En respuesta a la despolarización gradual, ciertos canales se abren y los iones correspondientes ingresan a la célula a lo largo de un gradiente electroquímico, es decir, surge una corriente iónica que despolariza la célula. Este cambio es detectado por un amplificador de control y una corriente eléctrica pasa a través de la membrana, igual en magnitud pero de dirección opuesta a la corriente iónica de la membrana. En este caso, la diferencia de potencial transmembrana no cambia.

Es posible estudiar la función de canales individuales utilizando el método de fijación local del potencial de "sujeción de ruta". Se llena un microelectrodo de vidrio (micropipeta) con solución salina, se presiona contra la superficie de la membrana y se crea un ligero vacío. En este caso, parte de la membrana es succionada hacia el microelectrodo. Si aparece un canal de iones en la zona de succión, entonces se registra la actividad de un solo canal. El sistema de irritación y registro de la actividad del canal difiere poco del sistema de registro de voltaje.

La corriente a través de un único canal iónico tiene forma rectangular y tiene la misma amplitud para canales de diferentes tipos. La duración de la permanencia del canal en estado abierto es probabilística, pero depende del valor del potencial de membrana. La corriente iónica total está determinada por la probabilidad de que un cierto número de canales estén abiertos en cada período de tiempo específico.

La parte exterior del canal es relativamente accesible para el estudio, el estudio de la parte interior presenta importantes dificultades. P. G. Kostyuk desarrolló un método de diálisis intracelular que permite estudiar la función de las estructuras de entrada y salida de los canales iónicos sin el uso de microelectrodos. Resultó que la parte del canal iónico abierta al espacio extracelular difiere en sus propiedades funcionales de la parte del canal que da al entorno intracelular.

Son los canales iónicos los que proporcionan dos propiedades importantes de la membrana: selectividad y conductividad.

La selectividad o selectividad del canal está garantizada por su estructura proteica especial. La mayoría de los canales están controlados eléctricamente, es decir, su capacidad para conducir iones depende de la magnitud del potencial de membrana. El canal es heterogéneo en sus características funcionales, especialmente en lo que respecta a las estructuras proteicas ubicadas en la entrada y en la salida del canal (los llamados mecanismos de compuerta).

Consideremos el principio de funcionamiento de los canales iónicos utilizando el ejemplo del canal de sodio. Se cree que el canal de sodio está cerrado en reposo. Cuando la membrana celular se despolariza hasta un cierto nivel, la puerta de activación m se abre (activación) y aumenta el flujo de iones Na+ hacia la célula. Unos milisegundos después de que se abre la puerta m, la puerta h ubicada a la salida de los canales de sodio se cierra (inactivación). La inactivación se desarrolla muy rápidamente en la membrana celular y el grado de inactivación depende de la magnitud y el tiempo de acción del estímulo despolarizante.

Cuando se genera un único potencial de acción en una fibra nerviosa gruesa, el cambio en la concentración de iones Na+ en el ambiente interno es sólo 1/100.000 del contenido interno de iones Na+ del axón gigante del calamar.

Además del sodio, en las membranas celulares se instalan otros tipos de canales que son selectivamente permeables a iones individuales: K+, Ca2+, y existen diversos canales para estos iones.

Hodgkin y Huxley formularon el principio de "independencia" de los canales, según el cual el flujo de sodio y potasio a través de la membrana es independiente entre sí.

Las propiedades de conductividad de diferentes canales no son las mismas. En particular, para los canales de potasio, el proceso de inactivación no existe, como ocurre con los canales de sodio. Existen canales de potasio especiales que se activan cuando aumenta la concentración de calcio intracelular y se despolariza la membrana celular. La activación de los canales dependientes de potasio-calcio acelera la repolarización, restaurando así el valor original del potencial de reposo.

Los canales de calcio son de particular interés. La corriente de calcio entrante no suele ser lo suficientemente grande como para despolarizar normalmente la membrana celular. Muy a menudo, el calcio que ingresa a la célula actúa como un "mensajero" o mensajero secundario. La activación de los canales de calcio se logra mediante la despolarización de la membrana celular, por ejemplo mediante una corriente de sodio entrante.

El proceso de inactivación de los canales de calcio es bastante complejo. Por un lado, un aumento de la concentración intracelular de calcio libre conduce a la inactivación de los canales de calcio. Por otro lado, las proteínas del citoplasma de las células se unen al calcio, lo que permite mantener un flujo de calcio estable durante mucho tiempo, aunque en un nivel bajo; en este caso, la corriente de sodio queda completamente suprimida. Los canales de calcio desempeñan un papel esencial en las células del corazón. La electrogénesis de los cardiomiocitos se analiza en el Capítulo 7. Las características electrofisiológicas de las membranas celulares se estudian mediante métodos especiales.

Todos los canales presentes en los tejidos vivos, y ahora conocemos varios cientos de tipos de canales, se pueden dividir en dos tipos principales. El primer tipo es canales de descanso, que se abren y cierran espontáneamente sin influencias externas. Son importantes para generar el potencial de membrana en reposo. El segundo tipo es el llamado canales de puerta, o canales del portal(de la palabra "puerta") . En reposo, estos canales están cerrados y pueden abrirse bajo la influencia de determinados estímulos. Algunos tipos de estos canales participan en la generación de potenciales de acción.

La mayoría de los canales iónicos se caracterizan selectividad(selectividad), es decir, sólo ciertos iones pasan a través de un determinado tipo de canal. En función de esta característica, se distinguen los canales de sodio, potasio, calcio y cloruro. La selectividad de los canales está determinada por el tamaño del poro, el tamaño del ion y su capa de hidratación, la carga del ion, así como la carga de la superficie interna del canal. Sin embargo, también existen canales no selectivos que pueden pasar dos tipos de iones a la vez: por ejemplo, potasio y sodio. Hay canales a través de los cuales pueden pasar todos los iones e incluso moléculas más grandes.

Existe una clasificación de canales iónicos según método de activación(Figura 9). Algunos canales responden específicamente a cambios físicos en la membrana celular de la neurona. Los representantes más destacados de este grupo son canales activados por voltaje. Los ejemplos incluyen los canales iónicos de sodio, potasio y calcio sensibles al voltaje en la membrana, que son responsables de la formación del potencial de acción. Estos canales se abren a un cierto potencial de membrana. Por tanto, los canales de sodio y potasio se abren a un potencial de aproximadamente -60 mV (la superficie interior de la membrana está cargada negativamente en comparación con la superficie exterior). Los canales de calcio se abren a un potencial de -30 mV. El grupo de canales activados por cambios físicos incluye

Figura 9. Métodos para activar canales iónicos.

(A) Canales iónicos activados por cambios en el potencial de membrana o en el estiramiento de la membrana. (B) Canales iónicos activados por agentes químicos (ligandos) desde el lado extracelular o intracelular.

También canales mecanosensibles que responden al estrés mecánico (estiramiento o deformación de la membrana celular). Otro grupo de canales iónicos se abre cuando sustancias químicas activan sitios de unión a receptores especiales en la molécula del canal. Semejante canales activados por ligando Se dividen en dos subgrupos, dependiendo de si sus centros receptores son intracelulares o extracelulares. Los canales activados por ligandos que responden a estímulos extracelulares también se denominan Receptores ionotrópicos. Estos canales son sensibles a los transmisores y participan directamente en la transmisión de información en estructuras sinápticas. Los canales activados por ligando, activados desde el lado citoplasmático, incluyen canales que son sensibles a cambios en la concentración de iones específicos. Por ejemplo, los canales de potasio activados por calcio se activan mediante aumentos locales en la concentración de calcio intracelular. Estos canales desempeñan un papel importante en la repolarización de la membrana celular durante la terminación de un potencial de acción. Además de los iones de calcio, los representantes típicos de los ligandos intracelulares son los nucleótidos cíclicos. El GMP cíclico, por ejemplo, es responsable de la activación de los canales de sodio en los bastones de la retina. Este tipo de canal juega un papel fundamental en el funcionamiento del analizador visual. Un tipo separado de modulación del funcionamiento del canal mediante la unión de un ligando intracelular es la fosforilación/desfosforilación de ciertas secciones de su molécula proteica bajo la acción de enzimas intracelulares: proteínas quinasas y proteínas fosfatasas.

La clasificación presentada de canales por método de activación es en gran medida arbitraria. Algunos canales iónicos sólo pueden activarse mediante unos pocos estímulos. Por ejemplo, los canales de potasio activados por calcio también son sensibles a cambios de potencial y algunos canales iónicos activados por voltaje son sensibles a ligandos intracelulares.

El modelo de membrana excitable según la teoría de Hodgkin-Huxley supone el transporte controlado de iones a través de la membrana. Sin embargo, la transición directa de un ion a través de la bicapa lipídica es muy difícil y, por tanto, el flujo de iones sería pequeño.

Esta y otras consideraciones dieron motivos para creer que la membrana debía contener algunas estructuras especiales: iones conductores. Estas estructuras se encontraron y se denominaron canales iónicos. Se han aislado canales similares de varios objetos: la membrana plasmática de las células, la membrana postsináptica de las células musculares y otros objetos. También se conocen canales iónicos formados por antibióticos.

Propiedades básicas de los canales iónicos:

1) selectividad;

2) independencia de funcionamiento de canales individuales;

3) naturaleza discreta de la conductividad;

4) dependencia de los parámetros del canal del potencial de membrana.

Veámoslos en orden.

1. La selectividad es la capacidad de los canales iónicos para permitir selectivamente el paso de iones de un tipo.

Ya en los primeros experimentos con el axón del calamar se descubrió que los iones Na+ y Kt tienen efectos diferentes sobre el potencial de membrana. Los iones K+ cambian el potencial de reposo y los iones Na+ cambian el potencial de acción. El modelo de Hodgkin-Huxley describe esto mediante la introducción de canales iónicos independientes de potasio y sodio. Se suponía que los primeros sólo dejan pasar los iones K+ y los segundos sólo los iones Na+.

Las mediciones han demostrado que los canales iónicos tienen una selectividad absoluta hacia cationes (canales selectivos de cationes) o aniones (canales selectivos de aniones). Al mismo tiempo, varios cationes de diversos elementos químicos pueden pasar a través de canales selectivos de cationes, pero la conductividad de la membrana para el ion menor y, por lo tanto, la corriente a través de él, será significativamente menor, por ejemplo, para el canal Na +. , la corriente de potasio a través de él será 20 veces menor. La capacidad de un canal iónico para pasar diferentes iones se llama selectividad relativa y se caracteriza por una serie de selectividad: la relación de conductividades del canal para diferentes iones tomados en la misma concentración. En este caso, para el ion principal, la selectividad se toma como 1. Por ejemplo, para el canal Na+ esta serie tiene la forma:

Na+: K+ = 1: 0,05.

2. Independencia del funcionamiento de canales individuales. El flujo de corriente a través de un canal iónico individual es independiente de si la corriente fluye a través de otros canales. Por ejemplo, los canales de K+ se pueden activar o desactivar, pero la corriente a través de los canales de Na+ no cambia. La influencia de los canales entre sí se produce indirectamente: un cambio en la permeabilidad de algunos canales (por ejemplo, sodio) cambia el potencial de membrana y esto ya afecta la conductividad de otros canales iónicos.

3. Naturaleza discreta de la conductividad de los canales iónicos. Los canales iónicos son un complejo de subunidades de proteínas que atraviesan la membrana. En su centro hay un tubo por donde pueden pasar los iones. El número de canales iónicos por superficie de membrana de 1 μm 2 se determinó utilizando un bloqueador de los canales de sodio marcado radiactivamente: la tetrodotoxina. Se sabe que una molécula de TTX se une a un solo canal. Luego, la medición de la radiactividad de una muestra de área conocida permitió demostrar que hay alrededor de 500 canales de sodio por cada axón de calamar de 1 µm2.

Aquellas corrientes transmembrana que se miden en experimentos convencionales, por ejemplo, en un axón de calamar de 1 cm de largo y 1 mm de diámetro, es decir, un área de 3 * 10 7 μm 2, se deben a la respuesta total (cambio de conductividad) de 500 3 10 7 -10 10 canales iónicos. Esta respuesta se caracteriza por un cambio suave en la conductividad a lo largo del tiempo. La respuesta de un solo canal iónico cambia con el tiempo de una manera fundamentalmente diferente: discretamente para los canales de Na+, para los de K+- y para los de Ca 2+.

Esto se descubrió por primera vez en 1962 en estudios de la conductividad de las membranas de bicapa lipídica (BLM), cuando se agregaron microcantidades de una determinada sustancia inductora de excitación a la solución que rodeaba la membrana. Se aplicó un voltaje constante al BLM y se registró la corriente I (t). La corriente se registró a lo largo del tiempo en forma de saltos entre dos estados conductores.

Uno de los métodos eficaces para el estudio experimental de los canales iónicos fue el método de fijación local del potencial de membrana (“Patch Clamp”), desarrollado en los años 80 (Fig. 10).

Arroz. 10. Método de fijación local del potencial de membrana. ME - microelectrodo, IR - canal iónico, M - membrana celular, SFP - circuito de sujeción de potencial, I - corriente de un solo canal

La esencia del método es que un microelectrodo ME (Fig. 10), con un extremo delgado con un diámetro de 0,5 a 1 μm, se aspira hacia la membrana para que el canal iónico entre en su diámetro interior. Luego, utilizando un circuito de fijación de potencial, es posible medir corrientes que pasan sólo a través de un único canal de la membrana, y no a través de todos los canales simultáneamente, como ocurre cuando se utiliza el método estándar de fijación de potencial.

Los resultados de los experimentos realizados en varios canales iónicos mostraron que la conductividad de un canal iónico es discreta y puede estar en dos estados: abierto o cerrado. Las transiciones entre estados ocurren en momentos aleatorios y obedecen a leyes estadísticas. No se puede decir que un canal iónico determinado se abrirá exactamente en este momento. Sólo se puede hacer una afirmación sobre la probabilidad de abrir un canal en un intervalo de tiempo determinado.

4. Dependencia de los parámetros del canal del potencial de membrana. Los canales iónicos de las fibras nerviosas son sensibles al potencial de membrana, como los canales de sodio y potasio del axón del calamar. Esto se manifiesta en el hecho de que después del inicio de la despolarización de la membrana, las corrientes correspondientes comienzan a cambiar con una u otra cinética. Este proceso ocurre de la siguiente manera: el canal selectivo de iones tiene un sensor, algún elemento de su diseño que es sensible a la acción de un campo eléctrico (Fig. 11). Cuando el potencial de membrana cambia, la magnitud de la fuerza que actúa sobre ella cambia, como resultado, esta parte del canal iónico se mueve y cambia la probabilidad de abrir o cerrar la compuerta, una especie de amortiguador que funciona según el principio "todo o nada". ley de nada”. Se ha demostrado experimentalmente que bajo la influencia de la despolarización de la membrana aumenta la probabilidad de que el canal de sodio pase al estado conductor. El aumento de voltaje a través de la membrana creado durante las mediciones de pinzamiento potencial hace que se abra una gran cantidad de canales. A través de ellos pasan más cargas, lo que significa, en promedio, más flujos de corriente. Es importante que el proceso de aumento de la conductividad del canal esté determinado por un aumento en la probabilidad de que el canal pase a un estado abierto y no por un aumento en el diámetro del canal abierto. Ésta es la comprensión moderna del mecanismo del paso de la corriente a través de un solo canal.

Las curvas cinéticas suaves de las corrientes registradas durante las mediciones eléctricas en membranas grandes se obtienen mediante la suma de muchas corrientes escalonadas que fluyen a través de canales individuales. Su suma, como se muestra arriba, reduce drásticamente las fluctuaciones y proporciona dependencias temporales bastante suaves de la corriente transmembrana.

Los canales iónicos también pueden ser sensibles a otras influencias físicas: deformación mecánica, unión de productos químicos, etc. En este caso, son la base estructural, respectivamente, de mecanorreceptores, quimiorreceptores, etc.

El estudio de los canales iónicos en las membranas es una de las tareas importantes de la biofísica moderna.

Estructura del canal iónico.

El canal selectivo de iones consta de las siguientes partes (Fig. 11): una parte sumergida en una bicapa proteica, que tiene una estructura de subunidad; un filtro selectivo formado por átomos de oxígeno cargados negativamente, que están ubicados rígidamente a cierta distancia entre sí y dejan pasar iones de cierto diámetro; parte de la puerta.

