|
|
PRIMER AÑO |
|
CANALES DE POTASIOAUTOR: GONZALO BARRAZA CHUY CURSO: BIOFISICA MEDICA Nuestro conocimiento de la fisiología de los canales iónicos ha aumentado tremendamente en los últimos 15 años, mayormente gracias a dos avances técnicos: (1) técnicas de monitoreo de canales únicos (sólo un canal), que han permitido la medición de corrientes provenienentes de canales iónicos individuales en una variedad de tejidos, y (2) la clonación molecular, que provee información secuencial sobre la composición estructural de las proteínas que componen un canal iónico. Juntas, estas técnicas y la disponibilidad de receptores clonados, han avanzado significativamente nuestro entendimiento de la función de los canales iónicos que permiten, selectivamemnte, el movimiento de iones K+ a través de la membrana celular y son esenciales para la regulación de la excitabilidad de los tejidos. Los electrofisiologistas han sabido por muchos años que habían estrcuturas de membrana especializadas que permiten el movimiento selectivo de sodio y potasio a través de la membrana. El primer análisis detallado de ste proceso apareció en las clásicas investigaciones de Hodgkin y Huxley de los componentes del gran potencial de acción axónico en los '40s y '50s. Estos estudios reconocían la importancia del movimiento de K+ fuera de la célula para producir una repolarización rápida de la membrana celular después de un pico despolarizador. También identificaron una corriente de "derrame", un componente de la cual era resultado del pasaje del K+, que lleva el potencial de la membrana hacia el potencial de equilibrio de K+ (aprox 90 mV en la mayoría de las células). El descubrimiento de compuestos como el catión orgánico tetraetilamonio (TEA+) y de iones de bario que bloquean las corrientes de K+ en tejidos nerviosos y cardiacos caracterizaban mejor estas corrientes. Un avance dramático ocurrió a mediados de los '80s cuando las técnicas de clonación molecular aislaron una secuencia de ADN que especificaba un canal de potasio de la mosca de la fruta común, Drosophila melanogaster.Interesantemente, estos científicos habían empezado buscando las bases moleculares de una respuesta inusual a los anestésicos volátiles: la exposición de ciertas moscas de la fruta mutadas a concentraciones anestesiantes de dietil eter llevaron a espasmos del movimiento de las patas, es decir, el fenotipo "shaker" [Temblador, sacudidor]. Una mutación enuna sola proteína probó ser la base del fenotipo. Últimamente se determinó que esta proteína era una subunida del canal selectivo de K+ activado por voltage. Desde ese descubrimiento inicial, el ritmo de la clonación ha continuado. Ahora hay cerca de 50 canales de K+ diferentes identificados, organizados en 4 familias principales. Se estima que aún faltan más por ser descubiertos. Más allá del aumento en información específica sobre canales de K en los niveles celular y molecular, hay una conciencia emergente del potencial de la manipulación farmacológica y potencialmente terapéutica de los canales de K. Esta reseña tocará el tema de los canales de K, describir sus estrcuturas, explicar su rol crucial en la función fisiológica de tejidos excitables y discutir el emergenete entendimiento de su influencia clínica. Estructura molecular de canales de KTécnicas de biología molecular han sido exitosas al producir información detallada sobre la secuencia de aminoácidos que componen las proteinas de los canales iónicos. Clonar la secuencia de ADN que codifica un nuevo canal iónico usualmente procede a partir del conocimiento de su secuencia proteica o siguiendo su función electrofísiológica específica, en un intento fucional de determinar el gen específico. Los electrofisiólogos han sido responsables de este proceso al identificar una corriente específica en una célula particular cuya fuente sería una nueva secuencia clonada.Cuando un clon completo (con toda la secuencia) haya sido identificado, uno de los mayores esfuerzos siguientes será descubrir cómo la secuencia descubierta se relaciona con otros canales concidos y qué secuencias dan lugar a funciones específicas. Lo que se ha obtenido de este análisis de canales de K clonados es una imagen de interrelación y diversidad. Dominios estructurales encontrados en canales de K activados por voltajeLa clonación del canal shaker proveyó la primera oportunidad para analizar la secuencia de aminoácidos primaria de un canal de K. Al mismo tiempo, otras investigaciones estaban clonando canales de Na y Ca activados por voltaje, e inmediatamente se notó que las estructuras fundamentales de todos estos canales estaban íntimamente relacionadas. Las proteínas de canales de Na o Ca activados por voltaje están compuestas por una gran secuencia continua que codifica cuatro elementos repetitivos, siendo cada uno de estos homólogo a una proteína del shaker. Se cree que uno de estos elementos estructurales atravieza la membrana seis veces. Ahora está firmemente establecido que se necesitan cuatro proteínas shaker para ensamblar un canal de K activado por voltaje (Kv) funcional, produciendo así una estructura similar a los canales de Na y Ca, estructura que ha sido dividida en 4 subunidades.Los genes que codifican los canales de K activados por voltaje no sólo están presentes en la Drosophila. Sino también en mamíferos, y se han reconocido como canales de K al poseer una secuencia carácterística de aminoácidos. Esta estructura, llamada "H5" o dominio del poro, se encuentra en todos los canales de K clonados hasta la fecha y se cree que forma el conducto de la vía transportadora de iones. Experimentos que hacen mutaciones específicas en esta secuencia formadora del poro han establecido que es esencial para la selectividad al potasio del canal y para acoplar el bloqueador del canal de K (TEA-). En resumen, al encontrar esta secuencia característica se puede determinar que un nuevo clon obtenido es un canal de K. Otra característica s encuantra en el cuarto segemento intermembranoso (S4). Encontrados en todos los canales de