Canales Iónicos I y II PDF

CANALES IÓNICOS I y II “Los canales iónicos son las proteínas responsables de la generación y orquestación de las señales eléctricas que atraviesan el cerebro que piensa, el corazón que late y el músculo que se contrae”. Premios Nobel: 1963, John C. Eccles, Alan L. Hodgkin y Andrew F. Huxley,...

CANALES IÓNICOS I y II “Los canales iónicos son las proteínas responsables de la generación y orquestación de las señales eléctricas que atraviesan el cerebro que piensa, el corazón que late y el músculo que se contrae”. Premios Nobel: 1963, John C. Eccles, Alan L. Hodgkin y Andrew F. Huxley, Fisiología y Medicina: “por sus descubrimientos sobre los mecanismos iónicos envueltos en la excitación e inhibición de las porciones periféricas y centrales de la membrana de las células del sistema nervioso”. 1991, Erwin Neher y Bert Sakmann, Fisiología y Medicina: “por sus descubrimientos sobre la función de los canales iónicos en las células”. 2003, Peter Agre y Roderick MacKinnon, Química: “por sus descubrimientos sobre canales en la membrana celular”. 1. TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Célula envuelta en membrana plasmática para impermeabilizar a la célula. La bicapa lipídica hace que algunas sustancias no puedan pasar de un lado a otro. Para que los iones se desplacen se usan canales iónicos → proteínas embebidas en la membrana, generalmente cerrados pero al abrirse permiten el paso de iones. 1.1. Clasificación general Canales iónicos SÓLO Transporte pasivo (a favor de gradiente electroquímico). De donde hay mayor concentración a donde hay menor. 108 iones/seg. Son muy rápidos, como una compuerta que se abre y pasa toda el agua. Proteínas transportadoras Dependiendo del gradiente: ○ Transportadores pasivos. ○ Transportadores activos (acoplados hidrólisis de ATP). De donde hay poco a donde hay mucha concentración. Estequiometría fija. Velocidad de 102-104 iones/seg. Generalidades de los sistemas de transporte: 5 % del genoma codifica para estas proteínas. Es bastante genoma para las proteínas de transporte. Específicos de cada tipo celular. Numerosas mutaciones asociadas a patología. Diana terapéutica de numerosos fármacos. 2. PRINCIPIOS DE ELECTROFISIOLOGÍA Premios nobel para: Erwin Bert y Neher Sakman que desarrollaron la técnica de electrofisiología. La electrofisiología ha sido clave para entender los canales iónicos. Consiste en sellar una célula con una pipeta, como hacer una ventosa y se coloca un electrodo para medir la electricidad de la célula. Con el electrodo se mide el potencial de membrana con el tiempo. 1  Al hacer esto en una célula en reposo → Potencial de reposo = ~ -70 mV. La negatividad es debido a que hay muchas cargas negativas dentro de la célula. Si se abre un canal de potasio, sale de la célula y el potencial se hace más negativo (se hiperpolariza la célula). Esto es debido a que hay más potasio dentro que fuera. Seguirán saliendo las cargas hasta que se igualen las cargas en el potencial de equilibrio. Para el caso del potasio es de -91 mV. Para el caso de Na, entraría sodio en la célula y el potencial se hace más positivo, se despolariza. De la tabla hay que aprenderse si hay mucho o poco de cada ión, no los valores exactos: entra Na, Ca, Cl // sale K. Hiperpolarización → más negativo dentro de la célula. Despolarización → menos cargas negativas dentro de la célula. Ley Ohm: V = I ᐧ R. La resistencia es la membrana plasmática. 1. Si fijamos cte el voltaje de la célula, luego se abren canales y se ve lo que ocurre. Esto se llama trabajar en Voltage-clamp (Fijación de voltaje). Aquí detectamos cambios en la intensidad. Si abrimos un canal de sodio, el sodio entra, llamado inwar current (se despolariza, se hace menos electronegativo). En el caso del potasio, sale de la célula y se dice Outward current. 2. Si queremos detectar cambios en el voltaje trabajaremos con Current-clamp (Fijación de corriente). En este caso se fija la intensidad de corriente (dejar los canales abiertos o cerrados) y se ve que le pasa al potencial de membrana. 3. GENERALIDADES DE LOS CANALES IÓNICOS Flujo pasivo de iones a favor de gradiente electroquímico. Selectivos a determinados iones. Cuando se abran las compuertas no pasa todo lo que haya, pasarán un ión o dos… ○ Canales de Na+. ○ Canales de K+. ○ Canales de Ca2+. Diferentes mecanismos de apertura: ○ Abiertos de manera constitutiva. No es lo habitual. 2  ○ Potencial de membrana. ○ Ligandos extracelulares. Moléculas que se unen al canal y que vienen de fuera de la célula. ○ Ligandos intracelulares. Moléculas que se unen al canal y que vienen de dentro de la célula. ○ Fuerzas mecánicas. Habrá diferentes estados: ○ Canal en reposo (cerrado y disponible para ser abierto). ○ Activo (abierto). ○ Inactivado o refractario (cerrado sin poder ser activado). 3.1. Clasificación de los canales iónicos Selectividad al ión. ○ Canales de Na+ ○ Canales de K+ ○ Canales de Ca2+ ○ Canales de Cl- Mecanismo de apertura. Los estudiaremos según esto. ○ Dependientes de voltaje. ○ Dependientes de ligando extracelular. ○ Dependientes de ligando intracelular. ○ Dependientes de señales mecánicas. Estructura tridimensional ○ Familia 2TM: Kir ○ Familia 6TM: Nav, Cav, Kv ○ Familia 7TM: BaKCa Dentro de los canales clasificados en función de su mecanismo de apertura se encuentran: Canales dependientes de voltaje ○ Voltage-gated channels. Canales de Na+, Canales de K+, Canales de Ca2+. ○ Inward rectifiers channels (Kir’s). Canales dependientes de ligando (extracelular) ○ Receptores Cys-loop Receptor nicotínico de AcetilColina (nAChR). Receptor de GABA-A. ○ Receptores de Glu AMPA/Kainato NMDA Canales dependientes de ligando (intracelular) ○ Canales de K+ activados por Ca2+ ○ Canales de K+ activados por ATP 4. CANALES IÓNICOS DEPENDIENTES DE VOLTAJE Permeables a Na+, Ca2+, K+, Cl-. 3  Alta selectividad. Activación por cambios en el potencial de membrana. Esta es la señal que hace que los canales se abran. Funciones: ○ Propagación de potenciales de acción (en células excitables). ○ Regulan potencial de membrana. ○ Regulan concentración de Ca2+. 4.1. Canales K+ dependientes de voltaje: Kv Estructura tetramérica (4 subunidades conforman el canal activo). Para que el canal sea funcional debe tener las 4 subunidades. Cada subunidad con el extremo amino hacia el citoplasma. 6 fragmentos que atraviesan la membrana (S1-S6). El S5 y S6 conforman el poro del canal. La parte que une al S5 con S6 y está localizado hacia el exterior se denomina P-loop o Filtro de selectividad. Este filtro de selectividad sólo permite el paso de iones K +. El fragmento S4 es el sensor de voltaje, detecta los cambios en el potencial de membrana y es la señal para abrir el canal. Este fragmento está formado por aminoácidos con carga positiva. El canal se abre y se cierran en función del voltaje: Las cargas negativas de la célula tiran de las cargas positivas del S4, así el fragmento S4 tira del S5 y S6 y al final se acaba cerrando físicamente el canal con una diferencia electrostática, simplemente porque las cargas negativas de la célula tiran del S4. → CANAL CERRADO CON LA CÉLULA HIPERPOLARIZADA. Si la célula se despolariza, hay menos cargas negativas dentro y ahora los aniones del espacio extracelular (porque hay más cargas negativas fuera que dentro) son los que tiran de S4 y este tira de S5 y S6 pero en dirección contraria para que se abra el canal. → CANAL ABIERTO CON LA CÉLULA DESPOLARIZADA. Se produce un cambio tridimensional en el canal cuando se abre y se cierra. Como las concentraciones de K+ son mayores dentro que fuera, cuando el canal se abra por una despolarización (más