El canal de calcio tipo P es un tipo de canal de calcio dependiente de voltaje . Al igual que muchos otros canales de calcio dependientes de alto voltaje, la subunidad α1 determina la mayoría de las propiedades del canal. [1] La 'P' significa células de Purkinje cerebelosas , en referencia al sitio inicial de descubrimiento del canal. [2] [3] Los canales de calcio de tipo P desempeñan un papel similar al canal de calcio de tipo N en la liberación de neurotransmisores en la terminal presináptica y en la integración neuronal en muchos tipos neuronales.
Los experimentos con canales de calcio que llevaron al descubrimiento de los canales de calcio tipo P fueron completados inicialmente por Llinás y Sugimori en 1980. [2] Los canales de calcio tipo P fueron nombrados en 1989 porque fueron descubiertos dentro de las neuronas de Purkinje de los mamíferos . [3] Pudieron utilizar una preparación in vitro para examinar las corrientes iónicas que explican las propiedades electrofisiológicas de las células de Purkinje . Descubrieron que existen potenciales de acción dependientes del calcio que aumentan lentamente y disminuyen rápidamente y luego sufren hiperpolarización . Los potenciales de acción dependían del voltaje y los potenciales posthiperpolarizantes estaban conectados a las ráfagas de picos, ubicadas dentro de las dendritas de las células de Purkinje. Sin flujo de calcio en las células de Purkinje, los potenciales de acción se activan esporádicamente a alta frecuencia. [2]
Los canales de calcio de tipo P son canales de calcio dependientes del voltaje que se clasifican en el canal de clase activado por alto voltaje, junto con los canales de tipo L, N, Q y R. Estos canales requieren una fuerte despolarización para poder activarse. Se encuentran en las terminales de los axones, así como en áreas somatodendríticas de las neuronas del sistema nervioso central y periférico. [1] Los canales de calcio tipo P también son fundamentales para la liberación de vesículas , específicamente neurotransmisores y hormonas [4] en las terminales sinápticas de las sinapsis excitadoras e inhibidoras . [1]
Los canales de calcio de tipo P dependientes de voltaje constan de una subunidad α1 principal formadora de poros (que se conoce más específicamente como CaV2.1 ), [5] una subunidad α2δ y una subunidad β. Puede haber subunidades γ en los canales de calcio de los músculos esqueléticos. [6] La subunidad α1 está codificada específicamente por el gen CACNA1A [1] y está compuesta por cuatro dominios, cada uno de los cuales contiene seis transmembrana (S1-S6) que abarcan hélices α. Se cree que el bucle S1-S2 y la región S6 son responsables de la inactivación del canal, la región S4 sirve como sensor de voltaje y el bucle S5-S6 forma el poro. [4] Hay siete subunidades dentro de la subunidad α1. La subunidad A, denominada α1ACa2+, corresponde a lo que funcionalmente se define como las isoformas tipo P y tipo Q. Los canales de calcio de tipo P y Q están estrechamente relacionados ya que se producen a partir del mismo gen mediante empalme alternativo. Como complicación del empalme alternativo, los canales tipo P y tipo Q pueden tener diferentes composiciones de subunidades. [6] La subunidad β regula la cinética y la expresión del canal, junto con la subunidad α2δ. [1]
La mayoría de los canales de calcio de tipo P se encuentran en el sistema nervioso y el corazón. El etiquetado de anticuerpos es el método principal utilizado para identificar la ubicación del canal. [7]
Las áreas de alta expresión en sistemas de mamíferos incluyen:
Los bloqueadores de los canales de calcio tipo P actúan impidiendo el flujo de calcio. El bloqueo de las corrientes de calcio puede provocar que el organismo experimente un deterioro del funcionamiento y la viabilidad. Estos efectos pueden provocar diversas enfermedades que se describen con más detalle en la sección siguiente.
