Los canales de cloruro son una superfamilia de canales iónicos poco conocidos específicos del cloruro . Estos canales pueden conducir muchos iones diferentes, pero se denominan así porque su concentración in vivo es mucho mayor que la de otros aniones. [1] Se han caracterizado en humanos varias familias de canales dependientes de voltaje y canales dependientes de ligando (por ejemplo, las familias CaCC ).
Los canales de cloruro dependientes de voltaje desempeñan numerosas funciones fisiológicas y celulares cruciales, como controlar el pH, la homeostasis del volumen, transportar solutos orgánicos y regular la migración, la proliferación y la diferenciación celular. Según la homología de secuencia, los canales de cloruro se pueden subdividir en varios grupos.
Los canales de cloruro dependientes del voltaje son importantes para establecer el potencial de membrana en reposo de la célula y mantener el volumen celular adecuado. Estos canales conducen Cl − u otros aniones como HCO−3, yo − , SCN − , y NO−3La estructura de estos canales no es como la de otros canales conocidos. Las subunidades del canal de cloruro contienen entre 1 y 12 segmentos transmembrana. Algunos canales de cloruro se activan solo por voltaje (es decir, dependientes del voltaje), mientras que otros se activan por Ca 2+ , otros ligandos extracelulares o pH. [2]
La familia CLC de canales de cloruro contiene 10 o 12 hélices transmembrana . Cada proteína forma un solo poro. Se ha demostrado que algunos miembros de esta familia forman homodímeros . En términos de estructura primaria, no están relacionados con los canales de cationes conocidos ni con otros tipos de canales de aniones. Se encuentran tres subfamilias de CLC en animales. CLCN1 está involucrado en el establecimiento y restablecimiento del potencial de membrana en reposo del músculo esquelético, mientras que otros canales juegan un papel importante en los mecanismos de concentración de solutos en el riñón. [3] Estas proteínas contienen dos dominios CBS . Los canales de cloruro también son importantes para mantener concentraciones seguras de iones dentro de las células vegetales. [4]
La estructura del canal CLC aún no se ha resuelto, sin embargo, la estructura de los intercambiadores CLC se ha resuelto mediante cristalografía de rayos X. Debido a que la estructura primaria de los canales y los intercambiadores son tan similares, la mayoría de las suposiciones sobre la estructura de los canales se basan en la estructura establecida para los intercambiadores bacterianos. [5]
Cada canal o intercambiador está compuesto de dos subunidades similares (un dímero), cada una de las cuales contiene un poro. Las proteínas se forman a partir de dos copias de la misma proteína (un homodímero), aunque los científicos han combinado artificialmente subunidades de diferentes canales para formar heterodímeros. Cada subunidad une iones independientemente de la otra, lo que significa que la conducción o el intercambio ocurren independientemente en cada subunidad. [3]
Cada subunidad consta de dos mitades relacionadas orientadas en direcciones opuestas, formando una estructura "antiparalela". Estas mitades se unen para formar el poro de aniones. [5] El poro tiene un filtro a través del cual pueden pasar el cloruro y otros aniones, pero deja pasar poco más. Estos poros llenos de agua filtran los aniones a través de tres sitios de unión : S int , S cen y S ext , que unen el cloruro y otros aniones. Los nombres de estos sitios de unión corresponden a sus posiciones dentro de la membrana. S int está expuesto al líquido intracelular, S cen se encuentra dentro de la membrana o en el centro del filtro y S ext está expuesto al líquido extracelular. [4] Cada sitio de unión une diferentes aniones de cloruro simultáneamente. En los intercambiadores, estos iones de cloruro no interactúan fuertemente entre sí, debido a interacciones compensatorias con la proteína. En los canales, la proteína no protege a los iones de cloruro en un sitio de unión de los cloruros vecinos con carga negativa. [6] Cada carga negativa ejerce una fuerza repulsiva sobre las cargas negativas que están a su lado. Los investigadores han sugerido que esta repulsión mutua contribuye a la alta tasa de conducción a través del poro. [5]
Los transportadores CLC transportan H + a través de la membrana. La vía H + en los transportadores CLC utiliza dos residuos de glutamato: uno en el lado extracelular, Glu ex , y otro en el lado intracelular, Glu in . Glu ex también sirve para regular el intercambio de cloruro entre la proteína y la solución extracelular. Esto significa que el cloruro y el protón comparten una vía común en el lado extracelular, pero divergen en el lado intracelular. [6]
Los canales CLC también dependen de H + , pero para la activación de la compuerta en lugar del intercambio de Cl− . En lugar de utilizar gradientes para intercambiar dos Cl− por un H + , los canales CLC transportan un H + mientras transportan simultáneamente millones de aniones. [6] Esto corresponde a un ciclo de la compuerta lenta.
