Canales iónicos: qué son, tipos. y cómo funcionan en las células

Los canales iónicos son complejos proteicos, localizados en las membranas celulares, que regulan procesos vitales como los latidos del corazón o la transmisión de señales entre neuronas.

En este artículo vamos a explicar en qué consisten, cuál es su función y estructura, qué clases de canales iónicos existen y su relación con diversas enfermedades.

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¿Qué es un canal iónico?

Entendemos por canales iónicos complejos proteicos llenos de poros acuosos, los cuales dejan pasar a los iones, haciendo que fluyan de un lado a otro de la membrana celular. Estos canales están presentes en todas las células, de las cuales son un componente esencial.

Cada célula está rodeada de una membrana que la separa del ambiente exterior. Su estructura de bicapa lipídica no es fácilmente permeable a moléculas polares como los aminoácidos o los iones. Por eso, es necesario transportar estas sustancias hacia dentro y hacia afuera de la célula mediante proteínas de membrana como bombas, transportadores y canales iónicos.

Los canales están formados por una o varias proteínas distintas llamadas subunidades (alfa, beta, gamma, etc.). Cuando varias de ellas se juntan, creanuna estructura circular en cuyo centro hay un agujero o poro, el cual permite el paso de los iones.

Una de las particularidades de estos canales es su selectividad; es decir, ellos determinan que pasen algunos iones inorgánicos y no otros, en función del diámetro y la distribución de sus aminoácidos.

La apertura y el cierre de los canales iónicos está regulado por diversos factores; un estímulo específico o sensor es el que determina que fluctúen de un estado a otro mediante la alteración de su composición.

Veamos ahora qué funciones cumplen y cuál es su estructura.

Funciones y estructura

Detrás de procesos celulares esenciales, como la secreción de neurotransmisores o la transmisión de señales eléctricas, están los canales iónicos, que confieren capacidades eléctricas y excitables a las células. Y cuando fallan, se pueden producir numerosas patologías (de las que hablaremos más adelante).

La estructura de los canales iónicos se da en forma de proteínas transmembranales y actúan como un sistema de compuertas para regular el paso de iones (potasio, sodio, calcio, cloro, etc.) a través de poros.

Hasta hace pocos años se pensaba que los poros y el sensor de voltaje estaban acoplados a través de un enlazador o “linker” (una espiral de unos 15 aminoácidos), que se puede accionar con el movimiento del sensor de voltaje. Este mecanismo de acoplamiento entre las dos partes del canal iónico es el mecanismo canónico que se ha teorizado desde siempre.

Sin embargo, recientemente, nuevas investigaciones han desvelado otra vía que involucra a un segmento de aminoácidos constituido por parte del sensor de voltaje y parte del poro. Estos dos segmentos se ajustarían como una especie de cremallera para desencadenar la apertura o el cierre del canal. A su vez, este nuevo mecanismo podría explicar descubrimientos recientes, en los que se han detectado algunos canales iónicos regulados por voltaje (algunos encargados de funciones como el latido del corazón) con apenas un enlazador.

Los canales iónicos regulados por voltaje son solamente uno de los tipos de canales existentes, pero hay más: veamos a continuación cuáles son.

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Tipos de canales iónicos

Los mecanismos para la activación de los canales iónicos pueden ser de varios tipos: por ligando, por voltaje o por estímulos mecanosensibles.

1. Canales iónicos regulados por ligando

Estos canales iónicos se abren en respuesta a la unión de determinadas moléculas y neurotransmisores. Este mecanismo de apertura se debe a la interacción de una sustancia química (que puede ser una hormona, un péptido o un neurotransmisor) con una parte del canal llamado receptor, que genera un cambio en la energía libre y modifica la conformación de la proteína abriendo el canal.

El receptor de la acetilcolina (un neurotransmisor implicado en la transmisión de señales entre nervios motores y músculos) de tipo nicotínico, es uno de los canales iónicos regulados por ligando más estudiados. Está compuesto de 5 subunidades de 20 aminoácidos y está involucrado en funciones básicas como el control voluntario del movimiento, la memoria, la atención, el sueño, la alerta o la ansiedad.

2. Canales iónicos regulados por voltaje

Este tipo de canales se abren en respuesta a cambios en el potencial eléctrico a través de la membrana plasmática. Los canales iónicos regulados por voltaje intervienen en la transmisión de impulsos eléctricos, generando potenciales de acción debido a los cambios en la diferencia de cargas eléctricas en ambos lados de la membrana.

