Ионные каналы представляют собой специализированные белковые комплексы, встроенные в липидный бислой клеточных мембран, обеспечивающие селективный транспорт ионов неорганических электролитов (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻ и др.) через мембрану. Эти структуры функционируют как нанометровые поры, конфигурация которых контролируется физико-химическими и электростатическими взаимодействиями внутри белка и с липидным окружением.
Белковые субъединицы, формирующие канал, организованы в цилиндрическую или коническую структуру, в которой гидрофильные аминокислотные остатки выстилают внутреннюю часть поры, а гидрофобные — взаимодействуют с липидным бислоем. Диаметр и геометрия канала определяют селективность и скорость проводимости. У многих каналов существуют специализированные области — фильтры селективности, которые формируют энергетический барьер, пропускающий только определённый тип ионов.
Ионные каналы различаются по способу управления открытием и закрытием поры (гейтинг):
Проводимость ионного канала описывается законом Ома в нанометровом масштабе, где сопротивление формируется не только геометрией поры, но и электростатическим взаимодействием ионов с аминокислотными остатками. Важным параметром является проницаемость P, определяемая уравнениями Гольдмана–Ходжкина–Кац, учитывающими концентрационные и электрические градиенты:
$$ I_i = P_i z_i^2 F^2 \frac{V_m - E_i}{RT} \cdot \frac{[C_i]_{in} - [C_i]_{out} \cdot e^{-z_i F V_m / RT}}{1 - e^{-z_i F V_m / RT}} $$
где Ii — ток иона, Vm — мембранный потенциал, Ei — равновесный потенциал иона по уравнению Нернста, zi — заряд иона, F — постоянная Фарадея, R — газовая постоянная, T — температура.
Скорость переноса ионов определяется энергетическим барьером, который может снижаться за счёт дегидратации ионов в селективном фильтре. Процесс сопровождается перераспределением зарядов в белковой матрице и поляризацией воды в поре.
Селективность обеспечивается комбинацией следующих факторов:
Примером является K⁺-селективный канал, фильтр которого стабилизирует обезвоженный калий, но создаёт слишком большой энергетический барьер для Na⁺.
Открытие и закрытие каналов описывается кинетическими моделями, аналогичными переходам между дискретными состояниями в статистической физике. Наиболее известна модель Ходжкина–Хаксли, в которой вероятность нахождения канала в открытом состоянии описывается системой дифференциальных уравнений первого порядка:
$$ \frac{dm}{dt} = \alpha_m (1-m) - \beta_m m $$
где m — переменная активации, αm и βm — скорости переходов между состояниями.
Энергия, необходимая для перехода канала из закрытого состояния в открытое, зависит от изменения конформации белка, взаимодействия с липидами и распределения мембранного потенциала.
На уровне отдельных каналов ток носит стоахастический характер: открытие и закрытие происходит случайно, но с вероятностями, зависящими от внешних условий. Это порождает шум ионных каналов, который можно анализировать методами спектральной плотности мощности.
При записи методом patch-clamp видно, что ток изменяется скачкообразно, соответствуя переключению между квантованными уровнями проводимости.
Белки каналов влияют на локальные свойства липидного бислоя: упругость, толщину, поверхностное натяжение. Липиды, в свою очередь, модулируют конфигурацию каналов, что особенно важно для механочувствительных систем. На границе липид-белок формируется анизотропное распределение давления, влияющее на стабилизацию открытого или закрытого состояния.
В мембране ионные каналы могут образовывать функциональные кластеры, где открытие одного канала повышает вероятность открытия соседних за счёт изменения локального потенциала и ионного состава. Это явление имеет аналогии с системами с сильной корреляцией частиц в физике конденсированного состояния.