Canais Iónicos Dependentes de Voltagem e Cinética de Comportamento

Os canais iónicos dependentes de voltagem são proteínas de membrana que abrem e fecham em resposta a alterações no potencial de membrana, fornecendo as condutâncias seletivas e variáveis no tempo que geram o potencial de ação. A sua cinética de comportamento, ou seja, a rapidez com que ativam, inativam e recuperam em função da voltagem, define a forma, o limiar e o tempo da sinalização neuronal.

Definition

Os canais iónicos dependentes de voltagem são proteínas de membrana seletivas a iões cuja probabilidade de abertura depende do potencial de membrana; a sua cinética de comportamento descreve as transições dependentes de voltagem e tempo entre estados fechado, aberto e inativado que produzem as correntes iónicas do potencial de ação.

Scope

Este tópico abrange os principais canais dependentes de voltagem do axónio, principalmente os canais de sódio e potássio, e a cinética do seu comportamento: ativação, inativação e desativação. Liga as condutâncias macroscópicas do modelo de Hodgkin-Huxley ao comportamento de canal único e à estrutura do canal, e trata isto como fisiologia de referência, em vez de orientação clínica.

Core questions

• Como é que a voltagem da membrana controla a abertura e o fecho de um canal dependente de voltagem?
• O que distingue a ativação, a inativação e a desativação, e como é que a sua cinética molda o potencial de ação?
• Como é que as condutâncias macroscópicas se relacionam com o comportamento de canais únicos?

Key concepts

• Ativação
• Inativação
• Desativação e recuperação
• Seletividade iónica
• Correntes de canal único
• Sensor de voltagem
• Condutância macroscópica vs. microscópica

Key theories

Esquema de comportamento de Hodgkin-Huxley

Uma descrição cinética em que a condutância do canal de sódio depende de comportas de ativação rápida e de inativação mais lenta, e a condutância do canal de potássio depende de comportas de ativação, cada uma representada por constantes de taxa dependentes de voltagem.

Mechanisms

Um canal dependente de voltagem contém elementos sensores de voltagem carregados que se movem dentro do campo da membrana quando o potencial se altera, desencadeando transições conformacionais que abrem ou fecham o poro. Os canais de sódio ativam rapidamente na despolarização e depois inativam em milissegundos, limitando o influxo de sódio; os canais de potássio ativam mais lentamente e não possuem inativação rápida, suportando a repolarização. Hodgkin e Huxley inferiram esta cinética a partir de correntes macroscópicas; a técnica posterior de patch-clamp de Neher e Sakmann resolveu as aberturas unitárias de canais únicos, confirmando que a condutância macroscópica reflete o comportamento probabilístico e somado de muitos canais. As estruturas cristalinas dos canais de potássio e sódio revelaram subsequentemente o filtro de seletividade e a arquitetura que subjaz à condução seletiva e dependente de voltagem.

Clinical relevance

Os canais dependentes de voltagem são alvos de anestésicos locais e de vários agentes antiepiléticos e antiarrítmicos, e alterações hereditárias nos seus genes modificam a excitabilidade. Esta entrada descreve a estrutura e o comportamento dos canais como fisiologia normal e não é um guia para a seleção de medicamentos ou tratamento individual.

Evidence & guidelines

A descrição cinética baseia-se em registos de voltage-clamp e de canal único, e a imagem estrutural em estudos cristalográficos de canais de potássio e sódio; estes são estudos mecanicistas e estruturais, não diretrizes clínicas.

History

A cinética do comportamento dos canais foi inicialmente inferida indiretamente a partir das correntes iónicas macroscópicas que Hodgkin e Huxley mediram em 1952. O desenvolvimento do patch clamp por Neher e Sakmann em 1976 tornou as correntes de canal único diretamente observáveis, e as estruturas de alta resolução dos canais de potássio (1998) e sódio (2011) ligaram posteriormente o comportamento e a seletividade à arquitetura molecular.

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• Erwin Neher
• Bert Sakmann
• Roderick MacKinnon
• William Catterall

Seminal works

• hodgkin-huxley-1952
• neher-sakmann-1976
• doyle-1998
• payandeh-2011

Frequently asked questions

O que significa dizer que um canal é dependente de voltagem?

A sua probabilidade de estar aberto depende do potencial de membrana: sensores de voltagem carregados na proteína movem-se quando a voltagem muda, impulsionando o canal entre os estados fechado, aberto e inativado.

Qual é a diferença entre inativação e desativação?

A inativação é um estado separado e não condutor em que um canal entra enquanto ainda está despolarizado (como nos canais de sódio), enquanto a desativação é o simples fecho da comporta de ativação quando a membrana repolariza.