La puerta del canal iónico está controlada por el potencial de membrana y puede estar en estado cerrado (línea discontinua) o abierto (línea continua). La posición normal de la puerta del canal de sodio está cerrada. Bajo la influencia de un campo eléctrico, la probabilidad de un estado abierto aumenta, la compuerta se abre y el flujo de iones hidratados puede pasar a través del filtro selectivo.

Si el ion encaja en el diámetro, se desprende de su capa de hidratación y salta al otro lado del canal iónico. Si el ion tiene un diámetro demasiado grande, como el tetraetilamonio, no puede pasar a través del filtro y no puede cruzar la membrana. Si, por el contrario, el ion es demasiado pequeño, entonces tiene dificultades en el filtro selectivo, esta vez asociadas a la dificultad de desprenderse de la capa de hidratación del ion.

Los bloqueadores de canales iónicos no pueden atravesarlo y se atascan en el filtro o, si son moléculas grandes como TTX, coinciden estéricamente con alguna entrada al canal. Dado que los bloqueadores tienen una carga positiva, su parte cargada es arrastrada hacia el canal del filtro selectivo como un catión normal y la macromolécula lo obstruye.

Por tanto, los cambios en las propiedades eléctricas de las biomembranas excitables se llevan a cabo mediante canales iónicos. Se trata de macromoléculas de proteínas que penetran la bicapa lipídica y pueden existir en varios estados discretos. Las propiedades de los canales selectivos para iones K + , Na + y Ca 2+ pueden depender de diferentes maneras del potencial de membrana, que determina la dinámica del potencial de acción en la membrana, así como las diferencias en dichos potenciales en las membranas de diferentes células. .

Arroz. 11. Diagrama transversal de la estructura del canal iónico de sodio de la membrana.

Comentario.

Para diversas sustancias y, en particular, para los iones minerales, es de suma importancia en la vida de la célula y especialmente en los mecanismos de percepción, transformación, transmisión de señales de una célula a otra y a las estructuras intracelulares.

El papel determinante en el estado de permeabilidad de las membranas celulares lo desempeñan sus canales iónicos, que se forman. proteínas formadoras de canales. La apertura y el cierre de estos canales pueden controlarse mediante la magnitud de la diferencia de potencial entre las superficies exterior e interior de la membrana, una variedad de moléculas de señalización (hormonas, neurotransmisores, sustancias vasoactivas), mensajeros secundarios de la transmisión de señales intracelulares y minerales. iones.

canal de iones- varias subunidades (proteínas integrales de membrana que contienen segmentos transmembrana, cada uno de los cuales tiene una configuración de hélice α) que aseguran el transporte de iones a través de la membrana.

Arroz. 1. Clasificación de canales iónicos.

La comprensión moderna de la estructura y función de los canales iónicos ha sido posible gracias al desarrollo de métodos para registrar las corrientes eléctricas que fluyen a través de una sección aislada de la membrana que contiene canales iónicos individuales, así como mediante el aislamiento y la clonación de genes individuales que controlan la Síntesis de macromoléculas proteicas capaces de formar canales iónicos. Esto hizo posible modificar artificialmente la estructura de dichas moléculas, integrarlas en las membranas celulares y estudiar el papel de regiones peptídicas individuales en el desempeño de las funciones del canal. Resultó que las moléculas proteicas formadoras de canales de todos los canales iónicos tienen algunas características estructurales comunes y generalmente están representados por grandes proteínas transmembrana con masas moleculares superiores a 250 kDa.

Consisten en varias subunidades. Generalmente lo más importante propiedades del canal su subunidad a. Esta subunidad participa en la formación del agujero selectivo de iones, el mecanismo sensor de la diferencia de potencial transmembrana, la puerta del canal, y tiene sitios de unión para ligandos exógenos y endógenos. Otras subunidades incluidas en la estructura de los canales iónicos desempeñan un papel auxiliar, modulando las propiedades de los canales (Fig. 2).

La molécula de proteína formadora de canales está representada por bucles de aminoácidos extramembrana y regiones de dominio helicoidal intramembrana que forman las subunidades de los canales iónicos. La molécula de proteína se pliega en el plano de la membrana de modo que el propio canal iónico se forma entre los dominios en contacto entre sí (ver Fig. 2, abajo a la derecha).

La molécula de proteína formadora de canales está ubicada en la membrana citoplasmática de modo que su estructura espacial tridimensional forma las bocas del canal que miran hacia los lados exterior e interior de la membrana, un poro lleno de agua y una "puerta". Estos últimos están formados por una sección de la cadena peptídica que puede cambiar fácilmente su conformación y determinar el estado abierto o cerrado del canal. La selectividad y permeabilidad del canal iónico dependen del tamaño del poro y de su carga. La permeabilidad de un canal para un ion determinado también está determinada por su tamaño, carga y capa de hidratación.

Arroz. 2. Estructura del canal iónico Na+ de la membrana celular: a - estructura bidimensional de la unidad α del canal iónico de la membrana celular; b - a la izquierda - un canal de sodio, que consta de una subunidad A y dos subunidades P (vista lateral); a la derecha está el canal de sodio desde arriba. En los números I. II. III. IV dominios marcados de la subunidad a

Tipos de canales iónicos

Se han descrito más de 100 tipos de canales iónicos y se utilizan diversos enfoques para clasificarlos. Uno de ellos se basa en tener en cuenta las diferencias en la estructura de canales y mecanismos de funcionamiento. En este caso, los canales iónicos se pueden dividir en varios tipos:

• canales iónicos pasivos o canales en reposo;
• canales de contacto de ranura;
• canales, cuyo estado (abierto o cerrado) está controlado por la influencia en su mecanismo de compuerta de factores mecánicos (canales mecanosensibles), diferencias de potencial en la membrana (canales dependientes de voltaje) o ligandos que se unen a la proteína formadora de canales en el lado exterior o interior de la membrana (canales activados por ligando).

Canales pasivos

Una característica distintiva de estos canales es que pueden estar abiertos (activos) en células en reposo, es decir, en ausencia de cualquier influencia. Esto predetermina su segundo nombre: canales pasivos. No son estrictamente selectivos y a través de ellos la membrana celular puede “filtrar” varios iones, por ejemplo K+ y CI+ K+ y Na+. Por lo tanto, estos canales a veces se denominan canales de fuga. Debido a las propiedades enumeradas, los canales en reposo desempeñan un papel importante en la aparición y mantenimiento del potencial de membrana en reposo en la membrana citoplasmática de la célula, cuyos mecanismos y significado se analizan a continuación. Los canales pasivos están presentes en las membranas citoplasmáticas de las fibras nerviosas y sus terminaciones, células estriadas, músculos lisos, miocardio y otros tejidos.

Canales mecanosensibles

El estado de permeabilidad de estos canales cambia bajo influencias mecánicas sobre la membrana, provocando una alteración del empaquetamiento estructural de las moléculas en la membrana y su estiramiento. Estos canales están ampliamente representados en mecanorreceptores de vasos sanguíneos, órganos internos, piel, músculos estriados y miocitos lisos.

Canales dependientes del voltaje

El estado de estos canales está controlado por las fuerzas del campo eléctrico creado por la magnitud de la diferencia de potencial a través de la membrana. Los canales dependientes de voltaje pueden estar en estados inactivo (cerrado), activo (abierto) e inactivado, que están controlados por la posición de las compuertas de activación e inactivación, dependiendo de la diferencia de potencial a través de la membrana.

En una celda en reposo, un canal dependiente de voltaje suele estar en un estado cerrado, desde el cual se puede abrir o activar. La probabilidad de que se abra por sí solo es baja y, en reposo, solo un pequeño número de estos canales en la membrana están abiertos. Una disminución de la diferencia de potencial transmembrana (despolarización de la membrana) provoca la activación del canal, aumentando la probabilidad de su apertura. Se supone que la función de la puerta de activación la realiza un grupo de aminoácidos cargado eléctricamente que cierra la entrada a la boca del canal. Estos aminoácidos son un sensor de la diferencia de potencial en la membrana; cuando se alcanza un cierto nivel (crítico) de despolarización de la membrana, la parte cargada de la molécula sensora se desplaza hacia el microambiente lipídico de la molécula formadora del canal y la puerta abre la entrada a la boca del canal (Fig. 3).

