canales iónicos
en contraste con las proteínas transportadoras, las proteínas del canal simplemente forman poros abiertos en la membrana, permitiendo que pequeñas moléculas del tamaño y la carga apropiados pasen libremente a través de la bicapa lipídica. Un grupo de proteínas de canal, discutido anteriormente, son las porinas, que permiten el paso libre de iones y pequeñas moléculas polares a través de las membranas externas de las bacterias (ver figura 12.8)., Las proteínas del canal también permiten el paso de moléculas entre las células conectadas en uniones gap, que se discuten más adelante en el capítulo. Las membranas plasmáticas de muchas células también contienen proteínas del canal de agua (acuaporinas), a través de las cuales las moléculas de agua pueden cruzar la membrana mucho más rápidamente de lo que pueden difundirse a través de la bicapa fosfolípida. Las proteínas de canal mejor caracterizadas, sin embargo, son los canales iónicos, que median el paso de iones a través de las membranas plasmáticas., Aunque los canales iónicos están presentes en las membranas de todas las células, han sido especialmente bien estudiados en nervios y músculos, donde su apertura y cierre regulados es responsable de la transmisión de señales eléctricas.
tres propiedades de los canales iónicos son centrales para su función (figura 12.18). En primer lugar, el transporte a través de los canales es extremadamente rápido. Más de un millón de iones por segundo fluyen a través de canales abiertos, una tasa de flujo aproximadamente mil veces mayor que la tasa de transporte por proteínas portadoras., En segundo lugar, los canales iónicos son altamente selectivos porque los poros estrechos en el canal restringen el paso a iones del tamaño y la carga apropiados. Por lo tanto, las proteínas de canal específico permiten el paso de Na+, K+, Ca2+ y Cl – a través de la membrana. En tercer lugar, la mayoría de los canales iónicos no están permanentemente abiertos. En cambio, la apertura de los canales iónicos está regulada por «puertas» que se abren transitoriamente en respuesta a estímulos específicos., Algunos canales (llamados canales controlados por ligando) se abren en respuesta a la Unión de neurotransmisores u otras moléculas de señalización; otros (canales controlados por voltaje) se abren en respuesta a cambios en el potencial eléctrico a través de la membrana plasmática.
Figura 12.18
Modelo de un canal de iones. En la conformación cerrada, el flujo de iones es bloqueado por una puerta. La apertura de la puerta permite que los iones fluyan rápidamente a través del canal. El canal contiene un poro estrecho que restringe el paso a iones del tamaño apropiado (more…,)
El papel fundamental de los canales iónicos en la transmisión de impulsos eléctricos fue elucidado a través de una serie de elegantes experimentos reportados por Alan Hodgkin y Andrew Huxley en 1952. Estos investigadores utilizaron las células nerviosas gigantes del calamar como modelo. Los axones de estas neuronas gigantes tienen un diámetro de aproximadamente 1 mm, lo que permite insertar electrodos y medir los cambios en el potencial de membrana que tienen lugar durante la transmisión de los impulsos nerviosos., Con este enfoque, Hodgkin y Huxley demostraron que estos cambios en el potencial de membrana resultan de la apertura y cierre regulados de los canales Na+ Y K+ en la membrana plasmática. Posteriormente fue posible estudiar la actividad de los canales iónicos individuales, utilizando la técnica de pinza de parche desarrollada por Erwin Neher y Bert Sakmann en 1976 (figura 12.19)., En este método, se utiliza una micropipeta con un diámetro de punta de aproximadamente 1 µm para aislar un pequeño parche de membrana, lo que permite analizar el flujo de iones a través de un solo canal y aumentar en gran medida la precisión con la que se pueden estudiar las actividades de los canales iónicos.