iones, incluyendo los de Na y Ca, los dominios S4 contienen residuos de aminoácidos cargados positivamente, permitiendo que participen en la percepción de cargas en el potencial de membrana. Los aminoácidos cargados cambian su orientación durante la despolarización de la membrana para abrir la vía que conduce los iones. El movimiento de estos residuos cargados puede ser medido como pequeñas corrientes de activación (apertura de canal). Desde la clonación del Shaker, se han aislado más genes que codifican una diversidad de subunidades de canales de K activados por voltaje. Se han agrupado en 4 subfamilias basándose en la similiridad entre sus secuecias de aminoácidos y si se ensamblan con otras subunidades. Por ejemplo, todos los miembros de la subfamilia shaker tienen más del 60% de su secuencia aminoacídica primaria idéntica a otras subunidades shaker; aunque, comparados con la subfamilia shab, los elementos del shaker son homólogos sólo hasta un 40%. Incluso más, las subunidades shaker no se pueden combinar con subunidades shab (ni tampoco con subunidades shaw o shal) para producir canales iónicos funcionales. En años recientes, los investigadores también han descubierto otras secuencias proteicas sin homologías con subunidades activadas por voltaje, aunque se ha mostrado que se coensamblan con dichas sununidades y modulan su función. Cuando canales de K auténticos se purifican a partir de cerenros de mamíferos, se aislían grandes complejos moleculares (400 kd de peso molecular aproximadamente). Se mostró que estos complejos macromoleculares estaban compuestos por ocho proteínas individuales, representando cuatro copias de dos tipos distintivos de proteínas. Se encontró que 4 subunidades (subunidades a) de canal de potasio activado por voltaje estaban asociadas con 4 copias de una nueva proteina, denominadas subunidades b. La clonación subsiguiente de los genes para las subunidades b1, b2 y b3 revelaron nuevas secuencias para estas proteínas hidrofílicas sin homología con otros canales de K. La coexpresión de la b1 con las subunidades a de la familia shaker parece alterar su función, acelerando la inactivación de la corriente de K+. Otras familias de canales de KLos canales de K activados por Ca++ (KCa) son estructuralmente similares a los canales de K activados por voltaje.Electrofisiólogos en 1960 identificaron corrientes de K en varios tejidos que eran activados por voltaje no sólo por voltaje, sino cuya probabilidad de apertura estaba también gobernada por las concentraciones intracelulares de iones Ca++. Estas corrientes se encuentran en neuronas, músculos y células secretoras en vertebrados, y son inhibidos potentamente por la caribdotoxina, una aislada a partir del veneneo de escorpión. La pérdida de esta corriente activada por Ca++ en la Drosophila da lugar al fenotipo de "golpe lento". Cuando el gen que codifica este canal fue clonado, se encontró que su estrcutura presentaba muchos elemehntos en común con la de las subunidades de tipo shaker, incluyendo los dominios H5 y S4; oero además, esta secuencia también codifica una larga extensión en el extremo carboxiterminal de la proteína, que se cree es sensible a las concentraciones de Ca++ o para su modulación por parte de otras moléculas más pequeñas. La relación entre estos canales se ha esclarecido con la nueva información que se tiene a partir de los proyectos para obtener la secuencia del genoma. Canales de K rectificadores internos.Otra familia de canales de K, los rectificadores internos (Kir), pueden ser imaginadas como un fragmento funcional de un canal activado por voltaje. Aquí el dominio del poro vincula dos secuencias transmembrana. Estas secuencas transmembranosas son las únicas presentes en la secuencia de un rectificador interno y son homólogas a las secuencias transmembrana S5 y S6 del shaker. Los rectificadores internos tiene propiedades electrofiosologicas únicas que los hacen especiales en varios tejidos para estailizar el potencial de membrana.Un modelo de cómo un rectificador interno se ensambla dentro de la membrana celular se muestra en la figura 2B. Los segmentos transmembrana (m1 y M2) son rsponsables de mantener la integración de la proteína dentro del ambiente hidrofóbico de la membrana lipídica, donde se cree que la región H5 forma una estructura tipo embudo mediando el pasaje selectivo de iones K+. Los canales de K rectificadores internos están sujetos a ser bloqueados desde el interior por iones de Mg y por compuestos de poliaminas , como la espermina y espermidina, que hacen que el canal actúe como una calle de una sola vía, dejando entrar los iones K+ libremenete, pero limitando su salida. Canales de K con dominios de poro en tandem.La más reciente adicón a las familias de canales de K ha sido un grupo cuya existencia sólo ha emergido en los últimos años. El canal de K prototípico de este tipo se encontró pot primera vez en levadura común (TOK1) y se reconoció inmediatamente que era única porque contenía dos secuencais de poro o H5 en tandem en sus secuencia de aminoácidos primaria. Un modelo de cómo los canales de K con poros en tandem están alineados con respecto a la membrana plasmática se muestra a la derecha de la figura 2A. Desde que fue descrito por primera vez, se han aislado cinco canales de poro en tandem, 4 de mamíferos (TWIK-1, TREK-1, TASK y TRAAK) y uno de Drosophila (ORK1). Parece ser que estos canales son responsables de las corrientes de fuga, y de que pueden ser os canales de K más numeroso.Cuántos tipos de canales de K es posible que se expresen en el cuerpo humano? La tabla 1 muestra los canales de K que han sido clonados hasta la fecha, y los agrupa en las familias estructurales presentadas anteriormente. Un estimado de cuántos más canales de K existen está emergiendo de los proyectos dedicados a secuenciar el genoma completo de organismos más simples. Se conoce actualmente la información de secuencia completa de algunos virus y bacterias, incluyendo la Escherichia Coli, Hemophilus influenzae y Helicobacter pylori y para el eucarionte