El canal se abre (activo) para que los iones se muevan a través de él. La velocidad de apertura de la cancela de activación puede ser baja o muy alta. Según este indicador, los canales iónicos dependientes de voltaje se dividen en rápidos (por ejemplo, canales rápidos de sodio dependientes de voltaje) y lentos (por ejemplo, canales lentos de calcio dependientes de voltaje). Los canales rápidos se abren instantáneamente (μs) y permanecen abiertos durante un promedio de 1 ms. Su activación va acompañada de un rápido aumento, similar a una avalancha, de la permeabilidad del canal para determinados iones.

Otra parte de la cadena peptídica, que es una secuencia de aminoácidos en forma de bola densa (bola) sobre un hilo, ubicada a la salida de la otra boca del canal, tiene la capacidad de cambiar su conformación. Cuando cambia el signo de carga en la membrana, la bola cierra la salida de la boca y el canal se vuelve impenetrable (inactivado) para el ion. La inactivación de canales iónicos dependientes de voltaje se puede lograr mediante otros mecanismos. La inactivación va acompañada del cese del movimiento de iones a través del canal y puede ocurrir tan rápidamente como la activación, o lentamente, durante un período de segundos o incluso minutos.

Arroz. 3. Mecanismo de activación de los canales de sodio (arriba) y potasio (abajo) dependientes de voltaje

Para restaurar las propiedades originales de los canales iónicos después de su inactivación, es necesario devolver la conformación espacial original de la proteína formadora de canales y la posición de la puerta. Esto se logra restaurando la diferencia de potencial de membrana (repolarización) a un nivel característico del estado de reposo de la célula o algún tiempo después de la inactivación con un fuerte efecto sobre la membrana. La transición del estado de inactivación al estado original (cerrado) se denomina reactivación del canal. Una vez reactivado, el canal iónico vuelve a estar listo para su reapertura. La reactivación de los canales de membrana dependientes de voltaje también puede ser rápida o lenta.

Los canales iónicos dependientes de voltaje suelen ser muy selectivos y desempeñan un papel crucial en la aparición de excitación (generación de potenciales de acción), la transmisión de información a lo largo de las fibras nerviosas en forma de señales eléctricas y el inicio y regulación de la contracción muscular. Estos canales están ampliamente representados en las membranas de las fibras nerviosas aferentes y eferentes, en las membranas de los miocitos estriados y lisos.

Los canales iónicos dependientes de potencial están integrados en la membrana de las terminaciones nerviosas de los nervios sensoriales (dendritas) que inervan la pulpa dental y la mucosa oral, donde su apertura asegura la conversión del potencial del receptor en un impulso nervioso y su posterior transmisión a lo largo del nervio aferente. fibra. Con la ayuda de estos impulsos se transmite al sistema nervioso central información sobre todo tipo de sensaciones sensoriales que una persona experimenta en la cavidad bucal (gusto, temperatura, presión mecánica, dolor). Dichos canales aseguran la aparición de impulsos nerviosos en la membrana del montículo axónico de las neuronas y su transmisión a lo largo de fibras nerviosas eferentes, la conversión de potenciales postsinápticos en potenciales de acción de las células efectoras postsinápticas. Un ejemplo de tales procesos es la generación de impulsos nerviosos en las neuronas motoras del núcleo del nervio trigémino, que luego se transmiten a lo largo de sus fibras eferentes a los músculos masticatorios y proporcionan el inicio y regulación de los movimientos de masticación de la mandíbula inferior.

Al estudiar los mecanismos sutiles del funcionamiento de los canales iónicos dependientes de voltaje, se reveló que existen sustancias que pueden bloquear el funcionamiento de estos canales. Uno de los primeros en ser descrito fue la sustancia tetrodotoxina, un poderoso veneno producido en el cuerpo del pez globo. Bajo su influencia, en el experimento se observó el bloqueo de los canales de sodio dependientes de voltaje, y cuando se introdujo en el cuerpo de los animales, se observaron pérdida de sensibilidad, relajación muscular, inmovilidad, paro respiratorio y muerte. Estas sustancias se denominan bloqueadores de canales iónicos. Entre ellos lidocaína, novocaína, procaína - sustancias, cuando se introducen en el cuerpo en pequeñas dosis, se desarrolla el bloqueo de los canales de sodio de las fibras nerviosas dependientes del voltaje y se bloquea la transmisión de señales desde los receptores del dolor al sistema nervioso central. Estas sustancias se utilizan ampliamente en la práctica médica como anestésicos locales.

El movimiento de iones a través de canales iónicos no sólo es la base para la redistribución de cargas en las membranas y la formación de potenciales eléctricos, sino que también puede influir en el curso de muchos procesos intracelulares. Este efecto sobre la expresión de genes que controlan la síntesis de proteínas formadoras de canales no se limita sólo a las células de los tejidos excitables, sino que ocurre en todas las células del cuerpo. Se ha identificado un gran grupo de enfermedades cuya causa es una violación de la estructura y función de los canales iónicos. Estas enfermedades se clasifican como “canalopatías”. Evidentemente, el conocimiento de la estructura y funciones de los canales iónicos es necesario para comprender la naturaleza de las “canalopatías” y buscar su terapia específica.

Canales iónicos activados por ligando

Por lo general, están formados por macromoléculas de proteínas que pueden servir simultáneamente como canales iónicos y funciones receptoras para ciertos ligandos. Dado que la misma macromolécula puede realizar simultáneamente estas dos funciones, se les han asignado nombres diferentes, por ejemplo, receptor sináptico o canal dependiente de ligando.

A diferencia de un canal iónico dependiente de voltaje, que se abre cuando cambia la conformación de la puerta de activación en condiciones de disminución de la diferencia de potencial transmembrana, los canales iónicos dependientes de ligando se abren (activan) tras la interacción de la cadena peptídica (receptora) de una proteína. molécula con un ligando, una sustancia por la cual el receptor tiene una alta afinidad ( Fig. 4).

Arroz. 4. Canal iónico dependiente de ligando (receptor de acetilcolina sensible a la nicotina - n-ChR): inactivo; 6 - activado

Los canales iónicos activados por ligando generalmente se localizan en las membranas postsinápticas de las células nerviosas y sus procesos, así como en las fibras musculares. Ejemplos típicos de canales iónicos activados por ligando son los canales de membrana postsinápticos activados por acetilcolina (ver Fig. 4), glutamato, aspartato, ácido gamma-aminobutírico, glicina y otros neurotransmisores sinápticos. Normalmente, el nombre del canal (receptor) refleja el tipo de neurotransmisor que es su ligando en condiciones naturales. Entonces, si estos son canales de la sinapsis neuromuscular en los que se usa el neurotransmisor acetilcolina, entonces se usa el término "receptor de acetilcolina", y si también es sensible a la nicotina, entonces se llama sensible a la nicotina, o simplemente n-acetilcolina. receptor (n-receptor colinérgico).

Normalmente, los receptores (canales) postsinápticos se unen selectivamente a un solo tipo de neurotransmisor. Dependiendo del tipo y las propiedades del receptor y neurotransmisor que interactúan, los canales cambian selectivamente su permeabilidad a los iones minerales, pero no son canales estrictamente selectivos. Por ejemplo, los canales activados por ligandos pueden cambiar la permeabilidad a cationes Na+ y K+ o a aniones K+ y CI+. Esta selectividad de la unión del ligando y los cambios en la permeabilidad iónica están genéticamente fijados en la estructura espacial de la macromolécula.

Si la interacción del mediador y la parte receptora de la macromolécula que forma el canal iónico va directamente acompañada de un cambio en la permeabilidad del canal, en unos pocos milisegundos esto conduce a un cambio en la permeabilidad de la membrana postsináptica al mineral. iones y el valor del potencial postsináptico. Dichos canales se denominan rápidos y están localizados, por ejemplo, en la membrana postsináptica de las sinapsis excitadoras axodendríticas y las sinapsis inhibidoras axosomáticas.

Hay canales iónicos lentos activados por ligandos. A diferencia de los canales rápidos, su apertura no está mediada por la interacción directa del neurotransmisor con la macromolécula receptora, sino por una cadena de eventos que incluyen la activación de la proteína G, su interacción con GTP y un aumento en el nivel de mensajeros secundarios en la transmisión intracelular. de la señal del neurotransmisor que, al fosforilar el canal iónico, provoca un cambio en su permeabilidad a los iones minerales y un cambio correspondiente en el valor del potencial postsináptico. Toda la cadena de acontecimientos descrita tiene lugar en cientos de milisegundos. Nos encontraremos con canales iónicos dependientes de ligandos tan lentos cuando estudiemos los mecanismos de regulación del corazón y los músculos lisos.

