Canales iónicos activados mecánicamente

Modelo anclado o de unión

Cuando se aplica una fuerza mecánica al tejido, se produce el estiramiento de la matriz extracelular y de las membranas celulares, lo que a su vez desencadena diversos cambios compensatorios en el citoesqueleto. Los canales iónicos activados mecánicamente están unidos a proteínas accesorias extracelulares y a proteínas asociadas al citoesqueleto. Según el modelo anclado, las fuerzas se transmiten a través de estas uniones desde la matriz extracelular y el citoesqueleto hasta el canal, lo que provoca la apertura del poro cuando las proteínas extracelulares se desvían en la dirección adecuada.

Inicialmente, este modelo se consideró favorable para las células eucariotas complejas debido a sus intrincadas redes de proteínas tanto internas como externas. Sin embargo, estudios recientes sugieren que ciertos canales iónicos en mamíferos pueden activarse mediante fuerzas mecánicas independientemente a las conexiones con la matriz extracelular, de forma similar al modelo de fuerza a partir de lípidos.

Modelo de fuerza a partir de lípidos

El modelo de fuerza a partir de lípidos surgió a partir de la identificación y reconstitución funcional de un canal iónico mecanosensible en procariotas. Este modelo propone que la activación del canal puede ocurrir como resultado de cambios en la capa externa o lipídica de la membrana celular, sin necesidad de estructuras proteicas adicionales. La bicapa lipídica funciona como un compartimento anfipático (con dominios polares y apolares) que presenta un perfil único en distribución de fuerzas internas. El estiramiento físico de la membrana modifica este perfil, induciendo alteraciones estructurales en los canales, que en última instancia afectan su permeabilidad iónica.

Canales de sodio degenerina/canales de sodio epiteliales (DEG/ENaC)

Las degenerinas son los primeros canales iónicos eucariotas activados mecánicamente identificados. Son canales iónicos de sodio que se encuentran en las neuronas somatosensoriales de C. elegans, una especie de nematodo (gusano redondo). La familia de canales iónicos DEG/ENaC se caracteriza por similitudes en la secuencia genética entre las degenerinas y las subunidades de los canales de sodio epiteliales de los mamíferos.

Canales catiónicos de potencial de receptor transitorio (TRP)

Los canales catiónicos de potencial de receptor transitorio (TRP) forman una familia con una conservación evolutiva característica, clasificada en siete categorías según la homología de secuencia.

Los canales TRP son esenciales para una amplia gama de funciones sensoriales y responden a diversos estímulos, incluidos el voltaje, la temperatura, las moléculas pequeñas y las fuerzas mecánicas. Hasta la fecha, se han identificado tres miembros de la familia que responden a estímulos mecánicos:

• TRPA: estos canales están asociados principalmente con la termosensibilidad tanto en invertebrados como en vertebrados, pero estudios recientes también han identificado su participación en la somatosensibilidad.
  
• TRPN: resultados de investigaciones recientes muestran que los canales TRPN son importantes para la respuesta al tacto ligero y la propiocepción en los invertebrados.
  
• TRPV: en la Drosophila, los canales TRPV están implicados en la audición, mientras que en los mamíferos se reconocen como canales iónicos activados térmicamente. Sin embargo, los canales iónicos responsables de la audición en los mamíferos aún no se han explorado por completo.
  

Canales de potasio activados mecánicamente

La presencia de canales de potasio activados mecánicamente introduce complejidad al modelo tradicional de activación neuronal por fuerza mecánica.

A diferencia de los canales de sodio, los canales de potasio activados mecánicamente hiperpolarizan el potencial de membrana, lo que reduce la probabilidad de un potencial de acción. Las funciones fisiológicas de estos canales de potasio en la mecanotransducción siguen siendo poco conocidas. Se han detectado dos miembros de esta familia de canales, concretamente los miembros 2 y 4 de la subfamilia K del canal de potasio (KCNK2 y KCNK4, respectivamente), en neuronas de mamíferos. Su actividad está modulada por una amplia gama de estímulos, que abarcan fuerza mecánica, temperatura y sustancias químicas.

