descripción de los canales membranales de sodio

1. Fisiología comparada I
M. En C. Raúl Herrera Fragoso

2.  Los canales iónicos de
Na+ facilitan unas 11 veces
más el paso del ión Na+ que el
del ión K+.
 En este caso, la dependencia
de la permeabilidad con
respecto al tamaño iónico
demuestra que los conductos
son estrechos.
 En el caso de un canal de
Na+ los iones cuya esfera de
hidratación presenta un
diámetro superior a 5 Å
quedan excluidos.

3.  No depende sólo del tamaño.
Por ejemplo, la metilamina
tiene aproximadamente las
mismas dimensiones que la
hidracina y la hidroxilamina, y
el canal es mucho menos
permeable a la metilamina.
 Esto ha de deberse a que el
metilo de la metilamina no
puede formar puentes de
hidrógeno con un átomo de
oxígeno situado en la parte
estrecha del poro, el filtro de
selectividad.

4.  Además, se ha comprobado que la
conductancia del canal de
Na+ disminuye cuando baja el pH,
siguiendo la permeabilidad relativa
una curva de valoración de un ácido
con un pK de 5.2. Esto sugiere que la
forma activa del canal contiene un
grupo carboxilato cargado
negativamente.
 Por tanto, el canal de Na+ selecciona
el Na+ porque contienen un centro
cargado negativamente con un
radio pequeño.
 El ión K+ no puede pasar por este
filtro de selectividad porque es
mayor que el Na+

5.  Los canales de K+ son 100 veces
más permeables al K+ que al Na+.
El filtro de selectividad del canal
de K+, de solo 3 Å, permite
rechazar iones con radio mayor
de 1.5 Å. Sin embargo, el ión
Na+ desnudo sería
suficientemente pequeño para
atravesar el poro.
 Sin embargo, este canal no
puede ser atravesado por los
iones cuando están rodeados de
moléculas de agua. El costo de
energía libre para la
deshidratación de Na+ es mayor
que para la de K+.

6.  El canal paga la mayor parte
del coste de deshidratación
del K+ suministrando
interacciones
compensatorias con átomos
de oxígeno que revisten el
filtro de selectividad, estos
átomos están localizados de
manera que no interaccionan
tan favorablemente con el
Na+. Por tanto, el canal de
K+ evita el acoplamiento con
el Na+, no dándole opción
para deshidratarse y
resultando por tanto
impermeable a este ion.

7.  La estructura tridimensional de un canal de
K+ de reposo se determinó por primera vez
por difracción de Rayos-X en 1998.
 Dicha estructura proporciona gran
información de cómo trabajan estos canales.
 Este canal iónico presenta gran homología en
secuencia con casi todos los canales iónicos
conocidos, sirviendo de prototipo estructural,
incluyendo también a los canales iónicos
regulados por voltaje.
 Entre los miembros de esta familia de
proteínas, la homología en secuencia es
mayor en la región del poro del canal, que
contiene el filtro de selectividad, y permite al
K+ atravesarlo 10.000 veces más que al Na+ y
con una velocidad que se aproxima al limite
teórico para una difusión no restringida.

8.  El canal de K+ consiste en cuatro
subunidades idénticas que atraviesan la
membrana y forman un cono con la
parte más ancha enfocada hacia el
espacio extracelular.
 Cada subunidad tiene dos hélices α
transmembranales y una tercera
hélice α mas corta que forma parte de la
región del poro.
 La parte exterior del cono es formada
por una hélice α transmembranal de
cada subunidad.
 La parte interior del cono, formada por
las otras cuatro hélices α
transmembrana rodea el canal iónico y
forma el filtro de selectividad del ión.

9.  Tanto la especificidad como el alto flujo
de iones a través del canal se entienden
una vez conocida su estructura.
 En las superficies interior y exterior de la
membrana, se encuentran una serie de
aminoácidos cargados negativamente,
los cuales presumiblemente aumentan
la concentración local de cationes.
 El camino de los iones comienza en la
superficie interior que es un canal ancho
lleno de moléculas de agua donde el ion
puede retener su esfera de hidratación.
 Las hélices cortas proporcionan mayor
estabilización del catión en esa posición
con sus extremos carboxilo terminales
apuntando a los iones potasio que se
encuentran dentro del canal.

10.  A dos tercios de su interior en la
membrana el interior del canal se
estrecha en la región del filtro de
selectividad, forzando al ión a separarse
de las moléculas de agua que lo
hidratan.
 Átomos de oxigeno de los grupos
carbonilo de la cadena principal en el
filtro de selectividad reemplazan a las
moléculas de agua en la esfera de
hidratación del K+, formando una serie
perfecta de esferas de coordinación a
través de las cuales se mueve el ión.
 La estabilización preferente del
K+ frente al Na+ es la base de la
selectividad por el ion de este filtro, y
mutaciones en esta zona eliminan la
selectividad del canal.

11.  Los iones pasan a través del
filtro en fila individual. En la
estructura cristalográfica, dos
iones K+ son visibles, cada
uno en un extremo del filtro
de selectividad separados por
7.5Å.
 Su mutua repulsión
electrostática ha de ser la
causa posible de su balance
de interacción con el filtro de
selectividad, manteniendo su
rápido movimiento.

13.  Otros canales de K+ de
reposo son similares a este
en secuencia y, por tanto,
presumiblemente en
estructura y mecanismo.

 Además, la secuencia de
aminoácidos de los canales
de Na+ y Ca2+ sugieren que
dichos canales también
comparten similitudes
estructurales y funcionales
con este canal de K+ de
reposo.

14. Tres propiedades de los canales iónicos regulados por voltaje permiten a las células
nerviosas conducir impulsos eléctricos:
 abren en respuesta a cambios en el potencial de membrana
 posteriormente el canal se cierra e inactiva
 presentan una especificidad exquisita por los iones a los que permiten pasar
Todos los tipos de canales iónicos regulados por voltaje han sido clonados, encontrándose
que todos ellos presentan una estructura primaria, y posiblemente secundarias y
terciarias, sorprendentemente similar. Por el momento no se dispone de la estructura
tridimensional de ninguno de otros canales.

15.  Un típico canal de K+ regulado por voltaje contiene cuatro copias de un
polipéptido de unos 656 aminoácidos.
 Cada uno de estos polipéptidos presenta seis α-hélices transmembranales, que
se nombran de S1 a S6.
 Un segmento H5, que forma el poro del canal y un segmento N-terminal que
forma "la bola" o segmento inactivador del canal, el cual se mueve para obturar
poro del canal inactivándolo.

16.  Los canales de Ca2+ y Na+ regulados por voltaje están constituidos por
un solo polipéptido de unos 2000 aminoácidos, que contiene cuatro
dominios transmembranales homólogos, siendo cada uno de ellos
similar en secuencia y estructura a cada una de las proteínas
individuales del canal de K+ regulado por voltaje. Estos dominios se
encuentran unidos por cortas cadenas de residuos no homólogos.

17.  El estudio de canales mutantes
resistentes a una neurotoxina
que cierra la entrada de los
canales permitió la
identificación de los
aminoácidos que se encuentran
en el poro del canal de potasio.
 El empleo de la técnica de
mutagénesis dirigida en uno de
los varios residuos del segmento
H5 demostró la inhibición de la
unión de la toxina. De esta
forma, cuando el canal era
expresado en Oocitos resultaba
resistente a la inhibición por la
toxina.

18.  Se concluyó que la región H5 del canal
constituía el poro de paso de los iones.
Según esto la región del poro es muy
pequeña, 20-30 residuos, lo que sugiere
que un canal funcional se ha de
constituirse por varios polipéptidos.
 De nuevo, la expresión en Oocitos de
canales nativos y resistentes a toxinas,
junto con mezcla de ellos, llevó a la
conclusión que la proteína del canal de
K+ regulado por voltaje era un
tetrámero.
 Esto es de esperar, ya que concuerda
con el hecho de que los canales de Na+ y
Ca2+ están constituidos por un simple
polipéptido que corresponde con la
suma de cuatro del canal de K+.