Un tipo especial son los canales localizados en las membranas del retículo endoplásmico de las células del músculo liso. Su ligando es el segundo mensajero de la transducción de señales intracelulares, el inositol trifosfato-IFZ.

Se describen canales iónicos que se caracterizan por ciertas propiedades estructurales y funcionales inherentes tanto a los canales iónicos activados por voltaje como a los activados por ligando. Son canales iónicos insensibles al voltaje, cuyo estado del mecanismo de compuerta está controlado por nucleótidos cíclicos (cAMP y cGMP). En este caso, los nucleótidos cíclicos se unen al terminal COOH intracelular de la molécula de proteína formadora del canal y activan el canal.

Estos canales se caracterizan por una menor selectividad de permeabilidad a los cationes y la capacidad de estos últimos de influir en la permeabilidad de los demás. Por lo tanto, los iones Ca 2+, que ingresan a través de canales activados desde el entorno extracelular, bloquean la permeabilidad de los canales para los iones Na 2+. Un ejemplo de tales canales son los canales iónicos de bastón de la retina, cuya permeabilidad a los iones Ca 2+ y Na 2+ está determinada por el nivel de cGMP.

Los canales iónicos activados por ligando están ampliamente representados en estructuras de membrana que proporcionan transmisión sináptica de señales desde varios receptores sensoriales en el sistema nervioso central; transmisión de señales en sinapsis del sistema nervioso; Transmisión de señales del sistema nervioso a las células efectoras.

Ya se ha observado que la transmisión directa de órdenes desde el sistema nervioso a muchos órganos efectores se lleva a cabo mediante neurotransmisores que activan los canales iónicos activados por ligandos en las membranas postsinápticas. Sin embargo, sus ligandos (agonistas o antagonistas) también pueden ser sustancias de naturaleza exógena, que en algunos casos se utilizan como sustancias medicinales.

Por ejemplo, después de la introducción en el cuerpo de la sustancia diplacina, que tiene una estructura similar al neurotransmisor apetilcolina, se producirá una apertura prolongada de los canales iónicos dependientes del ligando en las sinapsis neuromusculares, que dejan de transmitir impulsos nerviosos desde las fibras nerviosas a los músculos. . Se produce una relajación de los músculos esqueléticos del cuerpo, que puede ser necesaria durante operaciones quirúrgicas complejas. La diplacina y otras sustancias que pueden cambiar el estado de los canales iónicos activados por ligando y bloquear la transmisión de señales en las sinapsis neuromusculares se denominan relajantes musculares.

Arroz. 5. Canales de unión entre dos células en estrecho contacto

En la práctica médica, se utilizan muchas otras sustancias medicinales que afectan el estado de los canales iónicos dependientes de ligandos de las células de diversos tejidos.

Canales de unión celular (estrechos)

Los canales de unión se forman en el área de contacto entre dos células vecinas que están muy cerca entre sí. En la membrana de cada célula en contacto, seis subunidades de proteínas, llamadas conexinas, forman una estructura hexagonal, en cuyo centro se forma un poro o canal iónico: una conexión (Fig. 5).

Se forma una estructura de espejo en el punto de contacto en la membrana de una célula adyacente y el canal iónico entre ellas se vuelve común. A través de estos canales iónicos, varios iones minerales, incluidos los iones Ca 2+, así como sustancias orgánicas de bajo peso molecular, pueden pasar de una célula a otra. Los canales de uniones celulares aseguran la transferencia de información entre las células del miocardio, el músculo liso, la retina y el sistema nervioso.

canales de sodio

Los canales de sodio dependientes e independientes del voltaje (dependientes del ligando, mecanosensibles, pasivos, etc.) están ampliamente representados en las células del cuerpo.

Canales de sodio dependientes de voltaje

Consisten en una subunidad α, que forma el canal, y dos subunidades β, que modulan la permeabilidad iónica y la cinética de inactivación de los canales de sodio (Fig. 6).

Arroz. 6. Estructura bidimensional de la subunidad α del canal de sodio dependiente de voltaje. Descripción en el texto.

Como se puede ver en la Fig. 6, la subunidad a está representada por cuatro dominios del mismo tipo, que constan de seis segmentos transmembrana helicoidales conectados por bucles de aminoácidos. Los bucles que conectan los segmentos quinto y sexto rodean el poro del canal, y el cuarto segmento contiene aminoácidos cargados positivamente, que son sensores de la diferencia de potencial en la membrana y controlan la posición del mecanismo de compuerta durante los cambios en el potencial transmembrana.

En los canales de sodio dependientes de voltaje hay dos mecanismos de compuerta, uno de ellos: la activación (con la participación del cuarto segmento) asegura la apertura (activación) del canal tras la despolarización de la membrana, y el segundo (con la participación del bucle intracelular entre el tercer y cuarto dominio): su inactivación tras la recarga de la membrana. Dado que ambos mecanismos cambian rápidamente la posición de la puerta del canal, los canales de sodio dependientes de voltaje son canales iónicos rápidos y son críticos para la generación de potenciales de acción en tejidos excitables y para su conducción a través de las membranas de las fibras nerviosas y musculares.

Estos canales se localizan en las membranas citoplasmáticas del montículo axónico de las neuronas, en las dendritas y los axones, en la membrana de la región perisináptica de la sinapsis neuromuscular, en el sarcolema de las fibras de los músculos estriados y en el miocardio contráctil. La densidad de distribución de los canales de sodio en estas estructuras es diferente. En las fibras nerviosas mielinizadas se concentran principalmente en la zona de los nódulos de Ranvier, donde su densidad alcanza unos 10.000 canales por micrón cuadrado de superficie, y en las fibras amielínicas los canales se distribuyen más uniformemente con una densidad de unos 20 canales por cuadrado. micra de área. Estos canales están prácticamente ausentes en la estructura de las membranas del cuerpo de las células nerviosas, en la membrana de las terminaciones nerviosas que forman directamente receptores sensoriales y en las membranas postsinápticas de las células efectoras.

Entre los canales de sodio dependientes de voltaje, ya se distinguen más de nueve subtipos, que se diferencian en las propiedades de las subunidades α, tienen una afiliación tisular específica y se diferencian en una sensibilidad diferente a la acción de los bloqueadores. Por ejemplo, un subtipo de canal formado por una proteína formadora de canales, cuya síntesis está controlada por el gen SCN4A, está presente en el sarcolema de los músculos esqueléticos completamente diferenciados e inervados y sus bloqueadores son la tetrodotoxina, la saxitoxina y las c-conotoxinas. En la mayoría de los casos, las subunidades α son sensibles a la acción de la tetrodotoxina, que en concentraciones micromolares bloquea los poros y, con ello, la entrada a los canales de sodio.

Se sabe que las toxinas de los canales de sodio disminuyen la velocidad de su inactivación. Por ejemplo, la toxina de anémona de mar (ATX) y la toxina a de escorpión (ScTX) provocan un retraso en la inactivación al unirse a residuos de aminoácidos del bucle S3-S4 del segmento 4.

Sustancias llamadas anestésicos (novocaína, dicaína, lidocaína, sovcaína, procaína y etc.). La anestesia cuando bloquean los canales de sodio se logra eliminando la posibilidad de generar impulsos nerviosos en las fibras nerviosas aferentes y bloqueando así la transmisión de señales desde los receptores sensoriales del dolor al sistema nervioso central.

Se ha descubierto que los cambios en la estructura de los canales de sodio pueden provocar el desarrollo de diversas enfermedades. Por ejemplo, un cambio en la estructura del canal controlado por el gen SCNlb conduce al desarrollo de formas generalizadas de epilepsia y convulsiones con aumento de la temperatura corporal (convulsiones febriles).