Los poros de los canales de calcio tipo P son sensibles a compuestos que se pueden dividir en tres grupos:
Sólo hay dos toxinas peptídicas que bloquean selectivamente los canales tipo P: la ω- agatoxina IVA y la ω-agatoxina IVB. Los demás bloqueadores mencionados, como por ejemplo los de bajo peso molecular y los bloqueadores terapéuticos, no son selectivos. Esto significa que pueden actuar en canales tipo P así como en otros canales. [1]
Los dos bloqueadores conocidos que son específicos de los canales de calcio de tipo P son péptidos derivados del veneno de araña de Agelenopsis aperta . Las toxinas de este veneno que muestran selectividad por los canales tipo P son la ω-agatoxina IVA y la ω-agatoxina IVB. Cada una de estas toxinas peptídicas está formada por 48 aminoácidos que están unidos por cuatro enlaces disulfuro . Aunque la ω-agatoxina IVA y la ω-agatoxina IVB tienen la misma afinidad y selectividad por los canales tipo P, sus cinéticas son diferentes. La ω-agatoxina IVA afecta el mecanismo de activación del canal tipo P. Cuando hay una fuerte despolarización para activar el canal, la ω-agatoxina IVA ya no puede bloquear el canal. Por tanto, la ω-agatoxina IVA tiene una afinidad muy baja por el canal cuando está abierto. Se une a la subunidad α 1A en el exterior del poro. El receptor ω-agatoxina IVA en el canal tipo P está ubicado en el conector S3-S4. Por otro lado, el bloqueo de canales por la ω-agatoxina IVB se produce mucho más lentamente. Sin embargo, al igual que la ω-agatoxina IVA, la ω-agatoxina IVB no puede unirse al canal tras una fuerte despolarización. [1]
Los bloqueadores de canales de bajo peso molecular tienen ventajas sobre los bloqueadores de péptidos en el desarrollo de fármacos. Una ventaja de los bloqueadores de canales de bajo peso molecular es que pueden penetrar el tejido , lo cual es importante para cruzar la barrera hematoencefálica . No existe un bloqueador de canales de bajo peso molecular específico para los canales tipo P. Sin embargo, existen varios de estos compuestos bloqueadores que pueden afectar la actividad de los canales tipo P. [1] Estos incluyen:
Existen terapias utilizadas clínicamente que pueden afectar la actividad de los canales de calcio de tipo P. Sin embargo, no se cree que el objetivo principal de estas terapias sean los canales tipo P. Por ejemplo, los antagonistas del calcio , que se utilizan para tratar la enfermedad coronaria , la hipertensión y la arritmia cardíaca , actúan inhibiendo los canales de calcio de tipo L o T. Algunos de estos antagonistas del calcio incluyen verapamilo , diltiazem , amlodipino , benidipino , cilnidipino , nicardipino y barnidipino . Aunque su objetivo principal no son los canales tipo P, estos antagonistas del calcio también actúan bloqueando la función de los canales tipo P. Además, la flunarizina es otro antagonista del calcio que se utiliza para tratar las migrañas . Sus principales objetivos son los canales de calcio dependientes de voltaje y los canales de sodio . La flunarizina inhibe los canales tipo P que se ubican en los cortes neocorticales . Trabaja para inhibir el flujo interno de calcio. Las migrañas que ayuda a prevenir se deben a mutaciones en el gen "cacna1a" de la subunidad del canal tipo P. Además, se ha demostrado que los compuestos que bloquean los canales tipo P ayudan con las convulsiones . Las crisis epilépticas son causadas por un aumento de la neurotransmisión , que es en parte resultado de los canales tipo P. Se sabe que compuestos como levetiracetam , lamotrigina y carbamazepina bloquean los canales tipo P, lo que ha ayudado a disminuir la aparición de convulsiones. En general, existen diversos bloqueadores de los canales de calcio no selectivos que ayudan a aliviar los síntomas de hipertensión , esquizofrenia , arritmia cardíaca , epilepsia , dolor , asma , bradicardia , angina de pecho y enfermedad de Alzheimer . Aunque el objetivo principal de muchos de los compuestos terapéuticos no son los canales de tipo P, es necesario realizar más investigaciones para determinar si los efectos clínicos de estos compuestos también están influenciados por el bloqueo de los canales de tipo P. [1]
Hay una serie de enfermedades neurológicas que se han atribuido a canales de tipo P/Q mal funcionamiento o mutados. [6]
En la enfermedad de Alzheimer , hay una acumulación progresiva de proteína β-amiloide (Aβ) en el cerebro. Se desarrollan placas amiloides que dan como resultado los síntomas clave de la enfermedad de Alzheimer. La proteína globulómero Aβ es una sustancia artificial utilizada en experimentos de investigación que tiene propiedades similares al oligómero Aβ que está presente en el cuerpo. El oligómero Aβ regula directamente los canales de calcio de tipo P/Q. La subunidad α1A es la responsable de la conducción de la corriente de calcio. Cuando sólo están presentes canales de calcio de tipo P/Q con la proteína globulómero Aβ, hay un efecto directo sobre la subunidad α1A y da como resultado un aumento de la corriente de calcio a través del canal de calcio de tipo P/Q. La respuesta depende de la dosis, ya que se necesitan concentraciones de 20 nM y 200 nM de globulómero Aβ para un aumento significativo de la corriente de calcio a través del canal en ovocitos de Xenopus , lo que demuestra que es necesaria una cierta acumulación de globulómero Aβ antes de que se observen los efectos. Cuando aumenta la corriente de calcio, también aumenta la liberación de neurotransmisores , lo que ofrece una posible causa de toxicidad en pacientes con enfermedad de Alzheimer. [9]
El gen CACNA1A codifica la subunidad alfa del canal de calcio tipo P/Q. [10] La mutación R192Q del gen CACNA1A es una mutación de ganancia de función para los receptores P2X3. [5] [10] Los receptores P2X3 están presentes en las neuronas del ganglio del trigémino [5] y se cree que son el principal contribuyente a la migraña hemipléjica familiar . [11] Mediante el uso de un experimento knockin , esta mutación podría expresarse en ratones para poder realizar investigaciones. [5] [10] El ratón mutante tiene una actividad del receptor P2X3 significativamente mayor que el ratón de tipo salvaje [5] debido a una mayor probabilidad de apertura del canal y a la activación del canal a voltajes más bajos. [10] Este aumento de la actividad del receptor da como resultado un mayor flujo de calcio a través del canal de calcio tipo P/Q. El aumento de la concentración de calcio intracelular puede contribuir al dolor agudo del trigémino que normalmente provoca dolor de cabeza. [5] La evidencia respalda que las migrañas son un trastorno de la excitabilidad cerebral caracterizado por una regulación deficiente del equilibrio excitador-inhibitorio cortical. [10]
El levetiracetam es un fármaco antiepiléptico que puede utilizarse para tratar las convulsiones parciales y generalizadas . El levetiracetam inhibe la liberación de glutamato mediada por el canal P/Q y disminuye las corrientes postsinápticas excitadoras de los receptores AMPA y NMDA en el hipocampo , específicamente en la circunvolución dentada , que se sabe que propaga las actividades convulsivas. La inhibición de la liberación de glutamato produce una respuesta antiepiléptica en los pacientes porque disminuye la corriente postsináptica excitatoria. Hay muchos tipos diferentes de canales de calcio, por lo que para demostrar que los canales de calcio de tipo P/Q están directamente involucrados, se utilizó un inhibidor de los canales de calcio dependientes de voltaje de tipo P/Q, omega-agatoxina TK , para bloquear el canal. Cuando se bloqueaban, los pacientes ya no se beneficiaban de los efectos antiepilépticos de los fármacos. Cuando se utilizaron bloqueadores de los canales de calcio tipo L y N , aún se observaron los efectos del levetiracetam. Esta es una fuerte evidencia de que los canales de calcio tipo P/Q están involucrados en el tratamiento con levetiracetam, lo que permite el alivio de las convulsiones. [12]
Muchas mutaciones de los canales de calcio tipo P dan como resultado una disminución del nivel de calcio libre intracelular. Mantener la homeostasis del calcio es esencial para el funcionamiento normal de las neuronas. El cambio en la concentración de iones de calcio celular actúa como desencadenante de múltiples enfermedades; en casos graves, estas enfermedades pueden provocar una muerte neuronal masiva. [6]
Los estudios de mutaciones permiten a los experimentadores estudiar canalopatías genéticamente heredadas . Una canalopatía es cualquier enfermedad que resulta de un canal iónico con subunidades o proteínas reguladoras que funcionan mal. [6] Un ejemplo de canalopatía del canal de calcio de tipo P se muestra en ratones atáxicos homocigotos , que son recesivos tanto para los genes tambaleantes como para los más delgados . Estos ratones presentan mutaciones en la subunidad alfa1A de sus canales tipo P/Q. Las mutaciones en estos canales dan como resultado deficiencias dentro de las células de Purkinje cerebelosas que reducen drásticamente la densidad de corriente de los canales. [6]
Las mutaciones tambaleantes en ratones son el resultado de una mutación sin sentido y provocan convulsiones y ataxia de aparición tardía. La mutación tambaleante sustituye una sola prolina en lugar de una leucina dentro de la región P del canal. La región P es responsable de la formación del poro del canal iónico . Se ha demostrado que la mutación más delgada , que provoca síntomas más graves que la mutación tambaleante , es el resultado de una sustitución de un solo nucleótido que provoca fallos de empalme dentro del marco de lectura abierto de los canales . [6] Las mutaciones en la subunidad formadora de poros de los canales de calcio tipo P causan ataxia, respiración gravemente alterada, al disminuir la ventilación minuto y producir síntomas asociados con atelectasia . También se ha demostrado que las mutaciones en Ca V 2.1 afectan la transmisión dentro del complejo pre-Bötzinger , un grupo de interneuronas en el tronco del encéfalo que ayudan a regular la respiración. [5]