19.  Ya que los canales regulados por voltaje se abren cuando se
produce una despolarización de la membrana, algún segmento
del canal debe ser el sensor de voltaje que detecta el cambio en
potencial.
 Medidas eléctricas sugieren que la apertura de los canales va
acompañada del movimiento de entre cuatro-seis cargas
positivas unidas a la proteína canal desde el citosol a la
superficie exoplásmica de la membrana.
 El movimiento de estas cargas, o sensores de voltaje, bajo la
fuerza del campo eléctrico se cree que induce un cambio
conformacional en la proteína que abre el canal.
 Se piensa que este sensor de voltaje es la hélice-
α transmembranal S4, que se encuentra en todos los canales
iónicos regulados por voltaje.
 Este segmento S4, normalmente llamado hélice-α reguladora,
presenta múltiples residuos con carga positiva. Se propone que
cuando la membrana resulta despolarizada estos aminoácidos
se mueven hacia la cara exoplasmática del canal.
 El papel de la hélice S4 ha sido confirmado por estudios de
mutagénesis dirigida preparando mutantes sobre los residuos de
arginina y lisina de esta hélice α, expresando los canales
mutantes en oocitos.
 Se observo que cuanto menos cargas positivas hay en esta
hélice α, mayor debía de ser la despolarización para que el canal
se abriera.

20.  Otra característica importante de los
canales regulados por voltaje es la
inactivación, ya que rápidamente
después de su apertura se cierran
espontáneamente.
 El polipéptido que forma la parte N-
terminal (en K+) o una de las zonas que
conecta las subunidades en el interior
celular (en Na+), forma una "bola"
globular que entra en el canal abierto
inactivándolo.
 Estudios de mutagénesis dirigida en los
que se ha eliminando el péptido que
constituye dicha bola confirman este
mecanismo, el cual ha sido denominado
Modelo de la cadena de presidiario.

21. En resumen, los canales iónicos regulados por voltaje contienen cuatro repeticiones
internas que poseen secuencias de amino ácidos semejantes que llevan a las
siguientes similitudes entre los distintos tipos de canales iónicos:
 -Los canales de Na+, K+ y Ca2+ se abren cuando la membrana se despolariza.
 -La hélice S4, que es el sensor de voltaje, presenta cargas positivas cada tres o
cuatro residuos.
 -Las proteínas de los canales de Na+ y Ca2+ presentan gran homología de
secuencia. Cada una contiene cuatro dominios transmembranales con seis hélices-
α y un segmento del poro H5 por dominio.
 -La secuencia y estructura transmembranal de los canales de K+ es similar a
aquellas de cada dominio de un canal de Na+ o Ca2+. Cada canal de K+ contiene
cuatro copias del polipéptido.
 -Todos estos canales tienen una secuencia H5 formadora del poro en una posición
similar.

22.  Estas similitudes entre los
canales de Na+, K+ y
Ca2+ regulados por voltaje
sugieren que las tres
proteínas han
evolucionado de un gen
ancestral común.
 Posiblemente las proteínas
del canal de K+ aparecieron
primero y las otras
surgieron posteriormente
por duplicación repetitiva
de un dominio de un gen
ancestral del canal de K+.

23.  Actualmente se propone que los canales iónicos
regulados por ligando deben presentar una
estructura similar a estas, pero en estos casos la
hélice S4 no funciona como sensor de voltaje,
tienen el poro H5 y en el segmento que se
encuentra el citosol tienen un sitio que une el
ligando que inducirá la apertura o cierre del canal.
 Los estudios de las denominadas cargas
reguladoras de paso han revelado la existencia de
al menos tres estados cerrados que preceden al
estado abierto. El estado abierto dura solo
alrededor de 1 ms porque se convierte
espontáneamente en un estado inactivo.
 La vuelta al estado cerrado pero activable requiere
la repolarización.Así, el canal se cicla
unidireccionálmente durante un potencial de
acción.

24.  Por tanto, la información de la que actualmente
se dispone permite en este momento proponer
el siguiente mecanismo cíclico para el
funcionamiento de un canal de Na+ regulado por
voltaje: