Canal iónico

Los canales iónicos son proteínas de membrana formadoras de poros que permiten que los iones pasen a través del poro del canal. Sus funciones incluyen establecer un potencial de membrana en reposo, dar forma a los potenciales de acción y otras señales eléctricas al controlar el flujo de iones a través de la membrana celular, controlar el flujo de iones a través de las células secretoras y epiteliales y regular el volumen celular. Los canales iónicos están presentes en las membranas de todas las células. Los canales de iones son una de las dos clases de proteínas ionofóricas, siendo la otra los transportadores de iones.

El estudio de los canales iónicos a menudo implica biofísica, electrofisiología y farmacología, mientras que se utilizan técnicas que incluyen pinzamiento de voltaje, pinzamiento de parche, inmunohistoquímica, cristalografía de rayos X, fluoroscopia y RT-PCR. Su clasificación como moléculas se conoce como canalómica.

Caracteristicas basicas

Hay dos características distintivas de los canales iónicos que los diferencian de otros tipos de proteínas transportadoras de iones:

1. La tasa de transporte de iones a través del canal es muy alta (a menudo 10 iones por segundo o más).
2. Los iones pasan a través de canales a favor de su gradiente electroquímico, que es una función de la concentración de iones y el potencial de membrana, "cuesta abajo", sin la entrada (o ayuda) de energía metabólica (p. ej., ATP, mecanismos de cotransporte o mecanismos de transporte activo).

Los canales iónicos se encuentran dentro de la membrana de todas las células excitables,y de muchos organelos intracelulares. A menudo se describen como túneles estrechos llenos de agua que solo permiten el paso de iones de cierto tamaño y/o carga. Esta característica se llama permeabilidad selectiva. El poro del canal arquetípico tiene solo uno o dos átomos de ancho en su punto más estrecho y es selectivo para especies específicas de iones, como sodio o potasio. Sin embargo, algunos canales pueden ser permeables al paso de más de un tipo de iones, por lo general comparten una carga común: positiva (cationes) o negativa (aniones). Los iones a menudo se mueven a través de los segmentos del poro del canal en fila india casi tan rápido como los iones se mueven a través de la solución libre. En muchos canales iónicos, el paso a través del poro está gobernado por una "puerta", que puede abrirse o cerrarse en respuesta a señales químicas o eléctricas, temperatura o fuerza mecánica.

Los canales iónicos son proteínas integrales de membrana, típicamente formadas como ensamblajes de varias proteínas individuales. Estos ensamblajes de "subunidades múltiples" suelen implicar una disposición circular de proteínas idénticas u homólogas estrechamente empaquetadas alrededor de un poro lleno de agua a través del plano de la membrana o bicapa lipídica. Para la mayoría de los canales iónicos activados por voltaje, las subunidades formadoras de poros se denominan subunidad α, mientras que las subunidades auxiliares se denominan β, γ, etc.

Rol biológico

Debido a que los canales son la base del impulso nervioso y debido a que los canales "activados por transmisores" median la conducción a través de las sinapsis, los canales son componentes especialmente destacados del sistema nervioso. De hecho, numerosas toxinas que los organismos han desarrollado para cerrar los sistemas nerviosos de los depredadores y presas (por ejemplo, los venenos producidos por arañas, escorpiones, serpientes, peces, abejas, caracoles marinos y otros) funcionan modulando la conductancia del canal de iones y/o cinética. Además, los canales iónicos son componentes clave en una amplia variedad de procesos biológicos que implican cambios rápidos en las células, como la contracción del músculo cardíaco, esquelético y liso, el transporte epitelial de nutrientes e iones, la activación de las células T y la insulina de las células beta pancreáticas. liberación. En la búsqueda de nuevos fármacos, los canales iónicos son un objetivo frecuente.

Diversidad

Hay más de 300 tipos de canales iónicos solo en las células del oído interno. Los canales iónicos se pueden clasificar por la naturaleza de su puerta, las especies de iones que pasan a través de esas puertas, el número de puertas (poros) y la localización de las proteínas.

La heterogeneidad adicional de los canales iónicos surge cuando los canales con diferentes subunidades constitutivas dan lugar a un tipo específico de corriente. La ausencia o mutación de uno o más de los tipos contribuyentes de subunidades del canal puede resultar en la pérdida de la función y, potencialmente, en enfermedades neurológicas subyacentes.

Clasificación por puerta

Los canales iónicos se pueden clasificar por puerta, es decir, qué abre y cierra los canales. Por ejemplo, los canales iónicos activados por voltaje se abren o cierran según el gradiente de voltaje a través de la membrana plasmática, mientras que los canales iónicos activados por ligando se abren o cierran según la unión de los ligandos al canal.

Controlado por voltaje

Los canales iónicos dependientes de voltaje se abren y cierran en respuesta al potencial de membrana.

• Canales de sodio dependientes de voltaje: esta familia contiene al menos 9 miembros y es en gran parte responsable de la creación y propagación del potencial de acción. Las subunidades α formadoras de poros son muy grandes (hasta 4000 aminoácidos) y constan de cuatro dominios repetidos homólogos (I-IV), cada uno de los cuales comprende seis segmentos transmembrana (S1-S6) para un total de 24 segmentos transmembrana. Los miembros de esta familia también se ensamblan con subunidades β auxiliares, cada una de las cuales atraviesa la membrana una vez. Las subunidades α y β están extensamente glicosiladas.
• Canales de calcio dependientes de voltaje: esta familia contiene 10 miembros, aunque se sabe que se ensamblan con subunidades α ₂ δ, β y γ. Estos canales juegan un papel importante tanto en la vinculación de la excitación muscular con la contracción como en la excitación neuronal con la liberación del transmisor. Las subunidades α tienen un parecido estructural general con las de los canales de sodio y son igualmente grandes.
  • Canales catiónicos de esperma: esta pequeña familia de canales, normalmente denominada canales Catsper, está relacionada con los canales de dos poros y tiene una relación lejana con los canales TRP.
• Canales de potasio dependientes de voltaje (KV ₎: esta familia contiene casi 40 miembros, que se dividen en 12 subfamilias. Estos canales son conocidos principalmente por su papel en la repolarización de la membrana celular siguiendo los potenciales de acción. Las subunidades α tienen seis segmentos transmembrana, homólogos a un solo dominio de los canales de sodio. En consecuencia, se ensamblan como tetrámeros para producir un canal funcional.
• Algunos canales potenciales de receptores transitorios: este grupo de canales, normalmente denominado simplemente canales TRP, recibe su nombre por su papel en la fototransducción de Drosophila. Esta familia, que contiene al menos 28 miembros, es increíblemente diversa en su método de activación. Algunos canales de TRP parecen estar constitutivamente abiertos, mientras que otros están controlados por voltaje, Ca intracelular, pH, estado redox, osmolaridad y estiramiento mecánico. Estos canales también varían según el(los) ion(es) que pasan, siendo algunos selectivos para el Ca mientras que otros son menos selectivos y actúan como canales catiónicos. Esta familia se subdivide en 6 subfamilias según la homología: clásica (TRPC), receptores vanilloides (TRPV), melastatina (TRPM), policistinas (TRPP), mucolipinas (TRPML) y proteína transmembrana de anquirina 1 (TRPA).
• Canales controlados por nucleótidos cíclicos activados por hiperpolarización: la apertura de estos canales se debe a la hiperpolarización en lugar de la despolarización requerida para otros canales controlados por nucleótidos cíclicos. Estos canales también son sensibles a los nucleótidos cíclicos cAMP y cGMP, que alteran la sensibilidad al voltaje de la apertura del canal. Estos canales son permeables a los cationes monovalentes K y Na. Hay 4 miembros de esta familia, todos los cuales forman tetrámeros de seis subunidades α transmembrana. A medida que estos canales se abren en condiciones de hiperpolarización, funcionan como canales marcapasos en el corazón, particularmente en el nódulo SA.
• Canales de protones dependientes de voltaje: los canales de protones dependientes de voltaje se abren con la despolarización, pero de una manera muy sensible al pH. El resultado es que estos canales se abren solo cuando el gradiente electroquímico es hacia el exterior, de modo que su apertura solo permitirá que los protones salgan de las células. Por lo tanto, su función parece ser la extrusión de ácido de las células. Otra función importante ocurre en los fagocitos (p. ej., eosinófilos, neutrófilos, macrófagos) durante el "estallido respiratorio". Cuando los fagocitos engullen bacterias u otros microbios, la enzima NADPH oxidasa se ensambla en la membrana y comienza a producir especies reactivas de oxígeno (ROS) que ayudan a matar las bacterias. La NADPH oxidasa es electrogénica, mueve electrones a través de la membrana y los canales de protones se abren para permitir que el flujo de protones equilibre eléctricamente el movimiento de electrones.

Activado por ligando (neurotransmisor)

También conocidos como receptores ionotrópicos, este grupo de canales se abre en respuesta a moléculas de ligando específicas que se unen al dominio extracelular de la proteína receptora. La unión del ligando provoca un cambio conformacional en la estructura de la proteína del canal que finalmente conduce a la apertura de la puerta del canal y al subsiguiente flujo de iones a través de la membrana plasmática. Los ejemplos de tales canales incluyen el receptor de acetilcolina "nicotínico" permeable a los cationes, los receptores activados por glutamato ionotrópicos, los canales iónicos sensibles al ácido (ASIC), los receptores P2X activados por ATP y el receptor GABA _A activado por ácido γ-aminobutírico permeable a aniones.

Los canales iónicos activados por segundos mensajeros también pueden clasificarse en este grupo, aunque los ligandos y los segundos mensajeros se distinguen entre sí.

Activado por lípidos

Este grupo de canales se abre en respuesta a moléculas lipídicas específicas que se unen al dominio transmembrana del canal, típicamente cerca de la hoja interna de la membrana plasmática. El fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP ₂) y el ácido fosfatídico (PA) son los lípidos mejor caracterizados para abrir estos canales. Muchos de los canales de potasio de fuga están controlados por lípidos, incluidos los canales de potasio del rectificador interno y los canales de potasio de dos dominios de poro TREK-1 y TRAAK. La familia de canales de potasio KCNQ está controlada por PIP ₂. El canal de potasio activado por voltaje (Kv) está regulado por PA. Su punto medio de activación cambia +50 mV tras la hidrólisis de PA, cerca de los potenciales de membrana en reposo.Esto sugiere que Kv podría abrirse por hidrólisis de lípidos independientemente del voltaje y puede calificar este canal como un canal dual de lípidos y controlado por voltaje.

Otras puertas

La activación también incluye la activación e inactivación por parte de segundos mensajeros desde el interior de la membrana celular, en lugar de desde el exterior de la célula, como en el caso de los ligandos.

• Algunos canales de potasio:
  • Canales de potasio rectificadores internos: estos canales permiten que los iones de potasio fluyan hacia la célula de una manera "rectificadora interna": el potasio fluye más eficientemente hacia el interior que hacia el exterior de la célula. Esta familia está compuesta por 15 miembros oficiales y 1 no oficial y se subdivide en 7 subfamilias según la homología. Estos canales se ven afectados por ATP intracelular, PIP ₂ y subunidades βγ de proteína G. Están involucrados en procesos fisiológicos importantes, como la actividad del marcapasos en el corazón, la liberación de insulina y la absorción de potasio en las células gliales. Contienen sólo dos segmentos transmembrana, correspondientes a los segmentos centrales formadores de poros de los canales _KV y _KCa. Sus subunidades α forman tetrámeros.
  • Canales de potasio activados por calcio: esta familia de canales es activada por Ca intracelular y contiene 8 miembros.
  • Canal de potasio de dominio de poro en tándem: esta familia de 15 miembros forma lo que se conoce como canales de fuga y muestran una rectificación Goldman-Hodgkin-Katz (abierta). Contrariamente a su nombre común de 'canales de potasio de dominio de dos poros', estos canales tienen solo un poro pero dos dominios de poro por subunidad.
• Los canales de dos poros incluyen canales catiónicos activados por ligandos y activados por voltaje, llamados así porque contienen dos subunidades formadoras de poros. Como su nombre indica, tienen dos poros.
• Los fotones abren directamente los canales activados por la luz, como la canalrodopsina.
• Los canales iónicos mecanosensibles se abren bajo la influencia del estiramiento, la presión, el cizallamiento y el desplazamiento.
• Canales activados por nucleótidos cíclicos: esta superfamilia de canales contiene dos familias: los canales activados por nucleótidos cíclicos (CNG) y los canales activados por hiperpolarización, activados por nucleótidos cíclicos (HCN). Esta agrupación es funcional más que evolutiva.
  • Canales activados por nucleótidos cíclicos: esta familia de canales se caracteriza por la activación por cAMP intracelular o cGMP. Estos canales son principalmente permeables a cationes monovalentes como K y Na. También son permeables al Ca, aunque actúa cerrándolos. Hay 6 miembros de esta familia, que se divide en 2 subfamilias.
  • Canales controlados por nucleótidos cíclicos activados por hiperpolarización
• Canales dependientes de la temperatura: los miembros de la superfamilia de canales de iones potenciales receptores transitorios, como TRPV1 o TRPM8, se abren con temperaturas altas o bajas.

Clasificación por tipo de iones

• Canales de cloruro: esta superfamilia de canales consta de aproximadamente 13 miembros. Incluyen ClC, CLIC, Bestrophins y CFTR. Estos canales no son selectivos para aniones pequeños; sin embargo, el cloruro es el anión más abundante y, por lo tanto, se conocen como canales de cloruro.
• Canales de potasio
  • Canales de potasio dependientes de voltaje, por ejemplo, Kvs, Kirs, etc.
  • Canales de potasio activados por calcio, por ejemplo, BKCa o MaxiK, SK, etc.
  • Canales de potasio rectificadores hacia adentro
  • Canales de potasio de dominio de dos poros: esta familia de 15 miembros forma lo que se conoce como canales de fuga y muestran una rectificación Goldman-Hodgkin-Katz (abierta).
• canales de sodio
  • Canales de sodio dependientes de voltaje (NaV)
  • Canales de sodio epiteliales (ENaC)
• Canales de calcio (CaVs)
• Canales de protones
  • Canales de protones dependientes de voltaje
• Canales de cationes no selectivos: estos permiten de forma no selectiva muchos tipos de cationes, principalmente Na, K y Ca, a través del canal.
  • La mayoría de los canales potenciales de receptores transitorios

Clasificación por localización celular

Los canales iónicos también se clasifican según su localización subcelular. La membrana plasmática representa alrededor del 2% de la membrana total de la célula, mientras que los orgánulos intracelulares contienen el 98% de la membrana celular. Los principales compartimentos intracelulares son el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi y las mitocondrias. Sobre la base de la localización, los canales iónicos se clasifican como:

• Canales de membrana plasmática
  • Ejemplos: canales de potasio dependientes de voltaje (Kv), canales de sodio (Nav), canales de calcio (Cav) y canales de cloruro (ClC)
• Canales intracelulares, que se clasifican además en diferentes orgánulos.
  • Canales del retículo endoplásmico: RyR, SERCA, ORAi
  • Canales mitocondriales: mPTP, KATP, BK, IK, CLIC5, Kv7.4 en la membrana interna y VDAC y CLIC4 como canales de la membrana externa.

Otras clasificaciones

Algunos canales iónicos se clasifican según la duración de su respuesta a los estímulos:

• Canales de potencial receptor transitorio: este grupo de canales, normalmente denominados simplemente canales TRP, recibe su nombre por su papel en la fototransducción visual de Drosophila. Esta familia, que contiene al menos 28 miembros, es diversa en sus mecanismos de activación. Algunos canales TRP permanecen constitutivamente abiertos, mientras que otros están controlados por voltaje, Ca intracelular, pH, estado redox, osmolaridad y estiramiento mecánico. Estos canales también varían según los iones por los que pasan, algunos son selectivos para Ca mientras que otros son canales catiónicos menos selectivos. Esta familia se subdivide en 6 subfamilias según la homología: TRP canónico (TRPC), receptores vanilloides (TRPV), melastatina (TRPM), policistinas (TRPP), mucolipinas (TRPML) y proteína transmembrana de anquirina 1 (TRPA).

Estructura detallada

Los canales difieren con respecto al ion que dejan pasar (por ejemplo, Na, K, Cl), las formas en que pueden regularse, el número de subunidades que los componen y otros aspectos de la estructura. Los canales que pertenecen a la clase más grande, que incluye los canales dependientes de voltaje que subyacen al impulso nervioso, consta de cuatro subunidades con seis hélices transmembrana cada una. Al activarse, estas hélices se mueven y abren el poro. Dos de estas seis hélices están separadas por un bucle que recubre el poro y es el principal determinante de la selectividad iónica y la conductancia en esta clase de canal y en algunas otras. La existencia y el mecanismo de la selectividad iónica fueron postulados por primera vez a fines de la década de 1960 por Bertil Hille y Clay Armstrong.La idea de la selectividad iónica para los canales de potasio era que los oxígenos de carbonilo de los esqueletos de proteínas del "filtro de selectividad" (nombrado por Bertil Hille) podrían reemplazar de manera eficiente las moléculas de agua que normalmente protegen los iones de potasio, pero que los iones de sodio eran más pequeños y no pueden estar completamente deshidratado para permitir tal protección y, por lo tanto, no podría pasar. Este mecanismo finalmente se confirmó cuando se elucidó la primera estructura de un canal iónico. Un canal de potasio bacteriano KcsA, que consiste solo en el filtro de selectividad, el bucle "P" y dos hélices transmembrana, se utilizó como modelo para estudiar la permeabilidad y la selectividad de los canales iónicos en el laboratorio de Mackinnon.

Debido a su pequeño tamaño y la dificultad de cristalizar las proteínas integrales de la membrana para el análisis de rayos X, solo recientemente los científicos han podido examinar directamente el "aspecto" de los canales. En particular, en los casos en que la cristalografía requería eliminar los canales de sus membranas con detergente, muchos investigadores consideran que las imágenes obtenidas son tentativas. Un ejemplo es la estructura cristalina largamente esperada de un canal de potasio dependiente de voltaje, que se informó en mayo de 2003.Una ambigüedad inevitable sobre estas estructuras se relaciona con la fuerte evidencia de que los canales cambian de conformación a medida que operan (se abren y cierran, por ejemplo), de modo que la estructura en el cristal podría representar cualquiera de estos estados operativos. La mayor parte de lo que los investigadores han deducido sobre el funcionamiento del canal hasta ahora lo han establecido a través de la electrofisiología, la bioquímica, la comparación de secuencias de genes y la mutagénesis.

Los canales pueden tener dominios transmembrana únicos (CLIC) o múltiples (canales de K, receptores P2X, canales de Na) que atraviesan la membrana plasmática para formar poros. Pore ​​puede determinar la selectividad del canal. La puerta se puede formar dentro o fuera de la región del poro.

Farmacología

Las sustancias químicas pueden modular la actividad de los canales iónicos, por ejemplo, bloqueándolos o activándolos.

Bloqueadores de canales iónicos

Una variedad de bloqueadores de los canales iónicos (moléculas inorgánicas y orgánicas) pueden modular la actividad y la conductancia de los canales iónicos. Algunos bloqueadores de uso común incluyen:

• Tetrodotoxina (TTX), utilizada por el pez globo y algunos tipos de tritones para su defensa. Bloquea los canales de sodio.
• La saxitoxina es producida por un dinoflagelado también conocido como "marea roja". Bloquea los canales de sodio dependientes de voltaje.
• La conotoxina es utilizada por los caracoles cono para cazar presas.
• La lidocaína y la novocaína pertenecen a una clase de anestésicos locales que bloquean los canales de iones de sodio.
• La dendrotoxina es producida por serpientes mamba y bloquea los canales de potasio.
• La iberotoxina es producida por Hottentotta tamulus (escorpión de las Indias Orientales) y bloquea los canales de potasio.
• La heteropodatoxina es producida por Heteropoda venatoria (araña cazadora marrón o laya) y bloquea los canales de potasio.