Los canales CLC eucariotas también contienen dominios citoplasmáticos . Estos dominios tienen un par de motivos CBS, cuya función aún no está completamente caracterizada. [5] Aunque la función precisa de estos dominios no está completamente caracterizada, su importancia se ilustra por las patologías resultantes de su mutación. La enfermedad de Thomsen , la enfermedad de Dent , la osteopetrosis maligna infantil y el síndrome de Bartter son todos trastornos genéticos debidos a tales mutaciones.
Al menos una función de los dominios CBS citoplasmáticos se relaciona con la regulación a través de nucleótidos de adenosina . Los transportadores y proteínas CLC particulares tienen una actividad modulada cuando se unen con ATP , ADP , AMP o adenosina en los dominios CBS. El efecto específico es exclusivo de cada proteína, pero la implicación es que ciertos transportadores y proteínas CLC son sensibles al estado metabólico de la célula. [6]
El Scen actúa como filtro de selectividad primario para la mayoría de las proteínas CLC, permitiendo el paso de los siguientes aniones, desde el más seleccionado hasta el menos: SCN − , Cl − , Br − , NO−
3, I − . Alterar un residuo de serina en el filtro de selectividad, denominado Ser cen , por un aminoácido diferente altera la selectividad. [6]
La activación de la compuerta se produce a través de dos mecanismos: la activación rápida o por protoporo y la activación lenta o común. La activación común implica que ambas subunidades proteínicas cierran sus poros al mismo tiempo (cooperación), mientras que la activación por protoporo implica la apertura y el cierre independientes de cada poro. [5] Como lo indican los nombres, la activación rápida se produce a un ritmo mucho más rápido que la activación lenta. Los mecanismos moleculares precisos de la activación aún se están estudiando.
En el caso de los canales, cuando la compuerta lenta está cerrada, ningún ion pasa a través del poro. Cuando la compuerta lenta está abierta, las compuertas rápidas se abren espontáneamente e independientemente una de la otra. Por lo tanto, la proteína podría tener ambas compuertas abiertas, o ambas compuertas cerradas, o solo una de las dos compuertas abierta. Los estudios de fijación de parche de un solo canal demostraron esta propiedad biofísica incluso antes de que se hubiera resuelto la estructura de doble poro de los canales CLC. Cada compuerta rápida se abre independientemente de la otra y la conductancia iónica medida durante estos estudios refleja una distribución binomial. [3]
El transporte de H + promueve la apertura de la compuerta común en los canales CLC. Por cada apertura y cierre de la compuerta común, se transporta un H + a través de la membrana. La compuerta común también se ve afectada por la unión de los nucleótidos de adenosina a los dominios CBS intracelulares. La inhibición o activación de la proteína por estos dominios es específica de cada proteína. [6]
Los canales CLC permiten que el cloruro fluya a través de su gradiente electroquímico cuando están abiertos. Estos canales se expresan en la membrana celular. Los canales CLC contribuyen a la excitabilidad de estas membranas, así como al transporte de iones a través de la membrana. [3]
Los intercambiadores CLC están localizados en componentes intracelulares como endosomas o lisosomas y ayudan a regular el pH de sus compartimentos. [3]
El síndrome de Bartter , que se asocia con pérdida de sal renal y alcalosis hipocalémica , se debe al transporte defectuoso de iones de cloruro e iones asociados en el asa ascendente gruesa de Henle . Se ha implicado a CLCNKB . [7]
Otra enfermedad hereditaria que afecta a los órganos renales es la enfermedad de Dent , caracterizada por proteinuria de bajo peso molecular e hipercalciuria donde están implicadas mutaciones en CLCN5 . [7]
La enfermedad de Thomsen se asocia con mutaciones dominantes y la enfermedad de Becker con mutaciones recesivas en CLCN1 . [7]