unicelular Saccharomyces cerevisae (levadura). En organismos superiores, se conoce más del 50% de la secuencia del nemátodo Caenorhabditis elegans, y un pequeño porcentaje del genoma de organismos con sistemas nerviosos centrales más complejos como los ratones y humanos. Hasta ahora, 45 canales de K, representando las 4 familias principales de canales de K han sido identificadas en el genoma del C. elegans. Este número de secuencias de canales de K parece desproporcionado, ya que el sistema nervioso del C. elegans es tan simple (308 neuronas). El grupo de dominio de poro en tandem es el más grande, con más de la mitad de los canales de K identificados. Ya que hay varios genes de nemátodo que tienen homologías directas con organismos superiores, se espera que la secuencia completa del c. elegans se encuantre en organismo con sistemas nerviosos más desarrollados. Para entender sus roles en las funciones de tejidos excitables, es necesario considerar su comportamiento electrofisiológico básico. Bases electrofisiológicas del funcionamiento de canales de potasioMecanismos básicosLa manera en que los canales de potasio ayudan a estabilizar la excitabilidad de los tejidos depende de varios conceptos electrofisiológicos clave. En breve, el potencial de membrana en reposo de una célula dada es función de la distribución diferencial de los iones comúnmente más abundantes (Na+, K+ y Cl-) entre los lados intra y extracelular. Esta distribución diferencila es mantenida principalmente gracias a transportadores iónicos que consumen energía en forma de ATP, como la bomba de Na+ / K+. La célula viva existe con una alta concentración de potasio en el intracelular y una baja concentración en el extracelular. L potasio se mueve rápida y selectivamente cruzando la membrana a través de canales iónicos, siendo el movimiento neto de iones determinado por dos fuerzas: la gradiente de concentración y la gradiente eléctrica. En una célula normal la corriente de K+ hacia el exterior causaría una deficiencia relativa de cargas positivas en el intracelular, generando un potancial negativo a través de la membrana. Los iones potasio seguirían pasando a través de los canales slectivos para el K+ hasta que el medio intracelular se volviese tan negativo que la atracción electroestática para iones K+ cargados positivamente fuera igual a la fuerza que mueve los iones a favor de su gradiente. En este punto se llega al equilibrio de potencial del potasio (Ek), el balance entre las fuerzas de gradiente y eléctricas, en donde no ocurre movimiento de iones K+ en ninguna dirección a través de la membrana. Dada la diferencia de concentración de K+ 20 a 40 veces en ambos lados de la membrana el potencial de equilibrio para el K+, calculado a aprtir de la ecuación de Nerst es aproximadamente -90 mV. El potencial de membrana en reposo es parecido para la mayoríad e las células (-50 a -70 mV) debido a que la salida de iones K+ de la célula es significativamente mayor que la de otros iones distribuidos diferencialmente (Na+ y Ca++). Bajo estas circunstancias, abriendo un canal de K+ permite la slaida de K+ de la célula (Corriente hacia el exterior), levando al potencial de membrana hacia el potencial de equilibrio del potasio (volviéndose más negativo). La eficiencia de apertura del canal de potasio como regulador del potancial de membrana es sorprendente. Se puede estimar el número de canales de potasio de una conductancia dada que deben abrirse para generar una hiperpolarización significativa. Comenzando con un potencial de reposo de -55 mV, al abrir sólo 20 canales de potasio puede producir una hiperpolarización de 10 a 20 mV. Al alejar el potencial de membrana del umbral necesario para la activación del potencial de acción o la apertura de canales de Ca++, la hiperpolarización tiende a disminuir la excitabilidad. Cualquier droga o modulador que aumente la apertura de un canal de potasio en particular puede reducir enormemente la excitabilidad del tejido que expresa ese canal. Propiedades que controlan las corrientes que pasan a través de canales de KMecanismos de activación e inactivaciónUna de las propiedades más importantes en la fisiología de los canales de potasio es el mecanismo de compuerta, es decir, los factores que causan que un canal se abra. El mecanismo de compuerta es un proceso estocástico (realizado al azar), con los canales moviéndose aleatroiamente entre los estados de abierto y cerrrado. Se han identificado varios factores que ocntrolan los índices en los cuales se abren los canales de K. Los factores más importantes son: 1- Cambio de voltaje a través de la membrana. 2- Incrementos del ión Ca++ en el medio intracelular. 3- Acoplamiento a la proteína G, ya sea directa o indirectamente (gracias a un cambio en el segundo mesajero intracelular). 4- Cambios en la concentracion de ATP intracelular. La apertura de algunos canales de potasio, conocidos como cnales de escape o de fondo, no está fuertemente regulada por estos factores, por lo que su habilidad para concudir K+ está determinada por sus propiedades de rectificación, es decir, la propiedad de los sistemas eléctricos de pasar corriente en una dirección mejor que en la otra. La base molecular de la activación está mejor caracterizada en los canales con compuerta de voltaje. En la despolarización de la membrana celular, el canla shaker original produce una corriente de K+ de activación e inactivación rápida (el canal está totalmente abierto en 1 ms y se cierra de nuevo en 10 ms). Cada tipo de canal de K con compuerta de voltaje tiene un voltaje de umbral particular, en el cual la frecuencia de apertura del canal aumenta rápidamente. Regiones precisamnete definidas de estas proteínas median estas funciones. Todos los canales de K con compuerta de voltaje comparten un dominio intermembrana particular (S4) que tiene una serie de residuos aminoacídicos cargados positivamente (normalmente la arginina), ubicados a lo largo de una cara de la estructura de la alfa hélice. Un cambio del potencial de membrana, sentido por esta estructura molecular, causa el movimiento de estas cargas dentro de la estructura proteica. Se cree que este reordenamiento molecular induce un cambio conformacional transmitido a la vía conductora de iones, permitiendo que los iones potasio atraviesen la membrana. Los parientes del canal shaker alcanzan la apertura total más lentamente, en un periodo de 2 a 300 ms. También pueden diferir en el umbral (de voltaje) en el cual se da la apertura. NO se conocen todos los determinantes estructurales que producen esta diversidad en el comportamiento de canales de potasio. Los mecanismo causantes de la inactivación de canales de potasio de compuerta de voltaje son diferentes a los mecanismo de activación. SE han descrito dos tipos de inactivación, que difieren en su velocidad de inicio. La inactivación rápida (o inactivación de tipo N), que se presenta por ejemplo en los canles de potasio shaker, ocurre debido a la interación del extremo aminoterminal de la proteína del canal con el poro conductor de iones. El extremo aminoteminal toma la forma de una bola al extremo de una cuerda. Se piensa que una superficie de aminoácidos cargados se ensambla con una cara de la bola. &EACUTEsta sirve para bloquear el estado abierto de canal desde el lado citoplasmático; la obstrucción física del poro impide cualquier flujo de iones. Con la superficie cargada de la partícula inactivadora acuñada en el lado interno del poro, están sujetos al campo eléctrico de la membrana. Al recargarse la membrana, la bola se sale de la abertura del poro y se libera el bloqueo. La inactivación lenta (inactivación de tipo C) ocurre a través de carcterísticas del extremo carboxiterminal y comprende un reordenamiento proteico que lleva a un adelgazamiento del poro. RectificaciónLa rectificación es una propiedad importante de los canales de K, crucial para entender cómo influencian el comportamiento electrofisiológico de las células. De manera más simple, la rectificación describe la habilidad de un por conductor de iones para pasar iones a través de la membrana con mayor facilidad en una dirección que enla otra. En los canales de potasio, la rectificación interna (inward, es decir, hacia adentro) significa que a cualquier fuerza motriz causada por voltaje, el flujo hacia adentro de iones K+ es mayor que el flujo hacia fuera con una fuerza motriz igual pero opuesta. Este efecto se muestra más efectivamente en términos de la relación corriente - voltaje (I - V) para un tipo de canal dado. Las corrientes que no son marcadamente dependientes del voltaje o el tiempo pueden ser estudiadas efectivamente de esta manera, produciéndose uan curva I - V característica.En la suguiente figura se muestran las curvas obtenidas para los canales de K rectificadores internos. Los datos representan las corrientes de canales individuales registradas, con tres concentraciones externas de K+ diferentes. Tal como se predice con la ecuación de Nerst, el potencial inverso (punto en el que las curvas cruzan el eje x) se hace menos negativo a medida que se incrementa la concentración de K+. A potenciales por debajo del potencial inverso, las curvas muestran una relación casi lineal, indicando una fuerte rectificación interna. Sobre un potencial de alrededor de -40 mV, los rectificadores internos son bloqueados desde el interior de manera dependiente de voltaje gracias a substancias cargadas positivamente (poliaminas y Mg++), y no pasa poca o nla corriente de K+ al exterior. En el rango de potenciales de membrana cercano al umbral del potenciald e acción, entre el potencial inverso y -40 mV, los rectificadores internos pueden psar pequeñas corrientes hacia fuera. Estas corrientes hacia fuera son extremadamente importantes para entender cómo son generados los potenciales de acción. Los rectificadores internos pasan corriente sólo en un rango pequeños de voltajes, cerca del potencial de membrana en reposo, donde la corriente externa de K+ resiste pequeñas despolarizaciones. Si una despolarizaciónes lo suficientemente grande, los rectificadores internos se bloquean, permitiendo el inicio del potencial de acción. Así, los canles con estas carcterísticas cumplen un papel importente en la regulación del potancial de membrana y de la excitabilidad global. Por el contrario, los rectificadores internos muestran una relación corriente - voltaje (I - V) diferente. En potenciales positivos, las corrientes que representan movimiento de K+ fuerad e la célula son grandes, mientra que aquellas vistas en potenciales negativos son despreciables. Así, los canales de K rectificadores externos tienen la máxima influencia durante la fase positiva del potanciald e acción, tendiendo a repolarizar la membrana hacia el potecnial de reposo normalmente negativo, al conducir grandes corrientes hacia fuera. See han descrito canales de K rectificadores externos puros en una variedad de tejidos, incluyendo miocitos ventriculares de cobayos, ganglios de raíz dorsal de rata y neuronas de moluscos. Estas corrientes no deben confundirse con los canales de K que se han llamado rectificadores retardados; estos son canales de K con compuerta de voltaje que muestran un inicio retardado de la activación y representando un ejemplo extremo de la rectificación hacia fuera por medio de la apertura del canal con despolarización. El ejemplo de rectificador externo mostrado en la figura es el domino de poro del canal de K tandem. Se sabe que el RNAm que codifica esta proteína se encuentra en el tejido cardiaco, y es razonable especular que las corrientes observadas durantes la fase de meseta de la despolarización de los miocitos ventriculares pueden ser causadas por la acción de este canal. Por lo tanto la rectificación puede ser el resultado del bloqueo unidireccional del canal por compuestos endógenos tales como el Mg++ o las poliaminas, pero también puede resultar de la estructura específica de las protaínas del canal iónico; aunque se ha definido en términos de los determinantes estructurales que dan lugar a la rectificación. El progreso en la comprensión de este aspecto de la función de los canales de K requerira una mayor resolución de la estructura tridimensional de canales de K indivusuales que pueden captar el campo de voltaje y restringir el flujo iónico. Regulación intracelular por moléculas pequeñas -Ca++ y ATP-La apertura de algunos canales de K con compuerta de voltaje también es sensible a los cambios en la concentración intracelular de Ca++. Por ejemplo, los picos del potencial de acción en las neuronas de vertebrados pueden activar los canles de Ca dependientes de voltaje que incrementan rápidamente la concentración intracelular de Ca++. En muchas células, sigue una posthiperpolarización que puede dividirse en dos componentes regulados por el Ca++ intracelular:
Los canales de K activados por Ca++ (KCa) se basan en estos dos componentes, habiéndose identificado en casi todo tipo de células. Un canal de KCa de gran conductancia (150 - 250 pS o pico Siemens), al que se le llamará de aquí en adelante BK (la "B" es de "big" = grande) con activación rápida (1 - 2 ms) y sólo una inactivación ligeramente menos rápida (decenas de ms) contribuye al componente rápido. Estos canales son activados por los cambios en el potencial de membrana o la concentración intracelular de Ca++. La elevación de ésta tambipen afecta la sensibilidad del volyaje de activación al variar el umbral hacia potenciales de membrana más negativos. El papel aparente de los canales BK es activarse rápidamente y al conducir grandes corrientes hacia fuera de K+ calmar rápidamente los tejidos excitables que han sido despolarizados o que tienen altas concentraciones de Ca++. El componente lento de la posthiperpolarización representa la acción de un canal KCa de menor conductancia (10 - 14 pS), el canal SK ("S" de "small" = pequeño). A diferencia del canal BK, el canal SK se activa lentamente (10 - 1000 ms) y decae en segundos. Así, este acanl parece ser una segunda línea de defensa de una célula excitable contra la sobrexcitabilidad. Este mecanismo puede verse como una manera de inhibir la entrada de Ca++ (al evitar la despolarización y activación de los canales de Ca con compuertas de voltaje), limitando así los incrementos potencialmente nocivos de Ca++ intracelular. Un tercer tipo de canal KCa con conductancia intermedia (IK; 18 - 50 pS) también se ha encontrado en algunos tejidos. Debido a que los canales BK y SK son activados por los cambios en la concentración de Ca++ entonces, por qué difieren en su índice de activación?. Se ha planteado que esta diferencia se puede comprender al evidenciar que los cambios en la concentración de Ca++ no se producen uniformemente a lo largo de la célula. Los canale sBK pueden estar localizados cerca de canales de Ca++ con compuerta de voltaje que provocan una elevación rápida rn la concentración de Ca++, llamada chispas (sparks) de Ca++. Por el contrario los canales SK pueden estar confinados a áreas de la célula en donde los cambios en la concentración de Ca++ ocurren con menor rapidez. Otro grupo ubicuo de canales de K, encontrados en el corazón, páncreas, músculo liso y SNC, son sensible a los cambios en la concentración de ATP intracelular (canales KATP). Éstos captan el estado metabólico de la célula, inhibidos por el ATP cuando el suministro de energía es abundante y se activan cuando la energía decae. Recientes avances en biología molecular nos hand ado indicios en la composición funcional de los canales de KATP, que parece ser un complejo de un canal Kir con otra gran proteína reguladora, el receptor sulfoniúrea (en discusión). Habiendo comprendido la regulación de los canales de K asociados a estas pequeñas moléculas, la excitabilidad de las cpélulas queda ligada a su estado funcional. Esta ligación es importante para la eficiencia celular en general. Por ejmplo, cunaod hay poca energía almacenada (niveles reducidos de ATP), la activación de los canles de K hiperpolariza el potencial de la membrana hacia el equilibrio del potencial de K, logrando con ello reducir el intenso trabajo de bombeo iónico, restableciendo el gradiente iónico después de la descarga del potencial. En forma similar, un incremento en la concentración de Ca++, que puede estimular diversos procesos de consumo energético intracelular, causa una activación concomitante de los canales de KCa, actuando como unmecanismo de feedback negativo para reducir la actividad eléctrica. En virtud a esta asociación acomunes y pequeñas moléculas es que los canles de K tienen profunda influencia en el funcionamiento de tejidos activos altamente metabólicos, como las neuronas y músculos cardiacos. Resumen de las propiedades electrofisiológicas de los diferentes tipos de canales de potasioEstos entredichos sobre la activación, desactivación, rectificación y modulación nos conducen a un mejor conocimiento de cómo opera cada tipo de canal de K. Los canales de K de compuerta de voltaje, principalmente del tipo Shaker, pero también los activados por Ca, se abren completamente cuando el potencial de la membrana, a la que está sujetos, alcanza el umbral de activación. Una variación en el umbral y los rangos de activación e inactivación producen una gran diversidad de funciones. Adempas, los canales de KCa se vuelven más activos cuando las concentraciones intracelulares del Ca aumentan. Los rectificadores internos y el dominio del poro tandem son responsables por los solutos de la membrana basal. Las probabilidades de abrirse son más constantes y el tamaño de los solutos que los canales pasan está dseterminado por la naturaleza de cada relación soluto - voltaje. Asimismo, los rectificadres internos son importantes componentes de solutos de potasio cuando el potenciald e la membrana es negativo, cerca de Ek (potencial de equilibrio), donde los rectificadores externos de la membrana basal tienen efecto predominante durante la despolarización del potancial de acción. La diversidad de las funciones elctrofisiológicas mostradas por los canales de K incrementan su rol esencial en modular en forma precisa la actividad