Figura 12.19
La técnica de patch clamp. Un pequeño parche de membrana se aísla en la punta de una micropipeta. Los estímulos se pueden aplicar desde dentro de la pipeta, lo que permite medir el comportamiento del canal atrapado. (Adaptado de E. Neher y B. Sakmann, 1992. (mas.,..)
el flujo de iones a través de los canales de membrana depende del establecimiento de gradientes de iones a través de la membrana plasmática. Todas las células, incluidos los nervios y los músculos, contienen bombas de iones (discutidas en la siguiente sección) que utilizan energía derivada de la hidrólisis de ATP para transportar iones activamente a través de la membrana plasmática. Como resultado, la composición iónica del citoplasma es sustancialmente diferente de la de los fluidos extracelulares (tabla 12.1). Por ejemplo, Na+ se bombea activamente fuera de las células mientras que K+ se bombea dentro., En el axón del calamar, por lo tanto, la concentración de Na+ es aproximadamente 10 veces mayor en los fluidos extracelulares que en el interior de la célula, mientras que la concentración de K+ es aproximadamente 20 veces mayor en el citosol que en el medio circundante.
tabla 12.1
concentraciones de iones extracelulares e intracelulares.
debido a que los iones están cargados eléctricamente, su transporte resulta en el establecimiento de un gradiente eléctrico a través de la membrana plasmática., Con los axones de calamar en reposo hay un potencial eléctrico de aproximadamente 60 mV a través de la membrana plasmática, con el interior de la célula negativo con respecto al exterior (figura 12.20). Este potencial eléctrico surge tanto de las bombas de iones como del flujo de iones a través de canales que están abiertos en la membrana plasmática de la célula en reposo. La membrana plasmática de los axones de calamar en reposo contiene canales abiertos K+, por lo que es más permeable a K+ que a Na+ u otros iones. En consecuencia, el flujo de K + hace la mayor contribución al potencial de membrana en reposo.,
figura 12.20
gradientes iónicos y potencial de membrana de reposo del axón del calamar gigante. Solo se muestran las concentraciones de Na+ y K+, porque estos son los iones que funcionan en la transmisión de los impulsos nerviosos. Na + se bombea fuera de la célula mientras que K + se bombea dentro, (más…)
como se discute en el Capítulo 10, el flujo de iones a través de una membrana es impulsado tanto por la concentración como por los componentes de voltaje de un gradiente electroquímico., Por ejemplo, la concentración 20 veces mayor de K+ dentro del axón del calamar en comparación con el fluido extracelular impulsa el flujo de K+ fuera de la célula. Sin embargo, debido a que K+ está cargado positivamente, este flujo de K+ de la célula genera un potencial eléctrico a través de la membrana, con el interior de la célula volviéndose cargado negativamente. Este potencial de membrana se opone al flujo continuo de K+ fuera de la célula, y el sistema se acerca al estado de equilibrio, en el que el potencial de membrana equilibra el gradiente de concentración de K+.,
cuantitativamente, la relación entre la concentración de iones y el potencial de membrana está dada por la ecuación de Nernst:
donde V es el potencial de equilibrio en voltios, R es la constante de gas, T es la temperatura absoluta, z es la carga del ion, F es la constante de Faraday, y Co y Ci son las concentraciones del ion fuera y dentro de la célula, respectivamente. Existe un potencial de equilibrio por separado para cada ion, y el potencial de membrana está determinado por el flujo de todos los iones que atraviesan la membrana plasmática., Sin embargo, debido a que los axones de calamar en reposo son más permeables a K+ que a Na+ u otros iones (incluyendo Cl -), el potencial de membrana en reposo (-60 mV) está cerca del potencial de equilibrio determinado por las concentraciones intracelulares y extracelulares de K+ (-75 mV).
a medida que los impulsos nerviosos (potenciales de acción) viajan a lo largo de los axones, la membrana se despolariza (figura 12.21). El potencial de membrana cambia de -60 mV a aproximadamente + 30 mV en menos de un milisegundo, después de lo cual vuelve a ser negativo y vuelve a su valor de reposo., Estos cambios son el resultado de la rápida apertura y cierre secuencial de los canales na+ Y K+ controlados por voltaje. Los cambios iniciales relativamente pequeños en el potencial de membrana (de -60 a aproximadamente -40 mV) conducen a la rápida apertura de los canales de Na+. Esto permite que el Na + fluya hacia la célula, impulsado tanto por su gradiente de concentración como por el potencial de membrana. La entrada repentina de Na + conduce a un gran cambio en el potencial de membrana, que aumenta a casi +30 mV, acercándose al potencial de equilibrio de Na+ de aproximadamente +50 mV., En este momento, los canales Na+ están inactivados y los canales K+ activados por voltaje se abren, lo que aumenta sustancialmente la permeabilidad de la membrana A K+. K + luego fluye rápidamente fuera de la célula, impulsado tanto por el potencial de membrana como por el gradiente de concentración de K+, lo que conduce a una rápida disminución del potencial de membrana a aproximadamente -75 mV (el potencial de equilibrio de K+). Los canales K+ activados por voltaje se inactivan y el potencial de membrana regresa a su nivel de reposo de -60 mV, determinado por el flujo de K+ y otros iones a través de los canales que permanecen abiertos en células no estimuladas.,
figura 12.21
potencial de membrana y canales iónicos durante un potencial de acción. (A) cambios en el potencial de membrana en un punto en un axón gigante de calamar después de un estímulo. ENa y EK son los potenciales de equilibrio para Na+ y K+, respectivamente. (B) El potencial de membrana (más…)
la despolarización de las regiones adyacentes de la membrana plasmática permite que los potenciales de acción viajen por la longitud de los axones de las células nerviosas como señales eléctricas, lo que resulta en la transmisión rápida de impulsos nerviosos a largas distancias., Por ejemplo, los axones de las neuronas motoras humanas pueden tener más de un metro de largo. La llegada de potenciales de acción en el terminal de la mayoría de las neuronas señala la liberación de neurotransmisores, como la acetilcolina, que transportan señales entre las células en una sinapsis (figura 12.22). Los neurotransmisores liberados de las células presinápticas se unen a los receptores en las membranas de las células postsinápticas, donde actúan para abrir los canales iónicos dependientes del ligando. Uno de los canales mejor caracterizados es el receptor de acetilcolina de las células musculares., La Unión de la acetilcolina abre un canal que es permeable tanto a Na+ como A K+. Esto permite la rápida afluencia de Na+, que despolariza la membrana celular muscular y desencadena un potencial de acción. El potencial de acción entonces resulta en la apertura de canales Ca2+ controlados por voltaje, lo que lleva al aumento de Ca2+ intracelular que señala contracción (ver figura 11.25).
figura 12.22
señalización por liberación de neurotransmisores en una sinapsis., La llegada de un impulso nervioso en el terminal de la neurona señala la fusión de las vesículas sinápticas con la membrana plasmática, lo que resulta en la liberación de neurotransmisores de la célula presináptica en (más…)
el receptor de acetilcolina, inicialmente aislado del órgano eléctrico de los rayos torpedos en la década de 1970, es el prototipo de canales dependientes de ligandos. El receptor consiste en cinco subunidades dispuestas como un cilindro en la membrana (figura 12.23). En su estado cerrado, se cree que el poro del canal está bloqueado por las cadenas laterales de aminoácidos hidrofóbicos., La Unión de la acetilcolina induce un cambio conformacional en el receptor tal que estas cadenas laterales hidrofóbicas se desplazan fuera del canal, abriendo un poro que permite el paso de iones cargados positivamente, incluyendo Na+ Y K+. Sin embargo, el canal permanece impermeable a iones cargados negativamente, como Cl -, porque está revestido por aminoácidos cargados negativamente.
Figura 12.23
Modelo del receptor de la acetilcolina. El receptor consiste en cinco subunidades dispuestas alrededor de un poro central., La Unión de la acetilcolina a un sitio en la región extracelular del receptor induce cambios alostéricos que abren la puerta del canal. El canal más…)
un mayor grado de selectividad de iones es mostrado por los canales de voltaje-gated Na+ Y K+. Los canales Na+ son más de diez veces más permeables a Na+ que A K+, mientras que los canales K + son más de mil veces más permeables a K + que a Na+. La selectividad del Canal Na+ Se puede explicar, al menos en parte, sobre la base de un poro estrecho que actúa como un filtro de tamaño. El radio iónico de Na+ (0.,95 Å) es más pequeño que el de K+ (1.33 Å), y se cree que el poro del canal Na+ es lo suficientemente estrecho como para interferir con el paso de K+ o iones más grandes (figura 12.24).
figura 12.24
selectividad iónica de los canales Na+. Un poro estrecho permite el paso de Na + unido a una sola molécula de agua, pero interfiere con el paso de K+ o iones más grandes.
los canales K+ también tienen poros estrechos, que impiden el paso de iones más grandes., Sin embargo, dado que Na+ tiene un radio iónico más pequeño, esto no explica la permeabilidad selectiva de estos canales A K+. La selectividad del canal k + se basa en un mecanismo diferente, que se dilucidó con la determinación de la estructura tridimensional de un canal k+ mediante cristalografía de rayos X en 1998 (figura 12.25). El poro del canal contiene un filtro de selectividad estrecho que está revestido con átomos de oxígeno carbonilo (C=o) de la columna vertebral del polipéptido., Cuando un ion K+ entra en el filtro de selectividad, las interacciones con estos oxígenos carbonílicos desplazan las moléculas de agua a las que se une K+, permitiendo que el K+ deshidratado pase a través del poro. En contraste, un Na + deshidratado es demasiado pequeño para interactuar con estos oxígenos carbonílicos en el filtro de selectividad, que se mantiene rígidamente abierto. En consecuencia, el Na + permanece unido a moléculas de agua en un complejo hidratado que es demasiado grande para pasar a través del canal.
figura 12.25
selectividad de los canales K+., El canal K+ contiene un filtro de selectividad estrecho revestido con átomos de oxígeno carbonílico (C=o). El poro es lo suficientemente ancho como para permitir el paso de K + deshidratado de la que todas las moléculas de agua asociadas han sido desplazadas como (más…)
Los canales Na+, K+ y Ca2+ controlados por voltaje pertenecen a una gran familia de proteínas relacionadas (figura 12.26). Por ejemplo, la secuencia del genoma de C. elegans ha revelado casi 200 genes que codifican canales iónicos, que presumiblemente son necesarios para desempeñar diversos papeles en la señalización celular., Los canales K + consisten en cuatro subunidades idénticas, cada una conteniendo dos o seis hélices α transmembrana. Los canales Na+ y Ca2 + consisten en una sola cadena de polipéptidos, pero cada polipéptido contiene cuatro dominios repetidos que corresponden a las subunidades del canal K+. La conexión de voltaje está mediada por una de las hélices α transmembrana, que contiene múltiples aminoácidos cargados positivamente. La despolarización de la membrana induce el movimiento de estas cargas positivas hacia el exterior de la célula, cambiando la posición de este segmento transmembrana y abriendo el canal., La inactivación rápida de los canales Na+ y K+ durante la propagación de los potenciales de acción es mediada por porciones citoplasmáticas de la cadena polipeptídica, que se unen a la boca citoplasmática del poro del canal e impiden un mayor flujo de iones (figura 12.27).
Figura 12.26
Estructuras de voltaje de los canales de cationes. Los canales K+, Na+ y Ca2+ pertenecen a una familia de proteínas relacionadas. El canal K+ se forma a partir de la Asociación de cuatro subunidades idénticas, una de las cuales se muestra. El canal Na + consiste en un único polipéptido (more…,)
Figura 12.27
la Inactivación de K+y los canales de Na+. Después de la apertura controlada por voltaje, los canales K+ y Na + son rápidamente inactivados por la Unión de porciones citoplasmáticas de las cadenas polipeptídicas al poro. Para el canal K+, la inactivación está mediada por una bola y cadena (más…)
una amplia variedad de canales iónicos (incluidos los canales Ca2+ y Cl -) responden a diferentes neurotransmisores o se abren y cierran con diferentes cinéticas después de la despolarización de la membrana., Las acciones concertadas de estos múltiples canales son responsables de las complejidades de la señalización en el sistema nervioso. Por otra parte, como se discutió en el próximo capítulo, los papeles de los canales iónicos no se limitan a las células excitables eléctricamente de los nervios y los músculos; también desempeñan papeles críticos en la señalización en otros tipos de células. La apertura y el cierre regulados de los canales iónicos proporciona a las células un mecanismo sensible y versátil para responder a una variedad de estímulos ambientales.