Canal iónico dependiente de voltaje
Tipo de proteína transmembrana de canal iónico
Cada uno de los cuatro dominios homólogos constituye una subunidad del canal iónico. Los segmentos de detección de voltaje S4 (marcados con símbolos +) se muestran cargados.
Identificadores
SímboloVictoria
Clan PfamCL0030
Base de datos de datos termodinámica1.A.1
Superfamilia OPM8
Proteína OPM2a79
Los iones se representan mediante círculos rojos. Un gradiente se representa mediante la diferente concentración de iones a cada lado de la membrana. La conformación abierta del canal iónico permite la translocación de iones a través de la membrana celular, mientras que la conformación cerrada no lo permite.

Los canales iónicos dependientes del voltaje son una clase de proteínas transmembrana que forman canales iónicos que se activan por cambios en el potencial eléctrico de la membrana de una célula cerca del canal. El potencial de membrana altera la conformación de las proteínas del canal, regulando su apertura y cierre. Las membranas celulares son generalmente impermeables a los iones , por lo que deben difundirse a través de la membrana mediante canales de proteínas transmembrana.

Los canales iónicos dependientes del voltaje desempeñan un papel crucial en las células excitables, como los tejidos neuronales y musculares, ya que permiten una despolarización rápida y coordinada en respuesta a un cambio de voltaje desencadenante . Los canales iónicos dependientes del voltaje se encuentran a lo largo del axón y en la sinapsis y propagan señales eléctricas de manera direccional.

Los canales iónicos dependientes del voltaje suelen ser específicos de cada ion, y se han identificado canales específicos para los iones de sodio (Na + ), potasio (K + ), calcio (Ca 2+ ) y cloruro (Cl − ). [1] La apertura y el cierre de los canales se desencadenan al cambiar la concentración de iones y, por lo tanto, el gradiente de carga, entre los lados de la membrana celular. [2]

Estructura

Conformación de los cuatro dominios homólogos que muestra la formación de un poro central

Los canales iónicos dependientes del voltaje generalmente están compuestos por varias subunidades dispuestas de tal manera que existe un poro central a través del cual los iones pueden viajar a lo largo de sus gradientes electroquímicos . Los canales tienden a ser específicos para cada ion, aunque a veces pueden viajar a través de ellos iones de tamaño y carga similares.

La funcionalidad de los canales iónicos dependientes del voltaje se atribuye a sus tres unidades discretas principales: el sensor de voltaje, el poro o vía conductora y la compuerta. [3] Los canales de Na + , K + y Ca 2+ están compuestos por cuatro dominios transmembrana dispuestos alrededor de un poro central; estos cuatro dominios son parte de una sola subunidad α en el caso de la mayoría de los canales de Na + y Ca 2+ , mientras que hay cuatro subunidades α, cada una de las cuales contribuye con un dominio transmembrana, en la mayoría de los canales de K + . [4]

Los segmentos que atraviesan la membrana, denominados S1-S6, adoptan la forma de hélices alfa con funciones especializadas. Los segmentos transmembrana quinto y sexto (S5 y S6) y el bucle de poro cumplen la función principal de conducción de iones, y comprenden la compuerta y el poro del canal, mientras que S1-S4 sirven como región de detección de voltaje. [3]

Las cuatro subunidades pueden ser idénticas o diferentes entre sí. Además de las cuatro subunidades α centrales, también existen subunidades β reguladoras, con actividad oxidorreductasa , que se encuentran en la superficie interna de la membrana celular y no atraviesan la membrana, y que se ensamblan con las subunidades α en el retículo endoplasmático . [5]

Mecanismo

Los estudios estructurales cristalográficos de un canal de potasio han demostrado que, cuando se introduce una diferencia de potencial sobre la membrana, el campo eléctrico asociado induce un cambio conformacional en el canal de potasio. El cambio conformacional distorsiona la forma de las proteínas del canal lo suficiente como para que la cavidad, o canal, se abra para permitir que se produzca el flujo de entrada o salida a través de la membrana. Este movimiento de iones a favor de sus gradientes de concentración genera posteriormente una corriente eléctrica suficiente para despolarizar la membrana celular.

Los canales de sodio y calcio dependientes del voltaje están formados por un único polipéptido con cuatro dominios homólogos. Cada dominio contiene seis hélices alfa que atraviesan la membrana . Una de estas hélices, S4, es la hélice que detecta el voltaje. [6] El segmento S4 contiene muchas cargas positivas, de modo que una carga positiva alta fuera de la célula repele la hélice, manteniendo el canal en su estado cerrado.

En general, la porción del canal iónico que detecta el voltaje es responsable de la detección de cambios en el potencial transmembrana que desencadenan la apertura o el cierre del canal. En general, se cree que las hélices alfa S1-4 cumplen esta función. En los canales de potasio y sodio, las hélices S4 que detectan el voltaje contienen residuos de lisina o arginina con carga positiva en motivos repetidos. [3] En su estado de reposo, la mitad de cada hélice S4 está en contacto con el citosol celular. Tras la despolarización, los residuos con carga positiva en los dominios S4 se mueven hacia la superficie exoplásmica de la membrana. Se cree que las primeras 4 argininas son responsables de la corriente de activación, que se mueve hacia el disolvente extracelular tras la activación del canal en respuesta a la despolarización de la membrana. El movimiento de 10 a 12 de estas cargas positivas unidas a proteínas desencadena un cambio conformacional que abre el canal. [4] Actualmente no hay consenso sobre el mecanismo exacto por el cual se produce este movimiento, sin embargo los modelos canónico, transportador, de paleta y retorcido son ejemplos de teorías actuales. [7]

El movimiento del sensor de voltaje desencadena un cambio conformacional de la compuerta de la vía conductora, controlando el flujo de iones a través del canal. [3]

La parte funcional principal del dominio proteico sensible al voltaje de estos canales generalmente contiene una región compuesta por hélices S3b y S4, conocida como la "paleta" debido a su forma, que parece ser una secuencia conservada , intercambiable en una amplia variedad de células y especies. También se ha encontrado una paleta sensora de voltaje similar en una familia de fosfatasas sensibles al voltaje en varias especies. [8] La ingeniería genética de la región de la paleta de una especie de arqueobacteria que habita en volcanes en canales de potasio del cerebro de rata da como resultado un canal iónico completamente funcional, siempre que se reemplace toda la paleta intacta. [9] Esta " modularidad " permite el uso de sistemas modelo simples y económicos para estudiar la función de esta región, su papel en la enfermedad y el control farmacéutico de su comportamiento en lugar de limitarse a preparaciones mal caracterizadas, costosas y/o difíciles de estudiar. [10]

Aunque los canales iónicos dependientes de voltaje generalmente se activan por la despolarización de la membrana , algunos canales, como los canales iónicos de potasio rectificadores hacia adentro , se activan en cambio por la hiperpolarización .

Se cree que la compuerta está acoplada a las regiones de detección de voltaje de los canales y parece contener una obstrucción mecánica al flujo de iones. [11] Si bien se ha acordado que el dominio S6 es el segmento que actúa como esta obstrucción, se desconoce su mecanismo exacto. Las posibles explicaciones incluyen: el segmento S6 realiza un movimiento similar al de una tijera que permite que los iones fluyan a través de él, [12] el segmento S6 se divide en dos segmentos que permiten el paso de iones a través del canal, [13] o el canal S6 actúa como la propia compuerta. [14] El mecanismo por el cual el movimiento del segmento S4 afecta al de S6 aún se desconoce, sin embargo, se teoriza que existe un enlace S4-S5 cuyo movimiento permite la apertura de S6. [3]

La inactivación de los canales iónicos se produce en cuestión de milisegundos tras su apertura. Se cree que la inactivación está mediada por una compuerta intracelular que controla la apertura del poro en el interior de la célula. [15] Esta compuerta se modela como una bola atada a una cadena flexible . Durante la inactivación, la cadena se pliega sobre sí misma y la bola bloquea el flujo de iones a través del canal. [16] La inactivación rápida está directamente relacionada con la activación causada por los movimientos intramembrana de los segmentos S4, [17] aunque se desconoce el mecanismo que vincula el movimiento de S4 y la activación de la compuerta de inactivación.

Diferentes tipos

Sodio (Na+) canales

Los canales de sodio tienen propiedades funcionales similares en muchos tipos de células diferentes. Si bien se han identificado diez genes humanos que codifican canales de sodio, su función suele conservarse entre especies y diferentes tipos de células. [17]

Calcio (Ca2+) canales

Se han identificado dieciséis genes diferentes para los canales de calcio humanos; este tipo de canal difiere en su función entre los distintos tipos de células. Los canales de Ca2 + producen potenciales de acción de manera similar a los canales de Na + en algunas neuronas. También desempeñan un papel en la liberación de neurotransmisores en las terminaciones nerviosas presinápticas . En la mayoría de las células, los canales de Ca2 + regulan una amplia variedad de procesos bioquímicos debido a su papel en el control de las concentraciones intracelulares de Ca2 + . [13]

Potasio (K+) canales

Los canales de potasio son la clase más grande y diversa de canales regulados por voltaje, con más de 100 genes humanos codificantes. Estos tipos de canales difieren significativamente en sus propiedades de activación; algunos se inactivan extremadamente lentamente y otros lo hacen extremadamente rápido. Esta diferencia en el tiempo de activación influye en la duración y la velocidad de activación del potencial de acción, lo que tiene un efecto significativo en la conducción eléctrica a lo largo de un axón, así como en la transmisión sináptica. Los canales de potasio difieren en estructura de los otros canales en que contienen cuatro subunidades polipeptídicas separadas, mientras que los otros canales contienen cuatro dominios homólogos pero en una sola unidad polipeptídica. [7]

Cloruro (Cl−) canales

Los canales de cloruro están presentes en todos los tipos de neuronas. Su función principal es controlar la excitabilidad, contribuyen al mantenimiento del potencial de reposo celular y ayudan a regular el volumen celular. [1]

Protón (H+) canales

Los canales de protones dependientes del voltaje transportan corrientes mediadas por iones de hidrógeno en forma de hidronio y se activan por despolarización de manera dependiente del pH . Su función es eliminar el ácido de las células. [18] [19] [20]

Filogenética

Los estudios filogenéticos de las proteínas expresadas en bacterias revelaron la existencia de una superfamilia de canales de sodio dependientes de voltaje. [21] Estudios posteriores han demostrado que una variedad de otros canales iónicos y transportadores están filogenéticamente relacionados con los canales iónicos dependientes de voltaje, incluidos:

Véase también

Referencias

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  2. ^ Catterall WA (abril de 2000). "De las corrientes iónicas a los mecanismos moleculares: la estructura y función de los canales de sodio dependientes del voltaje". Neuron . 26 (1): 13–25. doi : 10.1016/S0896-6273(00)81133-2 . ​​PMID  10798388.
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  • Subunidades de canales iónicos dependientes de voltaje de IUPHAR-DB
  • Compendio de canales iónicos dependientes del voltaje de la IUPHAR 2005
  • Canales aniónicos dependientes del voltaje en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.
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