Canal de sodio

canales de sodio son proteínas integrales de membrana que forman canales iónicos y conducen iones de sodio (Na⁺) a través de la membrana celular. Pertenecen a la superfamilia de canales catiónicos.

Clasificación

Se clasifican en 2 tipos:

Función

En las células excitables como las neuronas, los miocitos y ciertos tipos de glía, los canales de sodio son responsables de la fase ascendente de los potenciales de acción. Estos canales pasan por tres estados diferentes llamados estados de reposo, activo e inactivo. Aunque los estados de reposo e inactivo no permitirían que los iones fluyan a través de los canales, existe una diferencia con respecto a su conformación estructural.

Selectividad

Los canales de sodio son altamente selectivos para el transporte de iones a través de las membranas celulares. La alta selectividad con respecto al ion sodio se logra de muchas maneras diferentes. Todos implican la encapsulación del ion sodio en una cavidad de tamaño específico dentro de una molécula más grande.

Canales de sodio dependientes de voltaje

Estructura

Los canales de sodio constan de grandes subunidades alfa que se asocian con proteínas accesorias, como las subunidades beta. Una subunidad alfa forma el núcleo del canal y es funcional por sí sola. Cuando una célula expresa la proteína de la subunidad alfa, es capaz de formar un poro en la membrana celular que conduce Na⁺ de forma dependiente del voltaje, incluso si se utilizan subunidades beta u otras proteínas moduladoras conocidas. no expresado. Cuando las proteínas accesorias se ensamblan con subunidades α, el complejo resultante puede mostrar una dependencia del voltaje y una localización celular alteradas.

La subunidad alfa consta de cuatro dominios repetidos, etiquetados del I al IV, cada uno de los cuales contiene seis segmentos que atraviesan la membrana, etiquetados del S1 al S6. El segmento S4 altamente conservado actúa como sensor de voltaje del canal. La sensibilidad al voltaje de este canal se debe a los aminoácidos positivos ubicados en cada tercera posición. Cuando es estimulado por un cambio en el voltaje transmembrana, este segmento se mueve hacia el lado extracelular de la membrana celular, permitiendo que el canal se vuelva permeable a los iones. Los iones son conducidos a través de la cavidad porosa central, que consta de dos regiones principales. La porción más externa (es decir, más extracelular) del poro está formada por los "bucles P" (la región entre S5 y S6) de los cuatro dominios. Esta región es la parte más estrecha del poro y es responsable de su selectividad iónica. La porción interna (es decir, más citoplásmica) del poro es la puerta del poro y está formada por los segmentos S5 y S6 combinados de los cuatro dominios. El dominio de los poros también presenta túneles laterales o fenestraciones que corren perpendiculares al eje del poro. Se propone que estas fenestraciones que conectan la cavidad central con la membrana son importantes para la accesibilidad a los medicamentos.

En los canales de sodio de los mamíferos, la región que une los dominios III y IV también es importante para la función del canal. Este enlazador DIII-IV es responsable de cerrar la puerta del poro después de la apertura del canal, inactivándolo.

Puerta

Na⁺ dependientes de voltaje tienen tres estados conformacionales principales: cerrado, abierto e inactivado. Las transiciones hacia adelante/atrás entre estos estados se denominan correspondientemente activación/desactivación (entre abierto y cerrado, respectivamente), inactivación/reactivación (entre inactivado y abierto, respectivamente) y recuperación de la inactivación/inactivación del estado cerrado (entre inactivado y cerrado). , respectivamente). Los estados cerrado e inactivado son impermeables a los iones.

Antes de que se produzca un potencial de acción, la membrana axonal se encuentra en su potencial de reposo normal, aproximadamente −70 mV en la mayoría de las neuronas humanas, y los canales de Na⁺ están en su estado desactivado, bloqueados en el lado extracelular. por sus puertas de activación. En respuesta a un aumento del potencial de membrana a aproximadamente −55 mV (en este caso, causado por un potencial de acción), las puertas de activación se abren, permitiendo que los iones Na+ cargados positivamente fluyan hacia la neurona a través de los canales y provoca que el voltaje a través de la membrana neuronal aumente a +30 mV en las neuronas humanas. Debido a que el voltaje a través de la membrana es inicialmente negativo, a medida que su voltaje aumenta hasta y más allá de cero (desde −70 mV en reposo hasta un máximo de +30 mV), es Se dice que se despolariza. Este aumento de voltaje constituye la fase ascendente de un potencial de acción.

En el pico del potencial de acción, cuando ha entrado suficiente Na⁺ en la neurona y el potencial de membrana se ha vuelto lo suficientemente alto, los canales de Na⁺ se inactivan cerrando sus puertas de inactivación. La puerta de inactivación puede considerarse como un "enchufe" atado a los dominios III y IV de la subunidad alfa intracelular del canal. El cierre de la puerta de inactivación hace que se detenga el flujo de Na⁺ a través del canal, lo que a su vez hace que el potencial de membrana deje de aumentar. El cierre de la puerta de inactivación crea un período refractario dentro de cada canal de Na⁺ individual. Este período refractario elimina la posibilidad de que un potencial de acción se mueva en la dirección opuesta hacia el soma. Con su puerta de inactivación cerrada, se dice que el canal está inactivo. Cuando el canal de Na⁺ ya no contribuye al potencial de membrana, el potencial disminuye hasta su potencial de reposo a medida que la neurona se repolariza y posteriormente se hiperpolariza, y esto constituye la fase descendente de un potencial de acción. Por tanto, el período refractario de cada canal es vital para propagar el potencial de acción unidireccionalmente a lo largo de un axón para una comunicación adecuada entre las neuronas.

Cuando el voltaje de la membrana baja lo suficiente, la puerta de inactivación se vuelve a abrir y la puerta de activación se cierra en un proceso llamado desactivación. Con la puerta de activación cerrada y la puerta de inactivación abierta, el canal Na⁺ vuelve a estar en su estado desactivado y está listo para participar en otro potencial de acción.

Cuando cualquier tipo de canal iónico no se desactiva por sí solo, se dice que está persistente (o tónicamente) activo. Algunos tipos de canales iónicos son naturalmente activos de forma persistente. Sin embargo, las mutaciones genéticas que provocan una actividad persistente en otros canales pueden provocar enfermedades al crear una actividad excesiva de ciertos tipos de neuronas. Las mutaciones que interfieren con la inactivación del canal Na⁺ pueden contribuir a enfermedades cardiovasculares o ataques epilépticos por corrientes de ventana, que pueden causar que las células musculares y/o nerviosas se sobreexciten.

Modelado del comportamiento de puertas

El comportamiento temporal de los canales de Na⁺ puede modelarse mediante un esquema markoviano o mediante el formalismo de tipo Hodgkin-Huxley. En el primer esquema, cada canal ocupa un estado distinto con ecuaciones diferenciales que describen transiciones entre estados; en este último, los canales se tratan como una población afectada por tres variables de activación independientes. Cada una de estas variables puede alcanzar un valor entre 1 (totalmente permeable a los iones) y 0 (totalmente no permeable), y el producto de estas variables produce el porcentaje de canales conductores. Se puede demostrar que el modelo de Hodgkin-Huxley es equivalente a un modelo de Markov.

Impermeabilidad a otros iones

El poro de los canales de sodio contiene un filtro de selectividad hecho de residuos de aminoácidos cargados negativamente, que atraen el ion Na⁺ positivo y mantienen alejados los iones cargados negativamente como el cloruro. Los cationes fluyen hacia una parte más estrecha del poro que tiene 0,3 por 0,5 nm de ancho, que es lo suficientemente grande como para permitir el paso de un solo ion Na+ con una molécula de agua asociada. El ion K⁺ más grande no puede pasar por esta área. Los iones de diferentes tamaños tampoco pueden interactuar tan bien con los residuos de ácido glutámico cargados negativamente que recubren el poro.

Diversidad

Los canales de sodio activados por voltaje normalmente constan de una subunidad alfa que forma el poro de conducción iónica y una o dos subunidades beta que tienen varias funciones, incluida la modulación de la activación del canal. La expresión de la subunidad alfa por sí sola es suficiente para producir un canal funcional.