Activadores de canales iónicos

Se conocen varios compuestos que promueven la apertura o activación de canales iónicos específicos. Se clasifican según el canal sobre el que actúan:

• Abridores de canales de calcio, como Bay K8644
• Abridores de los canales de cloruro, como la fenantrolina
• Abridores de canales de potasio, como minoxidil
• Abridores de canales de sodio, como DDT

Enfermedades

Hay una serie de trastornos que alteran el funcionamiento normal de los canales iónicos y tienen consecuencias desastrosas para el organismo. Los trastornos genéticos y autoinmunes de los canales iónicos y sus modificadores se conocen como canalopatías. Consulte Categoría:Canalopatías para obtener una lista completa.

• Las mutaciones del gen Shaker provocan un defecto en los canales iónicos controlados por voltaje, lo que ralentiza la repolarización de la célula.
• La parálisis periódica hiperpotasémica equina, así como la parálisis periódica hiperpotasémica humana (HyperPP), están causadas por un defecto en los canales de sodio dependientes de voltaje.
• Paramiotonía congénita (PC) y miotonías agravadas por potasio (PAM)
• Epilepsia generalizada con convulsiones febriles plus (GEFS+)
• Ataxia episódica (EA), caracterizada por episodios esporádicos de descoordinación severa con o sin mioquimia, y puede ser provocada por estrés, sobresalto o esfuerzo intenso como el ejercicio.
• Migraña hemipléjica familiar (FHM)
• Ataxia espinocerebelosa tipo 13
• El síndrome de QT largo es un síndrome de arritmia ventricular causado por mutaciones en uno o más de diez genes diferentes actualmente, la mayoría de los cuales son canales de potasio y todos afectan la repolarización cardíaca.
• El síndrome de Brugada es otra arritmia ventricular causada por mutaciones en el gen del canal de sodio dependiente de voltaje.
• La polimicrogiria es una malformación cerebral del desarrollo causada por mutaciones del gen del receptor NMDA y del canal de sodio dependiente de voltaje.
• La fibrosis quística es causada por mutaciones en el gen CFTR, que es un canal de cloruro.
• La mucolipidosis tipo IV está causada por mutaciones en el gen que codifica el canal TRPML1
• Las mutaciones y la sobreexpresión de los canales iónicos son eventos importantes en las células cancerosas. En el glioblastoma multiforme, la regulación positiva de los canales de potasio gBK y los canales de cloruro ClC-3 permite que las células de glioblastoma migren dentro del cerebro, lo que puede conducir a los patrones de crecimiento difuso de estos tumores.

Historia

Los biofísicos británicos Alan Hodgkin y Andrew Huxley analizaron las propiedades fundamentales de las corrientes mediadas por canales iónicos como parte de su investigación ganadora del Premio Nobel sobre el potencial de acción, publicada en 1952. Se basaron en el trabajo de otros fisiólogos, como Cole y la investigación de Baker sobre los poros de membrana dependientes de voltaje de 1941. La existencia de canales iónicos fue confirmada en la década de 1970 por Bernard Katz y Ricardo Miledi mediante análisis de ruido.. Luego se mostró más directamente con una técnica de grabación eléctrica conocida como "pinza de parche", lo que llevó a un Premio Nobel a Erwin Neher y Bert Sakmann, los inventores de la técnica. Cientos, si no miles, de investigadores continúan buscando una comprensión más detallada de cómo funcionan estas proteínas. En los últimos años, el desarrollo de dispositivos de abrazadera de parche automatizados ayudó a aumentar significativamente el rendimiento en la detección de canales iónicos.

El Premio Nobel de Química de 2003 fue otorgado a Roderick MacKinnon por sus estudios sobre las propiedades fisicoquímicas de la estructura y función de los canales iónicos, incluidos los estudios de estructura cristalográfica de rayos X.

Cultura

Roderick MacKinnon encargó El nacimiento de una idea, una escultura de 1,5 m (5 pies) de altura basada en el canal de potasio KcsA. La obra de arte contiene un objeto de alambre que representa el interior del canal con un objeto de vidrio soplado que representa la cavidad principal de la estructura del canal.