El flujo de iones se lleva a cabo en dos procesos: por activación, un proceso dependiente de voltaje: el canal se abre como respuesta a los cambios en el potencial de membrana (diferencia de potencial eléctrico a ambos lados de la membrana); y la inactivación, un proceso que regula el cierre del canal.

La principal función de los canales iónicos regulados por voltaje es la generación de potenciales de acción y su propagación. Existen varios tipos y los principales son:

2.1. Canal de Na+

Son proteínas de transmembrana que permiten el paso de iones de sodio a través de la célula. El transporte de iones es pasivo y solo depende del potencial electroquímico del ion (no requiere energía en forma de molécula de ATP). En neuronas, los canales de sodio son los responsables de la fase ascendente del potencial de acción (la despolarización).

2.2. Canal de K+

Estos canales iónicos constituyen el grupo más heterogéneo de proteínas estructurales de membrana. En las neuronas, la despolarización activa los canales de K+ y facilita la salida de K+ de la célula nerviosa, lo que conduce a una repolarización del potencial de membrana.

2.3. Canal de Ca++

Los iones de calcio promueven la fusión de la membrana de la vesícula sináptica (estructuras ubicadas en el extremo del axón neuronal y encargadas de secretar neurotransmisores) con la membrana terminal del axón en la neurona, estimulando la liberación de acetilcolina a la hendidura sináptica por un mecanismo de exocitosis.

2.4. Canal de Cl-

Este tipo de canales iónicos se encargan de regular la excitabilidad celular, el transporte entre células, así como la gestión del PH y del volumen celular. Los canales localizados en la membrana estabilizan el potencial de membrana en las células excitables. Son asimismo responsables de del transporte entre células de agua y electrolitos.

3. Canales iónicos regulados por estímulos mecanosensibles

Estos canales iónicos se abren en respuesta a acciones de tipo mecánico. Se pueden encontrar, por ejemplo, en los corpúsculos de Paccini (receptores sensoriales de la piel que responden a vibraciones rápidas y a presión mecánica profunda), los cuales se abren por el estiramiento de la membrana celular mediante la aplicación de tensión y/o presión.

Canalopatías: patologías asociadas a estas moléculas

Desde un punto de vista fisiológico, los canales iónicos son fundamentales para el equilibrio homeostático de nuestro organismo. Su disfunción ocasiona origina toda una serie de enfermedades, conocidas como canalopatías. Éstas pueden producirse por dos tipos de mecanismos: las alteraciones genéticas y las enfermedades autoinmunes.

Dentro de las alteraciones genéticas, se encuentran las mutaciones que se presentan en la región codificante del gen para un canal iónico. Es habitual que estas mutaciones produzcan cadenas polipeptídicas que no son procesadas correctamente y no se incorporan a la membrana plasmática; o bien, al acoplarse las subunidades y formar los canales, éstos no son funcionales.

Otra posibilidad frecuente es que, aún siendo canales funcionales, terminen por mostrar una cinética alterada. Sea como fuere el caso, suelen llevar a la ganancia o pérdida de la función del canal.

También se pueden presentar mutaciones en la región promotora del gen que codifica para un canal iónico. Esto puede causar subexpresión o sobreexpresión de la proteína, produciéndose cambios en el número de canales, lo que provocaría igualmente un aumento o una disminución de su funcionalidad.

En la actualidad, se conocen múltiples patologías asociadas a canales iónicos en distintos tejidos. A nivel musculoesquelético, las mutaciones en los canales de Na+ , K+ , Ca++ y Cl- activados por voltaje y en el canal de acetilcolina llevan a desórdenes como las parálisis hiper e hipocaliémica, miotonías, hipertermia maligna y miastenia.

A nivel neuronal, se ha propuesto que las alteraciones en los canales de Na+ activados por voltaje, los canales de K+ y Ca++ activados por voltaje, el canal activado por acetilcolina o el activado por glicina, podrían explicar trastornos como la epilepsia, la ataxia episódica, la migraña hemipléjica familiar, el síndrome de Lambert-Eaton, la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson y la esquizofrenia.

Referencias bibliográficas:

• J. T. Menéndez, “Los poros y los canales iónicos regulan la actividad celular,” in Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, p. 23.
• Ana I. Fernández-Mariño, Tyler J. Harpole, Kevin Oelstrom, Lucie Delemotte and Baron Chanda. “Gating interaction maps reveal a noncanonical electromechanical coupling mode in the Shaker K+ channel”. Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, abril de 2018.
• G. Eisenman y J.A. Dani. Annu (1987). An introduction to molecular architecture and permeability of ion channels. Rev. Biophys. Biophys. Chem, 16. pp. 205-226.
• Aidley, D. J. (1989) The physiology of excitable cells. Cambridge University Press.