Muchos microorganismos forman toxinas en el cuerpo humano, sustancias que bloquean los canales iónicos en las células afectadas, lo que puede ir acompañado de un desequilibrio en el equilibrio iónico y la muerte celular. Otros microorganismos, por el contrario, utilizan sus toxinas (perforinas) para formar canales iónicos en la membrana celular. En particular, la toxina del bacilo del ántrax, que provoca una infección especialmente peligrosa en los seres humanos, ataca la célula y forma nuevos poros (canales) en su membrana, a través de los cuales penetran otras toxinas en la célula. La acción de estas toxinas provoca la muerte de las células atacadas y una alta mortalidad en esta enfermedad. Los científicos han sintetizado una sustancia β-ciclodextrina, que tiene una estructura espacial similar a la forma del canal resultante. Esta sustancia bloquea los canales formados por la toxina del microorganismo, previene la entrada de toxinas en las células y salva de la muerte a los animales de experimentación infectados con ántrax.

Canales de sodio independientes del voltaje

Canales de sodio activados por ligando. Su estructura y propiedades generales se analizan anteriormente en la descripción de los canales iónicos activados por ligando. Este tipo de canales de sodio está ampliamente representado en el cuerpo por los canales de sodio del receptor colinérgico sensible a la nicotina de la membrana postsináptica de la sinapsis neuromuscular, las sinapsis interneuronales del sistema nervioso central y el sistema nervioso autónomo (neuronas preganglionares y ganglionares). Los canales de sodio activados por ligando se localizan en las membranas postsinápticas de otras sinapsis excitadoras (glutamato y aspartatérica) del sistema nervioso central. Desempeñan un papel crucial en la generación de potencial postsináptico excitador en las sinapsis y en la transmisión de señales entre neuronas y entre neuronas y células efectoras.

Los canales de sodio activados por ligando de la membrana postsináptica no son estrictamente selectivos y pueden ser permeables simultáneamente a varios iones: sodio y potasio, sodio y calcio.

Canales de sodio independientes del voltaje activados por segundos mensajeros. El estado de estos canales de sodio puede ser controlado por cGMP (fotorreceptores), cAMP (receptores olfativos) y por subunidades de proteína G (miocardio).

Canales de sodio mecanosensibles. Presente en los mecanorreceptores de las paredes de los vasos sanguíneos, el corazón, los órganos internos huecos, los propioceptores de los músculos estriados y la membrana de los miocitos lisos. Con su participación en los receptores sensoriales, la energía de la acción mecánica se convierte en una oscilación de la diferencia de potencial: el potencial del receptor.

Cuerdas pasivas de sodio. Contenido en las membranas citoplasmáticas de las células excitables. La permeabilidad de estos canales para los iones Na+ es pequeña, pero a través de ellos los iones Na se difunden siguiendo un gradiente de concentración desde los espacios extracelulares hacia las células y despolarizan algo la membrana. Los canales de sodio de la membrana citoplasmática de los miocitos lisos son más permeables. Lo despolarizan en mayor cantidad (potencial de reposo de unos 50 mV) que la membrana de los miocitos de los músculos estriados (potencial de reposo de unos 90 mV). Por tanto, los canales pasivos de sodio participan en la formación del potencial de membrana en reposo.

Intercambiadores de sodio. El intercambiador sodio-calcio, o intercambiador sodio-calcio, ha sido descrito previamente y desempeña un papel importante en la eliminación de iones calcio de los cardiomiocitos contráctiles.

Intercambiador de protones de sodio. Es un tipo especial de proteína formadora de canales que elimina protones de hidrógeno de los espacios intracelulares a cambio de que los iones de sodio ingresen a la célula. La eliminación de protones se activa cuando el pH en la célula disminuye.

La síntesis de proteínas que forman canales de intercambio de sodio está controlada por cinco genes, denominados NAH1 -NAH5.

canales de potasio

Hay canales de potasio dependientes de voltaje e insensibles al voltaje. Entre estos últimos se distinguen los canales de potasio pasivos, dependientes de ligandos y de otro tipo. Como regla general, los canales de potasio se encuentran en las membranas de las mismas células y tejidos que contienen canales de sodio. Una de las razones de tal paralelismo en la disposición de estos canales iónicos es que los iones Na+ y K+ son los cationes más importantes, cuya naturaleza de distribución y movimiento determina la aparición y cambio de potenciales eléctricos como una de las formas más importantes. de transmisión de señales de información en el cuerpo.

Existe toda una superfamilia de canales iónicos de potasio, que se dividen según las características estructurales, la localización y las propiedades de los canales en familias, tipos y subtipos separados. Se han descrito más de tres docenas de canales de potasio y no es posible dar sus características detalladas. Por tanto, a modo de ejemplo se darán descripciones de aquellas familias y tipos de canales iónicos que están relacionados principalmente con vías de señalización y mecanismos de control de procesos nerviosos y musculares.

Canales pasivos de potasio.

Se sabe que en estado de reposo, las membranas de las células excitables son relativamente permeables a los iones K y poco permeables a los iones Na+. Dado que los portadores de corrientes eléctricas transmembrana son iones, midiendo la corriente eléctrica que fluye a través de la membrana celular se puede juzgar el estado de los canales iónicos. Resultó que la corriente eléctrica transmembrana causada por la difusión de iones K a lo largo del gradiente de concentración de la célula es de aproximadamente dos picoamperios y tiene un carácter pulsante, y la duración promedio de la pulsación es de varios milisegundos. A partir de esta observación, se concluyó que los canales de potasio en una célula en reposo pueden abrirse y cerrarse espontáneamente, proporcionando las condiciones para la difusión de iones K a través de ellos desde la célula y la formación de un potencial de reposo en la membrana.

Canales de potasio dependientes de voltaje

La existencia de canales de potasio dependientes de voltaje en las membranas celulares de los tejidos excitables se conoció después de que se descubrió que su cinética de activación difiere de la de los canales de sodio dependientes de voltaje y, además, son bloqueados selectivamente por otros bloqueadores. Los canales de potasio se activan de la misma manera que los canales de sodio, cuando la membrana celular se despolariza a un nivel crítico, pero al mismo tiempo, la velocidad de salida de los iones K+ de la célula aumenta mucho más lentamente que la velocidad de entrada de Na+. iones al interior de la célula.

El filtro selectivo del canal de potasio está ubicado en el interior de la boca del poro, a diferencia de la ubicación externa de un filtro similar en los canales de sodio (Fig. 7). La existencia de selectividad de estos canales en relación con los cationes Na+ y K+ y varios bloqueadores específicos (tetrodotoxina (para el sodio) y tetraetilamonio (para el potasio)) indica la estructura diferente de estos canales.

Los canales de potasio dependientes de voltaje son tetrámeros y constan de cuatro subunidades que forman un poro en el centro.

Los canales de potasio dependientes de voltaje se localizan en las membranas de las células tanto excitables como no excitables. Desempeñan un papel importante en la tasa de recuperación (repolarización) del potencial de membrana después de su despolarización y, por tanto, en el control de la forma y frecuencia de generación de potenciales de acción. Los canales lentos de potasio están bloqueados por traetilamonio, 4-aminopiridina, fenciclidina y 9-aminoacridina.

Arroz. 7. Canal de potasio: a - izquierda - estructura bidimensional de la subunidad a; a la derecha hay un diagrama del canal; b — diagrama de difracción de electrones de los canales de potasio en la membrana citoplasmática.

Además de los canales lentos de potasio, se han descrito canales rápidos de potasio dependientes de voltaje, cuya cinética de apertura es similar a la de los canales rápidos de sodio dependientes de voltaje. Estos canales de potasio se abren rápidamente tras la despolarización, luego se inactivan por completo y su reactivación requiere no sólo la repolarización de la membrana, sino también la hiperpolarización durante un tiempo.

De acuerdo con los nombres de los genes que codifican la síntesis y el ensamblaje de moléculas formadoras de canales, se distinguen seis tipos de KCN con subtipos KCN A, B, C, E y una familia de canales iónicos KCNQ. Los canales de esta última familia se expresan en el miocardio.

Canales de potasio activados por ligando

Están representados por una gran cantidad de canales sensibles a la acción de varios ligandos.

Un tipo de numerosos canales de potasio dependientes de ligandos es el canal asociado al receptor de acetilcolina sensible a muscarina. Estos canales son activados por la acetilcolina. Los canales pueden bloquearse con bradicinina y iones de bario. Existen dos subtipos de estos canales: los inactivados por la muscarina y los activados por esta. Este último se localiza en las células marcapasos del corazón.

Las propiedades de un canal de potasio dependiente de ligando las poseen los canales catiónicos no selectivos independientes del voltaje que combinan las características de los canales y los receptores de acetilcolina sensibles a la nicotina de la membrana postsináptica de la sinapsis neuromuscular. Cuando la proteína formadora de canales interactúa con la acetilcolina, se abre este canal no selectivo, a través del cual los iones Na+ ingresan a la célula muscular y los iones K salen de ella. Las diferentes velocidades de movimiento de estos iones garantizan la despolarización de la membrana postsináptica, que no se convierte en un potencial de acción directamente sobre esta membrana.

Se han identificado canales de potasio sensibles al ATP, que son inhibidos y activados por la acción del ATP.

Una familia separada de canales de potasio consta de los llamados canales rectificadores de entrada (compuertas) de potasio o rectificadores de entrada. (interiorrectificando; interiorrectificador). No hay ningún sensor de voltaje en el mecanismo rectificador de compuerta del canal de potasio. La importancia funcional de estos canales radica en su influencia sobre la excitabilidad de las células marcapasos, las células musculares y las neuronas.

La familia de canales rectificadores de potasio entrantes, según los nombres de los genes que los codifican, se divide en más de 15 tipos. Un ejemplo de la importancia específica de rectificar los canales de potasio de entrada y, en particular, los canales 3, 5, 6 y 9 de KCNJ (otra designación canales Kir) puede ser su papel específico en la regulación de la frecuencia cardíaca mediante la asociación de estos canales con G Receptores de células de acetilcolina sensibles a proteínas y muscarina: marcapasos cardíacos.

Se conocen canales de potasio activados por sodio insensibles al voltaje.

Se describen canales de potasio especiales insensibles al voltaje, sensibles a los cambios de pH, que están presentes en las células β de los islotes pancreáticos y actúan en ellos como un sensor de glucosa. También se sabe que los canales de potasio son sensibles a los cambios en el volumen celular.

canales de calcio

La familia de los canales de calcio está ampliamente representada en las células del tejido nervioso y muscular. Los principales lugares de su localización son las membranas de las terminales presinápticas del retículo sarcoplásmico y endoplásmico de los músculos, el sarcolema de los cardiomiocitos y las membranas de las células de otros tejidos.

Según los métodos para controlar la permeabilidad, los canales de calcio se dividen en dependientes del voltaje, pasivos, dependientes del ligando, mecanosensibles, etc.

Los canales de calcio se dividen según la tasa de inactivación en canales de tipo T ( transitorio- transitorio), tipo L (lento). Dependiendo de la afiliación del tejido y la sensibilidad a las toxinas, se distinguen los canales tipo B. (cerebro- cerebro), tipo N (neuronales- neuronal), tipo P (purkinjecelúla- Célula de Purkinje) y tipo R (resistente a toxinas).

Canales de calcio dependientes de voltaje

Están formados por una proteína oligomérica, que normalmente consta de cinco subunidades a1, a2, β, y y δ. El canal iónico en sí está formado por la subunidad α, que tiene un alto grado de similitud en la composición y estructura de aminoácidos con una subunidad similar de los canales de sodio y potasio dependientes de voltaje (ver Fig. 6, Fig. 7).

El canal de calcio dependiente de voltaje es selectivamente permeable a los iones Ca 2+. La selectividad está garantizada por la presencia de un poro que forma un filtro selectivo.

Es la hora formado por segmentos de la subunidad a 1, por lo tanto, dada la similitud de su estructura con la de los canales catiónicos monovalentes, se esperaría que el canal de calcio fuera permeable a los iones Na+ y K+. Esta propiedad en realidad ocurre cuando el calcio se elimina del ambiente extracelular.

En condiciones naturales, la selectividad hacia el calcio está asegurada en el canal por la presencia de dos sitios de unión de calcio en el poro del canal. Uno de ellos está formado por un grupo de residuos de glutamato y, con una concentración baja de calcio, queda fuertemente unido a esta parte del poro del canal y el canal de calcio se vuelve débilmente permeable. A medida que aumenta la concentración de calcio, aumenta la probabilidad de que el calcio ocupe un segundo sitio de unión; las fuerzas de repulsión electrostática resultantes entre iones Ca 2+ reducen en gran medida el tiempo de residencia de los iones en los sitios de unión. El calcio liberado se difunde a través del canal activado hacia el interior de la célula siguiendo un gradiente electroquímico.

Los canales de calcio dependientes de voltaje difieren en los valores umbral de los cambios de diferencia de potencial en los que se activan. Los canales tipo T se activan mediante pequeños cambios de voltaje en la membrana, los tipos L y P se caracterizan por altos umbrales de cambio de voltaje que provocan su activación.

Los canales de calcio dependientes de voltaje desempeñan un papel importante en una serie de procesos vitales del cuerpo. Su activación y la entrada de calcio en la terminal presináptica son necesarias para la transmisión de señales sinápticas.

La entrada de calcio a través de los canales de calcio a la célula marcapasos es necesaria para generar potenciales de acción en las células marcapasos del corazón y asegurar su contracción rítmica. Los canales de calcio dependientes de voltaje regulan el flujo de calcio hacia el sarcoplasma de las fibras miocárdicas, los músculos esqueléticos, los miocitos lisos de los vasos sanguíneos y los órganos internos, controlando la iniciación, la velocidad, la fuerza, la duración de su contracción y, por tanto, el movimiento, la función de bombeo del corazón, presión arterial, respiración y muchos otros procesos en el cuerpo.

Canales pasivos de calcio.

Se encuentra en las membranas citoplasmáticas de los miocitos lisos. Son permeables al calcio en reposo y el calcio, junto con los iones K+ y Na+, participa en la creación de la diferencia de potencial transmembrana o potencial de reposo de los miocitos lisos. El calcio que ingresa al miocito liso a través de estos canales es una fuente de reposición de sus reservas en el retículo endoplásmico y se utiliza como mensajero secundario en la transmisión de señales intracelulares.

El calcio en reposo puede pasar de una célula a otra a través de canales de unión comunicante. Estos canales no son selectivos para el calcio y a través de ellos puede tener lugar simultáneamente el intercambio intercelular de otros iones y sustancias orgánicas de pequeño peso molecular. El calcio que ingresa a las células a través de canales de unión gap juega un papel importante en la aparición de la excitación, el inicio y la sincronización de las contracciones del miocardio, el útero, los esfínteres de los órganos internos y el mantenimiento del tono vascular.

Canales de calcio activados por ligando

Al estudiar los mecanismos de desencadenamiento y regulación de las contracciones del miocardio y del músculo liso, resultó que dependen del suministro de calcio al miocito tanto del entorno extracelular como de sus reservas intracelulares. En este caso, la entrada de calcio en el sarcoplasma puede controlarse mediante un cambio en la diferencia de potencial en el sarcolema y la activación de los canales de calcio dependientes del voltaje y (o) la acción de varias moléculas de señalización en la membrana del retículo sarcoplásmico. .

Los canales de calcio dependientes de ligandos se localizan en las membranas citoplasmáticas de los miocitos lisos. Los ligandos de sus receptores pueden ser hormonas: vasopresina, oxitocina, adrenalina; neurotransmisor norepinefrina; Moléculas de señalización: angiotensina 2, endotelio 1 y otras sustancias. La unión del ligando al receptor se acompaña de la activación del canal de calcio y la entrada de calcio a la célula desde el entorno extracelular.

En los cardiomiocitos, para iniciar la contracción muscular, es necesario activar inicialmente los canales de calcio dependientes de voltaje del tipo T, luego el tipo L, cuya apertura asegura la entrada de una cierta cantidad de iones Ca 2+ en la célula. . El calcio que ingresa a la célula activa el receptor de rianodina (RYR), una proteína formadora de canales incrustada en la membrana del retículo sarcoplásmico del cardiomiocito. Como resultado de la activación del canal, aumenta su permeabilidad al calcio y este último se difunde hacia el sarcoplasma a lo largo del gradiente de concentración. Por tanto, los iones Ca 2+ actúan como una especie de ligandos que activan los receptores de rianodina y, por tanto, los canales de calcio. Como resultado, el calcio extracelular que ingresa a la célula actúa como desencadenante de la liberación de calcio desde su principal almacenamiento intracelular.

Los canales de calcio pueden ser simultáneamente sensibles a cambios en las diferencias de potencial a través de la membrana citoplasmática y a la acción de ligandos. Por ejemplo, los canales de calcio dependientes de voltaje de tipo L son sensibles a la dihidropiridina (nifedipina), las fenilalquilaminas (verapamilo) y las benzotiazepinas (diltiazem). Este tipo de canal suele denominarse receptor de dihidropiridina. Este nombre sugiere que el canal de L-calcio está regulado por ligando, aunque en realidad es un canal regulado por voltaje.

Los canales tipo P son resistentes a la acción de conogoxinas y fármacos a los que son sensibles otros tipos de canales de calcio.

Las propiedades funcionales de las subunidades α1 de los canales de calcio dependientes de voltaje se pueden modular mediante su fosforilación y, por tanto, se puede regular el estado de permeabilidad iónica de los canales de calcio, por ejemplo, en el miocardio.

Un tipo especial de canales iónicos de calcio activados por ligando son los canales localizados en las membranas del retículo endoplasmático de las células del músculo liso, cuyo estado de permeabilidad está controlado por el nivel intracelular del mensajero secundario, IPG. Usando estos canales como ejemplo, nos encontramos con un caso en el que un agonista de la molécula de señalización extracelular, que activa el receptor de la membrana plasmática de la célula del músculo liso objetivo, activa la vía del inositol fosfato de transmisión de señales intracelulares, que a su vez, a través de la La acción del IPE activa la siguiente proteína formadora de canales en la membrana del orgánulo celular. Toda esta cadena de eventos de transmisión de señales termina con la liberación de iones Ca 2+ de las reservas intracelulares, que desencadenan y controlan el mecanismo molecular de la contracción de las células del músculo liso.

Canales de calcio mecanosensibles

Se localizan en la membrana plasmática de los miocitos lisos de las paredes de los vasos sanguíneos, la mioítis de los órganos internos, el endotelio vascular y el epitelio bronquial. Estos canales pueden estar asociados con mecanorreceptores de glicoproteínas. En respuesta al estrés mecánico (por ejemplo, el estiramiento de la pared del vaso debido a la presión sanguínea), aumenta la permeabilidad a los iones Ca 2+. Los canales mecanosensibles no tienen una alta selectividad y cambian su permeabilidad simultáneamente para varios cationes. La entrada de calcio y sodio en una célula del músculo liso provoca la despolarización de su membrana, la apertura de canales de calcio dependientes de voltaje, un aumento en la entrada de calcio y la contracción del miocito liso.

Estos eventos forman parte del mecanismo de adaptación del tono vascular y la regulación del flujo sanguíneo a los valores cambiantes de la presión arterial en el vaso y la velocidad del flujo sanguíneo (regulación miógena). Además, los canales de calcio mecanosensibles participan en la implementación de mecanismos de relajación del estrés vascular durante aumentos prolongados de la presión arterial.

canales de cloro

Los canales de cloruro están presentes en las membranas plasmáticas de la mayoría de las células. Desempeñan un papel importante en el mantenimiento de la diferencia de potencial transmembrana en una célula en reposo y sus cambios cuando cambia la actividad funcional de las células. Los canales de cloruro participan en la regulación del volumen celular, el transporte transepitelial de sustancias y la secreción de líquidos por las células secretoras.

De acuerdo con los mecanismos de activación, se distinguen tres superfamilias de canales de cloro: canales de cloro dependientes de voltaje, dependientes de ligando y otros canales de cloro insensibles al voltaje.

Canales de cloruro dependientes potenciales. Localizado en las membranas de células excitables y epiteliales. El estado de permeabilidad de estos canales está controlado por la magnitud de la diferencia de potencial transmembrana.

La permeabilidad potencial dependiente de los canales de cloruro varía en diferentes tejidos. Por lo tanto, en la membrana axonal, la dependencia de la permeabilidad de los canales de cloruro de la diferencia de potencial es insignificante y no afecta significativamente el cambio en la magnitud del potencial de acción durante la excitación, y en los músculos esqueléticos esta dependencia de la permeabilidad de los canales de cloruro. es más alto.

El canal CLC1 es un representante típico de los canales de cloruro de la fibra muscular sarcolemal del músculo esquelético. El canal muestra permeabilidad en todo el rango de cambios en el voltaje transmembrana en estado de reposo, se activa tras la despolarización y se inactiva tras la hiperpolarización de la membrana.

Canales de cloruro activados por ligando. Predominantemente expresado en tejido nervioso. El estado de permeabilidad de estos canales de cloruro está controlado principalmente por ligandos extracelulares, pero pueden ser sensibles a las concentraciones de calcio intracelular y activados por proteínas G y AMPc. Los canales de este tipo están ampliamente distribuidos en las membranas postsinápticas y se utilizan para llevar a cabo la inhibición postsináptica. El estado de permeabilidad de los canales se controla activando los canales con ligandos: neurotransmisores inhibidores (ácido γ-aminobutírico y glicina).

Canales de cloro insensibles al voltaje. Incluye canales pasivos de cloruro, canales sensibles a ATP y regulador de conductancia transmembrana de fibrosis intersticial. (císticofibrosistransmembranaconductanciaregulador- CFTR).

CFTR aparentemente consiste en el propio canal de cloruro y un canal regulador representado por un dominio regulador especial (dominio P). La regulación de la conductancia iónica de estos canales se lleva a cabo mediante la fosforilación del dominio regulador por la proteína quinasa dependiente de AMPc. La violación de la estructura y función de este canal conduce al desarrollo de una enfermedad grave acompañada de disfunción de muchos tejidos: la fibrosis intersticial.

Acuaporinas

Acuaporinas(del lat. agua- agua, griego poro- canal, poro) - proteínas que forman canales de agua y aseguran la transferencia de agua transmembrana. Las acuaporinas son proteínas de membrana tetraméricas integrales, cuyo monómero tiene una masa de aproximadamente 30 kDa. Así, cada acuaporina forma cuatro canales de agua (Fig. 8).

Una característica especial de estos canales es que las moléculas de agua que contienen pueden moverse en condiciones isosmóticas, es decir, cuando no se ven afectados por las fuerzas del gradiente osmótico. La abreviatura AQP se utiliza para referirse a las acuaporinas. Se han aislado y descrito varios tipos de acuaporinas: AQP1 - en las membranas epiteliales de los túbulos renales proximales, la rama descendente del asa de Henle; en las membranas del endotelio y miocitos lisos de los vasos sanguíneos, en las estructuras del cuerpo vítreo; AQP2 - en las membranas del epitelio de los conductos colectores. Se descubrió que esta acuaporina es sensible a la acción de la hormona antidiurética y, sobre esta base, puede considerarse como un canal de agua regulado por ligando. La expresión del gen que controla la síntesis de esta acuaporina está regulada por la hormona antidiurética; AQP3 se encuentra en las membranas de las células corneales; AQP4 - en las células cerebrales.

Arroz. 8. Estructura del canal de agua AQP1: a - cadenas peptídicas que forman el canal; b — canal ensamblado: A, B, C, D, E — secciones de la cadena proteica

Resultó que AQP1 y AQP4 desempeñan un papel importante en la formación y circulación del líquido cefalorraquídeo. Las acuaporinas se encuentran en el epitelio del tracto gastrointestinal: AQP4 - en el estómago y el intestino delgado; AQP5 - en las glándulas salivales; AQP6 - en el intestino delgado y el páncreas; AQP7 - en el intestino delgado; AQP8, AQP9 - en el hígado. Algunas acuaporinas transportan no solo moléculas de agua, sino también sustancias orgánicas solubles en ella (oxígeno, glicerol, urea). Por lo tanto, las acuaporinas desempeñan un papel importante en el metabolismo del agua en el cuerpo y la alteración de su función puede ser una de las razones de la formación de edema cerebral y pulmonar y del desarrollo de insuficiencia renal y cardíaca.

El conocimiento de los mecanismos de transporte de iones a través de las membranas y los métodos para influir en este transporte es una condición indispensable no sólo para comprender los mecanismos de regulación de las funciones vitales, sino también para la elección correcta de los fármacos en el tratamiento de una gran cantidad de enfermedades (hipertensión , asma bronquial, arritmias cardíacas, trastornos del intercambio agua-sal, etc.).

Para comprender los mecanismos de regulación de los procesos fisiológicos en el cuerpo, es necesario conocer no solo la estructura y permeabilidad de las membranas celulares de diversas sustancias, sino también la estructura y permeabilidad de formaciones estructurales más complejas ubicadas entre la sangre y los tejidos de diversos órganos.

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