Los miembros de la familia de canales de cloruro epiteliales (E-ClC) (TC# 1.A.13) catalizan el transporte bidireccional de iones de cloruro. Los mamíferos tienen múltiples isoformas (al menos 6 productos genéticos diferentes más variantes de empalme) de proteínas de canales de cloruro epiteliales, catalogadas en la familia de canales de cloruro accesorios (CLCA). [8] El primer miembro de esta familia en ser caracterizado fue una proteína de canal de cloruro regulada por Ca2 + del epitelio respiratorio aislada de membranas apicales traqueales bovinas. [9] Se caracterizó bioquímicamente como un complejo de 140 kDa. La proteína EClC bovina tiene 903 aminoácidos y cuatro supuestos segmentos transmembrana. El complejo purificado, cuando se reconstituyó en una bicapa lipídica plana, se comportó como un canal selectivo de aniones. [10] Fue regulado por Ca2 + a través de un mecanismo dependiente de la calmodulina quinasa II. Pueden estar presentes homólogos distantes en plantas, ciliados y bacterias, Synechocystis y Escherichia coli , por lo que al menos algunos dominios dentro de las proteínas de la familia E-ClC tienen un origen antiguo.
La familia de canales iónicos intracelulares de cloruro (CLIC) (TC# 1.A.12) consta de seis proteínas conservadas en humanos ( CLIC1 , CLIC2 , CLIC3 , CLIC4 , CLIC5 , CLIC6 ). Los miembros existen como proteínas solubles monoméricas y proteínas integrales de membrana donde funcionan como canales iónicos selectivos de cloruro. Se cree que estas proteínas funcionan en la regulación del potencial de membrana y en la absorción y secreción de iones transepiteliales en el riñón. [11] Son un miembro de la superfamilia de glutatión S-transferasa (GST).
Poseen uno o dos supuestos segmentos transmembrana α-helicoidales (TMS). La proteína p64 bovina tiene 437 residuos de aminoacilo de longitud y tiene los dos supuestos TMS en las posiciones 223-239 y 367-385. Los extremos N y C son citoplasmáticos, y el gran bucle luminal central puede estar glicosilado . La proteína nuclear humana (CLIC1 o NCC27) es mucho más pequeña (241 residuos) y solo tiene un supuesto TMS en las posiciones 30-36. Es homóloga a la segunda mitad de p64.
Los estudios estructurales mostraron que en la forma soluble, las proteínas CLIC adoptan un pliegue GST con un sitio activo que exhibe un motivo monotiol de glutaredoxina conservado, similar a las GST de clase omega. Al Khamici et al. demostraron que las proteínas CLIC tienen una actividad enzimática oxidorreductasa dependiente de glutatión similar a la glutaredoxina . [12] Las CLIC 1, 2 y 4 demuestran una actividad típica similar a la glutaredoxina utilizando disulfuro de 2-hidroxietilo como sustrato. Esta actividad puede regular la función del canal iónico CLIC. [12]
La reacción de transporte generalizada que se cree que es catalizada por los canales de cloruro es:
El CFTR es un canal de cloruro que pertenece a la superfamilia de transportadores ABC . Cada canal tiene dos dominios transmembrana y dos dominios de unión de nucleótidos. La unión del ATP a ambos dominios de unión de nucleótidos provoca cambios en la asociación de estos dominios, lo que a su vez provoca cambios que abren el poro iónico. Cuando el ATP se hidroliza, los dominios de unión de nucleótidos se disocian nuevamente y el poro se cierra. [13]
La fibrosis quística es causada por mutaciones en el gen CFTR en el cromosoma 7, siendo la mutación más común deltaF508 (una deleción de un codón que codifica para la fenilalanina, que ocupa la posición del aminoácido 508 en el polipéptido CFTR normal). Cualquiera de estas mutaciones puede impedir el plegamiento adecuado de la proteína e inducir su posterior degradación, lo que resulta en una disminución del número de canales de cloruro en el cuerpo. [ cita requerida ] Esto provoca la acumulación de moco en el cuerpo e infecciones crónicas. [ 13 ]
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