Apertura y Permeación de Canales Iónicos

Cómo los canales iónicos se abren y cierran en respuesta a estímulos (apertura) y cómo, una vez abiertos, conducen iones específicos rápidamente a través de un poro estrecho (permeación).

Definition

La apertura es el cambio conformacional de un canal entre estados abiertos y cerrados; la permeación es el movimiento de iones a través del canal abierto, gobernado por su filtro de selectividad y la fuerza impulsora electroquímica.

Scope

Este tema abarca los dos comportamientos definitorios de un canal iónico: la apertura, el cambio estocástico entre estados conductores y no conductores impulsado por voltaje, ligandos o fuerza mecánica; y la permeación, el paso selectivo y de alto rendimiento de iones a través del poro abierto. Se tratan las observaciones de canal único, la base estructural de la selectividad y los modelos físicos de conducción, mientras que la dinámica del potencial de membrana y el bombeo se abordan en temas adyacentes.

Core questions

• ¿Qué estímulos abren y cierran los canales, y por qué la apertura parece estocástica a nivel de canal único?
• ¿Cómo selecciona un canal fuertemente una especie iónica mientras la conduce rápidamente?
• ¿Cuál es la base estructural del filtro de selectividad?
• ¿Cómo revelan las corrientes de canal único el comportamiento del canal?

Key theories

Selectividad por coordinación precisa

La estructura del canal de potasio muestra un filtro cuyos oxígenos carbonílicos del esqueleto imitan la capa de hidratación del ion favorecido, de modo que ese ion es conducido mientras que los iones más pequeños, que el filtro no puede coordinar tan bien, son excluidos.

Apertura estocástica de canal único

El registro de patch-clamp muestra que los canales individuales saltan abruptamente entre niveles discretos abiertos y cerrados, por lo que las corrientes macroscópicas son la suma estadística de muchas transiciones estocásticas de canal único.

Mechanisms

La apertura acopla un estímulo —el voltaje de membrana que actúa sobre sensores de voltaje cargados, la unión de ligandos o la tensión de la membrana— a un cambio conformacional que abre o cierra la vía de conducción, y debido a que la energía térmica impulsa estas transiciones, aparecen como aperturas y cierres aleatorios de amplitud fija. La permeación a través del poro abierto es rápida porque un filtro de selectividad reemplaza la capa de hidratación del ion con átomos coordinantes colocados con precisión, lo que reduce la barrera de energía para el ion favorecido mientras excluye a otros; el flujo neto se establece por la fuerza impulsora electroquímica a través de la membrana.

Clinical relevance

Las mutaciones que alteran la apertura o la permeación causan canalopatías, y muchos fármacos y toxinas actúan uniéndose a los canales, por lo que los mecanismos aquí son un antecedente educativo para esa farmacología y fisiopatología, más que un consejo clínico.

History

Las conductancias macroscópicas inferidas por Hodgkin y Huxley fueron resueltas en eventos discretos por los registros de patch-clamp de Neher y Sakmann en la década de 1970, y las estructuras atómicas del canal de potasio de MacKinnon en 1998 finalmente explicaron la selectividad y la conducción en términos estructurales.

Key figures

• Bertil Hille
• Erwin Neher
• Bert Sakmann
• Roderick MacKinnon

Seminal works

• doyle1998
• neher1976

Frequently asked questions

¿Cuál es la diferencia entre apertura y permeación?

La apertura se refiere a si el canal está abierto o cerrado; la permeación es cómo fluyen los iones cuando está abierto. Un canal debe primero abrirse antes de que pueda ocurrir cualquier permeación.

¿Cómo puede un canal distinguir el potasio del sodio?

Su filtro de selectividad coordina el ion potasio más grande casi tan bien como lo hace el agua, pero no puede encajar el ion sodio más pequeño tan ajustadamente, por lo que el potasio pasa mucho más fácilmente.