Subunidades alfa

La familia de canales de sodio tiene 9 miembros conocidos, con una identidad de aminoácidos >50% en los segmentos transmembrana y las regiones de bucle extracelular. Actualmente se utiliza una nomenclatura estandarizada para los canales de sodio, que la IUPHAR mantiene.

Las proteínas de estos canales se denominan Na_v1.1 a Na_v1.9. Los nombres de los genes se denominan SCN1A a SCN5A y luego SCN8A a SCN11A. El "décimo miembro", Na_x, no actúa de forma dependiente de voltaje. Tiene una estructura general vagamente similar. No se sabe mucho sobre su función real, aparte de que también se asocia con las subunidades beta.

La probable relación evolutiva entre estos canales, basada en la similitud de sus secuencias de aminoácidos, se muestra en la figura 1. Los canales de sodio individuales se distinguen no solo por diferencias en su secuencia sino también por su cinética y perfiles de expresión. Algunos de estos datos se resumen en la tabla 1, a continuación.

Subunidades beta

Las subunidades beta del canal de sodio son glicoproteínas transmembrana de tipo 1 con un extremo N extracelular y un extremo C citoplasmático. Como miembros de la superfamilia Ig, las subunidades beta contienen un bucle de Ig en V prototípico en su dominio extracelular. No comparten ninguna homología con sus homólogos de los canales de calcio y potasio. En cambio, son homólogas a las moléculas de adhesión de células neurales (CAM) y a la gran familia de CAM L1. Hay cuatro betas distintas nombradas en orden de descubrimiento: SCN1B, SCN2B, SCN3B, SCN4B (tabla 2). Beta 1 y beta 3 interactúan con la subunidad alfa de forma no covalente, mientras que beta 2 y beta 4 se asocian con alfa mediante un enlace disulfuro. Es más probable que los canales de sodio permanezcan abiertos en el potencial de membrana subumbral cuando interactúan con toxinas beta, lo que a su vez induce una sensación inmediata de dolor.

Papel de las subunidades beta como moléculas de adhesión celular

Además de regular la activación del canal, las subunidades beta del canal de sodio también modulan la expresión del canal y forman enlaces con el citoesqueleto intracelular a través de anquirina y espectrina. Los canales de sodio dependientes de voltaje también se ensamblan con una variedad de otras proteínas, como las proteínas FHF (factor homólogo del factor de crecimiento de fibroblastos), la calmodulina, el citoesqueleto o las quinasas reguladoras, que forman un complejo con los canales de sodio, influyendo en su expresión y/o función. Varias subunidades beta interactúan con una o más moléculas de la matriz extracelular (MEC). La contactina, también conocida como F3 o F11, se asocia con beta 1 como se muestra mediante coinmunoprecipitación. Las repeticiones similares a la fibronectina (similares a FN) de Tenascina-C y Tenascina-R se unen con beta 2 en contraste con las repeticiones similares al factor de crecimiento epidérmico (similares a EGF) que repelen beta2. Una desintegrina y metaloproteinasa (ADAM) 10 elimina el ectodominio beta 2, lo que posiblemente induzca el crecimiento de neuritas. Beta 3 y beta 1 se unen a la neurofascina en los nodos de Ranvier en las neuronas en desarrollo.

Canales de sodio activados por ligando

Los canales de sodio activados por ligando se activan mediante la unión de un ligando en lugar de un cambio en el potencial de membrana.

Se encuentran, p.e. en la unión neuromuscular como receptores nicotínicos, donde los ligandos son moléculas de acetilcolina. La mayoría de los canales de este tipo son permeables al potasio hasta cierto punto, así como al sodio.

Papel en el potencial de acción

Los canales de sodio dependientes de voltaje desempeñan un papel importante en los potenciales de acción. Si se abren suficientes canales cuando hay un cambio en el potencial de membrana de la célula, una cantidad pequeña pero significativa de iones Na+ se moverá hacia el interior de la célula siguiendo su gradiente electroquímico, despolarizando aún más la célula. Por lo tanto, cuantos más canales de Na⁺ se localicen en una región de la membrana celular, más rápido se propagará el potencial de acción y más excitable será esa área de la célula. ser. Este es un ejemplo de un circuito de retroalimentación positiva. La capacidad de estos canales para asumir un estado cerrado-inactivado provoca el período refractario y es fundamental para la propagación de potenciales de acción a lo largo de un axón.