eléctrica de las membranas excitables.Significado clínico del funcionamiento de los canales de potasioEn tanto se acumula información acerca de la estructura y función de los canales de K, los roles de stos canales regulando la excitabilidad del tejido en la salud y enfermedad aflora. Ciertos canales de K en el páncreas son esenciales en la secreción de insulina, mientras que otros mantien el ritmo normal en el corazón. El mal funcionamiento de estos canles de K cardiacos puede ser la base de la disrritmia maligna y puede causar muerte súbita. Los canales de K en el sistema nervioso central juegan importantes roles como el efector final de muchos sistemas de recptores de proteínas acopladas G y han sido ligados a algunos casos raros de enfermedades genéticas.Roles fisiológicods de los canales de KEl efecto primario de la actividad de los canales de K es reducir la excitabilidad de los tejidos en que se hallan. Como se mencionó anteriormente, los canales de K desempeñan un rol mayor fijando el resto del potencial de membrana. Cuando se abren, los canales tienden a equilibrar el ppotancial de K+. Haciéndolo, mueven a los canales de Na y Ca activados por voltaje lejos del potencial de membrana al cual sus probabilidades de apertura se incrementan, inhibienod la acción de una propagación esencial.De igual importancia es el rol de los canles de K disipando las influencias excitatorias. Cualquier incremento en el paso de las cargas positivas (Na o Ca) hacia dentro incrementará la tendencia a la despolarización de la membrana. Teniendo diversos canales de K abiertos por diferentes mecanismos, ayudan a controlar estas pequeñas despolarizaciones. Otro rol importante de los canales de K es determinar la duracipon y frecuencia del potencial de acción. Los canales de Na y Ca también juegan importantes roles en larápida despolarización y repolarización de la membrana que define el potencial de acción, pero nos enfocaremos en los canales de K. L aapertura de cada tipo de canal está determinada por diferentes fuerzas: el paso de iones a través de los canales ocurre durante la despolarización y actúa para repolarizar, donde se encuentren los canales de K de la membrana basal, como los rectificadores internos; el paso sólo ocurre cuando el potencial de membrana se encuentra cerca de Ek. Esto contrasta con las crestas (niveles altos) del potencial de acción del tejido neuronal. El potencila de acción se angosta en parte debido a un gran fluído de K impulsado por el cambio de voltaje y cambios en la concentración del Ca intracelular. La hiperpolarización posterior causada por la actividad de los canales SK, determina que tan frecuentemente podemos observar el potancial de acción. Canales de K en el páncreas - el receptor sulfonilúreaLa sulfonilúreas clínicamente usadas: glibenclamidas (gliburida) y antes tolbutamida son importantes hipoglicémicos orales, tomados por pacientes con diabetes del tipo II. El sitio de unión de estos medicamentos es una proteína grande de la membrana, regulada por el recpetor de la sulfonilúrea (SUR) que forma un complejo funcional con un rectificador interno. El complejo resultante forma un canal de K activo que es inhibido por concentraciones micrométricas de ATP intracelular. Por lo menos dos subtipos de SUR han sido clonados. En las células pancreáticas b el SUR se combina con el canla de potasio rectificador para formar un complejo que parece tener un rol central en la regulación de la secreción de la insulina. En estdo de inanición, la baja de la glucosa sanguínea produce disminución del ATP intracelular. Los canales SUR - KATP en las células b parecen ser espontáneamente abiertos, causando hiperpolarización. Debido a que la sercreción de insulina depende de la activacion de los canales de Ca y de la exocitosis insulínica, esta acción bloquea la secreción de insulina e hipoglicemia. La secreciónde insulina es inducida cuando abundante glucosa caudsa el aumento del ATP intracelular, inhibiendo los canales de SUR - KATP y despolarizando las células b para activar los canales de K. Si medicamentos de sulfonilúrea se unen al comlplejo SUR - KATP también cierra el canal KATP. Mutaciones en el gen SUR1, que conllevan a una desordenada e inapropiada secreción de insulina, han mostrado recientemente ser causa de una persistente hipoglicemia hiperinsulínica infantil.El SUR2A se combina con el KIR6.2 para formar los canales de K cardiacos, mientras que el SUR2B se combina con el KIR6.2 para formar el canal en los músculos lisos. El rol funcional del complejo SUR - KATP en otros tejidos permanece sin esclarecer. Pero evidencias recientes implican al KATP cardiaco como cardio protector. En los músculos cardiacos, el músculo liso vascular y el cerebro, los niveles de ATP son más altos que las concentraciones necesarias para inhibir los canales de KATP casi completamente. Durante la isquemia o anoxia, el ATRP intracelular puede descender lo sufieciente como para llegar a la inhibición del KATP y disminuir la excitabilidad por hiperpolarización. El hecho es que el SUR, tan asociado con el KATP en muchos tejidos, es una forma importante de modulación del canal de KATP e incluso de substancias intracelulares parecidas a la sulfonilúrea. No se concoen canales de KATP que operen independientemente o no estén asociados al SUR. Durante los últimos diez años, se han descubierto una serie de agentes farmacológicos que actúan como ligandos para incrementar la actividad de los canales de KATP. Este diverso grupo ha sido denominado "openers" (aperturadores) del canal de K (KCO = K channel opener)). SE halló que el primer componente de esta clase, cromalakina, tenía limitado uso clínico debido a los efectos nos deseados como la hiperglicemia, presumiblemente por la inhibición de la secreción normal de insulina. Pero medicamentos mpas específicos tiene el potencial para convertirse en importantes agentes terapéuticos para una gran variedad de estados infecciosos. Canales de K en la funcion cardiacaInhibición muscarínica del latido cardiacoEl mecanismo mediado por la proteína G para el control del latido cardiaco por el parasimpático ha sido descrito molecularmente con mucho detalle desde el receptor hasta la respuest neurofisiológica y requiere de un canald e K en el último paso. Los receptores iuscarínicos (subtipo M2) unen la acetilcolina liberada por las fibras parasimpáticas para activar la proteína G pertussis sensible a las proteínas en la membrana celular. La proetína G activada es capaz de abrir por dentro un tipo de canales de K (llamados GIRKs) de la membrana celular. La conductancia incrementada del K aumenta el potecnial diastólico máximo de las células y disminuye el trabajo de la despolarización espontánea, disminuyendo el tiempo que le toma a la célula alcanzar el potencial de acción. Estos efectos disminuyen la frecuencia de descarga y lentifican el latido cardiaco. La atropina es antagonista de ste mecanismo bloqueando los recptores muscarínicos M2. Síndrome de Q - T largo El síndrome congénito del QT largo es undesorden heredado relativamente raro que causa un síncope y la muerte súbita como resultado de arritmia ventricular. El intervalo QT incrementado demora la repolarización y puede causar una postpolarizacion temprana que puede conducir a torsade de pointes. Durante los últimos 3 años, tres diferentes genes de canales iónicos (dos de loscuales son canales de K) han sido hallados responsables de esta enfermedad. HERG es un canald e K humano dependiente de voltaje muy relacionado al gen HE drosophila y de rápida activación extracelualr, contribuyendo a la repolarización del potencial de acción. La mecánica de desactivación del HERG es única. Emplean rectificadores internos fuertes y llegan a pasr un gran flujo sólo si son reactivados rápidamente luego de la repolarización. Además, parecen estar envueltos específicamente en la supresión de afterbeats prematuros. Seis diferentes mutaciones heredables han sido identificadas. Los canales mutados no contribuyen a la repolarización, prolongando el intervalo QT y no pudiendo suprimir las postdespolarizaciones. La base molecular de un segundo y más lento componente de repolarización ha sido recientemente identificado como dependiente de voltaje, mediante la lenta activación del canal de K denominado KvLQT1. La mutación de esta proteína también retrasa la repolarización y prolonga el intervalo QT. Este flujo de K es blanco de los medicamentos antiarrítmicos clase III y el bloqueo de éstos puede inducir una forma adquirida del síndrome LQT. El descubrimiento de los canales de K responsables del síndrome LQT nos provee de un mejor entendimento de los determinantes de ls electrofisiología cardiaca. Estos pasos han sido medidos por años y se han hallado muchos medicamentos antiarrítmicos que regulan su actividad. Sin embargo, sólo su coenxión con los males genéticos se ha ensamblado a conocimiento de estos canales, faltan establecer las bases moleculares de muchos otros gradientes. Efectos de los anestésicos en los canales de K cardiacos Dado el importante rol que cumplen los canales de K en una actividad eléctrica normal los esfuerzos para determinar el efecto de los anestpesicos emn el funcionamiento de estos canales se han multiplicado. En general, los anestésicos volátiles inhiben a los canales de K activados por voltaje del corazón en concentraciones bajo el nivel terapéutico. Recientemente se ha notado un efecto bibásico del selvoflurano en un rectificador interno del canal de K. Sin embargo, los anestpesicos volátiles parecen tener efectos estimulantes en los canales de KATP cardiacos. Cason demostró que la vasodilatación coronaria producida por isoflurano era bloqeada por la administración intracoronaria de glibenclamida, donde la vasodilatación producida por nitropusside de Na no fue afectado por la glibenclamida. Estos resultado sugirieron la activación específica de los canales de KATP por anestésicos volátiles, resultando en la preservación miocárdica durante la isquemia. Las acciones de los agentes anestésicos en el flujod e K cardiaco, también ha sido estudiado. El etomidato, propofol y mdazolam, que tien propiedades inotrópicas negativas, fueron estudiadas para determinar sus efectos en le paso de K y Ca cardiacos. A concentraciones clínicas estos agentes producen una mayor inhibición de los canales de Ca++ que de los canales de K+, sugiriendo que inducen depresión miocárdica por la alteración del ingreso de Ca++ intracelular. Sin mebargo, en un estudio in vitro, el tiopental sódico inhibía las corrientes rectificadoras de K+ hacia el interior; por ello posiblemente contribuye a la arritmiogénesis de otros agentes, tales como el halotano, epinefrina y el CO2. Los anestésicos locales, especialmente la bupivacaína, ejercen efectos fuertes y potencialmente letales sobre el corazón. Aunque el mecanismo de la cardiotoxicidad de los anestésicos locales está mediado principalmente por la recuperación lenta del bloqueo de canales de Na cardiacos, los efectos de los anestésicos locales sobre los canlesd e K cardiacos pueden contribuir a la cardiotoxicidad. Por ejemplo, la lemakalima, un agente que abre el canal de K del tipo KATP cardiaco, puede antagonizar efectivamente la depresión de la conducción cardiaca inducida por bupivacaina, lo que indica que la hiperpolarización puede ayudar a revertir el bloqueo del canal de NaLa ropivacína y la bupivacína, por el contario, producen el bloqueo de canales de K de compuerta de voltaje abiertos, previniendo la repolarización y le restablecimieto de potenciales de membrana lo suficientemente negativos para desencadenar la inactivación del canal de Na. Un efecto dual sobre los canales de K+ y Na+ podría actuar sinérgicamente para intensificar la cardiotoxicidad del anestésico local. Tal mecanismo ha sido sugerido para explicar el bloqueo de la conducción por los anestésicos locales en los tejidos nerviosos. La bupivacaína inhibe la salida pasajera de K+ pero no las corrientes rectificadoras en los miocitos de los ventrículos de rata, los cuales podrían prolongar el potencial de