Sodíkové kanály jsou integrální membránové proteiny, které tvoří iontové kanály a vedou sodíkové ionty (Na+) přes plazmatickou membránu buňky. Lze je klasifikovat podle spouštěcího mechanismu, který kanál těmto iontům otevře, tj. buď změna napětí (napěťově řízené sodíkové kanály), nebo vazba látky (ligandu) na kanál (ligandem řízené sodíkové kanály).
V excitačních buňkách, jako jsou neurony a myocyty, jsou sodíkové kanály zodpovědné za vzestupnou fázi akčních potenciálů.
Schéma α-podjednotky sodíkového kanálu citlivého na napětí. G – glykosylace, P – fosforylace, S – iontová selektivita, I – inaktivace, kladné (+) náboje v S4 jsou důležité pro transmembránové snímání napětí.
Sodíkové kanály lze často izolovat z buněk jako komplex dvou typů proteinových podjednotek, α a β. Podjednotka α tvoří jádro kanálu. Pokud je v buňce exprimována proteinová podjednotka α, je schopna vytvářet kanály, které vedou Na+ napěťově řízeným způsobem, i když podjednotky β nejsou exprimovány. Když se podjednotky β spojí s podjednotkami α, může výsledný komplex vykazovat změněnou závislost na napětí a buněčnou lokalizaci.
Podjednotka α má čtyři opakující se domény, označené I až IV, z nichž každá obsahuje šest membránových oblastí, označených S1 až S6. Vysoce konzervovaná oblast S4 funguje jako napěťový senzor kanálu. Napěťová citlivost tohoto kanálu je způsobena pozitivními aminokyselinami umístěnými na každé třetí pozici. Při stimulaci změnou transmembránového napětí se tato oblast posune směrem k extracelulární straně buněčné membrány, čímž se kanál stane propustným pro ionty. Ionty jsou vedeny pórem, který lze rozdělit na dvě oblasti. Vnější (tj. extracelulární) část póru je tvořena „smyčkami P“ (oblast mezi S5 a S6) čtyř domén. Tato oblast je nejužší částí póru a je zodpovědná za jeho iontovou selektivitu. Vnitřní část (tj. více cytoplazmatická) póru je tvořena kombinovanými oblastmi S5 a S6 čtyř domén. Pro funkci kanálu je důležitá také oblast spojující domény III a IV. Tato oblast po delší aktivaci kanál ucpe, čímž jej inaktivuje.
Časové chování sodíkových kanálů lze popsat markovským schématem nebo formalismem Hodgkinova-Huxleyho typu. V prvním schématu každý kanál zaujímá samostatný stav s diferenciálními rovnicemi popisujícími přechody mezi stavy; v druhém schématu se s kanály zachází jako s populací, která je ovlivňována třemi nezávislými hradlovacími proměnnými. Každá z těchto proměnných může nabývat hodnot mezi 1 (plně propustný pro ionty) a 0 (plně nepropustný), přičemž součin těchto proměnných dává procento vodivých kanálů.
Nepropustnost pro jiné ionty
Póry sodíkových kanálů obsahují selektivní filtr tvořený záporně nabitými zbytky aminokyselin, které přitahují kladné ionty Na+ a zadržují záporně nabité ionty, například chloridy. Kationty proudí do zúžené části póru o šířce 0,3 x 0,5 nm, která je právě tak velká, aby umožnila průchod jedinému iontu Na+ s přidruženou molekulou vody. Větší ion K+ se do této oblasti nevejde. Různě velké ionty také nemohou stejně dobře interagovat se záporně nabitými zbytky kyseliny glutamové, které lemují pór.
Napětím řízené sodíkové kanály se obvykle skládají z podjednotky alfa, která tvoří pór pro vedení iontů, a jedné až dvou podjednotek beta, které mají několik funkcí včetně modulace bránění kanálu. K vytvoření funkčního kanálu stačí exprese samotné podjednotky alfa.
Obrázek 1. Pravděpodobný evoluční vztah devíti známých lidských sodíkových kanálů.
Rodina sodíkových kanálů má devět známých členů s aminokyselinovou identitou > 50 % v transmembránové a extracelulární smyčce. V současné době se používá standardizovaná nomenklatura sodíkových kanálů, kterou udržuje IUPHAR.
Proteiny těchto kanálů se nazývají Nav1.1 až Nav1.9. Názvy genů jsou označovány jako SCN1A až SCN11A (gen SCN6/7A je součástí podrodiny Nax a jeho funkce je nejistá). Pravděpodobný evoluční vztah mezi těmito kanály na základě podobnosti jejich aminokyselinových sekvencí je znázorněn na obrázku 1. Jednotlivé sodíkové kanály se liší nejen rozdíly v sekvenci, ale také kinetikou a expresními profily. Některé z těchto údajů jsou shrnuty v tabulce 1 níže.
Podjednotky beta sodíkového kanálu kromě regulace hradla kanálu také modulují jeho expresi a vytvářejí vazby na intracelulární cytoskelet a extracelulární matrix.
Ligandem řízené sodíkové kanály jsou aktivovány vazbou ligandu namísto změny membránového potenciálu.
Nacházejí se např. v nervosvalovém spojení jako nikotinové receptory, kde jsou ligandy molekuly acetylcholinu.
Napětím řízené sodíkové kanály hrají důležitou roli v akčních potenciálech. Pokud se při změně membránového potenciálu buňky otevře dostatečné množství kanálů, přesune se do buňky po elektrochemickém gradientu malé, ale významné množství iontů Na+ a buňka se dále depolarizuje. Čím více Na+ kanálů je tedy lokalizováno v určité oblasti buněčné membrány, tím rychleji se bude akční potenciál šířit a tím více bude tato oblast buňky excitovaná. To je příklad smyčky pozitivní zpětné vazby. Schopnost těchto kanálů přejít do uzavřeného neaktivovaného stavu způsobuje refrakterní periodu a je rozhodující pro šíření akčních potenciálů po axonu.
Na+ kanály se otevírají a zavírají rychleji než K+ kanály, což způsobuje příliv kladného náboje (Na+) na začátku akčního potenciálu a odliv (K+) na jeho konci.
Naproti tomu ligandem řízené sodíkové kanály vytvářejí změnu membránového potenciálu v první řadě jako odpověď na vazbu ligandu.
Následující přirozeně produkované látky blokují sodíkové kanály tím, že se vážou na extracelulární póry kanálu a uzavírají je:
Léky, které blokují sodíkové kanály blokováním z intracelulární strany kanálu:
Následující přírodní látky trvale aktivují (otevírají) sodíkové kanály:
Následující toxiny mění hradlo sodíkových kanálů: