Los canales iónicos activados por luz son una familia de canales iónicos regulados por radiación electromagnética . Otros mecanismos de activación para canales iónicos incluyen canales iónicos activados por voltaje , canales iónicos activados por ligando , canales iónicos mecanosensibles y 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 la 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. Estas proteínas transmembrana forman poros a través de 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 expone 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 con una molécula más pequeña que actúa como fotointerruptor , mediante el cual los fotones se unen a la molécula interruptora, para luego alterar la conformación de las proteínas, de modo que el poro cambia de de un estado cerrado a un estado abierto, o viceversa, aumentando o disminuyendo así la conductancia iónica. La retina es un buen ejemplo de fotointerruptor molecular y se encuentra en las canalrodopsinas naturales. [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 excluyó los cationes en favor de los aniones . [5]
Otros tipos de canales iónicos activados, activados por ligando y activados por voltaje , se han sintetizado con un componente activado por luz en un intento de comprender mejor su naturaleza y propiedades. Mediante la adición de una sección con compuerta luminosa, se pueden estudiar en profundidad la cinética y los mecanismos de funcionamiento. Por ejemplo, la adición de un componente activado por luz permite la introducción de muchos ligandos muy similares en el sitio de unión de un canal iónico activado por ligando para ayudar en la determinación del mecanismo.
Dichos canales iónicos se han modificado uniendo un fotointerruptor para conferir fotosensibilidad al canal iónico. Esto se hace mediante la selección cuidadosa de una correa que puede alargarse o acortarse mediante fotoisomerización . Un lado de la atadura está unido a la proteína del canal iónico y el otro extremo de la atadura está unido a un grupo bloqueador, que tiene una alta afinidad de unión por una porción expuesta del poro. Cuando se alarga la correa, permite que la sección de bloqueo se una al poro y evite la corriente iónica. Cuando se acorta la atadura, se rompe esta obstrucción y se abre el poro. Los estudios cinéticos han demostrado que de esta manera se puede lograr un fino control temporal y espacial. [6] [7]
El azobenceno es una opción común para la porción funcional de una atadura para canales iónicos activados 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 a su isómero cis en λ=380 nm. [6]
En 1980, el primer canal iónico adaptado para su estudio con un mecanismo activado por luz fue el receptor nicotínico de acetilcolina . [8] Este receptor era bien conocido en ese momento, por lo que se adaptaba perfectamente a la adaptación y permitió un estudio de la cinética como no se había permitido antes.
La expresión de canales iónicos activados por luz en un tipo de célula 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 porque proporcionan cambios de potencial de membrana reversibles y no invasivos con un fino control temporal y espacial otorgado por inducción a través de estímulos láser . [3] [6] Estimulan de manera confiable potenciales de acción únicos con despolarización rápida y se pueden utilizar 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]
Se producen ejemplos de canales iónicos activados por luz tanto en entornos naturales como sintéticos. Éstas incluyen: