Los canales iónicos controlados por proteína G son una familia de canales iónicos transmembrana en neuronas y miocitos auriculares que están controlados directamente por proteínas G.
En general, los canales iónicos regulados por proteína G son canales iónicos específicos ubicados en la membrana plasmática de las células que son activados directamente por una familia de proteínas asociadas . Los canales iónicos permiten el movimiento selectivo de ciertos iones a través de la membrana plasmática en las células. Más específicamente, en las células nerviosas, junto con los transportadores de iones, son responsables de mantener el gradiente electroquímico a través de la célula.
Las proteínas G son una familia de proteínas intracelulares capaces de mediar en las vías de transducción de señales. Cada proteína G es un heterotrímero de tres subunidades: subunidades α, β y γ. La subunidad α (G α ) normalmente une la proteína G a una proteína receptora transmembrana conocida como receptor acoplado a proteína G o GPCR . Esta proteína receptora tiene un gran dominio de unión extracelular que unirá sus respectivos ligandos (por ejemplo, neurotransmisores y hormonas). Una vez que el ligando se une a su receptor, se produce un cambio conformacional. Este cambio conformacional en la proteína G permite que G α se una a GTP. Esto conduce a otro cambio conformacional en la proteína G, lo que resulta en la separación del complejo βγ (G βγ ) de G α . [1] En este punto, tanto G α como G βγ están activos y pueden continuar la vía de transducción de señales. Diferentes clases de receptores acoplados a proteína G tienen muchas funciones conocidas, incluidas las vías de transducción de señales de AMPc y fosfatidilinositol . [2] Una clase conocida como receptores de glutamato metabotrópicos desempeña un papel importante en la activación indirecta del canal iónico por las proteínas G. Estas vías son activadas por segundos mensajeros que inician cascadas de señales que involucran varias proteínas que son importantes para la respuesta de la célula.
Los canales iónicos regulados por proteína G están asociados con un tipo específico de receptor acoplado a proteína G. Estos canales iónicos son canales iónicos transmembrana con filtros de selectividad y un sitio de unión a proteína G. Los GPCR asociados con los canales iónicos regulados por proteína G no están involucrados en las vías de transducción de señales. Solo activan directamente estos canales iónicos utilizando proteínas efectoras o las propias subunidades de proteína G (ver imagen). A diferencia de la mayoría de los efectores, no todos los canales iónicos regulados por proteína G tienen su actividad mediada por G α de sus proteínas G correspondientes. Por ejemplo, la apertura de los canales de K + rectificadores hacia adentro (GIRK) está mediada por la unión de G βγ . [3]
Los canales iónicos regulados por proteína G se encuentran principalmente en las neuronas del SNC y en los miocitos auriculares , y afectan el flujo de potasio (K + ), calcio (Ca 2+ ), sodio (Na + ) y cloruro (Cl − ) a través de la membrana plasmática . [4]
Se han identificado cuatro subunidades del canal de potasio rectificador interno controlado por proteína G ( GIRK ) en mamíferos: GIRK1 , GIRK2 , GIRK3 y GIRK4 . Las subunidades GIRK se unen para formar canales iónicos GIRK. Estos canales iónicos, una vez activados, permiten el flujo de iones potasio (K + ) desde el espacio extracelular que rodea la célula a través de la membrana plasmática y hacia el citoplasma . Cada canal consta de dominios que abarcan la membrana plasmática, formando la región de poro selectiva de K + a través de la cual fluirán los iones K + . [5] [6] Tanto los extremos N como C-terminales de los canales GIRK se encuentran dentro del citoplasma. Estos dominios interactúan directamente con el complejo βγ de la proteína G, lo que lleva a la activación del canal K + . . [7] Estos dominios en los extremos N y C que interactúan con las proteínas G contienen ciertos residuos que son críticos para la activación adecuada del canal GIRK. En GIRK4, el residuo N-terminal es His-64 y el residuo C-terminal es Leu-268; en GIRK1 son His-57 y Leu-262, respectivamente. Las mutaciones en estos dominios conducen a la insensibilidad del canal al complejo βγ y, por lo tanto, reducen la activación del canal GIRK. [3]
Las cuatro subunidades de GIRK son 80-90% similares en sus dominios de formación de poros y transmembrana, una característica que se explica por las similitudes en sus estructuras y secuencias. GIRK2, GIRK3 y GIRK4 comparten una identidad general del 62% entre sí, mientras que GIRK1 solo comparte un 44% de identidad con las demás. [6] Debido a su similitud, las subunidades del canal GIRK pueden unirse fácilmente para formar heteromultímeros (una proteína con dos o más cadenas polipeptídicas diferentes). GIRK1, GIRK2 y GIRK3 muestran una distribución abundante y superpuesta en el sistema nervioso central (SNC), mientras que GIRK1 y GIRK4 se encuentran principalmente en el corazón. [4] GIRK1 se combina con GIRK2 en el SNC y GIRK4 en la aurícula para formar heterotetrámeros; cada heterotetrámero final contiene dos subunidades GIRK1 y dos subunidades GIRK2 o GIRK4. Las subunidades GIRK2 también pueden formar homotetrámeros en el cerebro, mientras que las subunidades GIRK4 pueden formar homotetrámeros en el corazón. [7] No se ha demostrado que las subunidades GIRK1 puedan formar homotetrámeros funcionales. Aunque las subunidades GIRK3 se encuentran en el SNC, aún se desconoce su papel en la formación de canales iónicos funcionales. [4]
Un canal de potasio regulado por proteína G es el canal de potasio rectificador interno (IKACh) que se encuentra en el músculo cardíaco (específicamente, el nódulo sinoauricular y las aurículas ), [8] que contribuye a la regulación de la frecuencia cardíaca. [9] Estos canales dependen casi por completo de la activación de la proteína G, lo que los hace únicos en comparación con otros canales regulados por proteína G. [10] La activación de los canales IKACh comienza con la liberación de acetilcolina (ACh) del nervio vago [9] hacia las células marcapasos en el corazón. [10] La ACh se une a los receptores muscarínicos de acetilcolina M2, que interactúan con las proteínas G y promueven la disociación de la subunidad G α y el complejo G βγ . [11] IKACh está compuesto por dos subunidades de canal GIRK homólogas: GIRK1 y GIRK4. El complejo G βγ se une directamente y específicamente al canal IKACh a través de interacciones con las subunidades GIRK1 y GIRK4. [12] Una vez que se activa el canal iónico, los iones K + fluyen fuera de la célula y hacen que se hiperpolarice. [13] En su estado hiperpolarizado, la neurona no puede disparar potenciales de acción tan rápidamente, lo que ralentiza el ritmo cardíaco. [14]
El canal de K + rectificador de entrada de la proteína G que se encuentra en el SNC es un heterotetrámero compuesto por las subunidades GIRK1 y GIRK2 [4] y es responsable de mantener el potencial de membrana en reposo y la excitabilidad de la neurona. [9] Los estudios han demostrado que las mayores concentraciones de las subunidades GIRK1 y GIRK2 se encuentran en las áreas dendríticas de las neuronas en el SNC. [4] Estas áreas, que son tanto extrasinápticas (exteriores a una sinapsis) como perisinápticas (cerca de una sinapsis), se correlacionan con la gran concentración de receptores GABA B en las mismas áreas. Una vez que los receptores GABA B son activados por sus ligandos, permiten la disociación de la proteína G en su subunidad α individual y complejo βγ para que pueda a su vez activar los canales de K + . Las proteínas G acoplan los canales rectificadores de K + entrantes a los receptores GABA B , mediando una parte significativa de la inhibición postsináptica del GABA. [4]
Además, se ha descubierto que las GIRK desempeñan un papel en un grupo de neuronas serotoninérgicas en el núcleo del rafe dorsal , específicamente aquellas asociadas con la hormona neuropeptídica orexina . [15] Se ha demostrado que el receptor 5-HT1A , un receptor de serotonina y tipo de GPCR, está acoplado directamente con la subunidad α de una proteína G, mientras que el complejo βγ activa GIRK sin el uso de un segundo mensajero. La activación posterior del canal GIRK media la hiperpolarización de las neuronas orexinas, que regulan la liberación de muchos otros neurotransmisores, incluyendo la noradrenalina y la acetilcolina . [15]
Además del subconjunto de canales de potasio que son controlados directamente por proteínas G, las proteínas G también pueden controlar directamente ciertos canales de iones de calcio en las membranas celulares neuronales. Aunque los canales de iones de membrana y la fosforilación de proteínas suelen verse afectados indirectamente por los receptores acoplados a proteína G a través de proteínas efectoras (como la fosfolipasa C y la adenilil ciclasa ) y segundos mensajeros (como el inositol trifosfato , el diacilglicerol y el AMP cíclico ), las proteínas G pueden cortocircuitar la vía del segundo mensajero y controlar los canales iónicos directamente. [16] Tal elusión de las vías del segundo mensajero se observa en los miocitos cardíacos de mamíferos y las vesículas sarcolemales asociadas en las que los canales de Ca 2+ pueden sobrevivir y funcionar en ausencia de AMPc, ATP o proteína quinasa C cuando están en presencia de la subunidad α activada de la proteína G. [17] Por ejemplo, la G α , que estimula la adenilato ciclasa, actúa directamente sobre el canal de Ca 2+ como efector. Este cortocircuito delimita la membrana, lo que permite que la activación directa de los canales de calcio por las proteínas G produzca efectos más rápidamente que los que podría producir la cascada de AMPc. [16] Esta activación directa también se ha encontrado en canales de Ca 2+ específicos en los túbulos T del corazón y del músculo esquelético. [18]
Varios canales de calcio de alto umbral y de inactivación lenta en las neuronas están regulados por proteínas G. [13] Se ha demostrado que la activación de las subunidades α de las proteínas G causa el cierre rápido de los canales de Ca 2+ dependientes de voltaje , lo que causa dificultades en la activación de los potenciales de acción. [1] Esta inhibición de los canales de calcio dependientes de voltaje por receptores acoplados a proteína G se ha demostrado en el ganglio de la raíz dorsal de un pollo, entre otras líneas celulares. [13] Estudios posteriores han indicado funciones para las subunidades G α y G βγ en la inhibición de los canales de Ca 2+ . Sin embargo, la investigación orientada a definir la participación de cada subunidad no ha descubierto la especificidad o los mecanismos por los que se regulan los canales de Ca 2+ .
El canal iónico sensible al ácido ASIC1a es un canal de Ca2 + específico regulado por la proteína G. El receptor muscarínico de acetilcolina M1, situado aguas arriba, se une a las proteínas G de clase G q . Se ha demostrado que el bloqueo de este canal con el agonista metioduro de oxotremorina inhibe las corrientes ASIC1a. [19] También se ha demostrado que las corrientes ASIC1a se inhiben en presencia de agentes oxidantes y se potencian en presencia de agentes reductores. Se encontró una disminución y un aumento de la acumulación intracelular de Ca2 + inducida por el ácido , respectivamente. [20]
Las mediciones de fijación de parche sugieren un papel directo de G α en la inhibición de la corriente rápida de Na + dentro de las células cardíacas. [21] Otros estudios han encontrado evidencia de una vía de segundo mensajero que puede controlar indirectamente estos canales. [22] No se ha definido con total certeza si las proteínas G activan indirecta o directamente los canales de iones Na + .
Se ha descubierto que la actividad del canal de cloruro en las células epiteliales y cardíacas depende de la proteína G. Sin embargo, todavía no se ha identificado el canal cardíaco que se ha demostrado que está regulado directamente por la subunidad G α . Al igual que con la inhibición del canal de Na + , no se pueden descartar las vías de segundo mensajero en la activación del canal de Cl− . [ 23]
Los estudios realizados en canales de Cl − específicos muestran diferentes funciones de la activación de la proteína G. Se ha demostrado que las proteínas G activan directamente un tipo de canal de Cl − en el músculo esquelético. [10] Otros estudios, en células CHO , han demostrado que un canal de Cl − de gran conductancia se activa de forma diferencial por las proteínas G sensibles a CTX y PTX. [10] El papel de las proteínas G en la activación de los canales de Cl − es un área compleja de investigación que está en curso.
Se ha demostrado que las mutaciones en las proteínas G asociadas con canales iónicos regulados por proteínas G están implicadas en enfermedades como la epilepsia , enfermedades musculares, enfermedades neurológicas y dolor crónico, entre otras. [4]
La epilepsia, el dolor crónico y las drogas adictivas como la cocaína, los opioides, los cannabinoides y el etanol afectan la excitabilidad neuronal y la frecuencia cardíaca. Se ha demostrado que los canales GIRK están involucrados en la susceptibilidad a las convulsiones, la adicción a la cocaína y el aumento de la tolerancia al dolor por opioides, cannabinoides y etanol. [24] Esta conexión sugiere que los moduladores del canal GIRK pueden ser agentes terapéuticos útiles en el tratamiento de estas afecciones. Los inhibidores del canal GIRK pueden servir para tratar las adicciones a la cocaína, los opioides, los cannabinoides y el etanol, mientras que los activadores del canal GIRK pueden servir para tratar los síntomas de abstinencia. [24]
Se ha demostrado que la intoxicación alcohólica está directamente relacionada con las acciones de los canales GIRK. Los canales GIRK tienen un bolsillo hidrofóbico que es capaz de unirse al etanol , el tipo de alcohol que se encuentra en las bebidas alcohólicas. [25] [26] Cuando el etanol actúa como agonista , los canales GIRK en el cerebro experimentan una apertura prolongada. Esto causa una disminución de la actividad neuronal, cuyo resultado se manifiesta como los síntomas de intoxicación alcohólica. El descubrimiento del bolsillo hidrofóbico capaz de unirse al etanol es significativo en el campo de la farmacología clínica. Los agentes que pueden actuar como agonistas de este sitio de unión pueden ser potencialmente útiles en la creación de medicamentos para el tratamiento de trastornos neurológicos como la epilepsia en la que la activación neuronal excede los niveles normales. [26]
Los estudios han demostrado que existe un vínculo entre los canales con subunidades GIRK1 y la vía del receptor beta-adrenérgico en las células de cáncer de mama, responsable de la regulación del crecimiento de las células. Se ha descubierto que aproximadamente el 40% de los tejidos primarios de cáncer de mama humano contienen el ARNm que codifica las subunidades GIRK1. [27] Se ha demostrado que el tratamiento del tejido de cáncer de mama con alcohol desencadena un mayor crecimiento de las células cancerosas. El mecanismo de esta actividad todavía es objeto de investigación. [27]
La regulación cardíaca alterada es común en adultos diagnosticados con síndrome de Down y puede estar relacionada con los canales iónicos regulados por la proteína G. El gen KCNJ6 se encuentra en el cromosoma 21 y codifica la subunidad proteica GIRK2 de los canales de K + regulados por la proteína G. [28] Las personas con síndrome de Down tienen tres copias del cromosoma 21, lo que resulta en una sobreexpresión de la subunidad GIRK2. Los estudios han encontrado que los ratones recombinantes que sobreexpresan las subunidades GIRK2 muestran respuestas alteradas a los fármacos que activan los canales de K + regulados por la proteína G. Estas respuestas alteradas se limitaron al nódulo sinoatrial y las aurículas, ambas áreas que contienen muchos canales de K + regulados por la proteína G. [28] Estos hallazgos podrían conducir potencialmente al desarrollo de fármacos que puedan ayudar a regular el desequilibrio simpático-parasimpático cardíaco en adultos con síndrome de Down.
La fibrilación auricular (ritmo cardíaco anormal) se asocia con una duración más corta del potencial de acción y se cree que se ve afectada por el canal de K + controlado por la proteína G , I K,ACh . [29] El canal I K,ACh , cuando es activado por las proteínas G, permite el flujo de K + a través de la membrana plasmática y fuera de la célula. Esta corriente hiperpolariza la célula, terminando así el potencial de acción. Se ha demostrado que en la fibrilación auricular crónica hay un aumento en esta corriente rectificadora interna debido a los canales I K,ACh constantemente activados . [29] El aumento de la corriente da como resultado una duración más corta del potencial de acción experimentado en la fibrilación auricular crónica y conduce a la fibrilación posterior del músculo cardíaco. El bloqueo de la actividad del canal I K,ACh podría ser un objetivo terapéutico en la fibrilación auricular y es un área en estudio.
Se ha demostrado in vivo que los canales GIRK están involucrados en la analgesia inducida por opioides y etanol. [30] Estos canales específicos han sido el objetivo de estudios recientes que tratan la varianza genética y la sensibilidad a los analgésicos opioides debido a su papel en la analgesia inducida por opioides. Varios estudios han demostrado que cuando se prescriben opioides para tratar el dolor crónico, los canales GIRK son activados por ciertos GPCR, es decir, receptores opioides, lo que conduce a la inhibición de la transmisión nociceptiva, funcionando así en el alivio del dolor. [31] Además, los estudios han demostrado que las proteínas G, específicamente la subunidad alfa Gi , activan directamente las GIRK que se encontró que participan en la propagación de la analgesia inducida por morfina en las espinas inflamadas de ratones. [32] La investigación relacionada con el manejo del dolor crónico continúa realizándose en este campo.