Na⁺ se abren y cierran más rápidamente que los canales de K+, produciendo una entrada de carga positiva (Na⁺) hacia el inicio del potencial de acción y una salida (K⁺) hacia el final.

Los canales de sodio activados por ligando, por otro lado, crean el cambio en el potencial de membrana en primer lugar, en respuesta a la unión de un ligando a él. Los canales de sodio de fuga contribuyen además a la regulación del potencial de acción al modular el potencial de reposo (y a su vez, la excitabilidad) de una célula.

Modulación farmacológica

Bloqueadores

Activadores

Las siguientes sustancias producidas naturalmente activan (abren) de manera persistente los canales de sodio:

• Toxinas basadas en Alkaloid
  • aconitine
  • batrachotoxin
  • brevetoxin
  • ciguatoxina
  • delphinine
  • algunas grayanotoxinas, por ejemplo, grayanotoxina I (otras granoxinas inactivas, o cercanas, canales de sodio)
  • veratridine

Modificadores de puerta

Las siguientes toxinas modifican la activación de los canales de sodio:

• Toxinas basadas en péptidos
  • μ-Conotoxina
  • δ-Atracotoxina
  • Scorpion venom toxinas

Canal de fuga de sodio (NALCN)

Los canales de fuga de sodio no muestran ningún voltaje ni activación de ligando. En cambio, siempre están abiertos o con "fugas" una pequeña corriente de fondo para regular el potencial de membrana en reposo de una neurona. En la mayoría de los animales, un solo gen codifica la proteína NALCN (canal de fuga de sodio, no selectivo).

Diferencias estructurales y funcionales

A pesar de seguir la misma estructura básica que otros canales de sodio, NALCN no es sensible a los cambios de voltaje. El dominio transmembrana S4 sensible al voltaje de NALCN tiene menos aminoácidos cargados positivamente (13 en lugar de los 21 de un canal dependiente de voltaje), lo que posiblemente explica su insensibilidad al voltaje. NALCN también es mucho menos selectivo para los iones Na⁺ y es permeable a los iones Ca²⁺ y K⁺. El motivo de aminoácidos EEKE en el dominio de filtro de poros de NALCN es similar tanto al motivo EEEE del canal de calcio dependiente de voltaje como al motivo DEKA del canal de sodio dependiente de voltaje, lo que posiblemente explica su falta de selectividad.

NALCN no es bloqueado por muchos bloqueadores comunes de los canales de sodio, incluida la tetrodotoxina. NALCN es bloqueado de manera no específica tanto por Gd³⁺ como por verapamilo. Tanto la sustancia P como la neurotensina activan las quinasas de la familia Src a través de sus respectivos GPCR (independientes de las proteínas G acopladas) que a su vez aumentan la permeabilidad de NALCN a través de la activación de UNC80. La acetilcolina también puede aumentar la actividad de NALCN a través de los receptores muscarínicos de acetilcolina M3. Los niveles más altos de Ca²⁺ extracelular disminuyen la permeabilidad de NALCN al activar CaSR, que inhibe UNC80.

Complejo proteico

NALCN forma complejos con las proteínas UNC79, UNC80 y FAM155A. UNC79 parece estar vinculado a la estabilidad de la membrana de NALCN y al enlace con UNC 80. UNC80 media la modulación química de NALCN a través de múltiples vías. FAM155A ayuda al plegamiento de proteínas en el retículo endoplásmico, transporta chaperonas al axón y contribuye a la estabilidad de la membrana.

Función biológica

El potencial de membrana en reposo de una neurona suele ser de -60 mV a -80 mV, impulsado principalmente por el potencial K⁺ a -90 mV. La despolarización del potencial K⁺ se debe principalmente a una pequeña corriente de fuga de Na⁺. Aproximadamente el 70% de esta corriente proviene de NALCN. El aumento de la permeabilidad de NALCN reduce el potencial de membrana en reposo, acercándolo al desencadenante de un potencial de acción (-55 mV), aumentando así la excitabilidad de una neurona.

