En electrofisiología , el término puerta se refiere a la apertura ( activación ) o cierre (por desactivación o inactivación) de los canales iónicos . [1] Este cambio en la conformación es una respuesta a los cambios en el voltaje transmembrana. [2]
Cuando los canales de iones están en un estado 'cerrado' (no conductor), son impermeables a los iones y no conducen corriente eléctrica. Cuando los canales iónicos están en su estado abierto, conducen la corriente eléctrica al permitir que tipos específicos de iones pasen a través de ellos y, por lo tanto, a través de la membrana plasmática de la célula . La compuerta es el proceso por el cual un canal de iones cambia entre sus estados abierto y cerrado. [3]
Una variedad de cambios celulares puede desencadenar gating, en función del canal de iones, incluyendo cambios en la tensión a través de la membrana celular ( canales iónicos activados por voltaje ), productos químicos que interactúan con el canal de iones ( por ligando canales de iones ), cambios de temperatura, [ 4] estiramiento o deformación de la membrana celular, adición de un grupo fosfato al canal iónico ( fosforilación ) e interacción con otras moléculas en la célula (p. Ej., Proteínas G ). [5] La velocidad a la que se produce cualquiera de estos procesos de activación en respuesta a estos desencadenantes se conoce como cinética de activación. Algunos fármacos y muchas toxinas de los canales iónicos actúan como "modificadores de la puerta" de los canales iónicos activados por voltaje al cambiar la cinética de la puerta. [6]
Los canales iónicos activados por voltaje del potencial de acción a menudo se describen como que tienen cuatro procesos de activación: activación, desactivación, inactivación y reactivación (también llamada "recuperación de la inactivación"). La activación es el proceso de apertura de la puerta de activación, que ocurre en respuesta a que el voltaje dentro de la membrana celular (el potencial de membrana ) se vuelve más positivo con respecto al exterior de la célula ( despolarización ), y la 'desactivación' es el proceso opuesto de la puerta de activación se cierra en respuesta a que el interior de la membrana se vuelve más negativo (repolarización). La 'inactivación' es el cierre de la puerta de inactivación y ocurre en respuesta a que el voltaje dentro de la membrana se vuelve más positivo, pero más lento que la activación. La 'reactivación' es lo opuesto a la inactivación, y es el proceso de reabrir la puerta de inactivación. [7]
Estos cambios de función dependientes del voltaje son críticos para un gran número de procesos en células excitables y no excitables. [2]
Activación
Canales iónicos activados por voltaje
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Los canales iónicos activados por voltaje se abren y cierran en respuesta al potencial eléctrico a través de la membrana celular. Partes del dominio del canal actúan como sensores de voltaje. A medida que cambia el potencial de membrana, esto da como resultado cambios en las fuerzas electrostáticas , moviendo estos dominios de detección de voltaje. Esto cambia la conformación de otros elementos del canal a la posición abierta o cerrada. [8] Cuando se mueven de la posición cerrada a la posición abierta, esto se llama "activación". Los canales iónicos activados por voltaje subyacen a muchos de los comportamientos eléctricos de la célula, incluidos los potenciales de acción, los potenciales de membrana en reposo y la transmisión sináptica. [9]
Los canales iónicos activados por voltaje a menudo son específicos de los iones, incluidos Na + , K + , Ca 2+ y Cl - . Cada uno de estos iones juega un papel importante en el comportamiento eléctrico de la célula. [9] Las puertas también tienen propiedades únicas con importantes implicaciones fisiológicas. Por ejemplo, los canales de Na + se abren y cierran rápidamente, mientras que las compuertas de K + se abren y cierran mucho más lentamente. La diferencia de velocidad entre estos canales subyace en las fases de despolarización y repolarización del potencial de acción. [10]
Canales Na +
Los canales de sodio regulados por voltaje (Na + ) son importantes cuando se trata de propagar los potenciales de acción en neuronas y otras células excitables, y se utilizan principalmente para la propagación del potencial de acción en axones, fibras musculares y el compartimento somatodendrítico neural. [11] Los canales de sodio (Na + ) son algunos de los principales canales iónicos responsables de los potenciales de acción. [9] Al ser complejos, están formados por subunidades α más grandes que luego se emparejan con dos subunidades β más pequeñas. [11] Contienen segmentos transmembrana conocidos como S1-6. Los segmentos S4 cargados son los sensores de voltaje de los canales. Cuando se exponen a una cierta diferencia de potencial mínima, los segmentos S4 se mueven a través de la membrana. [12] Esto provoca el movimiento del enlazador S4-S5, lo que hace que el enlazador S5-S6 se tuerza y abra el canal. [13]
Canales K +
Los canales de potasio (K + ) juegan un papel importante en el establecimiento del potencial de membrana en reposo. [9] Cuando la membrana celular se despolariza, la parte intracelular del canal se carga positivamente, lo que hace que la configuración abierta del canal se convierta en un estado más estable que la configuración cerrada. Hay algunos modelos de activación de los canales de potasio:
- El modelo de hélice deslizante postula que el canal de potasio se abre debido a un movimiento de atornillado de su hélice S4.
- El modelo de paleta postula que las hélices S3 y S4 del canal forman "paletas" que se mueven a través de la membrana despolarizada y alejan la hélice S5 de la abertura del canal.
- El modelo de transporte postula que un campo eléctrico enfocado hace que las partículas cargadas se muevan a través del canal con solo un pequeño movimiento de la hélice S4.
- El modelo de movimiento coordinado de hélices postula que las hélices S4 y S5 giran, y el enlazador S4-S5 hace que la hélice S6 se mueva, abriendo el canal.
- El modelo de consenso es un promedio de los modelos anteriores que ayuda a reconciliarlos con los datos experimentales. [14]
Ca 2+ Canales
Los canales de calcio (Ca 2+ ) regulan la liberación de neurotransmisores en las sinapsis, controlan la forma de los potenciales de acción producidos por los canales de sodio y, en algunas neuronas, generan potenciales de acción. [9] Los canales de calcio constan de seis hélices transmembrana. S4 actúa como sensor de voltaje al girar cuando se expone a ciertos potenciales de membrana, abriendo así el canal. [15]
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Los neurotransmisores se almacenan y sintetizan inicialmente en vesículas en la sinapsis de una neurona. Cuando ocurre un potencial de acción en una célula, la señal eléctrica llega a la terminal presináptica y la despolarización hace que los canales de calcio se abran, liberando calcio para viajar por su gradiente electroquímico. Este influjo de calcio posteriormente es lo que hace que las vesículas de neurotransmisores se fusionen con la membrana presináptica. [16] Los iones de calcio inician la interacción de las proteínas cofactor obligatorias con las proteínas SNARE para formar un complejo SNARE. [16] Estos complejos SNARE median en la fusión de vesículas al juntar las membranas y hacer que los neurotransmisores se filtren hacia la hendidura sináptica. Las moléculas de neurotransmisores pueden enviar señales a la siguiente célula a través de receptores en la membrana postsináptica. Estos receptores pueden actuar como canales iónicos o como GPCR (receptores acoplados a proteínas G). [17] En general, el neurotransmisor puede causar una respuesta excitadora o inhibitoria, según lo que ocurra en el receptor.
Cl - Canales
Los canales de cloruro son otro grupo de canales iónicos activados por voltaje, de los cuales se comprenden menos. Están involucrados en procesos como el músculo liso esquelético y cardíaco, la regulación del volumen celular, el ciclo celular y la apoptosis. [18] Una familia importante de proteínas de cloruro se denominan proteínas CLC: canales y transportadores comunes para los procesos fisiológicos básicos en los mamíferos. Los canales CLC actúan como canales de compuerta lenta; Los iones de hidrógeno se intercambian por un influjo de iones de cloruro, lo que permite que los aniones viajen a través de su gradiente electroquímico. [19] El canal de cloruro C1C-1 dependiente del voltaje es un dímero homólogo que pertenece a esta familia y se observa predominantemente en las fibras del músculo esquelético. [20] Con este canal, la correcta despolarización y repolarización a través de iones cloruro es esencial para la propagación de un potencial de acción. [18]
Canales iónicos activados por ligando
Los canales iónicos activados por ligandos se encuentran en neuronas postsinápticas. Por defecto, asumen su conformación cerrada. Cuando la neurona presináptica libera neurotransmisores al final de un potencial de acción, se unen a canales iónicos activados por ligando. Esto hace que los canales asuman su conformación abierta, permitiendo que los iones fluyan a través de los canales por su gradiente de concentración. Los canales iónicos activados por ligandos son responsables de la transmisión sináptica rápida en el sistema nervioso y en la unión neuromuscular. [21] Cada canal iónico controlado por ligando tiene una amplia gama de receptores con diferentes propiedades biofísicas, así como patrones de expresión en el sistema nervioso. [22]
Inactivacion
La inactivación es cuando el flujo de iones es bloqueado por un mecanismo que no es el cierre del canal. [8] Un canal en su estado abierto puede dejar de permitir que los iones fluyan, o un canal en su estado cerrado puede inactivarse preventivamente para evitar el flujo de iones. [23] La inactivación ocurre típicamente cuando la membrana celular se despolariza y termina cuando se restaura el potencial de reposo. [8]
En los canales de sodio, la inactivación parece ser el resultado de las acciones de las hélices III-VI, con III y IV actuando como una especie de tapa con bisagras que bloquea el canal. El mecanismo exacto es poco conocido, pero parece depender de una partícula que tiene una alta afinidad por el interior expuesto del canal abierto. [24] La inactivación rápida permite que el canal detenga el flujo de sodio muy poco después de asumir su conformación abierta. [25]
Inactivación de bolas y cadenas
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El modelo de bola y cadena , también conocido como inactivación de tipo N o inactivación de tapa con bisagras, es un mecanismo de activación para algunos canales iónicos activados por voltaje. Los canales iónicos activados por voltaje se componen de 4 [ dudoso ] subunidades α, una o más de las cuales tendrá un dominio de bola ubicado en su extremo N-terminal citoplásmico . [26] El dominio de la bola es atraído electrostáticamente al dominio del canal interno. Cuando se activa el canal de iones, el dominio del canal interno queda expuesto y, en milisegundos, la cadena se doblará y la bola entrará en el canal, ocluyendo la permeación de iones. [27] El canal vuelve a su estado cerrado, bloqueando el dominio del canal y la bola sale del poro. [28]
Desactivación
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La desactivación es el retorno de un canal iónico a su conformación cerrada. Para los canales dependientes de voltaje, esto ocurre cuando el diferencial de voltaje que originalmente causó la apertura del canal vuelve a su valor de reposo. [29]
En los canales de sodio activados por voltaje, la desactivación es necesaria para recuperarse de la inactivación. [24]
En los canales de potasio activados por voltaje, ocurre lo contrario y la desactivación retrasa la recuperación del canal de la activación. [30] La conformación cerrada se asume por defecto e implica el enderezamiento parcial de la hélice VI por el enlazador IV-V. Los mecanismos que provocan la apertura y el cierre no se comprenden completamente. La conformación cerrada parece ser una conformación de mayor energía que la conformación abierta, lo que también puede ayudar a explicar cómo se activa el canal iónico. [31]
Cuantificación
La carga de activación se puede calcular resolviendo la ecuación de Poisson . Estudios recientes han sugerido un método basado en simulación de dinámica molecular para determinar la carga de activación midiendo las propiedades de los condensadores eléctricos de las proteínas incrustadas en la membrana. [2] La actividad de los canales iónicos ubicados en la membrana plasmática se puede medir simplemente uniendo un electrodo capilar de vidrio de forma continua con la membrana. [32] Otros canales iónicos ubicados en las membranas de las mitocondrias, los lisosomas y el aparato de Golgi pueden medirse mediante una técnica emergente que implica el uso de una membrana lipídica bicapa artificial unida a un dispositivo de 16 electrodos que mide la actividad eléctrica. [32]
Ver también
- Puerta sináptica
- Potenciales sinápticos
Referencias
- ^ Alberts, Bruce; Bray, Dennis; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Watson, James D. (1994). Biología molecular de la célula . Nueva York: Garland. págs. 523–547 . ISBN 978-0-8153-1620-6.
- ^ a b c Machtens, Jan-Philipp; Briones, Rodolfo; Alleva, Claudia; de Groot, Bert L .; Fahlke, Christoph (11 de abril de 2017). "Cálculos de carga de puerta mediante simulaciones de electrofisiología computacional" . Revista biofísica . 112 (7): 1396–1405. Código Bib : 2017BpJ ... 112.1396M . doi : 10.1016 / j.bpj.2017.02.016 . ISSN 0006-3495 . PMC 5389965 . PMID 28402882 .
- ^ Goychuk, Igor; Hänggi, Peter (19 de marzo de 2002). "Puerta de canal de iones: un análisis de tiempo de primer paso del tipo Kramers" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 99 (6): 3552–3556. arXiv : física / 0111187 . Código Bibliográfico : 2002PNAS ... 99.3552G . doi : 10.1073 / pnas.052015699 . ISSN 0027-8424 . PMC 122561 . PMID 11891285 .
- ^ Cesare P, Moriondo A, Vellani V, McNaughton PA (julio de 1999). "Canales de iones cerrados por calor" . Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 96 (14): 7658–63. Código Bib : 1999PNAS ... 96.7658C . doi : 10.1073 / pnas.96.14.7658 . PMC 33597 . PMID 10393876 .
- ^ Hille, Bertil (2001). Canales iónicos de membranas excitables . Sunderland, Mass: Sinauer. ISBN 978-0-87893-321-1.
- ^ Waszkielewicz, AM; Gunia, A; Szkaradek, N; Słoczyńska, K; Krupińska, S; Marona, H (abril de 2013). "Canales de iones como objetivos de fármacos en los trastornos del sistema nervioso central" . Química Medicinal Actual . 20 (10): 1241-1285. doi : 10.2174 / 0929867311320100005 . ISSN 0929-8673 . PMC 3706965 . PMID 23409712 .
- ^ Ahern, Christopher A .; Payandeh, Jian; Bosmans, Frank; Chanda, Baron (enero de 2016). "La guía del autoestopista a la galaxia del canal de sodio dependiente de voltaje" . La Revista de Fisiología General . 147 (1): 1–24. doi : 10.1085 / jgp.201511492 . ISSN 0022-1295 . PMC 4692491 . PMID 26712848 .
- ^ a b c Bähring, Robert; Covarrubias, Manuel (1 de febrero de 2011). "Mecanismos de inactivación de estado cerrado en canales iónicos activados por voltaje" . La revista de fisiología . 589 (Pt 3): 461–479. doi : 10.1113 / jphysiol.2010.191965 . ISSN 0022-3751 . PMC 3055536 . PMID 21098008 .
- ^ a b c d e Purves, Dale; Augustine, George J .; Fitzpatrick, David; Katz, Lawrence C .; LaMantia, Anthony-Samuel; McNamara, James O .; Williams, S. Mark (2001). "Canales de iones activados por voltaje" . Neurociencia. 2ª Edición .