Bajo la fuerza mecánica, el estiramiento de la membrana puede activar los canales de potasio activados mecánicamente siguiendo el modelo de fuerza de los lípidos.

Canales Piezo

Los canales Piezo constituyen una familia recientemente descubierta de canales catiónicos controlados mecánicamente en eucariotas, que incluye los canales Piezo1 y Piezo2.

Los canales Piezo tienen un gran tamaño de aproximadamente 2500 aminoácidos y abarcan numerosas regiones transmembrana. Su distribución varía entre los tejidos y desempeñan un papel predominante sobre otras familias de canales iónicos controlados mecánicamente, debido a su participación en procesos fisiológicos esenciales de los mamíferos.

Más allá de su participación en el sistema nervioso sensorial, los canales Piezo están implicados en varios procesos fisiológicos, que abarcan la regulación del volumen de los eritrocitos, la división celular y la inmunidad innata. Además, las mutaciones en los canales Piezo se han asociado con varias enfermedades humanas hereditarias, como la displasia linfática congénita autosómica recesiva, la xerocitosis hereditaria y un síndrome autosómico recesivo caracterizado por atrofia muscular con dificultad respiratoria perinatal.

Canales Piezo1

Los canales Piezo1 tienen diversas funciones y se expresan en tejidos no sensoriales, como el pulmón, el tracto urinario y el sistema cardiovascular.

• Piezo1 se expresa en las células endoteliales vasculares pulmonares y en las células epiteliales alveolares tipo II, responsables de la adaptación a los aumentos de la presión alveolar y la presión hidrostática.
• La función de Piezo1 en el tracto urinario es detectar y responder a los cambios tanto en el flujo de líquido como en la presión intraluminal.
• En el sistema cardiovascular, se ha demostrado que la tensión mecánica activa el canal Piezo1 en las células endoteliales, lo que aumenta la formación de óxido nítrico (NO) y la vasodilatación.

Canales Piezo2

Los canales Piezo2 desempeñan un papel fundamental en los receptores sensitivos, especialmente en la piel, los músculos y los órganos internos. Se expresan abundantemente en las neuronas sensoriales responsables de la propiocepción y el tacto, en particular en las estructuras identificadas como complejos de neuritas de células de Merkel.

Neuronas sensoriales mecanosensibles

Los canales iónicos activados mecánicamente desempeñan un papel fundamental en las neuronas sensoriales mecanosensibles responsables de la percepción del tacto ligero, la vibración, la presión, la propiocepción y los estímulos mecánicos nocivos. Estas células especializadas transforman los estímulos mecánicos en señales eléctricas iniciando una cascada de potenciales de acción. En términos generales, estas neuronas se dividen en dos categorías: mecanorreceptores de umbral bajo y mecanorreceptores de umbral alto.

Mecanorreceptores de umbral bajo

Los mecanorreceptores de umbral bajo responden a estímulos mecánicos externos e internos. Los propioceptores son responsables de las fuerzas mecánicas internas que surgen del sistema musculoesquelético y proporcionan información sobre la posición de las extremidades y otras partes del cuerpo en el espacio. Los propioceptores incluyen husos musculares, órganos tendinosos de Golgi y receptores articulares. Los mecanorreceptores para estímulos externos se encuentran principalmente en la piel y responden a estímulos mecánicos leves e inofensivos.

Se han identificado cuatro órganos terminales mecanosensoriales distintos: terminaciones de Ruffini, corpúsculos de Meissner, corpúsculos de Pacini y discos de Merkel.

