Los canales BK (potasio grande), son canales de potasio activados por calcio de gran conductancia , [1] también conocidos como Maxi-K , slo1 o Kca1.1 . Los canales BK son canales de potasio dependientes del voltaje que conducen grandes cantidades de iones de potasio (K + ) a través de la membrana celular , de ahí su nombre, potasio grande . Estos canales se pueden activar (abrir) por medios eléctricos o aumentando las concentraciones de Ca 2+ en la célula. [2] [3] Los canales BK ayudan a regular procesos fisiológicos, como los ritmos de comportamiento circadianos y la excitabilidad neuronal. [4] Los canales BK también están involucrados en muchos procesos en el cuerpo, ya que es un canal ubicuo. Tienen una estructura tetramérica que se compone de un dominio transmembrana , un dominio de detección de voltaje , un dominio de canal de potasio y un dominio C-terminal citoplasmático , con muchas estructuras de rayos X como referencia. Su función es repolarizar el potencial de membrana permitiendo que el potasio fluya hacia afuera, en respuesta a una despolarización o aumento de los niveles de calcio.
Estructuralmente, los canales BK son homólogos a los canales de potasio regulados por voltaje y ligando , y tienen un sensor de voltaje y un poro como dominio que atraviesa la membrana y un dominio citosólico para la unión del calcio y magnesio intracelulares . [5] Cada monómero de la subunidad alfa formadora de canales es el producto del gen KCNMA1 (también conocido como Slo1). La subunidad Slo1 tiene tres dominios estructurales principales, cada uno con una función distinta:
La compuerta de activación se encuentra en el PGD, que se encuentra en el lado citosólico de S6 o en el filtro de selectividad (la selectividad es la preferencia de un canal para conducir un ion específico). [5] El dominio de detección de voltaje y el dominio de compuerta de poro se denominan colectivamente dominios que atraviesan la membrana y están formados por los segmentos transmembrana S1-S4 y S5-S6, respectivamente. Dentro de la hélice S4 hay una serie de residuos con carga positiva que sirven como sensor de voltaje primario . [6]
Los canales BK son bastante similares a los canales K⁺ dependientes del voltaje , sin embargo, en los canales BK solo un residuo cargado positivamente (Arg213) está involucrado en la detección de voltaje a través de la membrana. [5] También es exclusivo de los canales BK un segmento S0 adicional, este segmento es necesario para la modulación de la subunidad β . [7] [8] y la sensibilidad al voltaje. [9]
El dominio citosólico está compuesto por dos dominios RCK (regulador de la conductancia del potasio), RCK1 y RCK2. Estos dominios contienen dos sitios de unión de Ca²⁺ de alta afinidad : uno en el dominio RCK1 y el otro en una región denominada cuenco de Ca²⁺ que consiste en una serie de residuos de ácido aspártico (Asp) que se encuentran en el dominio RCK2. El sitio de unión de Mg²⁺ se encuentra entre el VSD y el dominio citosólico, que está formado por: residuos de Asp dentro del bucle S0-S1, residuos de asparagina en el extremo citosólico de S2 y residuos de glutamina en RCK1. [5] En la formación del sitio de unión de Mg²⁺ , dos residuos provienen del RCK1 de una subunidad Slo1 y los otros dos residuos provienen del VSD de la subunidad vecina. Para que estos residuos coordinen el ion Mg²⁺, el VSD y el dominio citosólico de las subunidades vecinas deben estar muy cerca. [5] Las subunidades beta moduladoras (codificadas por KCNMB1 , KCNMB2 , KCNMB3 o KCNMB4 ) pueden asociarse con el canal tetramérico . Hay cuatro tipos de subunidades β (β1-4), cada una de las cuales tiene diferentes patrones de expresión que modifican las propiedades de activación del canal BK. La subunidad β1 es la principal responsable de la expresión de las células del músculo liso , las subunidades β2 y β3 se expresan neuronalmente, mientras que la β4 se expresa dentro del cerebro . [5] El VSD se asocia con el PGD a través de tres interacciones principales:
Los canales BK están asociados y modulados por una amplia variedad de factores intra y extracelulares, como subunidades auxiliares (β, γ), Slobs (proteína de unión a slo), fosforilación , voltaje de membrana , ligandos químicos (Ca²⁺, Mg²⁺), PKC. Las subunidades α de BK se ensamblan 1:1 con cuatro tipos auxiliares diferentes de subunidades β (β1, β2, β3 o β4). [10]
