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Canal de sodio

C es el canal de sodio

Los canales de sodio son proteínas integrales de membrana que forman canales iónicos , conduciendo iones de sodio (Na + ) a través de la membrana de una célula . [1] [2] Pertenecen a la superfamilia de canales catiónicos .

Clasificación

Se clasifican en 2 tipos:

Función

En las células excitables, como las neuronas , los miocitos y ciertos tipos de glía , los canales de sodio son responsables de la fase ascendente de los potenciales de acción . Estos canales pasan por tres estados diferentes llamados estados de reposo, activo e inactivo. Aunque los estados de reposo e inactivo no permitirían que los iones fluyeran a través de los canales, existe una diferencia con respecto a su conformación estructural.

Selectividad

Los canales de sodio son altamente selectivos para el transporte de iones a través de las membranas celulares. La alta selectividad con respecto al ion sodio se logra de muchas maneras diferentes. Todas implican la encapsulación del ion sodio en una cavidad de tamaño específico dentro de una molécula más grande. [3]

Canales de sodio dependientes de voltaje

Estructura

Diagrama de una subunidad α de un canal de sodio sensible al voltaje. G – glicosilación , P – fosforilación , S – selectividad iónica, I – inactivación. Las cargas positivas (+) en S4 son importantes para la detección de voltaje transmembrana. [4]

Los canales de sodio constan de grandes subunidades alfa que se asocian con proteínas accesorias, como las subunidades beta. Una subunidad alfa forma el núcleo del canal y es funcional por sí sola. Cuando una célula expresa la proteína de la subunidad alfa, es capaz de formar un poro en la membrana celular que conduce Na + de una manera dependiente del voltaje, incluso si no se expresan las subunidades beta u otras proteínas moduladoras conocidas. Cuando las proteínas accesorias se ensamblan con las subunidades α, el complejo resultante puede mostrar una dependencia del voltaje y una localización celular alteradas.

La subunidad alfa consta de cuatro dominios de repetición, etiquetados del I al IV, cada uno de los cuales contiene seis segmentos que atraviesan la membrana, etiquetados del S1 al S6. El segmento S4 altamente conservado actúa como sensor de voltaje del canal. La sensibilidad al voltaje de este canal se debe a los aminoácidos positivos ubicados en cada tercera posición. [5] Cuando se estimula por un cambio en el voltaje transmembrana , este segmento se mueve hacia el lado extracelular de la membrana celular, lo que permite que el canal se vuelva permeable a los iones. Los iones se conducen a través de la cavidad del poro central, que consta de dos regiones principales. La porción más externa (es decir, más extracelular) del poro está formada por los "bucles P" (la región entre S5 y S6) de los cuatro dominios. Esta región es la parte más estrecha del poro y es responsable de su selectividad iónica. La porción interna (es decir, más citoplasmática) del poro es la compuerta del poro y está formada por los segmentos S5 y S6 combinados de los cuatro dominios. El dominio de los poros también presenta túneles laterales o fenestraciones que corren perpendiculares al eje de los poros. Se propone que estas fenestraciones que conectan la cavidad central con la membrana son importantes para la accesibilidad de los fármacos. [6] [7] [8]

En los canales de sodio de los mamíferos, la región que une los dominios III y IV también es importante para la función del canal. Este enlace DIII-IV es responsable de bloquear la compuerta del poro después de la apertura del canal, inactivándolo. [9]

Puerta de acceso

Los canales de Na + dependientes del voltaje tienen tres estados conformacionales principales: cerrado, abierto e inactivado. Las transiciones hacia adelante/atrás entre estos estados se denominan activación/desactivación (entre abierto y cerrado, respectivamente), inactivación/reactivación (entre inactivado y abierto, respectivamente) y recuperación de la inactivación/inactivación en estado cerrado (entre inactivado y cerrado, respectivamente). Los estados cerrado e inactivado son impermeables a los iones.

Antes de que se produzca un potencial de acción, la membrana axonal se encuentra en su potencial de reposo normal , aproximadamente −70 mV en la mayoría de las neuronas humanas, y los canales de Na + están en su estado desactivado, bloqueados en el lado extracelular por sus compuertas de activación . En respuesta a un aumento del potencial de membrana a aproximadamente −55 mV (en este caso, causado por un potencial de acción), las compuertas de activación se abren, permitiendo que los iones de Na + cargados positivamente fluyan hacia la neurona a través de los canales, y haciendo que el voltaje a través de la membrana neuronal aumente a +30 mV en las neuronas humanas. Debido a que el voltaje a través de la membrana es inicialmente negativo, a medida que su voltaje aumenta hasta y más allá de cero (desde −70 mV en reposo hasta un máximo de +30 mV), se dice que se despolariza. Este aumento de voltaje constituye la fase ascendente de un potencial de acción.

En el pico del potencial de acción, cuando ha entrado suficiente Na + en la neurona y el potencial de la membrana se ha vuelto lo suficientemente alto, los canales de Na + se inactivan cerrando sus compuertas de inactivación . La compuerta de inactivación puede considerarse como un "tapón" atado a los dominios III y IV de la subunidad alfa intracelular del canal. El cierre de la compuerta de inactivación hace que el flujo de Na + a través del canal se detenga, lo que a su vez hace que el potencial de membrana deje de aumentar. El cierre de la compuerta de inactivación crea un período refractario dentro de cada canal de Na + individual . Este período refractario elimina la posibilidad de que un potencial de acción se mueva en la dirección opuesta de regreso al soma. Con su compuerta de inactivación cerrada, se dice que el canal está inactivado. Cuando el canal de Na + ya no contribuye al potencial de membrana, el potencial disminuye de nuevo a su potencial de reposo a medida que la neurona se repolariza y posteriormente se hiperpolariza, y esto constituye la fase de caída de un potencial de acción. Por lo tanto, el período refractario de cada canal es vital para propagar el potencial de acción unidireccionalmente a lo largo de un axón para una comunicación adecuada entre neuronas.

Cuando el voltaje de la membrana se vuelve lo suficientemente bajo, la compuerta de inactivación se vuelve a abrir y la compuerta de activación se cierra en un proceso llamado desinactivación . Con la compuerta de activación cerrada y la compuerta de inactivación abierta, el canal de Na + vuelve a estar en su estado desactivado y está listo para participar en otro potencial de acción.

Cuando un canal iónico no se inactiva por sí mismo, se dice que es persistentemente (o tónicamente) activo. Algunos tipos de canales iónicos son naturalmente persistentemente activos. Sin embargo, las mutaciones genéticas que causan una actividad persistente en otros canales pueden causar enfermedades al crear una actividad excesiva de ciertos tipos de neuronas. Las mutaciones que interfieren con la inactivación del canal de Na + pueden contribuir a enfermedades cardiovasculares o ataques epilépticos por corrientes de ventana , que pueden hacer que las células musculares y/o nerviosas se sobreexciten.

Modelado del comportamiento de las puertas

El comportamiento temporal de los canales de Na + se puede modelar mediante un esquema markoviano o mediante el formalismo de tipo Hodgkin-Huxley . En el primer esquema, cada canal ocupa un estado distinto con ecuaciones diferenciales que describen las transiciones entre estados; en el segundo, los canales se tratan como una población que se ve afectada por tres variables de activación independientes. Cada una de estas variables puede alcanzar un valor entre 1 (totalmente permeable a los iones) y 0 (totalmente no permeable), y el producto de estas variables da como resultado el porcentaje de canales conductores. Se puede demostrar que el modelo de Hodgkin-Huxley es equivalente a un modelo markoviano. [ se necesita más explicación ]

Impermeabilidad a otros iones

El poro de los canales de sodio contiene un filtro de selectividad hecho de residuos de aminoácidos con carga negativa, que atraen el ion positivo Na + y mantienen fuera a los iones con carga negativa como el cloruro . Los cationes fluyen hacia una parte más estrecha del poro que tiene un ancho de 0,3 por 0,5 nm , que es lo suficientemente grande como para permitir que pase un solo ion Na + con una molécula de agua asociada. El ion K + más grande no puede pasar por esta área. Los iones de diferentes tamaños tampoco pueden interactuar tan bien con los residuos de ácido glutámico con carga negativa que recubren el poro. [ cita requerida ]

Diversidad

Los canales de sodio dependientes de voltaje normalmente constan de una subunidad alfa que forma el poro de conducción de iones y una o dos subunidades beta que tienen varias funciones, incluida la modulación de la activación del canal. [10] La expresión de la subunidad alfa por sí sola es suficiente para producir un canal funcional.

Subunidades alfa

Figura 1. Probable relación evolutiva de los nueve canales de sodio humanos conocidos. [ dudoso – discutir ]

La familia de canales de sodio tiene 9 miembros conocidos, con una identidad de aminoácidos >50% en los segmentos transmembrana y en las regiones de bucle extracelular. Actualmente se utiliza una nomenclatura estandarizada para los canales de sodio, que es mantenida por la IUPHAR . [11]

Las proteínas de estos canales se denominan Na v 1.1 a Na v 1.9. Los nombres de los genes se conocen como SCN1A a SCN5A, luego SCN8A a SCN11A. [11] El "décimo miembro", Na x , no actúa de manera dependiente del voltaje. Tiene una estructura general vagamente similar. No se sabe mucho sobre su función real, aparte de que también se asocia con subunidades beta. [12]

La probable relación evolutiva entre estos canales, basada en la similitud de sus secuencias de aminoácidos, se muestra en la figura 1. Los canales de sodio individuales se distinguen no sólo por diferencias en su secuencia, sino también por su cinética y perfiles de expresión. Algunos de estos datos se resumen en la tabla 1, a continuación.

Subunidades beta

Las subunidades beta del canal de sodio son glucoproteínas transmembrana de tipo 1 con un extremo N extracelular y un extremo C citoplasmático. Como miembros de la superfamilia de las Ig, las subunidades beta contienen un bucle de Ig prototípico de la serie V en su dominio extracelular. No comparten ninguna homología con sus contrapartes de los canales de calcio y potasio. [21] En cambio, son homólogas a las moléculas de adhesión celular neuronal (CAM) y a la gran familia de CAM L1. Hay cuatro betas distintas nombradas en orden de descubrimiento: SCN1B, SCN2B, SCN3B, SCN4B (tabla 2). Beta 1 y beta 3 interactúan con la subunidad alfa de forma no covalente, mientras que beta 2 y beta 4 se asocian con alfa a través de un enlace disulfuro. [22] Es más probable que los canales de sodio permanezcan abiertos en el potencial de membrana subumbral cuando interactúan con toxinas beta, lo que a su vez induce una sensación inmediata de dolor. [23]

Papel de las subunidades beta como moléculas de adhesión celular

Además de regular la activación de los canales, las subunidades beta de los canales de sodio también modulan la expresión de los canales y forman enlaces con el citoesqueleto intracelular a través de la anquirina y la espectrina . [10] [24] [25] Los canales de sodio activados por voltaje también se ensamblan con una variedad de otras proteínas, como las proteínas FHF (factor homólogo del factor de crecimiento de fibroblastos), calmodulina, citoesqueleto o quinasas reguladoras, [26] [10] [27] [28] [29] que forman un complejo con los canales de sodio, influyendo en su expresión y/o función. Varias subunidades beta interactúan con una o más moléculas de la matriz extracelular (ECM). La contactina, también conocida como F3 o F11, se asocia con beta 1 como se muestra a través de co-inmunoprecipitación. [30] Las repeticiones similares a fibronectina (similares a FN) de tenascina -C y tenascina -R se unen con beta 2 en contraste con las repeticiones similares al factor de crecimiento epidérmico (similares a EGF) que repelen beta 2. [31] Una desintegrina y metaloproteinasa (ADAM) 10 elimina el ectodominio de beta 2 , posiblemente induciendo el crecimiento de neuritas. [32] Beta 3 y beta 1 se unen a la neurofascina en los nodos de Ranvier en neuronas en desarrollo. [33]

Canales de sodio regulados por ligando

Los canales de sodio controlados por ligando se activan mediante la unión de un ligando en lugar de un cambio en el potencial de membrana.

Se encuentran, por ejemplo, en la unión neuromuscular como receptores nicotínicos , donde los ligandos son moléculas de acetilcolina . La mayoría de los canales de este tipo son permeables al potasio en cierta medida, así como al sodio.

Papel en el potencial de acción

Los canales de sodio dependientes del voltaje desempeñan un papel importante en los potenciales de acción . Si se abren suficientes canales cuando hay un cambio en el potencial de membrana de la célula , una cantidad pequeña pero significativa de iones Na + se moverán hacia la célula a favor de su gradiente electroquímico , despolarizando aún más la célula. Por lo tanto, cuantos más canales de Na + se localicen en una región de la membrana de una célula, más rápido se propagará el potencial de acción y más excitable será esa área de la célula. Este es un ejemplo de un bucle de retroalimentación positiva . La capacidad de estos canales de asumir un estado cerrado-inactivado causa el período refractario y es fundamental para la propagación de los potenciales de acción a lo largo de un axón .

Los canales de Na + se abren y se cierran más rápidamente que los canales de K + , lo que produce una entrada de carga positiva (Na + ) hacia el comienzo del potencial de acción y un eflujo (K + ) hacia el final.

Por otra parte, los canales de sodio regulados por ligandos son los que generan el cambio en el potencial de membrana en primer lugar, en respuesta a la unión de un ligando a ella. Los canales de sodio de fugas contribuyen además a la regulación del potencial de acción modulando el potencial de reposo (y, a su vez, la excitabilidad) de una célula. [35]

Modulación farmacológica

Bloqueadores

Activadores

Las siguientes sustancias producidas naturalmente activan (abren) de forma persistente los canales de sodio:

Modificadores de puerta

Las siguientes toxinas modifican la activación de los canales de sodio:

Canal de fuga de sodio (NALCN)

Los canales de fuga de sodio no muestran voltaje ni activación de ligandos. En cambio, siempre están abiertos o "perdiendo" una pequeña corriente de fondo para regular el potencial de membrana en reposo de una neurona. [35] En la mayoría de los animales, un solo gen codifica la proteína NALCN (canal de fuga de sodio, no selectivo). [38]

Diferencias estructurales y funcionales

A pesar de seguir la misma estructura básica que otros canales de sodio, el NALCN no es sensible a los cambios de voltaje. El dominio transmembrana S4 sensible al voltaje del NALCN tiene menos aminoácidos con carga positiva (13 en lugar de los 21 de un canal dependiente del voltaje), lo que posiblemente explique su insensibilidad al voltaje. [35] El NALCN también es mucho menos selectivo para los iones Na + y es permeable a los iones Ca2 + y K + . El motivo de aminoácidos EEKE en el dominio de filtro de poros del NALCN es similar tanto al motivo EEEE del canal de calcio dependiente del voltaje como al motivo DEKA del canal de sodio dependiente del voltaje, lo que posiblemente explique su falta de selectividad. [38]

Vías reguladoras y sustancias químicas que afectan la función del NALCN.

Muchos bloqueadores de los canales de sodio comunes, incluida la tetrodotoxina , no bloquean la NALCN . La NALCN se bloquea de forma no específica tanto por Gd3 + como por verapamilo . [39] Tanto la sustancia P como la neurotensina activan las quinasas de la familia Src a través de sus respectivos GPCR (independientemente de las proteínas G acopladas ) que, a su vez, aumentan la permeabilidad de la NALCN a través de la activación de UNC80. [40] La acetilcolina también puede aumentar la actividad de la NALCN a través de los receptores muscarínicos de acetilcolina M3 . [41] Los niveles más altos de Ca2+ extracelular disminuyen la permeabilidad de la NALCN al activar el CaSR , que inhibe el UNC80. [42]

Complejo proteico

El NALCN forma complejos con las proteínas UNC79, UNC80 y FAM155A. [43] [44] [45] El UNC79 parece estar vinculado a la estabilidad de la membrana del NALCN y al enlace con el UNC 80. [44] El UNC80 media la modulación química del NALCN a través de múltiples vías. [35] [42] [41] [40] El FAM155A ayuda al plegamiento de proteínas en el retículo endoplásmico, al transporte de chaperonas al axón y contribuye a la estabilidad de la membrana. [45]

Función biológica

El potencial de membrana en reposo de una neurona suele ser de -60 mV a -80 mV, impulsado principalmente por el potencial K + a -90 mV. La despolarización del potencial K + se debe principalmente a una pequeña corriente de fuga de Na + . Alrededor del 70% de esta corriente pasa por NALCN. [39] El aumento de la permeabilidad de NALCN reduce el potencial de membrana en reposo, acercándolo al desencadenante de un potencial de acción (-55 mV), aumentando así la excitabilidad de una neurona.

Papel en la patología

Las mutaciones en NALCN provocan graves alteraciones del ritmo respiratorio en ratones [39] y una alteración de la locomoción circadiana en moscas. [46] Las mutaciones en NALCN también se han relacionado con múltiples trastornos graves del desarrollo [47] y distonía cervical. [48] La esquizofrenia y el trastorno bipolar también están relacionados con mutaciones en NALCN. [49]

Modulación del pH

Los cambios en el pH de la sangre y los tejidos acompañan a condiciones fisiológicas y patofisiológicas como el ejercicio, la isquemia cardíaca, el accidente cerebrovascular isquémico y la ingestión de cocaína. Se sabe que estas condiciones desencadenan los síntomas de enfermedades eléctricas en pacientes portadores de mutaciones del canal de sodio. Los protones causan un conjunto diverso de cambios en la activación del canal de sodio, que generalmente conducen a disminuciones en la amplitud de la corriente de sodio transitoria y aumentos en la fracción de canales no inactivadores que pasan corrientes persistentes. Estos efectos son compartidos con mutantes causantes de enfermedades en el tejido neuronal, muscular esquelético y cardíaco y pueden verse agravados en mutantes que imparten una mayor sensibilidad a los protones de los canales de sodio, lo que sugiere un papel de los protones en el desencadenamiento de los síntomas agudos de la enfermedad eléctrica. [50]

Mecanismos moleculares del bloqueo de protones

Los datos de un solo canal de los cardiomiocitos han demostrado que los protones pueden disminuir la conductancia de los canales de sodio individuales. [51] El filtro de selectividad del canal de sodio está compuesto por un solo residuo en cada uno de los cuatro bucles de poro de los cuatro dominios funcionales. Estos cuatro residuos se conocen como el motivo DEKA. [52] La tasa de permeación del sodio a través del canal de sodio está determinada por cuatro residuos de carboxilato, el motivo EEDD, que forman el anillo cargado externo. [52] La protonación de estos carboxilatos es uno de los principales impulsores del bloqueo de protones en los canales de sodio, aunque hay otros residuos que también contribuyen a la sensibilidad al pH. [53] Uno de estos residuos es C373 en el canal de sodio cardíaco , lo que lo convierte en el canal de sodio más sensible al pH entre los canales de sodio que se han estudiado hasta la fecha. [54]

Modulación del pH de la activación del canal de sodio

Como el canal de sodio cardíaco es el canal de sodio más sensible al pH, la mayor parte de lo que se conoce se basa en este canal. Se ha demostrado que la reducción del pH extracelular despolariza la dependencia del voltaje de la activación e inactivación a potenciales más positivos. Esto indica que durante las actividades que disminuyen el pH de la sangre, como el ejercicio, la probabilidad de que los canales se activen e inactiven es mayor que los potenciales de membrana más positivos, lo que puede conducir a posibles efectos adversos. [55] Los canales de sodio expresados ​​en las fibras musculares esqueléticas han evolucionado hasta convertirse en canales relativamente insensibles al pH. Se ha sugerido que esto es un mecanismo de protección contra la posible sobreexcitabilidad o subexcitabilidad en los músculos esqueléticos, ya que los niveles de pH de la sangre son muy susceptibles a los cambios durante el movimiento. [56] [57] Recientemente, se ha demostrado que una mutación de síndrome mixto que causa parálisis periódica y miotonía en el canal de sodio esquelético imparte sensibilidad al pH en este canal, lo que hace que la activación de este canal sea similar a la del subtipo cardíaco. [58]

Modulación del pH en los subtipos estudiados hasta el momento

Los efectos de la protonación se han caracterizado en Na v 1.1–Na v 1.5. Entre estos canales, Na v 1.1–Na v 1.3 y Na v 1.5 muestran una activación dependiente del voltaje despolarizada, mientras que la activación en Na v 1.4 permanece insensible a la acidosis. La dependencia del voltaje de la inactivación rápida en estado estacionario no cambia en Na v 1.1–Na v 1.4, pero la inactivación rápida en estado estacionario en Na v 1.5 está despolarizada. Por lo tanto, entre los canales de sodio que se han estudiado hasta ahora, Na v 1.4 es el subtipo menos sensible a los protones y Na v 1.5 es el más sensible a los protones. [59]

Véase también

Referencias

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