CAPÍTULO 3 Canales iónicos y potencial de membrana.

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1 CAPÍTULO 3 Canales iónicos y potencial de membrana

2 Figura 3-1 Medición de una membrana celular
Figura 3-1 Medición de una membrana celular. Con un microelectrodo, constituido por un fino tubo de vidrio adelgazado mediante calor y lleno de una solución salina que funciona como conductor, es posible penetrar en el interior de una célula y cuantificar, con el auxilio de un amplificador, la diferencia de potencial (ΔV) existente en la membrana respecto de un microelectrodo colocado en el exterior. En el momento en que uno de los dos electrodos penetra en el interior de la célula, el sistema de registro mide una diferencia de potencial entre el lado interno y el externo de la membrana. En condiciones de reposo, el lado intracelular de la membrana es negativo en relación con el lado extracelular. En el caso de una neurona, la diferencia de potencial fl uctúa entre –60 y –70 mV.

3 Figura 3-2 Los canales iónicos representan la vía empleada de forma prevalente por los iones para transitar a través de la membrana celular. Se conforman con grandes macromoléculas proteínicas que cruzan la totalidad del doble estrato fosfolipídico (proteína transmembrana).

4 Figura 3-3 Estructura de los canales iónicos
Figura 3-3 Estructura de los canales iónicos. a, la macromolécula proteínica que forma el canal iónico se integra sólo con subunidades diversas que circunscriben un poro hidrófilo a través del cual transitan los iones. En la figura se representa un canal dependiente de voltaje del Na+, formado por una subunidad α y dos subunidades β (β1 y β2). b, la subunidad α se forma a su vez con una larga frecuencia aminoacídica organizada en cuatro dominios (I-IV), cada uno de los cuales se constituye con seis segmentos (S1-S6) con estructura de hélice α que atraviesan la membrana por completo. c, d, el segmento S4 representa el sensor del voltaje, mientras que el asa que conecta los segmentos S5 y S6 contiene una secuencia aminoacídica que forma el filtro de selectividad del canal (región P). TTX, sitio de liberación para la tetrodotoxina que bloquea el canal del Na+; P, sitio de fosforilación del canal por parte de las proteincinasas; I, asa intracitoplasmática colocada entre los dominios III y IV encargada de la inactivación del canal.

5 Figura 3-4 Selectividad de los canales iónicos
Figura 3-4 Selectividad de los canales iónicos. a, los iones están circundados por una corona de moléculas de agua de dimensiones tanto más grandes cuanto mayor es la concentración de la carga eléctrica. Si se confrontan los iones Na+ y K+, ambos poseen la misma carga eléctrica pero, dado que los iones Na+ tienen dimensiones menores, su carga eléctrica resulta más concentrada y, por lo tanto, la “nube” de moléculas de H2O circundante resulta más grande que aquélla situada en torno de los iones K+. b, los iones interactúan con residuos aminoacídicos presentes en la luz del canal (filtro de selectividad), que se sustituyen en parte por el agua de la solución.

6 Figura 3-5 a, receptor del canal de la acetilcolina de la placa motriz.
Ambas subunidades α del receptor del canal de la acetilcolina deben liberar los neurotransmisores a fi n de que el canal pueda activarse. Una vez formado el complejo ligando-receptor, éste oscila entre un estado de abertura y cierre, en tanto la acetilcolina ligada no se disocie del canal. b, la activación del canal no determina un flujo continuo de corriente, pero sí el surgimiento de una repetición de impulsos de duración variable y amplitud determinada. Estas señales de corriente, con características de tipo “todo o nada”, se repiten con frecuencia variable.

7 Figura 3-6 Inactivación de los canales dependientes de voltaje
Figura 3-6 Inactivación de los canales dependientes de voltaje. Los canales se activan a causa de la despolarización de la membrana. En ocasiones su inactivación es una condición en la cual, al perdurar el estímulo específico que determina la abertura del canal, el tránsito de los iones a través de éste es impedido por un mecanismo independiente de aquel que regula la abertura y el cierre. La inactivación de los canales se verifica a través de tres modalidades: una modificación conformacional de una región del canal determinada por la despolarización (a); acción del mismo ion transportado (b); como consecuencia de reacciones de desfosforilación (c). d, un canal puede pasar del estado abierto al cerrado y al inactivo o refractario. Una vez que el canal se inactiva, no puede retornar al estado abierto a menos que pase primero a través del estado cerrado.

8 Figura R3-2 Medición de corrientes unitarias (ilustradas arriba a la derecha) y macroscópica (abajo a la derecha) que fluyen a través de los canales del Ca2+ dependientes de voltaje. Registro obtenido mediante el método de exploración segmentaria en las confi guraciones célula fija y célula completa.

9 Figura 3-7 La mayor parte de los canales se comporta como elementos resistores cuya conductancia, es decir, la capacidad de hacer pasar cargas eléctricas o iones, permanece constante (canales óhmicos). En éstos se observa una relación lineal entre la fuerza motriz existente en las capas de la membrana y la corriente que las atraviesa. Otros canales presentan, algunas veces, una conductancia inconstante a diversos voltajes y por tanto conducen mejor a determinados valores del potencial de membrana respecto de otros. En consecuencia, éstos permiten a la corriente fluir con mayor facilidad en un lado que en el opuesto y se conocen por tanto como canales rectificadores.

10 Figura 3-8 Diseño esquemático que ilustra el mecanismo de acción de un canal iónico dependiente de voltaje. Estos canales están cerrados cuando la membrana se halla en su estado de polarización en reposo (potencial de membrana) y se activan después de sus variaciones. La abertura de los canales dependientes de voltaje se relaciona con la presencia de un sensor de voltaje constituido por una secuencia de aminoácidos de carga positiva o negativa. El segmento S4, después de la modificación del potencial de membrana, parecería causante de la abertura de la compuerta de activación.

11 Figura R3-4 Trazo electrocardiográfico: síndrome del QT largo.

12 Figura R3-5 Célula β del páncreas.

13 Figura 3-9 Estructura de los canales del Kv
Figura 3-9 Estructura de los canales del Kv. La mayor parte de los canales del K+ se forma con cuatro subunidades α idénticas que delimitan el poro. a, cada subunidad α posee un único dominio, constituido a su vez por seis segmentos transmembrana. b, el asa comprendida entre los segmentos S5 y S6 (región P) de las cuatro subunidades α forma el filtro de selectividad.

14 Figura 3-10 Estructura de los canales iónicos del Ca2+
Figura 3-10 Estructura de los canales iónicos del Ca2+. a, los canales del calcio dependientes de voltaje son proteínas oligoméricas formadas por las subunidades α1, β, γ y α2δ. Como en el caso de los otros canales dependientes de voltaje, el componente principal de los canales se representa por la subunidad α1 que forma el poro del canal, confiere a éste la propiedad de dependencia de voltaje y los vuelve sensibles a los bloqueadores de naturaleza orgánica y toxinas de origen animal. La subunidad β es de naturaleza hidrófila, se localiza en el lado citoplasmático de la membrana celular y contiene un importante sitio de fosforilación para las proteincinasas. Las subunidades α2 y δ están ligadas entre sí por un puente de disulfuro y desarrollan una acción moduladora de la abertura de los canales mediante interacción con proteínas G. b, la subunidad α1 se forma con cuatro dominios homólogos repetidos. Cada dominio se integra con seis segmentos transmembrana con la estructura de hélice α; el segmento S4, sensible a las variaciones de potencial de membrana, representa al sensor del voltaje.

15 Figura R3-6 Mutaciones de los canales del potasio: ataxia episódica.

16 Figura R3-9 Mutaciones del canal del cloro: miotonía.

17 Figura 3-11 Potencial de membrana en reposo: célula cuya membrana es permeable, en condiciones de reposo, sólo al K+. a, la concentración intracelular del K+ es mucho mayor que la presente en el líquido extracelular. Dentro de la célula existe también una elevada concentración de aniones proteínicos, que son grandes macromoléculas de carga negativa. El K+, en virtud de su gradiente de concentración, pasa del interior al exterior de la célula. No obstante, el flujo de cargas positivas (K+) que abandona el interior de la célula no se acompaña de un flujo saliente equivalente de cargas negativas, dado que los aniones orgánicos (A–) no pueden atravesar la membrana. Este desacoplamiento entre el flujo de cationes (iones de carga positiva) y el de los aniones (iones de carga negativa) determina la polarización de la membrana, por lo que el lado interno se vuelve más negativo que el externo.

18 Figura 3-11 b, el ion K+ se somete a dos fuerzas contrastantes: por una parte, la fuerza química (el gradiente de concentración), que impele al K+ a salir de la célula y por otra la fuerza eléctrica determinada por la atracción de los iones proteínicos situados sobre el lado interior de la membrana. A medida que el ion K+ abandona el interior de la célula, el gradiente de concentración disminuye y entonces la fuerza química se vuelve siempre más débil, mientras la fuerza eléctrica, representada por la polarización de la membrana, se torna mayor. Se alcanza así una situación definida como equilibrio electroquímico, caracterizada por un flujo neto de los iones K+ = 0. (Modificada a partir de ER Kandel, et al, Principles of neural science. McGraw-Hill, 2000.)

19 Figura 3-12 La bomba ATP-asa de Na+/K+ determina un flujo de Na+ y
K+ contra su gradiente electroquímico, es decir que saca Na+ de la célula y lo intercambia por K+. Gracias a la energía producida por la hidrólisis de una molécula de ATP, la bomba extrae de la célula tres iones de Na+ y los intercambia por dos iones de K+ que pasan del lado externo al interno de la membrana.