Se ha descubierto que el tráfico y la expresión de los canales BK en la membrana plasmática están regulados por motivos de empalme distintos ubicados dentro de los dominios RCK C-terminales intracelulares . En particular, una variante de empalme que excluía estos motivos impedía la expresión de los canales BK en la superficie celular y sugiere que dicho mecanismo afecta la fisiología y la patofisiología . [10]
Los canales BK en el sistema vascular están modulados por agentes producidos naturalmente en el cuerpo, como la angiotensina II (Ang II), la glucosa alta o el ácido araquidónico (AA), que está modulado en la diabetes por el estrés oxidativo (ROS). [10]
Una sensibilidad de voltaje más débil permite que los canales BK funcionen en una amplia gama de potenciales de membrana. Esto garantiza que el canal pueda realizar adecuadamente su función fisiológica. [11]
La inhibición de la actividad del canal BK por fosforilación de S695 por la proteína quinasa C (PKC) depende de la fosforilación de S1151 en el extremo C de la subunidad alfa del canal. Solo una de estas fosforilaciones en la estructura tetramérica debe ocurrir para que la inhibición sea exitosa. La proteína fosfatasa 1 contrarresta la fosforilación de S695. La PKC disminuye la probabilidad de apertura del canal acortando el tiempo de apertura del canal y prolongando el estado cerrado del canal. La PKC no afecta la conductancia de un solo canal, la dependencia del voltaje o la sensibilidad al calcio de los canales BK. [11]
Los canales BK se activan sinérgicamente a través de la unión de iones de calcio y magnesio , pero también pueden activarse a través de la dependencia del voltaje. [10] La activación dependiente de Ca²⁺ ocurre cuando el Ca²⁺ intracelular se une a dos sitios de unión de alta afinidad : uno ubicado en el extremo C del dominio RCK2 (cuenco de Ca²⁺) y el otro ubicado en el dominio RCK1. [5] El sitio de unión dentro del dominio RCK1 tiene una afinidad algo menor por el calcio que el cuenco de Ca²⁺, pero es responsable de una porción más grande de la sensibilidad al Ca²⁺. [12] El voltaje y el calcio activan los canales BK usando dos mecanismos paralelos, con los sensores de voltaje y los sitios de unión de Ca²⁺ acoplándose a la compuerta de activación de forma independiente, excepto por una interacción débil entre los dos mecanismos. El cuenco de Ca²⁺ acelera la cinética de activación a bajas concentraciones de Ca²⁺ mientras que el sitio RCK1 influye tanto en la cinética de activación como en la de desactivación. [11] Monod, Wyman y Changeux propusieron originalmente un modelo de mecanismo, conocido como el modelo MWC. El modelo MWC para los canales BK explica que un cambio conformacional de la compuerta de activación en la apertura del canal está acompañado por un cambio conformacional en el sitio de unión de Ca²⁺, lo que aumenta la afinidad de la unión de Ca²⁺. [12]
La activación dependiente del magnesio de los canales BK se activa a través de un sitio de unión de metal de baja afinidad que es independiente de la activación dependiente de Ca²⁺. El sensor Mg²⁺ activa los canales BK al cambiar el voltaje de activación a un rango más negativo. Mg²⁺ activa el canal solo cuando el dominio del sensor de voltaje permanece en el estado activado. El dominio de cola citosólica (CTD) es un sensor químico que tiene múltiples sitios de unión para diferentes ligandos . El CTD activa el canal BK cuando se une con Mg²⁺ intracelular para permitir la interacción con el dominio del sensor de voltaje (VSD). [11] El magnesio está coordinado predominantemente por seis átomos de oxígeno de las cadenas laterales de residuos que contienen oxígeno, grupos carbonilo de la cadena principal en proteínas o moléculas de agua . [12] D99 en el extremo C del bucle S0-S1 y N172 en el bucle S2-S3 contienen oxígenos de cadena lateral en el dominio del sensor de voltaje que son esenciales para la unión de Mg²⁺. Al igual que el modelo de activación dependiente de Ca²⁺, la activación dependiente de Mg²⁺ también se puede describir mediante un modelo de compuerta MCW alostérico. Mientras que el calcio activa el canal en gran medida independientemente del sensor de voltaje, el magnesio activa el canal por canal mediante una interacción electrostática con el sensor de voltaje. [12] Esto también se conoce como el modelo Nudging, en el que el magnesio activa el canal empujando el sensor de voltaje a través de interacciones electrostáticas e involucra las interacciones entre cadenas laterales en diferentes dominios estructurales. [5] La energía proporcionada por el voltaje, la unión de Ca²⁺ y Mg²⁺ se propagará a la compuerta de activación de los canales BK para iniciar la conducción de iones a través del poro. [ 5]
