A continuación presentamos un ejemplo que da una idea del importante papel que juegan los canales en algunos procesos fisiológicos.


Contracción muscular

Un músculo se contrae cuando recibe una señal eléctrica a través de un nervio motor que hace contacto con él. El lugar en donde el terminal nervioso hace contacto con el músculo es denominado unión neuromolecular.

En la unión neuromuscular informa al músculo cuándo es tiempo de contraerse con el objeto de realizar una cierta acción mecánica. Estos dos tipos de células se comunican mediante señales eléctricas que se originan debido a la diferencia en composición iónica del medio dentro y fuera de la célula. El interior de la célula nerviosa o neurona es rico en potasio, mientras que el exterior lo es en iones sodio. En reposo, la célula nerviosa sólo es permeable a iones potasio; la migración de iones potasio desde el interior hace que se establezca una diferencia de potencial eléctrico. La célula puede ser considerada entonces como una batería de un valor aproximado de 0.1 voltio (V) y cuyo polo negativo queda localizado en el interior de la misma. Esta diferencia de potencial se conoce con el nombre de potencial de reposo. Una depolarización (el potencial de reposo se hace más positivo) en una zona del axón genera corrientes locales que depolarizan regiones vecinas. Se produce así una onda de depolarización capaz de autogenerarse, que se propaga a lo largo de la fibra nerviosa.

Esta onda se denomina potencial de acción o impulso nervioso. La parte ascendente del potencial de acción es una consecuencia de la apertura de canales de sodio que cambian del estado cerrado al abierto en respuesta a la depolarización local. Este proceso se refuerza a sí mismo ya que la entrada de sodio cambia el potencial interno de negativo a positivo, abriendo más canales de sodio. Espontáneamente y sólo unas milésimas de segundo después de abrirse, los canales de sodio se cierran (se inactivan) y una segunda población de canales, ahora específicos para potasio, se abre dando origen a la parte descendente del potencial de acción.

La salida de potasio a través de estos canales restablece el potencial dentro del axón al valor que tenía en reposo. El estímulo que abre los canales de sodio y de potasio localizados en la membrana del axón es el potencial eléctrico, por lo tanto, hablamos de canales dependientes del potencial".

Una vez que el impulso nervioso llega al terminal del axón, se abre una nueva familia de canales dependientes del potencial los canales de calcio. La entrada de calcio desde el exterior de la célula hace que se libere un transmisor químico, la acetilcolina. Este mediador se une a un receptor localizado en una proteína que forma parte de un canal iónico en la membrana de la célula muscular, el canal receptor de acetilcolina (CRAC). El flujo de iones sodio, potasio y calcio (Na⁺, K⁺, Ca⁺²) a través de este canal induce una depolarización local que hace que se dispare un potencial de acción que se propaga por toda la membrana de la célula. Este potencial de acción es mediado por un sistema de canales iónicos similares a los del nervio. El potencial de acción propagado induce a su vez, por medios aún no totalmente esclarecidos, una salida masiva de calcio desde un compartimiento intracelular, el retículo sarcoplásmico, hacía el citoplasma de la célula muscular, provocando finalmente la contracción muscular.

En síntesis, los mecanismos que modulan la apertura cierre de los canales pueden ser de dos clases diferentes. Un tipo de canales iónicos se abren y se cierran en respuesta a diferencias de potencial eléctrico a través de la membrana celular. Se dice en este caso que el canal es modulado por el potencial eléctrico. La segunda clase de canales responde a la presencia de un transmisor químico y en este caso hablamos de canales modulados químicamente. En general es costumbre llamar a los canales activados químicamente de acuerdo al nombre del transmisor que lo activa, por ejemplo canal receptor de acetilcolina, canal receptor de glutamato, etc. Los canales dependientes del potencial se denominan de acuerdo al ión al cual son selectivos.


Registro de la corriente que pasa por un canal

Cuando los canales activados por el potencial eléctrico o químicamente se abren y permiten el paso de iones, se produce una corriente a través de la membrana. Un simple cálculo nos dice que si un canal deja pasar 100 millones de iones por segundo, este flujo jónico producirá una corriente igual a 16 picoamperios (1,6 x 10^-11amperios).

Como se trata de una corriente muy pequeña, no se puede medir con las técnicas electrofisiológicas convencionales. Erwin Neher y Bert Sakmann desarrollaron en 1976 una técnica que revolucionó el estudio de los canales iónicos: el patch clamp (sello fijador en una traducción literal que no todos aceptan). El procedimiento consiste en acercar a la membrana celular una micropipeta de vidrio que posee un diámetro en la punta de aproximadamente 1 um (una millonésima de metro) y está llena de una solución salina. Una vez que la pipeta entra en contacto con la membrana y mediante la aplicación de una suave succión se forma un sello eléctrico de alta resistencia (1 000 millones de ohmios). Ya que el área de membrana en cuestión es muy pequeña, sólo unos pocos canales estarán incluidos en ella. Con un equipo electrónico capaz de medir corrientes del orden de los picoamperes, se puede registrar entonces la actividad eléctrica de un canal iónico. En los últimos años la técnica de "patch clamp" se ha especializado a un punto tal que es posible registrar la actividad de los canales individuales en pedazos de la membrana aislada de la célula. En la Figura 3 mostramos un registro del curso temporal de la corriente que pasa a través de un CRAC cuando se aplica una diferencia de potencial constante a través del área de membrana, contenida en la punta de la pipeta y retirada de la célula (excised patch) en presencia de acetilcolina en el medio.

La interpretación a nivel molecular que se le da a este tipo de registro considera que cada salto discreto de la corriente hacia abajo corresponde a la apertura y cada salto hacia arriba al cierre de un canal individual. Es importante hacer notar que todas las fluctuaciones en la corriente son de la misma magnitud, lo que indica que cuando el canal se abre deja pasar siempre el mismo número de iones por unidad de tiempo.

Lo realmente espectacular de la técnica de patch clamp es que abre la posibilidad de observar el comportamiento cinético (cambio conformacional) de una molécula de proteína frente a un estímulo.

Una caricatura a nivel "molecular" de una canal iónico se muestra en la Figura 4. Se considera que el canal es una proteína intrínseca de la membrana y puede estar anclada a otras proteínas o al citoesqueleto la célula. Estas proteínas tienen un alto peso molecular y de su porción extracelular. Decimos que es una glicoproteína. En el caso de un canal, que es dependiente del potencial, un "detector" controla las probabilidades de apertura y cierre. Tal detector es una partícula (un conjunto de residuos de aminoácidos) que incluye grupos cargados capaces de desplazarse en el campo eléctrico abriendo así la compuerta y permitiendo el paso de iones. El resorte representa la energía configuracional que mantiene el canal cerrado cuando la célula está en reposo. Durante el tiempo en que los iones están pasando por el canal, éstos son seleccionados en el filtro de selectividad.


Una forma de aprendizaje

La Aplysia es un caracol de mar que ha sido la delicia de los neurobiólogos durante muchos años, no debido a su sabor sino porque tiene un sistema nervioso relativamente simple y neuronas de gran tamaño. Esto ha hecho posible un estudio detallado de su red neuronal y de la interrelación que existe entre las diferentes neuronas. Cada vez que le tocan el sifón que posee cerca de la "cola" la Aplysia responde retirando las branquias. Sin embargo, si se toca el sifón repetidas veces sin asustarlo, el animal aprende a no retirar las branquias. Este proceso se denomina habituación. Si una vez habituada se somete a la Aplysia a un estímulo violento, por ejemplo un golpe eléctrico, la habituación es rápidamente eliminada. Esto se conoce como proceso de sensibilización. Cuando se toca el sifón de la Aplysia se estimula una neurona sensorial que hace sinapsis con una neurona motora que a su vez hace contacto con las branquias. Si se registra la actividad eléctrica de la neurona motora durante el proceso de habituación se observa que ésta disminuye si se estimula la neurona sensorial de manera repetitiva. Llega un momento en que la primera es incapaz de inducir la contracción de los músculos de las branquias. En este momento el animal ha aprendido a no retirar las branquias. Por otra parte, si se estimula simultáneamente la neurona sensorial y la neurona facilitadora, la actividad eléctrica de la neurona motora no disminuye, aunque se estimule la neurona sensorial un gran número de veces. La neurona facilitadora previene entonces la habituación. Son éstas las neuronas que se activan cuando se somete a la Aplysia a un estímulo violento. En ambos procesos, habituación y sensibilización, los cambios son debidos a una alteración en la cantidad de neurotrasmisor liberado por el terminal de la neurona sensorial durante la actividad. La cantidad de transmisor que se libera está controlada por la cantidad de calcio que entra a la célula durante un potencial de acción. Este calcio penetra obviamente a través de "canales de calcio" ubicados en el terminal nervioso y que son sensibles a cambios en el potencial eléctrico. Durante la habituación, la estimulación disminuye la entrada de calcio y lo opuesto ocurre durante el proceso de sensibilización.

