Los canales iónicos activados por luz son una familia de canales iónicos regulados por radiación electromagnética . Otros mecanismos de activación de los canales iónicos incluyen los canales iónicos activados por voltaje , los canales iónicos activados por ligando , los canales iónicos mecanosensibles y los canales iónicos activados por temperatura. La mayoría de los canales iónicos activados por luz se han sintetizado en el laboratorio para su estudio, aunque actualmente se conocen dos ejemplos naturales, la canalrodopsina y la canalrodopsina conductora de aniones . [1] [2] Las proteínas fotorreceptoras , que actúan de manera similar a los canales iónicos activados por luz, generalmente se clasifican como receptores acoplados a proteína G.
Los canales iónicos activados por luz funcionan de manera similar a otros canales iónicos activados por luz. Dichas proteínas transmembrana forman poros a través de las bicapas lipídicas para facilitar el paso de iones . Estos iones se mueven de un lado de la membrana a otro bajo la influencia de un gradiente electroquímico . Cuando se exponen a un estímulo, se produce un cambio conformacional en la región transmembrana de la proteína para abrir o cerrar el canal iónico. En el caso específico de los canales iónicos activados por luz, las proteínas transmembrana suelen estar acopladas a una molécula más pequeña que actúa como un fotoswitch , por el cual los fotones se unen a la molécula de conmutación, para luego alterar la conformación de las proteínas, de modo que el poro cambia de un estado cerrado a un estado abierto, o viceversa, aumentando o disminuyendo así la conductancia iónica. El retinal es un buen ejemplo de un fotoswitch molecular y se encuentra en las canalrodopsinas de origen natural. [3] [4]
Una vez identificada y caracterizada la canalrosopsina, se modificó la selectividad iónica del canal para controlar el potencial de membrana mediante control optogenético . Las mutaciones dirigidas del canal cambiaron las cargas que recubren el poro, lo que dio como resultado un poro que excluía los cationes en favor de los aniones . [5]
Se han sintetizado otros tipos de canales iónicos controlados por ligando y controlados por voltaje , con un componente controlado por luz, en un intento de comprender mejor su naturaleza y propiedades. Mediante la adición de una sección controlada por luz, se pueden estudiar en profundidad la cinética y los mecanismos de funcionamiento. Por ejemplo, la adición de un componente controlado por luz permite la introducción de muchos ligandos muy similares en el sitio de unión de un canal iónico controlado por ligando para ayudar a determinar el mecanismo.
Estos canales iónicos se han modificado mediante la unión de un fotointerruptor para conferirle fotosensibilidad. Esto se hace mediante una cuidadosa selección de un anclaje que puede alargarse o acortarse mediante fotoisomerización . Un lado del anclaje está unido a la proteína del canal iónico y el otro extremo del anclaje está unido a un grupo de bloqueo, que tiene una alta afinidad de unión por una porción expuesta del poro. Cuando el anclaje se alarga, permite que la sección de bloqueo se una al poro y evite la corriente iónica. Cuando el anclaje se acorta, interrumpe esta obstrucción y abre el poro. Los estudios cinéticos han demostrado que se puede lograr un control temporal y espacial preciso de esta manera. [6] [7]
El azobenceno es una opción común para la porción funcional de un enlace para canales iónicos controlados por luz desarrollados sintéticamente debido a su cambio de longitud bien documentado como isómeros cis o trans , así como a la longitud de onda de excitación necesaria para inducir la fotoisomerización. El azobenceno se convierte en su isómero trans más largo a una longitud de onda de λ = 500 nm y en su isómero cis a λ = 380 nm. [6]
En 1980, el primer canal iónico que se adaptó para su estudio con un mecanismo controlado por luz fue el receptor nicotínico de acetilcolina . [8] Este receptor era bien conocido en ese momento, por lo que era muy adecuado para la adaptación y permitió un estudio de la cinética que antes no se había permitido.
La expresión de canales iónicos controlados por luz en un tipo celular específico a través del control del promotor permite la regulación del potencial celular ya sea despolarizando la membrana a 0 mV para la canalrodopsina permeable a cationes o manteniendo el voltaje a -67 mV para la canalrodopsina conductora de aniones. [9] La despolarización puede conducir una corriente en el rango de 5 fA por canal y ocurre en la escala de tiempo de los potenciales de acción y la exocitosis de neurotransmisores . [10] [4] Tienen una ventaja sobre otros tipos de regulación de canales iónicos en que proporcionan cambios de potencial de membrana no invasivos y reversibles con un control temporal y espacial fino otorgado por inducción a través de estímulos láser . [3] [6] Estimulan de manera confiable potenciales de acción individuales con despolarización rápida y pueden utilizarse in vivo porque no requieren iluminación de alta intensidad para mantener la función, a diferencia de otras técnicas como bombas de protones activadas por luz y sondas fotoactivables . [5] [10]
Existen ejemplos de canales iónicos activados por luz tanto en entornos naturales como sintéticos. Entre ellos se incluyen: