Canal iónico activado por proteína G

canales iónicos activados por proteína G son una familia de canales iónicos transmembrana en neuronas y miocitos auriculares que están activados directamente por proteínas G.

Resumen de mecanismos y funciones

Generalmente, los canales iónicos activados por la proteína G son canales iónicos específicos ubicados en la membrana plasmática de las células que son activados directamente por una familia de proteínas asociadas. Los canales iónicos permiten el movimiento selectivo de ciertos iones a través de la membrana plasmática de las células. Más concretamente, en las células nerviosas, junto con los transportadores de iones, son responsables de mantener el gradiente electroquímico a lo largo de la célula.

Las proteínas G son una familia de proteínas intracelulares capaces de mediar en vías de transducción de señales. Cada proteína G es un heterotrímero de tres subunidades: subunidades α, β y γ. La subunidad α (G_α) normalmente une la proteína G a una proteína receptora transmembrana conocida como receptor acoplado a proteína G o GPCR. Esta proteína receptora tiene un gran dominio de unión extracelular que se unirá a sus respectivos ligandos (por ejemplo, neurotransmisores y hormonas). Una vez que el ligando se une a su receptor, se produce un cambio conformacional. Este cambio conformacional en la proteína G permite que G_α se una a GTP. Esto conduce a otro cambio conformacional en la proteína G, lo que resulta en la separación del complejo βγ (G_βγ) de G_α. En este punto, tanto G_α como G_βγ están activos y pueden continuar la vía de transducción de señales. Diferentes clases de receptores acoplados a proteína G tienen muchas funciones conocidas, incluidas las vías de transducción de señales de AMPc y fosfatidilinositol. Una clase conocida como receptores metabotrópicos de glutamato desempeña un papel importante en la activación indirecta de los canales iónicos por parte de las proteínas G. Estas vías son activadas por segundos mensajeros que inician cascadas de señales que involucran varias proteínas que son importantes para la respuesta de la célula.

Los canales iónicos activados por proteína G están asociados con un tipo específico de receptor acoplado a proteína G. Estos canales iónicos son canales iónicos transmembrana con filtros de selectividad y un sitio de unión a proteína G. Los GPCR asociados con los canales iónicos activados por la proteína G no participan en las vías de transducción de señales. Solo activan directamente estos canales iónicos utilizando proteínas efectoras o las propias subunidades de proteína G (ver imagen). A diferencia de la mayoría de los efectores, no todos los canales iónicos activados por proteína G tienen su actividad mediada por G_α de sus proteínas G correspondientes. Por ejemplo, la apertura de los canales K⁺ (GIRK) rectificadores internos está mediada por la unión de G_βγ.

Los canales iónicos activados por la proteína G se encuentran principalmente en las neuronas del SNC y en los miocitos auriculares, y afectan el flujo de potasio (K⁺), calcio (Ca²⁺) , sodio (Na⁺) y cloruro (Cl⁻) a través de la membrana plasmática.

Tipos de canales iónicos activados por proteína G

Canales de potasio

Estructura

Se han identificado cuatro subunidades del canal de potasio rectificador interno (GIRK) reguladas por la proteína G en mamíferos: GIRK1, GIRK2, GIRK3 y GIRK4. Las subunidades GIRK se unen para formar canales iónicos GIRK. Estos canales iónicos, una vez activados, permiten el flujo de iones potasio (K⁺) desde el espacio extracelular que rodea la célula a través de la membrana plasmática y hacia el citoplasma. Cada canal consta de dominios que atraviesan la membrana plasmática, formando la región de poros selectivos para K⁺ a través de la cual fluirán los iones K⁺. Tanto el extremo N como el C-terminal de los canales GIRK se encuentran dentro del citoplasma. Estos dominios interactúan directamente con el complejo βγ de la proteína G, lo que lleva a la activación del canal K+. Estos dominios en los extremos N y C-terminales que interactúan con las proteínas G contienen ciertos residuos que son críticos para la activación adecuada del canal GIRK. En GIRK4, el residuo N-terminal es His-64 y el residuo C-terminal es Leu-268; en GIRK1 son His-57 y Leu-262, respectivamente. Las mutaciones en estos dominios provocan la insensibilidad del canal al complejo βγ y, por tanto, reducen la activación del canal GIRK.

Las cuatro subunidades de GIRK son entre un 80% y un 90% similares en sus dominios transmembrana y de formación de poros, una característica responsable de las similitudes en sus estructuras y secuencias. GIRK2, GIRK3 y GIRK4 comparten una identidad general del 62% entre sí, mientras que GIRK1 solo comparte un 44% de identidad con los demás. Debido a su similitud, las subunidades del canal GIRK pueden unirse fácilmente para formar heteromultímeros (una proteína con dos o más cadenas polipeptídicas diferentes). GIRK1, GIRK2 y GIRK3 muestran una distribución abundante y superpuesta en el sistema nervioso central (SNC), mientras que GIRK1 y GIRK4 se encuentran principalmente en el corazón. GIRK1 se combina con GIRK2 en el SNC y GIRK4 en la aurícula para formar heterotetrámeros; cada heterotetrámero final contiene dos subunidades GIRK1 y dos subunidades GIRK2 o GIRK4. Las subunidades GIRK2 también pueden formar homotetrámeros en el cerebro, mientras que las subunidades GIRK4 pueden formar homotetrámeros en el corazón. No se ha demostrado que las subunidades GIRK1 puedan formar homotetrámeros funcionales. Aunque las subunidades GIRK3 se encuentran en el SNC, aún se desconoce su papel en la formación de canales iónicos funcionales.

Subtipos y funciones respectivas

• GIRKs encontrado en el corazón

Un canal de potasio dependiente de la proteína G es el canal de potasio rectificador hacia adentro (IKACh) que se encuentra en el músculo cardíaco (específicamente, el nódulo sinoauricular y las aurículas), que contribuye a la regulación de la frecuencia cardíaca. Estos canales dependen casi por completo de la activación de la proteína G, lo que los hace únicos en comparación con otros canales activados por la proteína G. La activación de los canales IKACh comienza con la liberación de acetilcolina (ACh) del nervio vago a las células marcapasos del corazón. La ACh se une a los receptores muscarínicos de acetilcolina M2, que interactúan con las proteínas G y promueven la disociación de la subunidad G_α y el complejo G_βγ. IKACh está compuesto por dos subunidades homólogas del canal GIRK: GIRK1 y GIRK4. El complejo G_βγ se une directa y específicamente al canal IKACh a través de interacciones con las subunidades GIRK1 y GIRK4. Una vez que se activa el canal iónico, los iones K⁺ fluyen fuera de la célula y hacen que se hiperpolarice. En su estado hiperpolarizado, la neurona no puede disparar potenciales de acción tan rápidamente, lo que ralentiza los latidos del corazón.

• GIRKs encontrado en el cerebro

El canal de K⁺ rectificador interno de la proteína G que se encuentra en el SNC es un heterotetrámero compuesto por las subunidades GIRK1 y GIRK2 y es responsable de mantener el potencial de membrana en reposo y la excitabilidad de la neurona. Los estudios han demostrado que las mayores concentraciones de las subunidades GIRK1 y GIRK2 se encuentran en las áreas dendríticas de las neuronas del SNC. Estas áreas, que son tanto extrasinápticas (exteriores a una sinapsis) como perisinápticas (cerca de una sinapsis), se correlacionan con la gran concentración de receptores GABAB en las mismas áreas. Una vez que los ligandos activan los receptores GABA_B, permiten la disociación de la proteína G en su subunidad α individual y su complejo βγ para que a su vez pueda activar el receptor K+<. /sup> canales. Las proteínas G acoplan los canales K⁺ rectificadores internos con los receptores GABA_B, mediando una parte importante de la inhibición postsináptica de GABA.

Además, se ha descubierto que las GIRK desempeñan un papel en un grupo de neuronas serotoninérgicas en el núcleo dorsal del rafe, específicamente aquellas asociadas con la hormona neuropeptídica orexina. Se ha demostrado que el receptor 5-HT1A, un receptor de serotonina y tipo de GPCR, está acoplado directamente con la subunidad α de una proteína G, mientras que el complejo βγ activa GIRK sin el uso de un segundo mensajero. La activación posterior del canal GIRK media la hiperpolarización de las neuronas orexina, que regulan la liberación de muchos otros neurotransmisores, incluidas la noradrenalina y la acetilcolina.

Canales de calcio

Estructura

Además del subconjunto de canales de potasio que son activados directamente por las proteínas G, las proteínas G también pueden activar directamente ciertos canales de iones de calcio en las membranas de las células neuronales. Aunque los canales iónicos de membrana y la fosforilación de proteínas suelen verse afectados indirectamente por los receptores acoplados a la proteína G a través de proteínas efectoras (como la fosfolipasa C y la adenilil ciclasa) y segundos mensajeros (como el trifosfato de inositol, el diacilglicerol y el AMP cíclico), las proteínas G pueden provocar un cortocircuito en los receptores acoplados a la proteína G. vía del segundo mensajero y bloquea los canales iónicos directamente. Esta derivación de las vías del segundo mensajero se observa en los miocitos cardíacos de los mamíferos y en las vesículas sarcolemales asociadas en las que los canales de Ca2+ son capaces de sobrevivir y funcionar en ausencia de AMPc, ATP o proteína quinasa C cuando están en la presencia de la subunidad α activada de la proteína G. Por ejemplo, G_α, que estimula la adenilil ciclasa, actúa sobre el canal Ca²⁺ directamente como efector. Este cortocircuito delimita la membrana, lo que permite que las proteínas G activen directamente los canales de calcio para producir efectos más rápidamente que la cascada de AMPc. Esta activación directa también se ha encontrado en canales específicos de Ca²⁺ en el corazón y en los túbulos T del músculo esquelético.

Función

Varios canales de calcio de alto umbral y que se inactivan lentamente en las neuronas están regulados por proteínas G. Se ha demostrado que la activación de las subunidades α de las proteínas G provoca el cierre rápido de los canales de Ca²⁺ dependientes del voltaje, lo que provoca dificultades en la activación de los potenciales de acción. Esta inhibición de los canales de calcio dependientes de voltaje por parte de receptores acoplados a proteína G se ha demostrado en el ganglio de la raíz dorsal de un polluelo, entre otras líneas celulares. Estudios adicionales han indicado funciones para las subunidades G_α y G_βγ en la inhibición de los canales de Ca²⁺. Las investigaciones encaminadas a definir la implicación de cada subunidad, sin embargo, no han descubierto la especificidad ni los mecanismos por los que se regulan los canales de Ca²⁺.

El canal iónico sensor de ácido ASIC1a es un canal de Ca²⁺ dependiente de proteína G específico. El receptor muscarínico de acetilcolina M1 aguas arriba se une a proteínas G_q-clase G. Se demostró que el bloqueo de este canal con el agonista metioduro de oxotremorina inhibe las corrientes de ASIC1a. También se ha demostrado que las corrientes de ASIC1a se inhiben en presencia de agentes oxidantes y se potencian en presencia de agentes reductores. Se encontró una disminución y un aumento en la acumulación intracelular de Ca²⁺ inducida por ácido, respectivamente.

Canales de sodio

Las mediciones de pinza de parche sugieren un papel directo de G_α en la inhibición de la corriente rápida de Na⁺ dentro de las células cardíacas. Otros estudios han encontrado evidencia de una vía de segundo mensajero que puede controlar indirectamente estos canales. No se ha definido con total certeza si las proteínas G activan directa o indirectamente los canales iónicos de Na⁺.

Canales de cloruro

Se ha descubierto que la actividad del canal de cloruro en las células epiteliales y cardíacas depende de la proteína G. Sin embargo, aún no se ha identificado el canal cardíaco que se ha demostrado que está activado directamente por la subunidad G_α. Al igual que con la inhibición del canal de Na⁺, las vías de segundos mensajeros no pueden descartarse en la activación del canal de Cl^-.

Los estudios realizados en canales Cl⁻ específicos muestran diferentes funciones de la activación de la proteína G. Se ha demostrado que las proteínas G activan directamente un tipo de canal Cl^- en el músculo esquelético. Otros estudios, en células CHO, han demostrado que un canal Cl^- de conductancia grande se activa de manera diferencial por proteínas G sensibles a CTX y PTX. El papel de las proteínas G en la activación de los canales de Cl^- es un área compleja de investigación que está en curso.

Importancia clínica e investigación en curso

Se ha demostrado que las mutaciones en las proteínas G asociadas con los canales iónicos activados por la proteína G están involucradas en enfermedades como la epilepsia, enfermedades musculares, enfermedades neurológicas y dolor crónico, entre otras.

La epilepsia, el dolor crónico y las drogas adictivas como la cocaína, los opioides, los cannabinoides y el etanol afectan la excitabilidad neuronal y la frecuencia cardíaca. Se ha demostrado que los canales GIRK están involucrados en la susceptibilidad a las convulsiones, la adicción a la cocaína y la mayor tolerancia al dolor por los opioides, cannabinoides y etanol. Esta conexión sugiere que los moduladores del canal GIRK pueden ser agentes terapéuticos útiles en el tratamiento de estas afecciones. Los inhibidores del canal GIRK pueden servir para tratar las adicciones a la cocaína, los opioides, los cannabinoides y el etanol, mientras que los activadores del canal GIRK pueden servir para tratar los síntomas de abstinencia.

Intoxicación por alcohol

Se ha demostrado que la intoxicación por alcohol está directamente relacionada con las acciones de los canales GIRK. Los canales GIRK tienen una bolsa hidrofóbica que es capaz de unirse al etanol, el tipo de alcohol que se encuentra en las bebidas alcohólicas. Cuando el etanol actúa como agonista, los canales GIRK en el cerebro experimentan una apertura prolongada. Esto provoca una disminución de la actividad neuronal, cuyo resultado se manifiesta como síntomas de intoxicación por alcohol. El descubrimiento de la bolsa hidrófoba capaz de unirse al etanol es importante en el campo de la farmacología clínica. Los agentes que pueden actuar como agonistas de este sitio de unión pueden ser potencialmente útiles en la creación de fármacos para el tratamiento de trastornos neurológicos como la epilepsia en la que la activación neuronal excede los niveles normales.

Cáncer de mama

Los estudios han demostrado que existe un vínculo entre los canales con subunidades GIRK1 y la vía del receptor beta-adrenérgico en las células de cáncer de mama responsables de la regulación del crecimiento de las células. Se ha descubierto que aproximadamente el 40% de los tejidos primarios de cáncer de mama humano portan el ARNm que codifica las subunidades GIRK1. Se ha demostrado que el tratamiento del tejido del cáncer de mama con alcohol desencadena un mayor crecimiento de las células cancerosas. El mecanismo de esta actividad es todavía un tema de investigación.

Síndrome de Down

La regulación cardíaca alterada es común en adultos diagnosticados con síndrome de Down y puede estar relacionada con los canales iónicos activados por la proteína G. El gen KCNJ6 se encuentra en el cromosoma 21 y codifica la subunidad proteica GIRK2 de los canales K+ dependientes de la proteína G. Las personas con síndrome de Down tienen tres copias del cromosoma 21, lo que da como resultado una sobreexpresión de la subunidad GIRK2. Los estudios han encontrado que los ratones recombinantes que sobreexpresan las subunidades GIRK2 muestran respuestas alteradas a los fármacos que activan los canales de K⁺ activados por la proteína G. Estas respuestas alteradas se limitaron al nódulo sinoauricular y a las aurículas, ambas áreas que contienen muchos canales de K+ dependientes de la proteína G. Estos hallazgos podrían conducir al desarrollo de fármacos que puedan ayudar a regular el desequilibrio simpático-parasimpático cardíaco en adultos con síndrome de Down.

Fibrilación auricular crónica

La fibrilación auricular (ritmo cardíaco anormal) se asocia con una duración del potencial de acción más corta y se cree que se ve afectada por el canal de K⁺ dependiente de la proteína G, I_K,ACh . El canal I_K,ACh, cuando es activado por proteínas G, permite el flujo de K⁺ a través de la membrana plasmática y fuera de la célula. Esta corriente hiperpolariza la célula, terminando así el potencial de acción. Se ha demostrado que en la fibrilación auricular crónica se produce un aumento de esta corriente rectificadora hacia el interior debido a los canales I_K,ACh constantemente activados. El aumento de la corriente da como resultado una duración del potencial de acción más corta que se experimenta en la fibrilación auricular crónica y conduce a la posterior fibrilación del músculo cardíaco. El bloqueo de la actividad del canal I_K,ACh podría ser un objetivo terapéutico en la fibrilación auricular y es un área en estudio.

Manejo del dolor

Se ha demostrado in vivo que los canales GIRK participan en la analgesia inducida por opioides y etanol. Estos canales específicos han sido el objetivo de estudios recientes que abordan la variación genética y la sensibilidad a los analgésicos opioides debido a su papel en la analgesia inducida por opioides. Varios estudios han demostrado que cuando se prescriben opioides para tratar el dolor crónico, ciertos GPCR, es decir, los receptores opioides, activan los canales GIRK, lo que conduce a la inhibición de la transmisión nociceptiva, funcionando así en el alivio del dolor. Además, los estudios han demostrado que las proteínas G, específicamente la subunidad Gi alfa, activan directamente las GIRK que participan en la propagación de la analgesia inducida por morfina en la columna vertebral inflamada de ratones. En este campo se siguen realizando investigaciones relacionadas con el tratamiento del dolor crónico.