El grupo de Eric Kandel, en la Universidad de Columbia, ha analizado en detalle el proceso de sensibilización a un nivel molecular. Cuando se estimula la neurona facilitadora, ésta libera un transmisor químico llamado seratonina. Esta molécula se une a un receptor que está acoplado a una enzima, la adenil ciclasa. La activación de esta enzima aumenta la concentración de una sustancia química llamada adenosín monofosfato cíclico (cAMP). Este cAMP activa una proteína quinasa que a su vez inserta un grupo fosfato (fosforila) en una proteína que forma parte de un canal de potasio. Una vez fosforilado, el canal deja de conducir iones. La fosforilación de los canales de potasio y la subsecuente disminución de la conductancia potasio de la célula hace que el potencial de acción tenga una duración más prolongada. El enlentecimiento del potencial de acción promueve un aumento en la duración de la entrada de calcio a la célula, una mayor liberación de seratonina y por ende una mayor respuesta del reflejo de retiro de las branquias.


Sensores intrínsecos y remotos

La idea que hemos adelantado con nuestro esquema de un canal iónico es que éstos poseen un sistema de conducción iónica especializado, una compuerta y un detector del estímulo externo que modula la probabilidad de apertura. El canal de sodio tiene un detector intrínseco de potencial y es eléctricamente excitable. El canal receptor de acetilcolina tiene un detector intrínseco para este transmisor y decimos que es modulado químicamente. Por otra parte existen canales como los involucrados en la respuesta de sensibilización en la Aplysia que pueden ser modulados por un detector remoto, en este caso, el receptor de serotonina. Los detectores intrínsecos son una parte constitutiva de la proteína que forma el canal, mientras que en los canales que emplean detectores remotos la proteína-detector es diferente de la proteína-canal y la comunicación se hace a través de un segundo mensajero. En el caso del canal de potasio, éste es el cAMP. Los receptores intrínsecos y remotos no son excluyentes. Este es el caso del canal de calcio involucrado en la contracción del músculo cardíaco. Este canal tiene un detector intrínseco para el potencial eléctrico y receptores separados del canal, que son sensibles a un transmisor químico, la adrenalina, que modula el número de canales abiertos, usando cAMP como segundo mensajero. La adrenalina en este caso aumenta el número de canales de calcio abiertos y por lo tanto permite una mayor contracción del corazón.

Hasta este momento hemos visto que los estudios funcionales de los canales iónicos nos permiten saber cómo trabajan estas proteínas. Sin embargo para llegar a poseer un entendimiento cabal acerca de ellas necesitamos conocer su estructura y en último término la relación que existe entre estas importantes proteínas de las membranas y las funciones que ellas desarrollan. Los enormes avances que ha experimentado en los últimos años la biología molecular y en particular los de la tecnología de ácido desoxirribonucleico (DNA) recombinante, han hecho posible la elucidación de la secuencia de aminoácidos del CRAC y del canal de sodio. Más aún, uno de los métodos de la ingeniería genética, la de mutagénesis dirigida, nos permite ahora alterar a voluntad los aminoácidos de una proteína (cambiar un aminoácido por otro).

En este artículo hemos tratado de dar al lector un panorama general del papel que juegan los canales iónicos en el control de la respuesta celular y en procesos integrativos, como, por ejemplo, formas primitivas de aprendizaje. Gracias a la ayuda de las técnicas que nos proporciona la Biología Molecular, como por ejemplo la donación, estamos ahora en condiciones de comprender mejor las relaciones que existen entre estructura y función de las proteínas que constituyen los canales iónicos. A medida de que otras proteínas vayan siendo donadas y sus secuencias de aminoácidos determinadas y modificadas a voluntad, tendremos una mayor comprensión de las bases moleculares de la selectividad iónica y de los cambios conformacionales que sufren los canales iónicos en respuesta a un estímulo externo.

CONTROLANDO LA ANGINA Nuevas drogas denominadas "bloqueadoras de canales de calcio" están ayudando a las personas que sufren de esta forma común de enfermedad cardíaca a llevar una vida casi normal. La angina constituye la forma más común de enfermedad cardíaca. Sus síntomas son opresión y dolor en el pecho, además de otros como mareos y dificultades respiratorias. En estos casos el ataque de angina es causado por un inadecuado suministro de sangre oxigenada al corazón, por obstrucción de las arterias coronarias. Hasta hace poco los pacientes con angina debían llevar una vida sedentaria ya que cualquier estrés emocional, físico o exposición al frío- podría gatillar un ataque al aumentar la demanda de oxígeno por el corazón. En las pasadas dos décadas, muchos pacientes se han aliviado tomando drogas llamadas bloqueadores beta o nitroglicerina. Los bloqueadores beta reducen los requerimientos de oxígeno del corazón de tal modo que si sobreviene un ataque de angina, la deficiencia de oxígeno y el dolor no serán severos. Las tabletas de nitroglicerina ingeridas al ocurrir el ataque alivian el dolor dilatando los vasos sanguíneos, mejorando de este modo el suministro de sangre al corazón. Al mismo tiempo disminuyendo el trabajo del órgano, lo que a su vez produce una reducción de su demanda de oxígeno. Sin embargo, ni los bloqueadores beta ni la nitroglicerina son capaces de curar la angina de pecho en sí misma. Más aún no toda angina es producida por una enfermedad coronaria. En la reciente década las investigaciones se han centrado en el rol de espasmo de las arterias coronarias, que es una constricción repentina de estos vasos que nutren el corazón a causa de la angina. Su trabajo ha conducido al uso de nuevas drogas, llamadas bloqueadores de canales de calcio, disponibles en forma oral desde diciembre de 1981. Este grupo de drogas no sólo previenen los espasmo coronarios sino que reducen el ritmo cardíaco y la presión sanguínea. Los bloqueadores de canales de calcio existen actualmente son tres drogas similares: diltiazem, verapamil y nifedipina, que actúan básicamente del mismo modo, cada una con diferentes efectos secundarios y que según los especialistas son mínimos. Investigadores en Estados Unidos y Europa han encontrado que en algunas personas las paredes de las arterias coronarias, que están formadas por células musculares lisas, se contraen cuando hay un aumento en el flujo de entrada de calcio a las células. El espasmo resultante es lo que gatilla el ataque de angina. Lo que hacen estas drogas es prevenir que las arterias coronarias sufran un espasmo y constricción, bloqueando selectivamente los canales de calcio e impidiendo así la entrada de estos iones a las células musculares lisas de las arterias coronarias.

Ramón Latorre y Daniel Wolff

Facultad de Ciencias, Universidad
de Chile y Centro de Estudios

Científicos de Santiago.



PARA SABER MÁS


1. Alberts B. et al. Molecular Biology of the cell. Garland Publishing, Inc. 1983. Capítulo 6: The plasma membrane. Capítulo 8: The nervous system.


2. Stevens, C.H. The neuron. Scientific American. Septiembre, 1979, pp 15 - 28.


3. Kandel, E. Small systems of neurons. Septiembre,
1979, PP 19 - 39.


4. Hille, B. Ionic Channels of excitable membranes. Sinauer Associates Inc. 1984.