Transporte activo de iones. Canales iónicos

Diagrama esquemático de un canal iónico. 1 - dominios de canal (normalmente son cuatro por canal), 2 - vestíbulo exterior, 3 - filtro de selectividad, 4 - diámetro del filtro de selectividad, 5 - sitio de fosforilación, 6 - membrana celular.

Los canales iónicos son proteínas transmembrana que contienen poros acuosos que cuando se abren permiten el paso selectivo de iones específicos a través de las membranas celulares. Así, los canales iónicos son proteínas que controlan el paso de iones, y por tanto el gradiente electroquímico, a través de la membrana de toda célula viva. Estos canales actúan como compuertas que se abren o se cierran en función de los estímulos externos, aunque algunas sustancias tóxicas pueden desactivar su función natural. En los mamíferos, los canales iónicos determinan importantes procesos como: la excitación del nervio y del músculo, la secreción de hormonas y neurotransmisores, la transducción sensorial, el control del equilibrio hídrico y electrolítico, la regulación de la presión sanguínea, la proliferación celular y los procesos de aprendizaje y memoria.

Descripción básica

Todas las células vivas deben adquirir de su alrededor las materias primas para la biosíntesis y la producción de energía, y deben liberar a su entorno los productos de desecho del metabolismo. Las células promueven intercambios de materia con su entorno y están rodeadas por una membrana plasmática que separa su interior del exterior. Unos pocos compuestos apolares pueden disolverse en la bicapa lipídica y cruzar la membrana plasmática sin ningún obstáculo (difusión de partículas liposolubles tales como: oxígeno, alcohol, ácidos grasos, entre otros). Sin embargo, en el caso de compuestos polares (ej. azúcar, aminoácidos, iones, entre otros) es esencial una proteína de membrana para el transporte transmembrana, una vez que la estructura de bicapa lipídica no es fácilmente permeable a este tipo de partículas. El transporte de estas sustancias hacia dentro y fuera de la célula o entre diferentes compartimentos intracelulares se lleva a cabo por proteínas de membrana como bombas, transportadores y canales iónicos. Los canales iónicos están formados por glicoproteínas y son componentes esenciales en la actividad de todas las células.

Los canales tienen tres propiedades importantes:

• conducen iones;
• reconocen y seleccionan los iones (los canales pueden ser selectivamente permeables a uno o varios iones);
• se abren y cierran en respuesta a estímulos eléctricos, químicos o mecánicos.

Los canales iónicos forman poros de membrana que pueden abrirse y cerrarse. Cuando el canal iónico se abre, forma un poro acuoso que se extiende a través del espesor de la membrana. El flujo de iones a través de un canal debido a diferencias en el potencial eléctrico o en las concentraciones es pasivo, o sea, no necesita de gasto metabólico energético por parte de la célula. Los iones fluyen pasivamente en favor de su gradiente electroquímico. La energía viene de las fuerzas químicas de difusión, ósmosis y equilibrio electroquímico. Así, las dos grandes fuerzas que impulsan a los iones moverse son la diferencia de concentración y el gradiente eléctrico (a ambas se le llaman fuerza electromotriz). Ya que en la región de mayor concentración la probabilidad de que las partículas choquen entre sí es mayor, la migración de una partícula de esta región a una de menor concentración es termodinámicamente favorecida, se dice que la partícula se mueve en favor de un gradiente químico o de concentración.

Los canales iónicos pueden ser de dos tipos:

• de filtración - que siempre se mantienen abiertos;
• de compuerta - que abren y se cierran en reacción a algún tipo de estímulo.

Mecanismos para la apertura o cierre de los canales iónicos

En electrofisiología, el término en inglés gating suele utilizarse para referirse a la apertura (a través de la activación) y al cierre (a través de la desactivación o inactivación) de los canales iónicos.

El nombre gating (de gate, "puerta", "compuerta") deriva de la idea de que una proteína del canal iónico incluye un poro que es resguardado por una o por varias compuertas, y la(s) compuerta(s) debe(n) estar abierta(s) para que los iones pasen a través del poro. Diversos cambios celulares pueden disparar la activación de la(s) compuerta(s), en función del tipo de canal iónico de que se trate, entre otros: cambios en el voltaje en la membrana celular (canales iónicos activados por voltaje), sustancias químicas (fármacos, sustancias adictivas, hormonas) que interactúan con el canal iónico (canales iónicos activados por ligandos), cambios en la temperatura, un estrechamiento o una deformación de la membrana celular, adición de un grupo fosfato al canal iónico (fosforilación) e interacción con otras moléculas de la célula (por ejemplo, proteínas G). La velocidad a la que ocurre cualquiera de estos procesos de activación/inactivación en respuesta a estos estímulos se conoce con el nombre de cinética de la activación. Algunos fármacos y muchas toxinas actúan como "modificadores de la activación" de los canales iónicos modificando la cinética de las compuertas.

Algunos canales se abren o cierran aleatoriamente sin importar el valor del potencial membranal y se dice que su gating es independiente de voltaje. En contraste, otros canales están normalmente cerrados, pero su probabilidad de apertura puede incrementarse de manera sustancial por cambios ocurridos en el potencial de membrana (canales iónicos sensibles a voltaje); por interacciones específicas con ligandos extracelulares o intracelulares (canales activados por ligandos); o por estímulos físicos (mecanorreceptores y canales sensibles al calor).

Cuando los canales iónicos están cerrados (sin posibilidad de conducción), son impermeables a los iones y no conducen la corriente eléctrica. Cuando los canales iónicos están abiertos, sí conducen la corriente eléctrica, y permiten entonces que algunos iones pasen a través de ellos y, por consiguiente, a través de la membrana plasmática de la célula. Estos flujos de iones generan una corriente eléctrica a través de la membrana. La dirección en que se mueven, tal y como se mencionó anteriormente, está determinada por el gradiente electroquímico que representa la suma del gradiente químico a través de la membrana plasmática y el campo eléctrico que experimenta el ion. La activación es el proceso en el que un canal iónico se transforma y pasa de cualquiera de sus estados de conducción a cualquiera de sus estados de no conducción.

En la descripción habitual de los canales iónicos activados por voltaje del potencial de acción, se habla de cuatro procesos: activación, desactivación, inactivación y reactivación (también llamada recuperación de la inactivación). En un modelo de canal iónico con dos compuertas (una compuerta de activación y una compuerta de inactivación) en el cual ambas deben estar abiertas para que los iones sean conducidos a través del canal, activación es el proceso de apertura de la compuerta de activación, que ocurre en respuesta al hecho de que el voltaje dentro de la membrana celular (el potencial de membrana) se vuelve más positivo con respecto al exterior de la célula (despolarización); desactivación es el proceso opuesto, es decir, el cierre de la compuerta en respuesta al hecho de que el voltaje del interior de la membrana se vuelve más negativo (repolarización. Inactivación es el cierre de la compuerta de inactivación; al igual que con la activación, la inactivación ocurre en respuesta al hecho de que el voltaje dentro de la membrana se vuelve más positivo, pero a menudo sucede que se retrasa, en comparación con la activación. La recuperación de la inactivación es lo opuesto a la inactivación. Así, tanto la inactivación como la desactivación son procesos que hacen que el canal pierda la capacidad de conducción, pero son procesos diferentes en el sentido de que la inactivación se dispara cuando el interior de la membrana se vuelve más positivo, mientras que la desactivación se dispara cuando el potencial de la membrana se vuelve más negativo.

Los canales iónicos se pueden clasificar en función del tipo de estímulo para su abertura o cierre en:

• canales activados por voltaje;
• canales activados por ligandos;
• canales mecanosensibles.

Canales regulados por voltaje

Esquema ilustrativo del funcionamiento de un canal iónico regulado por voltaje. El canal se abre ante la diferencia de potencial trasmembrana, y es selectivo para cierto tipo de iones debido a que el poro está polarizado y tiene un tamaño similar al del ion.

Los canales iónicos abren en respuesta a cambios en el potencial eléctrico a través de la membrana plasmática, que tiende a ser una bicapa lipídica. Su principal función es la transmisión de impulsos eléctricos (generación del potencial de acción) debido a cambios en la diferencia de cargas eléctricas derivadas de las concentraciones de aniones y cationes entre ambos lados de la membrana. Las probabilidades de cierre y apertura de los canales iónicos son controladas por un sensor que puede ser eléctrico, químico o mecánico. Los canales activados por voltaje contienen un sensor que incluye varios aminoácidos con carga positiva que se mueven en el campo eléctrico de la membrana durante la apertura o cierre del canal. El cambio en la diferencia de potencial eléctrico en ambos lados de la membrana provoca el movimiento del sensor. El movimiento del sensor de voltaje crea un movimiento de cargas (llamado corriente de compuerta) que cambia la energía libre que modifica la estructura terciaria del canal abriéndolo o cerrándolo. Algunos de estos canales tienen un estado refractario conocido como inactivación cuyo mecanismo está dado por una subunidad independiente de aquellas responsables de la apertura y cierre.

Canales de sodio (Na⁺)

La fase de la rápida despolarización del potencial de acción de las células nerviosas y musculares (esqueléticas, lisas y cardíacas) y, en general, de las células excitables, depende de la entrada de Na⁺ a través de canales activados por cambios de voltaje. Esta entrada de Na⁺ produce una despolarización del potencial de membrana que facilita, a su vez, la apertura de más canales de Na⁺ y permite que se alcance el potencial de equilibrio para este ion en 1-2 mseg. Cuando las células se encuentran en reposo, la probabilidad de apertura de los canales de Na⁺ es muy baja, aunque durante la despolarización produzca un dramático aumento de su probabilidad de apertura.

Canales de potasio (K⁺)

Los canales de K⁺ constituyen el grupo más heterogéneo de proteínas estructurales de membrana. En las células excitables, la despolarización celular activa los canales de K⁺ y facilita la salida de K⁺ de la célula, lo que conduce a la repolarización del potencial de membrana. Además, los canales de K⁺ juegan un importante papel en el mantenimiento del potencial de reposo celular, la frecuencia de disparo de las células automáticas, la liberación de neurotransmisores, la secreción de insulina, la excitabilidad celular, el transporte de electrolitos por las células epiteliales, la contracción del músculo liso y la regulación del volumen celular. También existen canales de K⁺ cuya activación es independiente de cambios del potencial de membrana que determinan el potencial de reposo y regulan la excitabilidad y el volumen extracelular. La mosca del vinagre (Drosophila melanogaster) ha sido la clave que nos ha permitido conocer la topología y la función de los canales K⁺. La identificación del primer canal de K⁺ fue la consecuencia del estudio electrofisiológico del mutante Shaker de la D. melanogaster, denominada así porque presenta movimientos espasmódicos de las extremidades al ser anestesiada con éter. Una función importante de los canales de K⁺ es la activación linfocitaria en la respuesta inmune del organismo.

Canales de calcio (Ca²⁺)

En las células en reposo, la concentración intracelular de Ca²⁺ es 20.000 veces menor que su concentración en el medio extracelular; por otro lado, el interior celular es electronegativo (-50 a -60 mV), es decir, que existe un gradiente electroquímico que favorece la entrada de iones Ca²⁺ en la célula. Sin embargo, en una célula en reposo, la membrana celular es muy poco permeable al Ca²⁺, por lo que la entrada del mismo a favor de este gradiente es reducida. Ahora bien, durante la activación celular, la concentración intracelular de Ca²⁺ aumenta como consecuencia de la entrada de Ca²⁺ extracelular a través de la membrana, bien a través de canales voltaje-dependientes. La entrada de Ca²⁺ a través de los canales voltaje-dependientes de la membrana celular participa en la regulación de numerosos procesos biológicos: génesis del potencial de acción y la duración de éste, acoplamiento excitación-contracción, liberación de neurotransmisores, hormonas y factores de crecimiento, sinaptogénesis, osteogénesis, procesos de diferenciación celular, hipertrofia y remodelado, entre otros.

Canales de cloruro (Cl^-)

Los canales de Cl^- juegan un muy importante papel en la regulación de la excitabilidad celular, el transporte transepitelial y la regulación del volumen y del pH celulares y pueden ser activados por cambios de voltaje, ligandos endógenos (Ca, AMPc, proteínas G) y fuerzas físicas (dilatación celular). El primer canal voltaje-dependiente de esta familia, denominado CLC-0, fue clonado del órgano eléctrico de la raya Torpedo marmorata. Posteriormente, se han clonado otros 9 canales, codificados por los genes CLCN1-7, CLCNKa y CLCNKb. Los canales ClC-0, Clc-1, ClC-2 y ClC-Ka/b se localizan en la membrana celular, mientras que los restantes canales se encuentran en las membranas de las mitocondrias y de otros orgánulos celulares. Los canales localizados en la membrana celular estabilizan el potencial de membrana en las células excitables (ej. en el músculo esquelético) y son responsables del transporte transepitelial de agua y electrolitos, mientras que los canales intracelulares pueden contrabalancear la corriente producida por las bombas de protones. La función más importante de los canales de Cl^-, en la sinapsis neuronal, es provocar una hiperpolarización por su entrada en la neurona postsináptica pasada su activación, y así interrumpir el impulso nervioso para preparar la neurona postsináptica para el siguiente impulso. Otra función importante de los canales de Cl^- sucede en los glóbulos rojos de la sangre: en los tejidos la entrada de Cl^- en eritrocitos fuerza la salida de bicarbonato de éstos,con lo que entra CO2 al eritrocitoo. En los pulmones, la salida de Cl^- del eritrocito fuerza la entrada de bicarbonato de la sangre, con lo que sale CO2 al torrente sanguíneo pulmonar. Así se transporta más cantidad de CO2 de los tejidos a los pulmones.

Véase también

• Canal de calcio
• Canal de sodio
• Receptor nicotínico
• Dr. Erwin Neher Premio Nobel de Fisiología 1991
• Dr. Bert Sakmann Premio Nobel de Fisiología 1991
• Premio Nobel de fisiología y medicina

Enlaces externos

• Federación Española de Fibrosis Quística
• Propagación del potencial de acción