Los canales BK ayudan a regular tanto la activación de las neuronas como la liberación de neurotransmisores . [13] Esta modulación de la transmisión sináptica y la descarga eléctrica a nivel celular se debe a la expresión del canal BK junto con otros canales de potasio-calcio. [10] La apertura de estos canales provoca un impulso hacia el potencial de equilibrio de potasio y, por lo tanto, desempeña un papel en la aceleración de la repolarización de los potenciales de acción . [10] Esto permitiría efectivamente una estimulación más rápida. [10] También hay un papel en la conformación de la repolarización general de las células y, por lo tanto, después de la hiperpolarización (AHP) de los potenciales de acción. [14] El papel que tienen los canales BK en la fase rápida de AHP se ha estudiado ampliamente en el hipocampo. [14] También puede desempeñar un papel en la inhibición de la liberación de neurotransmisores. [15] Hay muchos canales BK en las células de Purkinje en el cerebelo , lo que resalta su papel en la coordinación y función motora . [14] Además, los canales BK desempeñan un papel en la modulación de la actividad de las dendritas , así como de los astrocitos y la microglia . [15] No solo desempeñan un papel en el SNC ( sistema nervioso central ), sino también en las contracciones del músculo liso , la secreción de células endocrinas y la proliferación de células. [13] Varias subunidades γ durante el desarrollo temprano del cerebro están involucradas en la excitabilidad neuronal y en las células no excitables a menudo son responsables como fuerza impulsora del calcio. [10] Por lo tanto, estas subunidades pueden ser objetivos para tratamientos terapéuticos como activadores del canal BK. [10] Hay más evidencia de que la inhibición de los canales BK evitaría el eflujo de potasio y, por lo tanto, reduciría el uso de ATP , lo que permitiría la supervivencia neuronal en entornos con poco oxígeno. [10] Los canales BK también pueden funcionar como un protector neuronal en términos tales como limitar la entrada de calcio en las células a través de la oxidación de la metionina . [10]
Los canales BK también juegan un papel en la audición . [14] Esto se encontró cuando la subunidad ɑ de BK fue eliminada en ratones y se observó una pérdida progresiva de células ciliadas cocleares y, por lo tanto, pérdida auditiva. [14] Los canales BK no solo están involucrados en la audición, sino también en los ritmos circadianos . Las proteínas de unión a Slo (Slobs) pueden modular los canales BK en función de los ritmos circadianos en las neuronas. [10] Los canales BK se expresan en el núcleo supraquiasmático (SCN), que se caracteriza por influir en la fisiopatología del sueño. [14] Los abridores de canales BK también pueden tener un efecto protector en el sistema cardiovascular . [10] A una baja concentración de calcio, los canales BK tienen un mayor impacto en el tono vascular . [10] Además, el sistema de señalización de los canales BK en el sistema cardiovascular influye en el funcionamiento del flujo sanguíneo coronario . [10] Una de las funciones de la subunidad β en el cerebro incluye la inhibición de los canales BK, lo que permite la desaceleración de las propiedades del canal, así como la capacidad de ayudar a prevenir convulsiones en el lóbulo temporal . [10]
Las mutaciones de los canales BK, que resultan en una menor cantidad de expresión en el ARNm , son más comunes en personas con discapacidades mentales (a través de hipofunción [15] ), esquizofrenia o autismo . [10] Además, el aumento de la repolarización causada por mutaciones del canal BK puede conducir a la dependencia del alcohol, iniciación de discinesias , epilepsia o trastornos del movimiento paroxístico. [10] Los canales BK no solo son importantes en muchos procesos celulares en el adulto, sino que también son cruciales para el suministro adecuado de nutrición a un feto en desarrollo . [10] Por lo tanto, el estrógeno puede causar un aumento en la densidad de los canales BK en el útero . [10] Sin embargo, se ha encontrado una mayor expresión de los canales BK en las células tumorales , y esto podría influir en la futura terapia contra el cáncer , que se analiza más en la sección de farmacología. [10] Los canales BK son omnipresentes en todo el cuerpo y, por lo tanto, tienen un impacto grande y vasto en el cuerpo en su conjunto y en un nivel más celular, como se discutió.
