El canal de calcio de tipo P es un tipo de canal de calcio dependiente de voltaje . Al igual que muchos otros canales de calcio regulados por 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 del 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 de tipo P fueron completados inicialmente por Llinás y Sugimori en 1980. [2] Los canales de calcio de tipo P fueron nombrados en 1989 porque fueron descubiertos dentro de las neuronas de Purkinje de mamíferos . [3] Pudieron usar una preparación in vitro para examinar las corrientes iónicas que explican las propiedades electrofisiológicas de las células de Purkinje . Descubrieron que hay potenciales de acción dependientes del calcio que aumentan lentamente y caen rápidamente y luego experimentan 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 disparan esporádicamente a una alta frecuencia. [2]
Los canales de calcio de tipo P son canales de calcio dependientes de voltaje que se clasifican dentro de la clase de canales activados por alto voltaje, junto con los canales de tipo L, N, Q y R. Estos canales requieren una fuerte despolarización para activarse. Se encuentran en las terminales axónicas, así como en las áreas somatodendríticas de las neuronas dentro del sistema nervioso central y periférico. [1] Los canales de calcio de tipo P también son fundamentales para la liberación de vesículas , específicamente neurotransmisores y hormonas [4] en las terminales sinápticas de las sinapsis excitatorias e inhibidoras . [1]
Los canales de calcio de tipo P dependientes de voltaje constan de una subunidad α1 principal formadora de poros (que se denomina más específicamente 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 hélices α transmembrana (S1-S6). 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, llamada α1ACa2+, corresponde a lo que se define funcionalmente como las isoformas de tipo P y tipo Q. Los canales de calcio de tipo P y de tipo Q están estrechamente relacionados, ya que se producen a partir del mismo gen mediante un empalme alternativo. Como complicación del empalme alternativo, los canales de tipo P y de 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 marcaje con anticuerpos es el método principal utilizado para identificar la ubicación del canal. [7]
Las áreas de alta expresión en sistemas mamíferos incluyen:
Los bloqueadores de los canales de calcio de 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 pueden dividirse en tres grupos:
Sólo existen dos toxinas peptídicas que bloquean selectivamente los canales de tipo P: la ω- agatoxina IVA y la ω-agatoxina IVB. Los demás bloqueadores mencionados, como los de bajo peso molecular y los bloqueadores terapéuticos, no son selectivos. Esto significa que pueden actuar sobre los canales de tipo P así como sobre 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 de 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 de tipo P, su cinética es diferente. La ω-agatoxina IVA afecta al mecanismo de activación del canal de tipo P. Cuando hay una fuerte despolarización para activar el canal, la ω-agatoxina IVA ya no puede bloquear el canal. Por lo 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 de ω-agatoxina IVA en el canal de tipo P se encuentra en el enlace S3-S4. Por otro lado, el bloqueo del canal por ω-agatoxina IVB ocurre mucho más lentamente. Sin embargo, de manera similar a 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 que es importante para cruzar la barrera hematoencefálica . No existe un bloqueador de canales de bajo peso molecular específico para los canales de tipo P. Sin embargo, hay varios de estos compuestos bloqueadores que pueden afectar la actividad de los canales de 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 de tipo P. Por ejemplo, los antagonistas del calcio , que se utilizan para tratar la enfermedad cardíaca coronaria , la hipertensión y la arritmia cardíaca , actúan inhibiendo los canales de calcio de tipo L o de tipo T. Algunos de estos antagonistas del calcio incluyen verapamilo , diltiazem , amlodipino , benidipino , cilnidipino , nicardipino y barnidipino . Aunque su objetivo principal no son los canales de tipo P, estos antagonistas del calcio también actúan para bloquear la función de los canales de 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 de tipo P que se encuentran en los cortes neocorticales . Actúa inhibiendo el flujo entrante de calcio. Las migrañas que ayuda a prevenir se deben a mutaciones en el gen "cacna1a" de la subunidad del canal de tipo P. Además, se ha demostrado que los compuestos que bloquean los canales de tipo P ayudan con las convulsiones . Las convulsiones epilépticas son causadas por el aumento de la neurotransmisión , que es parcialmente resultado de los canales de tipo P. Se sabe que compuestos como el levetiracetam , la lamotrigina y la carbamazepina bloquean los canales de tipo P, lo que ha ayudado a disminuir la aparición de convulsiones. En general, existen varios 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 muchos de los compuestos terapéuticos no tienen como objetivo principal 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 del canal de tipo P. [1]
Hay una serie de enfermedades neurológicas que se han atribuido al mal funcionamiento o mutación de los canales de tipo P/Q. [6]
En la enfermedad de Alzheimer , hay una acumulación progresiva de proteína β-amiloide (Aβ) en el cerebro. Se desarrollan placas amiloides que dan lugar a los síntomas clave de la enfermedad de Alzheimer. La proteína globulomérica 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 responsable de la conducción de la corriente de calcio. Cuando solo hay canales de calcio de tipo P/Q con proteína globulomérica 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 globulomérica Aβ para un aumento significativo de la corriente de calcio a través del canal en los ovocitos de Xenopus , lo que demuestra que es necesaria una cierta acumulación de globulomérica 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 la toxicidad en pacientes con enfermedad de Alzheimer. [9]
El gen CACNA1A codifica la subunidad alfa del canal de calcio de 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 ganglionares del trigémino [5] y se cree que son un contribuyente principal a la migraña hemipléjica familiar . [11] Mediante el uso de un experimento knockin , esta mutación podría expresarse en ratones para que se pueda realizar una investigación. [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 la activación del canal a voltajes más bajos. [10] Esta mayor actividad del receptor da como resultado un mayor flujo de calcio a través del canal de calcio de tipo P/Q. La mayor concentración de calcio intracelular puede contribuir al dolor agudo del trigémino que normalmente resulta en dolor de cabeza. [5] La evidencia apoya que las migrañas son un trastorno de la excitabilidad cerebral caracterizado por una regulación deficiente del equilibrio excitatorio-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 excitatorias de los receptores AMPA y NMDA en el hipocampo , específicamente el giro dentado , 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 implicados, se utilizó un inhibidor del canal de calcio dependiente de voltaje de tipo P/Q, omega-agatoxin TK , para bloquear el canal. Cuando se bloqueó, los pacientes ya no se beneficiaron de los efectos antiepilépticos de los fármacos. Cuando se utilizaron bloqueadores de los canales de calcio de tipo L y tipo N , todavía se observaron los efectos del levetiracetam. Esta es una evidencia sólida de que los canales de calcio de 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 de tipo P dan lugar a una disminución del nivel de calcio libre intracelular. Mantener la homeostasis del calcio es esencial para el funcionamiento normal de las neuronas. El cambio de la concentración de iones de calcio celular actúa como desencadenante de múltiples enfermedades; en casos graves, estas enfermedades pueden provocar la muerte masiva de neuronas. [6]
Los estudios de mutación permiten a los investigadores estudiar las canalopatías heredadas genéticamente . Una canalopatía es cualquier enfermedad que resulte de un canal iónico con subunidades o proteínas reguladoras defectuosas. [6] Un ejemplo de una canalopatía del canal de calcio de tipo P se muestra en ratones atáxicos homocigotos , que son recesivos para los genes tottering y leaner . Estos ratones presentan mutaciones en la subunidad alfa1A de sus canales de tipo P/Q. Las mutaciones en estos canales resultan en 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 causan un inicio tardío de convulsiones y ataxia. La mutación tambaleante sustituye una única 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 produce síntomas más graves que la mutación tambaleante , es el resultado de una única sustitución de nucleótidos que causa fallos de empalme dentro del marco de lectura abierto del canal . [6] Las mutaciones en la subunidad formadora de poros de los canales de calcio de 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 encefálico que ayudan a regular la respiración. [5]