Mecanorreceptores de umbral alto

Los mecanorreceptores de umbral alto forman parte de la familia de los nociceptores. Los nociceptores responden a una variedad de estímulos nocivos, como los estímulos químicos, frío, calor y mecánicos nocivos. Estas neuronas expresan predominantemente TRPV y TRPA. TRPV responde a la inflamación y al prurito, mientras que TRPA es responsable del prurito independiente de la histamina. Se pueden encontrar las características específicas de los receptores de estímulos nocivos mecánicos. Los mecanorreceptores de umbral alto abarcan principalmente las terminaciones nerviosas libres, que inervan ampliamente la epidermis. Se cree que las fibras nerviosas Aδ delgadas y mielinizadas, median el dolor mecánico rápido y muestran capacidad de respuesta a estímulos nocivos de calor o frío, mientras que las fibras nerviosas C, delgadas y amielínicas, responden exclusivamente a estímulos mecánicos y se caracterizan por una velocidad de conducción lenta.

Células pilosas cocleares y vestibulares

Los canales iónicos activados mecánicamente participan en la fisiología de la audición y el equilibrio y se encuentran en células especializadas del oído interno. Estas células, conocidas como células pilosas, extienden prolongaciones desde su superficie apical llamadas estereocilios. Los estereocilios están dispuestos ordenadamente en filas de altura creciente. El movimiento cohesivo de los estereocilios se facilita mediante conexiones laterales entre estereocilios individuales a través de estructuras conocidas como enlaces de punta. La parte de la membrana a la que están unidos los enlaces de punta es rica en canales iónicos activados mecánicamente.

El movimiento de los estereocilios desde los más cortos a los más altos conduce a un aumento gradual de la tensión mecánica, debido a estímulos mecánicos. En consecuencia, los canales iónicos activados mecánicamente se activan, facilitando la entrada de cationes, especialmente K+ y Ca2+. Este evento despolariza la membrana de la célula pilosa, generando un potencial receptor que conduce a la liberación de neurotransmisores.

Por el contrario, el movimiento de los estereocilios alejándose del estereocilio más alto produce el cierre de estos canales, lo que induce la hiperpolarización en la célula pilosa y la inhibición de la actividad eléctrica.

Las células pilosas, según su fisiología y ubicación, se dividen en células pilosas cocleares y vestibulares. Las células pilosas cocleares, ubicadas en la cóclea, transforman los estímulos mecánicos, en forma de vibraciones sonoras, en señales eléctricas. Estas señales se transmiten posteriormente al encéfalo para su interpretación. Las células pilosas vestibulares detectan la posición y el movimiento de la cabeza, transduciendo incluso desplazamientos minúsculos en potenciales receptores.

Células endoteliales y musculares lisas mecanosensibles

Las células endoteliales y de músculo liso perciben estímulos mecánicos que pueden afectar la conformación proteica de su membrana celular.

Los canales Piezo1 se expresan en las células endoteliales y en las células musculares lisas vasculares, y se activan por la tensión de corte y el estiramiento de la membrana celular, asociados con el aumento del flujo sanguíneo local y la presión arterial. Piezo1 es necesario para regular la formación de óxido nítrico, el tono vascular y la presión arterial.

Las células epiteliales y endoteliales alveolares experimentan fuerzas mecánicas durante la respiración. Los canales Piezo1 también se expresan en las células endoteliales vasculares pulmonares y en las células epiteliales alveolares de tipo II, responsables de la adaptación a los aumentos de la presión alveolar y la presión hidrostática.

En el sistema urinario, los canales iónicos activados mecánicamente responden al estiramiento de la pared de la vejiga. Piezo1, junto con TRPV4, contribuyen significativamente a la micción al responder al estiramiento de la pared vesical, evocando la entrada de Ca2+ e iniciando el reflejo de micción.

Mecanosensibilidad

Aunque los términos “canales iónicos activados mecánicamente” y “canales mecanosensibles” pueden parecer intercambiables, la mecanosensibilidad denota específicamente canales que alteran su permeabilidad en respuesta al estrés mecánico, aunque puedan responder predominantemente a otros tipos de estímulos. Esta categoría más amplia incluye canales mecanosensibles activados por voltaje y canales mecanosensibles activados por ligando.