- ^ Grider, Michael H .; Glaubensklee, Carolyn S. (2019), "Physiology, Action Potential" , StatPearls , StatPearls Publishing, PMID 30844170 , consultado el 29 de octubre de 2019
- ^ a b Mantegazza, Massimo; Catterall, William A. (2012), Noebels, Jeffrey L .; Avoli, Massimo; Rogawski, Michael A .; Olsen, Richard W. (eds.), "Canales de Na + regulados por voltaje: estructura, función y fisiopatología" , Mecanismos básicos de las epilepsias de Jasper (4a ed.), Centro Nacional de Información Biotecnológica (EE. UU.), PMID 22787615 , recuperado 2019-11-03
- ^ Sula, Altin; Booker, Jennifer; Ng, Leo CT; Naylor, Claire E .; DeCaen, Paul G .; Wallace, BA (16 de febrero de 2017). "La estructura completa de un canal de sodio abierto activado" . Comunicaciones de la naturaleza . 8 (1): 14205. Código Bibliográfico : 2017NatCo ... 814205S . doi : 10.1038 / ncomms14205 . ISSN 2041-1723 . PMC 5316852 . PMID 28205548 .
- ^ Catterall, William A. (14 de noviembre de 2013). "Estructura y función de los canales de sodio dependientes de voltaje a resolución atómica" . Fisiología experimental . 99 (1): 35–51. doi : 10.1113 / expphysiol.2013.071969 . ISSN 0958-0670 . PMC 3885250 . PMID 24097157 .
- ^ Grizel, AV; Glukhov, GS; Sokolova, OS (octubre-diciembre de 2014). "Mecanismos de activación de canales de potasio activados por voltaje" . Acta Naturae . 6 (4): 10-26. doi : 10.32607 / 20758251-2014-6-4-10-26 . PMC 4273088 . PMID 25558391 .
- ^ Catterall, William A. (agosto de 2011). "Canales de calcio dependientes de voltaje" . Perspectivas de Cold Spring Harbor en biología . 3 (8): a003947. doi : 10.1101 / cshperspect.a003947 . ISSN 1943-0264 . PMC 3140680 . PMID 21746798 .
- ^ a b Südhof, Thomas C. (enero de 2012). "Control de calcio de la liberación de neurotransmisores" . Perspectivas de Cold Spring Harbor en biología . 4 (1): a011353. doi : 10.1101 / cshperspect.a011353 . ISSN 1943-0264 . PMC 3249630 . PMID 22068972 .
- ^ Yoon, Tae-Young; Lu, Xiaobing; Diao, Jiajie; Lee, Soo-Min; Ja, Taekjip; Shin, Yeon-Kyun (junio de 2008). "La complexina y Ca 2+ estimulan la fusión de membranas mediada por SNARE" . Naturaleza Biología Molecular y Estructural . 15 (7): 707–713. doi : 10.1038 / nsmb.1446 . ISSN 1545-9985 . PMC 2493294 . PMID 18552825 .
- ^ a b "Canales de cloruro" . Revista británica de farmacología . 158 (Supl. 1): S130 – S134. Noviembre de 2009. doi : 10.1111 / j.1476-5381.2009.00503_6.x . ISSN 0007-1188 . PMC 2884561 .
- ^ Accardi, Alessio; Picollo, Alessandra (agosto de 2010). "Canales y transportadores CLC: proteínas con personalidades limítrofes" . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranas . 1798 (8): 1457–1464. doi : 10.1016 / j.bbamem.2010.02.022 . ISSN 0006-3002 . PMC 2885512 . PMID 20188062 .
- ^ Imbrici, Paola; Altamura, Concetta; Pessia, Mauro; Mantegazza, Renato; Desaphy, Jean-François; Camerino, Diana Conte (27 de abril de 2015). "Canales de cloruro de ClC-1: investigación de vanguardia y desafíos futuros" . Fronteras en neurociencia celular . 9 : 156. doi : 10.3389 / fncel.2015.00156 . ISSN 1662-5102 . PMC 4410605 . PMID 25964741 .
- ^ Alexander, SPH; Mathie, A; Peters, JA (noviembre de 2011). "Canales iónicos activados por ligando" . Revista británica de farmacología . 164 (Supl. 1): S115 – S135. doi : 10.1111 / j.1476-5381.2011.01649_4.x . ISSN 0007-1188 . PMC 3315629 .
- ^ Alexander, SPH; Mathie, A; Peters, JA (2011). "Canales iónicos activados por ligando" . Br J Pharmacol . 164 (Supl. 1): S115 – S135. doi : 10.1111 / j.1476-5381.2011.01649_4.x . PMC 3315629 .
- ^ Armstrong, Clay M. (21 de noviembre de 2006). "Inactivación del canal de Na desde estados abiertos y cerrados" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 103 (47): 17991–17996. Código bibliográfico : 2006PNAS..10317991A . doi : 10.1073 / pnas.0607603103 . ISSN 0027-8424 . PMC 1693860 . PMID 17101981 .
- ^ a b Kuo, Chung-Chin; Bean, Bruce P. (1 de abril de 1994). "Los canales de Na + deben desactivarse para recuperarse de la inactivación". Neurona . 12 (4): 819–829. doi : 10.1016 / 0896-6273 (94) 90335-2 . ISSN 0896-6273 . PMID 8161454 . S2CID 41285799 .
- ^ Yu, Frank H; Catterall, William A (2003). "Descripción general de la familia de canales de sodio dependientes de voltaje" . Biología del genoma . 4 (3): 207. doi : 10.1186 / gb-2003-4-3-207 . ISSN 1465-6906 . PMC 153452 . PMID 12620097 .
- ^ "Modulación de la inactivación tipo N del canal de K + por sulfhidratación mediante sulfuro de hidrógeno y polisulfuros" . rdcu.be . Consultado el 22 de noviembre de 2018 .
- ^ Holmgren, M .; Jurman, ME; Yellen, G. (septiembre de 1996). "Inactivación de tipo N y la región S4-S5 del canal Shaker K +" . La Revista de Fisiología General . 108 (3): 195–206. doi : 10.1085 / jgp.108.3.195 . ISSN 0022-1295 . PMC 2229322 . PMID 8882863 .
- ^ Bénitah, JP; Chen, Z .; Balser, JR; Tomaselli, GF; Marbán, E. (1 de marzo de 1999). "La dinámica molecular del poro del canal de sodio varía con la compuerta: interacciones entre los movimientos del segmento P y la inactivación" . La Revista de Neurociencia . 19 (5): 1577-1585. doi : 10.1523 / JNEUROSCI.19-05-01577.1999 . ISSN 0270-6474 . PMC 6782169 . PMID 10024345 .
- ^ Bähring, Robert; Covarrubias, Manuel (28 de enero de 2011). "Mecanismos de inactivación de estado cerrado en canales iónicos activados por voltaje" . La revista de fisiología . 589 (3): 461–479. doi : 10.1113 / jphysiol.2010.191965 . ISSN 0022-3751 . PMC 3055536 . PMID 21098008 .
- ^ Kuo, Chung-Chin (15 de mayo de 1997). "La desactivación retrasa la recuperación de la inactivación en los canales Shaker K +" . La Revista de Neurociencia . 17 (10): 3436–3444. doi : 10.1523 / JNEUROSCI.17-10-03436.1997 . ISSN 0270-6474 . PMC 6573675 . PMID 9133369 .
- ^ Fowler, Philip W .; Sansom, Mark SP (21 de mayo de 2013). "El poro de los canales de iones de potasio activados por voltaje se tensa cuando se cierra" . Comunicaciones de la naturaleza . 4 (1): 1872. Bibcode : 2013NatCo ... 4.1872F . doi : 10.1038 / ncomms2858 . ISSN 2041-1723 . PMC 3674235 . PMID 23695666 .
- ^ a b Kamiya, Koki; Osaki, Toshihisa; Nakao, Kenji; Kawano, Ryuji; Fujii, Satoshi; Misawa, Nobuo; Hayakawa, Masatoshi; Takeuchi, Shoji (30 de noviembre de 2018). "Medición electrofisiológica de canales iónicos en membranas de plasma / orgánulos utilizando un sistema de bicapa lipídica en chip" . Informes científicos . 8 (1): 17498. Bibcode : 2018NatSR ... 817498K . doi : 10.1038 / s41598-018-35316-4 . ISSN 2045-2322 . PMC 6269590 . PMID 30504856 .