Ионные каналы представляют собой белки, образующие поры в мембране, пассивно регулирующие поток ионов через мембрану по их электрохимическому градиенту. Ионные каналы присутствуют на всех клеточных мембранах (плазматическая мембрана) и внутриклеточных органоидах (ядро, митохондрия, эндоплазматический ретикулум).
В живой клетке существует более 300 типов ионных каналов. Они не рассеяны по мембране клетки беспорядочно, а преимущественно сконцентрированы в области вставочных дисков вместе с модуляторными субъединицами.
Ионные каналы имеют две важные характеристики: ионная селективность и кинетика стробирования. Они классифицируются в зависимости от проницаемости для ионов натрия (Na+), калия (К+), кальция (Са2+) и хлора (Cl-).
Некоторые каналы имеют низкую селективность или вовсе неселективны, как, например, каналы щелевых контактов. Важными детерминантами селективности является размер, валентность и энергия гидратации. Соотношение селективности Na+ и К+ в Na+-каналах 12:1.
Потенциал-зависимые К+-каналы и Na+ -каналы демонстрируют более чем 10-кратную разницу в селективности в сравнении с другими одновалентными и двухвалентными катионами. Потенциал-зависимые Са2+-каналы проявляют 1000-кратную разницу в селективности по отношению к Na+ и К+, а также непроницаемы для анионов. Скорость ионного тока через пору канала очень высока (более 106 ион/сек).
Стробирование (гейтинг) — это механизм открытия и закрытия ионных каналов. Оно представляет собой зависящие от времени переходы между различными конформационными состояниями канального белка в результате движения молекул.
Чаще всего перестройка кнального белка происходит в ответ на изменение градиента напряжения плазматической мембраны (потенциал-зависимое стробирование), реже в ответ на действие специфического лиганда — молекулы, способной связываться с внеклеточной и внутриклеточной частью канала (лиганд-зависимое стробирование) или в ответ на механическое раздражение: растяжение, давление, сдвиг или перемещение (механочувствительное стробирование).
Важно отметить, что открытие и закрытие канала не происходит мгновенно. Это занимает некоторое время. Переход из закрытого состояния (покоя) в открытое называется активацией. После открытия каналы не остаются в таком состоянии надолго, а претерпевают зависящий от времени переход из одного конформационного состояния в другое, стабильное и непроводящее состояние (инактивированное).
Инактивированные каналы не способны сразу повторно открыться. Они должны пройти процесс восстановления или реактивации обратно в состояние покоя, чтобы восстановить способность открыться вновь. Кривые инактивации различных типов потенциал-зависимых ионных каналов отличаются по наклону и средней точке инактивации и могут перекрываться. В этом случае наблюдается протекание стационарного или инактивирующего тока
Ионные каналы различаются по количеству субъединиц, из которых они состоят, а также по другим особенностям строения. Многие ионные каналы функционируют как часть макромолекулярных комплексов со множеством компонентов, которые сконцентрированы в определенных частях мембраны. Для большинства ионных каналов порообразующую субъединицу называют α-субъединицей, тогда как вспомогательные субъединицы — β-субъединицей, γ-субъединицей и т.д.
Большинство ионных каналов имеют одну пору, однако есть и те, которые имеют две.
Важно отметить, что хотя продолжительность жизни кардиомиоцита в среднем соответствует продолжительности человеческой жизни, период полураспада ионных каналов на их мембране равен временному диапазону в несколько часов.
Жизнедеятельность ионных каналов сердца включает множество процессов: транскрипцию ДНК, трансляцию, модификацию белков, олигомеризацию белков, перемещение ионных каналов к специфическим субдоменам клеточной мембраны (процесс, известный как антеградное перемещение ионных каналов), и наконец поглощение (интернализация) с деградацией или переработкой (т.е. ретроградное перемещение).
Благодаря быстрым изменениям состояния каналов внутриклеточное антеградное перемещение ионных каналов играет ключевую роль в контроле плотности тока конкретных каналов, что делает ионные каналы мишенью для терапевтического манипулирования их функциями при лечении заболеваний сердца.
Дополнительно, генетические каналопатии могут быть результатом не только мутаций, влияющих на структуру и функцию каналов, но и мутаций, приводящих к нарушению любого из молекулярных процессов, участвующих в процессе перемещения ионных каналов.