Papel en patología

Las mutaciones en NALCN provocan alteraciones graves del ritmo respiratorio en ratones y alteración de la locomoción circadiana en moscas. Las mutaciones en NALCN también se han relacionado con múltiples trastornos graves del desarrollo y distonía cervical. La esquizofrenia y el trastorno bipolar también están relacionados con mutaciones en NALCN.

Modulación del PH

Los cambios en el pH de la sangre y los tejidos acompañan a condiciones fisiológicas y fisiopatológicas como el ejercicio, la isquemia cardíaca, el accidente cerebrovascular isquémico y la ingestión de cocaína. Se sabe que estas condiciones desencadenan los síntomas de enfermedades eléctricas en pacientes portadores de mutaciones en los canales de sodio. Los protones provocan un conjunto diverso de cambios en la activación de los canales de sodio, que generalmente conducen a disminuciones en la amplitud de la corriente transitoria de sodio y aumentos en la fracción de canales no inactivadores que pasan por corrientes persistentes. Estos efectos se comparten con mutantes que causan enfermedades en el tejido neuronal, del músculo esquelético y del corazón y pueden combinarse en mutantes que imparten una mayor sensibilidad de los protones a los canales de sodio, lo que sugiere un papel de los protones en el desencadenamiento de síntomas agudos de enfermedades eléctricas.

Mecanismos moleculares del bloqueo de protones

Los datos de un solo canal de cardiomiocitos han demostrado que los protones pueden disminuir la conductancia de los canales de sodio individuales. El filtro de selectividad del canal de sodio está compuesto por un único residuo en cada uno de los cuatro bucles de poros de los cuatro dominios funcionales. Estos cuatro residuos se conocen como motivo DEKA. La tasa de permeación del sodio a través del canal de sodio está determinada por cuatro residuos de carboxilato, el motivo EEDD, que forman el anillo cargado externo. La protonación de estos carboxilatos es uno de los principales impulsores del bloqueo de protones en los canales de sodio, aunque existen otros residuos que también contribuyen a la sensibilidad al pH. Uno de esos residuos es el C373 en el canal de sodio cardíaco, lo que lo convierte en el canal de sodio más sensible al pH entre los canales de sodio que se han estudiado hasta la fecha.

Modulación del PH de la activación del canal de sodio

Dado que el canal de sodio cardíaco es el canal de sodio más sensible al pH, la mayor parte de lo que se sabe se basa en este canal. Se ha demostrado que la reducción del pH extracelular despolariza la dependencia del voltaje de activación e inactivación a potenciales más positivos. Esto indica que durante actividades que disminuyen el pH de la sangre, como el ejercicio, la probabilidad de que los canales se activen e inactiven es mayor y los potenciales de membrana más positivos, lo que puede provocar posibles efectos adversos. Los canales de sodio expresados en las fibras del músculo esquelético han evolucionado hasta convertirse en canales relativamente insensibles al pH. Se ha sugerido que esto es un mecanismo de protección contra una posible excitabilidad excesiva o insuficiente en los músculos esqueléticos, ya que los niveles de pH de la sangre son muy susceptibles a cambiar durante el movimiento. Recientemente, se ha demostrado que una mutación del síndrome mixto que causa parálisis periódica y miotonía en el canal de sodio esquelético imparte sensibilidad al pH en este canal, lo que hace que la activación de este canal sea similar a la del subtipo cardíaco.

Modulación del PH en los subtipos estudiados hasta el momento

Los efectos de la protonación se han caracterizado en Na_v1.1–Na_v1.5. Entre estos canales, Na_v1.1–Na_v1.3 y Na_v1.5 muestran una activación dependiente del voltaje despolarizado, mientras que la activación en Na_v1.4 permanece insensible a la acidosis. La dependencia del voltaje de la inactivación rápida en estado estacionario no cambia en Na_v1.1–Na_v1.4, pero la inactivación rápida en estado estacionario en Na_v >1,5 está despolarizado. Por lo tanto, entre los canales de sodio que se han estudiado hasta ahora, Na_v1.4 es el subtipo menos sensible y Na_v1.5 es el más sensible a los protones.