acción, retardar la repolarización y hacer al miocardio más sensible la dsirritmia. Canales de potasio en los pulmonesLa presencia de canales de KATP dentro del pulmón es clara porque los KCOs son capaces de relajar el músculo liso bronquial. La aplicación de cromkalima a músculo liso bronquial no contraído puede prevenir la broncoconstricción inducida por histamina pero no produce muca relajación por sí misma. Sin embargo, los KCOs son capaces de aliviar la obstrucción hiperreactiva de las vías aéreas en un modelo de asma en cobayos. Esta discrepancia puede ser explicada mediante el reconocimiento del rol de la hiperactividad en las vías aéreas broncoespásticas, las culaes pueden ser mediadas específicamente por los canales de KATP. La inhibición de la transmisión neural en la vía aérea por atenuación de la transmisión no adrenergénica y no colinégica también puede contribuir a la eficacia aparente de los KCOs como drogas antiasmáticas. El desarrollo de drogas que son KCOs pulmonares selectivos podría proporcionar un nuevo enfoque en el tratamineto de los broncoespasmos severos.Los canales de K están también involucrados en el mecanismo de la vasoconstricción pulmonar hipóxica. La habilidad para sentir los cambios en la presión de oxígeno se da en las células de tipo 1 del cuerpo carotídeo y en las células musculares lisas en la vasculatura pulmonar, y parece estar mediada por la inhibición inducida por hipoxia de una corriente de salida de K. Esta inhibición provoca una despolarización de la membrana causando la activación de los canales de Ca con compuerta de voltaje, la contracción del músculo liso y la vaso constricción. Canales de K en el sistema nervioso centralLa información en el SNC está codificada en la descarga repetitiva de sinapsis neuronales. La frecuencia de descarga y la variación en el patrón de descarga determinan la naturaleza de la información. Además, las neuronas están conectadas a muchas otras neuronas, tanto excitatorias como inhibitorias, que cooperan en la modulación de la descarga de un nervio dado. Así, la modificación de la tasa de descarga neuronal afectaría el proceso de la información en el SNC. Como se describió previamente, los canales de K son esenciales para la inducción de la hiperpolarización para limitar la duración de la descarga y para determinar su frecuencia. Es concebible que la alteración de estos aspectos de la función neuronal a través de la modulación del canal de K pueda afectar potencialmente la función del SNC. Además, se han comenzado a describir enfermedades causadas por la disfunción del canla de K. Por ejmplo, el raro síndrome familiar de ataxia episódico se ha relacionado con una mutación puntula en el gen del canal de potasio KV1.1. Canales de K acoplados a proteína G en el SNC En la misma forma como los receptores muscarínicos cardiacos activan los canales cardiacos GIRK, muchos otros recpetores para neurotransmisores y neuropéptidos son conocidos por activar, ya sea directa o indirectamente, los canales de K del tipo rectificador interno. Los opioides efercen su efecto analgésico por la unión a receptores opioides, lo cual produce la apertura de los canales de K y la hiperpolarización neuronal. La distribución de estos receptores determina la repuesta neuronal generada por sus neurotransmisores activadores. Ya que activan efectores intracelulares y segundos mensajeros, las respuesta acopladas a proteína G tienden a ser lentas en su inicio y relativamente prolongadas en relación a las respuestas por canales iónicos controlados por ligandos. Pero cuando los recpetores acoplados a proteína G pueden interactuar con los canales iónicos, las respuestas que producen pueden ser rápidas. Esta combinación de respuesta rápida pero prolongada sugiere que estos sistemas son capaces de producir una neuromodulación profunda. Potencial terapéutico de drogas que modulan la función del canal de potasioUna de las áreas más importante de la investigación sobre losn canales de potasio es la de los esfuerzos realizados por modular la actividad de vanales de K específicos para llevar este conocimiento hacia la terapéutica. El aumento de la actividad del canal de K podría jugar roles mayores, por ejmplo, en el tratamineto de desórdenes convulsivos, hipertensión y la isquemia vascular miocárdica, cerebrovascular y periférica. Otras situaciones clínicas tales como la sepsis, la inmunología del transplnate y el vasoespasmo pueden ser tratadas gracias a la modulación de canales de K.La diazoxida y y el minoxidil son KOCs actualmente usados en la aperturad e canales de KATP en la vasculatura para producir vasodilatación y disminuir el incremento de presión sanguínea. La utilidad clínica de ambas drogas ha estado limitada por los efectos colaterales, tales como la retención de fluídos y la hiperglicemia. El nicorandil es un compuesto híbrido con efecto semejante al de KCOs, produciendo dilatación arterial y efectos venodilatadores por nitrato orgánico. Como tal, tiene una excelente actividad antianginal al incrementar el flujo coronario y se compara favorablemente con la nitroglicerina, el atenolol y la nifedipina en la prevcención de la angina y un aumento de la capacidad de ejercicio en pacientes con angina estable. Los compuestos que operan como KCOs en los músculos lisos de la vejiga podrían ser lanzads al mercado como conroladores dela incontinencia. Los compuestos que abren canales de K representan una nueva clase de compuestos usados actualmente en clínica. En el presente estos compuestos sólo pueden abrir canales de KATP, aunque existen algunos agentes experimentales que abren directamente los canales de KCa. Esa nueva dirección de la farmacología de canales iónicos tiene gran potencial, principalmente porque el número y diversidad de canales de potasio es tan grande. Mientras se entienda mejor la biología de los canales de potaiso, emergerán blancos racionales para nuevas drogas. Conclusiones
PARA REGRESAR...
|
 |
|
| Indice de Monografías
www.mh99.itgo.com Web de la Promoción 1999: www.mh99.page.vg |
||