Varios problemas surgen cuando hay un déficit en los canales BK. Las consecuencias del mal funcionamiento del canal BK pueden afectar el funcionamiento de una persona de muchas maneras, algunas más mortales que otras. Los canales BK pueden ser activados por contaminantes exógenos y gasotransmisores endógenos monóxido de carbono , [16] [17] óxido nítrico y sulfuro de hidrógeno. [18] Las mutaciones en las proteínas involucradas con los canales BK o genes que codifican los canales BK están involucradas en muchas enfermedades. Un mal funcionamiento de los canales BK puede proliferar en muchos trastornos como: epilepsia , cáncer , diabetes , asma e hipertensión . [13] Específicamente, el defecto β1 puede aumentar la presión arterial y la retención hidrosalina en el riñón . [13] Se ha encontrado que tanto las mutaciones de pérdida de función como de ganancia de función están involucradas en trastornos como la epilepsia y el dolor crónico . [15] Además, los aumentos en la activación del canal BK, a través de mutantes de ganancia de función y amplificación, tienen vínculos con la epilepsia y el cáncer. [13] Además, los canales BK desempeñan un papel en los tumores, así como en los cánceres. En ciertos cánceres se puede encontrar gBK, un canal iónico variante llamado canal BK de glioma. [14] Se sabe que los canales BK influyen de alguna manera en la división de las células durante la replicación , que cuando no se regula puede conducir a cánceres y tumores. [14] Además, un aspecto estudiado incluye la migración de células cancerosas y el papel en el que los canales BK pueden facilitar esta migración, aunque todavía se desconoce mucho. [14] Otra razón por la que la comprensión del canal BK es importante implica su papel en la cirugía de trasplante de órganos . Esto se debe a la activación de los canales BK que influyen en la repolarización del potencial de membrana en reposo . [10] Por lo tanto, la comprensión es crucial para la seguridad en el trasplante efectivo.
Los canales BK se pueden utilizar como objetivos farmacológicos para el tratamiento de varios trastornos médicos, incluidos los accidentes cerebrovasculares [19] y la vejiga hiperactiva . [20] Ha habido intentos de desarrollar moléculas sintéticas dirigidas a los canales BK, [21] sin embargo, sus esfuerzos han demostrado ser en gran medida ineficaces hasta ahora. Por ejemplo, BMS-204352, una molécula desarrollada por Bristol-Myers Squibb , no logró mejorar el resultado clínico en pacientes con accidente cerebrovascular en comparación con placebo . [22] Sin embargo, ha habido cierto éxito del agonista de los canales BKCa, BMS-204352, en el tratamiento de los déficits observados en ratones knock out de Fmr1 , un modelo de síndrome del cromosoma X frágil . [23] [24] Los canales BK también funcionan como un bloqueador en la isquemia y son un foco en la investigación de su uso como terapia para el accidente cerebrovascular. [10]
Existen muchas aplicaciones para las estrategias terapéuticas que involucran los canales BK. Ha habido investigaciones que muestran que un bloqueo de los canales BK da como resultado un aumento en la liberación de neurotransmisores, lo que indica efectivamente futuras posibilidades terapéuticas en la mejora de la cognición , la mejora de la memoria y el alivio de la depresión . [13] Una respuesta conductual al alcohol también está modulada por los canales BK, [10] por lo tanto, una mayor comprensión de esta relación puede ayudar al tratamiento en pacientes alcohólicos . El estrés oxidativo en los canales BK puede conducir a los deterioros negativos que la reducción de la presión arterial a través de la relajación cardiovascular tiene tanto en el envejecimiento como en la enfermedad. [10] Por lo tanto, el sistema de señalización puede participar en el tratamiento de la hipertensión y la aterosclerosis [10] a través de la orientación de la subunidad ɑ para prevenir estos efectos perjudiciales. Además, el papel conocido que pueden desempeñar los canales BK en el cáncer y los tumores es limitado. Por lo tanto, no hay mucho conocimiento actual sobre los aspectos específicos de los canales BK que pueden influir en los tumores y los cánceres. [14] Es crucial realizar más estudios, ya que esto podría conducir a un inmenso desarrollo en los tratamientos para las personas con cáncer y tumores. Se sabe que las epilepsias se deben a la sobreexcitabilidad de las neuronas, y que los canales BK tienen un gran impacto en el control de la hiperexcitabilidad. [4] Por lo tanto, su comprensión podría influir en el tratamiento de la epilepsia. En general, los canales BK son un objetivo para futuros agentes farmacológicos que se pueden utilizar para tratamientos benéficos de la enfermedad.