iones positivos dentro que fuera) los iones K + saldrán fuera de la célula, contribuyendo a que el potencial de membrana vuelva a ser negativo. Finalmente, los canales de K+ 4 se cierran y el potencial de reposo es restablecido por la bomba de sodio-potasio, que intercambia los iones Na+ que entraron por los K+ que salieron. Cuando el canal se abre, ¿cómo hace para que sólo pase el potasio? Gracias al filtro de selectividad se permite solo el paso del potasio. Los aminoácidos tienen los grupos carboxilo con carga negativa hacia el centro del canal, hacia dentro, permitiendo unirse cationes con carga positiva (calcio, potasio y sodio). El calcio se diferencia fácilmente porque hay 2 cargas positivas en vez de una, pero entre el potasio y el sodio hay sólo 1 carga positiva. Entonces ¿cómo se diferencia entre el potasio y el sodio?: Gracias al peso atómico: el potasio tiene mayor peso atómico. En disolución acuosa, el sodio tiene mayor fuerza de atracción porque hay menor peso atómico. El potasio tiene menor fuerza y por lo tanto tendrá menos agua a su alrededor. Para que el ion pase por el canal hay que quitar las moléculas de agua, y le costará menos al canal quitar el agua del potasio y así selecciona al potasio para entrar. (↑ peso atómico ↓ fuerza atracción H2O). Gracias a la estructura del canal: que tendrá la forma exacta para que entre el potasio y no otra molécula. El sodio como es más pequeño no podrá interaccionar con los carboxilos a la vez, y nunca con los 4 carboxilos del canal. Energéticamente es más rentable que haya 4 carboxilos haciendo la fuerza de quitar el agua para que el potasio entre. ➔ Se deja pasar solo al K + porque: (1) tiene sólo 1 carga negativa y (2) porque su peso atómico es mayor. Este canal tiene diferentes estados: En reposo, a - 70 mV, el canal está cerrado. Si la célula se despolariza, habrá más cargas positivas fuera y se abre el canal. Estado inactivado, gracias a la estructura de Ball-and Chain que es un fragmento del canal con cargas positivas y que por diferencia de potencial, las cargas positivas del Ball-and Chain se ven atraídas hacia el exterior (cuando hay más cargas negativas fuera) de la célula bloqueando el canal. Este estado no lo tienen todos los canales, que solo tienen abierto/cerrado. En este caso, aunque la célula esté despolarizada, está el canal inactivado y no se permite el paso de iones. 5 4.2. Canales Na+ y Ca2+ dependientes de voltaje Estos canales solo tienen una cadena polipeptídica pero con 4 dominios idénticos a las subunidades que conforman el canal de potasio. Los dominios van del 1 al 4 numerados. Tienen los fragmentos S5 y S6 con el poro. Todo es idéntico al canal de potasio y tiene 6 canales/fragmentos transmembrana. Canales de sodio Su peso atómico es menor y por eso se discierne a que solo entre el sodio. Hay muchos subtipos de este canal. La subunidad alpha es la que conforma el canal. Formando el canal sodio hay muchas otras subunidades llamadas beta, que son subunidades acompañantes para la regulación del canal: Nivel de expresión. Dependencia de voltaje. Cinética de la sub α. Asociación con moléculas de señalización/citoesqueleto. Si abre canales de sodio, entran cargas positivas produciendo inward current → despolarización. Con el potasio es al revés, se produce outward current → polarización. En el potencial de acción se produce una despolarización, un cambio en el potencial de acción y se abren los canales de sodio, entran cargas positivas: 6 Receptores de calcio Existe gran variabilidad en sus canales. A nivel patológico estos canales son muy importantes porque hay mutaciones específicas que causan patologías. Las epilepsias están relacionadas con dichas mutaciones. Estos canales se activan por despolarización y producen una inward current. El potasio produce una hiperpolarización, cuando el gen de su canal muta impide que la célula polarice y se adquiere el temblor del shaker. Clasificación canales de Cav Canales de bajo umbral: T-type. Canales de alto umbral: ○ L-type. ○ Non L-type (P, N, Q, R). 4.3. Canalopatías asociadas a canales dependientes de voltaje 7 4.4. Inward rectifiers channels (Kir’s) Sólo tienen 2 fragmentos transmembrana y son tetrámetros. En reposo está bloqueado por ciertas moléculas que se meten dentro del canal. Cuando se abre un canal de potasio, este intenta salir de la célula pero habrá moléculas (magnesio y poliaminas) que impiden su salida. Además la estructura de embudo tampoco permite el paso del potasio. Por mucho que se produzcan cambios de potencial en la célula, habrán cationes bloqueando el paso. Si la célula se hiperpolariza, con potencial muy negativo ocurren dos cosas: 1. La fuerza electrostática que permite que el magnesio y las aminas están bloqueadas queda diluida. 2. Si el potasio quiere entrar podrá apartar las poliaminas, la entrada de iones se produce cuando la célula se hiperpolariza. Entonces con hiperpolarización → Abierto, Desplazamiento de los cationes. Con Despolarización → “Cerrado”: cationes bloquean la salida del K +. 8 Estos canales rectifican la hiperpolarización que se produce tras el cambio en el potencial de acción, para cuando hay potenciales demasiado negativos, el potasio entre y vuelva a su potencial de reposo. De ahí viene su nombre. 5. DEPENDIENTES DE LIGANDO EXTRACELULAR (=Rs ionotrópicos) Moléculas que se liberan y sirven de señal para que el canal se abra. Estos canales también se llaman receptores ionotrópicos. 5.1. Receptores Cys-loop Tienen un extremo N-terminal de gran tamaño localizado hacia el espacio extracelular con unas cisteínas, entre las cisteínas se forman enlaces para producir los cys-cys loops. Se llaman así porque estructuralmente tienen esta conformación. Loop cys característico en segmento N-terminal y dominios. Dos grandes receptores: 1. R nicotínico de Acetilcolina (nAChR). 2. R GABA-A (gamma-amino butyric acid). Hay cuatro fragmentos transmembrana y para conformar la estructura activa del canal deben estar en pentámeros, son canales pentamericos (5 subunidades conforman el canal). El fragmento M2 atraviesa la membrana y es el que permite la selectividad del canal. Estos canales son menos selectivos que los dependientes de voltaje, van a dejar pasar varios iones. El potencial de membrana, medido en un registro electrofisiológico: El primero, donde se aplica ACh → canal de sodio. En el que se aplica GABA: hiperpolarización, corriente Outward current → sería un canal de salida de potasio o entrada de cloro (meter aniones). Será canal de cloro, entrada de cloro e hiperpolarización. El fragmento M2 es el selectivo y deja pasar cargas positivas gracias a las acidic regions. Estas son regiones con aminoácidos negativos en esa parte → aa ácidos (-). Estos aa atraen a cargas positivas y provocan que aunque el canal esté cerrado, alrededor haya nubes de cargas positivas, tanto dentro como fuera de la célula. Hay mucho sodio fuera (pq sodio hay mucho fuera) y mucho potasio dentro. 9 nAChR Canal catiónico no selectivo. Principalmente Na+ y K+, también Ca2+ y Mg2+ M2 conforma el poro del canal. Activado por AcColina que provoca cambio conformacional al unirse. Acid regions → aa acídicos (-). Gate region → aa hidrofóbicos (Leu). El canal está cerrado gracias a la gate region que son aa hidrófobos y repelen a lo que sea hidrofílico, repelen al paso de cationes. Si llega el ACh, ligando que permite apertura, se une al canal y produce un cambio conformacional que hace que se desplacen los aa, abriendo el canal. Cuando se abre, el sodio entra, el potasio podrá salir, el calcio puede entrar… Estos iones de carga + unidos a las acid region podrán ir pasando. Entrará más sodio que salir potasio, por la diferencia del potencial de membrana, el del potasio es cercano a -70 y por eso sale pero con menos fuera, en cómputo global se produce una despolarización porque entra sodio y habrá inward current. La Ach se une al cys-loop. Se unen dos Ach por cada receptor. GABA-R El receptor de GABA produce una outward current y su manera de actuar es idéntica a los receptores de ACh. Hay aa a la entrada y salida del canal de carácter básico, con cargas positivas que atraen una nube de aniones, en este caso cloruro, dentro y fuera de la célula. El canal está cerrado por aa hidrofóbicos en el centro del canal. Cuando llega el neurotransmisor GABA se produce un cambio conformacional que aparta los aa hidrofóbicos y se abre el canal, el Cl entrará hasta que alcance su potencial de equilibrio, produciendo hiperpolarización de la célula. Fisiología y patología nAChR: Los receptores nicotínicos de acetilcolina tienen relevancia en el hipocampo en procesos de memoria y aprendizaje, la pérdida de estos receptores está ligada a la enfermedad de alzheimer, se trata con inhibidores de acetilcolinesterasa. Transmisión colinérgica: aprendizaje, memoria, cognición. Disminución en la enfermedad de Alzheimer. Tratamiento: I de acetilcolinesterasa GABA-R: neurotransmisor inhibitorio que hiperpolariza, alejando a la neurona de producir potencia de acción porque la hace más electronegativa, sin embargo no es así siempre porque hay un proceso llamado GABA Switch, siendo el GABA excitatorio y pasa a ser inhibitorio. Mutaciones en receptores de GABA están asociados a epilepsia y enfermedades neuropsiquiátricas (ansiedad, depresión). GABA → Principal NT inhibitorio. ↓ GABA: Ansiedad, depresión mayor, esquizofrenia, autismo. Análogo GABA: ácido valproico (aproximación farmacológica). 5.2. Receptores de Glu El Glu es el 1º neurotransmisor excitatorio. 10 Los dos tipos (AMPA/Kainato y NMDA) que hay son canales catiónicos, poco selectivos y permeables al sodio (produce despolarización) y potasio (sobre todo permiten el paso de estos) y a veces al calcio. Son tetraméticos (4 subunidades). AMPA (GluARs) N terminal hacia afuera donde se produce la unión al neurotransmisor y el extremo C terminal al interior. Tienen un fragmento que permite la selectividad que conforma el poro del canal y que no atraviesa por completo la membrana. Tetraméricos: Están formados por cuatro subunidades que pueden ser diferentes tipos de subunidades del receptor AMPA (GluA1, GluA2, GluA3, GluA4). Función: Son receptores activados rápidamente por el glutamato y permiten el paso de iones como sodio (Na⁺) y, en algunos casos, calcio (Ca²⁺), lo que contribuye a la despolarización de la célula. Despolarización rápida: Son responsables de la rápida transmisión sináptica excitadora en el sistema nervioso central. NMDA (GluNRs) Los NMDA, además de sodio y potasio, son muy permeables al calcio, son 5 veces más permeables a calcio que a sodio. Para que los canales se abran, se debe unir el neurotransmisor y también el coagonista (glicina), se debe unir el glutamato y la glicina. Además, estos canales activados por ligando extracelular, no solo necesitan el neurotransmisor y el coagonista, sino que se debe producir una despolarización. Esto ocurre porque en potencial de reposo hay una molécula de magnesio bloqueando el canal y aunque el canal se abra está el magnesio en medio y no permite el paso. La neurona se debe despolarizar para que el canal permita el paso de iones. Igual que los Rs AMPA: Se activan por Glu y son permeables a Na+ y K+. A diferencia que los Rs AMPA: ○ Cerrados a potencial de membrana en reposo → Canal bloqueado por Mg2+ ○ Sitio de unión a co-agonista → Glicina. 11  ○ Altamente permeables a Ca2+ → (~ x5 Na+) Los NMDA: Tetraméricos: También están formados por cuatro subunidades. Las subunidades típicas del receptor NMDA incluyen GluN1 y GluN2 (A-D), y en algunos casos GluN3. Función: Son únicos porque requieren la unión simultánea de glutamato y glicina o D-serina para activarse, y también son dependientes de voltaje debido al bloqueo por iones de magnesio (Mg²⁺) en condiciones de reposo. Permiten el paso de iones como sodio (Na⁺), calcio (Ca²⁺) y potasio (K⁺). Importancia en plasticidad sináptica: Los receptores NMDA tienen un papel clave en la plasticidad sináptica, como en la potenciación a largo plazo (LTP), y son fundamentales para procesos como el aprendizaje y la memoria. Se va a producir una interacción entre los receptores AMPA y NMDA: Vesícula pre-sináptica libera Glu. Glu se une a Rs AMPA/Kainato y NMDA. Flujo de iones Rs AMPA/Kainato (Na+, K+) Despolarización. ○ EPSP: Excitatory postsynaptic potential Si despolarización suficiente: ○ Liberación del Mg2+. ○ Flujo iones NMDA (Ca2+, Na+, K+). ○ Mecanismos de plasticidad sináptica: LTP: Long-term potentiation. LTD: Long-term depression. Imaginemos Sinapsis: la neurona postsináptica libera glutamato (agonista) que se une a los receptores NMDA de la membrana presináptica, además se produce el cambio conformacional de apertura porque hay glicina. Pero no pasan cationes porque sigue el magnesio. El glutamato se une al receptor de AMPA también y se abre entrando sodio (puede salir también algo de potasio) pero al entrar sodio la neurona se despolariza y ahora ya el magnesio se va del canal NMDA y el receptor de NMDA pasa a estar abierto de verdad, entrando más sodio y mucho calcio. Estos procesos son clave para la plasticidad sináptica, esto es la base del LTP y LTD, que son formas de regular la señalización de las conexiones sinápticas. 5.2.1. LTP y LTD LTP: long term potentiation es una activación de alta frecuencia, liberando mucho glutamato que actúa primero en receptores AMPA produciendo despolarización y permite apertura de NMDA entrando calcio. Cuando entra el Ca, es imp porque es mensajero, su entrada activa la enzima calcio-calmodulina kinasa 2 (las quinasas añaden grupos fosfato a otras proteínas para señalizar). El calcio activa, a través de su enzima, una ruta para que haya más receptores AMPA en la membrana, los receptores que haya en vesículas van a la membrana. Esto ocurre con conexiones que se necesita que estén activas, como ocurre al estudiar. 12 LTD: Lo contrario ocurre si no se necesitan conexiones y habrá una liberación de glutamato de baja frecuencia, se activaran un poco los receptores pero entrara poco calcio, aquí se activa otra ruta para eliminar receptores de membrana porque esta señalización o conexión ya no es útil, a través de la enzima calcineurina. Esto es importante porque es una forma de plasticidad, de adaptar el SN a las necesidades. Es un mecanismo que debe estar muy regulado, porque un exceso de procesos de LTP o liberación de glutamato produce excitotoxicidad, muerte celular por exceso de glutamato. En rodajas de hipocampo, en la region CA1 (diapo 41, foto abajo), los negros tienen alzheimer y los blancos son los controles. Al aplicar corriente a la rodaja de hipocampo se produce LTP, en la rodaja con mutaciones de Alzheimer, los potenciales son inferiores y por eso no se generan recuerdos en personas con esta patología. Lo mismo ocurre en situaciones con estrés que pueden conducir a una reducción de la memoria. 13 A partir de la diapo 42 no entra en el examen: Canales dependientes de ligando (intracelular) Canales de K+ activados por Ca2+ Canales de K+ activados por ATP. 14 Las toxinas y los canales iónicos: TTX (tetradotoxina) ○ Bloqueante de canales de Na+ ○ Pez globo Conotoxinas ○ Bloqueantes de numerosos canales (Na+, K+, Ca2+...). ○ Numerosos gasterópodos marinos (Conus). ○ Herramienta farmacológica (ziconotide). 15